漆酶和APMP廢液中酚類物質共同改善OCC紙漿纖維性能的研究

張鑫璐 裴繼誠 張方東 于秀玲 胡惠仁

（天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457）

近年來用漆酶、漆酶/介體體系處理紙漿纖維使其改性從而提高成紙強度的研究引起了廣泛關注［1］。同時，已有文獻介紹用木素小分子酚類衍生物作為漆酶/介體體系中酶催化的天然介體，以改變紙漿物理強度、光學性質等［2］。如果能在造紙原料和漿料體系中尋找生態和環境友好型并且易獲得的天然介體將有利于進一步推進漆酶/天然介體體系的工業化應用。Wagberg L.等人［3］對熱磨機械漿的廢液進行了分析，表明溶解和膠體物質（dissolved and colloidal substances，DCS）中60％為碳水化合物、30％為木素碎片酚類物質；這說明廢液中含有大量的木素酚類物質，同時，酚類化合物又是造紙廢液中DCS的組成成分，而DCS的積累對紙機運行和生產均有很多不利影響［4-5］。

本實驗用漆酶和APMP廢液共同處理漿料體系，在漆酶作用下，廢液中的酚類物質從廢液中沉淀出來，并與纖維表面的木素形成自由基縮合，以達到去除廢液中酚類物質、降低廢水污染負荷和賦予纖維良好表面性能的目的。同時，采用氣相色譜-質譜聯用（GC-MS）對APMP廢液中的天然酚類物質進行鑒別，對檢測出的酚類物質進行模型物凝膠色譜（GPC）測定，并分析不同方式處理的OCC紙漿的纖維表面性能和成紙物理性能。

1 實驗

1.1 原料

OCC紙漿：取自天津廣聚源紙業，主要為國產OCC紙漿；APMP：取自濮陽龍豐紙業；漆酶：諾維信公司（Novozymes A/S）生產，商品名Novozym51003，酶活為800U/mL；紫丁香醇、松柏醇和1-甲基咪唑：Sigma-Aldrich化學品公司生產；乙酸酐：天津市化學試劑二廠生產。

1.2 實驗儀器

高濃水力碎漿機：美國Adirondack Machine Corporation制造；PFI磨：瑞典L＆W公司制造；快速紙頁成形器：德國ESTANIT GmbH制造，900428型；環壓強度測試儀：瑞典L＆W公司制造；紙張抗張強度測定儀：瑞典L＆W公司制造；氣相色譜-質譜儀：美國瓦里安技術有限公司；凝膠滲透色譜儀：美國Waters公司，Waters410示差檢測器，515型；Fiber-Tester纖維形態分析儀：瑞典L＆W公司制造，902型；掃描電子顯微鏡：Philips FEI QUANTA 200，SEM X-300。

1.3 實驗方法

1.3.1 APMP廢液的制備

將APMP放入塑料袋平衡24h后測定水分。每次稱取30g絕干漿料經水浸泡后補加水至漿濃10％，使用PFI磨對漿料進行打漿，控制最終打漿度為40°SR，將打漿后的紙漿放入3000mL燒杯中，加入一定量蒸餾水調節漿濃至3％，放入45℃恒溫水浴中恒溫，攪拌2h后布袋脫水得APMP廢液。

1.3.2 OCC紙漿的制備

（1）碎漿

將試樣撕成規格為30mm×30mm的碎片，放入塑料袋平衡24h后測定水分。稱取一定量OCC紙漿碎片經水浸泡12h后在高濃水力碎漿機中進行碎漿。碎解后的OCC紙漿用篩縫為0.25mm的平板篩漿機篩漿，良漿備用。

（2）打漿

根據QB/T 1463—1992方法，使用PFI磨進行磨漿，漿濃為10％，控制最終打漿度為45°SR。

1.3.3 GC-MS測定

（1）衍生化處理

取一定量廢液試樣，加入1-甲基咪唑和乙酸酐進行乙酰化，然后用二氯甲烷萃取［6］。

（2）GC-MS分析條件

氣相條件：DB-1毛細管色譜柱（0.10μm×0.25mm×30m）；測試過程：起始溫度60℃，保持1min。程序升溫，每分鐘10℃，升至320℃，保持3min。進樣口溫度為320℃，采用高純氦氣作為載體，流量為1mL/min，分流比5。質譜條件：傳輸線溫度280℃，離子阱溫度220℃。掃描方式：全掃描，掃描范圍：50～1000u。電離方式：EI（電子轟擊）。

