漆酶对不同漂段纸浆催化氧化木素的效果研究

刘建祥 马邕文,2,* 万金泉,2 余仕发 陈长兴 张国瑞 陈德强

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州，510640；2.华南理工大学环境与能源学院,广东广州，510006；3.福建省晋江优兰发纸业有限公司,福建晋江，362221；4.福建希源纸业有限公司,福建龙海，363107)



·漆酶处理纸浆·

漆酶对不同漂段纸浆催化氧化木素的效果研究

刘建祥1马邕文1,2,*万金泉1,2余仕发3陈长兴3张国瑞4陈德强4

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州，510640；2.华南理工大学环境与能源学院,广东广州，510006；3.福建省晋江优兰发纸业有限公司,福建晋江，362221；4.福建希源纸业有限公司,福建龙海，363107)

以未漂硫酸盐桉木浆(Sp浆)、氧脱木素桉木浆(O浆)、H2O2漂白桉木浆(P浆)作为不同漂段原料,探讨漆酶-谷氨酸体系对不同漂段纸浆的催化效果。结果表明，漆酶催化总体上可使纸浆的卡伯值增大,纸浆的白度随之下降；漆酶协同谷氨酸可催化氧化纤维表面木素与相邻纤维上的木素发生自由基偶合反应,同时使纤维表面的微细纤维暴露出来,两者共同作用使相邻纤维形成更好的结合力,使纸浆的强度性能大幅度提升；谷氨酸可通过漆酶催化氧化作用连接到木素上,增加纤维原料中的羧基含量,Sp浆、O浆、P浆羧基含量分别较未处理纸浆提高20%、50%、43%。

羧基；漆酶；谷氨酸；卡伯值

(*E-mail: ppywma@scut.edu.cn)

目前,对低质量纤维进行改性、增强其物理化学性能,以实现高附加值利用成为研究热点。改性方法主要有物理法和化学法两种：物理法能耗大,多段处理过程纤维损失较多,设备投资大,同时浆线布局复杂；化学法对后续废水处理带来困难,如用氯乙酸进行羧甲基化处理,增加了废水中的AOX及COD[1]。因以上两种方法与当下的可持续发展战略相悖,近年来研究者一直致力于寻求更加经济、环保、易操作、在现有生产线上适用的方法,因此生物酶法应运而生。生物酶法反应条件温和,能耗较低,效率高,无污染,同时现有技术已克服生物酶对反应环境敏感、容易失活等缺陷。近年来,漆酶对纸浆的改性研究引起了广泛的兴趣。

漆酶是一种多铜氧化还原酶,可以催化氧化单苯酚、双苯酚、氨基苯酚、聚苯酚、聚胺和类似木素结构的分子,同时把O2还原成水[2]。漆酶主要通过催化氧化纸浆中的木素来影响纸浆的性能,在漆酶-介体体系中,根据选取的介体不同,漆酶的主要作用不同,一是在α-C形成过氧自由基,最终转化为羰基,导致木素侧链的断裂；二是木素中的酚羟基或醌型结构产生酚氧自由基,自由基偶合而发生木素分子的缩合[3- 4],如Martin Lunda等人[5]利用漆酶协同ABTS、HBT可显著提升木素含量高的硫酸盐浆的湿强度,张爱萍等人[6]利用漆酶-紫尿酸体系改性纸浆发现可氧化纤维表面木素,同时使酸性基团含量增加。漆酶催化氧化过程大体上分3个阶段：酶分子对底物的作用；电子在酶中传递；氧分子对酶的还原和产物的反作用[7]。漆酶的应用非常广泛,可应用于木质纤维素原料改性、环境污染控制、食品业、纺织业、药剂学、有机合成等行业[8],特别是在木质纤维素改性方面具有应用潜力[9]。

