生物酶在制浆造纸工业的应用及研究进展

何 爽，李 群

（中国轻工业造纸与生物质精炼重点实验室，天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学轻工科学与工程学院，天津 300457）

生物技术的不断发展在一定程度上缓解了传统造纸工业带来的环境污染问题。随着国家进口固废禁令的实施以及对环境污染的逐渐重视，造纸工业想要获得长远发展必须解决好原料短缺、废水污染处理、工业生产能耗等问题，走绿色环保发展的道路[1]。将生物酶技术运用到制浆造纸行业是一次技术的革新，在生物制浆、废水处理等工序中很大程度上体现出了酶的专一性、高效性，为整个行业的发展带来了更多的新方向[2]。本文介绍了纤维素酶、半纤维素酶等生物酶在制浆造纸行业的应用及研究进展。

1 生物酶预处理木材原料

在传统造纸工业生产中，由于未经处理的木材原料纤维较硬，纤维表面过于光滑，纸浆纤维分散不够均匀等原因，在后续磨浆制浆过程中出现能耗较高、废液浓度较低不适宜燃烧法处理等问题，因此采用生物法预处理木材原料可以在一定程度上降低后续的磨浆能耗和制浆成本。生物酶预处理的主要目的是利用微生物或酶与原木材反应，在一定程度上降解或者改变原料的化学成分，从而降低生产能耗，改善纸张的物理性能[3]。

目前，在生物酶预处理木材过程中常用的酶主要是果胶酶、木聚糖酶、纤维素酶、木素降解酶混合物等。果胶酶、木聚糖酶等主要作用于半纤维素，用于改变磨浆时细胞壁层间的分离位置；纤维素酶的主要作用是软化纤维素，使纤维在磨浆时易于分丝帚化，从而降低能耗；木素降解酶（锰过氧化物酶、漆酶）主要是通过降解木素增加木片的渗透性，通过软化木素降低磨浆能耗。其中，漆酶在制浆造纸工业中的应用较为广泛，其主要产自担子菌中的白腐菌，可以有效地降解原料中的木素，也是近几年生物技术运用于制浆造纸行业的研究热点。瑞典造纸研究所率先开展了这方面的工作，利用能降解木素的白腐菌对木片进行预处理，发现对经过预处理后的木片进行后续磨浆打浆等工序能够明显降低能耗。但是，用真菌进行预处理的周期较长，直接采用木素降解酶，尤其是漆酶进行预处理，引起了广大研究者的兴趣[4]。

研究发现，酶用量、反应pH、反应温度和酶浓度是生物酶预处理木材原料的主要影响因素。资料显示，用Ceriporiopsis subvemispora和P.chrysosorium对生产高得率浆的杨木木片原料进行预处理，预处理后可降低磨浆能耗约20%，节能效果比较明显[5]。常见的生物酶预处理木片工艺流程如图1所示。

图1 生物酶预处理木片工艺流程

2 酶促打浆

生物酶预处理与打浆相结合可以得到物理性能更优良的纸张。在打浆前进行酶预处理，可以使纤维交织的更加密集，在一定程度上降低打浆能耗。在打浆后进行酶处理可以提高浆料的滤水性能，减少浆料的损失，提高产量[6]。在打浆过程中，生物酶会对纸浆纤维产生一定程度的降解和软化，有利于后续制浆漂白等处理。

常用的生物酶是纤维素酶[7]。纤维素酶是一种复合酶，其主要是由外切β-葡聚糖酶、内切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等组成，实质为多种具有高度协同作用的水解酶[8]。在预处理过程中影响纤维素酶活性的因素主要有反应时间、反应温度、酶的浓度、反应体系pH值、活化剂含量等。研究发现，保持纤维素酶最佳酶活性的温度范围为45~65℃，pH值大多在4~5区间[9]。

纤维素酶在打浆过程中的主要作用是促进细胞壁P层和S1层脱落，使其分层、压溃、细纤维化，此时纤维表面会产生很多细小纤维，有利于后续制浆、漂白的进行[1]。MOONEY等[10]研究了粗纤维特性对杉木硫酸盐浆底物酶可及性及水解的影响。研究结果表明，底物的平均纤维大小和粗度对酶的吸附能力有显著影响。在纤维素酶对纤维的处理过程中，比表面积相对较大的细小纤维被分解成更短的纤维或沿着它的长度被剥落，而大部分较长的纤维只是在表面发生“剥皮”现象，变成了小纤维（见图2）。由于纤维大小在木质纤维素底物中的不均匀分布影响了纤维素的总体可及性，从而也影响了底物的水解速率。

图2 纤维素酶对不同尺寸纤维的作用[11]

