角質酶/表面活性劑體系對混合辦公廢紙的協同脫墨作用

王鳳，龍柱,，吳美燕，陳杰，張輝

（1江南大學紡織服裝學院造紙研究室，江蘇 無錫 214122；2江南大學生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122；3南京林業大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室，江蘇 南京 210037）

角質酶/表面活性劑體系對混合辦公廢紙的協同脫墨作用

王鳳1,2，龍柱1,2,3，吳美燕1,2，陳杰1,2，張輝3

（1江南大學紡織服裝學院造紙研究室，江蘇 無錫 214122；2江南大學生態紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122；3南京林業大學江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室，江蘇 南京 210037）

角質酶能夠水解可溶性酯、不溶性甘油三酯和各種聚酯，因此可以水解油墨中的連接料，有代替脂肪酶應用于廢紙脫墨領域的潛能。利用角質酶和實驗室復配得到的表面活性劑協同應用于混合辦公廢紙脫墨領域，探討其脫墨效果和最優工藝，并與常用商業脂肪酶進行脫墨效果比較。結果表明，角質酶在酶用量10 U·g-1，酶處理時間30 min，酶處理溫度50℃，表面活性劑用量0.2%的條件下可以達到最優效果。與脂肪酶/表面活性劑以及單獨用表面活性劑脫墨相比，角質酶脫墨后紙頁的白度與油墨去除率更高，紙頁的機械強度也較好。通過紙頁性能的對比和掃描電鏡(SEM)觀察，角質酶的脫墨效果較脂肪酶更佳，角質酶/表面活性劑體系對混合辦公廢紙脫墨效果較好。

角質酶；表面活性劑；混合辦公廢紙；浮選脫墨

引 言

廢紙回收是造紙行業面臨資源和能源短缺問題的一種有效解決方案。脫墨是廢紙回收過程的第一步也是極為重要的一步。目前用于混合辦公廢紙的脫墨方法大多還是傳統的化學法脫墨，常規化學脫墨需要大量的化學品，如氫氧化鈉、硅酸鈉、過氧化氫和螯合劑等。大量化學藥品的使用會導致生產用水的化學污染較高，增加廢水處理的成本[1-4]。研究表明，酶的使用可以減少脫墨對環境的影響。適當的酶處理可以促進油墨粒子的脫除，改善脫墨漿的濾水性，提高紙張的強度性能，因此酶法脫墨成為當今國內外廢紙回用研究的熱點之一[5-11]。

據文獻[12-17]報道目前用于廢紙脫墨效果較好的生物酶主要有纖維素酶、半纖維素酶、脂肪酶、淀粉酶、漆酶以及復配的混合酶等。角質酶是一種多功能酶，可水解可溶性酯、不溶性甘油三酯和各種聚酯，同時還能催化酸與醇的酯化、脂肪酸鹽與醇的轉酯化反應，在食品、紡織、化工等諸多領域都具有廣泛的應用[18-24]。混合辦公廢紙中的油墨是通過連接料黏附在纖維上與纖維牢固地結合在一起的，這些連接料通常是酯類聚合物。因此角質酶有應用于混合辦公廢紙脫墨領域的潛能。

雖然酶法脫墨可以有效地解決辦公廢紙脫墨難、污染大的問題，但實驗發現，不添加表面活性劑僅用生物酶脫墨并不能達到很好的脫墨效果。一方面浮選法脫墨僅用生物酶無法產生足量的泡沫將分離下來的油墨浮選除去，另有研究者指出合適的表面活性劑存在對生物酶的酶活有促進作用，能提高酶脫墨的效率[25-27]。本實驗將角質酶和實驗室復配得到綠色環保型表面活性劑協同對混合辦公廢紙進行脫墨，對角質酶的脫墨工藝進行了優化并確定了角質酶的最佳脫墨條件。

1 材料與方法

1.1 材料

廢紙：實驗中所用的混合辦公廢紙主要為激光打印紙和靜電復印紙（撕成20 mm×20 mm左右的碎片，用自封塑料袋密封24 h以平衡水分，備用）。

表面活性劑：腰果酚聚氧乙烯醚（實驗室合成）、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽以質量比 1：1：1 復配。

生物酶：T-fusca產角質酶，酶活為100 U·ml-1（江南大學食品科學國家重點實驗室提供）；商業脂肪酶，酶活為5000 U·ml-1（諾維信生物技術有限公司提供）。