Witayakran S等人[10-11]研究发现，漆酶协同氨基酸可增加纤维原料中的羧基含量继而影响纤维负电性,提升成纸性能。笔者在前人基础上采用未漂硫酸盐桉木浆(Sp浆)、氧脱木素桉木浆(O浆)、H2O2漂白桉木浆(P浆)作为研究对象,选择O段、P段漂白浆原因是其是TCF漂白不可缺少的重要组成部分,也是大多数ECF漂白的重要组成部分。通过以上3种原料,研究漆酶协同谷氨酸对纤维原料强度性能、羧基含量、纤维表面形态影响,探究漆酶-谷氨酸对上述3种不同卡伯值纸浆的催化效果。旨为漆酶在制浆造纸领域大规模产业化应用提供理论指导。

1 实 验

1.1 实验原料

未漂硫酸盐桉木浆(Sp浆),制备工艺条件为：用碱量17%(以Na2O计),硫化度25%,液比1∶4,最高温度165℃,升温时间100 min,保温时间100 min,经洗涤、筛选、打浆后打浆度为21°SR；氧脱木素桉木浆(O浆)[12],制备工艺条件为：以未漂硫酸盐桉木浆作为原料,用碱量3%,MgSO4用量0.5%,氧压0.5 MPa,浆浓10%,搅拌速度200 r/min,温度90℃,时间60 min；H2O2漂白桉木浆(P浆)[13],制备工艺条件为：以未漂硫酸盐桉木浆作为原料,用碱量2%,MgSO4用量0.5%,H2O2用量3%,浆浓10%,温度80℃,时间180 min,每隔15 min对浆料进行揉搓。漆酶,广州菲博生物科技有限公司；谷氨酸,上海伯奥生物科技有限公司,生化试剂。

1.2 实验仪器

计算机控制立式置换蒸煮器,高压反应釜,紫外-可见分光光度计,HH- 4数显恒温水浴锅,JB90-SH型数显恒速强力电动搅拌机,手动抄纸系统成形器(无压干燥),L&W抗张强度仪,L&W撕裂度仪,白度测定仪,SEM3700。

1.3 漆酶活性测定

漆酶活性由2,2′-连氮-双(3-乙基苯并噻唑啉- 6-磺酸)(ABTS)的氧化确定。漆酶活性：定义1 min催化1 μmol ABTS,ABTS浓度的变化值的酶量为一个酶活单位(U),单位为μmol/(L·min)[11]。在25℃、pH值4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液中,测定0.5 mmol/L的ABTS与10 mg/mL待测酶液在紫外可见分光光度计420 nm处吸光度的变化。漆酶活力以每升酶液所含有的酶活量来计,结果测得酶活力为2000 U/L。漆酶催化ABTS形成的产物摩尔吸光系数为ε为36000 L/(mol·cm)。

1.4 漆酶催化氧化处理

在pH值5.0的柠檬酸-磷酸盐缓冲溶液体系中,漆酶和谷氨酸用量分别为2 U/g、2%(相对于绝干浆),浆浓2%,反应时间为3 h,反应过程中通O2,搅拌速度400 r/min,温度40℃。

1.5 纸浆性能测定

卡伯值采用微量卡伯值法按Tappi Useful Method UM246进行测定,白度按GB/T 17749—1999进行测定,抗张强度按GB/T 453—1989进行测定,撕裂强度按GB/T 455.1—1989进行测定,耐破度按GB/T 454—1989进行测定。

1.6 表面形态分析

采用日本Hitachi S-3700N超大样品仓扫描电子显微镜(SEM)观察纤维表面形态。在测试之前,试样通过离子溅射进行镀金处理,使用气体二次电子探测器(GSED),加速电压10 kV,之后对纸浆形貌进行观察和分析,图像放大倍数为1000。

1.7 电导率法测定羧基含量

称取1.0 g绝干浆,在300 mL的0.1 mol/L盐酸中浸泡1 h,并用电磁搅拌器搅拌。再用不含二氧化碳的去离子水洗涤至电导率稳定,用布氏漏斗抽滤后,把纸浆分散于250 mL的0.001 mol/L的NaCl溶液中,加入1.5 mL的0.1 mol/L盐酸进行酸化,用玻璃纸密封,插入氮气通气管和电导率仪电极[14]。在氮气环境和电磁搅拌下用0.05 mol/L的NaOH标准溶液进行滴定(50 μL移液枪),并记下每次滴定的电导率。滴定终点的确定是滴定终点的电导率与滴定开始的电导率相同或相近。计算方法见公式(1)。

