麥草漿生物漂白改性技術

崔紅艷 劉 玉

（山東輕工業學院，制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室，山東濟南，250353）

麥草漿生物漂白改性技術

崔紅艷 劉 玉

（山東輕工業學院，制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室，山東濟南，250353）

近年來，國際上對微生物分解木聚糖系統的研究日益關注，尤其是在紙漿漂白方面的應用。本文大體分析了目前紙漿漂白方面所面臨的問題，以及生物漂白作為一種環境友好型的漂白工藝被提出。介紹了生物漂白的定義及目的；列舉了目前用于紙漿漂白的微生物和酶；對紙漿生物漂白機理進行了簡單的闡述；另外介紹了木素生物降解的酶學機制，簡述了木素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶作為木素降解酶用于紙漿漂白的作用機理；最后總結了生物漂白的發展過程及存在問題。

生物漂白 漂白機理 白腐菌 木素過氧化物酶 錳過氧化物酶 漆酶

自1799年美國發明漂白粉（次氯酸鈣）后[1]，國外用漂白粉漂白紙漿成為機制紙生產的主要漂白法；清朝末年，我國傳統手工紙生產中亦逐漸改用漂白粉或漂白粉精來漂白紙漿，使生產周期大大地縮短，但也帶來了因使用不當造成纖維素氧化降解，紙在儲存和使用中發生返黃現象，使一部分高級手工紙的耐久性嚴重下降；19世紀出現用亞硫酸氫鹽、連二亞硫酸鹽漂白機械漿，到20世紀，漂白進入全新的發展階段，氧漂、堿抽提、二氧化氯以及多段連續漂白等，被認為是發展方向；20世紀70年代開始，對環保愈來愈關注，人們開始探索新的高效環保的漂白技術和工藝。近20年來國外由于環境保護要求日益嚴格，機制紙生產已趨向用含氧漂白劑取代含氯漂白劑，開發出氧氣漂白或稱“氧脫木素”，雙氧水(過氧化氫)漂白和臭氧漂白等新技術。80年代中期芬蘭生物學技術研究中心(VTT)和加拿大制漿造紙研究所（PAPRICAN）研究了生物漂白法[2]。

在制漿過程中，木質素被大量除去，殘余木質素多以復合物形式存在[3]。因為此復合體結構穩定，所以常規漂白需大量漂劑才能被除去。但經生物酶處理后，其間的LCC鍵被打斷，半纖維素被降解為低聚糖或單糖，也有少量纖維素被降解為纖維二糖或葡萄糖。此外，部分LCC中的木質素分子變為小分子。這樣，LCC分子變小，部分小分子LCC也溶出。未溶出的LCC中木質素被更多地暴露出來。在相同漂劑用量時，因暴露出的木質素容易與漂劑反應而被脫除，因此可提高漿料的白度。

縱觀漂白技術的發展，最快的是氧脫木素，而臭氧、生物法則是剛剛起步，這些發展足以說明，未來的漂白工業可以做到低污染甚至無污染，做到清潔生產。

1 紙漿生物漂白技術介紹

生物漂白就是利用微生物或其產生的酶與紙漿中的某些成分作用，形成脫木素或有利于脫木素的狀況，并改善紙漿的可漂性或提高紙漿白度的過程。

生物漂白的目的，主要是節省化學漂劑，改善紙漿的性能以及減少漂白污染。

生物漂白法對操作環境等要求較高，且處理時間長，但一旦工藝成熟，即可成為無污染漂白的生力軍。

2 用于紙漿漂白的微生物和酶

2.1 用于紙漿漂白的微生物有：真菌、放線菌和細菌

真菌能把木質素徹底降解為CO2和H2O。降解木質素的真菌主要分為三類：白腐菌、褐腐菌和軟腐菌。白腐菌在木質素的生物降解中占有十分重要的地位，白腐菌多數是擔子菌，少數為子囊菌，黃孢原毛平革菌是研究最多的木質素降解菌[4]。

木質素被降解的關鍵是黃孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium）產生的胞外木質素過氧化物酶系的作用。該酶系包括木質素過氧化物酶（Lignin peroxidase，簡稱 Lip）、錳過氧化物酶（Mndependent peroxidase，簡稱 MnP），除此之外，還有蟲漆酶、HRP、CDH 等酶類。 云芝（Corilus versicolor）是一種非常重要的白腐菌，對木質素的降解能力較強。在云芝的木質素降解過程中，漆酶活力較高而木素過氧化物酶、錳過氧化物酶活力較低，它們對木質素的降解率比黃孢原毛平革菌提高近一倍，漆酶在云芝的木質素降解過程中起非常重要的作用。

