酶转化淀粉在无碳复写纸原纸中的应用

齐云洹 张 杨 丁雪峰

(河南银鸽实业投资股份有限公司,河南漯河，462000)

·酶转化淀粉·

酶转化淀粉在无碳复写纸原纸中的应用

齐云洹 张 杨 丁雪峰

(河南银鸽实业投资股份有限公司,河南漯河，462000)

对酶转化淀粉代替氧化淀粉在无碳复写纸原纸的应用进行了探讨。确定了酶转化淀粉中液体生物淀粉酶的用量为500 mL/t淀粉、酶反应时间为15～20 min、灭活温度为95℃、灭活保温时间为10 min 的酶转化工艺以及酶转化淀粉熬制工艺。中试结果表明，与使用氧化淀粉相比,采用酶转化淀粉表面施胶后成纸的纵向挺度增加约30 mN·mm、表面强度增加约0.1 m/s,吨纸成本可降低53.5元。

酶转化淀粉;淀粉酶；无碳复写纸原纸；挺度；表面强度

河南银鸽实业投资股份有限公司(以下简称银鸽公司)特种纸二车间主要生产低定量无碳复写纸原纸,其表面施胶淀粉原为氧化淀粉。近年来随着无碳复写纸原纸市场竞争的日益激烈,对成纸质量与生产成本的把控显得尤为重要,因此为了达到降本增效的目的,银鸽公司计划用价格比较便宜的玉米原淀粉进行改性，替代原来的氧化淀粉。一般采用过硫酸铵对玉米原淀粉进行改性,但过硫酸铵氧化性强,会对熬胶设备造成不同程度的腐蚀,并且其成本也偏高,所以银鸽公司拟采用液体生物淀粉酶代替过硫酸铵对玉米原淀粉进行改性[1-2]。

1 玉米原淀粉性能

由于银鸽公司特种纸二车间的施胶方式为计量棒式膜转移施胶[3],故对玉米原淀粉的质量要求较高。玉米原淀粉的白度直接影响到纸张的白度,原来使用的氧化淀粉因氧化能提高淀粉的白度,故玉米原淀粉的白度应尽可能得高；pH值的高低会影响淀粉酶的用量,因此一般要求玉米原淀粉的pH值在6～7左右；玉米原淀粉的灰分要尽可能得低,灰分高会影响纸张的表面强度,一般要求灰分≤0.1%；玉米原淀粉中的蛋白质和脂肪含量也不能过高,含量过高一方面容易使胶料变酸和变质,另一方面会使胶料中泡沫和沉积物增多，造成堵棒现象,因此一般蛋白质含量不高于0.3%,脂肪含量不高于0.15%[4]。

2 液体生物淀粉酶作用原理

淀粉是由α-D-1,4-葡萄糖聚合而成的高聚物,在其分子中有直链和支链两部分。直链部分呈线性，以α-D-1,4-葡萄糖苷键连接,而支链则以α-D-1,6-葡萄糖苷键与主链连接。淀粉酶是一种绿色的生物催化剂,其对淀粉降解具有专一性、高效性。银鸽公司所采用的液体生物淀粉酶是一种内切酶,能随机水解淀粉、可溶性糊精以及低聚糖中的α-D-1,4-葡萄糖苷键,但不能水解α-D-1,6-葡萄糖苷键,液体生物淀粉酶作用后可使糊化淀粉的黏度下降,变成液化淀粉,产生可溶性的含α-D-1,6键的糊精和寡聚糖。原来的淀粉颗粒外观呈圆形、椭圆形或者多角形,颗粒面清晰,无黏连,且表面较光滑,经液体生物淀粉酶改性的玉米原淀粉无序形态所占比例增加,有序形态遭到一定程度的破坏,颗粒呈现碎片状,暴露出更多的羟基,从而更有效地提高纸张的物理强度等指标[5- 8]。

3 实 验

3.1 原料

氧化淀粉：河南某厂提供。玉米原淀粉：河南某厂提供。液体生物淀粉酶：山东枣庄某公司提供。

3.2 仪器及设备

DZKW-D-2电热恒温水浴锅,北京市永光明医疗仪器厂；85-2A磁力搅拌器,常州朗越仪器制造有限公司；NDJ-5S数显黏度计,上海方瑞仪器有限公司；J-IGT350印刷适应性测定仪,四川长江造纸仪器有限责任有限公司；DRK-103B白度颜色测定仪,济南德瑞克有限公司；ZTD-10电子式纸板挺度测定仪,长春市纸张试验厂。

