麦草浆生物漂白改性技术

崔红艳 刘 玉

（山东轻工业学院，制浆造纸科学与技术教育部重点实验室，山东济南，250353）

麦草浆生物漂白改性技术

崔红艳 刘 玉

（山东轻工业学院，制浆造纸科学与技术教育部重点实验室，山东济南，250353）

近年来，国际上对微生物分解木聚糖系统的研究日益关注，尤其是在纸浆漂白方面的应用。本文大体分析了目前纸浆漂白方面所面临的问题，以及生物漂白作为一种环境友好型的漂白工艺被提出。介绍了生物漂白的定义及目的；列举了目前用于纸浆漂白的微生物和酶；对纸浆生物漂白机理进行了简单的阐述；另外介绍了木素生物降解的酶学机制，简述了木素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶作为木素降解酶用于纸浆漂白的作用机理；最后总结了生物漂白的发展过程及存在问题。

生物漂白 漂白机理 白腐菌 木素过氧化物酶 锰过氧化物酶 漆酶

自1799年美国发明漂白粉（次氯酸钙）后[1]，国外用漂白粉漂白纸浆成为机制纸生产的主要漂白法；清朝末年，我国传统手工纸生产中亦逐渐改用漂白粉或漂白粉精来漂白纸浆，使生产周期大大地缩短，但也带来了因使用不当造成纤维素氧化降解，纸在储存和使用中发生返黄现象，使一部分高级手工纸的耐久性严重下降；19世纪出现用亚硫酸氢盐、连二亚硫酸盐漂白机械浆，到20世纪，漂白进入全新的发展阶段，氧漂、碱抽提、二氧化氯以及多段连续漂白等，被认为是发展方向；20世纪70年代开始，对环保愈来愈关注，人们开始探索新的高效环保的漂白技术和工艺。近20年来国外由于环境保护要求日益严格，机制纸生产已趋向用含氧漂白剂取代含氯漂白剂，开发出氧气漂白或称“氧脱木素”，双氧水(过氧化氢)漂白和臭氧漂白等新技术。80年代中期芬兰生物学技术研究中心(VTT)和加拿大制浆造纸研究所（PAPRICAN）研究了生物漂白法[2]。

在制浆过程中，木质素被大量除去，残余木质素多以复合物形式存在[3]。因为此复合体结构稳定，所以常规漂白需大量漂剂才能被除去。但经生物酶处理后，其间的LCC键被打断，半纤维素被降解为低聚糖或单糖，也有少量纤维素被降解为纤维二糖或葡萄糖。此外，部分LCC中的木质素分子变为小分子。这样，LCC分子变小，部分小分子LCC也溶出。未溶出的LCC中木质素被更多地暴露出来。在相同漂剂用量时，因暴露出的木质素容易与漂剂反应而被脱除，因此可提高浆料的白度。

纵观漂白技术的发展，最快的是氧脱木素，而臭氧、生物法则是刚刚起步，这些发展足以说明，未来的漂白工业可以做到低污染甚至无污染，做到清洁生产。

1 纸浆生物漂白技术介绍

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。

生物漂白法对操作环境等要求较高，且处理时间长，但一旦工艺成熟，即可成为无污染漂白的生力军。

2 用于纸浆漂白的微生物和酶

2.1 用于纸浆漂白的微生物有：真菌、放线菌和细菌

真菌能把木质素彻底降解为CO2和H2O。降解木质素的真菌主要分为三类：白腐菌、褐腐菌和软腐菌。白腐菌在木质素的生物降解中占有十分重要的地位，白腐菌多数是担子菌，少数为子囊菌，黄孢原毛平革菌是研究最多的木质素降解菌[4]。

