木聚糖酶用于麥草漿ECF漂白的研究

王治艷 陳嘉川 楊桂花

（山東輕工業學院制漿造紙科學與技術省部共建教育部重點實驗室，山東濟南，250353）

木聚糖酶是降解半纖維素木聚糖的一組酶的總稱，酶系組成比較復雜。木聚糖酶在制漿造紙工業中有著廣泛的應用前景，可用于生物制漿、紙漿漂白、二次纖維回收及紙張表面處理等，特別是在紙漿生物漂白中的巨大應用潛力早已引起國內外造紙研究者的關注。木聚糖酶可去除部分沉積或覆蓋/包裹木素的半纖維素，提高化學漂白劑的可及性，去除木素的同時減少了纖維的損傷。因此在漂白中應用木聚糖酶，不但可以減少漂白化學藥品的用量，還可以改善漂白漿的強度性能。

木聚糖酶在紙漿漂白中并非直接漂白紙漿，而是通過改變紙漿的化學性質來輔助漂白。多數學者認為，在原料蒸煮過程中，木聚糖降解并部分重新沉積到纖維上，木聚糖酶能催化水解這些木聚糖，有利于纖維里面和表面的木素殘片在后續的漂白和堿抽提段除去，同時部分LCC由于半纖維素的溶解而使殘余的木素釋放出來，便于其后的漂白［1］。

影響木聚糖酶作用的因素很多，主要包括兩個方面，一是酶處理段的條件，包括木聚糖酶的種類、酶處理時間，酶處理時的pH值、溫度、酶用量和紙漿濃度等［2］。二是其他一些因素，諸如制漿工藝、材種、紙漿洗滌、潤脹和表面電荷等［3］。本實驗主要探討了木聚糖酶處理麥草燒堿蒽醌漿的影響因素。

1 實驗

1.1 原料

實驗所用未漂白麥草漿取自山東晨鳴紙業集團齊河板紙有限公司，制漿方法為NaOH-AQ法，在實驗室內平衡水分后，測定水分備用，主要性質如表1所示。

表1 未漂NaOH-AQ麥草漿性質

1.2 穩態ClO2溶液及含量測定

穩態ClO2溶液由山東大學某公司提供，ClO2含量為2.23％。在每次使用前用4％的HCl按1∶1的體積活化，測定有效氯含量后使用。

測定方法［4］：用移液管吸取1mL待測溶液3份，分別置于250mL碘量瓶中，加20mL蒸餾水，再加10％丙二酸2mL，搖勻，靜置反應2min后，加入2mol/L硫酸10mL，10％碘化鉀10mL，此時溶液出現棕色。蓋上蓋并振蕩搖勻后加蒸餾水數滴于碘量瓶瓶口邊緣處，在暗處放置5min。打開蓋，讓瓶口邊緣處蒸餾水流入瓶內。用硫代硫酸鈉標準液滴定至溶液呈淺棕色，加入1％淀粉指示劑2mL，繼續滴定溶液由藍色至無色即為終點。記錄消耗的硫代硫酸鈉標準液的體積。

因為1mol/L硫代硫酸鈉標準液相當于13.49mL的ClO2，故ClO2含量為：

C=M×V×0.01349/（W×1000）

式中，C為ClO2含量，g/L；M為硫代硫酸鈉標準液的濃度，mol/L；V為滴定消耗的硫代硫酸鈉標準液的體積，mL；W為碘量瓶中樣液的體積，mL。

允許誤差：取平行測定結果的算數平均值為測定結果。兩次平行測定結果的絕對差值不大于0.01％。

1.3 木聚糖酶來源及活性的測定

AU-PE89木聚糖酶是通過培養Bacillus subtilis菌種而得到的。主要活性成分為一種可降解和溶解植物木聚糖的木聚糖酶（內-木聚糖酶）。AU-PE89木聚糖酶為淺黃粉末，易溶于水。酶活為85000IU/g。

活性測定［5］：取1mL 1％木聚糖溶液（pH值6的緩沖液配制），加入0.5mL緩沖液配制的粗酶液，置于50℃水浴酶解10min。用Miller法測定還原糖濃度（以木糖計）：加入3.0mL DNS（3，5-二硝基水楊酸）溶液終止反應，立即煮沸5min，冷卻后加蒸餾水定容至25mL，測定混合液在550nm處的吸光度值。在上述條件下，1g固體酶粉1min內水解木聚糖，生成相當于1μmol木糖，還原物質的量為1個酶活力單位，以IU/g表示。

