阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物的自留着及纸张增强作用研究

阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物的自留着及纸张增强作用研究

通过木瓜蛋白酶的定点消化法分别从绿色木霉和里氏木霉中提取出纤维素酶糖结合单元以及从嗜热棉毛菌中提取出木聚糖酶糖结合单元，然后通过肽缩合反应而引入到阴离子聚丙烯酰胺上。通过针叶木浆和阔叶木浆的手抄片实验，研究了上述3种阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物分别表现出的不同的自留着特性，并考察了它们在受污染湿部环境下的纸张增强性能。结果表明：从绿色木霉中获得的糖结合单元和阴离子聚丙烯酰胺的复配物在阔叶木浆中具有较好的自留着效果，同时使纸张获得较高的抗张强度，尤其是在钙离子和木素磺酸盐存在时效果更明显；从里氏木霉中获得的糖结合单元和阴离子聚丙烯酰胺的复配物则在针叶木浆手抄片中的自留着效果比在阔叶木浆手抄片中的好；从嗜热棉毛菌中获得的糖结合单元和阴离子聚丙烯酰胺的复配物只适用于未被污染的湿部系统中。阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物中的糖结合单元与浆料纤维的亲和性有助于拓宽糖结合单元-聚合物型复配物在造纸湿部的应用范围。

1 前言

由纤维素纤维制成的纸产品作为一种重要材料应用于日常生活的方方面面。纸张生产中通常在纸机湿部的浆料悬浮液中添加相关化学助剂来达到生产出具有特定功能的纸张产品的目的。但是在该过程中，常因浆料和过程水的不断循环使用而导致湿部系统中产生离子污染。因为传统的湿部系统受其内部的静电作用影响很大，所以离子污染已经严重影响到了大多数造纸助剂的应用效果。聚丙烯酰胺、阳离子淀粉和聚酰胺环氧氯丙烷是造纸过程中常用助剂，但是这些助剂对造纸系统中不断积累的阴离子垃圾和无机盐离子很敏感。同样，也在工厂实践中对应用非离子聚合物如聚环氧乙烷和酚醛树脂的湿部系统进行了调查研究。在该类系统中，上述问题也未得到根本解决。因此，开发一种不受静电作用并且在离子污染较严重的湿部环境中自留着效果较强、且能发挥作用的新型助剂是很有必要的。

纤维素酶是一种糖基水解酶，能够选择性水解纤维素的β-1，4糖苷键。纤维素酶在解决上述问题上具有很大的应用潜力。大多数纤维素酶都有一个由催化区组成的模块结构，该催化区连接着糖结合单元。利用糖结合单元来设计纤维素材料的思路源于糖结合单元本身具有的与纤维素（没有催化作用）特殊的高亲和性。前期的研究已经表明，糖结合单元对造纸助剂在纸张上的留着以及离子污染条件下的湿部系统中助剂作用的发挥是有效果的。阴离子聚丙烯酰胺与糖结合单元所组成的复配物中的糖结合单元和浆料纤维之间具有纳牛顿（nanoNewton）级的特异性相互作用，从而可以在湿部高电导率和高阳离子需求量条件下仍保持良好的自留着效果并使纸张获得较高的抗张强度，而在这种湿部条件下，聚酰胺环氧氯丙烷是无效的。

本研究中，阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物通过从不同糖基水解酶中提取出来的3种糖结合单元来合成，并比较了它们的自留着及纸张增强特性。纤维素酶在所有微生物中都可以找到，其主要存在于原核细胞和菌类中。除了诸如木聚糖酶等纤维素酶之外，糖基水解酶也含有能够在碳水化合物表面结合的糖结合单元。现在已发现了一系列类型的糖结合单元，根据氨基酸顺序、结合专一性以及结构特性，这些糖结合单元被划分成超过50种不同的品类。本研究中，不同类型的阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物加入到阔叶木纤维或者是针叶木纤维的悬浮液中。所涉及的阔叶木和针叶木纤维的表面结构是不同的，即纤维素和半纤维素的组成不同。本研究着重探讨了阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物在湿部污染条件下的自留着和纸张增强性能。