木质素被降解的关键是黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）产生的胞外木质素过氧化物酶系的作用。该酶系包括木质素过氧化物酶（Lignin peroxidase，简称 Lip）、锰过氧化物酶（Mndependent peroxidase，简称 MnP），除此之外，还有虫漆酶、HRP、CDH 等酶类。 云芝（Corilus versicolor）是一种非常重要的白腐菌，对木质素的降解能力较强。在云芝的木质素降解过程中，漆酶活力较高而木素过氧化物酶、锰过氧化物酶活力较低，它们对木质素的降解率比黄孢原毛平革菌提高近一倍，漆酶在云芝的木质素降解过程中起非常重要的作用。

培养条件如碳源、氮源、pH值、温度对白腐菌降解硫酸盐木质素的作用有明显影响。在白腐真菌胞内，除含有利用H2O2的过氧化物酶系外，还分泌利用O2的多酚氧化酶系，主要为漆酶（laccase），该酶需要依赖氧和助剂的存在才能有明显的脱甲氧基和脱木质素作用。

2.2 用于纸浆漂白的酶主要有两类：半纤维素酶（Hemicellulase）和木素降解酶（Ligninase）

半纤维素酶包括聚木糖酶（Xylanse）和聚甘露糖酶（Mannanase）；木素降解酶主要有木素过氧化物酶 （Lignin peroxidase）、 依赖锰过氧化物酶（Manganese peroxidase）和漆酶（Laccase）。

3 纸浆生物漂白机理

细菌对木素降解能力表现在它们对白腐菌降解木素的中间产物的利用，主要是放线菌和链霉菌，放线菌以分支菌丝生长，与丝状真菌相似，能穿过木质纤维培养基。链霉菌在降解木素的同时也大量降解纤维素等碳水化台物，为其生长提供碳源。与白腐菌不同的是，它们在初级代谢阶段，通过脱甲基芳环断裂和木素单体侧链氧化等途径降解木素。细菌降解木素以对木素大分子或单元结构的修饰为主，很少能直接使木素分子降解为CO2很多细菌能够降解很多种类的木素模型化合物，然而，细菌不能直接降解木材或木材细胞壁内部的缩合型木素。

对一种末命名的耐热放线菌EM（电子显微镜）研究表明，它能降解桦木纤维细胞壁，该放线菌的菌丝能够在细胞次生壁中发育，形成明显的细胞壁分离区域特征，降解区域从放线菌细胞向周围的胞间纤维呈放线状分布，细胞壁结构逐渐变薄，这表明放线菌能降解木素。

子囊菌纲能在潮湿环境中作用木质纤维，产生孔隙，在一定条件下，也攻击在胞腔内与菌丝接触的次生细胞壁。EM观察表明，当菌丝穿透S2层并形成孔隙后，在次生壁降解位点发生碳水化合物溶解的现象。大量的超微结构研究表明在木材纤维S1层也会出现孔隙现象，随着微菌丝或微细菌丝（大约0.5μm）从胞腔内进入S2层后会形成一种新的T－形分枝。木素类型和含量的微分布对孔隙的形成与扩大有很大的影响。当子囊菌和半知菌丝穿透胞间层区域后，由于木素含量较高的S2层可起一种屏障的作用（如胞间层区域），抑制孔隙的形成，导致在横截面上形成一种“半月形”孔现象。

高等子囊菌对细胞壁有两种主要的降解形式：①从胞间层向细胞腔内侵蚀，但胞间层并不降解，②侵蚀首先发生在细胞腔内壁，然后向次生细胞壁S2层发展，这类侵蚀常导致一种不规则孔洞的形成。

高等子囊菌对紫丁香基型木素有效强的降解能力，阔叶木细胞壁中有较高含量的紫丁香基型木素；高等子囊菌对愈创木基型木素分子的选择性降解能力较小，这也反映了在自然环境条件下，高等子囊菌对裸子植物细胞壁降解程度较低的原因。

白腐菌是自然界中唯一一类具有独立降解木素能力的微生物。对细胞角区域木素的选择性降解是白腐菌的一个较普遍现象，而在缺乏木质化的细胞角区域，多糖的降解优先于木素的降解。TEM观察结果符合一种非酶降解过程的假设，非酶降解常被认为是木素降解的最初过程，只有细胞壁结构受到较深程度的降解时才会形成降解圈。在细胞壁差异降解过程中，S3或S2层结构仍完好，但细胞腔体积减少了。

