木聚糖酶预处理对中林杨-46 AS浆后续漂白的影响

2012-11-22霍淑媛姚春丽徐吉东

中国造纸 2012年3期

关键词：总用白度聚糖

霍淑媛姚春丽徐吉东

(北京林业大学材料科学与技术学院，北京，100083)

木聚糖酶预处理对中林杨-46 AS浆后续漂白的影响

霍淑媛姚春丽徐吉东

(北京林业大学材料科学与技术学院，北京，100083)

以中林杨-46AS浆为研究对象，探讨了木聚糖酶预处理对后续漂白及纸张性能的影响。结果表明，木聚糖酶预处理中林杨-46AS浆的最佳工艺条件为:酶用量15 IU/g，温度55℃，pH值6．0，时间120 min;常规ECF漂白，经X-D1-E-D2漂白，与D1-E-D2漂白浆相比，浆白度接近，黏度提高了131 mL/g，总用氯量减少了50%。在总用氯量降低了40%时，X-D-E-P漂白浆的黏度为949 mL/g，为各类常规漂序中最高，其漂白浆白度也达87．9%，比D-E-P漂白浆白度提高了2．3个百分点;超轻ECF漂白，当总用氯量为0．6%时，采用X-D1-E-D2和X-D-E-P漂白，白度均达到86%以上，其黏度提高显著，其中X-D-E-P漂白浆黏度为970 mL/g;中林杨-46AS浆经木聚糖酶预处理后，通过ECF漂白，与未经木聚糖酶预处理对照纸张相比，纸张的耐破指数、抗张指数分别提高了约22．2%和16．1%。

木聚糖酶;预处理;ECF漂白;中林杨-46;AS浆

中国林业科学研究院培育出的速生中林杨-46，抗病虫能力强，生长速度快，在较短时间内可获得较高的生物产量。前人已经对中林杨-46的栽培技术［1］、纤维形态［2］、制浆性能［3-4］等方面进行了详尽的研究，但对中林杨-46在制浆漂白方面的研究未见报道。随着生物酶技术的发展，酶在各个行业中的应用研究逐年增多，生物酶预处理纸浆纤维可以减少化学浆漂白时所需的药品消耗，降低污染负荷，提高漂白浆白度［5-10］。本实验以中林杨-46碱性亚硫酸盐浆(AS浆)为研究对象，探讨木聚糖酶预处理对后续漂白及纸张性能的影响。

1 实验

1.1 实验原料

(1)中林杨-46 AS浆:实验室自制。

①制浆:在15 L电热回转蒸煮锅进行蒸煮，制得未漂浆。蒸煮工艺条件为［3］:用碱量23% (以Na2O计)，亚硫酸化度40%，液比1．0∶4．5，蒸煮最高温度165℃，一次升温90 min至140℃，保温60 min，二次升温40 min至165℃，保温50 min，绿氧用量0．5%，安蓝用量0．05%。未漂浆白度53．0%，卡伯值10．8，黏度1309 mL/g。

②氧脱木素:中林杨-46 AS浆氧脱木素工艺:用碱量2%(以Na2O计)，氧压0．4 MPa，MgSO4用量0．2%，处理时间60 min，温度100℃，浆浓10%。氧脱木素后浆料白度63．0%，卡伯值9．3，黏度1060 mL/g。

(2)木聚糖酶 (EC．3．2．1．8):北京鸿润宝顺科技有限公司提供。

酶液:取出一定量木聚糖酶粉溶解于磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲溶液中，经DNS［11］法测定，木聚糖酶 (EC．3．2．1．8)酶活为 13．32 IU/mL。

1.2 实验方法

1.2.1 酶预处理

酶预处理在聚乙烯自封袋中进行，将氧脱木素后的浆样放入自封袋中，加入适量磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲液，混合均匀，室温下浸泡30 min后，加入酶液混合均匀，恒温水浴加热。反应过程中每隔约15 min揉搓1次，至规定时间后取出洗净，抄成浆片，风干备用。

1.2.2 后续漂白

后续漂白在聚乙烯自封袋中进行。将经过酶预处理后的浆样和漂液放入自封袋中，用蒸馏水调至所需的浓度，然后混合均匀，恒温水浴加热。反应过程中每隔约15 min揉搓1次，每段至规定时间后取出洗净，挤出浆中水分，再进行下一段漂白。最后一段漂白工序到规定时间时，将浆料取出洗净，抄成浆片，风干备用。