2 实验

2.1 实验原料

（1）商用阔叶木浆（手抄片用）：采用荷兰式打浆机打至加拿大游离度为450 mL；（2）商用针叶木浆（手抄片用）：采用荷兰式打浆机打至加拿大游离度为550 mL；（3）2种纤维素酶（糖结合单元来源）：编号-EC 3.2.1.4，分别从绿色木霉和里氏木霉中提取；（4）木聚糖酶（糖结合单元来源）：编号-EC3.2.1.8，从嗜热棉毛菌中提取；（5）木瓜蛋白酶（用于糖结合单元的分离）：编号 -EC3.4.22.2；（6） CBINDTM100 脂（用于糖结合单元接收）；（7）阴离子聚丙烯酰胺：相对分子质量为4×106g/mol，电荷密度为0.83 meq/g；（8）其他化学试剂：分析纯。

2.2 实验方法

2.2.1 糖结合单元的分离

糖结合单元按照如下步骤获得：（1）木瓜蛋白酶和糖基水解酶各自在量浓度为50 mmol/L的磷酸盐缓冲液（pH为6.5）中进行预培养，培养温度为37℃、时间为30 min；（2）将活化后的质量浓度为1 mg/mL的木瓜蛋白酶溶液加入到150 mL的质量浓度为10 mg/mL的糖基水解酶溶液中，直至糖基水解酶和木瓜蛋白酶的质量比为30∶1，所得混合液在37℃条件下培养30 min；（3）根据先前公开报道的有关实验方案，选用CBINDTM100脂通过亲和纯化法对糖结合单元进行分离。

2.2.2 阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物的合成

将70 mL质量浓度为 3 mg/mL糖结合单元的乙二醇溶液和3 mL质量分数为10%、pH为4.75的1-乙基-3-（3-二甲基胺丙基）碳化二亚胺氯化氢（EDC）溶液以及150 mL质量分数为0.1%、pH为4.75的阴离子聚丙烯酰胺水溶液在室温下进行混合，混合时间为3 h，合成过程中的pH保持不变。所得阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物需采用异丙醇进行3次离心分离净化，然后才能应用于手抄片的制备。

2.2.3 手抄片的制备及其性能检测

将阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物分别加入到体积分数为0.15%的阔叶木浆和针叶木浆悬浮液中，复配物加入量为浆料绝干量的0.4%。手抄片按照TAPPI T 205 sp-95标准方法进行制备，定量为60 g/m2，抄片使用水为自来水。在加入阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物前，浆料悬浮液的电导率需采用氯化钙调节至0.5 mS/cm（自来水）或4 mS/cm，同时浆料的阳离子需求量也需采用木素磺酸钠调节至 20 μeq/L（自来水）或 80 μeq/L。 手抄片物理性能检测前需在23℃和50%的相对湿度条件下恒温恒湿处理24 h。手抄片的干抗张强度（测量次数为5次）根据TAPPI T 494 om-88标准进行检测。阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物在手抄片上的留着量（测量次数为3次）以总氮含量计，并通过燃烧分析法进行检测。

3 结果和讨论

3.1 阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物的自留着和增强性能分析

根据前人介绍的方法，合成了3种阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物。通过基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪证明了通过移除氨基酸序列和肽而成功获得糖结合单元，同时采用该仪器得到了糖结合单元的相对分子质量，如图1所示。

图1 木瓜蛋白酶定点消化法分离出的糖结合单元的基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱图

糖结合单元的N端以共价键的形式连接到阴离子聚丙烯酰胺的羰基上。EDC溶液作用下发生的糖结合单元自缩合反应可忽略不计，这是因为阴离子聚丙烯酰胺的羰基官能团数量要比糖结合单元的多很多。

