漆酶介体体系活化木纤维制备中密度纤维板的工艺优化研究

关 鑫 刘学莘 郭明辉 林金国

(1.福建农林大学材料工程学院，福建 福州 350002；2.东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040)

漆酶介体体系活化木纤维制备中密度纤维板的工艺优化研究

关 鑫1刘学莘1郭明辉2林金国1

(1.福建农林大学材料工程学院，福建 福州 350002；2.东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040)

研究基于漆酶介体体系活化天然木质素制备中密度纤维板，由响应面法分析得到漆酶介体体系活化木纤维的优化工艺为,pH 5.0，反应温度50 ℃，反应时间为55.00 min，木纤维体积分数4.0%，ABTS摩尔浓度0.28 mmol/L，香草醛摩尔浓度1.66 mmol/L和漆酶活性60.00 U/mL。

木纤维；漆酶介体体系；中密度纤维板；响应面法

伴随世界经济的高速增长，生态安全、人类健康和经济社会的和谐发展成为区域乃至国家发展进程的重要评价标准，由此引发林业产业横纵向的拓展性研究。随着生物环保型酵素在林业产业中的扩展应用，木材无胶胶合的生物制备法再次引起人们的关注，其可有效降低人造板的生物毒害性，对保障生态安全、构建环境友好型社会具有重大意义[1]。

漆酶是多酚氧化酶的一种，本质上是一种环保型酵素，其在氧气作用下催化氧化生成苯氧基自由基，自由基之间通过交叉耦合、分子缠结和共价键作用增强木材的自胶合性[2-5]。木纤维中的酚羟基和醇羟基即是漆酶的催化氧化底物，但由于漆酶的氧化还原电势低于醇羟基，因此，本研究引入天然介体香草醛和人工介体ABTS构建漆酶介体体系，其反应机理见图1～2[6-7]。应用漆酶介体体系催化氧化木纤维中的天然木质素生成胶黏物质，采用高温高压热处理法制备中密度纤维板，通过对中密度纤维板力学性能的分析，优化漆酶介体体系活化木纤维的工艺参数。

1 研究方法

1.1 漆酶活性测定

用137.4 μL愈创木酚(分析纯)与4.5 g丁二酸混合，用NaOH溶液调pH至4.5，再用蒸馏水定容至1 L，配置出实验所需底物，再将酶液稀释至n倍，取2.4 mL底物，加0.6 mL酶液，混合均匀，30 ℃条件下反应30 min，运用TU-1900型紫外-可见分光光度计在465 nm下测吸光值A。酶活计算公式为：吸光值(A)×稀释倍数(n)×13.89。本试验测得的漆酶活性值为 4 000 U/g。

漆酶购自湖北康宝泰精细化工有限公司，使用前保存在-10 ℃的环境中。愈创木酚(2-甲氧基苯酚)购自国药集团化学试剂有限公司，其他化学试剂购自商业供应商，纯度等级为AP。

1.2 木纤维构成元素测定

漆酶活性易受到镁离子、铜离子、氯离子等的干扰[8-9]，因此，本研究采用英国VG公司产ESCALABMK型光电子能谱仪对木纤维进行光电子能谱扫描，以检测其化学构成元素，判断其是否有干扰离子存在。X-射线源为MgK，圆锥型阳极(1 253.6 eV)，通能为20 eV，分析室真空度为3.2×107Pa。木纤维购自黑龙江南岔纤维板厂。

1.3 漆酶介体体系活化木纤维

工艺参数设置见表1。先分别配置漆酶溶液和介体溶液，漆酶溶液中加入50 mL 0.2 mol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液(pH为5.0)，将漆酶溶液和介体溶液放在超声波清洗机中进行溶解，同时将温度设置为50℃。当漆酶溶液、介体溶液和水浴温度均达到50℃时，先将漆酶溶液和介体溶液混合，再与称量好的木纤维(体积分数4%)混合搅拌，均匀后放入水浴锅中恒温加热。反应时，连续向反应液中通氧，搅拌。利用响应面法进行试验设计(表2)，每组试验重复20次，取计算平均值。其中，ABTS购自西格玛奥德里奇试剂有限公司，香草醛购自阿达玛斯试剂有限公司。

表1 漆酶介体体系活化木纤维工艺参数

表2 漆酶介体体系活化木纤维试验设计

1.4 压制中密度纤维板

将漆酶介体体系处理后的木纤维自重脱水，后置于真空干燥箱中进行真空脱水，干燥箱温度为(103±2)℃，干燥时间为80 min，将温度降为(80±2)℃，再干燥40 min，使木纤维含水率降至20%±3%。将木纤维放到模具中预压60 s，后移至热压机中加热、加压制成200.0 mm×200.0 mm×3.2 mm的中密度纤维板，密度为800 kg/m3。热压过程分为干燥过程和塑化过程(图3)。

1.5 力学性能测试

将压制的纤维板放置在恒温恒湿环境中养护48 h，按照GB/T 11718—2009《中密度纤维板》采用万能力学实验机测定其静曲强度、弹性模量、内结合强度和吸水厚度膨胀率，从而对漆酶介体体系活化木纤维工艺进行优化。

