马尾松TMP纤维漆酶改性的表面分析

彭新文李新平任俊莉孙润仓钟林新

(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.陕西科技大学造纸工程学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,陕西西安,710021)

马尾松TMP纤维漆酶改性的表面分析

彭新文1李新平2任俊莉1孙润仓1钟林新1

(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.陕西科技大学造纸工程学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,陕西西安,710021)

采用漆酶对马尾松热磨机械浆(T MP)纤维进行表面改性,并利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)及X射线光电子能谱仪(XPS)对漆酶处理前后的T MP纤维进行表面分析。结果表明,漆酶处理前马尾松T MP纤维表面被一层颗粒状木素和抽出物覆盖;漆酶处理后,T MP纤维表面颗粒状的木素及抽出物变小、变少。漆酶处理后T MP纤维表面的氧碳比(O/C比值)升高,C1峰峰面积下降,表明漆酶处理后T MP纤维表面木素和抽出物减少,暴露出更多的亲水性基团,碳水化合物的含量提高。

漆酶改性;马尾松T MP;表面改性

机械浆纤维表面覆盖着较多的木素和抽出物,这些非碳水化合物的存在对纤维及其成纸性能具有决定性影响。研究表明,热磨机械浆纤维表面覆盖的木素残余物至少占总木素量的25%～35%;同时,热磨机械浆纤维表面被一层极薄的抽出物覆盖,这些抽出物占总抽出物的大半部分。纤维表面的这些木素和抽出物的存在不利于纤维的吸水润胀及氢键结合[1-2]。

近十几年来,人们开始对机械浆进行表面改性以提高其性能和满足更高的要求。在所有纤维表面改性方法中,生物改性是新发展起来的表面改性技术,可以达到其他改性方法难以达到的效果,具有环境友好、能耗低、对纤维无损伤等优点,因而逐渐引起人们的广泛关注,且也是最具发展前景的纤维改性方法[3-5]。

有研究表明,漆酶处理热磨机械浆不仅能够提高纸浆可漂性、白度,而且能改善纤维的打浆性能,进而提高成纸强度[6-8]。

原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱仪(XPS)已经被广泛应用于纸浆纤维表面结构及其主要成分如纤维素、半纤维素、木素和抽出物的研究。通过使用AFM研究了纤维表面的木素,并指出木素是以不规则或规则形态分布在纤维表面[9-10]。Johanna G等[11]研究表明,热磨机械浆表面有大量的无定形成分,它们可能是木素或抽出物。Koljonen K等[12]利用XPS研究了不同机械浆纤维表面的化学特性,结果表明,机械浆纤维表面的木素和抽出物含量达50%～75%(相对于表面总组分),而整个浆的该组分含量仅为30%(相对于原料总组分),这表明木素和抽出物大部分分布在纤维表面。

为进一步探讨热磨机械浆漆酶改性原理,本实验采用扫描电子显微镜(SEM)、AFM及XPS对漆酶处理前后的热磨机械浆纤维表面进行分析,重点探讨漆酶处理前后纤维表面形貌、木素形态的变化,并定量分析纤维表面的木素含量,初步探讨了漆酶改性的机理及其对纤维表面形态的影响。

1 实 验

1.1 原料

浆料:未漂马尾松热磨机械浆(简称为T MP),取自福建南平纸业,初始白度41.9%。浆料的处理过程:风干浆→浸泡24 h→打浆疏解1 h→甩干0.5 h→均衡水分48 h→备用。

酶液:由诺维信公司提供的商业用漆酶NS51003。酶活1000 LAMU/mL(不含半纤维素酶纤维素酶);介体:Sigma-Aldrich公司生产的2,2′-连氮-二(3-乙基噻唑-6-磺酸)(简称ABTS)。

1.2 T MP处理

将称好的T MP放入三口烧瓶中,置于恒温水浴锅中,温度50℃,调节pH值至5.0(用醋酸-醋酸钠缓冲液),调节浆浓至5%,加入漆酶酶液5 LAMU/g(对绝干浆),通入O2,加入0.05%介体(对绝干浆),不停搅拌使其与T MP均匀反应。

1.3 AFM分析

称约0.5 g T MP湿浆充分分散在200 mL去离子水中,用胶头滴管吸取少量纸浆悬浮液,滴在新鲜解离的云母片上,室温下风干,再用双面胶将云母片的另一面与铁片粘在一起。用漆酶处理前后的T MP制作3个样品,并保证每个样品上都有数根分散开的完整纤维。