图2比较了3种阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物对阔叶木浆手抄片（a）和针叶木浆手抄片（b）相对抗张强度（图中黑色柱）的影响以及3种复配物自身在手抄片中的留着情况（图中白色柱）（下同）。图中横轴上“绿色木霉复配物”、“里氏木霉复配物”和“嗜热棉毛菌复配物”分别表示“绿色木霉阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物”、“里氏木霉阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物”和“嗜热棉毛菌阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物”（下同）。

图2 3种阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物作用下的手抄片相对抗张强度及其自身在手抄片中的留着量

由图2（a）可见，对于阔叶木浆，添加复配物在阔叶木浆所得手抄片的相对抗张强度较空白有显著提高。绿色木霉和嗜热棉毛菌所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物的自身留着率约在40%，而里氏木霉所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物的自身留着率则超过了80%。里氏木霉纤维素酶是众所周知的用于水解固体纤维素的强力糖基水解酶，因此其在浆料纤维中与糖结合单元的高亲和性在实验前已被估计到了。阴离子聚丙烯酰胺自身与浆料纤维没有亲和性，前人的研究已证实了这一点，同时证实了阴离子聚丙烯酰胺既没有留着在纸张中，也没用对纸张起到增强作用。阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物中的糖结合单元组分与浆料纤维表面进行作用，糖结合单元和纤维素链之间形成氢键，从而提高了纸张的强度。然而，造纸助剂在纸张上的留着与纸张强度不一定总是相对应。图2中里氏木霉所对应的阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物就出现了这种情况。

图2（b）显示了不同阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物对针叶木浆手抄片相对抗张强度的影响以及不同种复配物自身在手抄片中的留着情况。添加绿色木霉和嗜热棉毛菌所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物在阔叶木浆手抄片的相对抗张强度较空白有显著提高[图2（a）]。另一方面，嗜热棉毛菌所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物在针叶木浆手抄片上留着很少，从而致使相应的手抄片强度提高不明显。漂白硫酸盐浆的纤维主要由纤维素组成，但表面也会残留少量的半纤维素。纤维表面组成取决于木材的来源。阔叶木浆料中的半纤维素有90%左右是由β-1，4链木糖主链上被乙酰基、阿糖和葡萄糖醛酸侧链木聚糖酶取代后所得到的木聚糖酶。葡甘聚糖是针叶木半纤维素的主要组成部分，在硫酸盐制浆过程中大部分被移除。本研究中，通过X射线光电子能谱来检测阔叶木浆和针叶木浆表面组分中C—O基团和O—C—O基团的基团比，证明了阔叶木浆中的戊糖组分含量较针叶木浆的多（图3所示）。检测到的所有能谱结合能都是在285.0 eV下的基准信号（未氧化的C—C和/或C—H）。葡萄糖和木糖的C—O/O—C—O的理论值分别为5和4。

图3 浆料纤维表面的X射线光电子能谱C1窄区域谱图

木聚糖酶一定会优先吸附在木聚糖上，因此可以推测正是嗜热棉毛菌所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物与阔叶木纤维的半纤维素进行作用而使得其获得了高留着量和提高了纸张强度。

3.2 阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物在受污染的湿部系统中的作用

在浆料处于高电导率（氯化钙调节至4 mS/cm）或高阳离子需求量（木素磺酸钠调节至80 μeq/L）的湿部条件下，进行了阔叶木浆和针叶木浆手抄片的制备。图4为在添加绿色木霉所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物条件下，浆料电导率和阳离子需求量对阔叶木浆手抄片（a）和针叶木浆手抄片（b）相对抗张强度以及复配物的留着性能的影响。

图4 浆料的电导率和阳离子需求量对绿色木霉所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物作用下的手抄片相对抗张强度和复配物留着量的影响

