复合纤维素酶对杨木SGW浆的游离度和纤维比表面积的影响

论文与报告收稿日期:1999206229(修改稿)本研究得到了中国博士后基金的资助。

复合纤维素酶对杨木SGW 浆的游离度和纤维比表面积的影响管　斌　(山东轻工业学院,济南,250100)隆言泉　谢来苏　胡惠仁　(天津轻工业学院,天津,300222)摘　要　研究了杨木SGW 浆酶改性过程中,酶解产物、浆的游离度增加值和纤维的比表面积的变化规律。

结果表明,在酶解初期,复合纤维素酶很快吸附到SGW 浆纤维的表面发生酶解,使还原糖产生速率较高,而液相中酶蛋白浓度下降很快。

伴随酶解过程的进行,浆的游离度增加值和纤维的比表面积呈现“波浪形”变化。

这可能是复合纤维素酶的酶解作用使纤维表面产生“剥皮效应”所致。

关键词　复合纤维素酶　酶解　游离度　纤维比表面积　 杨木磨石磨木浆(SGW )具有高得率、低成本、适于抄造新闻纸的特点[1],但它的滤水性能差,纸的强度以及表面强度较低。

因此,有必要对杨木SGW 浆进行改性处理。

近年来,利用复合纤维素酶对纸浆纤维改性也是造纸工作者非常感兴趣的研究课题[2]。

杨木SGW 浆与化学浆和化机浆不同,其纤维细胞壁未经脱木素处理,木素含量高,结构紧密,细胞壁各主要化学成分基本上接近其天然状态。

研究复合纤维素酶对杨木SGW 浆的酶解进程,对天然植物纤维酶解机制和机械浆酶改性机理的研究具有指导意义。

研究复合纤维素酶对杨木SGW 浆改性过程中浆游离度及纤维比表面积的变化,对于杨木SGW 浆酶改性机理和酶改性效果的研究,以及酶改性的应用都是非常必要的。

1　实验材料与方法111　实验材料11111　酶样制备　酶样由Nov o Nordisk 公司生产、提供。

它是由里氏木霉(T.reesei )发酵制得。

11112　浆样制备杨木SGW 浆取自吉林造纸厂。

风干浆在使用前,用水浸泡24h 后,经标准疏解器疏解,用筛浆机筛选,用尼龙绸布袋接浆,手拧脱水、撕碎,平衡后测定水分,备用。

112　实验方法11211　还原糖测定　上清液参照Miller [3]的方法对还原糖进行分析测定。

11212　酶活力测定　纤维素酶活力:滤纸酶活(FPA )和CMC 酶活参见Mandels 等[4]的测定方法进行分析测定。

木聚糖酶活力:取25ml 刻度试管,加入经适当稀释的酶液0.5ml 和1ml 1%木聚糖缓冲溶液,在50℃保温30min 。

用DNS 试剂测定所形成的还原糖量,并扣除空白。

其酶活力单位用国际酶活力单位表示。

11213　蛋白质浓度(g/L )　取纤维悬浮液的上清液,用Lowery 法[5]测定蛋白质浓度,以牛血清白蛋白作为标准蛋白质。

1中　国　造　纸　学　报　Vol 115　2000Transaction of China Pul p and Paper11214　纸浆的游离度(ml ,CSF )　参照ISO5267/2测定方法进行测定。

11215　纸浆纤维的比表面积的测定　把一定量纸浆配成纤维水悬浮液,经脱气处理后,用渗透式测定仪(Pulmac Permeability Tester )测定纸浆的比表面积(m 2/g )[6]。

2　实验结果与分析211　以杨木SGW 浆为底物的酶解进程曲线探讨复合纤维素酶对杨木SGW 浆的酶解进程,对于深入研究杨木SGW 浆酶改性机理在理论上具有指导意义[7]。

