漆酶处理三倍体毛白杨APMP及对其中残余木素作用的研究

王娟，宗学刚

（1.山东轻工业学院轻化与环境工程学院，山东济南250353；2.山东轻工业学院化学工程学院，山东济南250353）

漆酶处理三倍体毛白杨APMP及对其中残余木素作用的研究

王娟1，宗学刚2

（1.山东轻工业学院轻化与环境工程学院，山东济南250353；2.山东轻工业学院化学工程学院，山东济南250353）

利用NS 51003漆酶处理三倍体毛白杨碱性过氧化氢机械浆（APMP），通过分析检测处理后纸浆的打浆度和成纸物理性能探讨了漆酶处理对三倍体毛白杨APMP抄造性能的影响。实验结果表明，在最佳的工艺条件下，漆酶处理APMP与未经过漆酶处理纸浆相比，抗张指数和耐破指数稍有升高，而撕裂指数提高了16mN·m2/g，酸溶木质素含量稍有升高，Klason木质素含量相对降低；漆酶处理三倍体毛白杨APMP主要降解纸浆中纤维表面的木素，对纤维内部影响较小。

漆酶处理；碱性过氧化氢机械浆；物理性能

大力发展速生林和采用高效清洁的制浆技术是解决我国造纸原料不足和满足环境保护要求的有效途径。速生杨原料林的快速建设，为我国发展木材制浆提供了一定的木材资源。碱性过氧化氢机械浆（APMP）高得率制浆技术为速生杨的制浆提供了先进的制浆方法。该制浆工艺将制浆和漂白合二为一，在制浆的同时完成漂白，得率高，能耗低，污染相对较轻[1-3]；特别适合于我国的现状，可加快实现我国制浆造纸工业的现代化和可持续发展。

漆酶是一种含铜多酚氧化酶，利用分子氧作为氧化剂，氧化木素中酚型单元成为酚氧游离基，同时还原分子氧生成水[4-5]。NS 51003是由遗传方法改性过的曲霉菌在水中发酵所制成的液体纯漆酶制剂[6]，不含纤维素酶活及半纤维素酶活。它们可以催化酚类物质和某些胺类化合物的单电子氧化作用，同时将氧还原成水。已有研究表明，漆酶处理可以有效地提高纸浆的湿强度，而对干强度没有明显影响；而且纸浆中木素含量越高，其漆酶改善纸浆湿强度性能的效果越显著。据Hansen申请的专利，机械浆经单独用漆酶处理后干抗张强度和撕裂指数均稍有提高，且漆酶失活后对纸页的强度不起作用[7]。Liisa Viikari研究了漆酶和漆酶/介体体系改善TMP性能的影响因素，利用反应过程中的氧耗反映纤维的反应活性。结果显示，单独用漆酶处理机械浆可使纤维表面木素发生聚合，漆酶/介体可使木素降解，可应用在纸浆漂白中[8]。

目前国内对漆酶的研究大多集中于硫酸盐化学浆的生物漂白、酶法制浆；而漆酶用于机械浆、化学机械浆纤维性能改善的研究很少。因此，研究漆酶对机械浆的生物改性，对于漆酶在造纸工业中的应用具有指导意义。

本实验采用漆酶NS 51003对三倍体毛白杨APMP进行处理，然后分析不同生物处理条件下纸浆物理性能的变化，并对漆酶在三倍体毛白杨APMP生物改性中的作用作出评价。

1 实验

1.1 原料

三倍体毛白杨APMP（风干浆）由山东中茂圣源纸浆有限公司提供，白度为74.7%ISO，纸浆中木素含量25%；该风干浆经浸泡24 h、打浆疏解1 h、甩干0.5 h和均衡水分48 h后备用。漆酶由Novozymes A/S提供，商品名为NS 51003；酶活560 U/g（不含纤维素酶及半纤维素酶活），最适pH为6.5左右，最适温度为60℃。

1.2 仪器

PFI磨浆机：瑞典L﹠W公司制造。快速纸页成形器：德国Frank公司制造。纸张白度仪和纸张撕裂度仪：瑞典L﹠W公司制造。纤维质量分析仪：加拿大OpTest公司制造。QUANTA 200型扫描电镜：荷兰生产。

1.3 方法

1.3.1 打浆

打浆在PFI磨中进行，打浆浓度为10%，打浆间隙为0.2 mm，打浆压力为3.4 N/mm，打浆转数为30 000 r/min。

1.3.2 漆酶处理

酶处理条件为缓冲液HAc-NaAc中，pH约6.5，处理温度50℃，处理时间120min，浆浓5%。酶处理试验在聚乙烯塑料袋内进行。称取30 g绝干浆，按照拟定的酶处理工艺条件和实验步骤，调节好浆浓和pH，将酶液加入袋中，待酶液与浆混合均匀后，放入恒温水浴锅内进行恒温处理，并开始计时。在恒温处理过程中，每间隔10 min取出揉搓1次，以保证酶液与纸浆混合均匀。处理结束后迅速取出试样并放入沸水浴中10 min，致使酶失活，终止反应。同时做空白实验。

