角质酶/表面活性剂体系对混合办公废纸的协同脱墨作用

王凤，龙柱,，吴美燕，陈杰，张辉

（1江南大学纺织服装学院造纸研究室，江苏 无锡 214122；2江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214122；3南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京 210037）

角质酶/表面活性剂体系对混合办公废纸的协同脱墨作用

王凤1,2，龙柱1,2,3，吴美燕1,2，陈杰1,2，张辉3

（1江南大学纺织服装学院造纸研究室，江苏 无锡 214122；2江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214122；3南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京 210037）

角质酶能够水解可溶性酯、不溶性甘油三酯和各种聚酯，因此可以水解油墨中的连接料，有代替脂肪酶应用于废纸脱墨领域的潜能。利用角质酶和实验室复配得到的表面活性剂协同应用于混合办公废纸脱墨领域，探讨其脱墨效果和最优工艺，并与常用商业脂肪酶进行脱墨效果比较。结果表明，角质酶在酶用量10 U·g-1，酶处理时间30 min，酶处理温度50℃，表面活性剂用量0.2%的条件下可以达到最优效果。与脂肪酶/表面活性剂以及单独用表面活性剂脱墨相比，角质酶脱墨后纸页的白度与油墨去除率更高，纸页的机械强度也较好。通过纸页性能的对比和扫描电镜(SEM)观察，角质酶的脱墨效果较脂肪酶更佳，角质酶/表面活性剂体系对混合办公废纸脱墨效果较好。

角质酶；表面活性剂；混合办公废纸；浮选脱墨

引 言

废纸回收是造纸行业面临资源和能源短缺问题的一种有效解决方案。脱墨是废纸回收过程的第一步也是极为重要的一步。目前用于混合办公废纸的脱墨方法大多还是传统的化学法脱墨，常规化学脱墨需要大量的化学品，如氢氧化钠、硅酸钠、过氧化氢和螯合剂等。大量化学药品的使用会导致生产用水的化学污染较高，增加废水处理的成本[1-4]。研究表明，酶的使用可以减少脱墨对环境的影响。适当的酶处理可以促进油墨粒子的脱除，改善脱墨浆的滤水性，提高纸张的强度性能，因此酶法脱墨成为当今国内外废纸回用研究的热点之一[5-11]。

据文献[12-17]报道目前用于废纸脱墨效果较好的生物酶主要有纤维素酶、半纤维素酶、脂肪酶、淀粉酶、漆酶以及复配的混合酶等。角质酶是一种多功能酶，可水解可溶性酯、不溶性甘油三酯和各种聚酯，同时还能催化酸与醇的酯化、脂肪酸盐与醇的转酯化反应，在食品、纺织、化工等诸多领域都具有广泛的应用[18-24]。混合办公废纸中的油墨是通过连接料黏附在纤维上与纤维牢固地结合在一起的，这些连接料通常是酯类聚合物。因此角质酶有应用于混合办公废纸脱墨领域的潜能。

虽然酶法脱墨可以有效地解决办公废纸脱墨难、污染大的问题，但实验发现，不添加表面活性剂仅用生物酶脱墨并不能达到很好的脱墨效果。一方面浮选法脱墨仅用生物酶无法产生足量的泡沫将分离下来的油墨浮选除去，另有研究者指出合适的表面活性剂存在对生物酶的酶活有促进作用，能提高酶脱墨的效率[25-27]。本实验将角质酶和实验室复配得到绿色环保型表面活性剂协同对混合办公废纸进行脱墨，对角质酶的脱墨工艺进行了优化并确定了角质酶的最佳脱墨条件。

1 材料与方法

1.1 材料

废纸：实验中所用的混合办公废纸主要为激光打印纸和静电复印纸（撕成20 mm×20 mm左右的碎片，用自封塑料袋密封24 h以平衡水分，备用）。

表面活性剂：腰果酚聚氧乙烯醚（实验室合成）、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐以质量比 1：1：1 复配。

生物酶：T-fusca产角质酶，酶活为100 U·ml-1（江南大学食品科学国家重点实验室提供）；商业脂肪酶，酶活为5000 U·ml-1（诺维信生物技术有限公司提供）。

