α-淀粉酶處理廢紙漿降解淀粉類(lèi)有機(jī)物及凈化漿料研究

馮 琨 孔話(huà)崢 王燕燕 趙夢(mèng)醒 劉廷志

（天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457）

2018 年我國(guó)紙和紙板產(chǎn)量10435 萬(wàn)t，其中包裝紙產(chǎn)量占50%以上，從紙漿比例上看，廢紙漿用量5474 萬(wàn)t，占紙漿消耗總量的58%，其中國(guó)產(chǎn)廢紙漿占42%，多為廢紙箱原料[1]。2019 年國(guó)內(nèi)造紙?jiān)先笨谶_(dá)3000 萬(wàn)t，這一缺口將主要由國(guó)產(chǎn)原料補(bǔ)充，因此國(guó)內(nèi)廢紙漿使用比例進(jìn)一步擴(kuò)大，廢紙回用周期大大縮短、回用頻次進(jìn)一步提高。廢紙?jiān)系亩啻位赜脤?dǎo)致纖維變短、抄造困難、紙張強(qiáng)度差等問(wèn)題，需要使用大量助劑來(lái)改善這一現(xiàn)象。淀粉由于其分子結(jié)構(gòu)與纖維分子極其相似、來(lái)源廣、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于造紙工業(yè)中[2]。

淀粉類(lèi)助劑在造紙過(guò)程中的大量使用導(dǎo)致廢紙中淀粉類(lèi)物質(zhì)不斷增加，目前我國(guó)國(guó)產(chǎn)廢紙箱中約含有8%～12%的淀粉類(lèi)物質(zhì)。在回用過(guò)程中，大量淀粉類(lèi)物質(zhì)會(huì)進(jìn)入紙張抄造系統(tǒng)，不僅影響濕部化學(xué)平衡，還會(huì)增加造紙助劑用量、影響紙機(jī)操作和紙張質(zhì)量，并給水處理系統(tǒng)造成很大壓力。國(guó)產(chǎn)廢紙箱原料這一問(wèn)題更加突出。Jaakko Ekman 等人[3]認(rèn)為有約占廢紙?jiān)腺|(zhì)量4%以上的淀粉類(lèi)物質(zhì)，在廢紙回用過(guò)程中被水解并進(jìn)入水系統(tǒng)。而這些物質(zhì)的代謝物是白水中DCS 的主要來(lái)源[4]。按廢紙箱中含有10%淀粉計(jì)算，全國(guó)每年使用的廢紙箱原料中約有500 萬(wàn)t 淀粉類(lèi)物質(zhì)，是一個(gè)巨大的潛在生物質(zhì)資源。另外大量淀粉類(lèi)有機(jī)物經(jīng)水處理后被消耗，不僅造成資源的極大浪費(fèi)，還會(huì)增加水處理負(fù)荷和成本。

采用酶處理從廢紙?jiān)现忻附獾矸垲?lèi)有機(jī)物雖然報(bào)道不多，但在紡織工業(yè)中卻有著廣泛應(yīng)用。紡織工業(yè)中，酶退漿具有高效、快速等特點(diǎn)，退漿率可達(dá)90%以上[5]。而紡織工業(yè)中應(yīng)用的淀粉與造紙工業(yè)淀粉類(lèi)似，多為各種變性淀粉，如氧化淀粉、酯化淀粉、醚化淀粉、接枝淀粉等[6-7]。不同改性淀粉酶解性能相同，酯化淀粉酶降解性能好，氧化淀粉次之，陽(yáng)離子淀粉最難降解[8]。我國(guó)造紙工業(yè)使用的變性淀粉中，陽(yáng)離子淀粉是主流和發(fā)展趨勢(shì)，約有70%的陽(yáng)離子淀粉用作造紙助劑[6]。采用生物酶處理廢紙漿，降解糖化淀粉類(lèi)物質(zhì)后，可采用微生物燃料電池（MFC）[9-11]處理實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換，是一種新型的漿料凈化和廢水處理工藝。

