纤维素酶处理对麦草APMP浆性能的影响

2011-11-22陈嘉川杨桂花

中国造纸 2011年5期

关键词：物理性能麦草结晶度

田野陈嘉川杨桂花

(山东轻工业学院造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室，山东济南，250353)

纤维素酶处理对麦草APMP浆性能的影响

田野陈嘉川杨桂花

(山东轻工业学院造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室，山东济南，250353)

实验采用纤维质量分析仪、扫描电镜和X射线衍射分析了纤维素酶预处理前后麦草APMP浆纤维形态及纤维素结晶度的变化。结果表明，纤维素酶的最佳处理条件为:温度60℃、酶用量6 IU/g绝干浆、pH值5.0～6.0;与未处理浆相比，经纤维素酶处理后麦草APMP浆的细小纤维含量下降，纤维的平均长度、扭结指数和卷曲指数增加;纤维表面变得光滑，纤维更为柔软;成纸的撕裂指数、抗张指数、耐破指数和紧度分别增加了7.6%、9.3%、15.1%和10.1%。

纤维素酶;麦草APMP浆;纤维形态;物理性能

近年来，化学机械浆由于制浆得率高、污染负荷少等优点在我国得到了迅速的发展，但是其强度性能相对较低、难漂白且白度稳定性差、不透明度低等缺点大大限制了化学机械浆的应用范围。因此，提高化学机械浆的光学性能和强度性能具有十分重要的现实意义［1］。随着技术的发展，生物技术已经广泛地应用在制浆造纸领域［2］。研究发现，利用高活性的纤维素酶可以使纤维素表面得到某种程度的活化和松弛，促进纤维的吸水润胀和提高细纤维化程度［3］，从而可以促使浆中残余木素的降解和溶解性木素的抽出，不但可以提高浆料的白度和白度稳定性，而且可以改善纤维的物理性能。

本实验采用纤维素酶对麦草APMP浆进行处理，并对成浆性能进行了分析，主要分析了纤维素酶对成浆的物理性能、光学性能和纤维形态的影响。

1 实验

1.1 原料

麦草:取自山东泰山纸业有限公司。储存期半年以上，切成2～3 cm的长草片，在塑料袋中平衡水分，备用。原料经植物粉碎机粉碎后，取40～60目组分的草粉，测定其化学组成，结果见表1。

表1 麦草化学成分分析

纤维素酶:由诺维信公司提供。

1.2 实验流程

实验流程见图1。

图1 实验流程

1.3 实验方法

1.3.1 酶活的测定

纤维素酶酶活的测定:取质量分数0.5%羧甲基纤维素钠悬浮液2 mL(用pH值4.8，0.05 mol/L的NaAc缓冲液配制)，加入0.5 mL适当稀释的纤维素酶液，置于45℃水浴中反应30 min，之后加2 mL DNS试剂终止反应。蒸煮10 min并冷却，然后定容至15 mL，摇匀后比色 (550 nm)记下吸光度值，葡萄糖含量通过吸光度值反映，根据稀释倍数法计算出酶活，同时做空白实验［4］。

1.3.2 化学预处理

将已切割好的麦草放在蒸煮锅中，放入药液并混合均匀后开始加温进行化学预处理。化学预处理工艺条件 (所有用量均对绝干原料)见表2。

1.3.3 磨浆

用ZSP-300型高浓磨浆机在常温常压下磨浆，磨浆条件:浆浓20% ～25%，磨浆间隙分别为0.50、0.30、0.15 mm，磨浆主轴转速3000 r/min。

1.3.4 磨后浆料

磨浆后浆料在80～90℃下消潜30 min，平衡水分，经PFI打浆后装入塑料袋中备用。消潜后麦草APMP浆性质如表3所示。

1.3.5 酶处理

将浆浓为10%的30 g绝干浆和一定量的酶液放入聚乙烯塑料袋中混合均匀，用HCl或NaOH调节pH值至5～6，然后置于恒温水浴锅中，每隔10 min轻柔塑料袋，使浆样与酶液混合均匀，至90 min后，用100目洗浆袋进行洗浆，并洗涤至浆料为中性。

1.3.6 抄片和检测

(1)用凯塞快速抄片器抄造定量为60 g/m2的手抄片，并干燥。

(2)纸张物理性能根据国家有关标准测定。

1.3.7 纤维形态分析

纤维质量的分析采用加拿大OpTest公司生产的纤维质量分析仪 (FQA)，按照ISO16065测定纤维的长度、粗度以及细小纤维含量等纤维特性指标。

1.3.8 扫描电镜 (ESEM)观察

将浆料试样固定在样品台上，利用真空镀膜法在试样表面覆盖一层金属 (采用镀金，主要是为了增加表征样品形貌的二次电子量，使有用信号加强)后，在FEI QUANTA200-ESEM上观察纤维形态并扫描图像。

