纤维素酶对麦草KP浆纤维性能的影响

付玲弟, 牛梅红, 李 娜, 石海强, 张 健

纤维素酶对麦草KP浆纤维性能的影响

付玲弟, 牛梅红, 李 娜, 石海强, 张 健

(大连工业大学轻工与化学工程学院,辽宁大连 116034)

对麦草KP浆进行纤维素酶处理,通过纤维分析仪、纤维筛分仪以及打浆度仪对经过不同纤维素酶酶用量处理的麦草KP浆进行了分析。实验结果表明,纤维长度变化不大,酶用量为8 IU/g时,纤维的质量加权平均长度增加了3%,质量加权细小纤维组分降低了2.9%;酶用量为6 IU/g时,细小纤维组分含量最低,打浆度值最大。综合纤维性能和打浆度值,确定酶用量为6 IU/g。

纤维素酶;麦草KP浆;纤维;打浆度

0 引 言

在制浆造纸行业中,打浆能耗、环境污染等是近年来制约其发展的主要因素[1]。在打浆之前对浆料进行生物酶预处理,可改善浆料的纤维性能并节约能耗。纤维素酶是造纸行业中使用最多的一种生物酶,是一种可将纤维素水解成纤维二糖和葡萄糖的一组复杂酶系的总称[2]。纤维素酶的各组分协同作用,破坏纤维的结晶区与非结晶区[3-4],改善纤维性能。纤维素酶的预处理可破坏纤维表面结构,使纤维表面出现更多的空隙,增加其孔表面积,更多的羟基暴露出来[5]。纤维素酶的使用可降低打浆能耗,减少环境污染[6]。田野等[7]研究了纤维素酶处理对麦草化机浆性能及漂白性能的影响,发现纤维素酶处理后的浆料细小组分减少,相同打浆度条件下打浆转数减少;李武光等[8]研究了纤维素内切酶对漂白针叶木浆打浆性能的影响,发现纤维素内切酶处理后的浆料打浆度值提高。本研究利用纤维素酶处理麦草KP浆,通过纤维素酶不同酶用量考察纤维长度、细小纤维组分以及相同打浆转数下打浆度值的变化,从而选出最佳纤维素酶处理麦草KP浆的最佳酶用量。

1 实 验

1.1原料

麦草KP浆,取自山东某纸业公司,分装入密封袋,冰箱中平衡水分24 h以上。浆料纤维性质见表1。

纤维素酶,由山东某生物有限公司提供,酶活未知待测。

表1 麦草KP浆纤维分析结果Tab.1 The analysis results of KP wheat straw pulp fiber

1.2主要实验仪器

Cary-300型紫外可见分光光度计,FS-300纤维分析仪,纤维筛分仪,打浆度仪,PFI磨浆机。

1.3实验方法

1.3.1 纤维素酶活的测定

酶活定义:每分钟产生1μmol还原糖所需要的酶量为一个酶活单位。

DNS(3,5-二硝基水杨酸)与还原糖共热后颜色由黄色变成棕红色,在一定范围内还原糖含量与颜色变化成正比关系[9],使用紫外-可见分光光度计在530 nm处测吸光度值,根据葡萄糖体积质量与吸光度值关系绘制葡萄糖标准曲线。

将纤维素酶稀释5万倍,以一号滤纸作为反应底物,水浴50℃,酶解30 min,测定酶解液的吸光度值。将测定的吸光度值带入葡萄糖标准曲线中得出酶解液中葡萄糖浓度,计算25 m L容量瓶中总葡萄糖质量,换算成μmol。

