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提　要：用木聚糖酶處理未漂麥草漿，紙漿的可漂性得到改善，用氯量減少或紙漿白度提高。用纖維素酶和半纖維素酶處理漂白麥草漿可明顯改善紙漿的性能，如濾水性、脆性、強度和白度等。工業(yè)化試驗表明，草漿的生物漂白與酶法改性具有較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。關鍵詞：麥草漿；生物漂白；酶法改性；木聚糖酶；纖維素酶本項目為國家“九五”科技攻關項目(項目號96-C3-02-03)、山東省青年科學家獎勵基金和山東省自然科學基金資助項目。第一作者簡介：陳嘉川，教授，博士，山東輕工業(yè)學院副院長，山東造紙工業(yè)協(xié)會副理事長，山東造紙學會學術工作委員會主任委員，山東省優(yōu)秀青年知識分子?！　　∥覈静馁Y源匱乏，麥草一直被作為重要的造紙纖維資源。目前國內(nèi)麥草漿的漂白仍采用沿用了100多年的含氯漂白工藝，從而造成大量氯化有機物的產(chǎn)生，嚴重危害生態(tài)環(huán)境。另一方面，與木漿相比，麥草漿存在先天不足，如濾水性差、脆性大、強度低等。生物技術的迅猛發(fā)展以及應用領域的日益擴大為解決制漿造紙工業(yè)面臨的問題提供了新的途徑。本文就我們對麥草漿生物漂白和酶法改性的研究與進行的工業(yè)化試驗情況作一介紹。1　生物漂白　　工業(yè)意義的生物漂白實際上是半纖維素酶（主要是木聚糖酶）漂白。半纖維素酶比木素酶容易獲得，許多微生物包括降解木素的真菌和降解纖維素的真菌都能分泌出半纖維素酶。商品半纖維素酶早已面世，它們在食品工業(yè)和飼料工業(yè)有較多的應用?！　?986年，芬蘭的Viikari等人[1]首次報道了用木聚糖酶處理未漂KP漿可增進其漂白性。這一報道激發(fā)了人們對這方面的研究興趣。3年后，即1989年，芬蘭率先進行了木聚糖酶漂白KP漿的工業(yè)化試驗[2]。隨后北歐和北美地區(qū)的一些制漿廠開始采用這一技術[3]。到1994年，在加拿大有75萬噸漿采用了木聚糖酶漂白[4]。現(xiàn)今世界上應用木聚糖酶漂白的廠家已有數(shù)十家。　　在國內(nèi)，我們是較早研究草漿生物漂白的單位之一[5-7]，并率先進行了工業(yè)化試驗。1.1　漂白機理　　木聚糖是構(gòu)成植物纖維細胞壁的主要成分之一，在草漿中含量較多，約占20%～30%。木聚糖在紙漿纖維中的存在形式有三種：一是與木素形成LCC的木聚糖；二是在蒸煮過程中溶解出來又被纖維吸回的木聚糖；三是存在于纖維細胞壁的原細纖維（protfibril）以及微細纖維（microfibril）之間除LCC以外的木聚糖?！　∮脕砥准垵{的木聚糖酶是能催化降解木聚糖的一類半纖維素酶。眾所周知，酶作用的特點之一是具有專一性。因此，用其處理紙漿會選擇性地降解漿中的木聚糖，木聚糖酶在漂白中的作用機理有如下三種解釋：　?、拍揪厶敲附到饽揪厶堑耐瑫r破壞了LCC聯(lián)接，從而有利于這部分木素的脫除。　?、朴捎诒焕w維吸回的木聚糖具有保護殘余木素免受化學品進攻的作用，因此木聚糖酶通過水解部分被吸回的木聚糖可使殘余木素暴露出來，使得化學藥品容易與殘余木素發(fā)生作用，從而達到脫木素的目的?！　