(1)

式中，V1为第一等当点NaOH溶液体积,mL；V2为第二等当点NaOH溶液体积,mL；c为NaOH溶液浓度,mol/L；m为试样绝干质量,g。

计算时,以电导率为纵坐标,以消耗的NaOH溶液毫升数为横坐标作图,对滴定曲线做切线和水平切线,切线第一个交点即为OH-开始中和与羧基结合的H+的点(第一等当点),切线第二个交点即为纸浆悬浮液中与羧基结合的H+全部被中和完毕的点(第二等当点)。

2 结果与讨论

2.1 漆酶催化对纸浆卡伯值和白度的影响

在制浆过程中,纸浆的卡伯值是生产上控制纸浆质量的一项重要指标,它可以间接反映纸浆中残余木素含量的多少[15]。

图1 漆酶催化对不同漂段纸浆卡伯值的影响

图2 漆酶催化对纸浆白度的影响

2.2 漆酶催化对纸浆中羧基含量的影响

纸浆的羧基一部分存在于纤维素的降解产物氧化纤维素中,另一部分存在于半纤维素及其降解产物中,羧基的存在对纸浆的质量有影响,如提高纸浆的稳定性及降低老化速度,同时,羧基能增加纤维的润胀性、柔软性,进一步增强纤维的成键能力[18]。通过生物酶催化连接富含羧基的低分子质量化合物,不失为经济环保科学的研究方法。本实验利用漆酶催化连接谷氨酸方法提高纸浆中的羧基含量,提高其强度性能。表1为漆酶催化对纸浆中羧基含量的影响，从表1可知,单独加入漆酶或谷氨酸不会提高纸浆中的羧基含量,当用漆酶协同谷氨酸同时处理纸浆时,可明显提高羧基含量,Sp、O和P浆的羧基含量分别较未处理纸浆提高20%、50%和43%,主要是由于漆酶可催化氧化木素将谷氨酸连接其上,增加纸浆中羧基含量。

表1 漆酶催化对纸浆中羧基含量的影响 mmol/kg

注 Glu—谷氨酸处理浆样。

2.3 漆酶催化后纸浆的表面分析

图3为漆酶催化对纸浆纤维表面的影响。从图3可以清晰地观察到,未用漆酶处理的Sp浆、O浆和P浆,纤维表面圆润光滑,纤维之间只是简单地缠绕；利用漆酶催化氧化后,游离于纤维表面的细纤维增多,纤维表面细纤维化明显,纤维表面变得比较粗糙,这可能是在漆酶的作用下,因纤维表面上的木素被催化氧化,微细纤维从纤维表面上分离出来,暴露出来的微细纤维相互缠绕，致使相邻纤维连接更加紧密；漆酶协同谷氨酸处理后,纤维表面上木素与相邻纤维上的木素发生自由基偶合反应[19],与微细纤维两者共同作用使相邻纤维形成更好的结合力。

图3 漆酶催化对纸浆纤维表面形态特征的影响

纸浆及处理方法抗张指数数值/N·m·g-1增量/%撕裂指数数值/mN·m2·g-1增量/%耐破指数数值/kPa·m2·g-1增量/%Sp浆Con155(02)184(003)100(002)Lac266(01)72290(003)58114(006)14Lac⁃Glu290(04)87337(010)83126(002)26O浆Con228(02)268(002)110(001)Lac290(05)27346(007)29154(001)40Lac⁃Glu326(04)43379(002)41175(005)59P浆Con162(05)225(002)080(001)Lac251(06)55274(005)22118(001)48Lac⁃Glu251(01)55277(006)23119(002)49