1.2 实验方法

1.2.1 角质酶酶活测定方法 称取 0.0139 g 对硝基苯酚，用Tris-HCl缓冲液定容至1000 ml，配制成 100 μmol·L-1的对硝基苯酚母液，再用 10 mmol·L-1pH 8.0 的 Tris-HCl缓冲液稀释至 0、20、40、60、80、100 μmol·L-1。用 0.5 cm 玻璃比色皿在分光光度计上测定波长为405 nm时的吸光度值，以对硝基苯酚浓度C为横坐标，吸光度值A为纵坐标，绘制标准曲线A=aC+b。

用5 ml的移液管准确移取1.5 ml Tris-HCl缓冲液至0.5 cm玻璃比色皿中，在吸收波长405 nm处调零。用5 ml的移液管准确移取1.44 ml Tris-HCl缓冲液至0.5 cm石英比色皿中，用50 μl的微量移液枪移取30 μl待测稀释样品，加入上述石英比色皿中，然后50 μl的微量移液枪移取30 μl底物溶液，加入上述石英比色皿中，摇匀后立即放入可见分光光度计中，在吸收波长405 nm处测吸光度值。每隔5 s记录一次吸光度值，反应时间为1 min。

式中，K为酶反应所测不同时间吸光度值和时间（min）所成曲线的斜率；V1为反应体积，ml；V2为加酶量，ml；N为稀释倍数。

1.2.2 碎浆 在水力碎浆机中加入热水2 L，称取200 g绝干废纸逐渐加入到碎浆机中，并逐步提高碎浆机转速，以免转子被纸片卡住，同时也要避免纸料溅出碎浆机，加完纸片的同时，按实验要求加入表面活性剂和角质酶，不需要调节pH（所用的办公废纸碎解后pH在7.5 左右，与实验所用酶最佳作用的pH范围相符），增大转速至20 Hz，按设定时间进行碎浆，碎浆结束后保温熟化一段时间。

1.2.3 浮选 碎解后，将浆料缓慢倒入浮选脱墨机中，加热水调节浆浓至 1%，在适宜的温度下进行浮选脱墨，浮选时通气量为 0.4 m3·min-1，压力为0.4 MPa。

角质酶应用于混合办公废纸浮选脱墨领域，需要在特定的pH下才能发挥其最优活性。本实验不添加氢氧化钠等药品调节pH，在中性条件下进行脱墨。该条件符合角质酶活性的最适范围，而且不添加氢氧化钠既节省了化学药品也避免了纸张的返黄现象。

1.2.4 纤维解离 称取脱墨浆，调成浆浓1.5%，在转数5000 r·min-1，常温下用纤维标准解离器解离。

1.2.5 抄片 将脱墨浆打散后，稀释至0.4%～0.5%的浓度，按60 g·m-2定量抄纸片。

1.3 分析方法

手抄片按照GB/T 7974—2002标准测定白度，单位为%ISO；残余油墨情况以尘埃度表示，即单位质量浆片中残余油墨的面积，单位为 mm2·g-1。尘埃度用图像分析技术测定，利用扫描仪进行图像采集后，通过软件纸浆尘埃度图像分析仪 Auto Spec(R)4.0（华南理工大学）按照GB/T 1541—1989分析；抗张指数按GB/T 453—2002标准测定；撕裂指数按GB/T 455—2002标准测定。

2 结果与讨论

脱墨过程中，利用角质酶攻击油墨的连接料，依靠表面活性剂促进纤维与油墨之间连接键的断裂，在机械外力的作用下使油墨与纤维分离。影响角质酶脱墨的因素很多，例如酶的用量，酶处理的时间和温度以及表面活性剂的选择和用量等。生物酶作为一种具有生物活性的蛋白质大分子化合物，需要在合适的条件下才能最大限度地发挥其作用，因此需要对其影响条件做深入的研究。