1.3.3 抄纸

抄纸在进口PTI抄纸机中进行，纸页抄造定量为60 g/m2，经过恒温、恒湿处理，测其物理性能。

1.3.4 分析检测

纸浆物理性能和化学成分按造纸工业标准测试方法测定。

2 结果与讨论

2.1 漆酶处理对纸浆物理性能的影响

2.1.1 漆酶用量对纸浆物理性能的影响

白度是纸浆的光学性能之一，也是衡量成纸质量的主要技术指标之一[9]。图1为漆酶用量对APMP白度的影响（反应条件为：浆浓5%；pH约6.5；处理温度50℃；处理时间60 min；通氧气）。

图1 漆酶用量对APMP纸浆白度的影响

由图1可知，漆酶处理纸浆时，随着酶用量的增加，白度呈下降趋势；纸浆白度最大下降幅度约5.5个百分点。纸浆的白度下降可能是由于漆酶脱除木素使纸浆变黑的缘故。

图2为漆酶用量对APMP机械性能的影响（反应条件为：浆浓5%；pH约6.5；处理温度50℃；处理时间60 min；通氧气）。

从图2可以看到，与漆酶未处理浆相比，在较少的酶用量下，抗张指数和撕裂指数均呈先增大、后减小的趋势。其原因可能是由于单独用漆酶处理机械浆可使纤维表面发生改性，纤维表面的木素发生聚合，改善了强度性能。当继续增加酶用量时，变化则趋缓。

图2 酶用量对纸浆机械性能的影响

2.1.2 漆酶处理时间对纸浆物理性能的影响

从纸浆漂白工艺上讲，处理时间过长是不合适的；但若处理时间太短，则达不到对纸浆中木素充分作用的效果[10]。

图3为漆酶处理时间对纸浆白度的影响（反应条件为：酶用量2 u/g；浆浓5%；pH约6.5；处理温度50℃；通氧气）。

图3 漆酶处理时间对纸浆白度的影响

由图3可知，随着漆酶处理时间的延长，纸浆的白度略有下降，最大下降幅度约为5.9个百分点。白度下降的原因可能是由于随着预处理时间的延长，漆酶脱木素率增加，过量的酶脱除木素会使纸浆变黑，从而降低了白度。

图4为漆酶处理时间对纸浆机械性能的影响（反应条件为：酶用量2 u/g；浆浓5%；pH约6.5；处理温度50℃；通氧气）。

图4 漆酶处理时间对纸浆机械性能的影响

由图4可知，随着漆酶处理时间的延长，纸浆的抗张指数和撕裂指数呈先增大、后减小的趋势，撕裂指数最大幅度提高了16 mN·m2/g。

2.1.3 漆酶处理温度对纸浆物理性能的影响

温度对于生物酶反应也是一个非常重要的影响因素。温度太低可能使反应不完全，太高则可能使漆酶失活或引起其他副反应[11]。

图5和图6分别为漆酶处理温度对纸浆白度和机械性能的影响（反应条件为：酶用量2 u/g；浆浓5%；pH约6.5；处理时间60 min；通氧气）。

图5 漆酶处理温度对纸浆白度的影响

图6 漆酶处理温度对纸浆机械性能的影响

由图5和图6可知，漆酶预处理温度从30℃提高到50℃时，酶处理纸浆的白度和纸张的抗张指数、耐破指数均上升较快；继续提高温度，白度和机械强度呈下降趋势。说明在50℃左右，漆酶预处理纸浆过程中酶的作用能力最强，纸浆中发色基团减少较显著，而80℃的高温可能已经导致漆酶失活。

2.2 漆酶处理对纸浆中纤维长度和粗度的影响

表1为纸浆在2 u/g漆酶用量处理后的纤维长度和粗度（反应条件为：浆浓5%；pH约6.5；处理时间60min；处理温度50℃；通氧气）。

表1 纸浆纤维质量分析结果

从表1可以看出，与漆酶未处理浆相比，纤维的数均长度、重均长度、重重均长度和粗度都没有大的变化。这说明在漆酶处理纸浆过程中，漆酶主要作用于纤维的表面，并未触及纤维内部，不会引起纤维的大幅度断裂。

2.3 漆酶处理对纸浆中纤维表面的性能的影响

图7为纤维的扫描电镜（SEM）照片。图7中，（a）和（b）分别为漆酶未处理浆和漆酶处理浆的单根纤维的扫描电镜照片；（c）和（d）分别为漆酶未处理浆和漆酶处理浆纤维形貌图。

由图7可见，未经漆酶处理的纸浆纤维表面比较光滑[如（a）所示]；纸浆经2 u/g漆酶处理后，纤维表面出现分丝、剥皮现象[如（b）所示]，这可能是由于漆酶处理使纤维表面木素碎片脱落或溶解造成的。因此，漆酶处理只是对纤维表面的木素发生作用，脱除纤维表面木素，对纤维的长度和粗度影响不大，没有造成纤维的断裂。这与纤维的长度、粗度质量分析结果一致。

