P-RC APMP酶促打浆的研究

刘 俊 胡惠仁 王斌斌

(1．天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457;2．天津科技大学工业微生物教育部重点实验室，天津，300457)

P-RC APMP酶促打浆的研究

刘 俊1胡惠仁1王斌斌2

(1．天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457;2．天津科技大学工业微生物教育部重点实验室，天津，300457)

采用不同生物酶 (Nov 476、Nov 342、Nov 863、Nov 500L及Nov 51003)处理P-RC APMP，并对酶处理过的P-RC APMP进行PFI磨打浆，以筛选出适合于P-RC APMP酶促打浆的生物酶，并对该酶的酶促打浆工艺条件进行优化。结果表明，Nov 476较适用于P-RC APMP的酶促打浆;P-RC APMP酶促打浆的较优处理条件为：Nov 476处理温度55℃，pH值6．5，Nov 476处理时间1．5 h，用量30 U/g，浆浓3%，打浆时间90 s;优化条件下对P-RC APMP进行Nov 476处理并PFI磨打浆，相同打浆条件下，Nov 476处理过的浆料打浆度比对照浆料提高9°SR;相同打浆度下，Nov 476处理后的浆料能耗降低，且对成纸强度性能没有显著的负面影响。

P-RC APMP;纤维素酶;酶促打浆;节约能耗

在造纸工业中使用以P-RC APMP为代表的化学机械浆能够赋予纸张高松厚度、高不透明度和良好的形稳性和适印性能等［1-2］。然而，由于P-RC APMP在制浆过程中保留了原料中的大部分木素，纸浆纤维粗糙挺硬，而且在制浆过程对纤维造成了一定的损伤。为了更好地利用P-RC APMP，必须在使用前对其进行适当的磨解，但磨浆能耗大概占从木材到成纸生产总电耗的15% ～18%［3-4］，且磨浆过程中大部分的能量转化为热量，只有少数用于纤维的分丝帚化，磨浆时间越长，通过热能损耗的能量越多。因而，开发一种既能保持P-RC APMP纸浆优点，又能根据需要对纸浆纤维进行改性，同时还能减少磨浆能耗的工艺，成为制浆造纸工业的重要目标。研究发现，运用各种真菌处理浆料在降低打浆能耗上取得了良好的效果，但其处理周期较长，且真菌产生的一些菌丝类物质对最终纸浆的白度有不利影响［2］。而酶促打浆在一定条件下使用生物酶预处理浆料，可促进纤维的吸水润胀和细纤维化程度，使打浆性能得到改善，起到降低打浆能耗的作用。本研究首先从几种生物酶中筛选出一种适用于P-RC APMP酶促打浆的生物酶，并对其酶促打浆工艺条件进行优化，在优化条件下考察酶促打浆节约能耗的潜力。

1实验

1.1 原料

浆料：杨木P-RC APMP，取自山东太阳纸业有限公司。实验用酶由诺维信公司提供。性质见表1。

表1 实验用酶性质

1.2 实验方法

称取30 g(绝干)杨木P-RC APMP放入烧杯中，加入适量蒸馏水配成浓度为3%的浆料，启动搅拌器分散浆料。把分散好的浆料装入塑料袋中，密封好后置于恒温水浴锅中预热15 min，然后加入适量酶液，在恒温水浴锅中反应60 min，并每隔10～15 min定时揉搓塑料袋使反应均匀。反应结束后，立即用真空泵抽滤，并用清水冲洗浆料，洗净酶液以终止酶反应。进行空白实验时，除不加酶外，其他处理方式完全一致。使用PFI磨对酶及空白处理后的浆料进行打浆，间隙为0，转速1380 r/min，浆浓10%，绝干浆30 g，室温。

1.3 分析与检测

按国家标准测定浆料打浆度和保水值。用纤维质量分析仪 (FQA)测定纤维的二重质均长度、细小纤维含量和纤维形态参数等纤维特性指数。手抄片的抄造及成纸物理性能按照相应国家标准进行检测。

2 结果与讨论

2.1 生物酶的筛选

2.1.1 不同生物酶对P-RC APMP打浆性能的影响

在温度50℃，pH值8．5(浆料本身pH值)，浆浓3%，处理时间2 h的条件下，对各种生物酶的酶促打浆进行酶用量的单因素实验，并在各自较优用量条件下 (Nov 476用量30 U/g，Nov 342用量20 U/g，Nov 500L用量30 U/g，Nov 863用量10 U/g，Nov 51003用量20 U/g)测定酶处理后浆料的初始打浆度(打浆前的打浆度)，及经PFI磨打浆后浆料的打浆度和保水值，结果如图1所示。