2 结果与分析

2.1 木纤维构成元素分析

采用全谱扫描方式准确测定木质素表面的构成元素，分析结果见图4和表3。

木纤维表面构成元素主要是C和O，其累积面积比例达到97.42%，其次还含有少量的N元素和Si元素。C和O主要来源于木材中的三大组分——纤维素、半纤维素和木质素，N主要来源于木材抽提物中的生物碱，而Si主要来源于木材灰分中的无机硅化物。结果表明，木纤维表面不含有Mg、Fe、Al等漆酶活性干扰元素，因此，不需要考虑其对漆酶活性的影响，在漆酶介体体系活化木纤维之前亦不需要再对木纤维做其他处理。

表3 木纤维全谱扫描结果

2.2 力学性能分析

分别对15组中密度纤维板力学测试结果进行统计分析，静曲强度的组间变异系数小于3.3%；弹性模量的组间变异系数小于0.6%；内结合强度的组间变异系数小于6%；吸水厚度膨胀率的组间变异系数小于11%，力学性能测试结果符合GB/T 11718—2009的性能要求。模型拟合度R2和显著性检验水平分别为0.960(P=0.000 2)、0.940(P=0.001 5)、0.915(P=0.002 0)、0.885(P=0.001 0)。

为了进一步研究介体，漆酶和反应时间对力学性能的交互作用，采用降维法分析静曲强度、弹性模量、内结合强度和吸水厚度膨胀率的回归模型，响应面见图5。

由静曲强度(图5(a1),(a2)和(a3))分析可知，漆酶的适用量区间为59.08～70.00 U/mL，介体的适用浓度区间为1.94～2.33 mmol/L，反应时间的适用区间为54.98～90.00 min。而由弹性模量(图5 (b1),(b2)和(b3))分析可知，漆酶的适用量区间为54.90 ～69.50 U/mL，介体的适用浓度区间为1.94～2.34 mmol/L，反应时间的适用区间为48.00～90.00 min。由内结合强度(图5(c1)、(c2)和(c3))分析可知，漆酶的适用量区间为56.00～70.00 U/mL，介体的适用浓度区间为1.94～2.37 mmol/L，反应时间的适用区间为46.80～90.00 min。最后，由吸水厚度膨胀率(图5(d1),(d2)和(d3))分析可知，漆酶的适用量区间为57.00～70.00 U/mL，介体的适用浓度区间为1.82～2.37 mmol/L，反应时间的适用区间为50.00～85.00 min。

木质素是漆酶介体体系活化的主要活性物质，漆酶的添加量与木质素的含量有关，过多的漆酶因空间位阻作用可能会阻碍反应的进行。介体能有效促进非酚型木质素的氧化反应，但介体与漆酶的反应和介体与木质素的反应是相互竞争的，因此，介体添加量不能偏多，否则会抑制非酚型木质素的氧化反应，偏少则反应不完全。较长的反应时间利于反应的充分进行，但时间过长，木质素会发生水解，与纤维素分离，从而降低力学性能。综上，为同时得到理想的静曲强度、弹性模量、内结合强度和吸水厚度膨胀率，最终确定漆酶介体体系活化木纤维的优化工艺为漆酶用量60.00 U/mL，ABTS的浓度为0.28 mmol/L，香草醛的浓度为1.66 mmol/L，反应时间为55.00 min。

2.3 验证试验

依据试验步骤，对优化工艺进行验证，重复进行试验20次，得到的力学测试结果见表4。其力学性能符合GB/T 11718—2009中普通型中密度纤维板的性能要求。

表4 验证实验力学测试结果

3 结 论

以木纤维为原料，应用漆酶介体体系催化氧化作用生成天然胶粘物质，采用高温高压热处理法制备中密度纤维板，符合国标GB/T 11718—2009的性能要求[10]，且基于力学性能分析得到漆酶介体体系活化木纤维的优化工艺为：pH 5.0(0.2 mol/L的醋酸-醋酸钠缓冲溶液)，反应温度50 ℃，反应时间为55.00 min，木纤维体积分数4.0%，ABTS摩尔浓度0.28 mmol/L，香草醛摩尔浓度1.66 mmol/L，漆酶活性60.00 U/mL。

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(责任编辑 曹 龙)

Study on the Process Optimization of Medium Density Fiberboard Made by Laccase Mediator System

GUAN Xin1,LIU Xue-shen1,GUO Ming-hui2,LIN Jin-guo1

(1.College of Material Engineering,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou Fujian 350002,China；2.Key Lab.of Bio-Based Material Science and Technology of Ministry of Education,Northeast Forestry University,Harbin Heilongjiang 150040,China)

A new method to manufacture wood-based panel was come up with laccase as a kind of eco-friendly enzymes. In this study, according to the laccase mediator system, wood fibers were modified to manufacture medium density fiberboard.Based on the response surface methods, the best technological parameters were confirmed that was pH 5.0,50 ℃ of treatment temperature, 55 min of treatment time, 4.0% volume fraction of wood fiber, 0.28 mmol/L of ABTS concentration, 1.66 mmol/L of vanillin concentration and 60 U/mL of laccase activity.

wood fiber;laccase mediator system;medium density fiberboard;process optimization

2014-01-16

国家“十二五”科技支撑项目(2011BAD08B03)资助；福建农林大学重点项目建设专项(6112C070N)资助。

林金国(1967—)，男，博士，教授。研究方向：生物质材料与工程。Email:fjlinjg@126.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.05.017

S784

：A

：2095-1914(2014)05-0090-05

第1作者：关鑫(1984—)，女，博士，讲师.研究方向：家具设计制造和家具新型原材料。Email：guanxin1001@sina.com。