漆酶改性高木素含量的硫酸盐浆，提高纸的强度特性——在没食子酸的条件下用漆酶处理<br/>

漆酶改性高木素含量的硫酸盐浆，提高纸的强度特性——在没食子酸的条件下用漆酶处理

2010-01-06王飞,赵温波,裴继诚

天津造纸 2010年4期

漆酶改性高木素含量的硫酸盐浆，提高纸的强度特性
——在没食子酸的条件下用漆酶处理

在高-K（91）硫酸盐浆中，漆酶与没食子酸发生化学反应。与未处理的试样相比，处理后的耐破、抗张、湿强分别增加34%、20%和72%。而漆酶对全漂浆没有大的影响，这就表明木素是对纤维处理的主要对象。结果表明纸页强度的提高是由于纤维间氢键结合的改善和产生苯氧自由基缩合作用的结果。

引言：

木质纤维素化学是处理过程和影响最终产品特性的主要因素。对于每一种浆料，由于树种不同，制浆和抄纸条件不同，赋予他们不同的物理和化学特性。因而要使获得的产品有很高的质量，对于工艺和制纸化学来说是一个挑战。为了生产出高质量的产品，生产者有许多湿部化学品供选择以达到获得不同纸张性能的目的。除化学药品外，酶由于他们对纤维、半纤维、木素和抽出物有特殊作用效果，而引起了研究人员的关注。

研究表面纤维素酶是由于它能够提高纸浆的物理性能和滤水性能。半纤维素酶主要由于其可以提高化学纤维的可漂性。果胶酶可以提高纸机上的留着率。脂肪酶和脂酶可以与抽提物反应，进而减少纸机上脂肪沉淀，从而进一步完善纸浆的流程。近来的研究主要集中在通过改变纤维化学以改变纸的特性，并且在用漆酶（苯二酚：氧气氧化还原酶）处理改变浆料纤维特性上已经取得了进展。漆酶是一种多铜氧化酶，它可以通过催化氧化作用使氨基苯酚、多聚酚、多聚氨、某些无机离子和芳基肼发生改变，同时将氧氧化成水脱除。由于对漂白阶段漆酶可能进行的反应已进行了彻底的研究，目前对漆酶进行研究的焦点已经转移到对浆中纤维的改变。

一种推测认为：漆酶由于体积过大而不能接近浆中纤维壁内的木素。存在于高得率硫酸盐浆表面的木素的有效总量为漆酶自然反应的对象。Felby等研究人员已经在用漆酶处理毛山榉浆提高中厚纤维板的性能作了全面的研究。他们的研究成果表明：漆酶使纤维表面产生酚氧自由基，从而达到使纤维板性能改变的作用。Wang和Viikuri各自的研究成果表明：漆酶的应用可以在提高机械浆和高的率硫酸盐浆的物理性能方面起到有益的影响。Huttermann等研究人员的研究表明：漆酶具有使木素磺酸盐活化的能力，从而使木素磺酸盐可以与纤维间生成不可逆的键合。Yamaguchi等研究人员能够提高热压合成结构的干强和湿强。这种脱氢化合物被假定在纸张结构内引起疏水黏合剂的作用。近来，Chandra和Ragauskas致力于高得率硫酸盐将在水溶性酚化合物作用下漆酶的不同作用的一系列研究。

在4-羟基苯甲基存在下用漆酶处理高得率硫酸盐浆可以提高纤维表面的羧酸，改进纤维表面物质的摩尔质量，处理后的纤维制成的纸页耐破和抗张强度有一定的提高。提高浆的高锰酸钾值和表面羧基含量，结合对木素的典型研究，表明4-羟基苯甲酸通过浆内木素上苯氧自由基联合使浆改变。Lund等研究人员已经证明，中介体化合物存在可以催化漆酶脱木素，从而使湿强显著提高。推测漆酶/中介体共同作用下在木素纤维素机体内生成游离基，它可以形成共价键，从而提高湿强。依据目前的研究，用漆酶和没食子酸（3，4，5-三羟基苯甲酸）与高卡伯值的硫酸盐浆反应，研究表明：与用4-羟基苯甲酸处理相比，漆酶的反应速率较快，漆酶和没食子酸在浆的特性方面的影响是使未打浆和经过打浆处理的浆的干强、湿强均提高。