1.4 實驗方法

（1）木聚糖酶處理（X）及各段漂白均在密封聚乙烯塑料袋內進行，并用恒溫水浴鍋加熱。稱取15g絕干漿并調好漿濃，調節反應pH值，之后將酶液加入袋中，使酶液與漿混合均勻，并放入恒溫水浴鍋內進行恒溫處理。在此進程中每間隔15min取出均勻混合1次，以保證處理均勻。

V2O5經36％鹽酸溶解，用蒸餾水稀釋，計算濃度，然后根據用量加入漂白漿中。

（2）為便于測定麥草漿漂白中木聚糖酶處理的影響因素，本實驗采用ClO2單段漂白，優化木聚糖酶工藝條件。反應條件：ClO2用量0.8％，反應時間150min，反應溫度70℃，反應初始pH值4.0，漿濃10％。

1.5 檢測

（1）卡伯值 按GB/T1546—1989標準測定。

（2）白度 漿樣經纖維疏解器疏解后，在布式漏斗上抄成漿片，風干后用YQ-Z-48B數字顯示ISO白度儀測定。

（3）黏度 按GB1548—89銅乙二胺法測定。

（4）紙漿物理強度［6］采用凱塞快速抄片器抄造定量為60g/m2的紙片并干燥，紙張物理強度均按國家標準測定。

2 結果與討論

影響木聚糖酶輔助漂白的因素有很多。其中，酶用量、處理溫度、時間、pH值和紙漿濃度等是5個重要的影響因素。這些影響因素相互聯系，相互制約，共同對木聚糖酶的處理效果產生影響。

2.1 ClO2漂白中木聚糖酶處理工藝條件

2.1.1 酶用量對酶處理效果的影響

表2 酶用量對酶處理效果的影響

由表2可以看出，經酶處理后，隨著酶用量的增加，麥草漿ClO2漂白漿白度先增加后降低，卡伯值先降低后略微增加，黏度先降低后增加但變化不明顯。黏度變化較小說明該種木聚糖酶主要降解麥草漿中的半纖維素，對纖維素的降解作用不大，有利于保持紙漿的物理強度。從表2還可以看出，當酶用量超過6IU/g時，紙漿白度有所下降，同時卡伯值開始增加。因此，可以確定此木聚糖酶處理的最佳用量為6IU/g。

2.1.2 pH值對酶處理效果的影響

酶對pH值的變化很敏感，每種酶只能在一定的pH值范圍內起作用，且有最佳pH值。pH值過高、過低都會影響酶蛋白的構象和酶與底物的荷電性質，從而影響酶的活性部位與底物的接近和結合［7］。酶在不同的pH值條件下會以不同的解離狀態存在，而往往只有一種解離狀態最適合酶促反應的進行。本實驗考察了不同 pH值對酶處理效果的影響，實驗結果見表3。

表3 pH值對酶處理效果的影響

由表3可以看出，隨著pH值的增加，白度先上升后下降，當pH值為6.0時，白度最高，達到了53.1％，即pH值為6左右時，酶處理效果最佳。

2.1.3 處理時間對酶處理效果的影響

木聚糖酶處理漿料的時間對麥草漿白度、黏度、卡伯值的影響見表4。

表4 反應時間對酶處理效果的影響

從表4中可以看出，木聚糖酶處理時間對酶處理效果影響較為明顯，隨酶處理時間的延長，紙漿的白度先上升后下降，這可能因為被分解的木聚糖又重新沉積在纖維的表面與木素結合，使紙漿的白度反而下降，所以酶處理時間不宜過長。因為一旦被分解的木聚糖再次與纖維表面的木素結合成新的LCC，很難再被分離。這也是黏度先降低，在反應60min后反而增加的原因?？ú惦S著酶處理時間的增加有所降低，開始下降較快，在60min之后下降幅度有所減少。這是因為反應一段時間后，酶解產物對反應具有抑制作用，使反應速度慢慢下降。綜合考慮認為，此木聚糖酶最適宜的處理時間為60min。

2.1.4 處理溫度對酶處理效果的影響

酶的催化作用與處理溫度有密切的關系。當酶用量和漿濃一定時，被酶催化的反應的反應速率在一定范圍內隨溫度的升高而升高，但當溫度超過酶的最適宜溫度時，會引起酶的失活，從而導致反應速率降低。其他工藝條件一定，處理溫度對酶處理效果的影響結果見表5。