1.3.4 凝膠滲透色譜測定

（1）樣品處理

松柏醇、紫丁香醇漆酶處理樣，用0.45μm的微濾膜過濾，洗滌。所得沉淀產物風干。風干樣置于P2O5真空干燥器中，待質量恒定時進行測定。

（2）測試條件

色譜柱：Ultrastyragel 103A；柱溫：40℃；流動相：四氫呋喃；流速：1.0mL/min；以聚苯乙烯為標樣。

1.3.5 纖維形態分析

稱取0.1g絕干纖維（精確至0.1mg），用分散器打散后，用水稀釋，在Fiber-Tester纖維分析儀上測定纖維的長度、寬度、粗度、形態因子及扭結指數。

1.3.6 掃描電鏡觀察

將手抄片噴金后，在掃描電鏡上觀察并照相，加速電壓為20kV。

1.3.7 漆酶處理OCC紙漿

取30g絕干OCC紙漿，調節漿料pH值到6.0后加入APMP廢液，置于恒溫水浴中，通入空氣5min后加入漆酶，繼續通空氣直至反應結束。

1.3.8 紙張性能測定

根據GB/T465.2—1989方法測定手抄片的濕抗張強度（試樣浸泡時間為1h，然后用濾紙均勻壓干、測試）。

將手抄片試樣在相對濕度近100％、溫度25℃的環境中放置48h［7］，然后根據GB/T2679.8—1995方法測定手抄片的環壓強度。

2 結果與討論

2.1 APMP廢液中酚類物質分析

GC-MS技術可以提供保留時間和質核比信息，在制漿造紙工業中，常將其用于造紙植物纖維原料和紙漿中糖類各組分的分離與鑒定，以及分析木素降解產物［8］。APMP廢液乙酰化后經二氯甲烷萃取產物的質譜圖和標準質譜庫對照圖如圖1～圖3所示。

圖3 乙酰化松柏醇的質譜圖A與4-［3-乙酰氧基-1-烯丙基］-2-甲氧基-苯酚乙酯標準譜圖B

從圖1可看出，保留時間4.379min出峰物質的質譜圖（見圖1A）與標準譜圖庫（見圖1B）的4-甲氧基-苯酚乙酯相似度較高；圖1A中乙酰化物質特征離子峰m/z為124.0，標準譜圖庫中4-甲氧基-苯酚乙酯的特征離子峰m/z也是124.0；依質譜圖信息可推知保留時間4.379min的出峰物質為對-甲氧基-苯酚，其是廢液中對羥苯基型木素小分子類物質的代表。

從圖2可看出，保留時間9.256min出峰物質的質譜圖（見圖2A）與標準譜圖庫（見圖2B）的2，6-二甲氧基-苯酚乙酯相似度較高；圖2A中乙酰化物質特征離子峰m/z是154.0，標準譜圖庫中2，6-二甲氧基-苯酚乙酯的特征離子峰m/z也是154.0；依質譜圖和相似度可推知保留時間9.256min的出峰物質為2，6-二甲氧基苯酚即紫丁香醇，其是廢液中紫丁香基型木素小分子類物質的代表。

從圖3可看出，保留時間12.573min出峰物質的質譜圖（見圖3A）與標準譜圖庫（見圖3B）的4-［3-乙酰氧基-1-烯丙基］-2-甲氧基-苯酚乙酯的相似度較高；圖3A中乙酰化物質特征離子峰m/z是137.0，標準譜圖庫中4-［3-乙酰氧基-1-烯丙基］-2-甲氧基-苯酚乙酯的特征離子峰m/z也是137.0；依質譜圖和相似度可推知保留時間12.573min的出峰物質為4-［3-乙酰氧基-1-烯丙基］-2-甲氧基-苯酚即松柏醇，其是廢液中愈創木基型木素小分子類物質的代表。