图1 不同生物酶处理对P-RC APMP打浆性能的影响

从图1可以看出，经Nov 476处理后浆料的初始打浆度稍有下降，但打浆后浆料的打浆度明显比空白浆样打浆后的打浆度高，而且保水值也最高;相同打浆条件下打浆效率提高最明显。Nov 476主要组分是内切-β-葡聚糖酶 (EGs)，EGs主要随机作用于纤维素无定形区，酶解作用使浆中的纤维表面产生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，表现为浆料打浆度和保水值上升。

2.1.2 不同生物酶对P-RC APMP纤维形态的影响

纤维形态是植物纤维原料的基本特征之一。由于纤维的抄造与成纸特性在很大程度上取决于纤维的各种形态参数，而生物酶处理会直接影响纤维的各种形态参数，所以在制浆造纸过程中，对纤维形态参数及其变化的测量是非常重要的，通过纤维质量分析仪对实验中的浆料进行分析，结果如表2所示。

表2 不同生物酶处理对P-RC APMP纤维形态的影响

纤维扭结是指纤维细胞壁受损产生的突然转折，适当的扭结可以避免纤维被过多切断［6］。纤维形态参数间接反映了纤维的卷曲程度，该数值越小则纤维卷曲程度越大。经生物酶处理后，纤维被部分水解使纤维长度降低，而短纤维比长纤维卷曲相对较少，且在承受相同应力下短纤维发生扭结的程度也比长纤维小。由表2可知，5种生物酶处理都使纤维二重质均长度降低。与空白浆样相比，Nov 476处理后浆料的形态参数和细小组分含量增加，扭结指数降低。由于Nov 476的主要组分是EGs，EGs主要随机作用于纤维素无定形区，使纤维素聚合度迅速降低，纤维长度降低，且酶解作用使浆料中的纤维表面剥皮，分离出一部分细小组分。更有可能是介于纤维和细小组分之间的组分由于酶解作用被分裂成细小组分，从而使浆中细小组分含量增加［7］。

2.1.3 不同生物酶对P-RC APMP成纸性能的影响

生物酶处理以及PFI磨打浆会直接影响浆料的各种纤维形态参数，从而直接影响成纸的各种物理性能。实验对各种生物酶处理后的浆料进行抄片，并对一些强度性能和光学性能进行检测，结果如表3所示。

由表3可知，除了经Nov 476和Nov 342处理后，成纸强度有一定下降外，Nov 500L、Nov 863、Nov 51003处理均能在一定程度上提高成纸的耐破指数、抗张指数和抗张能量吸收指数。其中，Nov 863处理能够显著降低P-RC APMP白水中聚半乳糖醛酸造成的阳离子需求量，有效减少DCS组分［8］。各种生物酶处理后对成纸光学性能都有一定负面影响，尤其Nov 51003处理后成纸白度下降较多，但Nov 51003处理后可以明显提高成纸抗张指数等强度性能［9］。

表3 不同生物酶处理对成纸性能的影响

表4 不同生物酶处理对成纸光学性能的影响

综合考虑，虽然Nov 476处理后对强度有一定负面影响，但各指标下降程度不明显，且Nov 476酶促打浆效果比较明显，故选Nov 476作为P-RC APMP酶促打浆用酶，并进一步对Nov 476酶促打浆条件进行优化。

2.2 Nov 476酶促打浆处理条件优化

2.2.1 PFI磨打浆时间对P-RC APMP磨浆性能的影响

PFI磨打浆时间对经Nov 476处理后P-RC APMP打浆度和保水值的影响见图2。由图2可知，随着PFI磨磨浆时间的增加，经Nov 476处理并PFI磨打浆后P-RC APMP的打浆度和保水值与相同条件下空白浆样的差距逐渐增加，并在90 s左右达到最大。继续增加PFI磨打浆时间，Nov 476处理的效果被较为剧烈的机械作用所掩盖。所以Nov 476处理后，较适宜的PFI磨打浆时间为90 s。

图2 PFI磨打浆时间对P-RC APMP打浆性能的影响

2.2.2 Nov 476用量对P-RC APMP打浆性能的影响

Nov 476用量对P-RC APMP打浆性能的影响见图3。由图3可知，随着Nov 476用量的增加，P-RC APMP打浆度和保水值逐渐上升;Nov 476用量超过30 U/g后，P-RC APMP打浆度变化不再明显，但保水值增加尚未平缓。Nov 476用量为30 U/g时，P-RC APMP打浆度比空白浆样高5°SR左右。考虑到生物酶的成本，Nov 476的用量以30 U/g为宜。

