・论文与综述・纸浆酶改性的研究进展李武光,李新平,杜 敏(陕西科技大学造纸工程学院,陕西西安710021)[摘 要] 概述生物酶对纸浆改性研究进展。
介绍了纤维素酶、半纤维素酶、漆酶在降低打浆能耗,改善纸张物理性能,助漂等方面的机理及其研究进展。
[关键词] 酶;纸浆;改性;纤维 近十几年来,人们对生物技术在制浆造纸工业中的应用进行了大量的研究,其研究内容几乎涉及到制浆造纸工业的各个方面。
在这些研究中,有的处于实验室研究阶段,有的进行了中试,有的则已在生产中应用。
利用酶与纸浆纤维作用可以降低打浆能耗,改善成纸的某些性能,改善浆料的脱墨,助漂等。
本文就纸浆的纤维素酶、半纤维素酶、漆酶的酶改性的研究进行了综述。
1 纤维素酶纤维素酶由三类不同催化反应功能的酶组成,根据其催化功能的不同可分为:内切葡萄糖苷酶(endo21,42β2D2glucanase,EC3.2.1.4,来自真菌的简称EG,来自细菌的简称Cen),该类酶能随机地在纤维素分子内部降解β21,4糖苷键;外切葡萄糖苷酶(exo21,42β2D2glucanase,EC3.2.1.91,来自真菌的简称CB H,来自细菌的简称Cex),它能从纤维素分子的还原或非还原端切割糖苷键,生成纤维二糖;纤维二糖酶(32D2gluco sidase,EC3.2.1.21,简称B G),它把纤维二糖降解成单个的葡萄糖分子。
纤维素酶的作用机理:普遍接受的纤维素酶的降解机制是协同作用模型,见图1[1]。
在协同降解过程中,首先由Cx酶在纤维素聚合物的内部起作用,在纤维素的非结晶部位进行切收稿日期:2009-07-02作者简介:李武光(1984-),男,山东德州人,在读硕士研究生,陕西科技大学造纸工程学院,主要研究方向:纤维资源的制浆造纸特性与生物技术的应用。
图1 协同作用模型割,产生新的末端,然后再由C1酶以纤维二糖为单位,从末端进行水解,最后由B G酶将纤维二糖水解为葡萄糖。
Wood在研究木霉(Trichoderma reesei)、青霉(Penicillium f uniculo sumde)的纤维素酶水解纤维素时,发现培养液中的两种外切酶在液化微晶纤维素和棉纤维素时具有协同作用。
Fater2 stam也发现两种外切酶(CB HⅠ和CB HⅡ)具有协同作用。
Kanda等还发现了对可溶性纤维素进攻方式不同的两种内切葡萄糖酶在微晶纤维素的水解过程中也具有协同作用。
通过机理研究发现,纤维素的酶解是一个复杂的多相反应,其作用过程是:纤维素酶首先吸附到纤维表面,在纤维表面发生酶解反应,随着酶解反应进行,将纤维层层剥离[2]。
酶解反应受纤维素的结构、纤维素酶的吸附、产物的抑制效应和纤维素酶去活化等因素影响[3,4]。
1.1 降低打浆能耗,促进打浆酶促打浆是利用高活性的半纤维素酶和较低活性的纤维素酶对打浆前的纸浆进行预处理,使纤维表面得到某种程度的活化和松弛,促进纤维的吸水润胀和细纤维化程度,从而使打浆性能得到改善,起到降低打浆能耗的作用。
Setliff[5]利用Ceriporiop sis subvermispora和—33—P.chrysosporium对杨木和挪威云杉进行了预处理。
结果表明,与未经真菌处理的相比,在盘磨机磨至相同游离度的情况下,杨木可以降低20%的能耗,挪威云杉降低13%的能耗。
Fujita[6]利用IZU2 154对阔叶木和针叶木生物机械浆进行了研究,发现粗磨的山毛榉机械浆经真菌处理7天以后,可使后续磨浆能量消耗降低1/3～1/2,且强度性能得到改善;经过粗磨的云杉机械浆和红松机械浆采用真菌处理10～14天,磨浆能耗约降低1/3,强度性能也有所改善。