培養條件如碳源、氮源、pH值、溫度對白腐菌降解硫酸鹽木質素的作用有明顯影響。在白腐真菌胞內，除含有利用H2O2的過氧化物酶系外，還分泌利用O2的多酚氧化酶系，主要為漆酶（laccase），該酶需要依賴氧和助劑的存在才能有明顯的脫甲氧基和脫木質素作用。

2.2 用于紙漿漂白的酶主要有兩類：半纖維素酶（Hemicellulase）和木素降解酶（Ligninase）

半纖維素酶包括聚木糖酶（Xylanse）和聚甘露糖酶（Mannanase）；木素降解酶主要有木素過氧化物酶 （Lignin peroxidase）、 依賴錳過氧化物酶（Manganese peroxidase）和漆酶（Laccase）。

3 紙漿生物漂白機理

細菌對木素降解能力表現在它們對白腐菌降解木素的中間產物的利用，主要是放線菌和鏈霉菌，放線菌以分支菌絲生長，與絲狀真菌相似，能穿過木質纖維培養基。鏈霉菌在降解木素的同時也大量降解纖維素等碳水化臺物，為其生長提供碳源。與白腐菌不同的是，它們在初級代謝階段，通過脫甲基芳環斷裂和木素單體側鏈氧化等途徑降解木素。細菌降解木素以對木素大分子或單元結構的修飾為主，很少能直接使木素分子降解為CO2很多細菌能夠降解很多種類的木素模型化合物，然而，細菌不能直接降解木材或木材細胞壁內部的縮合型木素。

對一種末命名的耐熱放線菌EM（電子顯微鏡）研究表明，它能降解樺木纖維細胞壁，該放線菌的菌絲能夠在細胞次生壁中發育，形成明顯的細胞壁分離區域特征，降解區域從放線菌細胞向周圍的胞間纖維呈放線狀分布，細胞壁結構逐漸變薄，這表明放線菌能降解木素。

子囊菌綱能在潮濕環境中作用木質纖維，產生孔隙，在一定條件下，也攻擊在胞腔內與菌絲接觸的次生細胞壁。EM觀察表明，當菌絲穿透S2層并形成孔隙后，在次生壁降解位點發生碳水化合物溶解的現象。大量的超微結構研究表明在木材纖維S1層也會出現孔隙現象，隨著微菌絲或微細菌絲（大約0.5μm）從胞腔內進入S2層后會形成一種新的T－形分枝。木素類型和含量的微分布對孔隙的形成與擴大有很大的影響。當子囊菌和半知菌絲穿透胞間層區域后，由于木素含量較高的S2層可起一種屏障的作用（如胞間層區域），抑制孔隙的形成，導致在橫截面上形成一種“半月形”孔現象。

高等子囊菌對細胞壁有兩種主要的降解形式：①從胞間層向細胞腔內侵蝕，但胞間層并不降解，②侵蝕首先發生在細胞腔內壁，然后向次生細胞壁S2層發展，這類侵蝕常導致一種不規則孔洞的形成。

高等子囊菌對紫丁香基型木素有效強的降解能力，闊葉木細胞壁中有較高含量的紫丁香基型木素；高等子囊菌對愈創木基型木素分子的選擇性降解能力較小，這也反映了在自然環境條件下，高等子囊菌對裸子植物細胞壁降解程度較低的原因。

白腐菌是自然界中唯一一類具有獨立降解木素能力的微生物。對細胞角區域木素的選擇性降解是白腐菌的一個較普遍現象，而在缺乏木質化的細胞角區域，多糖的降解優先于木素的降解。TEM觀察結果符合一種非酶降解過程的假設，非酶降解常被認為是木素降解的最初過程，只有細胞壁結構受到較深程度的降解時才會形成降解圈。在細胞壁差異降解過程中，S3或S2層結構仍完好，但細胞腔體積減少了。

4 木素生物降解的酶學機制

聚木糖酶的助漂機理：聚木糖酶的助漂機理目前在學術界尚有爭議，可能的解釋有兩種：（1）聚木糖酶作用于漿中存在的半纖維素，使其主鏈斷裂，導致纖維細胞壁結構產生局部疏松，從而有利于進一步脫除殘余木素和降低漂劑用量；

（2）聚木糖酶處理紙漿主要是利用內切聚木糖酶降解、溶出回吸到紙漿纖維上的聚木糖，提高纖維表面的通透性和木素的可及度，使漂白處理時漂劑易于與殘余木素作用，從而有利于殘余木素的溶出。