本研究采用α-淀粉酶處理國(guó)產(chǎn)廢紙箱，降解其中的淀粉類(lèi)有機(jī)物，以期達(dá)到凈化漿料、減輕廢水處理負(fù)荷的目的。

1 材料與方法

1.1 原料

廢紙：國(guó)產(chǎn)廢紙箱，撕成2～3 cm 小塊密封保存?zhèn)溆茫沪?淀粉酶：食品級(jí)耐高溫淀粉酶粉劑，10000 U/g，邢臺(tái)萬(wàn)達(dá)生物工程有限公司；糖化酶：50000 U/g，博立生物制品有限公司；CS-8 陽(yáng)離子淀粉：工業(yè)純，低取代度陽(yáng)離子淀粉，天津浩宇造紙助劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 漿料處理

稱(chēng)取一定量廢紙箱原料，加水浸泡24 h，調(diào)整漿料濃度后用高濃水力碎漿機(jī)處理30 min，制成廢紙漿備用。

1.2.2 淀粉降解

取一定量廢紙漿，調(diào)整到合適漿濃，加入適量酶，在一定溫度、pH值下處理一定時(shí)間，然后用200目漿袋在一定強(qiáng)度下甩干脫水，收集脫出液即為淀粉類(lèi)物質(zhì)降解液，紙漿為酶處理漿料。對(duì)照組不加酶，其他條件相同。

1.2.3 指標(biāo)檢測(cè)

（1）還原糖測(cè)定

取適當(dāng)稀釋待測(cè)樣采用二硝基水楊酸比色法測(cè)定其還原糖量[12]。

（2）廢液CODCr測(cè)定

采用比色法測(cè)定CODCr含量[13]。

（3）濁度、Zeta電位、電荷需求量的測(cè)定

采用lp 2000-11 濁度儀、Bi-90 Plus 納米/微米激光粒度分析儀、pcd-04顆粒電荷測(cè)定儀測(cè)定廢液的濁度、Zeta電位及陽(yáng)離子需求量[14-15]。

（4）手抄片性能檢測(cè)

將抄造的手抄片按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定相應(yīng)物理指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 雙酶處理廢紙漿降解淀粉有機(jī)物研究

為探討生物酶處理從廢紙漿中降解淀粉類(lèi)有機(jī)物的可行性，采用過(guò)量α-淀粉酶和糖化酶協(xié)同作用，探究了還原糖的提取量。

在α-淀粉酶和糖化酶用量均為2.0%（相對(duì)于紙漿）、pH 值6.8、漿濃10%情況下，室溫處理24 h，收集脫出液測(cè)定還原糖含量，計(jì)算得到100 g 絕干廢紙漿可得到還原糖（以葡萄糖計(jì)）6.11 g，還原糖得率為6.11%。α-淀粉酶和糖化酶水解淀粉，淀粉分子很難被完全分解，其中還含二糖、三糖和少量極限糊精，葡萄糖與二糖、三糖及糊精占比約為4∶1[16-17]，因此總糖得率要大于6.11%。

按6.11%還原糖得率計(jì)，每噸廢紙箱原料可產(chǎn)還原糖（以葡萄糖計(jì)）61.1 kg，是一個(gè)巨大的生物質(zhì)資源。另外本研究在酶解過(guò)程中，并未對(duì)處理后原料進(jìn)行洗滌，在實(shí)際應(yīng)用中可進(jìn)一步優(yōu)化工藝，尋求最佳、最經(jīng)濟(jì)結(jié)合點(diǎn)。通過(guò)雙酶處理，還原糖（以葡萄糖計(jì)）得率相對(duì)于廢紙漿為6.11%，證明酶處理從廢紙漿中降解淀粉類(lèi)有機(jī)物、凈化漿料是可行的。

