生物技术在纤维改性中的应用及研究进展

王芳芳 李金华

（①山东轻工业学院制浆造纸科学与技术省重点实验室，山东 济南，250353）（②DUPLO办公设备有限公司，山东 济南，250100）

生物技术在纤维改性中的应用及研究进展

王芳芳①李金华②

（①山东轻工业学院制浆造纸科学与技术省重点实验室，山东 济南，250353）（②DUPLO办公设备有限公司，山东 济南，250100）

本文主要综述国内近年来生物技术用于纸浆纤维改性方面的研究。对微生物直接应用于纸浆纤维改性的研究较少，主要集中在各种酶对纸浆纤维的改性。比较特别是漆酶所引起的高木素含量的纤维表面木素的接枝，表现出其在纸浆纤维改性方面的巨大潜力。

微生物 酶 纸浆纤维 改性

目前生物技术在制浆造纸工业方面的应用主要以酶的使用为基础，但也有将微生物直接应用于制浆造纸的研究。酶主要是作为制浆造纸的过程助剂，如用在磨浆、漂白和脱墨中，无论是对于化学浆还是机械浆、木材纤维原料制成的浆还是非木材原料制成的浆、原生纸浆纤维还是废纸浆纤维，不同的酶在纤维工程方面的应用都是一个有趣而具潜力的领域。

1 微生物在纤维改性上的应用

前人的研究表明，经白腐菌改性处理可以显著提高机械浆的强度性能，但同时也会导致严重的白度损失，且这种低白度的纸浆可漂性较差，这在一定程度上阻碍了这种生物改性工艺的发展。Abuhasan等人的研究表明，这种白度损失现象是由于在白腐菌生长过程中产生黑素(melanin)引起的。他们同时建议，要解决白腐菌改性后机械浆白度低的问题，可以通过三个途径来实现：(1)添加Tricyclazole(TCA)限制白腐菌处理过程中黑素的合成；(2)采用生长速度快的白腐菌菌种取代传统菌种可减少黑素的合成；(3)采用特殊的漂白工艺，使漂后纸浆仍然达到较高的白度值[2]。

Franzén等详细地解释了机械浆强度低的主要原因：不管是盘磨机械浆(RMP)、预热盘磨机械浆(TMP)还是化学-热磨机械(CTMP)工艺，都是利用机械力的作用使纤维分离，大部分富含木素的胞间层仍然留在纤维的表面，相当于纤维的表面被一层刚性的木素覆盖着。这种表面性能导致了机械浆纤维的柔韧性较低，从而最终导致了纤维结合强度较低。杨崎峰等用白腐菌对桉木CTMP和TMP进行了改性并研究了CTMP经白腐菌处理后的漂白问题。研究发现采用白腐菌去除覆盖在桉木CTMP浆纤维表面的部分木素是一种有效的纤维生物改性工艺，可以显著提高桉木CTMP浆纤维的抗张指数、撕裂指数和内结合强度，提高了CTMP浆纤维的等级和潜在用于抄造高等级纸张的可能。尽管白腐菌处理过程中纸浆白度有所降低，但适当地减少培养时间和采用H2O2和Na2S2O4两段漂白工艺完全可以解决这一问题[3]。

2 酶在纤维改性上的应用

与微生物改性相比，酶改性具有很多优势，例如高效、处理时间短、处理条件没有微生物改性那么苛刻。与物理、化学改性方法相比生物改性的条件温和对纤维素损伤小、能耗低、对环境友好。作为纤维改性中的酶的种类主要是：纤维素酶、半纤维素酶和木素降解酶。主要是改善浆的滤水性能、改善浆的强度的性能、降低打浆能耗，改善纸浆的返黄[4]。另外，由于漆酶独特的反应机制，它还应用于改性纤维活化木素产生黏合作用、或在高木素含量的制浆中在木素的活化点上接枝化合物，改善浆纤维的性能[1]，[5]。