从图4（a）可以看出，阔叶木浆手抄片的相对抗张强度和复配物在手抄片上的留着量变化都不大，这与先前的研究结果是一致的。另外，绿色木霉所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物在针叶木浆料中的应用效果较差，这主要是由于较高的湿部污染（电导率的影响是主因）所致，如图4（b）所示。

图5为在添加里氏木霉所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物条件下，浆料电导率和阳离子需求量对阔叶木浆手抄片（a）和针叶木浆手抄片（b）相对抗张强度以及复配物的留着性能的影响。

图5 浆料的电导率和阳离子需求量对里氏木霉所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物作用下的手抄片相对抗张强度和复配物留着量的影响

从图5（a）和图5（b）可以看出，阔叶木浆手抄片的抗张强度和复配物在其上的留着量都变少了，而针叶木浆手抄片相应变化不大。可见，里氏木霉所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物较嗜热棉毛菌所对应复配物对针叶木浆料更有效，这也是很有趣的现象。纤维素的降解与纤维素酶的表观活力是有关系的。因此，本研究中，阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物的特殊性能很可能缘于不同糖基水解酶条件下的糖结合单元的内在作用。

最后，研究了在添加嗜热棉毛菌所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物条件下，浆料电导率和阳离子需求量对阔叶木浆手抄片图6（a）和针叶木浆手抄片图6（b）相对抗张强度以及复配物的留着性能的影响。

图6 浆料的电导率和阳离子需求量对嗜热棉毛菌所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物作用下的手抄片相对抗张强度和复配物留着量的影响

从图6可以看出，无机盐离子和阴离子垃圾的加入对手抄片的抗张强度及复配物的留着都有负面影响。因此，嗜热棉毛菌所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物对湿部污染是比较敏感的。结果表明，该复配物并没有留着在针叶木浆手抄片上，即使是在自来水抄片条件下，该复配物的留着也很少。有报道称，木聚糖与木聚糖酶之间的结合对pH和离子强度等静电条件是很敏感的。因此嗜热棉毛菌所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物可能直接受到了湿部系统污染的影响而破坏了其与浆料纤维的亲和力，从而导致手抄片的强度性能降低了。

尽管今后仍继续加强研究以进一步阐明阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物的留着机理并同时评价更多的纸张性能指标（如游离度、撕裂强度等），但是阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物在不同浆料中和不同湿部条件下的作用性能是不同的，这一点通过本研究中的手抄片实验已被证实。本实验所涉及到的3种阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物中，绿色木霉所对应的阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物在阔叶木浆手抄片中体现了最佳的增强性能；里氏木霉所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物则与针叶木纤维有很好的亲和性；而嗜热棉毛菌所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物则只适用于未被污染的湿部系统中。这些结论说明阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物的功能特性很大程度上取决于糖结合单元的种类来源。这也拓宽了糖结合单元与聚合物形成的复配物的设计思路，从而有望进一步发挥其作为造纸助剂的应用潜力。

4 结论

（1）糖结合单元可通过EDC缩合反应与阴离子聚丙烯酰胺（与浆料纤维没有亲和性）进行复配。所得复配物表现出了较好的自留着性能和纸张增强性能。

（2）不同的糖结合单元与阴离子聚丙烯酰胺所组成的复配物表现出了不同的留着性能，这主要取决于不同性质的酶和浆料纤维的结合，而其中的内在原因很可能表现在这些酶与碳水化合物的亲和性上。

（3）绿色木霉所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物在阔叶木浆料中显示出了较好的自留着性能，从而提高了纸张的抗张强度。在被污染的湿部系统中，该复合物依然起到了较好的应用效果。另外，里氏木霉所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物在针叶木浆料中表现出了较好的适用性。而嗜热棉毛菌所对应阴离子聚丙烯酰胺-糖结合单元复配物则只适用于纯净的湿部系统中，并且对阔叶木浆的作用效果要优于针叶木浆。

（王亮 编译）