酶在废纸脱墨方面的应用现状

龚 艳，张 熙，韩双艳，林 影

(华南理工大学生物科学与工程学院，广东 广州 510006)

近年来，由于资源短缺和环境污染等原因，废纸的回收利用受到了越来越多的关注，废纸回收率逐步上升，废纸再生工艺不断改革。废纸再生的关键步骤是废纸的脱墨[1]。目前，用于脱墨的废纸主要是废旧新闻纸(ONP)、废旧杂志纸(OMG)和混合办公废纸(MOW)。随着印刷技术的发展，废纸脱墨的难度越来越大。废纸脱墨的主要方法有化学法和生物酶法。

传统的化学法脱墨通常使用氢氧化钠、硅酸钠和双氧水来处理废纸[2]，使油墨在强碱等化学作用力和机械作用力下从纤维的表面脱落，然后通过洗涤或浮选或两者相结合的方式将油墨除去，虽然应用广泛，但存在纸张发黄、纸张强度下降、脱墨效果不佳、环境污染严重等诸多缺点[3]。生物酶法脱墨是利用酶处理废纸纸浆，并辅以浮选或洗涤，从而除去油墨，是一项环境友好的新型脱墨技术[4]，酶在脱墨过程中起着生物催化的作用。相比于化学法脱墨，酶法脱墨具有效果好、范围广、能耗少、污染轻、成本低等显著优势，既可以减轻大量使用化学品而造成的环境污染，又可以提高纸浆的抄造性能[5]，是一种潜力很大的废纸脱墨方法，已成为国内外废纸回用研究的热点，有可能逐步取代传统化学法而应用于工业生产[6]。

作者在此综述了生物酶法脱墨的机理、工艺、应用，分析了其优点和不足，并展望了其发展前景。

1 废纸脱墨工艺

脱墨是通过脱墨剂和机械力等作用，使油墨颗粒与纤维分离,并从纸浆中除去，得到新鲜纸浆的工艺过程[7]。目前，实验室采用的废纸脱墨工艺主要包括碎纸、碎浆、浮选、抄纸4大步骤。其中，碎纸是对废纸的预处理，一般流程是陈化、撕碎和浸泡；碎浆是对废纸进行机械处理、化学或生物试剂处理，将废纸碎裂成为纸浆，将纤维上的油墨剥离并分散；浮选是将油墨和纸纤维进行分离，利用添加表面活性剂产生的稳定泡沫将纸浆中分散的油墨带走，得到干净的纤维；最后在抄纸机上进行抄纸。

2 生物酶法脱墨机理

2.1 纤维素酶/半纤维素酶的脱墨机理

纤维素酶和半纤维素酶是最常用的废纸脱墨酶。一个完整的纤维素酶系通常由作用方式不同而能相互协同催化水解纤维素的三类酶组成,即内切葡萄糖苷酶(内切酶)、外切葡萄糖苷酶(外切酶)和β-葡萄糖苷酶。一般来说，内切酶随机地水解无定形纤维素,释放纤维寡糖；外切酶水解纤维寡糖以及结晶度高的纤维素,从纤维素链释放纤维二糖；β-葡萄糖苷酶主要水解纤维二糖和纤维寡糖，产生葡萄糖[8]。

类似于纤维素酶，半纤维素酶的作用底物是半纤维素，主要以木聚糖酶为主，包括内切木聚糖酶、外切木聚糖酶和木糖苷酶3种。酶解产物是各种低聚糖和少量葡萄糖。

因为纤维素酶和半纤维素酶的复杂性，它们的脱墨机理尚不完全清楚，一些学者根据自己的实验结果提出了推测性的假说。Zeyer等[9,10]提出，机械作用导致纤维表面纤维素链的破坏，使油墨与纤维素结合部位突起，提高了酶对纤维的可及度，因此酶的水解作用可以轻易使油墨从纤维上脱离。Jefferies[11]认为，酶的作用实际上可能只是一种间接作用，仅增加了油墨颗粒的疏水性，从而改善了纸浆的自由度，使表层纤维疏松，脱墨变得容易。有实验证实，半纤维素酶在促进废旧新闻纸的脱墨时伴随着木质素的释放，从而推测半纤维素酶主要是通过破坏木质素-碳水化合物的连接键，从而释放木质素，油墨随之脱除。