式中:n(C6H12O6)为葡萄糖摩尔数,μmol;30为酶解时间,min;N为酶液稀释倍数。

1.3.2 纤维素酶用量对麦草KP浆纤维性能的影响

配制5份浆浓为5%的麦草KP浆置于聚乙烯塑料袋内,其中一份为空白样,其余4份分别以4、6、8、10 IU/g(相对于绝干浆料)的酶量进行酶处理,将酶与浆料混合均匀,置于50℃的恒温水浴锅中,每隔10～15 min搓揉一次塑料袋,使浆与酶液充分混合,反应60 min后取出,调节p H至11进行灭酶活10 min,然后用100目浆袋洗涤直至浆料为中性。置于密封袋中平衡水分24 h以上。

1.3.3 纤维分析

(1)用纤维分析仪对处理完的浆料进行纤维分析。

(2)取10 g(绝干量)处理后的浆料进行纤维筛分,烘至恒重后称量并计算各组分的质量。

(3)处理完的浆料测定打浆度值,然后分别取4份30 g绝干浆配制成浆浓10%的浆料,用PFI磨浆机在相同功率下分别磨500,1 000,1 500, 2 000 r,磨浆后挤掉多余水分,平衡水分后分别测定其打浆度。

2 结果与讨论

2.1纤维素酶活测定

葡萄糖标准曲线如图1所示。测定纤维素酶原酶液酶活为5 800 IU/m L,实验所用均为原酶液的100倍稀释液。

图1 葡萄糖标准曲线Fig.1 Glucose standard curve

2.2纤维素酶用量对麦草KP浆纤维性能的影响

2.2.1 不同酶用量处理后的浆料纤维分析

表2的纤维分析结果显示,经纤维素酶处理后,纤维的数量平均长度几乎没有发生变化,但纤维的数量加权平均长度在酶用量10 IU/g时呈现降低的趋势,酶用量为4与8 IU/g时纤维长度增加了2.7%,纤维的质量加权平均长度在酶用量为4 IU/g时增加了4%。纤维的细小组分先增加后降低,但在酶用量为10 IU/g时,纤维的细小组分含量最高。综合纤维长度与细小组分可以得知,酶用量为6与8 IU/g时纤维长度相对最大,此时的细小组分相对较低;在酶用量10 IU/g时纤维长度最短,细小组分含量最高。

表2 酶用量对纤维性能影响的纤维分析结果Tab.2 Fiber analysis results of enzyme dosages effect on fiber properties

随着纤维素酶酶用量的增加,纤维数量加权平均与质量加权平均长度先增加后降低,纤维细小组分先降低后上升,是由于纤维素酶处理浆料时,对细小纤维的切断强度大于对长纤维的切断,当酶用量进一步增加时,浆料纤维被切断程度逐渐增加,纤维的长度降低,细小组分含量增加。

2.2.2 纤维素酶用量对纤维各组分的影响

对经不同酶用量处理后的纸浆进行纤维筛分,由于纤维筛分仪对200目细小组分筛分时损失较多,因此纤维筛分结果把过100目筛的组分全部当作细小组分来计算。由表3可知,0～30目长纤维组分随着酶用量的增加逐渐降低,30～50目组分呈现先增加后降低趋势,50～100目的组分开始时降低较快,但随着酶用量的增加含量变化不大。因此,纤维素酶对纤维的降解是长纤维与细小组分同时进行,但是细小组分降解更快。

表3 纤维素酶用量对纤维各组分的影响Tab.3 Effect of cellulase dosages on the fibers of each component

表2中的数均细小纤维组分与表3中细小组分变化趋势具有同一性,都是在酶用量为6 IU/g时出现最低值,表3中的酶用量为6 IU/g时的长纤维组分0～50目也是经酶处理后的浆料中含量最高的,说明表2中的纤维长度与未经酶处理的浆料相比相差不大。因此最佳酶用量为6 IU/g。