原料和实验方法：

化学制品：没食子酸（3，4，5-三羟基苯甲酸）由麦迪逊，WI Sigma-Aldrich化学公司提供；

氢氧化钠；

氢氧化钙和硫酸；

漆酶由Novozymes Biotech,Raleigh,NC提供。

本次试验采用的漆酶为从Trametes villosa提取到的NS51002。

纸浆：从坐落于美国东南部的商业公司购得的针叶完全三段漂硫酸盐浆。浆在处理前，试样被稀释到1%的浓度（浆的质量+水的质量），用0.05N的NaOH调pH至10并保持30min以除去溶于碱的木素。之后用大量水洗涤商业浆至滤液的pH呈中性无色。

酶活：依据Sealey等人提出的测定漆酶氧化紫丁香醛联氮速率的方法。测定在100Mm磷酸钾缓冲溶液中，每毫升酶液和0.216Mm紫丁香醛联氮反应过程中A530mm处吸光值的变化。该测试在23℃，pH4.5条件下进行。

打浆：依据TAPPI标准T248om-85，将浆样打浆。打浆后，浆样用VWR Scientific417过滤，24～40μm和更大的物质被保留。试样分成8部分用于不同的实验。浆的处理：未打的和打完的浆板、全漂后的未打浆按表1所描述的方法处理。随后的反应以20%的浓度在Kapak袋内进行。搅拌混合物，并将pH调到4.5，加入0.200mL漆酶/g浆（以绝干浆计）(8.54*106U/g浆)后将桨浸于 45℃水浴中。将混合后的浆反应4h，这是因为已有的结论表明，反应4h可使酚基最大程度结合。反应后，用去离子水洗涤至滤液澄清并显中性。在没食子酸共同作用下用漆酶处理浆，其反应后的酶活应为反应前的20%～30%。处理后，试样同样被过滤，并洗涤至滤液无色且pH呈中性。先前的研究结果表明：对照浆内氮含量与经过酶处理后洗涤至滤液澄清且pH呈中性（用水接近20L）的浆相似。依据Scanllan将浆内所有的杂离子转化为Ca2+形式。其过程大致为：从1%试样浓度悬浮溶液，用0.1N H2SO4将pH调至2.75，搅拌试样30min后用去离子水彻底洗净，再将试样配制成1%浓度的悬浮液，用Ca(OH)2将pH调至10,搅拌30min后用去离子水彻底洗净。处理后的浆按TAPPI标准T205om-88制成手抄片。未打浆在抄片前先打散50000转。由合并标准偏差后的漆酶和278μmol没食子酸/g浆处理浆，重复三次反应过程得到t-值，进而得知浆在浓度95%区间内的最小偏差值。依据TAPPI方法236，用KMnO4滴定浆测得该硫酸盐浆的木素含量，并以“卡伯值”表示。该值是木素含量的直接测量方法，%木素含量=0.15*k值。

羧基的测定：羧基的测量方法在其它文章中已有描述。所采用方法的机理是质子化的羧酸基团与碳酸氢盐反应生成二氧化碳和水。释放出二氧化碳的量可用来确定已知数量浆内的羧基的数量。方法为：取1g浆样在1%的浓度下，用0.1000M HCl在室温下处理1h，用滤水过滤，用1L蒸馏水洗涤，风干。称取50mg风干浆样，加入到装有4.00mL浓度为0.00500mol/L碳酸氢钠标准溶液的小瓶中，马上密封并放在盘上用HS-GC测定。所有的测定在HP7694自动样品器和HP-6890型带有热导检测器的气相色谱仪中测定。气相色谱条件：毛细管直径为0.53mm，毛细管长30m，温度30℃，载体氮流动速度3.1m/min。样品器的条件：烘箱温度60℃，由氦气提供压力的时间为0.2min；放置试样圈消耗时间0.2min；试样平衡0.05min；将小瓶平衡10min,同时不断使其剧烈摇晃；圈消耗1.0min。