注 括号内数值为平均标准偏差SD。增量均对未处理的对照样。

2.4 漆酶催化对纸浆物理性能的影响

表2为漆酶催化对纸浆强度性能的影响。在表2中,与3种浆各自的对照样相比,漆酶、漆酶-谷氨酸体系处理过的纸浆其抗张指数、撕裂指数、耐破指数有上升的趋势,这与其他文献实验结果一致[20]。对于Sp浆,漆酶-谷氨酸处理后,其抗张指数、撕裂指数和耐破指数分别提高了87%、83%、26%。对于O浆,漆酶-谷氨酸处理过后,其抗张指数、撕裂指数和耐破指数分别提高了43%、41%、59%。对于P浆,漆酶-谷氨酸处理过后,其抗张指数、撕裂指数和耐破指数分别提高了55%、23%、49%。因为漂白作用致使O浆、P浆的初始抗张指数和撕裂指数都要优于Sp浆。经过漆酶及与谷氨酸的协同作用后,Sp浆的抗张指数和撕裂指数提升显著,原因是漆酶主要通过催化氧化纸浆中的木素来影响纸浆的性能；同时O浆的3种强度性能都高于其他两种纸浆,除了漆酶的催化氧化作用及谷氨酸引起羧基含量增加(表1)原因外,具体原因还需进一步研究。

3 结 论

3.1 漆酶催化氧化总体上可使未漂硫酸盐桉木浆(Sp浆)、H2O2漂白桉木浆(P浆)的卡伯值增加,纸浆的白度随之降低,但在氧脱木素桉木浆(O浆)中,单独利用漆酶催化后纸浆的卡伯值降低。

3.2 漆酶协同谷氨酸可催化氧化纤维表面上木素与相邻纤维上的木素发生自由基偶合反应,同时使纤维表面的微细纤维暴露出来,两个作用使相邻纤维形成更好的结合力。

3.3 漆酶可催化氧化木素将谷氨酸连接其上，增加纤维原料中羧基含量。漆酶协同谷氨酸处理后，Sp浆、O浆、P浆的羧基含量分别较未处理纸浆提高20%、50%、43%。

3.4 漆酶-谷氨酸体系处理Sp浆、O浆、P浆后,其抗张指数、撕裂指数、耐破指数明显提升。

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(责任编辑：常 青)

The Catalytic Effect of Laccase on the Lignin Oxidation of Pulps from Different Bleaching Stages

LIU Jian-xiang1MA Yong-wen1,2,*WAN Jin-quan1,2YU Shi-fa3CHEN Chang-xing3ZHANG Guo-rui4CHEN De-qiang4

(1.StateKeyLabofPulpandPaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640;2.CollogeofEnvironmentandEnergy,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510006;3.FujianYoulanfaPaperCo.,Ltd.,Jinjiang,FujianProvince, 362221;4.FujianXiyuanPaperCo.,Ltd.,Longhai,FujianProvince, 363107)

This study explored laccase-glutamic acid system catalytic effects on unbleached eucalyptus kraft pulp (Sp), oxygen delignified eucalyptus kraft pulp (O), and H2O2bleached eucalyptus pulp (P). The results showed that the Kappa numbers of the pulps increased and whiteness decreased with laccase catalysis. Laccase catalysis oxidation of lignin on the surfaces combining the treatment of glutamic acid, free radical coupling reaction between the lignins on the surfaces of adjacent fibers formed a network structure and created closer contact between the fibers, the paper strength was enhanced significantly. The carboxyl groups of the pulps increased 20% for (Sp), 50% for (O) and 43% for (P) after combining laccase acid and glutamic acid treatment.

carboxyl group; laccase; glutamic acid; Kappa number

刘建祥先生，在读硕士研究生；主要从事漆酶对纤维原料改性机理方面的研究。

2016- 06- 03(修改稿)

国家自然科学基金(NO.31570568)；制浆造纸工程国家重点实验室开放基金(NO.201535)；广东省高层次人才基金(NO.201339)。

TS756

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.08.005

*通信作者：马邕文先生，E-mail：ppywma@scut.edu.cn。