木聚糖酶对马尾松机械浆磨浆性能影响的研究

2013-01-29张安龙李新平

陕西科技大学学报 2013年3期

罗清，赵登，张安龙，李新平

(陕西科技大学轻工与能源学院陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安 710021)

0 引言

近年来，生物改性在制浆造纸中的应用逐渐引起人们的广泛关注[1].酶改性具有环境友好、能耗低、对纤维损伤小等优点，能使浆料性能得到更大地提高，是一种很有发展前景的纤维改性方法.木聚糖酶是由细菌和真菌等微生物合成而来的，应用于造纸工业，可改善纤维性能，有利于提高纤维的滤水性和纸浆强度等[2-5].

本文将木聚糖酶应用于马尾松机械浆预处理，并用扫描电镜(SEM)对酶处理后机械浆进行观察，纤维细胞壁的内部组织结构变得松弛，磨浆时易分丝，磨后浆料强度提高；同时马尾松机械浆纤维的柔韧性和纤维间结合强度提高，最终达到了提高磨浆效率，改善纸张物理性能的目的.

1 实验部分

1.1 实验材料及试剂

(1)材料：采用福建马尾松木片为原料.将选好的木片进行水洗，用水完全浸渍木片48小时，采用压缩比4:1的搓磨分丝机进行螺旋挤压.

(2)试剂：上海丹尼悦生物科技有限公司生产的商业用蛋白中性木聚糖酶，该产品呈米色，粉末状，酶活力为12 000 IU·g-1，适宜pH为7～8，适宜温度为50～60 ℃.使用时需适当稀释.

1.2 实验仪器

双螺旋磨浆机(SM76)、电荷仪(PCD-03)、滤水仪(DDJ)、纤维筛分仪(P40170)、游离度仪(2580-A)、纸张撕裂度测定仪(PROTEAR60-2600)、抗张强度试验仪(062/969921)、扫描电镜(S-4800).

1.3 实验方法

取30 g搓磨分丝机进行螺旋挤压后的绝干浆料放入聚乙烯袋中，配制浆浓为10%，在恒温水浴锅中预热至55 ℃，调节体系pH值在7～8之间.移取一定量的酶液加入浆料中，每隔10 min取出揉搓一次，使浆料与酶液充分混合，酶预处理时间为150 min.酶处理结束后，升温至90 ℃左右进行灭活处理.酶处理后的浆料进行水洗之后在PFI磨浆机上进行磨浆，磨浆浓度10%，磨浆转数400转.

1.3.1 酶液的配制

称取0.100 g 酶放于50 mL烧杯中溶解，并转移至100 mL容量瓶中，配成浓度为0.1%的木聚糖酶溶液.

1.3.2 酶处理过程

用移液管移取定量的酶液加入浆料中，反应150 min，并每隔10 min定时揉搓袋中的浆料，使浆料与酶液混合均匀.

1.4 检测方法

1.4.1 动态滤水性测定

称取2 g浆料，配制浓度为0.4%，动态滤水仪转子转速为750 r/min，然后将浆料倒入滤水室(200目)，记录滤水量为100 mL、200 mL时的时间.

1.4.2 白水阳离子需求量测定

量取动态滤水仪滤出的白水10 mL，加入测定仪中，用阳离子液体滴定，记录下当液体的电负性为零时所加的阳离子的体积.参考电荷仪(PCD-03)说明书，在所测液体处于同一标准的情况下，不用计算具体的电荷，直接可用滴定剂的消耗量来表征阳离子需求量.

1.4.3 纤维筛分分析

取10 gPFI磨浆机磨出的绝干浆料，稀释至2 000 mL，用纤维筛分仪分析浆料纤维进行筛分分析.

1.4.4 纸浆游离度和纸张物理性能检测

纸浆游离度和纸张抗张指数、撕裂指数和零距抗张强度的测定方法按国标[6]进行.分别依据GB/T12660-1990、GB/T453-1989、GB/T455-1989、GBT 02678.4-1994方法来测定游离度、抗张指数、撕裂指数、零距抗张强度.

1.4.5 扫描电镜

利用电子显微镜，观察纸张表面的微细形貌、断口及内部组织以及表面微区成分的定性和定量分析.SEM可以在低放大倍数下观察纸浆的纤维形态，也可以在高倍数下观察单根纤维的表面形貌及微细纤维取向.

将纸页试样固定在样品台上，利用真空镀膜法，在要观察的样品表面覆盖一层金属(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)，然后在FEI QUANTA200-ESEM上观察纤维形态并扫描图像.

2 结果与讨论

2.1 木聚糖酶预处理对浆料游离度的影响

木聚糖酶预处理对纸浆游离度的影响如图1所示.