1.2 實驗方法

1.2.1 角質酶酶活測定方法 稱取 0.0139 g 對硝基苯酚，用Tris-HCl緩沖液定容至1000 ml，配制成 100 μmol·L-1的對硝基苯酚母液，再用 10 mmol·L-1pH 8.0 的 Tris-HCl緩沖液稀釋至 0、20、40、60、80、100 μmol·L-1。用 0.5 cm 玻璃比色皿在分光光度計上測定波長為405 nm時的吸光度值，以對硝基苯酚濃度C為橫坐標，吸光度值A為縱坐標，繪制標準曲線A=aC+b。

用5 ml的移液管準確移取1.5 ml Tris-HCl緩沖液至0.5 cm玻璃比色皿中，在吸收波長405 nm處調零。用5 ml的移液管準確移取1.44 ml Tris-HCl緩沖液至0.5 cm石英比色皿中，用50 μl的微量移液槍移取30 μl待測稀釋樣品，加入上述石英比色皿中，然后50 μl的微量移液槍移取30 μl底物溶液，加入上述石英比色皿中，搖勻后立即放入可見分光光度計中，在吸收波長405 nm處測吸光度值。每隔5 s記錄一次吸光度值，反應時間為1 min。

式中，K為酶反應所測不同時間吸光度值和時間（min）所成曲線的斜率；V1為反應體積，ml；V2為加酶量，ml；N為稀釋倍數。

1.2.2 碎漿 在水力碎漿機中加入熱水2 L，稱取200 g絕干廢紙逐漸加入到碎漿機中，并逐步提高碎漿機轉速，以免轉子被紙片卡住，同時也要避免紙料濺出碎漿機，加完紙片的同時，按實驗要求加入表面活性劑和角質酶，不需要調節pH（所用的辦公廢紙碎解后pH在7.5 左右，與實驗所用酶最佳作用的pH范圍相符），增大轉速至20 Hz，按設定時間進行碎漿，碎漿結束后保溫熟化一段時間。

1.2.3 浮選 碎解后，將漿料緩慢倒入浮選脫墨機中，加熱水調節漿濃至 1%，在適宜的溫度下進行浮選脫墨，浮選時通氣量為 0.4 m3·min-1，壓力為0.4 MPa。

角質酶應用于混合辦公廢紙浮選脫墨領域，需要在特定的pH下才能發揮其最優活性。本實驗不添加氫氧化鈉等藥品調節pH，在中性條件下進行脫墨。該條件符合角質酶活性的最適范圍，而且不添加氫氧化鈉既節省了化學藥品也避免了紙張的返黃現象。

1.2.4 纖維解離 稱取脫墨漿，調成漿濃1.5%，在轉數5000 r·min-1，常溫下用纖維標準解離器解離。

1.2.5 抄片 將脫墨漿打散后，稀釋至0.4%～0.5%的濃度，按60 g·m-2定量抄紙片。

1.3 分析方法

手抄片按照GB/T 7974—2002標準測定白度，單位為%ISO；殘余油墨情況以塵埃度表示，即單位質量漿片中殘余油墨的面積，單位為 mm2·g-1。塵埃度用圖像分析技術測定，利用掃描儀進行圖像采集后，通過軟件紙漿塵埃度圖像分析儀 Auto Spec(R)4.0（華南理工大學）按照GB/T 1541—1989分析；抗張指數按GB/T 453—2002標準測定；撕裂指數按GB/T 455—2002標準測定。

2 結果與討論

脫墨過程中，利用角質酶攻擊油墨的連接料，依靠表面活性劑促進纖維與油墨之間連接鍵的斷裂，在機械外力的作用下使油墨與纖維分離。影響角質酶脫墨的因素很多，例如酶的用量，酶處理的時間和溫度以及表面活性劑的選擇和用量等。生物酶作為一種具有生物活性的蛋白質大分子化合物，需要在合適的條件下才能最大限度地發揮其作用，因此需要對其影響條件做深入的研究。