表5 處理溫度對酶處理效果的影響

從表5可以看出，升高溫度能夠改善漂白麥草漿的白度和卡伯值。隨溫度升高，紙漿白度先上升后下降，卡伯值先降低后升高，黏度變化不是很明顯。這是因為在一定溫度范圍內，酶的活力隨溫度的升高而提高，反應速率也會相應加快。但超過一定溫度后，酶蛋白的構象發生熱變性，使得酶失活速率增大，當酶失活速率大于催化的速率時，漂白效率下降。因此，嚴格控制處理溫度對于酶處理效果非常重要。結合實驗數據，可以認為當溫度為50℃時，酶處理效果最為理想。

2.1.5 漿濃對酶處理效果的影響

紙漿濃度的改變不僅會影響酶的濃度，也會影響纖維間的摩擦程度。表6為不同漿濃對木聚糖酶處理效果的影響。

表6 漿濃對酶處理效果的影響

從表6可以看出，當漿濃為8％時，紙漿白度達到最高值，卡伯值和黏度均降到最小值，這是因為當漿濃較低時，木聚糖酶的濃度也較低，它游離于溶液之中，與纖維結合的數量較少，酶的作用沒有完全發揮。當漿濃較高時，雖然酶的濃度也較高，但是漿料與酶液混合不均勻，酶的作用也不能完全發揮，綜合考慮紙漿白度、黏度及生產節水條件，處理漿濃控制在8％最好。

2.2 木聚糖酶處理對麥草漿ECF漂白的影響

根據上面實驗所得到的木聚糖酶最佳處理條件，采用木聚糖酶對麥草漿DP、DEP、DED漂白進行預處理，結果如表7所示。

表7 木聚糖酶處理對不同ECF漂白的影響

由表7可知，經過木聚糖酶處理可以提高不同ECF漂白漿的白度。其中，DP漂白麥草漿的白度提高了1.0個百分點，DEP漂白麥草漿的白度提高了2.1個百分點，DED漂白麥草漿的白度提高了1.3個百分點。

3 結論

3.1 麥草漿ClO2漂白中，木聚糖酶的加入有助于提高漂白紙漿的白度。木聚糖酶AU-PE89最佳預處理工藝條件：酶用量6IU/g，pH值6.0，時間60min，漿濃8％，溫度為50℃。而且，在最佳pH值和反應溫度時，酶的作用更明顯，白度提高更多。

3.2 經過麥草漿ClO2漂白實驗還發現，木聚糖酶用量達到一定量后，即使延長反應時間，紙漿的白度也不再提高，這說明木聚糖酶的助漂作用是有限的，紙漿白度的提高幅度一般在3個百分點左右。

3.3 木聚糖酶處理的DP漂白麥草漿，漂漿白度為82.5％，木聚糖酶處理可使紙漿白度提高約1個百分點；對DEP漂白麥草漿，酶處理可使白度提高約2個百分點；DED漂白麥草漿，酶處理可使白度提高約1.3個百分點。這說明，木聚糖酶處理在麥草燒堿蒽醌漿的ECF漂白中可以提高紙漿的白度，而且對紙漿強度的影響不大。

［1］趙玉林，陳中豪，王福君.半纖維素酶在制漿造紙工業的應用研究進展［J］.中國造紙學報，2001，16（2）：146.

［2］武書彬，何北海.制漿造紙清潔生產新技術［M］.北京：化學工業出版社，2003.

［3］Buchert J，TenkanenM，PitkanenM，et al.Role of surface charge and s welling on the action of xylanase on birch kraft pulp［J］.Tappi Journal，1993，76（11）：131.

［4］王少光，陳嘉川，楊桂花.丙二酸碘量法測二氧化氯含量［J］.中華紙業，2003，24（9）：43.

［5］王進喜，陳嘉川，楊桂花，等.EDTA后處理抑制紙漿手抄片返黃的研究［J］.中國造紙，2004，23（10）：4.

［6］石淑蘭，何福望.制漿造紙分析與檢測［M］.北京：中國輕工業出版社，2003.

［7］毛連山，尤紀雪，姚春才，等.木聚糖酶處理工藝對麥草漿漂白性能的影響［J］.中國造紙，2005，24（7）：6.