對麥草漿的研究表明，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，木聚糖酶的作用是通過水解半纖維素以增加木素的溶出，而非直接作用于木素。

木聚糖酶在漂白中的作用機理有如下三種解釋[12]：Ⅰ：木聚糖酶降解木聚糖的同時破壞了LCC聯接，從而有利于這部分木素的脫除；Ⅱ：木聚搪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生作用，從而達到脫木素的目的；

（3）通過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。

直接催化木素大分子修飾與降解的主要酶類：

木素過氧化物酶是一種胞外酶，最先在白腐菌Phanerochaete chrysosporium磨木木素培養基中發現，被認為是P.C木素降解酶系統中最主要的組分，木素過氧化物酶預處理能增加殘余木素中的紫丁香基結構單元、對經苯基、甲氧基、酚羥基以及小分子質量木素的降解溶出，增強木素的反應活性，為H2O2漂白提供了有利條件，可強化漂劑與木素酚型結構單元和紫丁香基結構單元的反應，使得發色基團、助色基團減少，木素溶出量增加，溶出木素分子質量明顯增大，紙漿白度提高，結晶度增加。木素過氧化物酶以低濃度的H2O2為氧化劑，經歷一個雙電子氧化步驟和兩個單電子還原步驟，使非酚型木素分子氧化成為陽離子游離基，游離基再進行一系列非酶反應導致脂肪族側鏈和芳香環斷裂，特別是使非酚型木素模型物中β-1和β-O-4結構中的Cα-Cβ鏈斷裂，木素大分子中富含β-1和β-O-4結構，這也就是普遍認為木素過氧化物酶在木素生物降解中起十分重要作用的原因。

木質素模型化合物的Cα-Cβ斷裂現已基本確定，通過單電子轉移機制，LiP催化氧化β-1非酚型木質素模型化合物為其芳香正離子自由基，經Cα-Cβ斷裂形成3，4-二甲氧基苯乙醇自由基和質子化形式的藜蘆醛。木素過氧化物酶有5種氧化狀態，自然狀態的木素過氧化物酶含有高旋的FeⅢ。被H2O2氧化失去兩個電子形成LiPⅠ （氧帶鐵卟啉環自由基），LiPⅠ經單電子還原形成LiPⅡ （氧帶鐵葉琳環），再經一次單電子還原后，LiPⅡ回到酶原初狀態，從而完成了整個催化循環。

如果LiPⅡ跟過量的H2O2反應，則生成催化性能較低的 LiPⅢ（FeⅡ－O2-·P）或（FeⅡ－O2P）

錳過氧化物酶在木素生物降解過程中起著十分關鍵的作用，特別是在木素大分子降解的初始階段。錳過氧化物酶氧化Mn（Ⅱ）形成Mn（Ⅲ），然后Mn（Ⅲ）氧化酚型木素低聚體或單體，Mn（Ⅲ）能夠將酶蛋白還原到原初狀態，完成整個催化循環圈。Mn（Ⅲ）在氧化酚型底物前必須和一種螯合劑結合，如Mn（Ⅲ）＋絡合物是一種自由的可擴散氧化因子,有機酸如丙二酸、丙酮酸、蘋果酸是一種較好的螯合劑。錳過氧化物酶存在的一個特征是在白腐菌細胞膜外以及白腐菌的木質纖維細胞壁S3或S2層出現典型的氧化錳結晶。

MnP以在木素中廣泛存在的Mn2+為酶反應底物，循環始于含有Fe3+的酶與H2O2或有機過氧化物結合形成鐵過氧化物聯合體，同時亞鐵血紅素上的2個電子轉移到過氧化物的雙氧鍵上,使其斷裂釋放出1分子H2O，并形成活性氧絡合Fe4+卟啉聯合體-MnP-CompoundⅠ；接著由一個螯合的Mn2+作為電子供體將MnP-CompoundⅠ還原為MnP-CompoundⅡ，自身被氧化為Mn3+；隨后MnP-CompoundⅡ再被一個螯合的Mn2+還原回原型，完成該循環，放出2個分子H2O。Mn3+通過螯合作用與有機酸（如草酸、丙二酸、蘋果酸等）結合形成穩定的高氧化還原電勢，螯合的Mn3+作為可擴散的氧化還原介質氧化苯酚、甲氧基芳香族化合物、硝基/氯代芳香族化合物和有機酸。另外，MnP對高濃度的H2O2敏感,易被氧化為無活性的氧化態CompoundⅢ。