2.1 复合纤维素酶对机械浆和麦草浆滤水性能改善

机械浆成纸均匀、平滑度较好、有较好的松厚度、不透明度和油墨吸收性能。适合于生产新闻纸。但机械浆由于经过机械的磨解作用产生了许多细小组分，造成了浆的滤水性能差，不利于纸机车速的提高。同时纤维短、细小组分多造成成纸的强度低，进而影响到了印刷的质量。而麦草浆由于纤维原料自身的特点如半纤维、杂细胞含量高，使得麦草所成的浆滤水性能差、成纸强度低。管斌等[6-10]人研究了复合纤维素酶 （或称纤维素酶酶系包括EG酶、CBH酶、β-葡萄糖苷酶和半纤维素酶等）对杨木SGW和麦草AP-AQ浆滤水性能的改善。发现对杨木SGW而言，用复合纤维素酶对杨木SGW浆进行处理，在保持浆原强度的情况下，浆的滤水性能有较明显的改善。在麦草浆酶改善滤水性能方面，以纤维素酶为主的酶系对草浆滤水性能的改善是必需的，而木聚糖酶对草浆滤水性能的改善起到了辅助作用。酶系中各种酶酶活的比率会影响到滤水性能的改善。在研究复合纤维素酶对杨木SGW的作用时，发现1）在酶解初期，液相中酶蛋白浓度迅速降低，酶很快吸附到纸浆纤维表面，从而使得酶解初期还原糖产生速率较高;而后液相中酶蛋白浓度较低，并在液相中逐渐趋于稳定。这可能是随着酶解进行，酶蛋白在纤维表面的吸附与解吸达到了动态平衡。2）在杨木SGW浆酶处理过程中，浆的游离度增加值呈现“波浪形”变化。酶解强度较大时，“波动”变化频率加快。随着酶解进行，浆的游离度增加值变化幅度趋势减小，浆的游离度增加值逐渐趋向于较高的值。3）在杨木SGW浆纤维的酶处理过程中，纤维比表面积也相应呈现出“波浪形”变化。其值与游离度增加值的变化恰好呈相反方向变化。4）杨木SGW浆酶处理过程中，浆的游离度增加值和纤维的比表面积的“波动”变化，与酶解作用在纤维表面产生的“剥皮”效应有关。5）纸浆纤维的酶解进程可分三个阶段，即酶解初期阶段、酶解速率逐变阶段和酶解速率较低的后期阶段(稳定期)。对于复合纤维素酶对纸浆改性来说，一般酶处理时间应控制在酶解初期和酶解速率的逐变阶段。对两种浆而言，在酶用量合适的情况下，不会引起对纸浆的强度的下降。此外，袁平等[11-12]的研究也证实了复合纤维素酶对马尾松机械浆（TMP和SGW）滤水性能的改善。而且在他研究的用量条件下，对手抄纸的强度性能影响较小。

目前认为纤维素酶酶系 （包括EG、CBH、β-葡萄糖苷酶和半纤维素酶）的改性机理是：纤维素酶吸附到纤维表面，首先在纤维表面发生酶解反应，随着酶解反应进行，将纤维层层剥离。纤维素结晶度越高，就越难以吸水润涨，使酶分子难以发挥渗入纤维作用。因而，无定型区比结晶区易于酶解。纤维素比表面越大，吸附的酶浓度就越高，酶解速率就越快，因此，细屑和细小纤维因为具有较大的比表面和可及度而易于受酶的攻击。酶解作用发生在纤维表面的细小纤维和微粒上，对整个纤维损伤十分轻微从而纸浆游离度增加，改善滤水性能[13]。