4 木素生物降解的酶学机制

聚木糖酶的助漂机理：聚木糖酶的助漂机理目前在学术界尚有争议，可能的解释有两种：（1）聚木糖酶作用于浆中存在的半纤维素，使其主链断裂，导致纤维细胞壁结构产生局部疏松，从而有利于进一步脱除残余木素和降低漂剂用量；

（2）聚木糖酶处理纸浆主要是利用内切聚木糖酶降解、溶出回吸到纸浆纤维上的聚木糖，提高纤维表面的通透性和木素的可及度，使漂白处理时漂剂易于与残余木素作用，从而有利于残余木素的溶出。

对麦草浆的研究表明，木聚糖酶的助漂作用是由于纤维中木聚糖的降解而引起的，木聚糖酶的作用是通过水解半纤维素以增加木素的溶出，而非直接作用于木素。

木聚糖酶在漂白中的作用机理有如下三种解释[12]：Ⅰ：木聚糖酶降解木聚糖的同时破坏了LCC联接，从而有利于这部分木素的脱除；Ⅱ：木聚搪酶通过水解部分被吸回的木聚糖可使残余木素暴露出来，使得化学药品容易与残余木素发生作用，从而达到脱木素的目的；

（3）通过降解纸浆纤维中的半纤维素，使得纤维细胞壁变得疏松，从而使木素容易抽提出来。

直接催化木素大分子修饰与降解的主要酶类：

木素过氧化物酶是一种胞外酶，最先在白腐菌Phanerochaete chrysosporium磨木木素培养基中发现，被认为是P.C木素降解酶系统中最主要的组分，木素过氧化物酶预处理能增加残余木素中的紫丁香基结构单元、对经苯基、甲氧基、酚羟基以及小分子质量木素的降解溶出，增强木素的反应活性，为H2O2漂白提供了有利条件，可强化漂剂与木素酚型结构单元和紫丁香基结构单元的反应，使得发色基团、助色基团减少，木素溶出量增加，溶出木素分子质量明显增大，纸浆白度提高，结晶度增加。木素过氧化物酶以低浓度的H2O2为氧化剂，经历一个双电子氧化步骤和两个单电子还原步骤，使非酚型木素分子氧化成为阳离子游离基，游离基再进行一系列非酶反应导致脂肪族侧链和芳香环断裂，特别是使非酚型木素模型物中β-1和β-O-4结构中的Cα-Cβ链断裂，木素大分子中富含β-1和β-O-4结构，这也就是普遍认为木素过氧化物酶在木素生物降解中起十分重要作用的原因。

木质素模型化合物的Cα-Cβ断裂现已基本确定，通过单电子转移机制，LiP催化氧化β-1非酚型木质素模型化合物为其芳香正离子自由基，经Cα-Cβ断裂形成3，4-二甲氧基苯乙醇自由基和质子化形式的藜芦醛。木素过氧化物酶有5种氧化状态，自然状态的木素过氧化物酶含有高旋的FeⅢ。被H2O2氧化失去两个电子形成LiPⅠ （氧带铁卟啉环自由基），LiPⅠ经单电子还原形成LiPⅡ （氧带铁叶琳环），再经一次单电子还原后，LiPⅡ回到酶原初状态，从而完成了整个催化循环。

