王芳芳 李金華

（①山東輕工業(yè)學(xué)院制漿造紙科學(xué)與技術(shù)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南，250353）（②DUPLO辦公設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南，250100）

生物技術(shù)在纖維改性中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

王芳芳①李金華②

（①山東輕工業(yè)學(xué)院制漿造紙科學(xué)與技術(shù)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南，250353）（②DUPLO辦公設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南，250100）

本文主要綜述國(guó)內(nèi)近年來(lái)生物技術(shù)用于紙漿纖維改性方面的研究。對(duì)微生物直接應(yīng)用于紙漿纖維改性的研究較少，主要集中在各種酶對(duì)紙漿纖維的改性。比較特別是漆酶所引起的高木素含量的纖維表面木素的接枝，表現(xiàn)出其在紙漿纖維改性方面的巨大潛力。

微生物 酶 紙漿纖維 改性

目前生物技術(shù)在制漿造紙工業(yè)方面的應(yīng)用主要以酶的使用為基礎(chǔ)，但也有將微生物直接應(yīng)用于制漿造紙的研究。酶主要是作為制漿造紙的過(guò)程助劑，如用在磨漿、漂白和脫墨中，無(wú)論是對(duì)于化學(xué)漿還是機(jī)械漿、木材纖維原料制成的漿還是非木材原料制成的漿、原生紙漿纖維還是廢紙漿纖維，不同的酶在纖維工程方面的應(yīng)用都是一個(gè)有趣而具潛力的領(lǐng)域。

1 微生物在纖維改性上的應(yīng)用

前人的研究表明，經(jīng)白腐菌改性處理可以顯著提高機(jī)械漿的強(qiáng)度性能，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的白度損失，且這種低白度的紙漿可漂性較差，這在一定程度上阻礙了這種生物改性工藝的發(fā)展。Abuhasan等人的研究表明，這種白度損失現(xiàn)象是由于在白腐菌生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生黑素(melanin)引起的。他們同時(shí)建議，要解決白腐菌改性后機(jī)械漿白度低的問(wèn)題，可以通過(guò)三個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)：(1)添加Tricyclazole(TCA)限制白腐菌處理過(guò)程中黑素的合成；(2)采用生長(zhǎng)速度快的白腐菌菌種取代傳統(tǒng)菌種可減少黑素的合成；(3)采用特殊的漂白工藝，使漂后紙漿仍然達(dá)到較高的白度值[2]。

Franzén等詳細(xì)地解釋了機(jī)械漿強(qiáng)度低的主要原因：不管是盤(pán)磨機(jī)械漿(RMP)、預(yù)熱盤(pán)磨機(jī)械漿(TMP)還是化學(xué)-熱磨機(jī)械(CTMP)工藝，都是利用機(jī)械力的作用使纖維分離，大部分富含木素的胞間層仍然留在纖維的表面，相當(dāng)于纖維的表面被一層剛性的木素覆蓋著。這種表面性能導(dǎo)致了機(jī)械漿纖維的柔韌性較低，從而最終導(dǎo)致了纖維結(jié)合強(qiáng)度較低。楊崎峰等用白腐菌對(duì)桉木CTMP和TMP進(jìn)行了改性并研究了CTMP經(jīng)白腐菌處理后的漂白問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)采用白腐菌去除覆蓋在桉木CTMP漿纖維表面的部分木素是一種有效的纖維生物改性工藝，可以顯著提高桉木CTMP漿纖維的抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度，提高了CTMP漿纖維的等級(jí)和潛在用于抄造高等級(jí)紙張的可能。盡管白腐菌處理過(guò)程中紙漿白度有所降低，但適當(dāng)?shù)販p少培養(yǎng)時(shí)間和采用H2O2和Na2S2O4兩段漂白工藝完全可以解決這一問(wèn)題[3]。