1.3.9 X射线衍射

取浆料试样若干，经过分级脱水、48 h的冷冻干燥后，压片。将制备好的样品放在D8ADVANCE型X射线仪下进行检测。利用面积法计算纤维的结晶度［5］，见下式:

表2 化学预处理工艺条件

表3 消潜后麦草APMP浆性质

式中，XC为结晶度;FK为晶区面积;FA为无定形区面积。

2 结果与讨论

2.1 纤维素酶的酶活性质

酶活对pH值和温度的变化很敏感，每种酶只有在一定pH值和温度范围内才能起作用，且有最佳pH值和温度。pH值和温度过高或过低都会影响酶蛋白的结构和酶与底物的荷点性质，从而影响酶的活性部位与底物的接近和结合［6］。图2和图3为pH值和温度对纤维素酶酶活的影响。

由图2和图3可知，纤维素酶最适宜的pH值为5.0～6.0，温度为60℃。

2.2 纤维素酶处理对麦草APMP浆打浆性能的影响

表3所列为纤维素酶用量对麦草APMP浆打浆性能的影响。

表3 纤维素酶用量对麦草APMP浆打浆性能的影响

从表3可以看出，在达到相同打浆度的条件下，随着纤维素酶用量的增加，打浆转数逐渐减少，这可反映打浆能耗是逐渐降低的。这主要是因为经过纤维素酶处理之后，纤维表面呈现出疏松多孔的状态，这种状态可降低纤维间的连接作用，此时浆料变得更加柔软，有利于后续打浆，从而可有效地节省打浆能耗。

2.3 纤维素酶处理对麦草APMP浆物理性能的影响

表4所列为纤维素酶对麦草APMP浆物理性能的影响。

表4中的数据表明，随着纤维素酶用量的增加，麦草APMP浆各项物理强度在酶用量为6 IU/g时达到最大，然后逐渐减小。这是因为开始阶段，纤维素酶主要作用在细小纤维上，大分子纤维的结合更好，因此成纸强度也较大;当酶用量继续增加时，纤维素酶很可能作用到了大分子纤维，从而成纸强度性能开始下降。纤维素酶处理对麦草APMP浆白度的影响不大。但是，麦草APMP浆的不透明度和光散射系数都是先升高再降低，这是因为纤维素酶处理可使纤维暴露出更多新的羟基，使得纤维之间的结合力上升，从而影响了成纸的紧度。随着成纸紧度的变化又引起了不透明度和光散射系数的变化，即先升高后降低。

2.4 纤维素酶处理对麦草APMP浆纤维形态的影响

纤维素酶处理对麦草APMP浆纤维形态的影响见表5所示。

由表5中的数据可以看出，与未经纤维素酶处理的浆相比，纤维素酶酶促打浆后麦草APMP浆的纤维数均长度 (Ln)、加权平均长度 (Lw)及质量加权平均长度 (Lww)都有所增加，细小纤维数量减少，纤维的平均扭结指数与数均卷曲指数也有所增加。这是由于浆料中的细小纤维有较大的比表面积，纤维素酶可优先接触并降解这部分细小纤维，同时由于纤维素酶的加入，纤维变得更柔软，减少了打浆过程中纤维的切断，产生的细小纤维减少了，从而提高了纤维的平均长度。经过纤维素酶处理后浆料的纤维扭结指数和扭结强度均比原浆要大，纤维适当的扭结可以减少纤维在打浆过程中的切断。因此，纤维素酶处理可以提高麦草APMP浆的物理强度。

表4 纤维素酶用量对浆料物理性能的影响

表5 纤维素酶处理对麦草APMP浆纤维形态的影响

2.5 扫描电镜分析

未经纤维素酶处理和经纤维素酶处理的麦草APMP浆扫描电镜图见图4所示。由图4可以看出，未经纤维素酶处理的纤维表面比较粗糙，麦草APMP浆经纤维素酶处理后，由于纤维素酶在6 IU/g用量时，主要处理细小纤维，细小纤维组分减少，纤维表面变得光滑，纤维比较柔软，更有利于打浆。未经纤维素酶处理的麦草APMP浆打浆后，纤维容易被切断，细小组分增加;而经纤维素酶处理的麦草APMP浆的纤维柔软，不易被切断，更容易分丝帚化，暴露出更多的羟基，纤维间的结合力变强，抄纸时纤维交织能力提高，提高了纤维的强度性能。