使用Veeco公司NanoscopeⅢa型原子力显微镜在空气中进行轻敲模式成像。配置J型扫描器和晶体Si悬臂探针,扫描速率1.0 Hz,图像分辨率512×512 (pixels),同时记录形貌图和相图。用软件version5.13 r3对图像进行分析,从形貌图中提取高度和粗糙度等信息。

1.4 XPS分析

漆酶处理前后的T MP经充分洗涤后抄片,定量80 g/m2。在索氏抽提器中依次采用丙酮和蒸馏水对手抄片进行4 h抽提以去除抽出物。抽提后试样放置在洁净的金属板表面,在室温下风干。将纤维贴在干净的玻璃面上,用PHI-5300光电子能谱仪进行XPS检测。测试条件:X射线源采用镁靶,工作电压125 kV,电流20 mA,真空度3.1×10-7Pa。样品从C1s峰进行曲线拟合,线型为高斯线型。

1.5 SEM观察

纤维喷金后在JS M-5800型扫描电子显微镜上观察T MP纤维形态并照相。

2 结果与讨论

2.1 SEM分析

图1为漆酶处理前后T MP纤维的SEM图。由图1可知,漆酶处理前的T MP纤维表面光滑,表面被一层致密的角质状物质紧密包裹,观察不到细胞壁上的微细纤维,纤维的层状结构紧密,纤维挺硬;这层致密的角质物质很可能是制浆过程中软化的木素或抽出物在纤维冷却时重新覆盖在纤维表面[12]。漆酶处理后T MP纤维表面的角质状物质大部分被去除,表面粗糙,暴露出纤维表面的微细纤维,其在细胞壁上的走向清晰可见。这可能是由于漆酶处理破坏了T MP纤维表面的木素,同时减少了T MP纤维表面抽出物含量。由此可知,漆酶处理可对T MP纤维表面性能产生重要影响,表面形貌发生了很大变化。表面角质状物质的去除有利于浆料漂白,提高浆料白度或减少漂白药液的消耗[6];同时,表面微细纤维的增加有利于提高纤维间的氢键结合,提高纸张的强度性能[5];同时,纤维表面大量微细纤维的暴露有利于纤维的吸水润胀,提高浆料的打浆效果[7]。

图1 漆酶处理前后T MP纤维的SEM图

2.2 AFM分析

图2～图4为漆酶处理前后T MP纤维的AFM图,扫描尺寸1.0μm×1.0μm。

纤维表面高度图是通过明暗区域来表示的,亮的区域代表纤维表面较高的区域,暗的区域代表纤维表面较低的区域。由图2可知,漆酶处理前T MP纤维表面的高度图亮度较高,明暗对比明显,表明T MP纤维表面覆盖一层厚度不均一的木素及抽出物;漆酶处理后T MP纤维表面的高度图中暗区域面积减少且明暗区域交替比较规律,表明漆酶处理后T MP纤维表面的木素和抽出物减少。

图3为漆酶处理前后T MP纤维相位图。由图3 (a)可知,漆酶处理前T MP纤维表面被一层致密的颗粒状物质包裹,这些颗粒状物质的外形和尺寸不尽相同。这与现有的报道一致,即机械浆纤维表面被一层非碳水化合物包覆,这些覆盖在纤维的表面颗粒状物质是木素和抽出物。有研究表明,机械浆纤维表面不规则颗粒状物质为抽出物,而较规则的颗粒状物质为木素[12-14]。同时,在T MP纤维表面并没有看到明显的特定取向的微细纤维。可能是马尾松含有较多的木素和抽出物,T MP纤维表面的木素和抽出物覆盖较厚或纤维分离点比较靠近胞间层,纤维素少,微细纤维取向复杂等。

T MP纤维经漆酶处理后,表面依然存在着一定量的颗粒状物质,这些覆盖物大小不一,形状不一(见图3(b))。但与图3(a)对比可知,表面覆盖的颗粒状物质的尺寸明显变小,颗粒变少,特别是图3(a)中粗大的木素颗粒几乎观察不到,这表明在漆酶作用下发生催化氧化降解,大木素颗粒变小,小木素颗粒被去除,木素含量减少,但并没有完全去除,仍有不少存在于T MP纤维表面的微细纤维上。经漆酶处理后,T MP纤维表面能够明显看到微细纤维的取向,取向角大约45°,为纤维细胞壁S1层微细纤维的取向。

