木聚糖酶預處理對楊木木片磨漿及紙漿性能的影響

陳夫山 張升友 王高升 王松林

（1.青島科技大學化工學院，山東青島，266042；2.中國制漿造紙研究院，北京，100020；3.天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457）

機械制漿技術因其制漿得率高、污染負荷低，紙漿挺度和松厚度好、光學性能優異，近年來得到了快速發展。機械漿產量約占全球紙漿產量的20％［1］，但是其強度性能相對較低，能耗較高。近年來，很多研究一直致力于降低生產成本和提高機械漿性能。Akhtar等人對磨漿前利用白腐菌處理木片，以促進纖維分離，并減少磨漿能耗進行了研究［2-4］。研究結果表明，生物機械制漿雖然已取得一定進展，但對于大規模的工業應用來說，真菌的處理時間太長。相比之下，只需要幾小時的酶法處理更加符合工業生產的要求［5］，在二段磨之前加入纖維素酶和半纖維素酶對機械漿纖維粗糙度進行改性，用少量的纖維二糖水解酶和半纖維素酶對上述漿料進行改性，分別能夠節省20％和5％的能耗［6］?；诖?，本實驗采用木聚糖酶來處理楊木木片，以期改性纖維，降低磨漿能耗和改善紙漿質量。

1 實驗

1.1 實驗原料

楊木木片：取自山東太陽紙業，木片的規格為30mm×4mm×2mm。

木聚糖酶：由諾維信公司提供。

1.2 實驗儀器

GNM-300高濃盤磨；單螺旋擠壓機；UV-1600紫外可見分光光度計；FRANK紙頁成形器；L＆W纖維分析儀；Quanta 200掃描電鏡等。

1.3 實驗流程

圖1 實驗流程

1.4 實驗方法

1.4.1 酶活測定

1g酶粉（或1mL酶液）每分鐘分解1％木聚糖溶液產生1μmol還原糖（以木糖計）的酶量定義為1個木聚糖酶活力單位。

取1％的木聚糖溶液1.5mL（緩沖溶液配置），在水浴鍋內預熱5min，加入緩沖溶液稀釋好的酶液0.5mL，恒溫水浴反應15min。用Miller［7］法測定還原糖產生量：取出，加入3mL DNS顯色液終止反應，然后在沸水浴上顯色5min，取出后立即放入冷水中冷卻，加水定容至25mL，以蒸餾水調儀器零點，在550nm測定其吸光度，對照標準曲線查得木糖產生量［8］。

1.4.2 酶預處理

準確稱取絕干量為500g的螺旋擠壓過的楊木木片放入塑料燒杯中，用熱蒸餾水稀釋至一定濃度；把燒杯放入恒溫水浴中，根據預定條件調節物料并加入一定量的酶液，立即把物料裝入塑料袋，密封好后置于恒溫水浴中，反應4h，定時翻動塑料袋使反應順利進行；反應結束立即用真空泵抽濾，收集濾液倒入燒杯中，測還原糖產生量。用沸水洗滌物料，終止酶反應；物料留作下一步堿處理。

1.4.3 還原糖產量的測定

還原糖產量的測定采用DNS顯色法，與酶活測定方法一致。具體為取2mL濾液，加入3mL DNS，沸水浴5min，取出立即放入冷水中冷卻，加水稀釋至25mL，以空白樣為參比，在550nm測定吸光度［7］。然后根據標準曲線算出還原糖產生量。

1.4.4 戊聚糖含量的測定

按照GB/T2677.9—1994進行測定。

1.4.5 堿處理

將酶處理過的物料在用堿量4％，溫度80℃，液比1∶6的條件下處理2h，備磨漿。

1.4.6 高濃磨漿

用GNM-300型高濃盤磨機在常溫常壓下磨漿，磨漿條件：漿濃15％，盤磨間隙0.75mm、0.3mm、0.1mm；同時使用三相電機電參數采集處理軟件采集磨漿能耗。

