角质酶W5应用于混合办公废纸脱墨的研究

冯国华，李 强，曾文榄

（广东溢多利生物科技股份有限公司，广东珠海 519060）

为了规范进口废纸的加工利用和污染防治，近几年国家收紧了废纸进口指标，使得回收废纸价格高涨。以废纸为原料的造纸生产企业为保证企业效益及适应环境要求纷纷努力提高生产效率，改进生产工艺优化废纸利用率。用碱法化学工艺处理办公废纸进行脱墨净化纤维是传统办公废纸脱墨方式。随着生物技术的发展，现阶段酶制剂应用于传统工业生产尤其是造纸工业已实现产业化。酶法脱墨能有效地解决混合办公废纸的脱墨问题，能选择性地使油墨和纤维分离并使之脱离纤维表面[1]，适当的酶处理还可以减少造纸过程中胶粘物的累积，以实现清洁生产[2]。

角质酶是一种可以降解植物角质的水解酶，也可以作用于其他脂肪酸酯、甘油三酯等。其在纺织工业中可用于生物煮炼提高织物质量，而在造纸工业中的应用研究较少。

由于角质酶对纤维处理的特异性及效果，本实验研究了广东溢多利生物科技股份有限公司生产的角质酶W5的特性及用于混合办公废纸脱墨的工艺条件，初步得出了酶处理的纸浆浓度、酶处理温度、反应时间以及酶用量的优化参数。

1 实验

1.1 原料

混合办公废纸（MOW）:取自湖南某纸厂，将废纸撕成大小均一碎片放自封袋平衡水分备用。

酶样:角质酶W5，广东溢多利生物科技股份有限公司自产（使用时吸取l mL配成l 000 mL的稀溶液，即配即用）。

助剂:脂肪醇聚氧乙烯醚JFC，美国陶氏化学公司。

1.2 仪器

UV 1600紫外可见分光光度计，日本岛津公司；HH-4型恒温水浴锅，常州润滑电器有限公司；PL6-00型水循环抄片器，咸阳泰思特有限公司；PL7-B型快速干燥器，咸阳泰思特有限公司；PL12-00高浓水力碎浆机，咸阳泰思特有限公司；PL13-00型实验室浮选脱墨机，咸阳泰思特有限公司；YQ-Z-48A型白度颜色测定仪，杭州轻通博科自动化技术有限公司；ERIC 950白度残余油墨测定仪，美国Technidyne Color Touch公司。

1.3 实验方法

1.3.1 试验工艺

1.3.2 碎浆

将平衡过水分的大小均一的废纸放入水力碎浆机，加入所需体积和温度的水、角质酶W5及助剂，开动碎浆机进行碎浆，将纸浆取出备用。

1.3.3 浮选

取碎好的纸浆放入浮选槽进行浮选，温度为50℃，浮选时间为15 min，气压为0.2 MPa。

1.3.4 洗涤及抄片

分别取碎浆及浮选后的纸浆在抄片器进行水洗及抄片。水洗，用3 L水洗涤3次。纸片，定量为60 g/m2。

1.4 分析测试

（1）纸张的撕裂强度、抗张强度、耐破强度、白度和残余油墨值分别按TAPPI标准 T414（2004）、T494（21）、T403（22）、T452（28）和 T205（1995）测试。

（2）废水COD按国家标准GB11914—1989测试。

（3）角质酶活力按行业标准QB/T 4915—2016测试。

（4）油墨去除率和纤维流失率的计算:

2 结果与讨论

2.1 酶学特性分析

角质酶（cutinase，EC 3.1.1.74）是一种能破坏角质多聚物分子的酯键使其水解为单体和小分子寡聚体的胞外诱导水解酶[3]。它主要存在于植物病原菌中，是病原菌侵入植物时用以突破植物表皮第1道屏障角质所需要的酶。角质酶属于α/β水解酶家族，可降解不溶性甘油三酯、可溶性酯和角质等聚酯[4]。目前国内外对角质酶的研究主要集中在真菌来源酶[5]，本实验所用角质酶W5为广东溢多利生物科技股份有限公司自有基因工程菌优化后所产酶制剂。

2.1.1 温度对酶活性的影响

酶解反应的速率受温度的影响主要反映在2个方面:一方面升高温度底物反应分子动能增加，碰撞几率增加，反应速度升高；另一方面，随温度升高酶蛋白会逐渐变性，酶分子结构受到破坏从而丧失部分催化活性，反应速度下降[6]。因此，酶要达到其作用效果须温度适宜。在pH、反应时间等其他条件恒定下，酶有一最适反应温度，这时酶的反应活性最大，当然随温度变化其反应活性会变化，这是一个动态平衡。温度对角质酶W5活性的影响如图1所示。