1.2 提高纸浆的滤水性能纤维素酶处理浆料时,酶作用于纤维表面,加以优化控制酶处理工艺,除去一些细小的组分,使细屑和纤维表面细小组分水解,这样就在不影响纸浆物理性能的情况下提高纸浆滤水性能。
此外利用纤维素酶和半纤维素酶协同使用会有效地提高纸浆的滤水性能。
J ackson等[7]用干燥过的漂白针叶木纤维和复合纤维素酶反应,通过检测酶作用前后纤维长度分布的变化和纤维形态的变化,证实了细屑水解引起纸浆游离度增加,并提出细屑和细小纤维是因为具有较大的比表面积可及度而易受酶的攻击。
酶解作用发生在纤维表面的细小纤维和微粒上,对整个纤维损伤十分轻微。
管斌[8]在研究中得出杨木SGW 浆酶改性过程中适当地酶处理,在保持浆强度的情况下,浆的滤水性能有较明显改善。
1.3 改善成纸性能纤维素酶处理对纸浆的影响没有统一的结论,纤维素酶对纸浆的影响受浆的种类、酶处理的深度等因素的影响。
Mansfield等用复合纤维素酶处理浆料发现,纸页的平滑度得到改善,纸张的印刷适性得到提高,成纸的抗张强度增加了10%。
纤维素酶处理纸浆,使纸浆的游离度提高,在保持成纸强度的同时降低了打浆能耗。
Stork等人[9]认为纤维素酶对CTM P物理性能的影响与其他浆种有所不同,C TM P经纤维素酶处理后其裂断长有所增加,这是因为酶解导致了细小纤维的水解,而细小纤维的水解会使纤维间的结合力有所增加。
山东轻工业学院的研究人员[10]曾利用来自A PsergillusL22的纤维素酶对针叶木浆的酶促打浆进行研究,实验表明,经酶处理的纸浆具有较高的打浆度,具有降低能耗的潜力。
同时,由于打浆度的增加,纸浆的裂断长有明显的增加,而撕裂指数却有明显下降。
2 半纤维素酶半纤维素酶在制浆造纸工业中的研究和应用已经开始得到广泛的关注,其中以木聚糖酶最为广泛。
木聚糖酶是降解半纤维素木聚糖的一组酶的总称,酶系的组成较为复杂,它主要包括作用于主链的内切21,42β2木聚糖酶和β2木糖苷酶,一般而言,前者从主链内部作用于木糖苷链,可随机将木聚糖主链降解成短链的低聚木糖;而后者作用于短链的低聚木糖,从非还原性末端释放出木糖。
木聚糖酶预处理的作用实现对纤维的渗透。
改善纤维的润胀,促进内部细纤维化和剥离,以及降低打浆能耗和改善纤维性质等。
2.1 降低打浆能耗将纤维素酶应用到打浆的过程时,人们发现虽然纤维间的结合力得到增加,但由于纤维素酶对纤维素链的部分降解,导致纸浆黏度降低。
因此,研究者转而研究利用无纤维素酶活性的木聚糖酶,来替代纤维素酶用于打浆工序。
1997年Bhardwaj[11]等研究了几种商业木聚糖酶对打浆和精磨的作用效果。
结果发现,木聚糖酶能够降低针叶木浆25%磨浆能耗,降低竹浆18%的磨浆能耗,降低混合浆(60%的废旧硫酸盐瓦楞纸剪碎料浆,40%的未漂针叶木浆)15%的磨浆能耗,且对纸浆的强度性能无影响。
但是不同的纸浆类型会影响到木聚糖酶辅助磨浆效果,对高卡伯值的纸浆作用效果要好于全漂浆。
Noe[12]提出使用木聚糖酶可使漂白化学浆外部细纤维化,从而减少造纸过程中的能量消耗。
研究表明,利用木聚糖酶(不含纤维素酶)处理浆料,打浆和精磨时能量消耗的更少[13]。
2.2 木聚糖酶助漂生物漂白就是利用微生物或其产生的酶与纸浆中的某些成分作用,形成脱木素或有利于脱木素的状况,并改善纸浆的可漂性或提高纸浆白度的过程。
生物漂白的目的主要是节省化学漂剂,改善纸浆的性能以及减少漂白污染。