2.2 用纤维素酶和半纤维素酶改善针叶木KP浆的打浆性能

KP法蒸煮使纤维形态结构完整地保存下来，纤维变得柔软，从而较好地保留了单根纤维的强度，并赋予纤维较大的接触面积，增加了纤维之间的结合力。但完整的纤维形态给后续的打浆带来困难。而且，硫酸盐蒸煮也使得木素在纤维细胞中按厚度呈均匀分布，阻碍了打浆作用的进行，再加上硫酸盐浆细胞壁中初生壁碳水化合物的高聚合度，以及纤维表面的LCC，都使得硫酸盐浆打浆困难[14]。

傅英娟等[15]研究了纤维素酶 (外切酶(pNPC)0.03IU/mL，内切酶 (CMCase)1.71IU/mL，滤纸酶0.03 FPU/mL，β-葡萄糖苷酶0.40 IU/g，木聚糖酶8.26IU/g)对针叶木浆的酶促打浆。发现在酶处理的适宜条件下，与对照浆相比，经酶处理的纸浆具有更高的打浆度，从而具有降低能耗的潜力。同时，由于打浆度的增加，纸浆的裂断长有显著的增加，而撕裂指数却有明显的下降。汤振江等[14]的研究了几种不同的酶对针叶木KP浆打浆性能的改善作用。

现在，认为酶促打浆的机理是，利用高活性的半纤维素酶和较低活性的半纤维素酶对在打浆前对纸浆进行预处理，导致纤维表面某种程度的活化和松弛。酶促打浆可以缩短打浆时间，降低打浆能耗，并在较低的打浆转数下取得所要求的某些性能。

2.3 酶对机械浆、草浆强度性能的改善以及对KP浆湿强度改善

针对机械浆和麦草浆在强度性能方面存在的缺陷，汤振江等[16-17]研究了漆酶和纤维素酶和半纤维素酶配合漆酶对未漂马尾松SGW的强度性能的改善。研究发现利用漆酶NS 51003处理马尾松未漂SGW，可有效提高纸浆的白度及强度性能，而且酶处理后纸浆具有更好的可漂性，并且经过H2O2漂白后的酶处理浆亦具有更高的白度和更好的强度性能；而漆酶NS 51002漆酶/介体对纸浆的改性效果甚微。利用半纤维素酶PulpzymeHC、纤维素酶Novozym 476对马尾松未漂SGW进行预处理，可有效提高漆酶NS 51003处理马尾松未漂SGW的效率，更加有效地提高纸浆的白度及强度性能,而且适当的预处理可使纸浆具有更好的可漂性，从而使H2O2漂白后的酶处理浆具有更高的白度和更好的强度性能。彭涛等[18]利用漆树漆酶/介体体系对马尾松化学热磨机械浆进行生物酶处理及后续H2O2漂白，探索漆酶生物改性最佳工艺条件。研究发现在最佳的工艺条件下，与对照浆相比，纸浆白度可提高3.0%ISO，抗张指数、撕裂指数分别提高22.5%、7.9%。纤维长度、粗度分析及扫描电镜谱图显示，漆酶处理只发生在纤维表面，有利于表面木素的降解溶出，从而提高了纸浆的白度和可漂性。另外，他[19]还利用漆树漆酶替代真菌漆酶改性马尾松化学热磨机械浆，测定了改性前后纸浆的物理性能，利用纤维长度、粗度分析仪、衰减全反射傅立叶变换红外光谱(ATR-IR)、原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱(XPS)对改性前后纸浆纤维表面性能进行分析。结果表明，与对照浆相比，漆酶处理后，纤维的长度、粗度变化不大，漆酶改性仅在纤维表面起作用，不会引起纤维的大量降解；漆酶改性过程中存在木素的降解溶出，纤维表面木素含量降低，碳水化合物含量升高，纸浆白度和强度有所提高。

陈嘉川[20]分离并研究了A-30耐碱性木聚糖酶对麦草浆的性能的改善作用。发现A-30耐碱性木聚糖酶在提高强度和降低脆性方面有一定优势。而且陈嘉川等[21]对黑曲霉An-76分泌的酶液进行了分离、纯化和测定，对其中的H1酶、H2酶和C1酶分别或混和用于漂白麦草浆的改性作用进行了研究。发现H1(木聚糖酶)或H2（木聚糖酶）与C1（纤维素酶）混合可以有效改善麦草浆的脆性和其他强度指标。

