酶处理半纤维素对纸浆与成纸性能的影响

许 伟

（山东轻工业学院制浆造纸教育部重点实验室，山东济南，250353）

酶处理半纤维素对纸浆与成纸性能的影响

许 伟

（山东轻工业学院制浆造纸教育部重点实验室，山东济南，250353）

通过两种木聚糖酶分别处理杨木APMP,去除浆料中的部分半纤维素，对纸浆在酶处理前后的纤维形态﹑物理性能和光学性能变化进行了测定,分析了不同木聚糖酶与处理条件对半纤维素溶出后纸浆性能的影响。

半纤维素 酶处理 酶活 纤维形态

半纤维素是继纤维素之后的第二大生物质聚合物，它与纤维素不同的是，半纤维素是复合聚糖的统称。针叶木、阔叶木和草类植物所含半纤维素的种类和数量是不同的，针叶木中的半纤维素以聚-O-乙酰基-半乳糖葡萄糖甘露糖为主，阔叶木中的半纤维素以聚-O-乙酰基-（4-O-甲基葡萄糖醛酸）-木糖为主[1]。经研究发现，麦秆中半纤维素糖分和糖醛中，木糖是主要组分，并含有一定量的阿拉伯糖、少量的甘露糖和鼠李糖组分[2]。研究半纤维素的结构时发现，它含有1，4-β-D-吡喃糖基聚木糖渣料的主链，在C-3和C-2位置上分别连有大量的L-聚阿拉伯糖吡喃和D-葡萄糖醛酸，或是带有支链的糖醛酸。实质上，半乳糖和木糖渣料是与聚阿拉伯糖呋喃支链相联结的[1，2]。从化学角度讲，农业渣料中木质化植物单位生物量从本质上构成了三种不同的聚合物实体——线形和结晶态低聚物、支链状非纤维和非结晶无定形低聚糖及支链木素，这就为工业生产提供了廉价而稳定的木质纤维原料。

随着国家对资源能源与环境的高度重视，木材浆料的进口逐年增加，2011年进口木浆1444.7万吨，同比增长27.1%，在一定程度上降低了国内资源的能源消耗。作为木材第二大成分的半纤维素，最近几年的研究非常广泛，通过生物改性与化学改性后，有力地推动了生物质资源化的利用。通过化学改性得到的非离子半纤维素﹑阳离子半纤维素﹑阴离子半纤维素改善了其水溶性、热塑性、表面活性等特性，扩大了半纤维素的应用领域，使得改性半纤维素广泛应用于医药、造纸、塑料、污水处理等众多领域[3]。研究高得率浆中保留的大量木素和半纤维素，对于提高纸浆得率﹑开发新型造纸原料﹑改善纸张质量及生产特种纸张等都有着重要意义。

1 实验

1.1 原料与试剂

杨木APMP成品浆：由山东太阳纸业提供；

木聚糖酶1-PE89与木聚糖酶2-PE90：由潍坊苏克汉公司提供。

1.2 仪器与设备

进口Optest FQA；HH-4数显恒温水浴锅；PFI磨浆机；L&W公司抗张测试仪；L&W公司耐破测定仪；撕裂度测试仪；MIT耐折度测试仪；进口白度测定仪；紫外分光光度计。

1.3 实验方法

1.3.1 DNS法测定酶活[4]

用NaAc-HAc缓冲液(pH=4.8、浓度0.05mol/L)配制质量分数为0.5%的木聚糖悬浮液，用移液管移取悬浮液2 mL于试管中，适当稀释，在60℃下处理30 min后，加2 mL DNS(3,5-二硝基水杨酸)试剂，终止反应。煮沸10 min，冷却至室温，定容至15mL，摇匀后，在540nm处测定吸光值，对照标准曲线，得出酶解后木糖生成量。根据公式（1）计算酶活，同时进行空白实验。

式中，H——酶活，IU/mL

D——酶液稀释倍数

V1——比色管定容体积，mL

C——木糖浓度，μmoL/mL

经紫外分光光度计测定，计算出两种酶的实际酶活分别为70000IU/g和16000IU/g。1.3.2浆料酶处理条件选择

经过优化实验处理，得到酶1最佳处理条件如表1所示。酶2最佳处理条件如表2所示：

表1 酶1最佳处理条件

表2 酶2最佳处理条件

1.3.3 浆料酶处理

根据优化后的实验条件，将多份20g绝干浆疏解，再将其与一定量酶液在聚乙烯塑料袋中充分混匀，调节至固定浆浓，放入恒温水浴锅中加热，每间隔10min轻搓1次,使酶与底物充分接触，到规定时间后取出，采用水洗法[5,6]去除酶分。处理后的浆料进行打浆和抄纸实验。

1.3.4 打浆与抄纸

依据QB/T1463—1992，用PFI磨进行打浆。用PTI自动抄片机进行抄片实验，定量60g/m2。根据ISO标准在进口白度测定仪上测定纸张白度。返黄值的测定根据烘箱老化法[6]测定。抗张强度、撕裂强度、耐破度等均参照国家标准进行测定。

2 结果与分析

2.1 酶处理前后纤维质量的变化

由表3中的数据我们可以清楚地看出，与未经酶处理的浆料相比，经过半纤维素酶处理的浆料，半纤维素组分得到降解，细小纤维增加，纤维的平均长度增加。半纤维素的溶出，使纤维表面得到松弛，纤维变柔软，韧性提高。经过半纤维素处理的浆料，促进了打浆时的分丝帚化，细小纤维含量有所增大。

2.2 酶处理前后浆料的成纸性能

从表4中可以看出，相同打浆度条件下，经过酶1处理的浆料，白度有所提高，说明酶1在部分降解半纤维素的同时，抑制了浆料的返黄；成纸的抗张强度，耐破均有所增加。酶2处理后的浆料，在相同打浆度条件下，降低了打浆能耗；白度有所下降，抗张、耐破与撕裂强度均有所增加，说明酶2处理的浆料一定程度上增加了纸张的力学性能。

3 结论

经优化后的浆料酶处理，半纤维素含量均有所下降，随着部分半纤维素的降解溶出，细小纤维含量有所增加，一定程度上加重了成纸时细小纤维的流失。半纤维素酶处理的浆料成纸后的物理强度性能均有所增大，说明部分半纤维素的溶出，提高了纤维与纤维间的结合，增强了纤维间的结合力。经过酶处理后的APMP，作为诸如白卡类纸种的芯层材料，更有助于提高产品强度性能。

[1]杨淑蕙，邱玉贵等.植物纤维化学[M].北京：中国轻工业出版社，2001.

[2]Sun R.C,Lawther J.M,Banks W.B.Isolation and characterization of hemicellulose B and cellulose from pressure refined wheat straw.Industrial Crop and Products,1998(7):121-128.

[3]任俊莉，孙润仓，刘传富.半纤维素的化学改性研究进展[J].现代化工，2006，26（7）：68.

[4]Bailey MJ,Biely P,Poutanen K.Interlaboratory testing of methods for assay of xylanase activity.Journal of Biotechnology,1992,23（3）:257-270.

[5]石淑兰，何福望等.制浆造纸分析与检测[M].北京：中国轻工业出版社，2008.

[6]王闻，庄新姝，余强，袁振宏，亓伟，徐惠娟.混合酶对经不同预处理的甜高粱秆渣的水解[J].农业工程学报，2011，27（1）：147-151.

2012－6－25

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