纸张测定：分别根据TAPPI方法T210、T494、T414和T403，测得紧度、抗张强度、撕裂强度和耐破度。根据TAPPI T456测定湿强度，即将试样完全浸入水中5min后测定。

紫外光谱：在Perkin-Elmer的固体试样放置处放上分光计，同时放射出紫外光谱。根据TAPPI T1214sp-98，将手抄片切成2.2*2.5cm2的纸条，用十层[厚度限制为：层数的增加不会改变对光（R∞范围）的吸收]通过测其反射比（R∞）来测量。将手抄片垂直放置于待测样放置的位置，并通过用所有光谱照射对照样（未处理和经过打浆处理的浆制成的手抄片）获得对照样的射频频谱。

表1 用漆酶和没食子酸处理浆

接触角∶前进接触角的测量是通过把一个15mm*100cm的纸条（光滑面朝上）用双面胶带粘贴在一个平台上，平台下面有一个注射器，在注射器前安有一台PCHM575-2照相机。注射器、照相机均和电脑连接，以便于照相并进行图像分析。注射器以10μm/s速度向纸页注射经二次蒸馏的蒸馏水，每0.067s记录一次图像。当水珠在纸页表面稳定并且匀称时，就可以开始对画面进行分析了。一般水珠在2～3个画面（0.04～0.201s）后就稳定了。接触角通过图像画面分析软件经过分析而得出测量结果。

结果与讨论

在改善木质纤维素性能的研究领域内，酶对纤维的作用已经成为一个重要的研究方向。并已发表了大量文献。近期Chandra和Ragauska已着手于漆酶对高卡伯值硫酸盐浆中纤维性能提高的研究，他们的研究主要集中在如何应用漆酶使木素上的酚基与纤维键合。目前，没食子酸（图1）由于其可以在一定菌类作用下加速漆酶反应而进行了大量研究。没食子酸在漆酶的共同作用下，可促进高卡伯值硫酸盐浆内纤维性能的提高。纤维的改变程度可以通过测定高木素含量纤维的机械性能和化学性能来衡量。

图1 没食子酸

用漆酶和没食子酸共同处理未经打浆和经过打浆处理的高卡伯值硫酸盐浆。同样可运用卡伯值测定机理，已证明卡伯值可以作为表征酚酸与浆内纤维键合的有效方法。未打浆证明：在碱性条件下将未打浆的所有杂离子转化为Ca2+形式后，用漆酶和没食子酸（用量276μmol/g浆）共同作用，可使卡伯值提高4%～5%。碱处理可以清除没能与浆发生键合的低分子量的没食子酸反应产物。提高没食子酸的用量至1104μmol/g浆可使实际卡伯值最大提高14%～15%。羧基的测定与卡伯值测定的趋势类似。在图2中可见，羧基数量的增加与卡伯值的增加相一致。因此，为易于测定，以打过的浆用卡伯值来测定漆酶和没食子酸对纤维的改变程度。

经过打浆处理的浆与漆酶和没食子酸反应，来验证是否经过打浆处理后，随着纤维表面积的增加，可以促进漆酶作用下没食子酸与纤维的键合。假定：打浆处理使木素与漆酶和没食子酸的接触面积增大，从而在反应过程中产生了大量的酚基的潜在结合点。但该结论与用漆酶和没食子酸（276μmoil/g浆）处理经过打浆处理的浆和未经打浆处理的浆，所提高的卡伯值（经过打浆处理的浆，卡伯值提高5%～6%）相接近的结论相矛盾（图3）。这表明：通过打浆使纤维表面积增大对漆酶作用下没食子酸与浆键合并无显著影响。通过手抄片的紫外光谱图扩散反射率测得的漆酶和没食子酸处理后在纤维组织内产生的变化进一步验证了这一结论。

