漆酶對不同漂段紙漿催化氧化木素的效果研究

劉建祥 馬邕文,2,* 萬金泉,2 余仕發(fā) 陳長興 張國瑞 陳德強

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州，510640；2.華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院,廣東廣州，510006；3.福建省晉江優(yōu)蘭發(fā)紙業(yè)有限公司,福建晉江，362221；4.福建希源紙業(yè)有限公司,福建龍海，363107)

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·漆酶處理紙漿·

漆酶對不同漂段紙漿催化氧化木素的效果研究

劉建祥1馬邕文1,2,*萬金泉1,2余仕發(fā)3陳長興3張國瑞4陳德強4

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州，510640；2.華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院,廣東廣州，510006；3.福建省晉江優(yōu)蘭發(fā)紙業(yè)有限公司,福建晉江，362221；4.福建希源紙業(yè)有限公司,福建龍海，363107)

以未漂硫酸鹽桉木漿(Sp漿)、氧脫木素桉木漿(O漿)、H2O2漂白桉木漿(P漿)作為不同漂段原料,探討漆酶-谷氨酸體系對不同漂段紙漿的催化效果。結(jié)果表明，漆酶催化總體上可使紙漿的卡伯值增大,紙漿的白度隨之下降；漆酶協(xié)同谷氨酸可催化氧化纖維表面木素與相鄰纖維上的木素發(fā)生自由基偶合反應(yīng),同時使纖維表面的微細纖維暴露出來,兩者共同作用使相鄰纖維形成更好的結(jié)合力,使紙漿的強度性能大幅度提升；谷氨酸可通過漆酶催化氧化作用連接到木素上,增加纖維原料中的羧基含量,Sp漿、O漿、P漿羧基含量分別較未處理紙漿提高20%、50%、43%。

羧基；漆酶；谷氨酸；卡伯值

(*E-mail: ppywma@scut.edu.cn)

目前,對低質(zhì)量纖維進行改性、增強其物理化學(xué)性能,以實現(xiàn)高附加值利用成為研究熱點。改性方法主要有物理法和化學(xué)法兩種：物理法能耗大,多段處理過程纖維損失較多,設(shè)備投資大,同時漿線布局復(fù)雜；化學(xué)法對后續(xù)廢水處理帶來困難,如用氯乙酸進行羧甲基化處理,增加了廢水中的AOX及COD[1]。因以上兩種方法與當(dāng)下的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相悖,近年來研究者一直致力于尋求更加經(jīng)濟、環(huán)保、易操作、在現(xiàn)有生產(chǎn)線上適用的方法,因此生物酶法應(yīng)運而生。生物酶法反應(yīng)條件溫和,能耗較低,效率高,無污染,同時現(xiàn)有技術(shù)已克服生物酶對反應(yīng)環(huán)境敏感、容易失活等缺陷。近年來,漆酶對紙漿的改性研究引起了廣泛的興趣。

漆酶是一種多銅氧化還原酶,可以催化氧化單苯酚、雙苯酚、氨基苯酚、聚苯酚、聚胺和類似木素結(jié)構(gòu)的分子,同時把O2還原成水[2]。漆酶主要通過催化氧化紙漿中的木素來影響紙漿的性能,在漆酶-介體體系中,根據(jù)選取的介體不同,漆酶的主要作用不同,一是在α-C形成過氧自由基,最終轉(zhuǎn)化為羰基,導(dǎo)致木素側(cè)鏈的斷裂；二是木素中的酚羥基或醌型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生酚氧自由基,自由基偶合而發(fā)生木素分子的縮合[3- 4],如Martin Lunda等人[5]利用漆酶協(xié)同ABTS、HBT可顯著提升木素含量高的硫酸鹽漿的濕強度,張愛萍等人[6]利用漆酶-紫尿酸體系改性紙漿發(fā)現(xiàn)可氧化纖維表面木素,同時使酸性基團含量增加。漆酶催化氧化過程大體上分3個階段：酶分子對底物的作用；電子在酶中傳遞；氧分子對酶的還原和產(chǎn)物的反作用[7]。漆酶的應(yīng)用非常廣泛,可應(yīng)用于木質(zhì)纖維素原料改性、環(huán)境污染控制、食品業(yè)、紡織業(yè)、藥劑學(xué)、有機合成等行業(yè)[8],特別是在木質(zhì)纖維素改性方面具有應(yīng)用潛力[9]。

