漆酶介体体系活化木质素制备环保型纤维板及其性能表征1)

张永明　郭明辉　　　　　　　　　李传明

(生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)　　　(吉林省天桥岭林业局)



漆酶介体体系活化木质素制备环保型纤维板及其性能表征1)

张永明郭明辉李传明

(生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)(吉林省天桥岭林业局)

以木纤维为基体，漆酶-HBT介体体系活化后的木质素磺酸铵(LMS/AL)为黏合剂制备环保型纤维板(LMS/ALF)，利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)和环境扫描电子显微镜(ESEM)分别分析材料的化学组分、结晶度和微观形貌，并通过正交试验对漆酶用量、介体用量、活化时间和温度4个工艺参数进行优化。结果表明，最优的工艺参数为漆酶添加量20 U/g，介体添加量0.3%，活化时间60 min，活化温度50 ℃。在此最优工艺条件下制备的环保型纤维板，与采用漆酶活化木质素磺酸铵为黏合剂制备的中密度纤维板(Lac/ALF)相比，内结合强度提高了16.67%，静曲强度提高了20.35%，弹性模量提高了7.96%，吸水厚度膨胀率降低了12.95%，其力学性能均已达到GB/T 11718—2009中干燥状态下使用的普通型中密度纤维板的性能要求。

漆酶介体体系；木质素磺酸铵；环保型纤维板；工艺参数；性能表征

We developed a highly effective method for preparing environment-friendly medium density fiberboard (MDF) with high performance, using ammonium lignosulfonate modified by laccase-HBT mediator system (LMS/AL) and natural wood fiber as wood adhesives and raw materials. We analyzed the LMS/AL, MDF and the fractures in the bonded joints by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD) and environmental scanning electron microscopy (ESEM) and the optimal modifying parameters were researched by orthogonal test. The optimal modifying parameters were 20 U/g of laccase dosage, 0.3% of mediator dosage, 60 min of activation time and 50 ℃ of activation temperature, and the performance of MDF using LMS/AL as adhesives improved significantly than that of MDF using ammonium lignosulfonate modified by laccase (Lac/ALF) only as adhesives.

近年来，随着矿物质资源的减少，以石油等不可再生资源为原料的胶黏剂的价格开始不断上涨，人们已经开始关注游离甲醛对人体的危害，开发利用可再生的生物质资源作为胶黏剂制备绿色环保型木质基复合材料已成为研究热点[1-2]。工业木质素是造纸制浆废液中主要的副产品，根据工艺的不同可将其分为木质素磺酸盐、水解木质素、碱木质素和新型制浆法木质素4大类[3]。工业木质素具有来源广泛，价格低廉等优点[4-5]，在减水剂[6]、分散剂[7]、木陶瓷[8-9]和胶黏剂[10]等方面有应用。早期研究人员对木质素的改性研究主要集中在物理和化学方法上，进入20世纪后，随着生物酶技术的快速发展，国内外一些科研人员开始研究利用漆酶催化活化木质素作为胶黏剂制备环保型木质复合材料[11-12]，但在研究中发现漆酶的氧化还原电势≤0.8 V，而非酚型木质素的氧化还原电势>1.3 V，导致漆酶很难直接氧化非酚型的木质素[13]。经过研究发现，添加一定量的介体可提高漆酶对非酚型木质素的催化氧化能力，介体包括天然形成的介体和人工合成的介体两大类，其中常用的天然介体包括丁香醛和香草醛等，常用的人工介体包括1-羟基苯并三唑(HBT)和2,2’-联氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐(ABTS)等[14]。图1所示为漆酶介体体系催化氧化木质素的原理示意图，在氧化态漆酶的作用下，介体将会氧化木质素。目前关于漆酶介体体系催化活化木质素方面的研究还不够完善，特别是应用在木质材料方面的研究更少，还需要进一步的探索研究。

笔者采用漆酶-HBT介体体系对木质素磺酸铵进行活化，然后与木纤维混合均匀，并添加石蜡防水剂，采用平压法制备环保型中密度纤维板，通过正交试验确定其最佳工艺参数。同时利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射仪(XRD)和环境扫描电子显微镜(ESEM)分别对材料的化学组分、结晶度和微观形貌进行分析表征，为漆酶介体体系活化工业木质素制备环保型纤维板提供一定的参考和理论依据。