2.2.3 纤维素酶用量对打浆度的影响

纤维素酶对打浆度值的影响主要是由于纤维素酶处理浆料时,作用于纤维的结晶区与非结晶区,纤维结晶区的破坏使得纤维打浆过程中更容易分丝帚化,从而提高打浆度。由图2可知,打浆度随着打浆转数的增加呈现逐渐增大的趋势,但是打浆度与打浆转数不成正比关系。分析初始打浆度可以发现,随着酶用量的增加,打浆度值缓慢增加,增加趋势不明显。打浆转数为500 r时,打浆度呈现波浪现象,但整体分析还是成增大趋势,随着打浆转数的进一步增加,打浆度先增大后降低,酶用量6 IU/g、打浆转数2 000 r时出现最大打浆度63°SR。酶用量的进一步增加打浆度不但不升反而出现下降是由于纤维素酶对纤维的切断强度太大,使得部分纤维被降解成聚糖或者单糖,大部分纤维被切得更短,更不容易发生分丝帚化,因此打浆度呈现下降趋势。

图2 不同纤维素酶用量对打浆度的影响Fig.2 Effect of cellulase dosage on beating degree

3 结 论

麦草KP浆经纤维素酶处理后,纤维长度变化不是很大,在酶用量为8 IU/g,纤维的质量加权平均长度增加了3%;其细小纤维组分变化很大,在酶用量为8 IU/g,质量加权细小纤维组分降低了2.9%;在酶用量为6 IU/g时,打浆度值最大,但是随着酶用量的进一步增加打浆度非但没有增加反而出现下降的趋势。为节约能耗,纤维素酶用量选择6 IU/g。

[1]王兆荣,李新平,董璐.纤维素酶对漂白针叶木浆的改性及机理研究[J].黑龙江造纸,2011(3):21-23.

[2]余兴莲,王丽,徐伟民.纤维素酶降解纤维素机理的研究[J].宁波大学学报,2007,20(1):78-82.

[3]曲音波.木质纤维素降解酶与生物炼制[M].北京:化学工业出版社,2011:95.

[4]刘树立,王华,王春艳,等.纤维素酶分子结构及作用机理的研究紧张[J].食品科技,2007(7):12-15.

[5]MIAO Qingxian,CHEN Lihui,HUANG Liulian, et al.A process for enhancing the accessibility and reactivity of hardwood kraft-based dissolving pulp for viscose rayon production by cellulase treatment[J]. Bioresource Technology,2014,154:109-113.

[6]TORRES C E,NEGRO C,FUENTE E,et al.Enzymatic approaches in paper industry for pulp refining and biofilm control[J].Applied Microbiology and Biotechnology,2012,96(2):327-344.

[7]田野,陈嘉川,杨桂花.纤维素酶处理对麦草化机浆性能及漂白性能的影响[J].纸和造纸,2011,30 (4):61-64.

[8]李武光,李新平,杜敏.纤维素内切酶预处理对打浆性能及湿部电荷特性的影响[J].中华纸业,2010, 31(2):44-46.

[9]赵玉萍,杨娟.四种纤维素酶酶活测定方法的比较[J].食品研究与开发,2006,27(3):116-118.

Effect of cellulase on fiber properties of wheat straw kraft pulp

FU Lingdi, NIU Meihong, LI Na, SHI Haiqiang, ZHANG Jian
(School of Light Industry and Chemical Engineering,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China)

Wheat straw kraft pulp treated with cellulase were analyzed with fiber analyzer,pulp fiber classifier and beating degree tester.A little change in fiber length was observed when different amount of cellulase was used.The mass-weighted average length of fiber was increased by 3%and the content of fine fiber was reduced by 2.9%when the amount of cellulase was 8 IU/g.The beating degree reached to the highest and the content of fine fiber reached to the lowest when the amount of cellulase was 6 IU/g.Considering fiber characteristics and beating degree together,the best amount of cellulase was 6 IU/g.

cellulase;wheat straw kraft pulp;fiber;beating degree

TS727

:A

1674-1404(2015)05-0334-03

2014-08-29.

付玲弟(1990-),女,硕士研究生;通信作者:牛梅红(1966-),女,教授,E-mail:nmh414@163.com.