如果LiPⅡ跟过量的H2O2反应，则生成催化性能较低的 LiPⅢ（FeⅡ－O2-·P）或（FeⅡ－O2P）

锰过氧化物酶在木素生物降解过程中起着十分关键的作用，特别是在木素大分子降解的初始阶段。锰过氧化物酶氧化Mn（Ⅱ）形成Mn（Ⅲ），然后Mn（Ⅲ）氧化酚型木素低聚体或单体，Mn（Ⅲ）能够将酶蛋白还原到原初状态，完成整个催化循环圈。Mn（Ⅲ）在氧化酚型底物前必须和一种螯合剂结合，如Mn（Ⅲ）＋络合物是一种自由的可扩散氧化因子,有机酸如丙二酸、丙酮酸、苹果酸是一种较好的螯合剂。锰过氧化物酶存在的一个特征是在白腐菌细胞膜外以及白腐菌的木质纤维细胞壁S3或S2层出现典型的氧化锰结晶。

MnP以在木素中广泛存在的Mn2+为酶反应底物，循环始于含有Fe3+的酶与H2O2或有机过氧化物结合形成铁过氧化物联合体，同时亚铁血红素上的2个电子转移到过氧化物的双氧键上,使其断裂释放出1分子H2O，并形成活性氧络合Fe4+卟啉联合体-MnP-CompoundⅠ；接着由一个螯合的Mn2+作为电子供体将MnP-CompoundⅠ还原为MnP-CompoundⅡ，自身被氧化为Mn3+；随后MnP-CompoundⅡ再被一个螯合的Mn2+还原回原型，完成该循环，放出2个分子H2O。Mn3+通过螯合作用与有机酸（如草酸、丙二酸、苹果酸等）结合形成稳定的高氧化还原电势，螯合的Mn3+作为可扩散的氧化还原介质氧化苯酚、甲氧基芳香族化合物、硝基/氯代芳香族化合物和有机酸。另外，MnP对高浓度的H2O2敏感,易被氧化为无活性的氧化态CompoundⅢ。

漆酶作为木素降解酶用于纸浆漂白的研究是最晚的[12]，但发现却最早，早在1883年人们就发现了漆酶与木素生物降解关系密切，但长期以来一直未能应用于纸浆的漂白中，因为它的氧化还原势较低（300～800mV），只能氧化降解酚型木素结构，而对植物木素结构占90%的非酚型结构却不能氧化降解。从1990年发现漆酶在传递电子的介体(ABTS）帮助下具有氧化非酚型的木素模型化合物以后，吸引了许多科学家研究漆酶的纸浆生物漂白。包括两种反应：一是在氧存在下，介体被漆酶氧化，氧还原成水；二是氧化了的介体对木素的氧化，介体在这个过程中充当了传递电子的邮差角色。

漆酶催化的木素分子降解反应不需要H2O2参与[13]，因此，一般认为漆酶催化反应是木素大分子降解的启动步骤之一。漆酶催化氧化机制主要表现在底物自由基的生成和漆酶分子中4个铜离子的协同作用。当漆酶催化酚类（如氢醌）氧化时，首先是底物氢醌向漆酶转移1个电子，生成半醌－氧自由基中间体。其次是不均等非酶反应，2分子半醌生成1分子对苯醌和1分子氢醌。氧自由基中间体还能转变成碳自由基中间体，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。氧气存在下，还原态漆酶被氧化，氧气被还原成水。漆酶催化底物氧化和对氧气的还原是通过4个铜离子协同地传递电子和价态变化实现的。

5 生物漂白的发展过程及存在问题

在1986年国际制浆造纸工业生物技术研讨会上，芬兰科学家viikari等首次报道了用聚木糖酶预处理松木和桦木硫酸盐浆，能改善其漂白性能，减少氯气的用量，提高纸浆的白度，吸引许多人研究半纤维素酶的漂白作用，在短短几年内就实现了从实验室到工业化的过程。1989年，在芬兰一日产l000t的工厂里首次进行硫酸盐浆聚木糖酶辅助漂白的生产试验并取得成功，使氯的消耗降低25%～30%。1992年，Scott公司在西班牙的日产410t亚硫酸盐浆厂进行用聚木糖酶代替氯漂白的工厂试验，采用X(EOP）D(EP）D漂序，成功地生产出白度高达88%ISO的亚硫酸盐桉木浆。