漆酶作為木素降解酶用于紙漿漂白的研究是最晚的[12]，但發現卻最早，早在1883年人們就發現了漆酶與木素生物降解關系密切，但長期以來一直未能應用于紙漿的漂白中，因為它的氧化還原勢較低（300～800mV），只能氧化降解酚型木素結構，而對植物木素結構占90%的非酚型結構卻不能氧化降解。從1990年發現漆酶在傳遞電子的介體(ABTS）幫助下具有氧化非酚型的木素模型化合物以后，吸引了許多科學家研究漆酶的紙漿生物漂白。包括兩種反應：一是在氧存在下，介體被漆酶氧化，氧還原成水；二是氧化了的介體對木素的氧化，介體在這個過程中充當了傳遞電子的郵差角色。

漆酶催化的木素分子降解反應不需要H2O2參與[13]，因此，一般認為漆酶催化反應是木素大分子降解的啟動步驟之一。漆酶催化氧化機制主要表現在底物自由基的生成和漆酶分子中4個銅離子的協同作用。當漆酶催化酚類（如氫醌）氧化時，首先是底物氫醌向漆酶轉移1個電子，生成半醌－氧自由基中間體。其次是不均等非酶反應，2分子半醌生成1分子對苯醌和1分子氫醌。氧自由基中間體還能轉變成碳自由基中間體，自身結合或相互偶聯，產物中除醌外還有聚合物和C-O、C-C偶聯產物。氧氣存在下，還原態漆酶被氧化，氧氣被還原成水。漆酶催化底物氧化和對氧氣的還原是通過4個銅離子協同地傳遞電子和價態變化實現的。

5 生物漂白的發展過程及存在問題

在1986年國際制漿造紙工業生物技術研討會上，芬蘭科學家viikari等首次報道了用聚木糖酶預處理松木和樺木硫酸鹽漿，能改善其漂白性能，減少氯氣的用量，提高紙漿的白度，吸引許多人研究半纖維素酶的漂白作用，在短短幾年內就實現了從實驗室到工業化的過程。1989年，在芬蘭一日產l000t的工廠里首次進行硫酸鹽漿聚木糖酶輔助漂白的生產試驗并取得成功，使氯的消耗降低25%～30%。1992年，Scott公司在西班牙的日產410t亞硫酸鹽漿廠進行用聚木糖酶代替氯漂白的工廠試驗，采用X(EOP）D(EP）D漂序，成功地生產出白度高達88%ISO的亞硫酸鹽桉木漿。

隨著聚木糖酶在紙漿漂白中的應用，人們開始發現聚木糖酶對針葉木漿和闊葉木漿的輔助漂白有許多優點，（1）提高白度，聚木糖酶可以改善后續漂白化學藥品的漂白效率，從而獲得更高的紙漿白度；（2）節約化學藥品，獲得相同的漂終白度，有酶處理的漂白流程中所需的化學藥品就比沒有酶處理的要少；（3）減少AOX和二噁瑛：聚木糖酶進行輔助漂白，可以減少氯和二氧化氯的用量，因而也就可以減少所排放廢水的AOX的含量，減少由于二氧化氯供應不足對漂白的限制。

聚木糖酶輔助漂白的發展趨勢是培育出具有高溫和堿性環境下穩定且顯示生物活性的酶 （因為硫酸鹽漿在蒸煮后的溫度高達95～100℃，pH值為12～13或更高，而且這種條件在氧脫木素的整個過程中基本不變）。為了能使酶在蒸煮或是氧脫木素并洗滌后直接加人到漿中而不需要降低漿的溫度和pH值，這就需要木聚糖酶具有耐高溫和堿性的能力。耐熱耐堿的聚木糖酶可以直接加入到蒸煮且洗滌后的漿中進行輔助漂白，這樣既可以節能降耗，還可以降低原本需要用來調節pH值的化學藥品的成本。

由于微生物(如白腐菌）具有降解或選擇性降解木素的能力，因此最初人們希望通過微生物的處理來去除紙漿中的殘余木素，達到漂白效果，或者減少化學漂劑的用量，減輕有毒有機物對環境造成的污染，1979年，美國科學家Kirk和Yang報道，用白腐菌Phanerochaete chrysosporium直接處理硫酸鹽紙漿，接著進行堿抽提，發現漿中部分木素被降解，雖然沒有直接的漂白效果，但可減少其后漂白用氯量27%，1989－1990年，加拿大Paice等人系統地研究了白腐菌Trametes versicolor對硫酸鹽漿的漂白條件與效果，發現該菌在3～5d內能使闊葉木硫酸鹽漿中的殘余木素出現較大的下降，漿的白度能提高15%ISO，但對針葉木硫酸鹽漿卻無明顯的漂白效果，1997年，日本的A Nezamoleslami和Kyoji Suzuki等人用白腐菌P.chrysosporium處理中國紅麻皮和日本紅麻皮soda-AQ漿，在FEP無氯漂白中，紙漿的白度、不透明度、得率和強度性能均大大優于傳統的CEH漂白。