GC-MS的測試表明，APMP廢液乙酰化后經二氯甲烷萃取產物中含有對-甲氧基-苯酚、紫丁香醇和松柏醇這3種酚類物質。

2.2 漆酶處理前后廢液中酚類物質的變化

APMP廢液和漆酶處理的APMP廢液經乙酰化后再經二氯甲烷萃取產物GC-MS色譜總離子流圖如圖4和圖5所示。

從圖4可以看出，APMP廢液乙酰化后的樣品中4-甲氧基-苯酚乙酯、2，6-二甲氧基苯酚乙酯和4-［3-乙酰氧基-1-烯丙基］-2-甲氧基-苯酚乙酯分別在4.379min（a）、9.256min（b）和12.573min（c）出峰很明顯。從圖5發現對應的漆酶處理樣相應時間對-甲氧基-苯酚和松柏醇峰消失，即檢測不到對-甲氧基-苯酚和松柏醇單體的存在，并且總離子流程圖中紫丁香醇的色譜峰強度減弱，因此，推測漆酶對APMP廢液中酚類物質有一定的去除作用。

為了進一步計算漆酶對廢液中酚類物質的去除率，利用內標法對其進行了計算，內標物選取苯乙醇，對苯乙醇和酚類物質的色譜峰積分求峰面積，計算在不同樣中酚類物質相對于苯乙醇色譜峰的比值，進而計算出漆酶對酚類物質的去除率。漆酶處理APMP廢液后，對-甲氧基-苯酚和松柏醇的去除率達到100％、紫丁香醇的去除率接近50％。

2.3 凝膠滲透色譜分析

通過GC-MS分析可以確認，在APMP廢液中含有對-甲氧基-苯酚、紫丁香醇和松柏醇，并且推測出在漆酶處理過程中參與了反應。Carsten Mai等人［9］研究表明，漆酶可以催化木素結構中酚羥基生成苯氧自由基，苯氧自由基之間可以發生共價連接，從而使木素之間發生共聚。為了進一步確定漆酶處理后酚類物質的變化情況，選取模型物紫丁香醇和松柏醇（分別代表APMP廢液中出峰較明顯的紫丁香醇和松柏醇）進行機理研究，探討漆酶處理后產物分子質量和分散性的變化（見表1）。

紫丁香醇純品的相對分子質量為154.16，由表1可知，漆酶處理后數均相對分子質量上升至698，說明反應為聚合反應，該產物大約是由5個紫丁香醇分子發生聚合作用生成。由此可見，產物的數均和質均相對分子質量比較接近（Mn為698、Mw為745）；分散性為1.066，依分散性可看出，產物接近單分散樣品，分子質量分布較集中。

表1 紫丁香醇和松柏醇模型物漆酶處理樣的相對分子質量及分散性

松柏醇純品的相對分子質量為180.20，由表1結果可見漆酶處理后數均相對分子質量上升至1658，說明該反應為聚合反應，產物大約由10個紫丁香醇分子發生聚合作用生成。產物分散性為1.138，說明這種物質的分散程度較低。

因此，漆酶處理APMP廢液后，酚類物質在廢液中消失或含量明顯降低是因為廢液中酚類物質在漆酶處理過程中發生了自由基縮合反應，導致聚合后的酚類物質從廢液中沉淀出來（實驗中發現有沉淀現象）。

2.4 采用不同方式處理OCC紙漿

（1）對纖維形態的影響

曾使用紫丁香醇和漆酶共同改善OCC紙漿的成紙性能；與單獨漆酶處理相比，應用漆酶/紫丁香醇體系處理后，纖維粗度有所增加。前述的GC-MS分析可以證實，APMP廢液中也含有紫丁香醇。為了研究漆酶和天然酚類物質（來自廢液）共同處理對纖維的改性效果，對不同處理方式的紙漿進行了纖維形態分析（見表2）。

