改性漆酶协同谷氨酸改善二次纤维微观结构及性能的研究

孔凡娇 万金泉,,* 马邕文, 王 艳 董俊晶

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640； 2.华南理工大学环境与能源学院,广东广州,510006)

·二次纤维·

改性漆酶协同谷氨酸改善二次纤维微观结构及性能的研究

孔凡娇1万金泉1,2,*马邕文1,2王 艳2董俊晶1

(1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640； 2.华南理工大学环境与能源学院,广东广州,510006)

采用L-苯丙氨酸甲酯盐酸盐对漆酶氨基酸残基末端的羧基进行改性,研究改性漆酶-谷氨酸体系对旧瓦楞箱纸板(OCC)浆纤维微观结构及性能的影响。研究结果表明,与未改性漆酶-谷氨酸相比,经过改性漆酶-谷氨酸体系处理后OCC浆纤维表面呈层叠状紧密黏连,细纤维化程度更高；改性漆酶催化氧化木素,使纤维微孔结构瓦解并逐渐扩大为中孔,纤维BET比表面积和平均孔径增大；谷氨酸通过迈克尔加成反应嫁接到木素上使纤维羧基含量进一步提升,与OCC原浆相比纤维羧基含量提高了26.9%；显著改善纸浆的打浆性能,降低了打浆能耗；对纸浆的增强作用更加明显。

OCC浆；改性漆酶；谷氨酸；孔结构；羧基

漆酶是一种多铜氧化酶,能使木素中的酚羟基转化为酚氧自由基,酚氧自由基相互之间可以发生非酶催化反应(如C—C键断裂,脱甲氧基等)来促进木素的充分降解[1-3]。此外,漆酶反应副产物只有水,具有环境友好,对纤维无损伤等优点,因此在造纸行业极具发展前景。但漆酶在高温和其他极端条件下稳定性差,极易失活[4-5],严重限制了其在造纸行业的应用,因此对漆酶进行改性克服上述不足是一项重要的研究内容。

李苏等人[6]将NaIO4氧化处理的聚葡萄糖修饰漆酶,使得漆酶结构稳定性和催化活性均有一定改善,但其反应条件苛刻,步骤繁琐,成本高昂,实用潜能不大。张全升等人[7]利用L-苯丙氨酸甲酯盐酸盐对漆酶氨基酸残基末端的羧基(—COOH)进行改性,发现可极大提高漆酶活性和稳定性,并且漆酶改性过程条件温和,无有毒试剂参与,具有实际应用价值。当前应用改性漆酶处理纤维的研究较少,且都集中在用纤维宏观指标表征改性漆酶在二次纤维中的应用成效,没有从微观结构进行阐述。

另外，由于漆酶能够催化氧化酚类化合物形成反应自由基,利用此自由基的选择性可以引入新的官能团对木素进行功能化,达到改善纤维产品的化学或物理性能的目的[8]。张爱萍等人研究发现，利用漆酶-紫尿酸体系处理磨石磨木浆可使木素发生一定程度的降解,同时可以提高纤维的润湿性能[9]。Witaykran S等人发现漆酶协同氨基酸可以提高纤维中的羧基含量,改善纤维品质[10]。Chen Y M等人采用漆酶-组氨酸介体体系处理二次纤维,纤维抗张强度、耐破度以及撕裂度都有较大提升[11]。以组氨酸为介体虽能提高纤维的联接力,但价格昂贵,没有实际应用价值,因此有必要选择一种替代试剂。谷氨酸价格低廉,含有两个羧基,相对于组氨酸能更好地促进纤维吸水润胀,具有实现大规模产业化应用的价值。本研究基于L-苯丙氨酸甲酯盐酸盐对漆酶改性,研究改性漆酶协同谷氨酸对纤维微观形貌、羧基含量、孔隙结构的影响,并探讨改性漆酶-谷氨酸处理对旧瓦楞箱纸板(OCC)浆打浆性能以及强度性能的改善。

1 实 验

1.1 实验原料与药品

旧瓦楞箱纸板(OCC)浆,广东省东莞某造纸厂；工业漆酶、谷氨酸,广州菲博生物科技有限公司；L-苯丙氨酸甲酯盐酸盐、碳二亚胺盐酸盐(EDC),上海源叶生物科技有限公司；2,2’-连氮-双(3-乙基苯并噻唑啉- 6-磺酸)(ABTS),广州市齐云生物科技有限公司。