图3 Nov 476用量对P-RC APMP打浆性能的影响

2.2.3 酶处理温度对P-RC APMP打浆性能的影响

温度对酶的作用有双重影响：①与一般化学反应一样，随温度升高，酶的活化分子数增加，有利于催化反应进行;②酶是蛋白质，随温度升高，酶会逐渐变性、失活。酶促反应的最适温度是这两种影响相互作用的结果［10］。Nov 476处理温度对P-RC APMP打浆性能的影响见图4。由图4可知，随着Nov 476处理温度的升高，P-RC APMP打浆度和保水值成增加趋势，并在55℃左右打浆度达到最高 (40°SR)，再继续升高Nov 476处理温度，打浆度开始下降，而保水值变化也开始趋于平缓。这可解释为在较低温度范围内，随温度的升高，增加了酶促反应的活化能，加速了反应速率。在较高温度范围内，随温度升高，使蛋白质逐渐变性，酶活力逐渐降低，从而降低了酶促反应速率，表现为浆料打浆度下降。温度为55℃时酶的活性最高，酶促打浆效果较明显，因此，55℃为酶促打浆的较适温度。

图4 Nov 476处理温度对P-RC APMP打浆性能的影响

2.2.4 酶处理时间对P-RC APMP打浆性能的影响

Nov 476处理时间对P-RC APMP打浆性能的影响见图5。从图5可以看出，P-RC APMP的打浆度随Nov 476处理时间的延长呈现出先上升后下降的变化趋势，并在1．5 h左右达到最大，为43．5°SR。而保水值的变化从Nov 476处理时间1．0 h后迅速上升，也在1．5 h左右达到最大值;再延长Nov 476处理时间，保水值变化不明显。而初始打浆度随Nov 476处理时间的延长呈现下降趋势。这是因为随着Nov 476处理时间的延长，酶解作用使得纤维和细小组分表面水化程度逐渐下降，同时有少部分细小组分被酶解除去，表现为浆料初始打浆度逐渐下降。随着Nov 476处理时间的延长，酶解作用进一步深入，产生的“剥皮”作用使纤维表面逐渐分离出细纤维，再经过机械的打浆作用后纤维帚化现象增加，而且机械的打浆作用又产生更多的细小组分，表现为打浆度上升，保水值上升。但是由于P-RC APMP浆料中木素含量较高，木素的存在阻碍了酶解反应的进一步深入，所以当时间超过1．5 h后，保水值基本不再变化，而打浆度也随着初始打浆度的下降呈一定的下降趋势。因此，酶处理时间宜为1．5 h。

图5 Nov 476处理时间对P-RC APMP打浆性能的影响

2.2.5 酶处理pH值对P-RC APMP打浆性能的影响

Nov 476处理的pH值对浆料打浆度和保水值的影响见图6。由图6可知，在其他处理条件一定时，随着Nov 476处理pH值的增加，浆料打浆度也逐渐增加，增加到最大值后又随pH值的升高而降低。初始打浆度变化不明显，保水值变化趋势与打浆度的变化趋势基本一致，但变化更加显著。打浆度和保水值均在Nov 476处理pH值为6．5左右达到最大值，分别为40°SR和130%。这可能是由于系统pH值变化，使酶分子和底物分子的解离状态发生变化，从而使酶蛋白表面双电层以及底物对其吸附量发生变化，最终影响到酶活力和催化效率［11］。因此，酶促反应时较适pH值为6．5左右。

图6 Nov 476处理pH值对P-RC APMP打浆性能的影响

2.3 优化条件下的Nov 476处理效果

2.3.1 优化条件下Nov 476处理对P-RC APMP打浆性能的影响

在Nov 476处理温度55℃，时间1．5 h，浆浓3%，pH值6．5，Nov 476用量30 U/g，PFI磨打浆时间90 s的优化条件下，Nov 476处理对P-RC APMP打浆性能的影响见表4。表4中Nov 476处理浆1与空白浆样的打浆时间相同，控制Nov 476处理浆2的打浆后打浆度与空白浆样的相同。与空白浆样相比，Nov 476处理浆1的初始打浆度由27°SR降低到25°SR，打浆度由34°SR提高到43°SR，初始打浆度稍有下降，但打浆度增加了9°SR。在与空白浆样打浆度相同下，Nov 476处理浆2的打浆时间由90 s减少至70 s，打浆时间的减少间接反映了打浆能耗的降低。由此可以得出，在优化条件下，Nov 476有显著的促进打浆作用，相同打浆度条件下可以有效降低打浆能耗，或在同等打浆能耗下提高打浆效率。