Witayakran S等人[10-11]研究發(fā)現(xiàn)，漆酶協(xié)同氨基酸可增加纖維原料中的羧基含量繼而影響纖維負(fù)電性,提升成紙性能。筆者在前人基礎(chǔ)上采用未漂硫酸鹽桉木漿(Sp漿)、氧脫木素桉木漿(O漿)、H2O2漂白桉木漿(P漿)作為研究對象,選擇O段、P段漂白漿原因是其是TCF漂白不可缺少的重要組成部分,也是大多數(shù)ECF漂白的重要組成部分。通過以上3種原料,研究漆酶協(xié)同谷氨酸對纖維原料強度性能、羧基含量、纖維表面形態(tài)影響,探究漆酶-谷氨酸對上述3種不同卡伯值紙漿的催化效果。旨為漆酶在制漿造紙領(lǐng)域大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實 驗

1.1 實驗原料

未漂硫酸鹽桉木漿(Sp漿),制備工藝條件為：用堿量17%(以Na2O計),硫化度25%,液比1∶4,最高溫度165℃,升溫時間100 min,保溫時間100 min,經(jīng)洗滌、篩選、打漿后打漿度為21°SR；氧脫木素桉木漿(O漿)[12],制備工藝條件為：以未漂硫酸鹽桉木漿作為原料,用堿量3%,MgSO4用量0.5%,氧壓0.5 MPa,漿濃10%,攪拌速度200 r/min,溫度90℃,時間60 min；H2O2漂白桉木漿(P漿)[13],制備工藝條件為：以未漂硫酸鹽桉木漿作為原料,用堿量2%,MgSO4用量0.5%,H2O2用量3%,漿濃10%,溫度80℃,時間180 min,每隔15 min對漿料進行揉搓。漆酶,廣州菲博生物科技有限公司；谷氨酸,上海伯奧生物科技有限公司,生化試劑。

1.2 實驗儀器

計算機控制立式置換蒸煮器,高壓反應(yīng)釜,紫外-可見分光光度計,HH- 4數(shù)顯恒溫水浴鍋,JB90-SH型數(shù)顯恒速強力電動攪拌機,手動抄紙系統(tǒng)成形器(無壓干燥),L&W抗張強度儀,L&W撕裂度儀,白度測定儀,SEM3700。

1.3 漆酶活性測定

漆酶活性由2,2′-連氮-雙(3-乙基苯并噻唑啉- 6-磺酸)(ABTS)的氧化確定。漆酶活性：定義1 min催化1 μmol ABTS,ABTS濃度的變化值的酶量為一個酶活單位(U),單位為μmol/(L·min)[11]。在25℃、pH值4.8的乙酸-乙酸鈉緩沖溶液中,測定0.5 mmol/L的ABTS與10 mg/mL待測酶液在紫外可見分光光度計420 nm處吸光度的變化。漆酶活力以每升酶液所含有的酶活量來計,結(jié)果測得酶活力為2000 U/L。漆酶催化ABTS形成的產(chǎn)物摩爾吸光系數(shù)為ε為36000 L/(mol·cm)。

1.4 漆酶催化氧化處理

在pH值5.0的檸檬酸-磷酸鹽緩沖溶液體系中,漆酶和谷氨酸用量分別為2 U/g、2%(相對于絕干漿),漿濃2%,反應(yīng)時間為3 h,反應(yīng)過程中通O2,攪拌速度400 r/min,溫度40℃。

1.5 紙漿性能測定

卡伯值采用微量卡伯值法按Tappi Useful Method UM246進行測定,白度按GB/T 17749—1999進行測定,抗張強度按GB/T 453—1989進行測定,撕裂強度按GB/T 455.1—1989進行測定,耐破度按GB/T 454—1989進行測定。

1.6 表面形態(tài)分析

采用日本Hitachi S-3700N超大樣品倉掃描電子顯微鏡(SEM)觀察纖維表面形態(tài)。在測試之前,試樣通過離子濺射進行鍍金處理,使用氣體二次電子探測器(GSED),加速電壓10 kV,之后對紙漿形貌進行觀察和分析,圖像放大倍數(shù)為1000。