2.1 角质酶用量对脱墨效果的影响

酶的添加量是影响脱墨效果的一个极为重要的因素，从表1可以看出，随着角质酶添加量的增加，白度呈现先增加后降低的趋势，尘埃度则呈现先降低后升高的趋势。在酶用量为10 U·g-1时白度值达到最高 91.64%ISO，尘埃度降低到 3.58 mm2·g-1，继续增加酶用量白度反而下降，尘埃度也呈上升趋势。这是因为角质酶脱墨的原理跟脂肪酶类似，都是通过水解油墨中所含的树脂连接料来使油墨和纤维分离。当酶用量较低时，酶可以使新鲜的纤维暴露出来，使纤维表面变得光滑，类似于“剥皮作用”，对纤维主体没有明显损伤，暴露出的新鲜表面增强了纤维的柔软度，纤维表面暴露出更多的羟基，使得纤维之间的结合力增强，纸张的力学强度增加，抗张指数达到23.12 N·m·g-1，撕裂指数达到8.90 mN·m2·g-1。增加酶的用量会导致树脂连接料的过度降解。这种过度降解会导致油墨颗粒分散得太小，导致泡沫无法将其很好地吸附并浮选除去。分散过小的油墨颗粒会重新吸附到纤维表面，导致白度的降低和尘埃度的提高。因此对于混合办公废纸脱墨来说，角质酶的最佳用量为10 U·g-1。

表1 角质酶用量对脱墨浆效果的影响Table 1 Effect of cutinase dosage on deinking results

2.2 酶处理时间对脱墨效果的影响

研究表明，适当的机械作用力可以促进生物酶对油墨的脱除，因此本实验将角质酶、表面活性剂在碎浆阶段加入，使角质酶、表面活性剂和废纸纤维进行充分接触。从图1和图2可以看出，酶处理时间过短，酶的作用没有发挥到最优，油墨粒子不能完全与纤维脱离，因此白度值较低、尘埃度较高。随着处理时间的增加，白度和尘埃度值均在30 min时达到最优，继续增加处理时间反而不利于油墨的脱除。这是因为酶处理时间过长导致油墨中的连接料过度降解，同时分离下来的油墨粒子又会重新吸附到纤维上。另外碎浆时间过长还会损伤纤维、降低纸页的力学强度，并且增加动力消耗，因此最优的酶处理时间为30 min。

2.3 酶处理温度对脱墨效果的影响

图1 酶处理时间对白度、残余油墨的影响Fig.1 Effect of enzyme treatment time on brightness and residual ink

酶作为一种生物催化剂，其活性受温度影响较大，温度影响酶的稳定程度。一般情况下，在一定温度范围内，随着温度的升高，酶的活性增高，但是超过一定温度则会导致蛋白质变性酶失活。另外合适的热作用还可以加速纤维的软化，有助于油墨粒子的脱除。从图3和图4可以看出在温度为50℃时，脱墨浆的各项指标均达到最优水平，温度过高或过低都不利于油墨的脱除。

图2 酶处理时间对纸页强度的影响Fig.2 Effect of enzyme treatment time on paper strength

图3 酶处理温度对白度、残余油墨的影响Fig.3 Effect of enzyme treatment temperature on brightness and residual ink

图4 酶处理温度对纸页强度的影响Fig.4 Effect of enzyme treatment temperature on paper strength

2.4 表面活性剂用量对脱墨效果的影响

实验发现，表面活性剂在生物酶脱墨过程中起着至关重要的作用。一方面，合适的表面活性剂可以产生适量且稳定的泡沫，协助将生物酶脱除下来的油墨浮选除去；另外，表面活性剂本身吸附在油墨的表面，能够降低其表面张力，同时起到乳化分散的作用，有助于油墨的脱除，表面活性剂还可以通过分散作用防止油墨的再沉积。研究表明，当腰果酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐以质量比 1：1：1复配在一起时，产生的泡沫最为适量，稳定性较好，对油墨的乳化分散情况也最好，最有利于油墨的脱除。

图5 表面活性剂用量对白度、残余油墨的影响Fig.5 Effect of surfactant dosage on brightness and residual ink

图6 表面活性剂用量对纸页强度的影响Fig.6 Effect of surfactant dosage on paper strength

由图5和图6可以看出，在脱墨过程中如果不添加表面活性剂脱墨效果十分不理想，尘埃度较高，白度较低，纸页强度也较低。添加了复配的表面活性剂以后纸页各项指标均有大幅度优化。当表面活性剂用量为 0.2%时，白度和油墨去除率均达到最高，纸页强度也较好，因此从脱墨效果和经济方面综合考虑，表面活性剂的最优添加量为0.2%。