2.6 X射线衍射分析

图4 经纤维素酶处理与未经纤维素酶处理的麦草APMP浆扫描电镜图

图5 未经纤维素酶和经6 IU/g纤维素酶处理的麦草APMP浆X射线衍射曲线

未经纤维素酶处理和经6 IU/g纤维素酶处理麦草APMP浆的X射线衍射曲线见图5。图5中X衍射曲线显示，与未经纤维素酶处理的麦草APMP浆相比，打浆之前经纤维素酶处理的麦草APMP浆的X衍射曲线有明显的上移，纤维素酶预处理之后，纤维素结晶区的衍射强度增加，纤维结晶度提高。利用面积积分法测得未经纤维素酶处理的麦草APMP浆的结晶度为52.5%，打浆前经过纤维素酶处理的麦草APMP浆的结晶度为55.3%，结晶度增加2.8个百分点。经过纤维素酶处理之后，麦草APMP浆纤维的结晶度增加，这说明浆料中纤维素的无定形区比例减少。纤维素酶处理麦草APMP浆主要是去除比表面积大、结晶度低的细小纤维碎片。与结晶区相比，纤维

无定形区更易于和酶结合，细小纤维的去除使得无定形区的比例减小，结晶区比例增大，从而浆料纤维的结晶度上升。但是细小纤维的除去并不是无限制的，这是因为细小纤维也存在一定比例的结晶区，由于酶对结晶区的影响较小，当细小纤维受到一定程度的降解后，与纤维素酶反应的倾向就下降。

3 结论

3.1 纤维素酶处理麦草APMP浆的最佳条件为:酶用量6 IU/g(绝干浆)，pH值5.0～6.0，处理温度60℃，浆浓10%，处理时间90 min。与未经过纤维素酶预处理的麦草APMP浆相比，经纤维素酶处理的麦草APMP浆的抗张指数、耐破指数、撕裂指数和紧度可分别增加9.3%、15.1%、7.6%、10.1%。

3.2 酶促打浆后浆料的纤维数均长度、加权平均长度及质量加权平均长度都有所增加，细小纤维数量减少，纤维的平均扭结指数与平均卷曲指数也有所增加。3.3 在环境扫描电镜下观察，未经过纤维素酶处理的麦草APMP浆纤维比较挺硬，细小纤维较多，纤维分丝帚化程度较低，而经纤维素酶处理的麦草APMP浆纤维柔软松散。纤维素酶处理可以促进纤维的润胀和分丝帚化，使浆料易于打浆，纤维大分子暴露出更多的羟基，使纤维间更容易结合，纤维的交织能力增强。通过面积积分法分析纤维素酶处理麦草APMP浆的X射线衍射曲线可知，经过纤维酶处理的麦草APMP浆的结晶度增加，浆料纤维的无定形区比例减少。

［1］李学兵，詹怀宇，梁辰．酶处理对粉丹竹SCMP过氧化氢漂白性质的影响［J］．中国造纸学报，2010，25(1):9．

［2］龚木荣，毕松林．纤维素酶改善漂白麦草浆滤水性能的作用机理［J］．中国造纸，2005，24(3):1．

［3］杨桂花，陈嘉川，穆永生，等．速生杨枝桠材P-RC APMP浆的酶促磨浆［J］．中国造纸学报，2010，25(1):52．

［4］王琳，刘国生，王林嵩，等．DNS法测定纤维素酶活力最适条件研究［J］．河南师范大学学报，1998，26(8):66．

［5］陈嘉翔，余家鸾．植物纤维化学结构的研究方法［M］．广州:华南理工大学出版社，1989．

［6］尤纪雪，毛连山，余世袁．木聚糖酶中纤维素酶对麦草浆生物漂白的影响［J］．中国造纸，2003，22(2):16．

Effects of Cellulase Treatment on Wheat Straw APMP

TIAN Ye*CHEN Jia-chuan YANG Gui-hua
(Key Lab of Paper Science and Technology of Ministry of Education，Shandong Institute of Light Industry，Ji'nan，Shandong Province，250353)

Physical properties of alkline peroxide mechanical pulp(APMP)of wheat straw were modified by cellulase．The fiber morphology and cellulose crystallinity before and after treatment with cellulase were analyzed by fiber quality analyzer(FQA)，environment scanning electron microscope(ESEM)and X-ray diffraction(XRD)．The results showed that the optimal treatment conditions are temperature 60℃，cellulase dosage 6 IU/g and pH value 5．0 ～6．0．Compared with the control pulp，tearing index，tensile index，burst index and density of the treated pulp increase by 7．6%，9．3%，15．1%and 10．1%respectively．The fines content of the pulp treated by cellulase decrease，and the length，kink index and curl index of the treated fiber increase．ESEM results revealed that the smoothness and the softness of the treated fiber are improved．From XRD analysis，the crystallinity of the treated fiber increase by 3．14%．The results showed that cellulase treatment has an obvious influence on fiber morphology and physical properties of the pulp．

cellulase;wheat straw APMP;fiber morphology;physical properties

Q55

0254-508X(2011)05-0016-05