木聚糖酶用于麦草浆ECF漂白的研究

王治艳 陈嘉川 杨桂花

（山东轻工业学院制浆造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室，山东济南，250353）

木聚糖酶是降解半纤维素木聚糖的一组酶的总称，酶系组成比较复杂。木聚糖酶在制浆造纸工业中有着广泛的应用前景，可用于生物制浆、纸浆漂白、二次纤维回收及纸张表面处理等，特别是在纸浆生物漂白中的巨大应用潜力早已引起国内外造纸研究者的关注。木聚糖酶可去除部分沉积或覆盖/包裹木素的半纤维素，提高化学漂白剂的可及性，去除木素的同时减少了纤维的损伤。因此在漂白中应用木聚糖酶，不但可以减少漂白化学药品的用量，还可以改善漂白浆的强度性能。

木聚糖酶在纸浆漂白中并非直接漂白纸浆，而是通过改变纸浆的化学性质来辅助漂白。多数学者认为，在原料蒸煮过程中，木聚糖降解并部分重新沉积到纤维上，木聚糖酶能催化水解这些木聚糖，有利于纤维里面和表面的木素残片在后续的漂白和碱抽提段除去，同时部分LCC由于半纤维素的溶解而使残余的木素释放出来，便于其后的漂白［1］。

影响木聚糖酶作用的因素很多，主要包括两个方面，一是酶处理段的条件，包括木聚糖酶的种类、酶处理时间，酶处理时的pH值、温度、酶用量和纸浆浓度等［2］。二是其他一些因素，诸如制浆工艺、材种、纸浆洗涤、润胀和表面电荷等［3］。本实验主要探讨了木聚糖酶处理麦草烧碱蒽醌浆的影响因素。

1 实验

1.1 原料

实验所用未漂白麦草浆取自山东晨鸣纸业集团齐河板纸有限公司，制浆方法为NaOH-AQ法，在实验室内平衡水分后，测定水分备用，主要性质如表1所示。

表1 未漂NaOH-AQ麦草浆性质

1.2 稳态ClO2溶液及含量测定

稳态ClO2溶液由山东大学某公司提供，ClO2含量为2.23％。在每次使用前用4％的HCl按1∶1的体积活化，测定有效氯含量后使用。

测定方法［4］：用移液管吸取1mL待测溶液3份，分别置于250mL碘量瓶中，加20mL蒸馏水，再加10％丙二酸2mL，摇匀，静置反应2min后，加入2mol/L硫酸10mL，10％碘化钾10mL，此时溶液出现棕色。盖上盖并振荡摇匀后加蒸馏水数滴于碘量瓶瓶口边缘处，在暗处放置5min。打开盖，让瓶口边缘处蒸馏水流入瓶内。用硫代硫酸钠标准液滴定至溶液呈浅棕色，加入1％淀粉指示剂2mL，继续滴定溶液由蓝色至无色即为终点。记录消耗的硫代硫酸钠标准液的体积。

因为1mol/L硫代硫酸钠标准液相当于13.49mL的ClO2，故ClO2含量为：

C=M×V×0.01349/（W×1000）

式中，C为ClO2含量，g/L；M为硫代硫酸钠标准液的浓度，mol/L；V为滴定消耗的硫代硫酸钠标准液的体积，mL；W为碘量瓶中样液的体积，mL。

允许误差：取平行测定结果的算数平均值为测定结果。两次平行测定结果的绝对差值不大于0.01％。

1.3 木聚糖酶来源及活性的测定

AU-PE89木聚糖酶是通过培养Bacillus subtilis菌种而得到的。主要活性成分为一种可降解和溶解植物木聚糖的木聚糖酶（内-木聚糖酶）。AU-PE89木聚糖酶为浅黄粉末，易溶于水。酶活为85000IU/g。

活性测定［5］：取1mL 1％木聚糖溶液（pH值6的缓冲液配制），加入0.5mL缓冲液配制的粗酶液，置于50℃水浴酶解10min。用Miller法测定还原糖浓度（以木糖计）：加入3.0mL DNS（3，5-二硝基水杨酸）溶液终止反应，立即煮沸5min，冷却后加蒸馏水定容至25mL，测定混合液在550nm处的吸光度值。在上述条件下，1g固体酶粉1min内水解木聚糖，生成相当于1μmol木糖，还原物质的量为1个酶活力单位，以IU/g表示。