1.7 電導(dǎo)率法測定羧基含量

稱取1.0 g絕干漿,在300 mL的0.1 mol/L鹽酸中浸泡1 h,并用電磁攪拌器攪拌。再用不含二氧化碳的去離子水洗滌至電導(dǎo)率穩(wěn)定,用布氏漏斗抽濾后,把紙漿分散于250 mL的0.001 mol/L的NaCl溶液中,加入1.5 mL的0.1 mol/L鹽酸進行酸化,用玻璃紙密封,插入氮氣通氣管和電導(dǎo)率儀電極[14]。在氮氣環(huán)境和電磁攪拌下用0.05 mol/L的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液進行滴定(50 μL移液槍),并記下每次滴定的電導(dǎo)率。滴定終點的確定是滴定終點的電導(dǎo)率與滴定開始的電導(dǎo)率相同或相近。計算方法見公式(1)。

(1)

式中，V1為第一等當(dāng)點NaOH溶液體積,mL；V2為第二等當(dāng)點NaOH溶液體積,mL；c為NaOH溶液濃度,mol/L；m為試樣絕干質(zhì)量,g。

計算時,以電導(dǎo)率為縱坐標(biāo),以消耗的NaOH溶液毫升數(shù)為橫坐標(biāo)作圖,對滴定曲線做切線和水平切線,切線第一個交點即為OH-開始中和與羧基結(jié)合的H+的點(第一等當(dāng)點),切線第二個交點即為紙漿懸浮液中與羧基結(jié)合的H+全部被中和完畢的點(第二等當(dāng)點)。

2 結(jié)果與討論

2.1 漆酶催化對紙漿卡伯值和白度的影響

在制漿過程中,紙漿的卡伯值是生產(chǎn)上控制紙漿質(zhì)量的一項重要指標(biāo),它可以間接反映紙漿中殘余木素含量的多少[15]。

圖1 漆酶催化對不同漂段紙漿卡伯值的影響

圖2 漆酶催化對紙漿白度的影響

2.2 漆酶催化對紙漿中羧基含量的影響

紙漿的羧基一部分存在于纖維素的降解產(chǎn)物氧化纖維素中,另一部分存在于半纖維素及其降解產(chǎn)物中,羧基的存在對紙漿的質(zhì)量有影響,如提高紙漿的穩(wěn)定性及降低老化速度,同時,羧基能增加纖維的潤脹性、柔軟性,進一步增強纖維的成鍵能力[18]。通過生物酶催化連接富含羧基的低分子質(zhì)量化合物,不失為經(jīng)濟環(huán)?？茖W(xué)的研究方法。本實驗利用漆酶催化連接谷氨酸方法提高紙漿中的羧基含量,提高其強度性能。表1為漆酶催化對紙漿中羧基含量的影響，從表1可知,單獨加入漆酶或谷氨酸不會提高紙漿中的羧基含量,當(dāng)用漆酶協(xié)同谷氨酸同時處理紙漿時,可明顯提高羧基含量,Sp、O和P漿的羧基含量分別較未處理紙漿提高20%、50%和43%,主要是由于漆酶可催化氧化木素將谷氨酸連接其上,增加紙漿中羧基含量。

表1 漆酶催化對紙漿中羧基含量的影響 mmol/kg

注 Glu—谷氨酸處理漿樣。

2.3 漆酶催化后紙漿的表面分析

圖3為漆酶催化對紙漿纖維表面的影響。從圖3可以清晰地觀察到,未用漆酶處理的Sp漿、O漿和P漿,纖維表面圓潤光滑,纖維之間只是簡單地纏繞；利用漆酶催化氧化后,游離于纖維表面的細纖維增多,纖維表面細纖維化明顯,纖維表面變得比較粗糙,這可能是在漆酶的作用下,因纖維表面上的木素被催化氧化,微細纖維從纖維表面上分離出來,暴露出來的微細纖維相互纏繞，致使相鄰纖維連接更加緊密；漆酶協(xié)同谷氨酸處理后,纖維表面上木素與相鄰纖維上的木素發(fā)生自由基偶合反應(yīng)[19],與微細纖維兩者共同作用使相鄰纖維形成更好的結(jié)合力。

圖3 漆酶催化對紙漿纖維表面形態(tài)特征的影響

紙漿及處理方法抗張指數(shù)數(shù)值/N·m·g-1增量/%撕裂指數(shù)數(shù)值/mN·m2·g-1增量/%耐破指數(shù)數(shù)值/kPa·m2·g-1增量/%Sp漿Con155(02)184(003)100(002)Lac266(01)72290(003)58114(006)14Lac?Glu290(04)87337(010)83126(002)26O漿Con228(02)268(002)110(001)Lac290(05)27346(007)29154(001)40Lac?Glu326(04)43379(002)41175(005)59P漿Con162(05)225(002)080(001)Lac251(06)55274(005)22118(001)48Lac?Glu251(01)55277(006)23119(002)49