2.2 α-淀粉酶處理降解有機(jī)物工藝優(yōu)化

研究采用α-淀粉酶對(duì)廢紙漿進(jìn)行處理，對(duì)α-淀粉酶作用條件進(jìn)行優(yōu)化。因?yàn)棣?淀粉酶對(duì)淀粉降解的產(chǎn)物類(lèi)型受條件影響較大，產(chǎn)物中除單糖外，還含有寡糖、糊精等，且這些物質(zhì)的比例會(huì)受到環(huán)境條件的影響而不同[17-18]，因此在酶處理?xiàng)l件優(yōu)化中，還原糖變化很難真實(shí)反映降解效果。故以降解液中CODCr為主要指標(biāo)對(duì)降解工藝進(jìn)行優(yōu)化，濁度作為輔助指標(biāo)。

2.2.1 處理時(shí)間對(duì)降解效果的影響

在廢紙漿漿濃10%、處理溫度為室溫、初始pH為中性、α-淀粉酶用量為0.1%的條件下，研究了酶處理時(shí)間對(duì)降解效果的影響，得到的降解液CODCr含量和濁度結(jié)果如圖1所示。

圖1 α-淀粉酶處理時(shí)間對(duì)降解液CODCr及濁度的影響

由圖1 可知，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，降解液中CODCr呈先直線(xiàn)上升后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。在前60 min，降解液中CODCr含量基本呈直線(xiàn)上升趨勢(shì)，此時(shí)紙漿中淀粉類(lèi)有機(jī)物含量豐富，反應(yīng)速度由酶用量決定，被酶切斷的小分子淀粉不斷被切斷剝離，因此降解液中CODCr不斷上升。而后隨底物不斷水解，底物濃度成了主要限制因素，反應(yīng)速度不斷下降[19]，降解液中CODCr趨于穩(wěn)定。這與Luo 等人[20]在研究α-淀粉酶強(qiáng)化廢活性污泥厭氧消化水解動(dòng)力學(xué)研究中得到的結(jié)論類(lèi)似。降解液濁度隨作用時(shí)間延長(zhǎng)呈先下降后趨于穩(wěn)定趨勢(shì)。作用初期，大量淀粉碎片進(jìn)入降解液中，造成濁度較高，后隨著淀粉酶的不斷作用，較大分子碎片不斷被降解，成為小分子糊精、寡糖、單糖等，對(duì)光線(xiàn)的散射作用降低，濁度不斷下降最終趨于穩(wěn)定。因此，酶處理時(shí)間選取60 min較為合適。

2.2.2 酶用量對(duì)降解效果的影響

在廢紙漿漿濃10%，處理溫度為室溫，初始pH為中性條件下，采用不同酶用量（以紙漿質(zhì)量計(jì)）對(duì)廢紙漿處理60 min，探討了酶用量對(duì)降解效果的影響，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 α-淀粉酶用量對(duì)降解液中CODCr和濁度的影響

由圖2 可看出，隨著酶用量的增加，降解液中CODCr和濁度都呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诿赣昧枯^小時(shí)，酶促反應(yīng)速度由酶用量決定，因此隨著酶用量加大降解液中CODCr也不斷增加。在酶用量較少時(shí)，α-淀粉酶被纖維吸附，主要作用于纖維上吸附的淀粉分子，被剝離和降解游離的淀粉分子很難再被進(jìn)一步降解，因此降解液中淀粉類(lèi)物質(zhì)分子質(zhì)量較大，對(duì)光的散射較明顯，濁度呈現(xiàn)出不斷增加現(xiàn)象。

肖志剛等人[21]在擠壓玉米粉液化時(shí)酶用量?jī)H為2～4 u/mL，高群玉等人[22]在耐高溫α-淀粉酶對(duì)谷物粉液化時(shí)用量為75～100 NU/g。本研究中酶用量為0.5%，相對(duì)于原料淀粉為500 U/g，雖較高，但受纖維影響，處理效果隨酶用量增加仍有提升余地，考慮到成本等問(wèn)題，酶用量選擇為0.5%為宜。