1.4 实验方法

（1）木聚糖酶处理（X）及各段漂白均在密封聚乙烯塑料袋内进行，并用恒温水浴锅加热。称取15g绝干浆并调好浆浓，调节反应pH值，之后将酶液加入袋中，使酶液与浆混合均匀，并放入恒温水浴锅内进行恒温处理。在此进程中每间隔15min取出均匀混合1次，以保证处理均匀。

V2O5经36％盐酸溶解，用蒸馏水稀释，计算浓度，然后根据用量加入漂白浆中。

（2）为便于测定麦草浆漂白中木聚糖酶处理的影响因素，本实验采用ClO2单段漂白，优化木聚糖酶工艺条件。反应条件：ClO2用量0.8％，反应时间150min，反应温度70℃，反应初始pH值4.0，浆浓10％。

1.5 检测

（1）卡伯值 按GB/T1546—1989标准测定。

（2）白度 浆样经纤维疏解器疏解后，在布式漏斗上抄成浆片，风干后用YQ-Z-48B数字显示ISO白度仪测定。

（3）黏度 按GB1548—89铜乙二胺法测定。

（4）纸浆物理强度［6］采用凯塞快速抄片器抄造定量为60g/m2的纸片并干燥，纸张物理强度均按国家标准测定。

2 结果与讨论

影响木聚糖酶辅助漂白的因素有很多。其中，酶用量、处理温度、时间、pH值和纸浆浓度等是5个重要的影响因素。这些影响因素相互联系，相互制约，共同对木聚糖酶的处理效果产生影响。

2.1 ClO2漂白中木聚糖酶处理工艺条件

2.1.1 酶用量对酶处理效果的影响

表2 酶用量对酶处理效果的影响

由表2可以看出，经酶处理后，随着酶用量的增加，麦草浆ClO2漂白浆白度先增加后降低，卡伯值先降低后略微增加，黏度先降低后增加但变化不明显。黏度变化较小说明该种木聚糖酶主要降解麦草浆中的半纤维素，对纤维素的降解作用不大，有利于保持纸浆的物理强度。从表2还可以看出，当酶用量超过6IU/g时，纸浆白度有所下降，同时卡伯值开始增加。因此，可以确定此木聚糖酶处理的最佳用量为6IU/g。

2.1.2 pH值对酶处理效果的影响

酶对pH值的变化很敏感，每种酶只能在一定的pH值范围内起作用，且有最佳pH值。pH值过高、过低都会影响酶蛋白的构象和酶与底物的荷电性质，从而影响酶的活性部位与底物的接近和结合［7］。酶在不同的pH值条件下会以不同的解离状态存在，而往往只有一种解离状态最适合酶促反应的进行。本实验考察了不同 pH值对酶处理效果的影响，实验结果见表3。

表3 pH值对酶处理效果的影响

由表3可以看出，随着pH值的增加，白度先上升后下降，当pH值为6.0时，白度最高，达到了53.1％，即pH值为6左右时，酶处理效果最佳。

2.1.3 处理时间对酶处理效果的影响

木聚糖酶处理浆料的时间对麦草浆白度、黏度、卡伯值的影响见表4。

表4 反应时间对酶处理效果的影响

从表4中可以看出，木聚糖酶处理时间对酶处理效果影响较为明显，随酶处理时间的延长，纸浆的白度先上升后下降，这可能因为被分解的木聚糖又重新沉积在纤维的表面与木素结合，使纸浆的白度反而下降，所以酶处理时间不宜过长。因为一旦被分解的木聚糖再次与纤维表面的木素结合成新的LCC，很难再被分离。这也是黏度先降低，在反应60min后反而增加的原因。卡伯值随着酶处理时间的增加有所降低，开始下降较快，在60min之后下降幅度有所减少。这是因为反应一段时间后，酶解产物对反应具有抑制作用，使反应速度慢慢下降。综合考虑认为，此木聚糖酶最适宜的处理时间为60min。

2.1.4 处理温度对酶处理效果的影响

酶的催化作用与处理温度有密切的关系。当酶用量和浆浓一定时，被酶催化的反应的反应速率在一定范围内随温度的升高而升高，但当温度超过酶的最适宜温度时，会引起酶的失活，从而导致反应速率降低。其他工艺条件一定，处理温度对酶处理效果的影响结果见表5。