1.2 实验仪器

ASAP2020孔径分布测定仪,LEO1530VP场发射扫描电子显微镜,安捷伦A7890型气相色谱仪(HP- 6890型毛细管色谱柱),冷冻干燥器,手动抄纸系统成形器(无压干燥),M-PTB508A型PFI磨,L&W压溃测试仪,L&W抗张强度仪,L&W撕裂度仪,L&W耐破度仪,JB90-SH恒速电动搅拌机。

1.3 实验方法

1.3.1L-苯丙氨酸甲酯盐酸盐改性漆酶

在磷酸二氢钠-磷酸氢二钠(NaH2PO4-Na2HPO4,pH值6.0)缓冲溶液中配制漆酶液(10 mg/mL)和L-苯丙氨酸甲酯盐酸盐(10 mg/mL)溶液。取50 mL漆酶溶液和3 mLL-苯丙氨酸甲酯盐酸盐溶液均匀混合,并加入一定量的EDC,反应温度30℃,转速200 r/min,反应时间8 h。为排除小分子干扰,反应完成后将改性酶液转入透析袋,在磷酸氢二钠-柠檬酸(Na2HPO4-C6H8O7,pH值5.0)缓冲溶液中透析过夜,以除掉多余的L-苯丙氨酸甲酯盐酸盐和EDC,冷冻保存备用。

1.3.2 改性漆酶-谷氨酸处理OCC浆

在磷酸氢二钠-柠檬酸(Na2HPO4-C6H8O7,pH值5.0)的缓冲溶液中,改性漆酶和谷氨酸用量分别为4%和2%(相对于绝干浆),浆浓3%,反应过程通入O2,搅拌速度500 r/min,温度35℃,反应时间3 h。

1.3.3 漆酶酶活的测定

采用ABTS标准方法测定漆酶活性[12]。漆酶活性：定义1 min催化1 μmol ABTS所需要的酶量为一个酶活单位(U),单位为μmol/(L·min)[13]。漆酶活性以每升酶液所含有的酶活量来计,测得漆酶活性为1530 U/L,改性漆酶活性为2480 U/L。

1.3.4 OCC浆打浆及强度性能测试

OCC浆浆浓为10%,在PFI磨中打浆,转数分别为2000、3000和4000转。强度性能测试前,将手抄片置于恒温恒湿室平衡24 h(温度(23±1)℃、相对湿度(50±2)%),手抄片定量为80 g/m2。

按照相应国家标准测定环压强度、抗张强度、撕裂度和耐破度。

1.3.5 扫描电镜测试

扫描前对手抄片进行喷金处理,采用LEO1530VP场发射扫描电子显微镜观察纤维表面形貌,放大倍数为500倍和1000倍。

1.3.6 纤维孔结构测试

为保护纤维孔结构,样品测试前需进行冷冻干燥以去除纤维内的自由水[14]。采用ASAP2020M孔径分布测定仪对纤维孔结构进行分析,利用高纯N2作为吸附质,于77 K的液氮冷阱环境下对高纯N2进行吸附脱附测定得到OCC浆纤维的大孔、中孔和微孔的大小和分布、BET比表面积和平均孔径等结构参数。

1.3.7 羧基含量测定

采用安捷伦A7890型气相色谱仪测定羧基含量。在室温条件下用0.1 mol/L的盐酸处理OCC浆1 h,并采用磁力搅拌器适当搅动,其目的在于使纤维中的羧酸盐全部转化为羧酸形式[15]。用去离子水彻底洗涤纸浆,直至滤液的pH值达到去离子水的pH值。称取0.07 g绝干浆于顶空瓶中,加入反应剂(0.0025 mol/LNaHCO3+0.10 mol/L NaCl)4.0 mL，并立即将顶空瓶置于自动顶空取样器中待测,检测瓶中的CO2生成量[16]。气相色谱主要检测条件如下：平衡温度60℃,平衡时间20 min,色谱柱温度45℃,检测时间4 min。计算方法见公式(1)。

图1 改性漆酶-谷氨酸体系对OCC浆纤维形貌的影响

(1)