木聚糖酶辅助漂白机理有4种假设:木聚糖酶能够有效地降解蒸煮过程中再吸附和沉积在纤维表面的木聚糖,使漂剂更好地接近残余木素,从而使木素更容易从纸浆纤维中脱出;木聚糖酶催化作用于—43—纸浆纤维中的木聚糖,使纤维细胞壁润胀而结构变得疏松,从而使木素容易被抽提出来;木聚糖酶降解掉与纸浆中残余木素有连接的半纤维素,破坏了木素碳水化合物(L CC),增大了纤维间的孔隙,从而有利于已溶解木素的脱除;木聚糖酶能够有效地除去在蒸煮过程中产生的衍生物———已烯糖醛酸木聚糖。
Viikari[14]报道用木聚糖酶预处理硫酸盐未漂浆可减少后续漂段25%用氯量。
丹麦的Peders2 en[15]用木聚糖酶处理氧漂后的阔叶木浆,可减少后续漂段35%用氯量,同时白度提高1%～2%ISO,对浆强度无不利影响。
近些年来,国内也进行了广泛的研究,陈嘉川等[16]研究发现木聚糖酶可明显改善麦草浆的滤水性、脆性、物理强度和白度,减少总有效氯用量;洪枫等[17]、葛培锦等[18]、于红等[19]研究表明,木聚糖酶预处理对麦草化机浆白度及可漂性的改善也有一定的作用。
3 木素酶木素降解酶的产生及其调控是一种复杂的现象。
普遍认为白腐菌产生的胞外酶中,对木质纤维特别是木素大分子有直接修饰与降解作用,其中研究最多的是漆酶(Laccase,EC.1.10.3.2)、木素过氧化物酶(Li Ps)和锰过氧化物(MnPs)。
其中以漆酶研究最为广泛。
漆酶是一种含铜的多酚氧化酶(Laccase,p-dinhenxidase),可以催化氧化多酚、氨基苯等物质。
漆酶是一种糖蛋白,肽链一般由500个氨基酸组成,糖基占整个分子的10%～45%。
糖的组成包括阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、岩藻糖、氨基己糖和葡萄糖,含糖质量分数在10%～80%[20]。
漆酶的催化氧化,主要表现在底物自由基的生成和漆酶分子中四个铜离子的协同作用。
当漆酶催化氧化酚类(氢醌)化合物时,首先是底物氢醌向漆酶转移一对电子,生成半醌2氧自由中间体,ESR可观察到明显的氧自由基信号。
其次是不均等非酶反应,两分子半醌生成一分子对苯醌和一分子氢醌。
氧自由基中间体还原转变成碳氧自由基中间体,它们可以自身结合或相互偶联,产物中除醌外还有聚合物和C—O、C—C 偶联产物。
在有氧条件下,还原态漆酶被氧化,氧气被还原为水,漆酶催化氧化底物和对氧气的还原是通过四个铜离子协同地传递电子和价态变化来实现的。
漆酶是一种含铜的酶蛋白,它的氧化还原电势较低,只能氧化降解酚型的木素结构单元,而不能氧化降解在植物纤维木素结构中占主要组分的非酚型单元。
3.1 降低打浆能耗漆酶预处理可以改善纸浆特性,降低磨浆能耗,漆酶改性前适宜的纤维素酶和半纤维素酶预处理会提高纤维的通透性,促使纤维表面细纤维化,进一步提高漆酶的预处理效果。
Mansfield[21]对漆酶改善辐射松机械浆的制浆性能发现,经漆酶预处理辐射松木片机械浆的磨浆能耗降低5%～8%,不改变其光学特性,强度也有所增加。
有研究[22]报道,在机械浆生产过程中,用漆酶浸渍木片可以降低磨浆能耗,大约可以节省机械浆生产过程的5%～8%。
J ujop[23]在20～90℃、p H值2～10条件下用漆酶对机械浆进行预处理,结果发现每吨浆打浆能耗从4680MJ降到3060MJ,节省动力约30%,且纸张物性得到改善。
纸浆质量达到化学热磨机械浆的水平。
在漆酶活性0.5U/ mL、初始氧化还原电势100mV及20℃条件下,对云杉TM P进行预处理,磨浆能耗降为1.27MJ/ kg[24]。
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