2.2.3 初始pH值對(duì)降解效果的影響

酶分子上氨基酸側(cè)鏈?zhǔn)艿絧H 值影響會(huì)出現(xiàn)不同解離狀態(tài)，催化活性也會(huì)受到影響[19,23]。研究在廢紙漿漿濃10%，處理溫度為室溫，酶用量為0.5%，處理時(shí)間60 min 條件下，探究改變初始pH 值對(duì)淀粉降解效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 初始pH值對(duì)降解液中CODCr和濁度的影響

由圖3 可看出，pH 值對(duì)淀粉類(lèi)物質(zhì)降解液的CODCr影響曲線(xiàn)為典型的鐘型曲線(xiàn)（倒V型曲線(xiàn)），在pH 值6.5 時(shí)，酶的作用效果最好，降解液中CODCr最高。洪新等人[19]研究耐酸性和中性α-淀粉酶酶促反應(yīng)最適pH 值也有類(lèi)似結(jié)論。肖志剛等人[21]在研究擠壓玉米粉液化酶酶促反應(yīng)時(shí)優(yōu)化得到的pH 值也為6.5。從濁度上來(lái)看，隨著pH 值上升，降解液的濁度呈現(xiàn)逐漸上升并趨于穩(wěn)定狀態(tài)，在pH 值較低情況下，酶作用效果不佳，切下來(lái)淀粉碎片較少，降解液濁度較低，隨著pH 值升高，濁度呈上升趨勢(shì)，高于最適環(huán)境，酶作用效果下降，但偏堿性環(huán)境有助于纖維的潤(rùn)脹，導(dǎo)致淀粉從纖維上脫落，有助于淀粉的分離，且多為大分子質(zhì)量淀粉，因此濁度較高。

2.2.4 漿濃對(duì)降解效果的影響

漿濃不僅決定酶處理的物質(zhì)傳遞，對(duì)降解液的得率和有機(jī)物濃度也有很大影響，在處理溫度為室溫、初始pH 值為6.5、酶用量為0.5%、處理時(shí)間60 min條件下，探究漿濃對(duì)降解液中CODCr含量、濁度和有機(jī)物得率（按原料中10%淀粉計(jì)）的影響，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 漿濃對(duì)降解液中CODCr含量、濁度及有機(jī)物得率的影響

由圖4 可知，降解液中CODCr含量隨著漿濃的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，漿濃越低，酶處理后分離出來(lái)的降解液量越大，濃度也就越低。從濁度上看，漿濃較低情況下，由于降解液中淀粉碎片濃度較低，因此濁度也較小，隨著漿濃的增加，分離的降解液中有機(jī)物含量增加，濁度也隨之上升。從有機(jī)物得率上看，按照廢紙漿中含有10%淀粉計(jì)，較低濃度和較高濃度對(duì)降解率均有影響，漿濃較低，酶作用的物質(zhì)傳遞效率較高，酶對(duì)淀粉分子的作用效率相應(yīng)也較高，大部分淀粉分子被分解成單糖和寡糖，這些小分子物質(zhì)更易被紙漿中的纖維吸收，從而影響得率。隨著漿濃提高，酶促反應(yīng)物質(zhì)傳遞受到一定影響，較大分子質(zhì)量的淀粉分子比例增加，濁度也相應(yīng)增大，降解效率也提高。漿濃過(guò)高，除影響酶促反應(yīng)傳質(zhì)外，淀粉碎片濃度增加，在纖維上吸附和殘留也高，得率也會(huì)受到影響，因此采用10%漿濃進(jìn)行處理，此時(shí)有機(jī)物得率最高，達(dá)到60%。

2.2.5 處理溫度對(duì)降解效果的影響

溫度對(duì)酶處理效率及酶使用壽命有較大影響[23]。在廢紙漿漿濃為10%、初始pH 值為6.5、酶用量為0.5%、處理時(shí)間60 min 條件下，處理溫度對(duì)降解液中CODCr和濃度的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 處理溫度對(duì)降解液中CODCr和濁度的影響