白腐菌用于紙漿漂白有4個特點：（1）能徹底降解木素生成C02，而細菌至多將20%木素碳轉化為CO2；（2）木素降解主要是氧化反應，產物中不出現木素單體；（3）木素降解本身不提供菌生長所需的碳源和氮源，需提供另外的碳源和氮源；（4）漂白后紙漿的白度及其它物理性能均優于傳統的化學漂白方法，漂白廢液污染負荷大大降低，化學品的消耗明顯降低。

白腐菌漂白也存在不少問題：漂白時間長，目前，利用白腐菌漂白的最短時間是3天，這對于工業化生產來說還有待改善；連續化培養生產各種白腐菌的生物反應器尚待進一步研究和改善；不同的漿種，需要不同種類的白腐菌才能達到最佳漂白效果，白腐菌菌種的選育、篩選、培養和工業化生產也是需要解決的關鍵問題之一。

白腐菌漂白紙漿的作用機制尚待進一步研究，目前，白腐菌用于紙漿漂白在國內外還沒有工業化，而實驗室研究一直在不停地進行，一旦白腐菌漂白紙漿的作用時間縮短，以及其它問題得到妥善解決，白腐菌漂白紙漿實現工業化最終將成為現實。

[1]謝響明，何曉青.微生物的木聚糖酶及其生物漂白研究進展.北京林業大學學報，第25卷第3期

[2]尤紀雪等.木聚糖酶對落葉松KP漿漂白的影響.中華紙業，1999，20（4）：57

[3]陳嘉川等.用木聚糖酶改善麥草漿的性能.中國造紙學報，1996（增刊）：15

[4]劉超綱.南京林業大學博士學位論文.1999：23

[5]張樹政.酶制劑工業.北京：科學出版社，1998：595

[6]何為，詹懷宇，陳禮輝.荻葦硫酸鹽漿漆酶/介體體系生物漂白.華南理工大學學報（自然科學版），第32卷第7期

[7]何為，詹懷宇，王習文，等.一種改進的漆酶酶活檢測方法 [J].華南理工大學學報 （自然科學版），2003，31（12）：46－50

[8]張樹政，孟廣震，何忠效.酶學研究技術[M].上冊.北京：科學出版社，1987.130－158，338－346.

[9]包怡紅，劉偉豐，毛愛軍，董志揚.耐堿性木聚糖酶高產菌株的篩選、產酶條件優化及其在麥草漿生物漂白中的應用.農業生物技術學報，2005，13（2）：235－240

[10]莫佳琳，宋海農，王雙飛，楊崎峰.蔗渣硫酸鹽漿木素酶生物漂白的影響因素.造紙科學與技術，2003年第22卷.第3期

[11]周學飛，陳嘉翔.硫酸鹽漿木素過氧化物酶－過氧化氫協同作用漂白.中國造紙，1999，9，39－42

[12]馮文英，常清榮，李振巖.麥草漿的木聚糖酶和漆酶/介體體系協同生物漂白研究.中國造紙學報.Vol.18，No.2，2003

[13]謝來蘇，詹懷宇.制漿原理與工程.中國輕工業出版社

[14]閔江馬，付時雨，劉夢茹，詹懷宇.硫酸鹽竹漿LMS生物漂白的研究.中國造紙，2005年，第24卷第10期

[15]制漿造紙分析與檢驗[M].北京：中國輕工業出版社，1983

[16]王彩華，于惠生，付時雨.貝殼狀革耳菌和黃孢平革菌固體培養酶系比較[J].微生物出版社，1983

[17]徐清華，石淑蘭，李靜等.氧脫木素硫酸鹽竹漿的過氧化氫漂白[J].紙和造紙，2004（2）：41

2011－6－22

崔紅艷（1985-），女，

制漿造紙專業在讀研究生；

研究方向：紙漿造紙綠色化學與生物質資源化利用；E-mail：chy4618@163.com

通訊地址：山東省濟南市西部新城大學科技園

山東輕工業學院

郵編：250353