表5 处理温度对酶处理效果的影响

从表5可以看出，升高温度能够改善漂白麦草浆的白度和卡伯值。随温度升高，纸浆白度先上升后下降，卡伯值先降低后升高，黏度变化不是很明显。这是因为在一定温度范围内，酶的活力随温度的升高而提高，反应速率也会相应加快。但超过一定温度后，酶蛋白的构象发生热变性，使得酶失活速率增大，当酶失活速率大于催化的速率时，漂白效率下降。因此，严格控制处理温度对于酶处理效果非常重要。结合实验数据，可以认为当温度为50℃时，酶处理效果最为理想。

2.1.5 浆浓对酶处理效果的影响

纸浆浓度的改变不仅会影响酶的浓度，也会影响纤维间的摩擦程度。表6为不同浆浓对木聚糖酶处理效果的影响。

表6 浆浓对酶处理效果的影响

从表6可以看出，当浆浓为8％时，纸浆白度达到最高值，卡伯值和黏度均降到最小值，这是因为当浆浓较低时，木聚糖酶的浓度也较低，它游离于溶液之中，与纤维结合的数量较少，酶的作用没有完全发挥。当浆浓较高时，虽然酶的浓度也较高，但是浆料与酶液混合不均匀，酶的作用也不能完全发挥，综合考虑纸浆白度、黏度及生产节水条件，处理浆浓控制在8％最好。

2.2 木聚糖酶处理对麦草浆ECF漂白的影响

根据上面实验所得到的木聚糖酶最佳处理条件，采用木聚糖酶对麦草浆DP、DEP、DED漂白进行预处理，结果如表7所示。

表7 木聚糖酶处理对不同ECF漂白的影响

由表7可知，经过木聚糖酶处理可以提高不同ECF漂白浆的白度。其中，DP漂白麦草浆的白度提高了1.0个百分点，DEP漂白麦草浆的白度提高了2.1个百分点，DED漂白麦草浆的白度提高了1.3个百分点。

3 结论

3.1 麦草浆ClO2漂白中，木聚糖酶的加入有助于提高漂白纸浆的白度。木聚糖酶AU-PE89最佳预处理工艺条件：酶用量6IU/g，pH值6.0，时间60min，浆浓8％，温度为50℃。而且，在最佳pH值和反应温度时，酶的作用更明显，白度提高更多。

3.2 经过麦草浆ClO2漂白实验还发现，木聚糖酶用量达到一定量后，即使延长反应时间，纸浆的白度也不再提高，这说明木聚糖酶的助漂作用是有限的，纸浆白度的提高幅度一般在3个百分点左右。

3.3 木聚糖酶处理的DP漂白麦草浆，漂浆白度为82.5％，木聚糖酶处理可使纸浆白度提高约1个百分点；对DEP漂白麦草浆，酶处理可使白度提高约2个百分点；DED漂白麦草浆，酶处理可使白度提高约1.3个百分点。这说明，木聚糖酶处理在麦草烧碱蒽醌浆的ECF漂白中可以提高纸浆的白度，而且对纸浆强度的影响不大。

［1］赵玉林，陈中豪，王福君.半纤维素酶在制浆造纸工业的应用研究进展［J］.中国造纸学报，2001，16（2）：146.

［2］武书彬，何北海.制浆造纸清洁生产新技术［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［3］Buchert J，TenkanenM，PitkanenM，et al.Role of surface charge and s welling on the action of xylanase on birch kraft pulp［J］.Tappi Journal，1993，76（11）：131.

［4］王少光，陈嘉川，杨桂花.丙二酸碘量法测二氧化氯含量［J］.中华纸业，2003，24（9）：43.

［5］王进喜，陈嘉川，杨桂花，等.EDTA后处理抑制纸浆手抄片返黄的研究［J］.中国造纸，2004，23（10）：4.

［6］石淑兰，何福望.制浆造纸分析与检测［M］.北京：中国轻工业出版社，2003.

［7］毛连山，尤纪雪，姚春才，等.木聚糖酶处理工艺对麦草浆漂白性能的影响［J］.中国造纸，2005，24（7）：6.