2.1 角質酶用量對脫墨效果的影響

酶的添加量是影響脫墨效果的一個極為重要的因素，從表1可以看出，隨著角質酶添加量的增加，白度呈現先增加后降低的趨勢，塵埃度則呈現先降低后升高的趨勢。在酶用量為10 U·g-1時白度值達到最高 91.64%ISO，塵埃度降低到 3.58 mm2·g-1，繼續增加酶用量白度反而下降，塵埃度也呈上升趨勢。這是因為角質酶脫墨的原理跟脂肪酶類似，都是通過水解油墨中所含的樹脂連接料來使油墨和纖維分離。當酶用量較低時，酶可以使新鮮的纖維暴露出來，使纖維表面變得光滑，類似于“剝皮作用”，對纖維主體沒有明顯損傷，暴露出的新鮮表面增強了纖維的柔軟度，纖維表面暴露出更多的羥基，使得纖維之間的結合力增強，紙張的力學強度增加，抗張指數達到23.12 N·m·g-1，撕裂指數達到8.90 mN·m2·g-1。增加酶的用量會導致樹脂連接料的過度降解。這種過度降解會導致油墨顆粒分散得太小，導致泡沫無法將其很好地吸附并浮選除去。分散過小的油墨顆粒會重新吸附到纖維表面，導致白度的降低和塵埃度的提高。因此對于混合辦公廢紙脫墨來說，角質酶的最佳用量為10 U·g-1。

表1 角質酶用量對脫墨漿效果的影響Table 1 Effect of cutinase dosage on deinking results

2.2 酶處理時間對脫墨效果的影響

研究表明，適當的機械作用力可以促進生物酶對油墨的脫除，因此本實驗將角質酶、表面活性劑在碎漿階段加入，使角質酶、表面活性劑和廢紙纖維進行充分接觸。從圖1和圖2可以看出，酶處理時間過短，酶的作用沒有發揮到最優，油墨粒子不能完全與纖維脫離，因此白度值較低、塵埃度較高。隨著處理時間的增加，白度和塵埃度值均在30 min時達到最優，繼續增加處理時間反而不利于油墨的脫除。這是因為酶處理時間過長導致油墨中的連接料過度降解，同時分離下來的油墨粒子又會重新吸附到纖維上。另外碎漿時間過長還會損傷纖維、降低紙頁的力學強度，并且增加動力消耗，因此最優的酶處理時間為30 min。

2.3 酶處理溫度對脫墨效果的影響

圖1 酶處理時間對白度、殘余油墨的影響Fig.1 Effect of enzyme treatment time on brightness and residual ink

酶作為一種生物催化劑，其活性受溫度影響較大，溫度影響酶的穩定程度。一般情況下，在一定溫度范圍內，隨著溫度的升高，酶的活性增高，但是超過一定溫度則會導致蛋白質變性酶失活。另外合適的熱作用還可以加速纖維的軟化，有助于油墨粒子的脫除。從圖3和圖4可以看出在溫度為50℃時，脫墨漿的各項指標均達到最優水平，溫度過高或過低都不利于油墨的脫除。

圖2 酶處理時間對紙頁強度的影響Fig.2 Effect of enzyme treatment time on paper strength

圖3 酶處理溫度對白度、殘余油墨的影響Fig.3 Effect of enzyme treatment temperature on brightness and residual ink

圖4 酶處理溫度對紙頁強度的影響Fig.4 Effect of enzyme treatment temperature on paper strength

2.4 表面活性劑用量對脫墨效果的影響

實驗發現，表面活性劑在生物酶脫墨過程中起著至關重要的作用。一方面，合適的表面活性劑可以產生適量且穩定的泡沫，協助將生物酶脫除下來的油墨浮選除去；另外，表面活性劑本身吸附在油墨的表面，能夠降低其表面張力，同時起到乳化分散的作用，有助于油墨的脫除，表面活性劑還可以通過分散作用防止油墨的再沉積。研究表明，當腰果酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽以質量比 1：1：1復配在一起時，產生的泡沫最為適量，穩定性較好，對油墨的乳化分散情況也最好，最有利于油墨的脫除。

圖5 表面活性劑用量對白度、殘余油墨的影響Fig.5 Effect of surfactant dosage on brightness and residual ink

圖6 表面活性劑用量對紙頁強度的影響Fig.6 Effect of surfactant dosage on paper strength

由圖5和圖6可以看出，在脫墨過程中如果不添加表面活性劑脫墨效果十分不理想，塵埃度較高，白度較低，紙頁強度也較低。添加了復配的表面活性劑以后紙頁各項指標均有大幅度優化。當表面活性劑用量為 0.2%時，白度和油墨去除率均達到最高，紙頁強度也較好，因此從脫墨效果和經濟方面綜合考慮，表面活性劑的最優添加量為0.2%。