3.3 酶转化实验

将装有一定量水的500 mL烧杯放置于磁力搅拌器上,加入液体生物淀粉酶搅拌2 min后按13.0%的浓度加入一定量的玉米原淀粉。搅拌均匀后移至水浴锅中。保持搅拌,当悬浊液升温至70℃,反应一定的时间,继续升温进行灭活,然后搅拌并保温一定的时间,糊化完毕后测量其黏度指标。

3.4 检测

按照国家标准GB/T 22427.7—2008《淀粉黏度测定》检测胶料黏度；按照国家标准GB/T 7974—2002《纸、纸板和纸浆亮度(白度)的测定(漫射/垂直法)》检测纸张白度；按照国家标准GB/T 22365—2008《纸和纸板印刷表面强度的测定》检测纸张表面强度；按照国家标准GB/T 22364—2008《纸和纸板弯曲挺度的测定》测定纸张挺度。

4 结果与讨论

4.1 液体生物淀粉酶用量对胶液黏度的影响

表1为液体生物淀粉酶用量对胶液黏度的影响。从表1中可以看出,当玉米原淀粉中不加液体生物淀粉酶时,胶液不能糊化,胶料黏度极大。当加入液体生物淀粉酶后,随着液体生物淀粉酶用量的增加,淀粉胶液黏度越来越小；在液体生物淀粉酶用量小于500 mL/t淀粉时,随着液体生物淀粉酶用量的增加,淀粉胶液黏度降低较快；当液体生物淀粉酶用量大于500 mL/t淀粉时,随着液体生物淀粉酶用量的增加,淀粉胶液黏度降低较缓慢。根据原有淀粉黏度使用情况,最终确定液体生物淀粉酶用量为500～600 mL/t淀粉。

表1 液体生物淀粉酶用量对胶液黏度的影响

注 液体生物淀粉酶反应时间为15 min、灭活温度为95℃、保温时间为10 min。

4.2 液体生物淀粉酶反应时间对胶液黏度的影响

表2为液体生物淀粉酶反应时间对胶液黏度的影响。从表2中可以看出,相同酶用量的情况下,随着液体生物淀粉酶反应时间的延长,淀粉胶液黏度降低。当液体生物淀粉酶反应时间为15～20 min时符合纸机的胶液黏度要求,因此确定液体生物淀粉酶反应时间为15～20 min。

表2 反应时间对胶液黏度的影响

注 液体生物淀粉酶用量为500 mL/t淀粉、灭活温度为95℃、保温时间为10 min。

4.3 灭活条件对胶液黏度的影响

表3为灭活条件对胶液黏度的影响。从表3中可以看出,随着灭活温度的升高,胶料黏度增加。当灭活温度为85～92℃时,随着保温时间的增加胶料黏度降低,导致这种现象的原因可能是由于温度偏低,胶料中部分生物淀粉酶的活性没能完全灭活,生物淀粉酶与淀粉分子链继续发生切断反应,使得淀粉胶料黏度降低；但当灭活温度达到95℃以上、保温时间为5 min时,胶料黏度还有点偏低,随着保温时间增加到10 min以上时,胶料中的生物淀粉酶完全灭活,胶料黏度趋于稳定。因此胶料在灭活过程中灭活温度要达到95℃以上、保温时间要达到10 min以上。

表3 灭活条件对胶液黏度的影响

注 液体生物淀粉酶用量为500 mL/t淀粉、反应时间为15 min。

5 生产中试

中试在银鸽公司特种纸二车间3800纸机进行,生产定量40 g/m2无碳复写纸原纸,纸机运行车速为800 m/min。

5.1 淀粉表面施胶工艺流程

淀粉表面施胶工艺流程见图1。

图1 表面施胶工艺流程

原料淀粉用量/kg·t-1纸淀粉单价/元·kg-1酶用量/mL·t-1淀粉酶单价/元·mL-1成本/元·t-1纸氧化淀粉503.6酶转化淀粉502.55000.06180126.5

5.2 熬胶步骤

(1)向熬胶锅中加入约60%的清水,开启搅拌器。

(2)按吨淀粉500～600 mL的用量加入液体生物淀粉酶,充分搅拌。

(3)加入玉米原淀粉1000 kg,加清水至80%的液位。

(4)打开蒸汽阀门通入蒸汽,升温至65～70℃,关闭蒸汽阀门保温15～20 min。

(5)继续升温至95℃以上,保温10～15 min。

(6)检测锅中淀粉胶料浓度、黏度等指标。

5.3 中试结果

表4为中试胶料黏度实测结果。从表4中可以看出,当液体生物淀粉酶用量为500 mL/t淀粉时,胶料黏度就能达到使用氧化淀粉的胶料黏度,因此,最终确定液体生物淀粉酶的用量为500 mL/t淀粉。