1.4.7 抄片和物理性能檢測

在FRANK快速紙頁成形器上抄片，定量60g/m2，物理性能根據有關國家標準測定［9］。

1.4.8 纖維分析及掃描電子顯微鏡（SEM）觀察

采用L＆W纖維分析儀分析纖維形態；將手抄片裁剪后進行噴金處理，然后使用JSM-6380LV掃描電子顯微鏡進行觀察。

2 結果與討論

2.1 木聚糖酶的酶學性質

圖2、圖3為pH值和溫度對木聚糖酶活的影響。

圖3 溫度對木聚糖酶酶活的影響

由圖2和圖3可以看出，此木聚糖酶最適宜的pH值為7.8，最適宜的溫度為60℃。此條件下酶活為7545IU/mL。

實驗中還測定了纖維素酶活，發現纖維素酶酶活與木聚糖酶酶活相比甚微，故本實驗忽略了纖維素酶的影響。

2.2 木聚糖酶用量對組分、磨漿性能、紙漿物理性能和纖維形態的影響

酶用量對酶促反應的效果影響很大，酶用量決定反應體系中的酶的濃度，而酶的濃度是決定反應速度的一個重要因素。本研究中的酶用量是以單位質量絕干木片中所加入的木聚糖酶活單位數作為基準的。

2.2.1 木聚糖酶預處理后組分的變化

表1反映了木聚糖酶預處理后組分的變化。

表1 木聚糖酶預處理后組分的變化

從表1可以看出，還原糖產生量隨著酶用量的增加逐漸增加，這說明酶用量越大，反應越充分，越多的半纖維素被降解。這從戊聚糖的含量逐漸減少也可以得到印證。但是戊聚糖含量的變化是比較小的，這也從側面說明，用酶制劑直接處理原料是比較難的。

2.2.2 木聚糖酶用量對磨漿性能的影響

表2反映了木聚糖酶用量對磨漿性能的影響。

從表2可以看出，隨著酶用量的增加，在相同的化學處理和磨漿條件下所獲得漿料的游離度相近，比空白略有降低，纖維束含量逐漸降低。而且隨著酶用量的增加，磨漿總能耗逐漸降低。從實驗結果可以看出，二段、三段磨漿能耗明顯高于第一段，但是二段、三段能耗隨著酶用量的增加變化不大，因此磨漿能耗的降低主要產生在第一磨漿段。這說明酶分子比較難深入到纖維內部，無法對精磨起到進一步的作用。

表2 木聚糖酶用量對磨漿性能的影響

2.2.3 木聚糖酶用量對紙漿物理性能的影響

表3反映了木聚糖酶用量對紙漿物理性能的影響。

紙漿物理性能是纖維間結合力、纖維內在強度和纖維平均長度綜合影響的結果。從表3可以看出，隨著木聚糖酶用量的增加，松厚度差別不大，撕裂指數、抗張指數和耐破指數等物理性能先增大后減少，在酶用量為20IU/g時達到最佳值，撕裂指數提高23.5％，抗張指數提高20.6％，耐破指數提高35％。原因是在酶用量為20IU/g之前，隨著酶用量的增加，酶與木片反應更加充分，更多的半纖維素被分解，促進了后續化學反應及磨漿作用，使漿料更好地分絲帚化，有利于增強纖維之間的結合力。繼續增大酶的用量，反應更充分，半纖維素降解更多，從而使紙漿強度有所下降，這與文獻［10］的研究結果一致。