表1 各漂段具体工艺条件

各漂段中浆浓均为10%，各漂段具体工艺条件见表1。

1.3 浆料性能检测与分析

白度用YQ-Z-48B白度仪按GB/T7974进行测定;黏度按照GB/T1548—1989用铜乙二胺法测定。

1.4 纸张抄造与测定方法

打浆:使用陕西科技大学机械厂ZQS7-PFI磨，浆浓10%。

纸样抄造:使用陕西科技大学机械厂生产的ZQJ1-B型抄片机抄取纸张，直径200 mm。

肖伯式打浆度测定:按照GB/T3332—1982规定进行检测。

纸张各项物理指标测定:按照GB/T453．2—1989规定进行检测。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

2.1.1 酶用量对酶预处理效果的影响

一般来说，酶用量越大酶的作用效果会越好，但是当酶的浓度增大到一定程度时，酶的作用效果不再提高。继续增加酶用量，酶对纸浆的改善效果反而呈现下降趋势。

固定酶预处理温度、酶预处理时间、pH值和浆浓，改变酶用量，对中林杨-46 AS浆进行酶预处理。酶用量对木聚糖酶预处理效果的影响见图1。

从图1可以看出，当酶用量达到15 IU/g浆时，纸浆白度提高1．9个百分点，说明用该木聚糖酶预处理纸浆，对提高纸浆白度有一定作用，这是因为木聚糖酶可溶出纸浆中的部分木聚糖，使纸浆中的残余木素降解或溶出;在酶用量高于15 IU/g浆时，纸浆白度下降较快，从经济角度考虑，选择酶用量15 IU/g浆较适宜。

2.1.2 温度对酶预处理效果的影响

木聚糖酶的活性与温度有很大关系，温度过高或过低，酶的相对活性均很低。在一定范围内，反应速度随着温度的升高而加快，温度降低，则反应速度下降，反应时间延长。

固定酶用量、反应时间、pH值和浆浓，改变酶预处理的温度，考察温度对酶预处理效果的影响，结果见图2。

从图2可以看出，温度低于55℃时，随着温度的升高，纸浆白度和黏度均有所提高，温度达到55℃以后，继续升高温度，纸浆白度和黏度下降;温度为55℃时，纸浆白度和黏度都达到最高值。可见，在此实验条件下，酶预处理温度55℃较理想。

2.1.3 pH值对酶预处效果的影响

湖父镇地理位置优越，位于我国江苏省宜兴市的南部位置。东部与丁蜀镇相连，南部与浙江省长兴县相接，西部与张渚镇毗邻，北部与宜兴林场相靠。面积约为93.18平方千米，其中水面面积0.1万亩，常住人口2.333万人。湖父镇驻地建成区面积2.5平方千米，湖父是宜兴山区的一个集镇，是山货和土特产的集散地，客商云集，市场繁荣，向有“银湖父”之称。

大多数木聚糖酶在酸性条件 (pH值5～6)下具有较高活性，因此在酶预处理阶段需要对纸浆的pH值进行调节。

固定酶用量、酶预处理时间、处理温度和浆浓，改变酶预处理的pH值，考察pH值对酶预处理效果的影响，结果见图3。

由图3可以看出，用木聚糖酶在pH值4～9的范围内对中林杨-46 AS浆进行酶预处理，酶解浆的白度都大于未漂浆，这说明酶液在较宽的pH值范围内可以保持一定的活性;在pH值为6时，纸浆白度和黏度达到最高值，漂白效果最好，说明在pH值为6的条件下，木聚糖酶溶出纸浆中的半纤维素最多;随着pH值持续上升，木聚糖酶开始失活，使漂白效果降低，同时黏度下降。因此，酶预处理的最佳pH值为 6．0。

图3 pH值对白度和黏度的影响

2.1.4 反应时间对酶预处理效果的影响

酶与纸浆的作用速度随着反应时间的延长会迅速加快并在一定时间内达到最大值，然后反应速度又会减慢，直至酶的作用效果不再明显。在木聚糖酶漂白预处理中，除了控制酶的用量、酶预处理温度和pH值外，还要控制好酶的作用时间，以达到所需的效果。酶与纸浆的反应时间一般控制在60 min或稍长些。