式中,f为校正系数,通过校正实验得到。m为绝干浆质量,g。AT为气相色谱测得的CO2信号峰面积,Aair为顶空瓶内CO2所贡献的信号峰面积。

校正实验按照文献[16]中的方法进行,测得校正系数f=1337-1,Aair=1.6。

2 结果与讨论

2.1 改性漆酶-谷氨酸体系对OCC浆纤维形貌的影响

图1所示为改性漆酶-谷氨酸体系对OCC浆纤维形貌的影响。从图1(a)和图1(d)可以看出,未经处理的OCC浆纤维表面光滑,纤维之间连接疏松,只是简单的相互缠绕。从图1(b)和图1(e)可以看出，经漆酶-谷氨酸体系处理之后,纤维分丝帚化,细纤维化程度提高,这可能是因为木素作为微细纤维和纤维细胞间的填充剂和粘合剂,被漆酶催化氧化后使大量细小纤维从纤维表面游离出来并与其相邻的细小纤维相互交联,使纤维交织更加紧密。从图1(c)和图1(f)可以看出，经过改性漆酶-谷氨酸体系处理后,纤维细纤维化更加明显,纤维表面已呈层叠状紧密黏连,这是因为漆酶经过L-苯丙氨酸甲酯盐酸盐改性后,活性进一步增强,更有利于与OCC浆纤维发生反应。另外,由图1还可以看出,漆酶-谷氨酸体系催化氧化降解木素使纤维表面孔隙明显增加。

2.2 改性漆酶-谷氨酸体系对OCC浆纤维孔结构的影响

图2 改性漆酶-谷氨酸体系对OCC浆纤维孔径大小及分布的影响

Gregg等人[17]按照孔径大小将多孔材料的孔径分为3类：微孔(半径<2 nm)、中孔(2 nm<半径<50 nm)和大孔(半径>50 nm)。图2所示为改性漆酶-谷氨酸体系对OCC浆纤维孔径大小及分布的影响。从图2可以看出,OCC浆纤维经漆酶-谷氨酸处理后孔壁发生突破,形成很多微孔。其原因可能是漆酶催化氧化降解木素使纤维表面产生很多孔隙；改性漆酶处理纤维时,中孔含量激增,微孔含量却呈下降趋势。根据孔的演变情况推断,导致这种现象的原因在于中孔结构形成先是以微孔生成为主,之后微孔相互连通,微孔结构瓦解,孔径发生扩大导致中孔结构的生成[18]。表1为改性漆酶-谷氨酸处理后纤维平均孔径和BET比表面积的变化。平均孔径和BET比表面积是用来评价多孔材料孔隙结构最常用的2个参数,纤维细胞壁的孔径大小会影响纤维的弹性模量和纤维吸附化学添加剂的能力[19]。漆酶-谷氨酸处理后,纤维平均孔径和BET比表面积相对于OCC原浆分别增加11.2%和17.3%；经改性漆酶-谷氨酸处理后,OCC浆纤维平均孔径和BET比表面积分别增加26.9%和45.4%,这说明微孔转化为中孔一定程度上促进了平均孔径和BET比表面积的提高。

表1 改性漆酶-谷氨酸体系对OCC浆纤维平均孔径和BET比表面积的影响

表2 改性漆酶-谷氨酸体系对OCC浆打浆和物理性能的影响

2.3 改性漆酶-谷氨酸体系对OCC浆纤维羧基含量的影响

纤维羧基含量的增加有利于提高纤维的润胀能力,局域化表面润胀的增加允许更紧密的分子接触和相互扩散,使得纤维的柔韧性和结合面积得到增加,从而提高纤维的成纸性能[20-21]。图3为改性漆酶-谷氨酸体系对纤维羧基含量的影响。由图3可以看出，OCC浆经漆酶-谷氨酸体系处理后，其纤维羧基含量比OCC原浆提高7.6%,这可能是因为漆酶催化氧化木素生成的酚氧自由基有2种趋向,一是酚氧自由基相互之间发生非酶催化反应来促进木素的充分降解,二是酚氧自由基和谷氨酸的氨基发生迈克尔加成反应,使谷氨酸嫁接到浆中的残余木素分子上,增加纤维中的羧基含量。与OCC原浆相比，经过改性漆酶-谷氨酸体系处理后纤维羧基含量提高了26.9%,效果更加明显。这主要是由于漆酶经过L-苯丙氨酸甲酯盐酸盐改性后表面出现更多的活化位点,其在催化氧化木素的同时也可使谷氨酸与更多的酚氧自由基发生迈克尔加成反应[22],使浆中的羧基含量进一步增加。