2.4 漆酶处理对纸浆中残余木素含量的影响

表2为漆酶处理前、后纸浆中残余木素含量的变化。

由表2可以看出，漆酶处理前、后三倍体毛白杨APMP中木素含量发生了明显的变化。纸浆经过漆酶处理后，纸浆中总的残余木素含量与未经过漆酶处理的纸浆相比有了一定的减少，主要是因为漆酶对纤维表面木素的改性作用使小部分的木素溶解。

图7 纤维的扫描电镜照片

表2 漆酶处理前、后纸浆中残余木素含量的变化

2.5 纸浆中残余木素的FTIR分析

红外光谱可反映出木素的微细结构，这是定性鉴定木素及其衍生物的有效手段。木素最特性的红外光带在1 510 cm-1、1 600 cm-1（芳基环振动）和1 470 cm-1、1 460 cm-1（C—H变形和芳基环振动），在这些波数范围内很少有其他光带，因此可用来证明在未知物制备中是否有木素存在[12]。

图8和图9分别为漆酶处理前、后三倍体毛白杨APMP中残余木素的红外光谱图。表3为木素红外光谱特征吸收峰及其相应的结构归属[13-14]。

图8 漆酶未处理浆中残余木素的红外光谱图

图9 漆酶处理纸浆中木素的红外光谱图

从图8和图9可以看出，经漆酶处理后，O—H拉伸振动（3 400～3 450 cm-1）增强，峰值增加，并且峰值位置的波数增大，说明经过漆酶处理后紫丁香基结构型O—H相对含量增大。

由表征木素羟基振动的3 325 cm-1吸收峰变化可知，与漆酶未处理浆中的残余木素相比，酶处理纸浆残余木素的相对吸收强度较低，这说明木素中总羟基的含量有所减少。产生这种现象的原因可能是漆酶处理过程中酚羟基减少，更多的脂肪族羟基发生甲醛消除反应，使得总羟基含量降低。红外光谱中样品残余木素在2 920 cm-1处的吸收峰代表甲基、亚甲基的C—H振动，由于木素大分子的断裂导致甲基、亚甲基的相对含量逐渐增加。

表3 木素红外光谱特征吸收峰及其相应的结构归属

3 结论

（1）用漆酶NS 51003处理三倍体毛白杨APMP，较佳酶用量和反应时间分别是：2 u/g、60 min。其他工艺条件是：浆浓5%，温度65℃，pH为6.5左右，通氧气。

（2）用漆酶NS 51003处理三倍体毛白杨APMP，虽然纸浆白度有所下降，但是与漆酶未处理纸浆相比，在一定程度上提高了纸浆的机械性能。

（3）对纤维长度和粗度的分析表明，纸浆经漆酶处理后，纤维长度、粗度变化不大。说明在漆酶改性纸浆的过程中，仅在纤维的表面引起了一定的剥蚀作用，不会造成纤维的大量降解。

（4）从纤维的扫描电镜照片可见，漆酶处理纸浆会使纤维表面变得粗糙，并且在纤维表面出现分丝现象，从而有利于纤维与纤维之间结合力的增强。

（5）通过红外光谱图分析，经漆酶处理后木素中紫丁香基结构型O—H相对含量增多；经过漆酶处理后的木素醇羟基和α-位共轭羰基略有增加；但从红外光谱分析中没有发现甲氧基的变化。

本实验只对漆酶处理前、后木素的酚羟基含量进行了比较，进行了红外光谱测定分析。要进一步说明漆酶对APMP中木素作用的机理以及木素的结构变化，还需进行更深入的研究。

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Treatment of APMP of Triploid of Populus Tomentosa with Laccase and Its Reaction with Residual Lignin of APAM

WANG Juan1，ZONG Xue-gang2
（1.School of Light Chemistry and Environment Engineering，Shandong Institute of Light Industry，Ji’nan 250353，China；2.School of Chemical Engineering，Shandong Institute of Light Industry，Ji’nan 250353，China）

The alkali peroxide mechanical pulp（APMP）of triploid of populus tomentosa was treated with laccase NS 51003.The effects of laccase treatment on the papermaking performance of APMP of triploid of populus Tomentosa were investigated bymeasuring the beating degree of treated pulp and the strength properties of finished paper.The results show that under optimized conditions，the enzymatic treatment slightly improves the indexes of tensile strength.Bursting strength is inceased by 16mN·m2/g.The content of the acid-soluble lignin is increased slightly while the content of Klason lignin is decreased.The function of laccase ismainly to degrade lignin on fiber surface.Ithas little effecton lignin inside the fiber.

laccase treatment；APMP；physical properties

book=2,ebook=40

TS743.14

A 文献标识码：1007-2225（2010）01-0015-06

王娟女士（1983-），硕士研究生；研究方向：生物质高分子；电话：0531-89631759；E-mail：juan 9807@163.com。

2009-11-26（修回）

本文文献格式：王娟，宗学刚.漆酶处理三倍体毛白杨APMP及对其中残余木素作用的研究[J].造纸化学品，2010，22（1）：15-20.