2 酶在纖維改性上的應(yīng)用

與微生物改性相比，酶改性具有很多優(yōu)勢(shì)，例如高效、處理時(shí)間短、處理?xiàng)l件沒(méi)有微生物改性那么苛刻。與物理、化學(xué)改性方法相比生物改性的條件溫和對(duì)纖維素?fù)p傷小、能耗低、對(duì)環(huán)境友好。作為纖維改性中的酶的種類(lèi)主要是：纖維素酶、半纖維素酶和木素降解酶。主要是改善漿的濾水性能、改善漿的強(qiáng)度的性能、降低打漿能耗，改善紙漿的返黃[4]。另外，由于漆酶獨(dú)特的反應(yīng)機(jī)制，它還應(yīng)用于改性纖維活化木素產(chǎn)生黏合作用、或在高木素含量的制漿中在木素的活化點(diǎn)上接枝化合物，改善漿纖維的性能[1]，[5]。

2.1 復(fù)合纖維素酶對(duì)機(jī)械漿和麥草漿濾水性能改善

機(jī)械漿成紙均勻、平滑度較好、有較好的松厚度、不透明度和油墨吸收性能。適合于生產(chǎn)新聞紙。但機(jī)械漿由于經(jīng)過(guò)機(jī)械的磨解作用產(chǎn)生了許多細(xì)小組分，造成了漿的濾水性能差，不利于紙機(jī)車(chē)速的提高。同時(shí)纖維短、細(xì)小組分多造成成紙的強(qiáng)度低，進(jìn)而影響到了印刷的質(zhì)量。而麥草漿由于纖維原料自身的特點(diǎn)如半纖維、雜細(xì)胞含量高，使得麥草所成的漿濾水性能差、成紙強(qiáng)度低。管斌等[6-10]人研究了復(fù)合纖維素酶 （或稱(chēng)纖維素酶酶系包括EG酶、CBH酶、β-葡萄糖苷酶和半纖維素酶等）對(duì)楊木SGW和麥草AP-AQ漿濾水性能的改善。發(fā)現(xiàn)對(duì)楊木SGW而言，用復(fù)合纖維素酶對(duì)楊木SGW漿進(jìn)行處理，在保持漿原強(qiáng)度的情況下，漿的濾水性能有較明顯的改善。在麥草漿酶改善濾水性能方面，以纖維素酶為主的酶系對(duì)草漿濾水性能的改善是必需的，而木聚糖酶對(duì)草漿濾水性能的改善起到了輔助作用。酶系中各種酶酶活的比率會(huì)影響到濾水性能的改善。在研究復(fù)合纖維素酶對(duì)楊木SGW的作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)1）在酶解初期，液相中酶蛋白濃度迅速降低，酶很快吸附到紙漿纖維表面，從而使得酶解初期還原糖產(chǎn)生速率較高;而后液相中酶蛋白濃度較低，并在液相中逐漸趨于穩(wěn)定。這可能是隨著酶解進(jìn)行，酶蛋白在纖維表面的吸附與解吸達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡。2）在楊木SGW漿酶處理過(guò)程中，漿的游離度增加值呈現(xiàn)“波浪形”變化。酶解強(qiáng)度較大時(shí)，“波動(dòng)”變化頻率加快。隨著酶解進(jìn)行，漿的游離度增加值變化幅度趨勢(shì)減小，漿的游離度增加值逐漸趨向于較高的值。3）在楊木SGW漿纖維的酶處理過(guò)程中，纖維比表面積也相應(yīng)呈現(xiàn)出“波浪形”變化。其值與游離度增加值的變化恰好呈相反方向變化。4）楊木SGW漿酶處理過(guò)程中，漿的游離度增加值和纖維的比表面積的“波動(dòng)”變化，與酶解作用在纖維表面產(chǎn)生的“剝皮”效應(yīng)有關(guān)。5）紙漿纖維的酶解進(jìn)程可分三個(gè)階段，即酶解初期階段、酶解速率逐變階段和酶解速率較低的后期階段(穩(wěn)定期)。對(duì)于復(fù)合纖維素酶對(duì)紙漿改性來(lái)說(shuō)，一般酶處理時(shí)間應(yīng)控制在酶解初期和酶解速率的逐變階段。對(duì)兩種漿而言，在酶用量合適的情況下，不會(huì)引起對(duì)紙漿的強(qiáng)度的下降。此外，袁平等[11-12]的研究也證實(shí)了復(fù)合纖維素酶對(duì)馬尾松機(jī)械漿（TMP和SGW）濾水性能的改善。而且在他研究的用量條件下，對(duì)手抄紙的強(qiáng)度性能影響較小。

