酶轉(zhuǎn)化淀粉在無碳復寫紙原紙中的應用

齊云洹 張 楊 丁雪峰

(河南銀鴿實業(yè)投資股份有限公司,河南漯河，462000)

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酶轉(zhuǎn)化淀粉在無碳復寫紙原紙中的應用

齊云洹 張 楊 丁雪峰

(河南銀鴿實業(yè)投資股份有限公司,河南漯河，462000)

對酶轉(zhuǎn)化淀粉代替氧化淀粉在無碳復寫紙原紙的應用進行了探討。確定了酶轉(zhuǎn)化淀粉中液體生物淀粉酶的用量為500 mL/t淀粉、酶反應時間為15～20 min、滅活溫度為95℃、滅活保溫時間為10 min 的酶轉(zhuǎn)化工藝以及酶轉(zhuǎn)化淀粉熬制工藝。中試結(jié)果表明，與使用氧化淀粉相比,采用酶轉(zhuǎn)化淀粉表面施膠后成紙的縱向挺度增加約30 mN·mm、表面強度增加約0.1 m/s,噸紙成本可降低53.5元。

酶轉(zhuǎn)化淀粉;淀粉酶；無碳復寫紙原紙；挺度；表面強度

河南銀鴿實業(yè)投資股份有限公司(以下簡稱銀鴿公司)特種紙二車間主要生產(chǎn)低定量無碳復寫紙原紙,其表面施膠淀粉原為氧化淀粉。近年來隨著無碳復寫紙原紙市場競爭的日益激烈,對成紙質(zhì)量與生產(chǎn)成本的把控顯得尤為重要,因此為了達到降本增效的目的,銀鴿公司計劃用價格比較便宜的玉米原淀粉進行改性，替代原來的氧化淀粉。一般采用過硫酸銨對玉米原淀粉進行改性,但過硫酸銨氧化性強,會對熬膠設備造成不同程度的腐蝕,并且其成本也偏高,所以銀鴿公司擬采用液體生物淀粉酶代替過硫酸銨對玉米原淀粉進行改性[1-2]。

1 玉米原淀粉性能

由于銀鴿公司特種紙二車間的施膠方式為計量棒式膜轉(zhuǎn)移施膠[3],故對玉米原淀粉的質(zhì)量要求較高。玉米原淀粉的白度直接影響到紙張的白度,原來使用的氧化淀粉因氧化能提高淀粉的白度,故玉米原淀粉的白度應盡可能得高；pH值的高低會影響淀粉酶的用量,因此一般要求玉米原淀粉的pH值在6～7左右；玉米原淀粉的灰分要盡可能得低,灰分高會影響紙張的表面強度,一般要求灰分≤0.1%；玉米原淀粉中的蛋白質(zhì)和脂肪含量也不能過高,含量過高一方面容易使膠料變酸和變質(zhì),另一方面會使膠料中泡沫和沉積物增多，造成堵棒現(xiàn)象,因此一般蛋白質(zhì)含量不高于0.3%,脂肪含量不高于0.15%[4]。

2 液體生物淀粉酶作用原理

淀粉是由α-D-1,4-葡萄糖聚合而成的高聚物,在其分子中有直鏈和支鏈兩部分。直鏈部分呈線性，以α-D-1,4-葡萄糖苷鍵連接,而支鏈則以α-D-1,6-葡萄糖苷鍵與主鏈連接。淀粉酶是一種綠色的生物催化劑,其對淀粉降解具有專一性、高效性。銀鴿公司所采用的液體生物淀粉酶是一種內(nèi)切酶,能隨機水解淀粉、可溶性糊精以及低聚糖中的α-D-1,4-葡萄糖苷鍵,但不能水解α-D-1,6-葡萄糖苷鍵,液體生物淀粉酶作用后可使糊化淀粉的黏度下降,變成液化淀粉,產(chǎn)生可溶性的含α-D-1,6鍵的糊精和寡聚糖。原來的淀粉顆粒外觀呈圓形、橢圓形或者多角形,顆粒面清晰,無黏連,且表面較光滑,經(jīng)液體生物淀粉酶改性的玉米原淀粉無序形態(tài)所占比例增加,有序形態(tài)遭到一定程度的破壞,顆粒呈現(xiàn)碎片狀,暴露出更多的羥基,從而更有效地提高紙張的物理強度等指標[5- 8]。

3 實 驗

3.1 原料

氧化淀粉：河南某廠提供。玉米原淀粉：河南某廠提供。液體生物淀粉酶：山東棗莊某公司提供。

3.2 儀器及設備

DZKW-D-2電熱恒溫水浴鍋,北京市永光明醫(yī)療儀器廠；85-2A磁力攪拌器,常州朗越儀器制造有限公司；NDJ-5S數(shù)顯黏度計,上海方瑞儀器有限公司；J-IGT350印刷適應性測定儀,四川長江造紙儀器有限責任有限公司；DRK-103B白度顏色測定儀,濟南德瑞克有限公司；ZTD-10電子式紙板挺度測定儀,長春市紙張試驗廠。

