半纤维素对APMP浆性能的影响

王凤娟黄 峰,2,＊杨桂花陈嘉川

(1.山东轻工业学院制浆造纸省部共建重点实验室,山东济南,250353;

2.山东大学微生物技术国家重点实验室,山东济南,250100)

半纤维素对APMP浆性能的影响

王凤娟1黄 峰1,2,＊杨桂花1陈嘉川1

(1.山东轻工业学院制浆造纸省部共建重点实验室,山东济南,250353;

2.山东大学微生物技术国家重点实验室,山东济南,250100)

用木聚糖酶处理杨木APMP浆,除去浆中的部分半纤维素,通过紫外光谱与化学计量学软件相结合的方法检测酶解液中主要半纤维素组分的含量。同时对纸浆在酶处理前后的性能变化进行了测定,分析了不同的半纤维素溶出量对纸浆主要光学性能和物理性能的影响。

半纤维素;木聚糖酶;化学计量学;纸浆性能;高得率浆

人们对木材半纤维素的研究较早,主要以选择提取工艺和结构测定为主。文献[1-3]对麦草、蔗渣、杨木等纤维原料中的半纤维素做了较为系统的研究,主要侧重于抽提工艺和结构特征讨论。针对我国当今造纸资源的严峻形势,发展高得率浆成为保证我国造纸工业可持续发展的重要途径[4]。APMP浆是一种重要的高得率浆,除纤维素外,其中还保留了大量的木质素和半纤维素。人们已经较全面地研究了木质素对纸浆的影响,主要集中于卡伯值、白度和返黄值,而针对半纤维素对纸浆性能的研究甚少。本研究用木聚糖酶处理杨木APMP浆,采用多波长光谱测定并结合化学计量学进行校正的方法来实现对抽提液中糖含量的初步分析[5],这是一种新的检测糖含量更为简便有效的方法,以溶出戊糖的含量来表征半纤维素的减少量,比较分析了杨木APMP浆中半纤维素含量对纸浆性能的影响。

1 实 验

1.1 主要材料

杨木APMP成品浆:由山东晨鸣纸业提供;木聚糖酶AU-PE89:由苏克汉公司提供;化学计量学软件S IMCA-P+12。

1.2 实验准备

1.2.1 用PLS建立模型

标准溶液的配制 配制一组20个已知浓度的木糖和葡萄糖的混合溶液,其中木糖和葡萄糖的浓度变化范围均为0～0.07 mmol/L,总糖含量变化范围为0.01～0.14 mmol/L。

糖的浓硫酸脱水处理与紫外光谱测定 用移液管分别移取1 mL的标准溶液于30 mL试管中,再用移液管分别移取5 mL浓硫酸,摇匀,冷却后放入30℃水浴锅中水浴20 min。将所得20种溶液分别在190～400 nm进行紫外扫描,记录全部吸光度。

方法校正 将上述测定的光谱值以及所对应的木糖和总糖的含量数据输入到化学计量学软件(S IMCA)程序中,选择偏最小二乘法(partial-least-square, PLS)进行多变量的回归,得到方法的校正模型。

1.2.2 酶活测定

用NaAc-HAc缓冲液(pH值4.8、浓度0.05 mol/L)配制质量分数0.5%的木聚糖悬浮液(测定纤维素酶活时同法配制羧甲基纤维素钠悬浮液),取此悬浮液2 mL于刻度试管中,适当稀释后在60℃下处理30 min后加2 mL DNS(3,5-二硝基水杨酸)试剂,终止反应。煮沸10 min,冷却至室温后,定容至15 mL,摇匀后测吸光值(木聚糖酶液为550 nm处,纤维素酶液为540 nm处),对照标准曲线得出酶解后木糖或葡萄糖生成量,根据式(1)计算酶活,同时进行空白实验。

式中 H——酶活, IU/mL(1 min生成1μmol木糖或葡萄糖的酶量为1 IU)

D——酶液稀释倍数

V1——比色管定容体积,mL

C——木糖或葡萄糖浓度,μmoL/mL

T——反应时间,min

V2——酶液体积,mL

1.3 实验方法

1.3.1 浆料的酶处理

[6-7],选取适当的处理条件:pH值4.8,温度60℃,处理时间2 h。将30 g绝干浆疏解,再与一定量酶液及缓冲液在聚乙烯塑料袋中充分混匀至浆浓为10%,放入恒温水浴锅中加热,每隔10 min轻搓1次,以便酶与底物充分接触,至规定时间后取出,在沸水中煮10 min,以使酶灭活。