目前認(rèn)為纖維素酶酶系 （包括EG、CBH、β-葡萄糖苷酶和半纖維素酶）的改性機(jī)理是：纖維素酶吸附到纖維表面，首先在纖維表面發(fā)生酶解反應(yīng)，隨著酶解反應(yīng)進(jìn)行，將纖維層層剝離。纖維素結(jié)晶度越高，就越難以吸水潤(rùn)漲，使酶分子難以發(fā)揮滲入纖維作用。因而，無(wú)定型區(qū)比結(jié)晶區(qū)易于酶解。纖維素比表面越大，吸附的酶濃度就越高，酶解速率就越快，因此，細(xì)屑和細(xì)小纖維因?yàn)榫哂休^大的比表面和可及度而易于受酶的攻擊。酶解作用發(fā)生在纖維表面的細(xì)小纖維和微粒上，對(duì)整個(gè)纖維損傷十分輕微從而紙漿游離度增加，改善濾水性能[13]。

2.2 用纖維素酶和半纖維素酶改善針葉木KP漿的打漿性能

KP法蒸煮使纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)完整地保存下來(lái)，纖維變得柔軟，從而較好地保留了單根纖維的強(qiáng)度，并賦予纖維較大的接觸面積，增加了纖維之間的結(jié)合力。但完整的纖維形態(tài)給后續(xù)的打漿帶來(lái)困難。而且，硫酸鹽蒸煮也使得木素在纖維細(xì)胞中按厚度呈均勻分布，阻礙了打漿作用的進(jìn)行，再加上硫酸鹽漿細(xì)胞壁中初生壁碳水化合物的高聚合度，以及纖維表面的LCC，都使得硫酸鹽漿打漿困難[14]。

傅英娟等[15]研究了纖維素酶 (外切酶(pNPC)0.03IU/mL，內(nèi)切酶 (CMCase)1.71IU/mL，濾紙酶0.03 FPU/mL，β-葡萄糖苷酶0.40 IU/g，木聚糖酶8.26IU/g)對(duì)針葉木漿的酶促打漿。發(fā)現(xiàn)在酶處理的適宜條件下，與對(duì)照漿相比，經(jīng)酶處理的紙漿具有更高的打漿度，從而具有降低能耗的潛力。同時(shí)，由于打漿度的增加，紙漿的裂斷長(zhǎng)有顯著的增加，而撕裂指數(shù)卻有明顯的下降。湯振江等[14]的研究了幾種不同的酶對(duì)針葉木KP漿打漿性能的改善作用。

現(xiàn)在，認(rèn)為酶促打漿的機(jī)理是，利用高活性的半纖維素酶和較低活性的半纖維素酶對(duì)在打漿前對(duì)紙漿進(jìn)行預(yù)處理，導(dǎo)致纖維表面某種程度的活化和松弛。酶促打漿可以縮短打漿時(shí)間，降低打漿能耗，并在較低的打漿轉(zhuǎn)數(shù)下取得所要求的某些性能。