表4 胶料实测结果

表5为使用氧化淀粉和酶转化淀粉时纸张性能比较。从表5中可以看出,与氧化淀粉相比,酶转化淀粉有利于提高纸张的表面强度和挺度,成纸的表面强度增加约0.1 m/s,成纸的纵向挺度增加约30 mN·mm；但与氧化淀粉相比,成纸的白度降低约2个百分点,这可能是因为玉米原淀粉的白度较氧化淀粉的低,表面施胶后影响了成纸的白度,但白度指标在控制范围之内,其影响可以不予以考虑。

表5 成纸物理指标对比

注 液体生物淀粉酶用量为500 mL/t淀粉。

5.4 成本分析

表6为使用酶转化淀粉前后的成本分析。从表6中可以看出,使用酶转化淀粉替代氧化淀粉吨纸成本可节约53.5元,按年生产5万t无碳复写纸原纸计算,每年可节约成本267.5万元。

6 结 语

通过对酶转化淀粉在无碳复写纸原纸中的应用探讨,确定了酶转化淀粉中液体生物淀粉酶的用量为500 mL/t淀粉、酶反应时间为15～20 min、灭活温度为95℃、灭活保温时间为10 min的酶转化工艺以及酶转化淀粉的熬制工艺。经过一段时间的纸机运行,酶转化淀粉表面施胶效果良好。与使用氧化淀粉相比,采用酶转化淀粉表面施胶后成纸的纵向挺度增加约30 mN·mm、表面强度增加约0.1 m/s,产品的档次大大提高；另外,吨纸成本可降低53.5元,每年可节约267.5万元。

[1] WANG Yao, ZHANG Qing-dong, MA Xiao-dong. Appication of Enzmstic Starch on Surface Sizing of Cardboard[J]. Paper and Paper Making, 2012, 31(11)： 8. 王 耀, 张庆栋, 马晓东. 改性淀粉用于箱板纸表面施胶[J]. 纸和造纸, 2012, 31(11)： 8.

[2] WANG Song, FENG Gui-ping, TIAN Zhong-su, et al. Optimization of Enzyme Converted Starch Cooking Process[J]. Paper Chemicals, 2012, 24(3)： 25. 王 松, 冯桂平, 田中粟, 等. 酶转化淀粉熬工艺的优化[J]. 造纸化学品, 2012, 24(3): 25.

[3] ZHANG Yang, DING Xue-feng, GUO Hui, et al. Modification of Surface Sizing Technology of Linerboard[J]. China Pulp & Paper, 2015, 34(5)： 70. 张 杨, 丁雪峰, 郭 徽, 等. 箱纸板表面施胶技术的改造[J]. 中国造纸, 2015, 34(5): 70.

[4] WEI Zhi-bin, ZHANG Rui-jie. Performance of enzyme transtormed raw starch as surface sizing agent[J]. China Pulp & Paper Industry, 2013, 34(4)： 20. 危志斌, 张瑞杰. 改善酶转化玉米原淀粉的表面施胶胶料使用性能[J]. 中华纸业, 2013, 34(4): 20.

[5] SUN Shi-qiong, Liu Xiang-qian, Liu Zhi-wei, et al. The Application of Enzyme on Starch Transformation for Sueface Sizing[J]. Paper Science & Technology, 2011, 30(6)： 102. 孙世琼, 刘向前, 刘志维, 等. 生物酶在施胶淀粉转化中的应用[J]. 造纸科学与技术, 2011, 30(6): 102.

(责任编辑：刘振华)

Application of Enzyme Converted Starch in Carbonless Base Paper Production

QI Yun-huan*ZHANG Yang DING Xue-feng

(YingeIndustrialInvestmentCo.,Ltd.,Luohe,He’nanProvince, 462000)

(*E-mail: yinge123456@126.com)

The application of enzyme converted starch to take place of oxidized starch in carbonless base paper production was studied. The optimum enzyme conversion conditions were as follows, the amylase dosage was 500 mL/t starch, reaction time was 15～20 minutes, inactivation temperature was 95℃, inactivation time was 10 minutes. The preparation process conditions of the enzyme converted starch were determined as well. The pilot plant test showed that compared with using oxidized starch, the longitudinal stiffness increased about 30 mN·mm, the surface strength increased about 0.1 m/s, the cost of the paper per ton saved 53.5 yuan when the enzyme converted starch was used as surface sizing agent.

enzyme converted starch; amylase; carbonless base paper; stiffness; surface strength

齐云洹先生，高级工程师；主要从事制浆造纸化学品和生产工艺的管理工作。

2016- 12- 19(修改稿)

TS727+.7;TS761.2

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.04.014