分别将每个样品过滤得到的酶解液进行适当稀释后进行浓硫酸脱水处理与紫外光谱测定。处理后的浆料进行打浆和抄纸实验。

1.3.2 酶解液还原糖测定

将酶处理得到的酶解液做适当稀释,还原糖的含量按DNS法测定。

1.3.3 酶解液糖含量测定

用移液管移取1 mL稀释后的酶解液于30 mL的试管中,再用移液管分别移取5 mL浓硫酸,摇匀,冷却后放入30℃水浴中20 min。在190～400 nm处进行紫外扫描,记录吸光度。将吸光度代入校正模型,预测戊糖和己糖的含量。

1.3.4 木质素的测定

参照GB/T747—1989测定Klason木质素。酸溶木质素、酶解液中木质素的测定用7230型分光光度计在205 nm处测定。

1.3.5 打浆和抄纸实验

参照QB/T1463—1992,用PFI磨打浆。用PTI自动抄片机进行抄片实验,定量为60 g/m2。根据ISO标准在YQ-Z-48B白度仪上测定浆白度。返黄值的测定采用烘箱老化法,纸张在鼓风干燥箱中于103℃下处理3 h,测定纸张老化前后的白度并计算返黄值(PC值)。不透明度、抗张强度、撕裂强度、耐破度均参照国家相应标准进行测定。

2 结果与讨论

2.1 紫外光谱与化学计量学软件相结合的方法建立校正模型

在分析化学中,常用化学统计学来解决复杂的校正问题。其中,偏最小二乘法是解决线性复杂多变量关系最有效的方法。根据一组已知糖浓度标准样品的多波长光谱和所对应的组成浓度之间的数学关系,利用化学计量学软件S IMCA建立校正模型[5]。然后将酶解液的紫外光谱信息输入校正模型预测其组成中糖的含量。本方法具有无需使用有机试剂,操作简便的特点。

戊糖和己糖经浓硫酸脱水处理后,使得不带不饱和键的糖分子变成带不饱和键的产物,分别为糠醛和羟甲基糠醛[8-10],如式(1)和式(2)所示,它们在浓硫酸介质中分别在波长316 nm和322 nm处有最大吸收峰(见图1)。对于混合糖样品的紫外光谱,其最大吸收峰值的出现介于这两个波长之间,因此,根据糠醛以及羟甲基糠醛所产生的紫外光谱可以间接测定戊糖和己糖的含量。

图1 糠醛、羟甲基糠醛及其混合物在浓硫酸溶液中的紫外吸收光谱图

由于木糖和葡萄糖的酸脱水过程与戊糖和己糖一致,最终产物均为糠醛及羟甲基糠醛,因此,可以用木糖和葡萄糖配成戊糖和己糖的标准溶液得到校正模型。考虑到所用木聚糖的酶活较高,葡萄糖溶出相对较低的特点,采用木糖和总糖的含量为基准进行测定,葡萄糖含量以总糖含量减去木糖含量表示。

将标准溶液处理后进行紫外扫描,把已知糖含量值和它们所对应的190～400 nm的吸光度输入S IMCA软件,用偏最小二乘法得到校正模型,图2和图3分别为校正模型所给出的戊糖(以木糖为标准物)和总糖的模型预测浓度和实际浓度之间的关系。结果表明,两者有很好的相关性,相关性系数分别为0.9902(戊糖)和0.9844(总糖)。用这个模型来预测酶解液中的糖含量。

2.2 酶解液中糖的组成和含量变化

基于酶的一些特性,如高效性、高度专一性、易调控性及没有副作用[11],采用酶法对浆样进行处理,除去浆中部分半纤维素,以探讨半纤维素在纸浆中的作用。实验测得木聚糖酶酶活为80000 IU/g,而相同条件下纤维素酶酶活仅为65 IU/g。因此,在纯度较高和专一性较强的木聚糖酶的作用下,半纤维素降解物主要应为木糖和木糖的低聚物(属戊糖),还可能存在少量的纤维素单体如葡萄糖以及纤维二糖等(属己糖)。在浓硫酸的作用下低聚糖很快被降解为单糖,然后进一步被水解为糠醛和羟甲基糠醛。将浓硫酸水解液进行紫外光谱扫描,然后将吸光度输入S IMCA,用得到的模型预测酶解液中戊糖和总糖的含量。在处理酶解液时,需要将得到的酶解液进一步稀释,否则糖浓度过高会在热酸的作用下快速反应,容易产生乙酰丙酸和甲酸以及暗色的不溶物[12]。

模型预测的总糖含量与DNS法得到的还原糖含量的曲线如图4所示,随着酶用量的增加,还原糖和总糖含量都呈上升趋势,每个样品点的还原糖的含量总是低于总糖,这是因为酶解液中含有低聚糖,还原性末端基未完全显露出来,因此模型预测得到的总糖含量既包含原有的还原糖又包含低聚糖。它们在浓硫酸的作用下全部水解为糠醛和羟甲基糠醛。