图1　漆酶介体体系催化氧化木质素的原理

1　材料与方法

1.1材料

漆酶，酶活性值1 953 U/g(前期试验已测)，工业级，纯度99%，购于湖北只启生物有限公司；1-羟基苯并三唑(HBT)，纯度98%，购于西格玛奥德里奇中国有限公司(Sigma-Aldrich中国)；木质素磺酸铵，工业级，固体质量分数为95.12%，水不溶物<2%，购于武汉华东化工有限公司；木质纤维为杂木纤维，组分为东北地区落叶松(Larixgmelinii)、杨木(Populusspp.)和红松(Pinuskoraiensis)等，纤维形态为20～80目，含水率低于6%，购于大兴安岭恒友家具集团有限公司；冰醋酸(AR)和醋酸钠固体(AR)，购于天津市科密欧化学试剂有限公司；液体石蜡(AR)，购于扬州市领航化工有限公司。

1.2方法

1.2.1漆酶-HBT介体体系活化木质素磺酸铵的制备

称取一定质量未经过处理的木质素磺酸铵，将其溶于pH为5的醋酸—醋酸钠缓冲溶液中，配置成质量分数为25%的木质素磺酸铵溶液；按顺序添加一定质量的HBT介体和漆酶，完全溶解后移至恒温水浴锅中。在一定温度下进行搅拌，搅拌速率为200 r/min；同时不间断地通入空气，使漆酶能够更加充分地催化氧化木质素磺酸铵。反应结束后，在高温条件下使漆酶失去活性，得到漆酶介体体系活化后的木质素磺酸铵(LMS/AL)，以漆酶活化后的木质素磺酸铵(Lac/AL)作为参照样。

1.2.2正交试验设计

在查阅相关文献和前期试验的基础上设计正交试验，以漆酶添加量(相对于绝干木质素)，介体添加量(相对于绝干木质素)、活化时间和温度为影响因素，每个因素分别选取3个水平，进行L9(34)正交试验，因素和水平设计见表1。以内结合强度、静曲强度、弹性模量和吸水厚度膨胀率4项力学性能指标为标准，按照重复试验分析方法对试验结果进行极差分析和方差分析，分别确定在4项理化性能指标下各因素的主次顺序和最优工艺条件，并分析各因素影响的显著性。

表1　正交试验因素水平

1.2.3环保型中密度纤维板的制备

本试验采用平压法，首先将木纤维(WF)原料加入混合机中进行高速搅拌一定时间，对木纤维进行细化加工。然后将质量分数为25%的木质素磺酸铵(添加量为绝干木纤维的20%)溶液缓慢加入木纤维中，添加液体石蜡防水剂(添加量为绝干木纤维的1%)，进行混合搅拌，将混合均匀的物料铺装于模具中。模具幅面尺寸为200 mm×200 mm，经预压后，按照预先设定的热压工艺曲线进行热压成型，制备环保型中密度纤维板Lac/ALF和LMS/ALF。其目标厚度为5 mm(采用厚度规控制)，目标密度为0.8 g/cm3，热压前板坯含水率为22%。环保型纤维板的热压工艺曲线见图2，最高压力为8 MPa，低压分别为5、3 MPa，总热压时间为9 min，温度为170 ℃。

图2　环保型纤维板热压曲线

制备的环保型纤维板需要经过一定时间的平衡处理，使其性能趋于稳定，然后严格按照国家标准GB/T 17657—2013的要求制备样品，测定纤维板的4项理化性能。

1.2.4木质素磺酸铵及环保型中密度纤维板检测

采用美国尼高力公司的Magna-IR6700E.S.P型傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)对Lac/AL和LMS/AL的化学组分进行分析，仪器分辨率设置为4 cm-1，扫描次数为32次。将试样放在样品台的金刚石ATR附件上，调节压力塔至合适的位置，测定得出试样的红外光谱图。采用日本理学公司生产的D/MAX2200型X射线衍射仪(XRD)测定纤维板Lac/ALF和LMS/ALF的结晶度，波长0.154 nm，管电压40 kV，扫描范围5°～50°，测量方式为θ/2θ连动扫描，扫描速度为5°/min，扫描布距为0.02°，根据Segal法通过公式计算得出纤维板的相对结晶度。采用美国FEI公司的Quanta200型环境扫描电子显微镜(ESEM)对纤维板Lac/ALF和LMS/ALF微观形貌进行分析，样品尺寸约为6 mm×6 mm×1 mm方片，试样喷镀金层后观察其微观形貌。