由此可见，纤维素酶和半纤维素酶主要是破坏了油墨附着纤维层与下层纤维之间的连接作用，从而达到了脱除油墨的目的。

2.2 漆酶的脱墨机理

漆酶(Laccase)是一种木质素降解酶，分为漆树漆酶和真菌漆酶，广泛分布于真菌分泌物、高等植物等体内[12]。漆酶能够在氧气存在的条件下选择性催化氧化木质素。木质素是造纸原料木材的主要成分之一，漆酶通过降解木质素来切断油墨粒子和纤维的连接，从而分离油墨和纤维。

由于漆酶的氧化还原电位较低(对标准氢电极约300～800 mV)[13]，单独使用时活性很低，反应缓慢，而且不能氧化降解在木质素结构中占大多数的非酚型结构单元。但是，在有氧气和介体存在时，漆酶具有了氧化非酚型结构的能力。漆酶在介体(以ABTS为例)和氧气存在的条件下通过氧、漆酶、介体和木质素之间的氧化循环来完成脱木质素或漂白的过程(图1)。

图1 漆酶和介体共同作用氧化木质素

溶液中的氧首先氧化漆酶，氧化的漆酶再氧化介体使其成为共介体，共介体的尺寸较小，能够扩散到纸浆中氧化木质素，其中介体的作用十分重要。理想的介体必须是漆酶的良好底物，它的氧化态和还原态必须是稳定的，而且又不影响漆酶的反应；另外，介体氧化还原的转化必须是循环的[14]。常用的介体是一些酚类化合物和杂环化合物，如卟啉类化合物等。

2.3 脂肪酶的脱墨机理

脂肪酶是一类广泛存在于多种微生物中的生物催化剂，其天然作用底物为三酰甘油酯，能够将酯键水解，释放甘油二酯、甘油一酯、甘油以及游离脂肪酸[15]。脂肪酶是重要的工业酶制剂品种之一，可以催化解脂、酯交换、酯合成等反应。

近年来，脂肪酶在废纸脱墨等方面的新用途也逐渐发展起来。脂肪酶可以直接进攻油墨的连结料，使其降解，使油墨从纤维中分离出来。脂肪酶的催化活性中心是由丝氨酸(Ser)、组氨酸(His)和谷氨酸(Glu)或天冬氨酸(Asp)构成的三联体组合[16]，它们之间由氢键相连。正常情况下，丝氨酸蛋白酶暴露在表面，而脂肪酶活性中心隐藏在内，表面被疏水氨基酸残基形成的α螺旋结构覆盖，对三联体起到保护作用[17]。当脂肪酶与反应界面接触时，表面盖型结构(图2)打开，疏水残基、活性位点暴露，脂肪酶处于活化构象[18]，可以进行催化反应。

图2 脂肪酶盖型结构的关闭(a)和开启(b)

脂肪酶对处于溶解状态下的底物几乎没有活性，当底物浓度逐渐增加到超出其溶解度极限时，其活性明显增加，这种现象被称为“界面活化”，其分子基础是酶分子的构象变化。“界面活化”现象可以激发脂肪酶盖型结构的开启，从而使活性中心暴露出来。

脂肪酶的催化作用依赖“界面反应”，但在废纸脱墨过程中，脂肪酶颗粒受到纤维素的连接力，不易形成明显的反应界面，这也是脂肪酶脱墨尚需解决的问题。

3 生物酶法脱墨工艺及应用

3.1 生物酶法脱墨工艺

3.1.1 表面活性剂的筛选

脱墨过程中浮选需要添加表面活性剂来改变油墨的表面活性，起到润湿、分散的作用，并产生一定量的泡沫，使油墨粒子附聚在泡沫上，浮至液体表面。因此，利用表面活性剂产生数量多且稳定性好的泡沫是提高脱墨效率的关键[19]，影响浮选脱墨表面活性剂起泡性能的主要因素是液膜的强度，这与粘度有关。通常表面粘度越大，泡沫越稳定。此外，表面活性剂本身的结构、浓度也对泡沫的性能有很大影响。因此，通过表面活性剂的复配、改变表面活性剂的浓度和分子量，均可以提高表面活性剂的起泡性能和泡沫稳定性，使脱墨效果更理想。