表4 优化条件下Nov 476处理对P-RC APMP打浆性能的影响

2.3.2 优化条件下Nov 476处理对P-RC APMP纤维形态的影响

优化条件下Nov 476处理对P-RC APMP纤维形态的影响见表5。由表5可知，经Nov 476处理后纤维的二重质均长度和平均扭结指数降低，形态参数和细小组分含量增加。Nov 476处理后纤维平均长度降低，因此在打浆中承受相同应力条件下，纤维卷曲和扭结程度均减少，表现为形态参数增加和扭结指数下降。但是，Nov 476在水解纤维素的同时会使介于纤维和细小组分之间的组分被分裂成细小组分，从而使浆中细小组分含量增加。

表5 优化条件下Nov 476处理对P-RC APMP纤维形态的影响

2.3.3 优化条件下Nov 476处理对P-RC APMP成纸性能的影响

表6 优化条件下Nov 476处理对P-RC APMP成纸性能的影响

表6示出了优化条件下Nov 476处理对成纸强度性能的影响。从表6可以知，Nov 476处理后浆料的成纸强度性能较空白浆样的都有不同程度的降低。由于Nov 476的水解作用降低了纤维长度，同时产生了较多细小组分，而纤维长度的降低直接影响了成纸的撕裂指数，这可从Nov 476处理浆1的打浆度最高、但强度较低得到验证。因此，Nov 476处理在一定程度上会影响成纸强度性能，通过进一步研究，在改善打浆性能节约能耗的同时减少对成纸强度的影响。

3结论

3.1 实验使用的5种生物酶中，Nov 476(纤维素内切酶)较适用于P-RC APMP的酶促打浆，在相同打浆条件下可以明显提高打浆度，降低打浆能耗;经Nov 476酶促打浆后，P-RC APMP纤维长度有所降低，浆料中细小组分含量明显增多，成纸强度有所下降。

3.2 Nov 476对P-RC APMP进行酶促打浆的优化条件为：打浆时间90 s，Nov 476用量30 U/g，温度55℃;浆浓3%，时间1．5 h，pH值6．5。

3.3 在优化条件下对P-RC APMP进行Nov 476处理，可显著改善打浆性能，降低打浆能耗。在相同打浆条件下，P-RC APMP的打浆度较空白浆样提高9°SR;打浆到相同打浆度下，虽然各种强度指标稍有下降，但打浆能耗降低。

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(责任编辑：陈丽卿)

Study on Enzymatic Beating of P-RC APMP

LIU Jun1，*HU Hui-ren1WANG Bin-bin2
(1．Tianjin Key lab of pulping and papermaking Engineering，Tianjin University of Science＆ Technology，Tianjin，300457;2．Key Laboratory of Industrial Microbiology，Ministry of Education，College of Biotechnology，Tianjin University of Science＆ Technology，Tianjin，300457)
(*E-mail：hawk-sky115142@163．com)

In this study，different enzymes were used to pre-treat P-RC APMP pulp before refining in order to find out the enzymes which can be used for enzymatic beating of P-RC APMP．The enzymes treatment conditions(including the treatment temperature，time，pH，pulp concentration and refining conditions)were optimized and the feasibility of enzymatic beating of high yield pulp was evaluated．Results showed that the enzyme cellulase with the symbol of Novozyme 476 is suitable for the enzymatic beating of P-RC APMP，and the optimal conditions are：55℃，pH value 6．5，enzyme treatment time 1．5 h，pulp consistency 3%，PFI mill refining time 90 s．At this condition，the beating degree increases by 9°SR when the refining conditions are the same as the control sample，and energy consumption can be saved by about 22．2%compared with the same beating degree．There is no negative impact caused by enzyme treatment on the paper strength．

P-RC APMP;cellulase;enzymatic beating;energy saving

Q55

A

0254-508X(2011)03-0001-05

刘 俊先生，在读硕士研究生;主要研究方向：造纸助剂与湿部化学，生物技术在造纸工业中的运用。

2010-11-16(修改稿)

本课题得到中国-加拿大政府间国际科技合作项目 (2008DFA91290)和国家科技部科技支撑计划项目 (2006BAD32B04)的资助。