随着聚木糖酶在纸浆漂白中的应用，人们开始发现聚木糖酶对针叶木浆和阔叶木浆的辅助漂白有许多优点，（1）提高白度，聚木糖酶可以改善后续漂白化学药品的漂白效率，从而获得更高的纸浆白度；（2）节约化学药品，获得相同的漂终白度，有酶处理的漂白流程中所需的化学药品就比没有酶处理的要少；（3）减少AOX和二噁瑛：聚木糖酶进行辅助漂白，可以减少氯和二氧化氯的用量，因而也就可以减少所排放废水的AOX的含量，减少由于二氧化氯供应不足对漂白的限制。

聚木糖酶辅助漂白的发展趋势是培育出具有高温和碱性环境下稳定且显示生物活性的酶 （因为硫酸盐浆在蒸煮后的温度高达95～100℃，pH值为12～13或更高，而且这种条件在氧脱木素的整个过程中基本不变）。为了能使酶在蒸煮或是氧脱木素并洗涤后直接加人到浆中而不需要降低浆的温度和pH值，这就需要木聚糖酶具有耐高温和碱性的能力。耐热耐碱的聚木糖酶可以直接加入到蒸煮且洗涤后的浆中进行辅助漂白，这样既可以节能降耗，还可以降低原本需要用来调节pH值的化学药品的成本。

由于微生物(如白腐菌）具有降解或选择性降解木素的能力，因此最初人们希望通过微生物的处理来去除纸浆中的残余木素，达到漂白效果，或者减少化学漂剂的用量，减轻有毒有机物对环境造成的污染，1979年，美国科学家Kirk和Yang报道，用白腐菌Phanerochaete chrysosporium直接处理硫酸盐纸浆，接着进行碱抽提，发现浆中部分木素被降解，虽然没有直接的漂白效果，但可减少其后漂白用氯量27%，1989－1990年，加拿大Paice等人系统地研究了白腐菌Trametes versicolor对硫酸盐浆的漂白条件与效果，发现该菌在3～5d内能使阔叶木硫酸盐浆中的残余木素出现较大的下降，浆的白度能提高15%ISO，但对针叶木硫酸盐浆却无明显的漂白效果，1997年，日本的A Nezamoleslami和Kyoji Suzuki等人用白腐菌P.chrysosporium处理中国红麻皮和日本红麻皮soda-AQ浆，在FEP无氯漂白中，纸浆的白度、不透明度、得率和强度性能均大大优于传统的CEH漂白。

白腐菌用于纸浆漂白有4个特点：（1）能彻底降解木素生成C02，而细菌至多将20%木素碳转化为CO2；（2）木素降解主要是氧化反应，产物中不出现木素单体；（3）木素降解本身不提供菌生长所需的碳源和氮源，需提供另外的碳源和氮源；（4）漂白后纸浆的白度及其它物理性能均优于传统的化学漂白方法，漂白废液污染负荷大大降低，化学品的消耗明显降低。

白腐菌漂白也存在不少问题：漂白时间长，目前，利用白腐菌漂白的最短时间是3天，这对于工业化生产来说还有待改善；连续化培养生产各种白腐菌的生物反应器尚待进一步研究和改善；不同的浆种，需要不同种类的白腐菌才能达到最佳漂白效果，白腐菌菌种的选育、筛选、培养和工业化生产也是需要解决的关键问题之一。

白腐菌漂白纸浆的作用机制尚待进一步研究，目前，白腐菌用于纸浆漂白在国内外还没有工业化，而实验室研究一直在不停地进行，一旦白腐菌漂白纸浆的作用时间缩短，以及其它问题得到妥善解决，白腐菌漂白纸浆实现工业化最终将成为现实。

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2011－6－22

崔红艳（1985-），女，

制浆造纸专业在读研究生；

研究方向：纸浆造纸绿色化学与生物质资源化利用；E-mail：chy4618@163.com

通讯地址：山东省济南市西部新城大学科技园

山东轻工业学院

邮编：250353