AFM可以提供物质表面的3D形貌图,反映所扫描物质表面的“山峰”和“山谷”等地形特征,以此表征物质表面的粗糙度,并采用相关的软件可以计算出粗糙度。粗糙度越高,说明T MP纤维表面越粗糙。漆酶处理前后T MP纤维的地形图见图4由图4(a)和图4(b)的地形图对比可知,漆酶处理前T MP纤维表面由于存在大量形状和尺度不一的颗粒状木素和抽出物,纤维表面起伏较大,比较粗糙,粗糙度为964.34 nm;漆酶处理后,T MP纤维表面颗粒状木素变小、变少,木素或抽出物对表面起伏影响较小,相对平整,粗糙度变小,降至681.49 nm。这表明T MP纤维表面的木素和抽出物被部分去除。

T MP纤维表面这层致密的木素和抽出物在漂白时需消耗较多的药品,不利于浆料白度的提高;同时,漆酶处理前,T MP纤维在打浆时不易分丝帚化,不利于成纸结合性能的提高。漆酶处理使得T MP纤维表面的木素和抽出物减少,暴露出更多的碳水化合物,这些结果与SEM的分析结果十分吻合。

2.3 T MP纤维表面化学分析

在纸浆中可被XPS分析只有C原子和O原子。C1s在纤维表面有4种结合方式,即C1、C2、C3、C4:①C1代表只与C、H连接的C原子(—C—H,—C—C),来源于纤维表面的木素和抽出物;②C2代表用σ键连有1个O原子的C原子(—C—O),来源于纤维素分子中和木素中羟基或醚键相连的C原子;③C3代表连有2个非羰基氧或1个羰基氧的C原子(O—C—O或CO),主要来源于木素分子中的酮基、醛基或纤维素分子的氧化产物;④C4代表连有1个羰基氧和1个非羰基氧的C原子(O—CO)。C1、C2、C3和C4的峰面积比就是其碳原子比,C1原子含量反映了原料中非碳水化合物成分的多少。

氧碳比值(O/C)表示纤维表面XPS探测深度范围内的O原子与C原子含量的比值。大量文献已经证实,在纤维素分子中不存在单一的C—C和C—H连接,因此C1峰只在木素和抽出物才出现。根据这一原理,如果C1峰面积越大,则C2、C3和C4的峰面积就越小,而由于O原子只有C2、C3和C4连接,因而O原子数也就越少,也就是说碳水化合物的含量就越低。因此,通过O/C比值可以反映T MP纤维表面的木素和抽出物含量。O/C比值越低,说明T MP纤维表面的木素和抽出物含量就越高。

2.3.1 T MP纤维表面O/C比值及碳价态分析

C1、C2、C3和C4分别代表了纤维表面不同的碳键连接方式,如果漆酶处理能够引起T MP纤维表面木素和抽出物等组分的变化,这势必会引起O/C比值及C1s比值各价态比例的变化。

据文献报道,C1峰主要来自木素和抽出物,而碳水化合物则主要体现在C2和C3峰上[15-16]。从理论上讲,纯的纤维含有83%的C2峰面积、17%的C3峰面积而没有C1。半纤维素的碳连接方式则与纤维素非常相似,即在半纤维素的所有碳原子中都至少连接1个氧原子。木素一般具有较高的C1峰面积比例,而抽出物具有最高的C1峰面积比例,因为抽出物主要是一些碳氢化合物,如松香酸就具有95%的C1峰面积。

图5和图6分别为漆酶处理前后T MP纤维的C1s分峰曲线图,而各碳价态的变化情况如表1所示。

表1 漆酶处理前后TM P纤维的O/C比值及C1s峰分峰面积

由图5、图6和表1可知,漆酶处理后T MP纤维表面的O/C比值明显增大(由原来的0.394变为0.419,提高了6.4%),同时峰位向高结合能方向漂移,表明漆酶处理后T MP纤维表面有较高的碳水化合物含量,木素和抽出物含量有所降低。

漆酶处理后,T MP纤维表面C1峰面积由原来的35.8%变为31.2%,下降了12.8%。而C2和C3峰面积则分别提高了6.0%和25.6%,C4峰面积则稍有降低。如前所述,C1峰面积的下降意味着漆酶处理后T MP纤维表面木素和抽出物含量的减少,碳水化合物含量的提高,这一点从C2和C3峰面积的提高也可以得到进一步说明,且这个结果与O/C比值的变化趋势是一致的。可见,通过比较漆酶处理前后T MP纤维表面碳价比的变化,进一步证实了漆酶处理对纤维表面木素和抽出物的去除作用。