由表2可知，兩種方式處理OCC紙漿僅對纖維粗度有較大影響。纖維粗度增加可能是漿中木素及廢液中天然酚類物質在漆酶作用下產生自由基縮合的結果。這與凝膠色譜分析的結果一致。

（2）掃描電鏡分析

從圖6可見，未經漆酶處理的空白樣的纖維表面光滑、平整，纖維間連結不緊密，呈疏松多孔狀（見圖6a）；單獨使用漆酶處理OCC紙漿（見圖6b），由于處理過程中木素會發生降解去除，部分纖維表面變得粗糙不平；用漆酶和廢液共同處理OCC紙漿（見圖6c），纖維表面更粗糙，纖維與纖維相互“黏結”形成一體，出現大面積的纖維“融結”現象。這說明漆酶和天然酚類物質（來自廢液）共同處理使纖維表面發生明顯改性，廢液中小分子酚類物質的加入促進了漆酶處理對纖維的活化作用，更有利于纖維間發生交聯作用。在漆酶和廢液共同處理OCC紙漿過程中，天然酚類物質被催化氧化成自由基，其可以再氧化漿中木素，特別是占大比例的非酚型結構木素形成自由基縮合［10］。這種自由基縮合不僅發生在木素之間，還能發生在木素和酚類物質之間，因此，纖維表面的這些膜狀物質和沉淀物（見圖6c）就是漆酶處理過程中廢液中的酚類物質形成自由基縮合后最終遷移到纖維表面與表面木素形成化學鍵連接的結果，同時使纖維表面木素含量提高。

表2 纖維形態測定結果

圖6 OCC紙漿掃描電鏡圖

（3）對成紙強度的影響

不同處理方式對OCC紙漿成紙強度的影響如表3所示。與空白樣相比，單獨使用漆酶處理以及漆酶和天然酚類物質（來自廢液）共同處理均可催化漿中木素氧化形成酚氧自由基，并在纖維間形成自由基縮合，最終達到提高成紙強度的目的。

由表3可見，與空白樣相比，漆酶處理、漆酶和天然酚類物質（來自廢液）共同處理OCC紙漿后成紙強度明顯提高，如干抗張指數和干環壓指數分別提高9.98％和10.47％；對于濕強度，單獨漆酶處理OCC紙漿，其濕抗張指數提高11.66％，使用漆酶和APMP廢液共同處理OCC紙漿后，其濕抗張指數提高了27.60％。加入APMP廢液后，廢液中大量小分子酚類物質參與了漆酶催化提高紙漿強度的反應，其濕環壓指數提高了30.80％。這主要是天然酚類物質形成的自由基可以繼續氧化木素中非酚型結構［10］，導致纖維間形成更多的化學鍵。纖維間化學鍵的形成可有效提高紙張（板）的濕強度；另一方面，從前述分析可以推斷，漆酶的作用會使處理紙漿過程中加入的小分子酚類物質發生縮合反應，縮合的木素沉積并“包裹”在纖維表面即與纖維表面木素進一步發生化學鍵連接，這增加了漆酶對纖維表面木素的可及度和纖維表面的改性程度，使紙漿濕強度得到提高。

表3 不同處理方式對OCC紙漿成紙強度的影響

3 結論

3.1 GC-MS和GPC的測定表明APMP廢液中含有對-甲氧基-苯酚、紫丁香醇和松柏醇，并且其與漆酶共同處理OCC紙漿過程中這些酚類物質參與反應，產物聚合，聚合的小分子酚類物質以縮合木素的形式沉積在纖維表面，增加了纖維表面木素含量，從而提高了紙漿強度，特別是濕環壓強度提高較為明顯。

3.2 APMP廢液中的小分子酚類物質可以與漆酶共同改善OCC紙漿的纖維性能，為酶法解決廢液中酚類物質造成的DCS積累等問題提供理論依據，同時，也為利用生物技術改善循環廢液的性能提供了參考。

3.3 漆酶與廢液中酚類物質共同改善OCC紙漿性質為提高瓦楞紙板的環壓強度提供了一個方法，且有利于進一步推進漆酶工業化應用。

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