图5为模型预测所得半纤维素(主要为戊糖)和纤维素(主要为己糖)溶出量增加量随着酶用量的变化。由图5可以看出,随着酶用量的增加,半纤维素和纤维素的溶出量都呈现不断上升的趋势,与半纤维素的增加程度相比,纤维素的溶出量变化不大,这是因为纤维素酶活(65 IU/g)较木聚糖酶活(80000 IU/g)是极低的。因此,认为在本实验条件下,纸浆中半纤维素含量的变化是引起后续实验中纸浆物理强度性能变化的主要因素。本实验所降解的半纤维素只是浆中总半纤维素的一部分,可能主要是纤维表面附着的半纤维素部分。另外,木聚糖酶用量由60 IU/g上升至120 IU/g时,上升的趋势逐渐趋于缓和,这可能是因为酶用量继续增加时,相对可接触的底物而言,酶分子逐渐达到过饱和状态,酶解效率降低。

2.3 半纤维素溶出量对纸浆性能的影响

在木聚糖酶作用下,纸浆中的半纤维素降解物主要是木糖和木糖的低聚物,随着木聚糖酶用量的不断增加,酶解液中的戊糖含量是不断增加的(见图5)。由图1可知,戊糖在浓硫酸介质中的最大吸收峰在波长316 nm和322 nm处,图6是样品液经浓硫酸处理后的紫外光谱图,可见最大吸收峰出现在316 nm附近。因此,图6也说明了溶液中主要为戊糖。由图5可以看出,酶用量为最高120 IU/g时,半纤维素溶出量比不用木聚糖酶时增加了630.9%。下面讨论半纤维素溶出量对纸浆性能的影响时,空白浆样的性能参数见表1,所提及的纸浆性能的变化均相对空白样而言。

2.3.1 紧度和不透明度

紧度随半纤维素溶出量变化关系见图7。由图7可以看出,随着半纤维素的不断减少,紧度下降。空白浆的紧度为0.510 g/cm3。对应半纤维素溶出量为4.50、8.25、9.75、11.34、12.46、14.57、15.79 mmol/L的浆,紧度分别为0.504、0.498、0.493 0.489、0.488、0.487、0.487 g/cm3。图8给出了不透明度增加量与半纤维素溶出量的关系,对应半纤维素溶出量为:4.50、8.25、9.75、11.34、12.46 14.57、15.79 mmol/L的浆,不透明度分别增加0.45%0.65%、0.86%、1.04%、1.08%、1.10%、1.12%。这可能是由于在相同定量下,浆中半纤维素含量的减少引起纸张紧度的下降,从而造成不透明度的增加。

表1 空白浆物理性能

2.3.2 返黄值

图9显示了半纤维素溶出量与返黄值减少量之间的关系,对应半纤维素溶出量为4.50、8.25、9.75、11.34、12.46、14.57、15.79 mmol/L,纸浆的返黄值分别减少7.8%、13.0%、16.8%、21.2%、22.6%、25.1%、26.4%。这说明纸张的返黄除与木质素存在密切关系外还深受半纤维素的影响。木聚糖在阔叶木半纤维素中占较大比例,这类半纤维素在光照或受热情况下易分解产生木糖单体,而木糖在光照和氧的作用下很容易被氧化生成羰基发色基团和羧基助色基团,半纤维素对返黄的影响与这些取代基团是密不可分的。

2.3.3 抗张指数和耐破指数

纸张的抗张、耐破指数与半纤维素关系见图10,随着浆中半纤维素量的不断减少,两项强度指标均出现较大幅度下降,对应半纤维素溶出量为4.50、 8.25、9.75、11.34、12.46、14.57、15.79 mmol/L的浆,抗张指数分别下降6.2%、11.5%、15.7%、18.1%、19.6%、21.5%、21.9%,变化趋势与Molin U等[13]的研究相符;耐破指数分别下降5.6%、9.4%、12.2%、16.4%、18.4%、20.2%、20.8%。纸张的这两项强度指标主要受到纤维结合力、纤维长度和纤维自身强度的影响。因生物酶具有高度专一性的特点,木聚糖酶在处理纸浆时对纤维素的影响甚微,对纤维物理强度的主要影响在于纤维结合力的改变,半纤维素可以提供更多的极性基团,使纤维结合位点增加,进而使纤维结合更加牢固。而酶处理后,浆样中一定量的半纤维素被除去,从而使结合位点减少,降低了纤维结合力。