固定酶用量、处理温度、pH值和浆浓，改变酶预处理的反应时间，考察反应时间对酶预处理效果的影响，结果见图4。

图4 酶预处理时间对白度和黏度的影响

由图4可以看出，随着酶预处理时间的增加，纸浆的白度呈现先上升后下降的趋势。在酶预处理120 min左右，白度达到最大值，之后白度变化不明显。这可能是因为溶于预处理液的碳水化合物重新回吸到纤维表面，从而导致了碳水化合物溶出量下降，使白度略有降低;在纸浆白度变化的同时，纸浆的黏度也在酶处理120 min左右达到最大值。可见，酶预处理时间应选择120 min左右为宜。

综合考虑酶用量、温度、pH值、时间对木聚糖酶 (EC．3．2．1．8)预处理效果的影响，选择最佳酶预处理条件为:酶用量15 IU/g，温度55℃，pH值6．0，时间120 min，经预处理后制浆白度为66．0%，黏度为1131 mL/g。

2.2 木聚糖酶预处理对后续ECF和TCF漂白的影响

在木聚糖酶预处理的基础上，对中林杨-46 AS浆进行常规ECF漂白，并比较其与氧脱木素后漂白浆的各项性能，结果见表2。

表2 木聚糖酶预处理对常规ECF漂白的影响

由表2可知，与氧脱木素后的常规漂白浆相比，在总用氯量减小的情况下，经木聚糖酶预处理的浆料白度和黏度均有所改善。

(1)X-D1-E-D2漂白浆白度虽与D1-E-D2的漂白浆白度接近，但黏度提高了131 mL/g，总用氯量减少了50%。

(2)在总用氯量降低了40%的情况下，X-D-EP漂后浆的黏度为949 mL/g，为各类常规漂序中最高，其漂后浆白度也达87．9%，比D-E-P漂白浆白度提高2．3个百分点，这也说明用P段作为终漂段，可以减少纤维的损伤。

(3)在X-D1-Ep-D2漂序中，漂后纸浆白度接近89%，为后续漂序的最高白度。其漂后浆黏度为922 mL/g，高于D1-Ep-D2的漂白浆黏度，但低于X-D1-E-D2和X-D-E-P漂序，说明在E段中加入了H2O2强化处理后，白度虽有所上升，但黏度下降较大。

综合以上数据可知，木聚糖酶用于纸浆的漂白预处理能够提高纸浆的白度和黏度、降低漂剂用量和漂白段废水的污染负荷，并对浆料的各项性能指标无太大影响。

2.2.2 中林杨-46 AS浆超轻ECF漂白的研究

纸浆在 ECF漂白工艺中采用ClO2，仍然会有ClO-成分存在，最直接的方法是减少整个过程中ClO2的用量，即在D段使用少量的ClO2，通常称之为“超轻ECF漂白”［12］。目前，已有工厂应用的案例。本实验对超轻ECF漂白进行了探讨，主要的漂白流程为:X-D1-E-D2、X-A-D-P、X(-A)-D-E-P、X(-A)-D1-Ep-D2，研究中林杨-46的漂白性能，结果见表3。

表3 超轻ECF漂白结果

从表3可知，超轻ECF漂白中，当总用氯量控制在0．6%时:

(1)采用X-D1-E-D2和X-D-E-P漂白纸浆，其白度均达到85%以上，与D1-EP-D2漂白浆白度接近，但其黏度有了很大程度的提高，其中X-D-E-P漂白浆黏度为970 mL/g，是各类漂序中最高的。

(2)采用X-D1-Ep-D2漂白纸浆，纸浆白度达到88．0%，纸浆黏度也达到了961 mL/g，虽与其他两种程序漂白相比有所下降，但与氧脱木素后浆料相比，降幅在10%以内。

(3)采用X-A-D-P漂白纸浆，增加酸处理环节，纸浆终漂白度比氧脱木素浆上升了23．9个百分点，但黏度下降幅度较大，为14．43%。

因此，可以预测在超轻ECF漂白过程中，保持较低用氯量，采用两段加入ClO2，同时适当增加H2O2用量的情况下，纸浆白度能够得到改善，黏度也可以保持较高水平。同时，结合表2中数据，可以发现当总用氯量逐渐降低时，不同漂序对漂后浆影响的趋势逐渐减缓。综合考虑白度和黏度因素，在以上各种漂白工艺中，以X-D1-Ep-D2漂序的漂白效果较好。