、敲傅淖饔猛ㄟ^降解紙漿纖維中的半纖維素，使得纖維細胞壁變得疏松，從而使木素容易抽提出來?！　】梢?，木聚糖酶的助漂作用是由于纖維中木聚糖的降解而引起的。1.2　漂白工藝參數(shù)　　酶是具有專一催化性質(zhì)的蛋白質(zhì)，對環(huán)境條件有一定的要求，也就是說每一種酶都有其特定的最適環(huán)境條件。一般來講，木聚糖酶漂白的工藝參數(shù)包括：酶用量、pH值、時間、溫度和紙漿濃度等。1.2.1　酶用量　　為獲得最佳酶處理效果，酶用量必須進行最佳化選擇。由于不同漿種其化學組成尤其是木聚糖含量不同，因此酶用量往往與漿種有關。例如木漿酶用量一般在2～5IU/g漿，其中闊葉漿取低值，針葉漿取高值。一般認為麥草漿比木漿含更多的木聚糖，因此更適合木聚糖酶漂白。但實際恰恰相反，由于麥草漿中含有較多的木聚糖，而要破壞掉部分木聚糖以使木素容易溶出則需要添加比木漿更多的木聚糖酶。實驗表明，當次氯酸鹽漂白麥草漿漂前酶處理酶用量為10IU/g、50IU/g和100 IU/g時，與未經(jīng)酶預漂的漿相比，白度分別提高2.1度、4.8度和6.5度。當采用更高的酶用量時，白度提高不大。1.2.2　pH值　　不同微生物產(chǎn)生的酶其最適pH值是不一樣的，甚至相差較大。一般真菌木聚糖酶在酸性條件下酶活較高，通常pH值在4～6，而細菌木聚糖酶pH要高一些，通常為6～9。我們研究的An—76木聚糖酶最佳pH值為5，G6—2木聚糖酶最佳pH值為7.5。1.2.3　溫 度　　溫度升高可以加快反應速度，縮短反應時間，但溫度過高也會引起酶的失活。目前尚未制備出耐高溫的木聚糖酶。我們試驗的幾種酶溫度在40～50℃時效果較好，最高不宜超過60℃。1.2.4　時 間　　在40～50℃的溫度下酶作用時間可根據(jù)需要控制在60～120min，超過120min已沒有實際意義。1.2.5 　紙漿濃度　　酶與紙漿的均勻混合是比較重要的，因此隨著紙漿濃度的提高，酶處理效果往往會變差，通常較適宜的紙漿濃度為5%～10%。1.3　工業(yè)試驗　　木聚糖酶用于硫酸鹽木漿的漂白已進入工業(yè)化應用階段，草漿的生物漂白尚未見有工業(yè)化的報道。 最近我們在山東泰山造紙廠進行了麥草漿木聚糖酶預漂的工業(yè)化試驗。1.3.1　木聚糖酶　　采用中國科學院微生物研究所提供的菌種，在泰安市風臺酶制劑廠制備粗酶液，木聚糖酶酶活在實驗室可達到1000IU/ml，但本次實驗粗酶液酶活為100～200IU/ml，最適pH值在弱堿性范圍。1.3.2　工藝流程　　酶預漂通常是在紙漿洗滌后進行，不需添加工藝設備，也不需要對現(xiàn)有流程進行改造，操作比較方便，本次實驗的流程如下：1.3.3　反應條件　　木聚糖酶在立式漿池前的螺旋輸送器中加入，控制反應條件為：酶用量20IU/g，漿濃5%，溫度50℃，時間60min以上，不需調(diào)節(jié)pH值。1.3.4　試驗結(jié)果　　試驗結(jié)果見下表：漂 序白度%ISO裂斷長km撕裂指數(shù)mN·m2/g耐破指數(shù)kPa·m2/gCEHXCEH73.575.56.256.203.353.453.303.30注：X—木聚糖酶預漂　　試驗結(jié)果證實了木聚糖酶可改善麥草漿的可漂性，提高紙漿白度或減少漂白用氯量。