3.3 酶轉(zhuǎn)化實驗

將裝有一定量水的500 mL燒杯放置于磁力攪拌器上,加入液體生物淀粉酶攪拌2 min后按13.0%的濃度加入一定量的玉米原淀粉。攪拌均勻后移至水浴鍋中。保持攪拌,當懸濁液升溫至70℃,反應一定的時間,繼續(xù)升溫進行滅活,然后攪拌并保溫一定的時間,糊化完畢后測量其黏度指標。

3.4 檢測

按照國家標準GB/T 22427.7—2008《淀粉黏度測定》檢測膠料黏度；按照國家標準GB/T 7974—2002《紙、紙板和紙漿亮度(白度)的測定(漫射/垂直法)》檢測紙張白度；按照國家標準GB/T 22365—2008《紙和紙板印刷表面強度的測定》檢測紙張表面強度；按照國家標準GB/T 22364—2008《紙和紙板彎曲挺度的測定》測定紙張挺度。

4 結(jié)果與討論

4.1 液體生物淀粉酶用量對膠液黏度的影響

表1為液體生物淀粉酶用量對膠液黏度的影響。從表1中可以看出,當玉米原淀粉中不加液體生物淀粉酶時,膠液不能糊化,膠料黏度極大。當加入液體生物淀粉酶后,隨著液體生物淀粉酶用量的增加,淀粉膠液黏度越來越小；在液體生物淀粉酶用量小于500 mL/t淀粉時,隨著液體生物淀粉酶用量的增加,淀粉膠液黏度降低較快；當液體生物淀粉酶用量大于500 mL/t淀粉時,隨著液體生物淀粉酶用量的增加,淀粉膠液黏度降低較緩慢。根據(jù)原有淀粉黏度使用情況,最終確定液體生物淀粉酶用量為500～600 mL/t淀粉。

表1 液體生物淀粉酶用量對膠液黏度的影響

注 液體生物淀粉酶反應時間為15 min、滅活溫度為95℃、保溫時間為10 min。

4.2 液體生物淀粉酶反應時間對膠液黏度的影響

表2為液體生物淀粉酶反應時間對膠液黏度的影響。從表2中可以看出,相同酶用量的情況下,隨著液體生物淀粉酶反應時間的延長,淀粉膠液黏度降低。當液體生物淀粉酶反應時間為15～20 min時符合紙機的膠液黏度要求,因此確定液體生物淀粉酶反應時間為15～20 min。

表2 反應時間對膠液黏度的影響

注 液體生物淀粉酶用量為500 mL/t淀粉、滅活溫度為95℃、保溫時間為10 min。

4.3 滅活條件對膠液黏度的影響

表3為滅活條件對膠液黏度的影響。從表3中可以看出,隨著滅活溫度的升高,膠料黏度增加。當滅活溫度為85～92℃時,隨著保溫時間的增加膠料黏度降低,導致這種現(xiàn)象的原因可能是由于溫度偏低,膠料中部分生物淀粉酶的活性沒能完全滅活,生物淀粉酶與淀粉分子鏈繼續(xù)發(fā)生切斷反應,使得淀粉膠料黏度降低；但當滅活溫度達到95℃以上、保溫時間為5 min時,膠料黏度還有點偏低,隨著保溫時間增加到10 min以上時,膠料中的生物淀粉酶完全滅活,膠料黏度趨于穩(wěn)定。因此膠料在滅活過程中滅活溫度要達到95℃以上、保溫時間要達到10 min以上。

表3 滅活條件對膠液黏度的影響

注 液體生物淀粉酶用量為500 mL/t淀粉、反應時間為15 min。

5 生產(chǎn)中試

中試在銀鴿公司特種紙二車間3800紙機進行,生產(chǎn)定量40 g/m2無碳復寫紙原紙,紙機運行車速為800 m/min。

5.1 淀粉表面施膠工藝流程

淀粉表面施膠工藝流程見圖1。

圖1 表面施膠工藝流程

原料淀粉用量/kg·t-1紙淀粉單價/元·kg-1酶用量/mL·t-1淀粉酶單價/元·mL-1成本/元·t-1紙氧化淀粉503.6酶轉(zhuǎn)化淀粉502.55000.06180126.5