2.3.2 T MP纤维表面木素的定量分析

在制浆造纸分析中,XPS除了可以用于分析纤维表面的O/C比值和C1s峰的碳价比以外,还可以用于定量分析纤维表面的木素含量。如前所述,由于纯的纤维素和半纤维素分子中不会出现C1峰,因此,如果纤维中的抽出物被完全去除,则可以认为C1峰完全来自木素。植物纤维原料的上述特征原则上提供了一种通过C1峰来定量测定纤维表面木素含量的方法。将试样抽提后进行分析,常用的抽提剂为丙酮和二氯甲烷(DCM)。

据文献报道[12-13,17-18],如果已知纤维表面的O/C比值或不同价态碳的数量,则可以利用式(1)来估算纤维表面木素的含量。

式(1)中:φ木素—纤维表面木素的含量;C1抽提—抽提后纸浆的C1含量;52.6—指磨木木素的C1含量;α—纯纤维中C1的测量值,一般取2%。

本研究利用丙酮来抽提T MP纤维,并依据式(1)来计算T MP纤维表面木素含量,根据表1中的数据, T MP纤维表面木素计算结果如表2所示。由表2可知,不管是漆酶处理前还是漆酶处理后的T MP纤维,其表面木素的含量远远高于其总木素的含量。由此可知,T MP中木素主要集中纤维表面。

表2 马尾松TM P纤维表面木素含量

3 结 论

3.1 扫描电子显微镜(SEM)及原子力显微镜(AFM)分析表明,未经漆酶处理的马尾松T MP纤维表面被一层致密的且外形和尺寸不一的颗粒状木素和抽出物覆盖,纤维表面并没有看到明显的特定取向的微细纤维,纤维表面起伏较大,比较粗糙;经漆酶处理后,T MP纤维表面颗粒状木素变小、变少,暴露出纤维素面的微细纤维,纤维表面相对平整,粗糙度变小。

3.2 X射线光电子能谱仪(XPS)对漆酶处理前后T MP纤维表面氧碳比(O/C比值)的分析结果表明,漆酶处理后T MP纤维表面的O/C比值上升了2.5%,同时C1s峰位向高结合能方向漂移,说明漆酶处理后的T MP纤维表面有较高的碳水化合物含量,木素含量有所降低。

3.3 通过对T MP纤维表面C1s峰的研究表明,经漆酶处理后的纤维表面C1峰面积下降了12.8%,而C2和C3峰面积则分别提高了6.0%和25.6%,C4则稍有降低。C1峰面积的下降意味着漆酶处理后T MP纤维表面暴露出更多的亲水性基团,碳水化合物含量提高。

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Abstract:The effects of laccase modification on the surface morphology and chemistry ofmasson pine ther mo-mechanical pulp(T MP)fibre were investigated by scanning electron microscope(SEM),atomic force microscopy(AFM)and the X-ray photoelectron spectroscop (XPS)in this paper.Itwas found that the surface of T MP fibres was covered with lignin and extractives,which markedly decreased afte laccase modification.Moreover,the fiberwith laccase modification had a higherO/C ratios and a lower C1 peak than the control fiber,an the C1s peak shifted to the higher binding energy direction.This implied that less lignin and extractives and more carbohydrate presented o the fiber surface when the fibre was treated with laccase.

Keywords:laccase modification;T MP;surface modification

(责任编辑:陈丽卿)

Surface Analysis of theMasson Pine TM P FiberM odified with Laccase

PENG Xin-wen1,＊L IXin-ping2REN Jun-li1SUN Run-cang1ZHONG Lin-xin1
(1.State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640;
2.College of Paper m aking Engineering,Shaanxi University of Science&Technology,Key Laboratory of Paper Technology and Specialty PaperDevelopm ent of Shaanxi,Xi'an,Shaanxi Province,710021)
(＊E-mail:wenwenpeng1229@163.com)

Q55;TS743.14

A

1000-6842(2010)02-0011-05

2009-11-01(修改稿)

国家重点基础研究发展计划(973计划)(210CB732201);国家自然科学基金(30710103906);华南理工大学中央高校基本科研业务费专项资金资助;制浆造纸工程国家重点实验室开放基金资助(200815)。

彭新文,女,1982年生;博士;主要研究方向:植物资源化学。

E-mail:wenwenpeng1229@163.com