由圖5 可知，處理溫度在70℃以下，降解液的CODCr隨處理溫度升高而升高，當(dāng)處理溫度超過(guò)70℃時(shí)，降解液CODCr急劇下降，為典型的鐘型曲線(xiàn)，這是因?yàn)殡m然酶反應(yīng)速度隨處理溫度增高而加快，但溫度過(guò)高可導(dǎo)致酶結(jié)構(gòu)變化，快速變性而失活[21]。在溫度70℃時(shí)，降解液中CODCr最高，因此確認(rèn)該酶最適處理溫度為70℃。

研究表明，在α-淀粉酶用量0.5%（500 U/g 淀粉）、廢紙漿漿濃10%、初使pH 值6.5、反應(yīng)溫度70℃、處理時(shí)間60 min時(shí)，有機(jī)物（廢紙漿中淀粉含量10%計(jì)）降解率可達(dá)60%，采用α-淀粉酶處理降解淀粉類(lèi)有機(jī)物方法可行。

2.3 α-淀粉酶處理對(duì)紙漿凈化效果研究

2.3.1 α-淀粉酶處理對(duì)降解液污染負(fù)荷影響

酶處理和對(duì)照組處理降解液CODCr和濁度結(jié)果如表1所示。

表1 α-淀粉酶處理對(duì)降解液中CODCr和濁度的影響

由表1可知，與對(duì)照組相比，經(jīng)過(guò)α-淀粉酶處理后降解液中CODCr含量遠(yuǎn)高于對(duì)照組的，是對(duì)照組的2.83 倍，這主要是淀粉酶的作用，將淀粉類(lèi)有機(jī)物切短并從纖維上剝離所致；對(duì)照組的廢水（制漿廢水）中有機(jī)物主要成分為碎漿過(guò)程中被機(jī)械、水力作用下從纖維上剝離的淀粉及其他物質(zhì)。從濁度上看，對(duì)照組濁度遠(yuǎn)高于酶處理組，這是因?yàn)闄C(jī)械和水力作用剝離的淀粉分子無(wú)法被切斷，分子質(zhì)量相對(duì)較大，對(duì)光的散射也越嚴(yán)重，濁度也就越高。

2.3.2 α-淀粉酶處理對(duì)白水Zeta 電位和陽(yáng)離子需求量的影響

取一定量脫水后漿料，稀釋至1.0%漿濃，用200 目篩自然過(guò)濾得到濾液，為模擬的白水，測(cè)定其Zeta電位和陽(yáng)離子需求量，結(jié)果如表2所示。

表2 酶處理對(duì)模擬白水Zeta電位和陽(yáng)離子需求量的影響

由表2 可知，α-淀粉酶處理組和對(duì)照組的漿料白水均呈負(fù)電性。酶處理的白水Zeta電位絕對(duì)值較對(duì)照組降低了17.2%，相應(yīng)的陽(yáng)離子需求量也較對(duì)照組降低了約20%，陽(yáng)離子需求量和Zeta 電位絕對(duì)值的降低，說(shuō)明漿料得到了一定程度的凈化，有利于保持濕部化學(xué)平衡。

2.3.3 α-淀粉酶處理對(duì)廢紙漿物理性能的影響

用酶處理組和對(duì)照組的漿料抄制成手抄片，探討酶處理對(duì)手抄片物理性能的影響，結(jié)果如表3所示。

由表3可以看到，經(jīng)過(guò)α-淀粉酶處理后手抄片各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)較對(duì)照組整體差異不大，呈略有下降趨勢(shì)。分析其原因可能是α-淀粉酶將原存于廢紙中的淀粉類(lèi)物質(zhì)分解，并從紙漿中分離出來(lái)，而多數(shù)淀粉類(lèi)物質(zhì)對(duì)強(qiáng)度均有正效影響，因此使得紙張抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)下降，但是耐破指數(shù)有所提高[24]。Jaakko Ekman 等人[3]使用淀粉酶抑制劑控制白水中淀粉酶作用，發(fā)現(xiàn)在紙張同等強(qiáng)度下可減少25%的淀粉使用量，反之說(shuō)明廢紙制漿過(guò)程中的淀粉流失會(huì)使紙張的強(qiáng)度有所下降，與本研究的結(jié)果類(lèi)似。