注 括號內(nèi)數(shù)值為平均標(biāo)準(zhǔn)偏差SD。增量均對未處理的對照樣。

2.4 漆酶催化對紙漿物理性能的影響

表2為漆酶催化對紙漿強度性能的影響。在表2中,與3種漿各自的對照樣相比,漆酶、漆酶-谷氨酸體系處理過的紙漿其抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)有上升的趨勢,這與其他文獻實驗結(jié)果一致[20]。對于Sp漿,漆酶-谷氨酸處理后,其抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)分別提高了87%、83%、26%。對于O漿,漆酶-谷氨酸處理過后,其抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)分別提高了43%、41%、59%。對于P漿,漆酶-谷氨酸處理過后,其抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)分別提高了55%、23%、49%。因為漂白作用致使O漿、P漿的初始抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)都要優(yōu)于Sp漿。經(jīng)過漆酶及與谷氨酸的協(xié)同作用后,Sp漿的抗張指數(shù)和撕裂指數(shù)提升顯著,原因是漆酶主要通過催化氧化紙漿中的木素來影響紙漿的性能；同時O漿的3種強度性能都高于其他兩種紙漿,除了漆酶的催化氧化作用及谷氨酸引起羧基含量增加(表1)原因外,具體原因還需進一步研究。

3 結(jié) 論

3.1 漆酶催化氧化總體上可使未漂硫酸鹽桉木漿(Sp漿)、H2O2漂白桉木漿(P漿)的卡伯值增加,紙漿的白度隨之降低,但在氧脫木素桉木漿(O漿)中,單獨利用漆酶催化后紙漿的卡伯值降低。

3.2 漆酶協(xié)同谷氨酸可催化氧化纖維表面上木素與相鄰纖維上的木素發(fā)生自由基偶合反應(yīng),同時使纖維表面的微細纖維暴露出來,兩個作用使相鄰纖維形成更好的結(jié)合力。

3.3 漆酶可催化氧化木素將谷氨酸連接其上，增加纖維原料中羧基含量。漆酶協(xié)同谷氨酸處理后，Sp漿、O漿、P漿的羧基含量分別較未處理紙漿提高20%、50%、43%。

3.4 漆酶-谷氨酸體系處理Sp漿、O漿、P漿后,其抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)、耐破指數(shù)明顯提升。

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(責(zé)任編輯：常 青)

The Catalytic Effect of Laccase on the Lignin Oxidation of Pulps from Different Bleaching Stages

LIU Jian-xiang1MA Yong-wen1,2,*WAN Jin-quan1,2YU Shi-fa3CHEN Chang-xing3ZHANG Guo-rui4CHEN De-qiang4

(1.StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640;2.CollogeofEnvironmentandEnergy,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510006;3.FujianYoulanfaPaperCo.,Ltd.,Jinjiang,FujianProvince, 362221;4.FujianXiyuanPaperCo.,Ltd.,Longhai,FujianProvince, 363107)

This study explored laccase-glutamic acid system catalytic effects on unbleached eucalyptus kraft pulp (Sp), oxygen delignified eucalyptus kraft pulp (O), and H2O2bleached eucalyptus pulp (P). The results showed that the Kappa numbers of the pulps increased and whiteness decreased with laccase catalysis. Laccase catalysis oxidation of lignin on the surfaces combining the treatment of glutamic acid, free radical coupling reaction between the lignins on the surfaces of adjacent fibers formed a network structure and created closer contact between the fibers, the paper strength was enhanced significantly. The carboxyl groups of the pulps increased 20% for (Sp), 50% for (O) and 43% for (P) after combining laccase acid and glutamic acid treatment.

carboxyl group; laccase; glutamic acid; Kappa number

劉建祥先生，在讀碩士研究生；主要從事漆酶對纖維原料改性機理方面的研究。

2016- 06- 03(修改稿)

國家自然科學(xué)基金(NO.31570568)；制漿造紙工程國家重點實驗室開放基金(NO.201535)；廣東省高層次人才基金(NO.201339)。

TS756

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.08.005

*通信作者：馬邕文先生，E-mail：ppywma@scut.edu.cn。