杨木SGW 浆中木素和半纤维素含量较高,纤维结构较紧密,浆中各主要化学成分接近天然状态。

复合纤维素酶对杨木SGW 浆的酶解与化学浆和纯纤维素(如滤纸)相比有所不同。

因此,有必要探讨复合纤维素酶对杨木SGW 浆的酶解进程。

试验结果图1　以还原糖为测定参数的杨木SGW 浆酶解进程曲线见图1。

从图1可以看出,在反应初期(0～1h ),还原糖产生速率较高;伴随酶解时间的延长,还原糖产生速率下降。

酶解时间超过5h ,还原糖浓度趋于恒定。

其原因可能是在反应初期,复合纤维素酶很快吸附到SGW 浆纤维以及细小组分的表面,并发生酶解反应,所以还原糖产生速率较高。

随着酶解时间延长,酶解产物,如可溶性碳水化合物、纤维二糖和葡萄糖等浓度逐渐增加,它们对酶系中的外切2β2纤维二糖分解酶(CBH 酶组分)和内切2β2葡聚糖酶(EG 酶组分)产生的抑制作用也逐渐增强。

同时,随着纤维以及细小组分表面的酶解,其表面的木素以及结晶纤维素的含量增加,从而使还原糖产生速率下降。

当酶解时间超过5h 后,纤维素酶失活相对增加,酶解产物还原糖特别是纤维二糖和葡萄糖的大量积累对酶活的抑制作用,以及纤维表面的结晶纤维素和木素相对含量增加对酶解的抑制作用等,使得酶解速率非常低,表现为还原糖产生速率极为缓慢,故还原糖浓度趋于恒定。

212　酶解过程中酶蛋白浓度的变化图2　酶解过程中酶蛋白浓度的变化图2反映了酶解过程中酶蛋白浓度的变化情况。

从图2可看出,酶解初期,液相中酶蛋白的浓度迅速降低;2h 之后,液相中酶蛋白浓度随酶解时间的延长变化很小。

这可能是因为酶解初期,液相中的酶蛋白迅速吸附到SGW 浆纤维的表面,使得液相中酶蛋白浓度迅速降低。

随着酶解时间的延长,酶蛋白在纤维表面的吸附与解吸达到动态平衡,使纤维表面酶蛋白的吸附量趋于恒定。

由此可得出,在酶解反应过程中,酶解初期酶蛋白迅速吸附到纤维表面,使还原糖产生速率最大。

也可以说,在实验条件下,酶蛋白在纤维表面吸附量越大,纤维酶解速率越高。

而纤维表面酶蛋白的吸附量与纤维的表面积有很大关系。

比表面积大,酶蛋白吸附强度大,酶解速率就快,浆中细小组分的比表面积较大,故酶解速率较快。

从酶解过程中还原糖浓度和酶蛋白浓度的变化可看出,纸浆纤维的酶解进程可分为三个阶2中　国　造　纸　学　报第15卷段,即酶解初期阶段、酶解速率渐变阶段和酶解速率较低的后期阶段(稳定期)。

在酶解初期阶段,酶解初速率较高,还原糖产生速率随时间变化呈直线上升关系。

在这一阶段,酶吸附于纤维表面,因半纤维素较容易被复合纤维素酶酶系中的半纤维素酶所酶解;另外,纤维素酶和半纤维素酶的协同作用,使纤维表面的无定形区被酶解,增加了纤维表面的通透性,有利于进一步向内对纤维进行酶解。

在酶解速率渐变阶段,酶解速率逐渐下降。

这可能是因为随酶解时间的延长,复合纤维素酶对纸浆纤维的酶解,使纤维结晶度逐渐升高;酶解产物如寡聚纤维二糖、纤维二糖和葡萄糖等的逐渐积累,对酶活力产生抑制作用逐渐强化,从而使酶解速率逐渐下降。

在酶解速率较低的后期阶段(稳定期),随酶解时间的延长,纤维的结晶度有很大的提高;酶解产物的大量积累,对酶活力的抑制作用更加强化,使酶解速率大大降低,并逐渐趋于稳定。

一般根据具体要求,按照酶解进程,适当控制酶解时间。

对于复合纤维素酶活力分析而言,通常酶作用时间控制在酶解初期阶段。

对于复合纤维素酶对纸浆改性一般酶处理时间控制在酶解初期和酶解速率的逐变阶段。

如果将纤维素原料酶解来生产葡萄糖,一般利用物理、化学方法预处理以改变纤维素结构,更有利于纤维素完全酶解。

通常酶解时间控制在酶解后期阶段。

213　酶处理时间对杨木SGW 浆游离度增加值的影响图3是酶用量为115IU/ml 时,酶处理时间对杨木SGW 浆游离度增加值的影响。

由图3图3　酶处理时间对杨木SGW 浆游离度增加值的影响可看出,酶用量一定时,浆的游离度增加值随酶处理时间延长呈“波浪形”变化。

酶处理时间为0～2h ,浆的游离度增加值增加较快,浆的游离度增加值从0增加到166ml (CFS )。

酶处理时间在2～4h 范围内,浆的游离度增加值随时间的延长呈下降趋势,4h 时降到一个较低值,而后,随酶处理时间的延长,浆的游离度增加值又呈上升趋势,上升到一个较高值后又呈下降趋势。