图2 卡伯值和羧酸基的测定。用漆酶和没食子酸处理未经打浆处理的高-K浆后的测定结果（羧酸LSD=7.1μmol/g浆，卡伯值LSD=3.1）

图3 用漆酶和没食子酸处理经过打浆处理的高-K浆后，卡伯值的测定结果（卡伯值LSD=2.57）

本次试验采用与实验结论相似的紫外光谱图的方式，通过吸收作用可以在聚氨基葡糖照片软片上观测到，铬氨酸酶和苯磷二酶产物在视觉范围（400～800nm）呈现出显著增加。在漆酶作用下的未打浆内增加没食子酸的加入量，在可见光区域内可观察到染成棕色的手抄片对光吸收的响应变化（图4）。为揭示漆酶和没食子酸作用是否与浆内纤维表面的变化有直接联系，用水在手抄片上测定其接触

图4 用漆酶和没食子酸处理未经打浆处理的高卡伯浆所制成的手抄片的吸收曲线。每个试样均减去未经处理的对照样所测得的值

接触角测定结论与Hodgson等研究人员用硫酸盐浆测得的结论相似(图5)。它与用漆酶和没食子酸（276μmol/g浆）反应后浆的接触角的区别很小。在照片上观测到滴在没食子酸超过276μmol/g浆制成的手抄片上的水在0.067s内就被吸收了，这说明没食子酸超过276μmol/g浆所制的手抄片不能用这种方法测定。这些结论也与浆连接lgal（漆酶没食子酸）水溶性反应产物可增加其亲水性这一观点相吻合。正是由于高卡伯硫酸盐浆纤维表面化学变化的缘故，使得研究其表面化学的变化对纸页物理性质的改变十分有意义。

图5 用漆酶和没食子酸处理未经打浆处理的高-K浆所制成的手抄片的接触角的测定。误差线经10次测试合并标准偏差。

经过打浆处理或没经过打浆处理的浆所制成的手抄片，在经过漆酶和没食子酸共同处理后，将离子转化为Ca2+的形式。Burzy等人研究表明,增加全漂化学浆表面的酸根能够使纸张强度提高。这一强度的提高是由于氢键结合的增加和纤维的润胀。表2显示的是经过打浆处理和未经过打浆处理的浆所制成的手抄片的紧度。从表3可以看出，在两种情况中，用漆酶和没食子酸处理对高卡伯值浆的紧度影响是最低的。

表2 用漆酶处理经过打浆处理和未经打浆处理的浆，所制成的手抄片的强度

表3 在用漆酶、没食子酸处理未经打浆处理的高卡伯值硫酸盐浆的过程中，提高没食子酸的浓度所获得的结果。

和紧度相似的是撕裂度也没有太大变化。而未经打浆处理的浆经过漆酶和没食子酸处理后，耐破强度比未处理过的对照样提高了34%；经过打浆处理的浆经漆酶和没食子酸处理后仅提高了10%。这些结果意味着，在漆酶、没食子酸处理的手抄片中纤维结合更紧密了。经过打浆处理的浆用漆酶和对羟基苯甲酸处理后其耐破度增加10%，未经过打浆处理抗张强度提高了20%。值得注意的是已有研究表明，用漆酶处理酚类化合物以提高纸张强度，或是用单体酚或用漆酶与木素磺酸聚合形成的DHP来处理热磨机械浆，并且必须经过热压榨来提高纸张的强度。而在目前的研究中，用漆酶处理浆料的同时加入没食子酸，可以使浆料不经过热压就可以提高纸页的强度。