2.3 酶對(duì)機(jī)械漿、草漿強(qiáng)度性能的改善以及對(duì)KP漿濕強(qiáng)度改善

針對(duì)機(jī)械漿和麥草漿在強(qiáng)度性能方面存在的缺陷，湯振江等[16-17]研究了漆酶和纖維素酶和半纖維素酶配合漆酶對(duì)未漂馬尾松SGW的強(qiáng)度性能的改善。研究發(fā)現(xiàn)利用漆酶NS 51003處理馬尾松未漂SGW，可有效提高紙漿的白度及強(qiáng)度性能，而且酶處理后紙漿具有更好的可漂性，并且經(jīng)過(guò)H2O2漂白后的酶處理漿亦具有更高的白度和更好的強(qiáng)度性能；而漆酶NS 51002漆酶/介體對(duì)紙漿的改性效果甚微。利用半纖維素酶PulpzymeHC、纖維素酶Novozym 476對(duì)馬尾松未漂SGW進(jìn)行預(yù)處理，可有效提高漆酶NS 51003處理馬尾松未漂SGW的效率，更加有效地提高紙漿的白度及強(qiáng)度性能,而且適當(dāng)?shù)念A(yù)處理可使紙漿具有更好的可漂性，從而使H2O2漂白后的酶處理漿具有更高的白度和更好的強(qiáng)度性能。彭濤等[18]利用漆樹(shù)漆酶/介體體系對(duì)馬尾松化學(xué)熱磨機(jī)械漿進(jìn)行生物酶處理及后續(xù)H2O2漂白，探索漆酶生物改性最佳工藝條件。研究發(fā)現(xiàn)在最佳的工藝條件下，與對(duì)照漿相比，紙漿白度可提高3.0%ISO，抗張指數(shù)、撕裂指數(shù)分別提高22.5%、7.9%。纖維長(zhǎng)度、粗度分析及掃描電鏡譜圖顯示，漆酶處理只發(fā)生在纖維表面，有利于表面木素的降解溶出，從而提高了紙漿的白度和可漂性。另外，他[19]還利用漆樹(shù)漆酶替代真菌漆酶改性馬尾松化學(xué)熱磨機(jī)械漿，測(cè)定了改性前后紙漿的物理性能，利用纖維長(zhǎng)度、粗度分析儀、衰減全反射傅立葉變換紅外光譜(ATR-IR)、原子力顯微鏡(AFM)和X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)對(duì)改性前后紙漿纖維表面性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，與對(duì)照漿相比，漆酶處理后，纖維的長(zhǎng)度、粗度變化不大，漆酶改性?xún)H在纖維表面起作用，不會(huì)引起纖維的大量降解；漆酶改性過(guò)程中存在木素的降解溶出，纖維表面木素含量降低，碳水化合物含量升高，紙漿白度和強(qiáng)度有所提高。

陳嘉川[20]分離并研究了A-30耐堿性木聚糖酶對(duì)麥草漿的性能的改善作用。發(fā)現(xiàn)A-30耐堿性木聚糖酶在提高強(qiáng)度和降低脆性方面有一定優(yōu)勢(shì)。而且陳嘉川等[21]對(duì)黑曲霉An-76分泌的酶液進(jìn)行了分離、純化和測(cè)定，對(duì)其中的H1酶、H2酶和C1酶分別或混和用于漂白麥草漿的改性作用進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)H1(木聚糖酶)或H2（木聚糖酶）與C1（纖維素酶）混合可以有效改善麥草漿的脆性和其他強(qiáng)度指標(biāo)。

裴繼誠(chéng)、石淑蘭[22-24]等研究了漆酶對(duì)未漂KP濕強(qiáng)度的改善。研究發(fā)現(xiàn)不同的漆酶處理方法都提高了未漂針葉木KP漿的濕強(qiáng)度。而對(duì)干強(qiáng)的影響不明顯。漆酶處理提高濕抗張強(qiáng)度的機(jī)理在于：漆酶催化木質(zhì)纖維中的木素或氧化溶于液相中的木素，生成酚氧自由基，發(fā)生自由基聚合反應(yīng)。自由基聚合的木素包圍著紙中纖維，其作用相當(dāng)于紙張濕強(qiáng)劑。各種可以提高紙張濕強(qiáng)度的高分子，其作用原理就是在纖維間形成交聯(lián)網(wǎng)，該網(wǎng)可以阻止纖維潤(rùn)脹，保護(hù)氫鍵不被破壞。紙張的干強(qiáng)度是由纖維間氫鍵的數(shù)量決定的，而濕強(qiáng)的抗張強(qiáng)度則依賴(lài)于可阻止纖維吸附水分子的化學(xué)鍵的形成，如共價(jià)鍵、離子鍵或圍繞著纖維形成的交聯(lián)網(wǎng)。