但本次大生產(chǎn)試驗的時間較短，整個試驗尚未達到小試的水平，改進的潛力還較大。我們將進一步總結(jié)經(jīng)驗，繼續(xù)開展研究工作。2　酶法改性　　草漿濾水性差、脆性大、強度低，抄紙時粘網(wǎng)粘輥易斷頭，等等。因此，全麥草漿只能用來生產(chǎn)低檔紙，生產(chǎn)中高檔紙必須配用部分木漿或全部采用木漿。草漿存在的上述問題除與雜細胞含量高有關外，與漿中半纖維素含量較高也有直接關系。半纖維素是一類聚合度較低、分子帶有支鏈、易水化潤脹的聚糖。因此通過半纖維素酶的改性作用可望在一定程度上克服草漿的某些缺陷。此外，草漿具有難打漿（即細胞壁難以細纖維化）的特點，而纖維素酶具有酶法打漿的作用，并可改善紙漿的濾水性，這在用其處理二次纖維時已被表現(xiàn)出來[8]?！　∥覀兪亲钤鐚Σ轁{酶法改性開展研究工作的[9、10]，并獲得了一項國家發(fā)明專利[11]。2.1　試驗用酶　　試驗所用的幾種酶為：An—76、A—10、C—30、L—22、S—28、G6—2和A—30等。上述幾種酶既有真菌酶，也有細菌酶。除G6—2為無纖維素酶活的木聚糖酶外，其它幾種粗酶中既含木聚糖酶也含纖維素酶。有關小試情況參見《中國造紙》1997年第6期[9]等已發(fā)表的文章，這里不再贅述。2.2　工業(yè)試驗　　在幾家造紙廠進行了工業(yè)化試驗。實驗方案有兩種：一是在貝爾曼漂白機中進行，當紙漿漂至規(guī)定白度后加脫氯劑（為節(jié)省時間中間不洗滌），然后加酶，至規(guī)定時間后洗滌；二是將酶作為一種添加劑在調(diào)漿時加入，這一方案試驗方便，不影響正常生產(chǎn)，因此試驗中用的較多。試驗用酶一種是An—76真菌酶，除木聚糖酶外還含少量纖維素酶。另一種是G6—2細菌酶，屬無纖維酶活的木聚糖酶。2.3　試驗結(jié)果　　在不同廠家，不同生產(chǎn)線和不同的紙種進行了試驗，試驗取得了如下結(jié)果：2.3.1　增 強　　裂斷長平均增加300～500m，耐破度、耐折度和脆性也有所改善。酶增強的機理可能是木聚糖酶破壞了纖維表面吸附的部分木聚糖和纖維素酶對纖維的酶法打漿作用，從而增加了纖維間的結(jié)合力。2.3.2　改善漿料的濾水性　　主要表現(xiàn)在出壓榨濕紙頁水分降低（一般降低3%左右）和網(wǎng)部水線前移。因此，可減少干燥部蒸汽消耗，并可望提高車速。2.3.3　提高了填料留著率　　據(jù)測定，加酶后填料留著率提高5%～10%，白水濃度降低。機理尚不清楚?！　〈送猓裘柑幚砗蟮臐{料進行洗滌，則紙頁白度提高2%～3%ISO?！　∩a(chǎn)試驗已顯示出草漿酶法改性的工業(yè)化潛力。3　結(jié) 語　　諾貝爾獎獲得者、著名化學家羅伯特·科爾曾經(jīng)說過：20世紀是物理學和化學的世紀，而21世紀則是生物學的世紀。作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的造紙工業(yè)，如何利用生物技術和其他高新技術對其進行改造，這是一項意義深遠的也是永無止境的課題?！　【筒轁{的生物漂白與酶法改性而言，通過工業(yè)化試驗已證明它不是什么可望而不可即的玄奧的東西，其工業(yè)化前景已經(jīng)顯露出來，盡管尚存在一些需要我們進一步解決的問題。