图3 改性漆酶-谷氨酸体系对OCC浆纤维羧基含量的影响

2.4 改性漆酶-谷氨酸体系对OCC浆打浆性能和物理性能的影响

表2所列为改性漆酶-谷氨酸体系对OCC浆打浆及物理性能的影响。由表2可知，在相同打浆转数下,经过漆酶-谷氨酸处理后，OCC浆的打浆性能有所提高。这是因为纤维表面的木素会阻碍纤维之间氢键的形成,影响纤维的结合强度。漆酶-谷氨酸体系处理后,木素部分降解,使纤维原料柔软松散表面呈多孔状态,易于打浆。另外一个原因是纸浆纤维中羧基含量的增加促进纤维吸水润胀,缩短了打浆时间。当打浆转数为3000转时,经过漆酶-谷氨酸处理的OCC浆的打浆度为34.4°SR,经过改性漆酶-谷氨酸处理后打浆度达到37.9°SR,节能降耗效果更加明显。

从表2可以看出,经漆酶-谷氨酸、改性漆酶-谷氨酸处理的OCC浆物理性能得到改善,并且改性漆酶-谷氨酸处理的OCC浆物理性能明显高于未改性漆酶-谷氨酸处理的浆料。在打浆转数为3000转时,添加漆酶-谷氨酸的OCC浆的环压指数、抗张指数、耐破指数、撕裂指数比OCC原浆的分别提高9.5%、32%、35.7%和28.9%；添加改性漆酶-谷氨酸的OCC浆的环压指数、抗张指数、耐破指数以及撕裂指数比OCC原浆的分别提高25.7%、59.8%、62.4%和42.2%。可以看出,漆酶经L-苯丙氨酸甲酯盐酸盐改性后,对于OCC浆的增强作用效果更加显著。

3 结 论

3.1 改性漆酶催化氧化木素使大量细小纤维从纤维表面游离出来并与其相邻的细小纤维相互交联,使纤维交织更加紧密形成层状黏连,增加了纤维之间的结合力；旧瓦楞箱纸板(OCC)浆经改性漆酶-谷氨酸体系处理后,纤维微孔结构坍塌进一步扩大为中孔,纤维平均孔径和BET比表面积进一步增大。

3.2 改性漆酶-谷氨酸体系对OCC浆纤维具有双重作用,其催化氧化木素产生的酚氧自由基不仅可以相互之间发生非酶催化反应促进木素的降解，还可以与谷氨酸发生迈克尔加成反应提高纤维中的羧基含量,两者共同作用使纤维性能得到提升。L-苯丙氨酸甲酯盐酸盐改性漆酶能促进谷氨酸嫁接到更多的酚氧自由基上,进一步提高纤维中的羧基含量,与OCC原浆相比提高了26.9%。

3.3 在相同打浆转数下,与漆酶-谷氨酸处理的浆料相比，经改性漆酶-谷氨酸处理的浆料更明显地改善了纸浆的打浆性能,降低了打浆能耗；OCC浆的环压指数、抗张指数、耐破指数和撕裂度也显著提高。

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(责任编辑：马 忻)

The Study of Improving the Microstructure and Properties of OCC Fiber by Using Modified Laccase-Glutamic Acid System

KONG Fan-jiao1WAN Jin-quan1,2,*MA Yong-wen1,2WANG Yan2DONG Jun-jing1

(1.StateKeyLabofPulp&PaperEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510640; 2.CollegeofEnvironmentandEnergy,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,GuangdongProvince, 510006)

(*E-mail: ppjqwan@scut.edu.cn)

In this study the laccase was modified by the reaction between the L-phenylalanine methyl ester hydrochloride’s and the carboxyl group(—COOH) of amino acid terminal of laccase. The influence of modified laccase-glutamic acid system on microstructure and physical properties of OCC fiber was investigated. The results showed that the microstructure of fiber treated with modified laccase-glutamic acid changed significantly, and partial fibrillation was observed. And the fiber surface appeared closely laminated structure. The fiber micropores collapsed and expanded to mesopores gradually, and BET specific surface area and average pore size increased. The content of carboxyl groups increased 26.9% compared to the control pulp after modified laccase-glutamic acid treatment by Michael addition reaction between the glutamic acid and lignins. The OCC fiber after modified laccase-glutamic acid treatment had good beating and papermaking performance, while the power consumption decreased.

OCC pulp； modified laccase； glutamic acid； pore structure； carboxyl group

孔凡娇先生,在读硕士研究生；主要从事二次纤维循环利用等方面的研究。

2016-12-12(修改稿)

国家自然科学基金(NO.31570568)；制浆造纸工程国家重点实验室开放基金(NO.201535)；广东省高层次人才基金(NO.201339)。

TS724

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.04.001

*通信作者：万金泉,教授，博士生导师；主要研究方向：制浆造纸污染控制理论与技术。