2.4 真菌粗酶液對(duì)CMP返黃的抑制

盧雪梅[25-26]等研究黃孢原毛平革菌菌株L TP214的粗酶液對(duì)杉木、楊木的混合CMP返黃的抑制作用、探討了粗酶液對(duì)CMP返黃抑制的影響因素以及黃孢原毛平革菌L TP214的粗酶液抑制CMP返黃的機(jī)理。結(jié)果表明在用蛋白胨搖瓶培養(yǎng)5～6天所獲得的粗酶液，用1mL/g的粗酶液處理3h能得到較好的抑制效果。通過(guò)對(duì)不同的培養(yǎng)方式產(chǎn)生的粗酶液酶活的測(cè)定、杉木木素光能團(tuán)分析和紫外-可見(jiàn)光吸收光譜分析得出：MnP幾乎不參與返黃抑制的反應(yīng)；而LIP214能分泌一定量的CDH/CBQ，它們?cè)谘趸w維二糖的同時(shí)，能還原一些醌類(lèi)等木素降解中間物，可能參與抑制紙漿返黃改善；LIP214酶液含有不同于LIP和MnP的木素氧化酶類(lèi)；酶處理過(guò)程中發(fā)生兩類(lèi)反應(yīng)：第一類(lèi)是還原反應(yīng)，醌類(lèi)化合物被酶還原為氫醌類(lèi)無(wú)色物質(zhì)，使醌類(lèi)化合物的吸收峰下降并形成倒的肩峰。醌還原成氫醌是木素降解、生物降解過(guò)程中醌類(lèi)中間產(chǎn)物繼續(xù)降解的必由之路,形成氫醌后再經(jīng)兒茶酚途徑才能徹底降解為二氧化碳。第二類(lèi)是氧化反應(yīng)，羥基化合物發(fā)生氧化形成各種羰基化合物，在320 nm和360 nm處形成不同的吸收峰；酶的作用與老化作用相互抵消，從而延遲了老化過(guò)程。

2.5 漆酶輔助的高得率硫酸漿表面的接枝

Richard P.Chandra等[27]評(píng)估并證實(shí)了漆酶有利于酚酸接枝到高得率硫酸漿纖維表面的木素上。他們用20%濃度的漆酶和紫丁香酸、香草酸、對(duì)苯酚酸處理纖維。用漆酶和對(duì)苯酚酸處理引起卡伯值增加了20點(diǎn)，酸基團(tuán)增加了100%。處理漿和未處理漿的ESCA分析表明漆酶接枝纖維在酸性基團(tuán)上增加了兩倍，證實(shí)了漆酶有利于對(duì)苯酚酸在纖維表面的耦合。建立由木素涂布的纖維素纖維的模型系統(tǒng)測(cè)定漆酶接枝時(shí)木素結(jié)構(gòu)的變化的模型。該模型系統(tǒng)的木素31P的NMR的分析顯示了酸性基團(tuán)的增加和酚羥基的減少。研究結(jié)果表明漆酶和酚酸處理高得率硫酸鹽漿使得羧基基團(tuán)特別是纖維表面的羧基基團(tuán)增加了。這有效地支持了漆酶在固液兩相系統(tǒng)中有助于酚酸接枝到纖維表面的木素上的結(jié)論。

3 結(jié)束語(yǔ)

生物技術(shù)尤其是高效、專(zhuān)一的酶制劑在纖維改性方面有著廣闊的應(yīng)用前景。但有關(guān)酶對(duì)紙漿的作用規(guī)律還有待于進(jìn)一步的研究。在工業(yè)化生產(chǎn)方面，酶應(yīng)用于紙漿的纖維改性還需要更多技術(shù)的介入。

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2010－10－8

環(huán)境保護(hù)