漆酶处理对杨木APMP木素分子质量的影响

崔红艳 刘 玉，2， 杨桂花 王 娟 Lucian A.Lucia

（1.山东轻工业学院制浆造纸工程省级重点学科，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；3.美国北卡罗来纳州立大学木材与造纸科学系，美国罗利，NC 27695-8005）

高得率浆具有很多优点，比如原料利用率高，对环境影响小，生产成本低，所得纸浆的纤维能够赋予纸张高的松厚度、挺度和不透明度，以及良好的光学性能和油墨吸收性能等。然而，高得率浆纤维表面聚集的木素又导致高得率浆有很多不足，如纤维柔韧性差、纸浆白度低、易返黄、成纸的强度性能和表面平滑度不如化学浆等。因此，为扩大其应用，应充分利用高得率浆的良好特性，提高纸张品质，同时降低其对纸张质量带来的负面影响。对高得率浆的改性势在必行。

纤维表面改性的方法主要包括机械改性、化学改性和物理改性［1-3］，但是，随着生物酶技术的推广应用，生物酶改性逐渐引起人们的关注［4-6］，酶改性的一个最大优点就是污染小，而且还具有能耗低、反应温和等优点。根据前人经验可将生物酶对纤维的改性作用分为3类：改善纸浆滤水性能和抄造性能为主的纤维素酶酶系；降低打浆能耗为主的半纤维素酶酶系；改善机械浆性能为主的木素降解酶酶系［7-8］。

本研究对漆酶和漆酶/介体体系提高高得率浆APMP纤维性能进行了探讨，并采取酶解-弱酸解两段法从APMP原浆以及改性浆中分离木素，同时利用凝胶渗透色谱确定木素分子质量分布曲线，进而比较漆酶及漆酶/介体体系处理效果的差异。

1 实验

1.1 浆料

一段APMP和二段APMP都由山东德州中茂圣源纸浆有限公司提供。

1.2 木素分离

木素分离的方法非常关键，制定和选择分离方法主要注意3个方面：一是木素的得率高；二是分离出的木素纯度高；三是分离过程中尽量不改变木素的原本结构。本研究在国内外研究的基础上以APMP两段纸浆为原料，利用Argyropoulos等人发明的一种新型的木素分离方法——酶解-弱酸解两段法［9-11］，分离纯化出得率高、纯度高、结构改变少的木素样品［12］。

1.2.1 丙酮抽提

首先用丙酮抽提要分离木素的纸浆。以索氏抽提器为主要设备，抽提时间8h。抽提后，迅速用去离子水反复洗涤，放入通风厨风干备用。

1.2.2 酶处理

丙酮抽提后的纸浆，浸入pH值为4.5的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，加入纤维素酶（含有少量的半纤维素酶，酶活为1300u/mL），封口，置于恒温摇床中，控制体系温度为40℃，反应时间为48h。反应过程中，要保持摇床剧烈摇动（200r/min），这样使其混合均匀。反应结束后，离心分离，并用pH值为2的盐酸溶液反复洗涤，得到的固体物质经过冷冻干燥即为粗木素。

1.2.3 弱酸水解

得到的粗木素，浸入到二氧六环-水溶液（二氧六环与水的体积比为85∶15）中，沸点约为86℃，溶液中HCl浓度为0.05mol/L。在氮气保护的条件下，加热回流2h后过滤，将得到的沉淀反复用二氧六环-水溶液洗涤，得到的清液用碳酸氢钠中和，然后在40℃下旋转蒸发，得到浓缩后的液体缓慢滴入到pH值为2的盐酸溶液中，得到木素沉淀，经过离心分离、冷冻干燥，得到木素样品。

用色谱级正己烷洗涤木素样品，将洗涤后的固体常温真空干燥，得到纯净的木素试样。

1.3 木素样品的衍生化

木素试样有APMP原浆木素RML-S1、RML-S2，漆酶改性纸浆残余木素RML-ES1、RML-ES2和漆酶/介体体系改性纸浆残余木素LMS-S1、LMS-S2。

木素试样并不能在GPC（四氢呋喃）溶剂中完全溶解，必须对木素试样进行衍生化处理，苄基化是一种新型的衍生化处理方法。具体操作流程是：将50mg木素试样溶解于950mg的离子液体（1-烯丙基-3-甲基咪唑）中，搅拌均匀，加热至80℃直至全部溶解。加入吡啶搅拌至均匀，室温下冷却后加入苯甲酰氯（280μL，2.4mmol）搅拌直至形成黏稠状物质，将5mL去离子水和15mL乙醇加入混合物中激烈搅拌5min，过滤后，用乙醇和甲醇洗涤纯化，得到白色粉末，然后计算所有木素样品的分子质量。

1.4 木素分子质量分布的测定

量取10mg苄基化后的木素样品，溶解于10mL的四氢呋喃中，通过Water凝胶渗透色谱分析系统检测木素分子质量的变化。凝胶渗透色谱分析系统包括Waters Model U6K注射器、Waters Model 510泵等。