2　结果与分析

2.1环保型中密度纤维板制备工艺的优选

经过测定得出环保型中密度纤维板的力学性能，然后按照重复性试验对正交试验结果进行极差分析(表2)和方差分析(表3)，确定在4项理化性能指标下各因素的主次顺序，各因素影响的显著性顺序从大到小依次为D、A、C、B。这说明漆酶对温度很敏感，在适宜的温度下漆酶才能表现出较大的酶活性值，并在一定介体用量下才能更高效地催化氧化底物。

本试验主要以纤维板的内结合强度和吸水厚度膨胀率作为主要的理化性能指标，并考虑原材料的成本，经过综合分析确定制备环保型中密度纤维板的最佳工艺条件为A2B2C2D3，即漆酶添加量为20 U/g，介体添加量为0.3%，活化时间为60 min，温度为50 ℃。

表2　正交试验结果的极差分析

注：环保型纤维板内结合强度的最小值和最大值分别为0.47、1.27 MPa，静曲强度的最小值和最大值分别为28.9、43.5 MPa，弹性模量的最小值和最大值分别为2 599.7、3 876.4 MPa，吸水厚度膨胀率的最小值和最大值分别为22.5%和34.5%。

表3　正交试验结果的方差分析

注：F0.05(2，9)=4.26，F0.01(2，9)=8.02；*表示因子的作用显著，F>F0.05；** 表示因子的作用高度显著，F>F0.01。

2.2验证试验

在最优工艺条件下制备3组LMS/ALF，并以相同的木质素磺酸铵添加量和热压工艺条件制备3组Lac/ALF，分别测定纤维板的力学性能并取其平均值。如表4所示，与Lac/ALF相比，LMS/ALF的内结合强度提高16.67%，静曲强度提高20.35%，弹性模量提高7.96%，吸水厚度膨胀率降低12.95%，其力学性能均已达到GB/T 11718—2009中干燥状态下使用的普通型中密度纤维板性能要求。

试验结果说明：漆酶-HBT介体体系活化后的木质素磺酸铵更加有利于木纤维之间的黏结，这是由于活化后的木质素磺酸铵产生了更多的自由基。自由基与自由基之间发生耦合，从而使木纤维之间黏结的更加牢固，同时纤维板LMS/ALF的力学性能也有了明显的提高。

表4　环保型纤维板力学性能测定结果

2.3木质素磺酸铵的化学组分分析

图3是木质素磺酸铵(Lac/AL和LMS/AL)的红外光谱图，可以看出两者之间有明显的差别。3 400～3 200 cm-1为O—H伸缩振动峰范围[15]，与Lac/AL相比，LMS/AL在3 223 cm-1处的羟基特征吸收峰强度明显减弱。这是由于HBT介体在漆酶的作用下，生成高活性的硝基自由基，而后硝基自由基通过氢原子转移的方式对木质素磺酸铵中的羟基进行氧化生成自由基[16](见图4)。自由基与自由基之间发生耦合，最终导致活化后木质素磺酸铵中的羟基数量减少，这与纤维板吸水厚度膨胀率的测定结果相一致。

与Lac/AL相比，LMS/AL在1 570 cm-1处苯环骨架结构的伸缩振动特征吸收峰增强，这是由于HBT介体中存在苯环结构，使木质素磺酸铵在1 570 cm-1处的峰值增强，同时说明在反应过程中苯环结构没有受到漆酶介体体系的影响。LMS/AL在1 328 cm-1处紫丁香基的C—O伸缩振动增强，可能是在反应过程中，漆酶-HBT介体体系将木质素磺酸铵中部分愈创木基转化为部分紫丁香基[17]，也可能是反应过程中，木质素磺酸铵中的部分酚羟基发生了醚化反应，最终以醚键连接聚合在一起[18]。