圖7 酶脫墨后紙頁的SEM鏡圖Fig.7 SEM images of paper sheets after enzyme deinking

2.5 角質酶與脂肪酶的脫墨效果對比

脂肪酶在混合辦公廢紙脫墨領域的應用已有較多的研究并已達到了較好的脫墨效果[28-29]。在脫墨機理方面，角質酶和脂肪酶有著相似的原理，它們都是通過水解油墨中所含的樹脂連接料來使油墨和纖維分離。角質酶具有類似于脂肪酶的催化活性并且角質酶對以聚合形式存在的底物具有更高的酶活性。相比于脂肪酶，角質酶催化的酯水解可以在均相體系中進行，角質酶的穩定性也更好，當體系中存在其他酶時也不易發生反應[18-19]。將角質酶和商業用脂肪酶在最優條件下的脫墨效果進行對比，從表2可以看出不管是從白度、塵埃度還是紙頁強度方面，角質酶均能達到優于脂肪酶的效果。尤其是在提高白度方面，角質酶具有較好的效果而脂肪酶對白度的增量不是特別明顯。究其原因可能是由于脂肪酶的活性部分上方存在的“蓋”結構阻礙了聚合物在酶活性中心的結合[30-31]。角質酶用量（10 U·g-1）在低于脂肪酶用量（30 U·g-1）的情況下就可以達到更好的脫墨效果。

表2 角質酶和脂肪酶脫墨效果對比Table 2 Comparison of deinking effects of cutinase and lipase

通過掃描電鏡圖（圖 7）也可以看出，與不添加生物酶的空白紙樣相比，角質酶和脂肪酶脫墨后的廢紙漿纖維表面都較干凈，說明角質酶和脂肪酶都可以基本除去纖維上附著的油墨，但是通過對比可以看出，角質酶脫墨后的廢紙纖維表面更加平滑，油墨顆粒更少，說明對混合辦公廢紙脫墨，角質酶具有比脂肪酶更好的脫墨效果。

3 結 論

（1）角質酶應用于混合辦公廢紙脫墨領域有較好的效果，最優工藝為：中性條件，酶用量10 U·g-1，酶處理時間30 min，酶處理溫度50℃；表面活性劑組分：腰果酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鹽，表面活性劑用量0.2%。

（2）在最優的脫墨工藝下，角質酶在較低用量時的脫墨效果即可優于脂肪酶。角質酶脫墨漿指標為：白度91.64%ISO，油墨去除率90.78%，抗張指數 23.12 N·m·g-1，撕裂指數 8.90 mN· m2·g-1。

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date:2017-06-15.

Prof.LONG Zhu,longzhu@jiangnan.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China(31270633).

Deinking of mixed office waste paper by cutinase/surfactant system

WANG Feng1,2,LONG Zhu1,2,3,WU Meiyan1,2,CHEN Jie1,2,ZHANG Hui3
(1Laboratory of Papermaking,School of Textiles & Clothing,Jiangnan University,Wuxi214122,Jiangsu,China;2Key Laboratory of Eco-textiles,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi214122,Jiangsu,China;3Jiangsu Provincial Key Laboratory of Pulp and Paper Science and Technology,Nanjing Forestry University,Nanjing210037,Jiangsu,China)

Cutinase is capable of hydrolyzing soluble esters,insoluble triglycerides and various polyesters,and thus it can hydrolyze the binder in the ink and have the potential to replace lipase in the field of waste paper deinking.Cutinase and self-made surfactant was synergically used in deinking of office waste paper.The deinking effect and optimum process were discussed and compared with the conventional commercial lipase.The results showed that the optimal effect of cutinase could be achieved under the conditions of enzyme dosage of 10 U·g-1,enzyme treatment time of 30 min,enzyme treatment temperature of 50℃ and surfactant dosage of 0.2%.Compared with lipase/surfactant and surfactant deinking,the brightness and ink removal rate of paper after cutinase deinking were higher and the mechanical strength of paper was also greatly improved.By comparison of the paper performance and scanning electron microscopy (SEM) analysis,the deinking effect of cutinase was better than that of lipase.

cutinase; surfactant; mixed office waste paper; flotation deinking

TS 724

A

0438—1157（2017）12—4750—06

10.11949/j.issn.0438-1157.20170775

2017-06-15收到初稿，2017-08-15收到修改稿。

聯系人：龍柱。

王鳳（1991—），女，碩士研究生。

國家自然科學基金項目（31270633）；江蘇省制漿造紙科學與技術重點實驗室開放課題項目（201532）。