凝胶渗透色谱分析，体系温度控制在40℃，四氢呋喃作为溶剂，流速为0.22mL/min，凝胶柱由Waters HR 5E和HR 1连接而成，标准聚苯乙烯作为校准凝胶柱。通过Millenium32GPC软件（Waters）对数据进行分析处理。

2 结果与讨论

2.1 漆酶和漆酶/介体体系的改性

漆酶/介体体系处理的最优条件是：pH值5，温度50℃，浆浓4％，反应时间60min，漆酶用量2 u/g，介体用量0.5％（对绝干浆）。在此最优条件下分别对改性的一段APMP的物理性能进行了检测，实验结果如表1所示。

表1 漆酶和漆酶/介体对纸浆物理性能的影响

从表1可以看出，经漆酶和漆酶/介体改性后纸浆白度略有降低。在漆酶对纸浆改性处理过程中，抗张指数从8.56N·m/g提高到9.06N·m/g，提高了5.8％；在漆酶/介体体系改性过程中，抗张指数从8.56N·m/g提高到10.60N·m/g，提高了17.5％。从表1还可以看出，不管是从抗张指数还是从撕裂指数来讲，用漆酶/介体改性后的浆样比单独用漆酶改性后的浆样的强度性能要好。总体来说，漆酶和漆酶/介体改性在提高纸张强度的同时也略微降低了纸张白度。

2.2 木素分子质量的变化

由凝胶渗透色谱分析系统得到一段APMP和二段APMP中残余木素分子质量、漆酶及其介体体系改性纸浆中残余木素分子质量的变化曲线（见图1和图2）。

对木素分子质量变化曲线积分，得到木素的数均相对分子质量Mn、质均相对分子质量Mw、Z均分子质量Mz及多分散性Mw/Mn（见表2）。

表2 木素相对分子质量及多分散性

从表2可以看出，漆酶和漆酶/介体对木素相对分子质量有很大影响。在漆酶改性过程中，一段APMP中残余木素的数均相对分子质量降低，从2509下降到1146，下降了54.3％；而在漆酶/介体体系改性纸浆中，数均相对分子质量下降了62.4％。一段APMP中残余木素的质均相对分子量增加，在漆酶改性过程中，与对照浆相比增加了2.2倍；而在漆酶/介体体系改性纸浆中，增加了19.3％。二段APMP中残余木素的数均相对分子质量减小，从对照浆到漆酶改性纸浆，从2721下降到850，减小了68.8％；而从对照浆到漆酶/介体体系改性纸浆，数均相对分子质量减小了69.3％。二段APMP中残余木素的质均相对分子质量增加，从8386到10485，质均相对分子质量增加了25.0％；而在漆酶/介体体系改性纸浆中，增加了2.2％。与对照浆相比，经漆酶和漆酶/介体体系改性后纸浆中残余木素的多分散性变大，说明漆酶和漆酶/介体体系对纸浆中的木素有明显作用。

2.3 木素含量变化

从表3可以看出，一段APMP经过漆酶改性后，纸浆中Klason木素含量由对照浆中26.19％降低到23.65％，降低了约9.7％；二段APMP经过漆酶改性后，纸浆中Klason木素含量由23.29％降低到21.53％，降低了7.6％，说明漆酶对纸浆中木素含量有一定影响，且漆酶对一段纸浆中木素的降解作用大于对二段纸浆；一段APMP经过漆酶/介体体系改性后，纸浆中Klason木素含量由对照浆的26.19％降低到23.55％，降低了约10.1％，二段APMP经过漆酶/介体体系改性后，纸浆中Klason木素含量由23.29％降低到18.79％，降低了19.3％，说明漆酶/介体体系对纸浆中木素含量有较大影响，漆酶/介体体系对二段纸浆中木素的降解作用远大于对一段纸浆。由此可见，漆酶/介体体系对纸浆中木素的降解作用大于漆酶对木素的降解作用。

表3 不同方式改性后纸浆中木素含量的变化 ％

3 结论

3.1 APMP经过漆酶处理后，纸浆中残余木素的数均分子质量明显降低，而质均分子质量明显增加；经过漆酶/介体体系处理后，纸浆中残余木素数均分子质量明显降低，但质均分子质量略有增加。经过漆酶单独处理后纸浆中残余木素质均分子质量的增加幅度远大于经漆酶/介体体系改性后的。

3.2 APMP两段纸浆经漆酶和漆酶/介体体系改性后多分散性都明显增加，其中漆酶单独改性后多分散性分别为对照浆的29.1倍和19.3倍，漆酶/介体体系改性后多分散性分别为对照浆的12.6倍和17.9倍，说明了漆酶和漆酶/介体体系对纸浆中的木素有明显作用。

3.3 漆酶处理对纸浆中木素含量有一定影响，漆酶改性后，纸浆中残余木素含量有所降低，漆酶对一段APMP中木素的降解作用大于对二段APMP的。漆酶/介体体系对纸浆中木素含量有较大影响，漆酶/介体体系改性后，纸浆中残余木素含量也有所降低，漆酶/介体体系对二段APMP中木素的降解作用远大于对一段APMP的。漆酶/介体体系对纸浆中木素的降解作用大于漆酶对木素的降解作用。

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