图3　木质素磺酸铵的红外光谱图

图4　漆酶介体体系活化木质素产生自由基示意图

LMS/AL在923 cm-1和880 cm-1两处的吸收峰均有变化，这是由于苯环上取代基发生变化所引起的，说明在反应过程中，漆酶-HBT介体体系也可以催化氧化木质素磺酸铵中的苯环侧链取代基[19]。

2.4环保型中密度纤维板的结晶度分析

木纤维的结晶度与木质材料的力学性能有紧密的联系，通常情况下，木质材料的力学性能将会随着结晶度的增加而提高。图5中3种材料LMS/ALF、Lac/ALF和WF均在16°及22.6°两处出现明显的结晶衍射峰，它们分别对应于纤维素I型(101)晶面及(002)晶面的衍射吸收峰[20]。

图5　试样LMS/ALF、Lac/ALF和WF的XRD衍射图

一种材料的相对结晶度可以定量地反应其结晶程度的大小[21]。通过Segal法计算出3种材料LMS/ALF、Lac/ALF和WF的相对结晶度分别为76.64%、68.76%和65.25%，LMS/ALF的相对结晶度略高于Lac/ALF，这与正交试验中环保型纤维板的物理力学性能测定结果相一致。主要原因：经过漆酶-HBT介体体系活化后的木质素磺酸铵产生了更多的活性氧自由基(包括苯氧自由基、羟基自由基等)，自由基之间发生了共价连接，从而提高了纤维板的相对结晶度和力学性能(见图5)。LMS/ALF和Lac/ALF的相对结晶度均高于WF的主要原因：在长时间的高温和高压作用下，一方面可能由于纤维素分子链的部分无定型区发生水解，使纤维素的结晶度增大；另一方面可能由于纤维素中的极性羟基彼此靠近并结合，导致纤维素结晶区增加，结晶度增大。

2.5环保型中密度纤维板的微观形貌分析

通过图6可以看出，两种纤维板的木纤维在经过热压成型后均由管状变成扁平状，纤维之间相互交织，并未出现明显的结团现象。经过对比可知，Lac/ALF的木纤维之间存在一定的空隙，结合不是特别紧密，纤维被剥离的较多，可见纤维之间的结合强度不是特别高。而LMS/ALF的木纤维分散比较均匀，结合比较紧密，并且能够明显发现木纤维自身发生了撕裂，在高倍镜下，木纤维自身撕裂情况更加清晰可见。可观察到木质素磺酸铵较均匀地分散于木纤维上，形成粗糙的“胶层”[22]，说明经过漆酶介体体系活化后的木质素磺酸铵具有更高胶接强度，能够使木纤维之间结合的更加紧密，在宏观上表现为LMS/ALF的力学强度有所提高。

3　结论

通过正交试验对工艺参数进行优化，确定以漆酶-HBT介体体系活化后的木质素磺酸铵为黏结剂制备环保型中密度纤维板的最优工艺参数：漆酶添加量为20 U/g，介体添加量为0.3%，活化时间为60 min，温度为50 ℃。按照此工艺制备的环保型中密度纤维板(LMS/ALF)的内结合强度为0.91 MPa，静曲强度为42.87 MPa，弹性模量为3 865.13 MPa，吸水厚度膨胀率为22.45%，其力学性能均达到GB/T 11718—2009中干燥状态下使用的普通型中密度纤维板的性能要求。

采用现代仪器分析发现，经过漆酶-HBT介体体系活化后的木质素磺酸铵羟基数量减少，这与纤维板吸水厚度膨胀率的测定结果相一致。与Lac/ALF相比，LMS/ALF的相对结晶度有所增大，但木质纤维素的晶型结构保持不变，在电镜下可观察到明显的木纤维自身撕裂，从微观角度诠释了LMS/ALF的力学性能高于Lac/ALF的原因。

图6　环保型中密度纤维板剥离面的表面形貌图

[1]陈宏刚,孙刚,张树东.人造板中甲醛的危害及降醛措施[J].木材工业,2006,20(5):36-38.