5.2 熬膠步驟

(1)向熬膠鍋中加入約60%的清水,開啟攪拌器。

(2)按噸淀粉500～600 mL的用量加入液體生物淀粉酶,充分攪拌。

(3)加入玉米原淀粉1000 kg,加清水至80%的液位。

(4)打開蒸汽閥門通入蒸汽,升溫至65～70℃,關(guān)閉蒸汽閥門保溫15～20 min。

(5)繼續(xù)升溫至95℃以上,保溫10～15 min。

(6)檢測鍋中淀粉膠料濃度、黏度等指標。

5.3 中試結(jié)果

表4為中試膠料黏度實測結(jié)果。從表4中可以看出,當液體生物淀粉酶用量為500 mL/t淀粉時,膠料黏度就能達到使用氧化淀粉的膠料黏度,因此,最終確定液體生物淀粉酶的用量為500 mL/t淀粉。

表4 膠料實測結(jié)果

表5為使用氧化淀粉和酶轉(zhuǎn)化淀粉時紙張性能比較。從表5中可以看出,與氧化淀粉相比,酶轉(zhuǎn)化淀粉有利于提高紙張的表面強度和挺度,成紙的表面強度增加約0.1 m/s,成紙的縱向挺度增加約30 mN·mm；但與氧化淀粉相比,成紙的白度降低約2個百分點,這可能是因為玉米原淀粉的白度較氧化淀粉的低,表面施膠后影響了成紙的白度,但白度指標在控制范圍之內(nèi),其影響可以不予以考慮。

表5 成紙物理指標對比

注 液體生物淀粉酶用量為500 mL/t淀粉。

5.4 成本分析

表6為使用酶轉(zhuǎn)化淀粉前后的成本分析。從表6中可以看出,使用酶轉(zhuǎn)化淀粉替代氧化淀粉噸紙成本可節(jié)約53.5元,按年生產(chǎn)5萬t無碳復寫紙原紙計算,每年可節(jié)約成本267.5萬元。

6 結(jié) 語

通過對酶轉(zhuǎn)化淀粉在無碳復寫紙原紙中的應用探討,確定了酶轉(zhuǎn)化淀粉中液體生物淀粉酶的用量為500 mL/t淀粉、酶反應時間為15～20 min、滅活溫度為95℃、滅活保溫時間為10 min的酶轉(zhuǎn)化工藝以及酶轉(zhuǎn)化淀粉的熬制工藝。經(jīng)過一段時間的紙機運行,酶轉(zhuǎn)化淀粉表面施膠效果良好。與使用氧化淀粉相比,采用酶轉(zhuǎn)化淀粉表面施膠后成紙的縱向挺度增加約30 mN·mm、表面強度增加約0.1 m/s,產(chǎn)品的檔次大大提高；另外,噸紙成本可降低53.5元,每年可節(jié)約267.5萬元。

[1] WANG Yao, ZHANG Qing-dong, MA Xiao-dong. Appication of Enzmstic Starch on Surface Sizing of Cardboard[J]. Paper and Paper Making, 2012, 31(11)： 8. 王 耀, 張慶棟, 馬曉東. 改性淀粉用于箱板紙表面施膠[J]. 紙和造紙, 2012, 31(11)： 8.

[2] WANG Song, FENG Gui-ping, TIAN Zhong-su, et al. Optimization of Enzyme Converted Starch Cooking Process[J]. Paper Chemicals, 2012, 24(3)： 25. 王 松, 馮桂平, 田中粟, 等. 酶轉(zhuǎn)化淀粉熬工藝的優(yōu)化[J]. 造紙化學品, 2012, 24(3): 25.

[3] ZHANG Yang, DING Xue-feng, GUO Hui, et al. Modification of Surface Sizing Technology of Linerboard[J]. China Pulp & Paper, 2015, 34(5)： 70. 張 楊, 丁雪峰, 郭 徽, 等. 箱紙板表面施膠技術(shù)的改造[J]. 中國造紙, 2015, 34(5): 70.

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(責任編輯：劉振華)

Application of Enzyme Converted Starch in Carbonless Base Paper Production

QI Yun-huan*ZHANG Yang DING Xue-feng

(YingeIndustrialInvestmentCo.,Ltd.,Luohe,He’nanProvince, 462000)

(*E-mail: yinge123456@126.com)

The application of enzyme converted starch to take place of oxidized starch in carbonless base paper production was studied. The optimum enzyme conversion conditions were as follows, the amylase dosage was 500 mL/t starch, reaction time was 15～20 minutes, inactivation temperature was 95℃, inactivation time was 10 minutes. The preparation process conditions of the enzyme converted starch were determined as well. The pilot plant test showed that compared with using oxidized starch, the longitudinal stiffness increased about 30 mN·mm, the surface strength increased about 0.1 m/s, the cost of the paper per ton saved 53.5 yuan when the enzyme converted starch was used as surface sizing agent.

enzyme converted starch; amylase; carbonless base paper; stiffness; surface strength

齊云洹先生，高級工程師；主要從事制漿造紙化學品和生產(chǎn)工藝的管理工作。

2016- 12- 19(修改稿)

TS727+.7;TS761.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.04.014