將淀粉類(lèi)有機(jī)物盡量多地保存在廢紙漿中，減少淀粉使用量固然有益，但會(huì)導(dǎo)致抄造系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜和難于控制，系統(tǒng)的高污染負(fù)荷也導(dǎo)致體系腐漿等問(wèn)題風(fēng)險(xiǎn)不斷增加，陰離子垃圾的積累給其他助劑帶來(lái)的影響也是一個(gè)必須面臨的問(wèn)題，采用酶處理，降解淀粉并加以利用，也不失為一種凈化漿料、減少抄造系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的有效途徑。

2.3.4 α-淀粉酶對(duì)陽(yáng)離子增強(qiáng)劑應(yīng)用效果的影響

采用CS-8陽(yáng)離子淀粉作為增強(qiáng)劑，加入到α-淀粉酶處理后漿料和對(duì)照組漿料中，按照定量90 g/m2、厚度200 μm的標(biāo)準(zhǔn)抄造手抄片，并檢測(cè)手抄片的各項(xiàng)物理指標(biāo)，研究增強(qiáng)效果，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 手抄片撕裂指數(shù)和耐破指數(shù)隨陽(yáng)離子淀粉用量變化

圖7 手抄片抗張指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)和耐折度隨陽(yáng)離子淀粉用量變化

由圖6 和圖7 可以看出，在陽(yáng)離子淀粉用量0.25%以下時(shí)，α-淀粉酶組手抄片各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于對(duì)照組，這可能是漿料經(jīng)淀粉酶處理凈化后，對(duì)助劑反應(yīng)更加明顯，應(yīng)與漿料陽(yáng)離子需求量降低有關(guān)。當(dāng)陽(yáng)離子淀粉用量超過(guò)0.25%時(shí)，對(duì)照組的各項(xiàng)指標(biāo)卻反超酶處理組。這可能是隨著陽(yáng)離子淀粉用量的增加，漿料Zeta電位絕對(duì)值進(jìn)一步降低，由陰離子垃圾帶來(lái)的漿料絮聚問(wèn)題逐漸改善，纖維之間的結(jié)合更加緊密，超出了新加入增強(qiáng)劑帶來(lái)的增強(qiáng)效應(yīng)，因此強(qiáng)度有所增高，具體機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

表3 酶處理對(duì)手抄片物理性能影響

3 結(jié) 論

3.1 采用α-淀粉酶從廢紙箱再生制漿過(guò)程中降解淀粉類(lèi)有機(jī)物，每噸廢紙箱原料可獲得淀粉類(lèi)有機(jī)物60 kg以上。

3.2 優(yōu)化得到α-淀粉酶處理廢紙漿，降解淀粉類(lèi)有機(jī)物條件為：漿濃10%，α-淀粉酶用量0.5%，反應(yīng)溫度70℃，處理時(shí)間60 min，初始pH值6.5。在該條件下，淀粉類(lèi)有機(jī)物降解率最高達(dá)到60%。

3.3 酶處理后，廢紙漿白水Zeta 電位絕對(duì)值下降約17.2%，陽(yáng)離子需求量降低20%，酶處理對(duì)漿料有凈化作用。酶處理后漿料手抄片強(qiáng)度較對(duì)照組有所降低，但對(duì)陽(yáng)離子淀粉作為增強(qiáng)劑應(yīng)用實(shí)驗(yàn)中，在陽(yáng)離子淀粉0～0.25%的低用量條件下，酶處理后的漿料增強(qiáng)效果更靈敏，相關(guān)機(jī)理待進(jìn)一步研究。