3.1.2 酶处理条件的影响

酶处理反应条件往往控制在酶的最适条件附近，温度通常在40～60 ℃[20]，纤维素酶脱墨的pH值通常在5～8[21]，pH值超过8时反应活性下降；脂肪酶脱墨的pH值一般偏碱性，pH值在9左右时可以获得最佳效果。

理论上来说，酶处理时间越长，反应越充分，脱墨效果越好。但是，处理时间过长，脱墨率增加较少,而裂断长呈下降趋势。Pélach等[22]指出，酶处理30 min时，脱墨效果较传统脱墨法更好；如果延长酶与纸浆的接触时间，效果不会有明显提高。Viesturs等[23]指出，最佳酶处理时间为30 min。浮选阶段已经不需要酶反应，即可以升温至70～80 ℃，从而促使油墨迅速分离。

温度、pH值和酶处理时间对脱墨效果的影响不是简单的线性规律，需要进一步深入研究。

3.1.3 复配酶的使用

使用一种酶的脱墨效果单一，多种酶共同使用可能会对脱墨产生有利影响。复配酶在脱墨过程中通过不同酶反应之间的互补和协调，有助于改良纸张性能、提高脱墨效率，减少酶的总用量，是酶法脱墨的一个重要研究方向。

徐清华等[24]利用纤维素酶、半纤维素酶与漆酶/介体协同对废新闻纸进行脱墨实验，与单独使用纤维素酶、半纤维素酶和漆酶/介体的脱墨浆相比，复配酶脱墨浆的残余油墨更低，纸张性能和白度均有所提高；另外，复配酶还可以节省酶的总用量。Marques等[25]发现，将从木聚糖环境中生长的AspergillusterreusCCMI 498以及纤维素环境中生长的TrichodermavirideCCMI 84中提取出的酶混合使用，脱墨效率较对照组提高24%。

3.2 生物酶法与其它工艺联用

研究表明，生物酶法结合其它工艺如超声波技术、紫外线照射技术、磁性吸附技术等，脱墨效果可得到进一步的提高。

伍红等[26]将生物酶法与超声波法相结合，由于超声波会产生周期性的振动，使纤维之间产生摩擦，从而加快纤维表面上碳水化合物的水解速率，因此，生物酶法与超声波法联合比单纯酶法的脱墨效率有所提高。

Sui等[27]采用酶法与紫外照射联合法，有效解决了激光打印废纸中含有的热固树胶难以去除的问题。纤维素在紫外线的照射下会发生部分裂解，从而提高了油墨脱除效率。

Gübitz等[28]研究了酶与磁性吸附相结合对废纸浆的脱墨处理，在采用凝聚剂将碎解浆中的铁磁颜料(氧化铁)与非磁化颜料凝聚后(图3)，脱墨效率可达90.8%，可代替浮选脱墨并达到良好的脱墨效果。

图3 湿高强磁吸分离作用(WHIMS)脱墨过程示意图

3.3 生物酶法脱墨的应用

近年来，以纤维素酶和半纤维素酶为生物酶的脱墨工艺已经开始应用于工业生产，并逐渐摸索出最佳酶法脱墨条件和工艺[29]。而漆酶/介体和脂肪酶等酶法脱墨仍在试验阶段。

华南理工大学生物科学与工程学院研究发现了新的脂肪酶BSL[30]，经该重组脂肪酶处理的脱墨浆比原浆白度提高近10% ISO，显示了较强的脱墨能力。

4 结语

生物酶法脱墨以其良好的效果、广泛的适用范围、合理的能源消耗和废物排放、较低的成本等显著优势，得到了越来越多的重视，但作为一门新技术，尚有许多问题没有解决：(1)酶的来源不够广泛，用于废纸脱墨的酶尚未投入工业化生产；(2)脱墨效果不稳定，原因可能是油墨粒子与纤维的连接力大，或者是酶难以进入其中进行反应[29]；(3)生物酶法脱墨对原料性质要求苛刻，由于供给工业用的废纸品质多样化，因此生物酶法脱墨的应用受到一定的限制[31]。尽管如此，相信随着研究的不断深入，生物酶法脱墨工艺必然会日趋完善，并势必取代传统化学脱墨法。

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