图1 酶用量对游离度的影响

由图1可知，浆料的游离度随着酶用量的增加而增加，酶用量为24 IU·g-1时，浆料的游离度较大，随着酶用量继续增加时，游离度上升趋势不明显.表明木聚糖酶处理浆料后,使得浆料的滤水性增加，原因在于木聚糖酶酶解作用主要发生在半纤维素区[7,8]，这部分的除去使纤维的比表面积和表面水化程度下降，使得浆料的滤水性增加；当酶用量大于24 IU·g-1时，纸浆细小纤维的润胀程度大，反应体系接近反应平衡，游离度上升趋势不显著.

2.2 木聚糖酶预处理对浆料动态滤水性的影响

木聚糖酶预处理对浆料动态滤水性的影响如图2所示.

图2 酶用量对动态滤水性的影响

由图2可知，酶用量小于12 IU·g-1，浆料的滤水时间随着酶用量的增加而增加.酶用量为12 IU·g-1时，白水滤出量为100 mL或者200 mL，浆料的滤水时间均达到最大值，表明用木聚糖酶预处理浆料后，使纤维细胞壁得到某种程度的活化和松弛[9]，提高纤维的吸水润胀及帚化程度，从而滤水效果下降，滤水时间增加；当酶用量大于12 IU·g-1时，木聚糖酶酶解作用主要发生在半纤维素区，纤维比表面积下降，结合水量减少，同时其对细小纤维的聚合作用，流体阻力减少，使滤水性能增加，滤水时间减少.

2.3 木聚糖酶预处理对浆料细小纤维含量的影响

木聚糖酶预处理浆料后，10 g绝干浆料经筛分仪筛浆，各目数下纤维筛分的得率见表1.

表1 各级目数下的纤维筛浆得率

木聚糖酶预处理浆料对细小纤维含量的影响见图3所示.

图3 酶用量对细小纤维含量的影响

由表1和图3可知，木聚糖酶预处理浆料后细小纤维含量呈现先增加后下降趋势，酶用量为12 IU·g-1时，浆料的细小纤维含量最大.酶用量小于12 IU·g-1时，木聚糖酶作用于半纤维素区，纤维表面分丝帚化，使纤维的细胞壁外层部分脱落，细小纤维含量增加；在酶用量大于12 IU·g-1后，木聚糖酶除去部分的半纤维素碎片，同时对纤维润胀，纤维内部组织结构变得松弛，纤维变得柔软可塑，抑制了进一步细纤维化，从而细小纤维含量降低[10].

2.4 木聚糖酶预处理对浆料白水阳离子需求量的影响

木聚糖酶预处理对浆料白水阳离子需求量的影响如图4所示.

图4 酶用量对阳离子需求量的影响

由图4可知，随着酶用量的增加，白水阳离子需求量呈现先增加后下降的趋势，酶用量为12 IU·g-1时，白水阳离子需求量最大.酶用量较少时，浆料中细小纤维含量相对较多，其体积小，比表面积大，造成纤维的表面电荷高，所以白水所需的阳离子量大；随着酶用量的增加，木聚糖酶对浆料预处理后，细小纤维含量减少，纤维的比表面积下降，导致白水的电负性减小，阳离子需求量下降.

2.5 木聚糖酶预处理浆料对纸张物理性能的影响

在BBS-3纸页成形器上进行抄片，测定纸张的抗张强度、撕裂强度和零距抗张强度.木聚糖酶预处理浆料对成纸物理性能的影响如图5所示.

图5 木聚糖酶预处理对成纸物理性能的影响

由图5可知，随着酶用量的增加，零距抗张强度和撕裂指数呈先上升再下降的趋势.这可能是因为木聚糖酶预处理破坏了LCC(木素-碳水化合物复合体)的化学键，使得纤维孔隙率提高，纤维吸水润胀后厚度增加，提高纤维结合力，零距抗张强度和撕裂指数增加；随着木聚糖酶的进一步水解，纤维自身强度受到破坏，同时纤维变得柔软可塑，纤维排列方向发生变化，从而零距抗张强度和撕裂指数下降.

抗张指数随着酶用量的增加而增加，当酶用量较少时，细小纤维含量较多，纤维润胀不充分而导致抗张指数增加不显著；在酶用量增加后，木聚糖酶脱除少部分的纤维碎片，帚化纸浆中的纤维，纤维表面更多的羟基暴露出来[11]，纤维间氢键的结合力得到加强，纤维之间的结合强度和纸幅收缩较大造成的应力分布较为均匀，导致纸张抗张指数增加.