[2]任一萍,王正,王志玲.生物质材料木材胶黏剂的研究进展[J].粘接,2007,28(5):28-30.

[3]吕晓静,杨军,王迪珍,等.木质素的高附加值的应用新进展[J].化工进展,2001(5):10-14，58.

[4]穆有炳,施娟娟,王春鹏,等.木质素在木材胶黏剂中的应用[J].生物质化学工程，2009,43(3):42-46.

[5]余慧群,周海,廖艳芳,等.工业木质素的来源及其改性进展[J].企业科技与发展,2010(18):19-23.

[6]张树彪,乔卫红,李宗石.木质素分散剂的分散性能研究[J].染料工业,1999,36(4):39-41.

[7]姜洪洋,王立久,王晴.改性木钙的研制及性能分析[J].混凝土,1999(5):27-30.

[8]李淑君,陶毓博,刘一星,等.工业木质素用于制造木陶瓷[J].林产工业,2007,34(3):25-28.

[9]林峻峰.木陶瓷的开发应用[J].四川林勘设计,2002(2):52-53.

[10]仲豪,张静,龚方红,等.木质素在脲醛树脂胶黏剂中的应用[J].中国胶黏剂,2010,19(11):32-35.

[11]FELBY C, HASSINGBOE J, LUND M. Pilot-scale production of fiberboards made by laccase oxidized woodfibers: board properties and evidence for cross-lignin of enzyme[J]. Microbial Technology,2002,31(6):736-741.

[12]FELBY C, THYGESEN L G, SANADI A, et al. Native lignin for bonding of fiber boards-evaluation of bonding mechanisms in boards made from laccase-treated fibers of beech (Fagussylvatica)[J]. Industrial Crops and Products,2004,20(2):181-189.

[13]BOURBONNAIS R, PAICE M G. Demethylation and delignification of kraft pulp by Trametes versicolor laccase in the presence of 2,2’-azinobis-(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonate)[J]. Applied Microbiology Biotechnology,1992,36(6):823-827.

[15]ALONSO M V, OLIET M, RODRIGUEZ F, et al. Modification of ammonium lignosulfonate by phenolation for use in phenolic resins[J]. Bioresource Technology,2005,96(9):1013-1018.

[16]关鑫.基于漆酶介体体系活化木纤维制备木质纤维板的研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2012:11-13.

[17]SUN Yong, QIU Xueqing, LIU Yunquan. Chemical reactivity of alkali lignin modified with laccase[J]. Biomass and Bioenergy,2013,55:198-204.

[18]袁媛,于富磊,郭明辉,等.漆酶活化工业木质素制备环保型纤维板的工艺参数及产品性能[J].东北林业大学学报,2011,39(5):81-83.

[19]邱卫华,陈洪章.红外光谱分析木质素在漆酶酶法改性中的反应性[J].光谱学与光谱分析,2008,28(7):1501-1505.

[20]李坚,王清文,方桂珍,等.木材波谱学[M].北京：科学出版社,2002:14-31.

[21]刘芳延,郭明辉.木质素磺酸铵中糖含量对无胶中密度纤维板性能的影响[J].林业科学,2014,50(6):175-180.

[22]胡建鹏,郭明辉.改性工业木质素—木纤维复合材料制备工艺及结合性能表征[J].林业科学,2013,49(4):103-109.

Performances of Environment-friendly Fiberboard Prepared by Laccase-mediator System Modified Ammonium Lignosulfonate//

Zhang Yongming, Guo Minghui

(Key Laboratory of Bio-Based Material Science and Technology of Ministry of Education, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China); Li Chuanming(Tianqiao Forestry Bureau of Jilin Province)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(2)：56-60.

Laccase-mediator system； Ammonium lignosulfonate； Environment-friendly fiberboard； Processing parameters； Characterization of performance

张永明，男，1989年9月生，生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，硕士研究生。E-mail：804900934@qq.com。

郭明辉，生物质材料科学与技术教育部重点实验室(东北林业大学)，教授。E-mail：gmh1964@126.com。

2015年6月25日。

TS653.6

1)林业公益性行业科研专项(201404506)。

责任编辑：戴芳天。