2.3 漂后浆物理性能研究

速生中林杨以其具有生长快、干形直、树形好、适应性强和抗病虫等优良树种特性，成为备受关注的造林树种之一。为降低造纸成本，应用中林杨造纸在经济上有较大的意义。

本实验综合中林杨-46 AS浆的各种漂序，选择较优漂序的浆料进行打浆抄纸，分析其纸张的物理性能，结果见表4。

表4 中林杨-46漂白浆物理性能的比较

由表4可以看出，中林杨-46AS浆由木聚糖酶预处理后，再通过ECF漂白程序进行漂白，纸张的耐破指数、抗张指数上升较为明显，分别比未经木聚糖酶预处理的提高了约22．2%和16．1%，这表明中林杨-46AS浆经过木聚糖酶预处理促进了后续漂白反应，使浆料更好地分丝帚化，增强了纤维之间的结合力。

3 结论

3.1 综合考虑酶用量、温度、pH值、时间对木聚糖酶 (EC．3．2．1．8)处理效果的影响，得出最佳酶预处理条件为:酶用量15 IU/g，温度55℃，pH值6．0，时间120 min，经预处理后制浆白度为66．0%，黏度为1131 mL/g。

3.2 与未经木聚糖酶预处理的对照浆相比，在总用氯量减小的情况下，经木聚糖酶预处理的浆料白度和黏度均有所改善。X-D1-E-D2漂白浆白度虽与D1-ED2漂白浆白度接近，但黏度提高了131 mL/g，总用氯量减少了50%。在总用氯量降低40%的条件下，X-D-E-P漂白浆的黏度为949 mL/g，为各类常规漂序中最高，其漂后浆白度也达87．9%，比D-E-P漂白浆白度提高了2．3个百分点。

3.3 超轻ECF漂白程序中，当总用氯量控制在0．6%时，综合考虑白度、黏度以及总用氯量和环境等因素，在各种漂白工艺中，X-D1-Ep-D2漂白效果较好，纸浆白度达到了88．0%，纸浆黏度也达到了961 mL/g。

3.4 中林杨-46 AS浆经木聚糖酶预处理后，再通过ECF漂白，与未经木聚糖酶预处理的浆料相比，纸张的耐破指数、抗张指数上升较为明显，分别提高了约 22．2%和 16．1%。

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Effects of Pre-treatment of AS Pulp of Aspens(Zhonglin No．46)with Xylanase on Following Bleaching

HUO Shu-yuan*YAO Chun-liXU Ji-dong
(College of Material Science and Technology，Beijing Forestry University，Beijing，100083)

Effects of pre-treatment of green oxygen pulp of aspen(Zhonglin-46)with xylanase on following bleaching were studied．The results showed that:The optimal conditions of pre-treatment with xylanase were:the dosage of xylanase 15 IU/g，treating temperature 55℃，pH value 6．0，treating time 120 min，pulp consistency 10%;With X-D1-E-D2bleaching，the brightness of the aspen pulp was similar to the D1-E-D2process，but its total chlorine dosage was 50%less than the D1-E-D2process，and the viscosity of the bleached pulp was 131 mL/g higher．The viscosity of the X-D-E-P bleached pulp was the highest compared with other conventional bleaching processes，and its brightness was increased up to 87．9%;In super light ECF bleaching process，when total chlorine dosage was 0．6%，the brightness of the pulp could be increased up above 86%in X-D1-E-D2or X-D-E-P or X-D1-Ep-D2processes，which was similar to the brightness of the D1-Ep-D2precess，but the viscosity of the pulp was much higher，the viscosity was 970 mL/g in X-D-E-P process;Using green oxygen as cooking additive the resultant pulp was pretreated with xylanase，then bleached with TCF or super light ECF process，the bleached pulp physical properties were improved considerably．Paper bursting index and tensile index were increased by 17%and 23%respectively．

pre-treatment;bleaching;Aspens(Zhonglin No．46);AS pulp

TS745;Q55

0254-508X(2012)03-0011-05