3 生物法制浆

造纸生产中常见的制浆方法为机械制浆和化学制浆，即通过机械设备或者化学试剂对植物细胞壁产生破坏，通过降解去除细胞壁中的木素和部分半纤维素，使纤维原料降解并解离或分离为纸浆[12]。而生物法制浆可以在一定程度上提高纸浆的物理强度性能，降低高得率浆的磨浆电能消耗，并且不会降低机械浆所具有的松厚度大、不透明度高等优势，同时还可降低化学法制浆的药品消耗，有利于降低制浆废水污染负荷，是具有良好发展前景的制浆技术[13－14]。

生物法制浆主要是通过利用微生物比如白腐菌或其制品酶（常见的有漆酶、木素过氧化物酶、锰过氧化物酶、纤维素酶和半纤维素酶等）对植物原料进行预处理，以生物技术代替传统化学或部分化学方法，然后进行机械或化学机械处理的生物机械制浆方法[15]。在生物酶制浆过程中，首先发生反应的部位是纤维表面，然后一部分酶分子会浸入纹孔、胞间层和次生壁的非晶区反应，结果导致纤维细胞壁的潜态层离，对后续制浆起到一定促进作用[12]。图3所示为生物制浆过程中生物酶的催化作用示意图。

图3 生物制浆过程酶催化作用示意图[11]

近年来，随着生物制浆技术的不断发展和优化，其原料从木材逐渐扩展到麦草、芦苇、蔗渣等非木材原料。利用降解木素酶选择性地降解木素生产纸浆可提高制浆得率，降低纤维原料用量，节约能耗和减轻污染负荷[16]。NAGPAL等[17]使用木聚糖-果胶水解酶处理稻草进行生物制浆，生物制浆的效率高，制浆质量好，还降低了化学制浆过程中的碱消耗量，对漂白剂的要求也较低，为解决造纸污染问题提供了新思路。将生物酶应用于磨浆打浆前预处理，以优化改进传统造纸工业生产中的化学机械浆，可以在保留机械法制浆优势的基础上，又有化学法预处理的作用，改善了两种制浆方法的缺点，对此已有完善的工艺流程应用于工业化生产[18]。但是，如何能够在保持酶活性的条件下最大化地利用酶的专一性，并将生物制浆技术全面推广到造纸工业中去，未来还有很长一段路要走。

4 生物漂白

与传统的化学漂白技术相比，生物漂白具有环境友好的优势，并且在一定程度上减少了后续漂白化学药品的用量，将是实现未来无污染漂白工艺的重要环节，更符合造纸行业绿色发展道路的理念。生物漂白是一种利用微生物或木聚糖酶和木素降解酶等酶制剂处理纸浆，使其有利于脱木素，以改善纸浆色泽、提高纸浆白度、改善纸浆可漂性的方法[12]。在生物酶漂白工艺中半纤维素酶和木素降解酶被广泛使用，其中将半纤维素酶应用于漂白的工艺技术已经十分成熟。目前，造纸行业中常用的不同类型和功能的半纤维素酶大多数可以从细菌、真菌微生物体中分离得到，包括聚甘露糖酶和木聚糖酶两种，其中木聚糖酶在造纸中已经实现了工业化应用。在制浆造纸工业中，纸浆漂白一般是强碱条件下进行的，因此要求木聚糖酶能够在相应的碱性环境下起作用。

在制浆蒸煮过程中，部分木聚糖会吸附、沉积在纤维表面，在一定程度上会降低整个漂白处理的反应效率，进而降低纸张白度。在生物漂白工艺中加入一定量的木聚糖酶，可以在降解纤维表面木聚糖的同时破坏木素-碳水化合物复合体（LCC）结构，使纤维细胞壁的结构更松散、孔隙更大，以利于后续漂白试剂的渗透及木素的降解[19]。PARAB等[20]研究了由芽孢杆菌NIORKP76产生的木聚糖酶、阿拉伯呋喃糖苷酶和乙酰木聚糖酯酶组成的无纤维素酶木聚糖水解酶菌群对硫酸盐浆的生物漂白能力，结果证明使用木聚糖酶菌群处理纸浆后，可以大大减少后续次氯酸盐漂白过程中所需要氯的量，并且与使用单一木聚糖酶相比，该方法效果更好。

在生物漂白中常用的木素降解酶主要是漆酶。与木聚糖酶漂白不同的是，木素降解酶主要是直接氧化和降解纸浆中的残余木素，从而达到一定的漂白效果。漆酶是单电子氧化还原酶，它催化不同类型底物氧化反应的机理主要表现在底物自由基的生成和漆酶分子中4个铜离子的协同作用。底物结合于酶活性中心的Ⅰ型Cu2+位点，通过Cys-His途径将其传递给三核位点，该位点进一步把电子传递给结合到活性中心的第二底物氧分子，使之还原成水[21－24]。尽管生物漂白已经普遍应用于造纸工业生产，但仍存在一些亟待解决的问题，如漆酶、锰过氧化物酶等酶的生产成本比较高，很难实现商业化生产；酶的固定化技术尚不成熟，酶处理时间较长，不能满足连续生产的要求。