图1 温度对酶活性的影响

由图1看出，角质酶W5的活性在温度30～80℃范围内随温度变化先升高后降低，60℃时酶活性最高。这是由于当温度升高时，酶与底物反应速度增加，但随着温度的逐渐升高酶蛋白变性速度也迅速增加而失去活力。酶最适温度是在其他条件如pH、时间、酶纯度等都保持恒定条件下，酶解反应及酶蛋白变性动态平衡的结果。角质酶W5在温度50～70℃有较高活性且变化幅度小，故其应用温度范围较宽可应用于造纸行业。

2.1.2 pH对酶活性的影响

酶活性随pH变化而变化，其存在一最适反应pH。最适pH时，酶活性随底物浓度、温度和其他多种因素的不同而改变，所以它和酶的最稳定pH不一定相同。pH对酶反应速度的影响已成为鉴别底物或活性分子、酶活性部位解离基团的常用手段。不适当的pH使酶的空间结构破坏，引起酶活性丧失，故不同pH条件下的酶活性高低，是判断酶是否能工业化应用的重要依据。pH对角质酶W5活性的影响如图2所示。

图2 pH对酶活性的影响

由图2可以看出，角质酶W5在pH为8.0时活性最高，酶活性在温度、底物浓度等条件确定下pH为6.0～9.0时呈先上升、后下降趋势。这是由于在一定pH条件下酶活性部位催化基团的解离状态受到影响，pH升高时其与底物结合或结合后生成产物效率先上升而后下降导致。角质酶W5在pH为7.5～9.0时均能保持较高酶活性，其可适应二次纤维预处理pH环境。

2.2 角质酶W5脱墨工艺的优化

经过对角质酶W5的特性分析，为贴近生产应用选取pH=8.0，温度为50℃条件下对脱墨效果产生影响的主要因素:脱墨浆浓度（A），酶脱墨时间（B）和酶用量（C），3因素取3个水平，进行正交试验结果及极差分析，结果见表1。

表1 角质酶W5处理办公费纸脱墨正交试验设计及极差分析结果

白度与油墨去除率是评价脱墨浆质量的重要指标，根据具体生产实际纤维流失率也是脱墨浆生产线主要考核指标之一。从表1极差分析结果，因素A（脱墨浆浓度）是影响纤维流失率及油墨去除率的次要因素，其中A1纤维流失率最低，但A1条件下油墨去除率差，同时纤维流失率与废纸浆原料批次稳定性关联最大，为保证脱墨浆质量应优先满足白度及油墨去除率指标，综合选择A2条件最优。从极差分析看，因素B（碎浆时间）影响油墨去除率指标较为明显，B3条件下油墨去除率最高，纤维流失率最低，同时白度处于中间值较理想，故选择B3条件为最优。因素C（酶用量）对脱墨浆各指标影响均处于最主要位序，C3条件下白度最高、油墨去除率最大，纤维流失率最低，故选择C3为最优条件。经正交试验确定角质酶W5办公废纸脱墨的最佳工艺条件为A2B3C3，即脱墨浆质量分数为10%，碎浆时间为30 min，酶用量为150 u/g（绝干浆）。

2.3 优化工艺验证及脱墨浆质量检测

经优化角质酶W5脱墨工艺，选取碎浆温度为50℃、pH=8.0、碎浆时间为30 min、脱墨浆质量分数为10%、酶用量为150 u/g（绝干浆）条件进行脱墨试验，结果见表2。

表2 角质酶W5脱墨实验的纸浆性能比较

由表2看出:在A2B3C3工艺条件下角质酶W5预处理脱墨浆后脱墨效果优异，脱墨浆白度、油墨去除率较空白样提升；残余油墨值、纤维流失率下降达到预期效果，其中脱墨浆的抗张指数、撕裂指数、耐破指数与空白样均无明显差异。

为验证角质酶W5在脱墨过程中的效果，对试验各段废水进行了取样分析，其结果见表3。

表3 角质酶W5脱墨实验的废水COD比较 mg/L

由表3看出，角质酶W5可有效剥离纤维上的油墨，使纤维与油墨分离。油墨主要随浮选排出浆料系统，其中浮选废水COD降低67%，浮渣废水COD提高43%与这一效果相符。总脱墨废水COD降低47%，说明角质酶W5用于混合办公废纸脱墨可有效降低废水污染负荷，有利于清洁生产。

3 结论

（1）角质酶W5是温度及pH适应范围较广的酶制剂，在常规制浆造纸工艺条件下可用于混合办公废纸脱墨。

（2）脱墨浆浓度、碎浆时间及酶用量对角质酶W5脱墨效果有很大的影响。较为合宜的脱墨工艺条件为:脱墨浆质量分数为10%，碎浆时间为30 min，碎浆温度为50℃，pH=8.0，生物酶用量为150 u/g。

（3）经角质酶W5预处理混合办公废纸脱墨，脱墨浆白度、油墨去除率等指标均有所提升，脱墨浆性能无明显变化，脱墨废水COD降低有助于实现绿色废纸制浆。现角质酶W5已可用于造纸生产，为提升性价比需继续优化。