总的来看,浆游离度增加值随酶处理时间延长而增加,在增加的过程中出现波动。

但随时间延长,波动的每一峰值和低谷值相应都有所上升,而且波动幅度逐渐减小。

上述过程可能是在酶处理初期0～2h 时,复合纤维素酶很快被纤维和细小组分表面所吸附而发生酶解,细小组分对酶的吸附能力较强,使其表面酶解作用更强些。

酶解作用使得纤维和细小缉分表面水化程度逐渐下降,同时有少部分细小组分被酶解去除,表现为浆的游离度增加值明显上升。

酶处理时间在2～4h 时,随时间延长,酶在纤维表面酶解作用的进一步深入,产生所谓“剥皮”作用使纤维表面逐渐分离出细纤维,可称为纤维表面的细纤维化。

纤维表面水化程度又呈增加趋势,即纤维比表面积呈增加趋势,故浆的游离度增加值又呈下降趋势。

当酶处理时间为4h ,浆的游离度增加值下降到一个低值后,而后又由于酶的吸附继续发生、纤维表面的进一步的酶解作用。

同时,纤维表面分离出的细纤维也可继续进行酶解,使纤维表面的水化程度下降,纤维的比表面积下降。

所以,浆的游离度增加值呈上升趋势,而上述这种现象重复出现,就是游离度增加值出现波动的可能原因。

浆的游离度增加值的波动,下一个峰值或低谷值高于上一个峰值或低谷值,这可能是由于纤维表面的酶解以及酶解“剥皮”效应随着时间的延长,酶解作用的持续使得纤维表面木素暴露的逐渐增多,酶解使纤维表面层层“剥皮”效应,纤维表面分离出细纤维作用逐渐减弱。

即游离度增加值波动的每一个峰值和低谷值相应3　第15卷复合纤维素酶对杨木SGW 浆的游离度和纤维比表面积的影响随时间延长都有所增加,而且波动幅度逐渐减小。

214　酶处理时间、酶用量对杨木SGW浆纤维比表面积的影响21411　酶处理时间对杨木SGW浆纤维比表面积的影响在上述酶处理过程中杨木SGW浆的游离度增加值出现了波动现象。

对于上述现象的解释可能是酶解过程中有纤维表面“剥皮”效应或者表面起毛现象。

如果有这种情况,那么相对应的纤维表面积也会随酶解过程的进行出现波动。

所以,又测定了酶解过程中,与游离度增加值相对应的纤维比表面积。

其结果见表1。

由表1可看出,酶处理时间为0～2h时,随时间的延长,纤维比表面积下降,在2h时出现一个低值。

这可能是由于酶开始与浆作用时,首先被纤维和细小组分所吸附发生酶解反应。

因细小组分具有较大的比表面积,更易于吸附酶而发生酶解反应。

酶处理初期,反应主要发生在纤维和细小组分表面,更多地发生在无定形区域。

随时间的逐渐延长,纤维比表面积下降,表现为浆的游离度增加值升高。

在2h时纤维比表面积降到一个低点。

当酶处理时间在2～4h时,纤维比面积又逐渐增加。

这可能是随着酶被吸附于纤维表面,以及酶解从纤维表面进一步向内的深入,纤维表面层细纤维之间松动,酶解作用在纤维表面产生“剥皮”效应,即纤维表面分离出细纤维。

随着时间延长,纤维表面逐渐剥皮,产生细纤维。

纤维的细纤维化程度提高,纤维表面水化程度提高,从而使纤维比表面积呈增加的趋势,表现为浆的游离度增加值呈下降趋势。

当酶处理时间在4～12h时,纤维表面进一步吸附酶发生酶解,酶解从纤维表面进一步向内深入。