2.3.4 撕裂指数

半纤维素与撕裂指数之间的关系如图11所示,随着浆中半纤维素量的减少,撕裂指数呈现大幅上升趋势,对应半纤维素溶出量为4.5、8.25、9.75 11.34、12.46、14.57、15.79 mmol/L的浆,撕裂指数分别增加4.8%、9.9%、13.6%、16.0% 17.2%、17.4%、17.9%。撕裂指数主要受纤维长度的影响,受纤维结合力的影响较弱。当纤维素酶活较木聚糖酶活极低时,因为酶处理主要是首先吸附在比表面积较大的细小组分表面上,并在细小组分表面发生酶解作用,所以纤维素酶的作用对纤维长度的影响较小或者还不足以影响纤维长度,因此,半纤维素的溶出使得纤维素的相对含量增加,撕裂指数呈现上升趋势。

3 结 论

3.1 用紫外光谱结合化学计量法得到的模型可以对酶解液的糖组成进行较好的预测。在一定范围内,总糖和还原糖的溶出量都随酶用量的增加而增加,半纤维素的溶出量也随酶用量的增加而增加。

3.2 随着浆中半纤维素溶出量的增加,纸浆抗张强度和耐破度均有不同程度的下降,最大变化幅度与空白浆对照分别下降21.9%和20.8%。

3.3 随着浆中半纤维素含量的降低,不透明度和撕裂指数呈现上升趋势。当半纤维素溶出量为15.79 mmol/L时,变化幅度最大,与空白浆相比分别增加1.1%和17.9%。

参 考 文 献

[1] Sun R C,Tomkinson J,Wang Y X,et al.Physico-chemical and structural characterization of hemicelluloses from wheat straw by alkaline peroxide extraction[J].Polymer,2000,41:2647.

[2] Sun R C,Fang J M,Tomkinson J,et al.Fractional isolation,physico-chemical characterization and homogeneous esterification of hemicelluloses from fast-growing poplarwood[J].Carbohydrate Polymers, 2001,44:29.

[3] Sun J X,Sun X F,Sun R C,et al.Fractional extraction and structural characterization of sugarcane bagasse hemicelluloses[J].Carbohydrate Polymers,2004,56:195.

[4] 房桂干,沈兆邦,黄德裕.发展高得率浆生产是保证我国造纸工业可持续发展的重要途径之一[J].林产化工通讯,2000,34 (4):29.

[5] 胡湛波,王景全,柴欣生,等.一种用紫外光谱测定混合糖含量的新方法[J].化工学报,2008,59(5):1234.

[6] 毛连山,尤纪雪,姚春才,等.木聚糖酶处理工艺对麦草浆漂白性能的影响[J].中国造纸,2005,24(7):6.

[7] 冯文英,李振岩,常清荣,等.木聚糖酶的制备及其在麦草浆漂白中的应用[J].中国造纸,2002,21(2):8.

[8] DuboisM,Gilles KA,Hamilton J K,et al.Colorimetric method fo determination of sugars and related substances[J].Anal.Chem., 1956,28(3):350.

[9] Raunkjer K,Thorkild H J,Nielsen P H.Measurement of pools o protein,carbohydrate and lipids in domestic wastewater[J].Wat. Sci.Tech.,1994,28:251.

[10] 李合生,孙 群,赵世杰.植物生理生化实验原理和技术[M].北京:北京教育出版社,2000.

[11] 王镜岩,朱圣庚,徐长法.生物化学[M].北京:高等教育出版社,2002.

[12] 谢来苏.制浆造纸的生物技术[M].北京:化学工业出版社,2003.

[13] Molin U,Teder A. Importance of cellulose/hemicellulose-ratio fo pulp strength[J].Nordic Pulp and Paper Research Journal,2002, 17(1):14.

Abstract:A part of hemicellulose was removed from poplar Alkaline Peroxide Mechanical Pulp(APMP)by xylanase treatment.The mai hemicellulose components in the enzyme liquid was predicted with the modelwhich was established by the spectral measurement of a set o hydrolyzed standard sugar solutions treatingwith concentrated sulfuric acid and a chemometrics software.The impact of dissolved hemicellu lose content on APMP propertieswas analyzed through measuring the pulp optical and physical properties.

Keywords:hemicellulose;xylanase;chemometrics;pulp properties;APMP

(责任编辑:郭彩云)

The I mpact of Hem icellulose on APM P Properties

WANG Feng-juan1HUANG Feng1,2,＊YANG Gui-hua1CHEN Jia-chuan1
(1.Key Lab of Pulp and Paper Science&Technology of M inistry of Education,Shandong Institute of Light Industry, Ji'nan,Shandong Province,250353;2.State Key Lab of M icrobial Technology,Shandong University, Ji'nan,Shandong Province,250100)
(＊E-mail:fhuang@sdu.edu.cn)

TS71+1

A

1000-6842(2010)02-0006-05

2009-09-25(修改稿)

王凤娟,女;在读硕士研究生;主要研究方向:制浆造纸绿色科学与技术。

＊通信联系人:黄 峰,E-mail:fhuang@sdu.edu.cn。