就这一点而言，漆酶与没食子酸作用的机理值得进一步研究。先前的研究结果表明，没食子酸氧化反应中产生七种氧化产物，而每一种产物的亲水性均比没食子酸本身要强。在目前的研究中，用漆酶和没食子酸反应产物完全是水溶性的，其它的酚酸（如丁香酸）和漆酶反应的氧化产物是非水溶性的。在用漆酶处理过程中它会促进酚类化合物连接到纤维上，但连接上疏水物质也许会阻碍纤维结合。表3中显示了增加没食子酸用量对纸页强度的影响。从这些结果中可以看出增加没食子酸的用量对抗张强度和耐破度有不利影响。虽然用漆酶和没食子酸处理能增加纤维的亲水性，但是没食子酸用量过多会阻碍纤维间的键合。这也许是由于高用量的没食子酸带来大量阴离子并沉积在纤维上，这样会阻碍纤维结合而不是有利于纤维间氢键的键合。

为了解释纤维木素在漆酶和没食子酸的处理过程中是否是必要的，我们采用全漂浆料做对照。表4的结果表明，对于漂后的浆料经过处理后羧酸含量有一定提高。当没食子酸用量为278μmol/g浆时，对照样羧酸增长量为26μmol/g浆，而高-K值浆料增长量为42μmol/g浆。这就说明，高卡伯值浆料中木素在漆酶和没食子酸的处理过程中是必要的。漆酶处理的漂白浆料中加入少量没食子酸，漂白浆的抗张强度没有太大变化（表4）。

从漂白浆处理的结果来看，漆酶和没食子酸处理后，减少了浆料中木素碎片，从而提高了抗张和耐破强度。对于抗张强度的测量使我们可以了解到漆酶、没食子酸处理使强度增加的机理。经过漆酶、没食子酸处理后干、湿强度增加可能是通过连接酚基，使浆料中形成了憎水性的化合键连接。

表4 用漆酶和没食子酸处理全漂浆的测定结果

图6 用漆酶和没食子酸处理经过打浆处理和未经打浆处理的高-K浆，所制成的手抄片湿强的测定（湿抗张强度LSD=0.21N.m/g）

经过漆酶、没食子酸处理后，测定试样其抗张强度增加了72%（图6）。这是因为浆中木素和漆酶反应后，在木素纤维基表面形成了基团。Lund和Felby用漆酶和介体及浆的抽出物处理未漂硫酸盐浆，结果干强度有所提高。他们认为，使抗张强度的提高是由于在纸页中形成了交错连接的基团。与Lund和Felby研究结果不同的是，本文研究的结果是干、湿强度均有提高。

湿抗张降低是因为在纤维氢键结合点上，由于吸水而导致膨胀破裂。在目前的情况下，图7中显示的干、湿强度的比例中，用漆酶和没食子酸处理，及用漆酶单独处理对湿抗张强度均有明显的提高，这就意味着出现了憎水性连接。这个结果显示出用漆酶处理未经打浆处理的浆后，其湿强度均有所提高。同样对于干抗张强度来说，增加没食子酸用量，对于湿抗张强度并没有有利影响。

图7 用漆酶和没食子酸处理经过打浆处理和未经打浆处理的高卡伯浆的干强与湿强的比率。

Lund和Felby用漆酶处理高卡伯值硫酸盐浆，经过热压后，湿强度有显著提高。而目前的研究中，漆酶处理后，干、湿强度均有所提高，研究加热和加压对于纸页的影响是十分有意义的。干压能够提高纸张结构中键合面积，而湿压只能够增加纸页的密度。干压能够使纸页密度由0.33g/cm3增加到0.67g/cm3(对湿压榨后纸页而言)，而对湿压的纸页而言，在处理过程中密度可以忽略（图8）。

图8 使用漆酶、没食子酸，用不同方法处理未经打浆处理的高-K浆经干压或湿压后与对照样相比，其干强增长幅度的比较。

用漆酶处理或者漆酶和没食子酸处理后，再干压，干抗张强度有一定的提高。以前的研究表明低键合的浆料（如湿压后的高得率硫酸盐浆），当键合有了微小的增加，对于纸张抗张强度的影响是明显的。而高键合的（干压的纸页）增加键合对抗张强度的影响不明显。在目前的研究中，漆酶和没食子酸对于抗张强度的有益影响被干压榨抵消了。