5 酶法脱墨

随着国家不断加强对废纸，特别是对废旧新闻纸、废旧书刊纸和办公废纸的回收利用，使得废纸脱墨技术成为研究热点。化学法和生物酶法是常用的废纸脱墨方法。传统的化学法脱墨存在纸张发黄、脱墨效果不佳、环境污染严重等缺点[25-26]。酶法脱墨是一项环境友好的新型脱墨技术，相比于化学法脱墨，酶法脱墨具有脱墨效果好、工艺能耗低、环境污染轻的优势，既能在一定程度上减轻化学品造成的环境污染问题，又可以提高纸浆的抄造性能，提高纸张的物理强度，未来有可能慢慢取代传统化学法脱墨技术而应用于工业生产[27-29]。

实验研究已经证实，酶法脱墨的过程主要分为两个步骤：第一步，由于生物酶的专一性，其可以选择性地吸附于纤维和各种油墨粒子之间，以此提高纸浆纤维的吸水润胀能力。一般在纤维润胀后，体积会在一定程度上有所增加，从而削弱了纤维与油墨颗粒之间的连接。第二步，酶与纤维发生酶解反应，纤维的结构呈现疏松状态，从而削弱纤维与油墨的黏结力。在碎浆的过程中，由于受到机械的冲击力、纤维之间的摩擦力以及水力剪切力，油墨颗粒与纤维会发生分离，利用浮选或者洗涤的方法将油墨从纸浆中去除[30]。

在酶法脱墨工艺中，常用的生物酶是纤维素酶和脂肪酶[31-32]。一般情况下，用纤维素酶脱墨时需要对纸浆进行预处理，使纤维分散状态较为均匀，以此提高纤维素酶处理效率[33]。CICEKLER等[34]将纤维素酶用于传统的脱墨工艺，不仅提高了脱墨效率，而且改善了纸张的物理光学性能，可使传统脱墨过程中使用的化学物质减少50%，同时减少了废水中的化学物质（COD）和生物需氧量（BOD）。酶法脱墨技术的应用较为广泛，处理后废纸油墨与纸浆纤维之间分离的比较彻底，纸浆白度高、尘埃度低，在一定程度上降低了生产成本，减少了化学药品用量，有利于环境保护。

6 生物法废水处理

造纸废水的处理是整个造纸行业走可持续发展道路的重中之重。制浆造纸废水主要来源于漂白工段和洗涤用水，废水中含有大量的有机酸、苯酚类化合物、木素及其衍生物等成分较复杂的物质，因而导致其色度高、可生化性差[12]。生物技术应用于造纸废水处理工序主要是利用微生物自身生长过程的代谢功能，将废水中的有机污染物降解并使其转化为对自然界无污染的无害物质，达到净化废水的目的。漆酶是目前造纸废水处理体系中最重要的一种生物酶，国内外大量研究表明，使用漆酶处理工业废水，通过催化氧化聚合反应与大部分残余木素产生聚合反应，可去除90%以上的鞣酸类和其他酚类化合物，将废水中的残余木素絮聚为沉淀的大分子物质[35]。采用生物酶处理造纸废水可以在一定程度上降低废水对环境的污染，目前通常用生物酶法处理造纸中段有机氯化物含量较高的废水[36]。

SONDHI等[37]的研究表明，将漆酶直接用于废水处理，可降低废水中的BOD、COD、苯酚含量、木素含量、TDS和TSS等各项指标，并且效果显著。漆酶还可以降低造纸漂白工序部分碱抽提段产生的废水、棉清洗车间苛化段废水以及棉清洗车间高含硫废水的色度[34]。

7 结束语

生物技术在预处理木材原料、酶促打浆磨浆、制浆、漂白、脱墨、废水处理等工序中的应用都体现了酶的专一性、高效性，不仅可以提高纸张的白度、强度、耐破度等物理性能，还在一定程度上提升了生产效率，改善了传统造纸工艺中的废水污染严重、漂白效率低等难题，为造纸行业的发展带来了新的方向。但是，目前生物技术在造纸行业的应用中还存在一些不足，各个工序处理环境之间相差较大。首先，生物酶是一种生物试剂，其能否在高温、高压、强酸、强碱条件下保持活性是至关重要的。其次，酶的获取、处理条件及反应时长都是在制浆工业化生产中需要解决的问题。随着这些问题的逐步解决，用生物酶预处理木材、酶促打浆、漂白脱墨等技术将不断完善，并在制浆造纸行业中得到更高效、广泛的应用。