图7 酶脱墨后纸页的SEM镜图Fig.7 SEM images of paper sheets after enzyme deinking

2.5 角质酶与脂肪酶的脱墨效果对比

脂肪酶在混合办公废纸脱墨领域的应用已有较多的研究并已达到了较好的脱墨效果[28-29]。在脱墨机理方面，角质酶和脂肪酶有着相似的原理，它们都是通过水解油墨中所含的树脂连接料来使油墨和纤维分离。角质酶具有类似于脂肪酶的催化活性并且角质酶对以聚合形式存在的底物具有更高的酶活性。相比于脂肪酶，角质酶催化的酯水解可以在均相体系中进行，角质酶的稳定性也更好，当体系中存在其他酶时也不易发生反应[18-19]。将角质酶和商业用脂肪酶在最优条件下的脱墨效果进行对比，从表2可以看出不管是从白度、尘埃度还是纸页强度方面，角质酶均能达到优于脂肪酶的效果。尤其是在提高白度方面，角质酶具有较好的效果而脂肪酶对白度的增量不是特别明显。究其原因可能是由于脂肪酶的活性部分上方存在的“盖”结构阻碍了聚合物在酶活性中心的结合[30-31]。角质酶用量（10 U·g-1）在低于脂肪酶用量（30 U·g-1）的情况下就可以达到更好的脱墨效果。

表2 角质酶和脂肪酶脱墨效果对比Table 2 Comparison of deinking effects of cutinase and lipase

通过扫描电镜图（图 7）也可以看出，与不添加生物酶的空白纸样相比，角质酶和脂肪酶脱墨后的废纸浆纤维表面都较干净，说明角质酶和脂肪酶都可以基本除去纤维上附着的油墨，但是通过对比可以看出，角质酶脱墨后的废纸纤维表面更加平滑，油墨颗粒更少，说明对混合办公废纸脱墨，角质酶具有比脂肪酶更好的脱墨效果。

3 结 论

（1）角质酶应用于混合办公废纸脱墨领域有较好的效果，最优工艺为：中性条件，酶用量10 U·g-1，酶处理时间30 min，酶处理温度50℃；表面活性剂组分：腰果酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐，表面活性剂用量0.2%。

（2）在最优的脱墨工艺下，角质酶在较低用量时的脱墨效果即可优于脂肪酶。角质酶脱墨浆指标为：白度91.64%ISO，油墨去除率90.78%，抗张指数 23.12 N·m·g-1，撕裂指数 8.90 mN· m2·g-1。

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date:2017-06-15.

Prof.LONG Zhu,longzhu@jiangnan.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China(31270633).

Deinking of mixed office waste paper by cutinase/surfactant system

WANG Feng1,2,LONG Zhu1,2,3,WU Meiyan1,2,CHEN Jie1,2,ZHANG Hui3
(1Laboratory of Papermaking,School of Textiles & Clothing,Jiangnan University,Wuxi214122,Jiangsu,China;2Key Laboratory of Eco-textiles,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi214122,Jiangsu,China;3Jiangsu Provincial Key Laboratory of Pulp and Paper Science and Technology,Nanjing Forestry University,Nanjing210037,Jiangsu,China)

Cutinase is capable of hydrolyzing soluble esters,insoluble triglycerides and various polyesters,and thus it can hydrolyze the binder in the ink and have the potential to replace lipase in the field of waste paper deinking.Cutinase and self-made surfactant was synergically used in deinking of office waste paper.The deinking effect and optimum process were discussed and compared with the conventional commercial lipase.The results showed that the optimal effect of cutinase could be achieved under the conditions of enzyme dosage of 10 U·g-1,enzyme treatment time of 30 min,enzyme treatment temperature of 50℃ and surfactant dosage of 0.2%.Compared with lipase/surfactant and surfactant deinking,the brightness and ink removal rate of paper after cutinase deinking were higher and the mechanical strength of paper was also greatly improved.By comparison of the paper performance and scanning electron microscopy (SEM) analysis,the deinking effect of cutinase was better than that of lipase.

cutinase; surfactant; mixed office waste paper; flotation deinking

TS 724

A

0438—1157（2017）12—4750—06

10.11949/j.issn.0438-1157.20170775

2017-06-15收到初稿，2017-08-15收到修改稿。

联系人：龙柱。

王凤（1991—），女，硕士研究生。

国家自然科学基金项目（31270633）；江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室开放课题项目（201532）。