裴继诚、石淑兰[22-24]等研究了漆酶对未漂KP湿强度的改善。研究发现不同的漆酶处理方法都提高了未漂针叶木KP浆的湿强度。而对干强的影响不明显。漆酶处理提高湿抗张强度的机理在于：漆酶催化木质纤维中的木素或氧化溶于液相中的木素，生成酚氧自由基，发生自由基聚合反应。自由基聚合的木素包围着纸中纤维，其作用相当于纸张湿强剂。各种可以提高纸张湿强度的高分子，其作用原理就是在纤维间形成交联网，该网可以阻止纤维润胀，保护氢键不被破坏。纸张的干强度是由纤维间氢键的数量决定的，而湿强的抗张强度则依赖于可阻止纤维吸附水分子的化学键的形成，如共价键、离子键或围绕着纤维形成的交联网。

2.4 真菌粗酶液对CMP返黄的抑制

卢雪梅[25-26]等研究黄孢原毛平革菌菌株L TP214的粗酶液对杉木、杨木的混合CMP返黄的抑制作用、探讨了粗酶液对CMP返黄抑制的影响因素以及黄孢原毛平革菌L TP214的粗酶液抑制CMP返黄的机理。结果表明在用蛋白胨摇瓶培养5～6天所获得的粗酶液，用1mL/g的粗酶液处理3h能得到较好的抑制效果。通过对不同的培养方式产生的粗酶液酶活的测定、杉木木素光能团分析和紫外-可见光吸收光谱分析得出：MnP几乎不参与返黄抑制的反应；而LIP214能分泌一定量的CDH/CBQ，它们在氧化纤维二糖的同时，能还原一些醌类等木素降解中间物，可能参与抑制纸浆返黄改善；LIP214酶液含有不同于LIP和MnP的木素氧化酶类；酶处理过程中发生两类反应：第一类是还原反应，醌类化合物被酶还原为氢醌类无色物质，使醌类化合物的吸收峰下降并形成倒的肩峰。醌还原成氢醌是木素降解、生物降解过程中醌类中间产物继续降解的必由之路,形成氢醌后再经儿茶酚途径才能彻底降解为二氧化碳。第二类是氧化反应，羟基化合物发生氧化形成各种羰基化合物，在320 nm和360 nm处形成不同的吸收峰；酶的作用与老化作用相互抵消，从而延迟了老化过程。

2.5 漆酶辅助的高得率硫酸浆表面的接枝

Richard P.Chandra等[27]评估并证实了漆酶有利于酚酸接枝到高得率硫酸浆纤维表面的木素上。他们用20%浓度的漆酶和紫丁香酸、香草酸、对苯酚酸处理纤维。用漆酶和对苯酚酸处理引起卡伯值增加了20点，酸基团增加了100%。处理浆和未处理浆的ESCA分析表明漆酶接枝纤维在酸性基团上增加了两倍，证实了漆酶有利于对苯酚酸在纤维表面的耦合。建立由木素涂布的纤维素纤维的模型系统测定漆酶接枝时木素结构的变化的模型。该模型系统的木素31P的NMR的分析显示了酸性基团的增加和酚羟基的减少。研究结果表明漆酶和酚酸处理高得率硫酸盐浆使得羧基基团特别是纤维表面的羧基基团增加了。这有效地支持了漆酶在固液两相系统中有助于酚酸接枝到纤维表面的木素上的结论。

3 结束语

生物技术尤其是高效、专一的酶制剂在纤维改性方面有着广阔的应用前景。但有关酶对纸浆的作用规律还有待于进一步的研究。在工业化生产方面，酶应用于纸浆的纤维改性还需要更多技术的介入。

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2010－10－8

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