2.2.4 木聚糖酶用量對纖維形態的影響

木聚糖酶用量對纖維形態的影響見表4。

表3 木聚糖酶用量對紙漿物理性能的影響

表4 木聚糖酶用量對纖維形態的影響

表4是木聚糖酶用量對纖維形態的影響，從表4中可以看出，隨著酶用量的增加，纖維的平均長度逐漸增大，平均寬度都比未加酶的要小，但加酶的差距不大。平均纖維形態參數變化不大。平均扭結指數隨著酶用量的增加呈減小趨勢，說明酶的添加降解了半纖維素，使纖維柔軟，韌性增加，暫時變形逐漸變小。細小纖維含量先增加后減少，這說明在20IU/g之前隨著酶用量的增加，半纖維素的降解促使纖維在磨漿時更容易分絲帚化，產生了較多的細小纖維。繼續增加酶的用量，半纖維素繼續減少，在酶與堿的雙重作用下纖維變得柔軟光滑，磨漿時纖維更容易通過盤磨，機械作用減小，細小纖維相應減少［11］。

圖4 木聚糖酶用量對不同長度纖維含量的影響

圖4為酶用量對不同長度纖維含量的影響，從圖4可以看出，隨著酶用量的增加，0.2～0.5mm的纖維含量開始變化不大，但總體呈逐漸降低的趨勢，0.5～1.5mm的纖維含量逐漸增加，1.5～3.0mm的纖維含量先降低后增加，3.0～4.5mm的纖維含量變化很小。但是大于0.5mm的所有纖維含量總體呈增加的趨勢。這是因為隨著酶用量的增加越來越多的半纖維素被降解，使后續發生的化學反應更充分，磨漿時纖維柔軟更容易通過盤磨，機械切斷作用減小，產生的長纖維較多。

2.3 顯微鏡觀察

2.3.1 光學顯微鏡（OM）觀察

圖5為不同酶用量條件下纖維的光學顯微鏡照片，比較圖5a1、圖5b1和圖5c1可以發現，未經酶處理的漿料含有較多的纖維束，并且纖維較短。而隨著酶用量的增加，纖維束含量逐漸減少，纖維長度有增加的趨勢。比較圖5a2、圖5b2和圖5c2發現，未經酶處理的漿料碎片較多，細小纖維也比較多。而酶用量20IU/g處理的漿料纖維分絲帚化比空白明顯，碎片較少，這是其物理性能較好的原因。繼續增大酶用量，纖維碎片更少，纖維表面比較光滑，分絲帚化減弱，纖維扭結變小。

2.3.2 掃描電鏡（SEM）觀察

圖6為不同酶用量條件下纖維的掃描電鏡圖，從圖6a可以看出，未經過酶處理的纖維比較挺硬，分絲帚化比較少，碎片較多，纖維結合的面積較少。而圖6b中的纖維分絲帚化明顯，細小纖維較多，纖維之間結合緊密。繼續加大酶的用量后，從圖6c中發現，纖維變得柔軟，并且發生扭轉，但是分絲帚化現象減弱，細胞壁僅有一定面積的破損。這與酶用量越大，反應越充分，纖維越易于離解，機械作用越少的觀點相符合。這是因為木聚糖酶的加入使半纖維素被降解，纖維在磨漿時易于離解，能夠促進磨漿［12］。

3 結論

3.1 實驗用木聚糖酶最適宜的pH值為7.8，最適宜的溫度為60℃。此條件下酶活為7545IU/mL。木聚糖酶中纖維素酶活可以忽略。

3.2 木聚糖酶的使用降解了半纖維素，隨著木聚糖酶用量的增加，還原糖產生量逐漸增大，戊聚糖含量逐漸降低。

3.3 木聚糖酶能夠降低初始磨漿階段的能耗。隨著木聚糖酶用量的增加，磨漿總能耗逐漸減少，能耗能夠降低4.8％～19.7％。

3.4 隨著酶用量的增加，纖維束含量逐漸降低。在酶用量為20IU/g時，物理性能最好，撕裂指數提高23.5％，抗張指數提高20.6％，耐破指數提高35％。

3.5 通過光學顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）分析發現酶的作用能夠促進磨漿。酶與化學藥品處理后纖維變得柔軟，使纖維在磨漿時易于分離，纖維完整性增強，成漿質量較好。

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