α-淀粉酶處理廢紙漿降解淀粉類有機物及凈化漿料研究

馮 琨 孔話崢 王燕燕 趙夢醒 劉廷志

（天津科技大學輕工科學與工程學院，天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457）

2018 年我國紙和紙板產量10435 萬t，其中包裝紙產量占50%以上，從紙漿比例上看，廢紙漿用量5474 萬t，占紙漿消耗總量的58%，其中國產廢紙漿占42%，多為廢紙箱原料[1]。2019 年國內造紙原料缺口達3000 萬t，這一缺口將主要由國產原料補充，因此國內廢紙漿使用比例進一步擴大，廢紙回用周期大大縮短、回用頻次進一步提高。廢紙原料的多次回用導致纖維變短、抄造困難、紙張強度差等問題，需要使用大量助劑來改善這一現象。淀粉由于其分子結構與纖維分子極其相似、來源廣、價格低等優點被廣泛應用于造紙工業中[2]。

淀粉類助劑在造紙過程中的大量使用導致廢紙中淀粉類物質不斷增加，目前我國國產廢紙箱中約含有8%～12%的淀粉類物質。在回用過程中，大量淀粉類物質會進入紙張抄造系統，不僅影響濕部化學平衡，還會增加造紙助劑用量、影響紙機操作和紙張質量，并給水處理系統造成很大壓力。國產廢紙箱原料這一問題更加突出。Jaakko Ekman 等人[3]認為有約占廢紙原料質量4%以上的淀粉類物質，在廢紙回用過程中被水解并進入水系統。而這些物質的代謝物是白水中DCS 的主要來源[4]。按廢紙箱中含有10%淀粉計算，全國每年使用的廢紙箱原料中約有500 萬t 淀粉類物質，是一個巨大的潛在生物質資源。另外大量淀粉類有機物經水處理后被消耗，不僅造成資源的極大浪費，還會增加水處理負荷和成本。

采用酶處理從廢紙原料中酶解淀粉類有機物雖然報道不多，但在紡織工業中卻有著廣泛應用。紡織工業中，酶退漿具有高效、快速等特點，退漿率可達90%以上[5]。而紡織工業中應用的淀粉與造紙工業淀粉類似，多為各種變性淀粉，如氧化淀粉、酯化淀粉、醚化淀粉、接枝淀粉等[6-7]。不同改性淀粉酶解性能相同，酯化淀粉酶降解性能好，氧化淀粉次之，陽離子淀粉最難降解[8]。我國造紙工業使用的變性淀粉中，陽離子淀粉是主流和發展趨勢，約有70%的陽離子淀粉用作造紙助劑[6]。采用生物酶處理廢紙漿，降解糖化淀粉類物質后，可采用微生物燃料電池（MFC）[9-11]處理實現生物質能源轉換，是一種新型的漿料凈化和廢水處理工藝。

本研究采用α-淀粉酶處理國產廢紙箱，降解其中的淀粉類有機物，以期達到凈化漿料、減輕廢水處理負荷的目的。

1 材料與方法

1.1 原料

廢紙：國產廢紙箱，撕成2～3 cm 小塊密封保存備用；α-淀粉酶：食品級耐高溫淀粉酶粉劑，10000 U/g，邢臺萬達生物工程有限公司；糖化酶：50000 U/g，博立生物制品有限公司；CS-8 陽離子淀粉：工業純，低取代度陽離子淀粉，天津浩宇造紙助劑有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 漿料處理

稱取一定量廢紙箱原料，加水浸泡24 h，調整漿料濃度后用高濃水力碎漿機處理30 min，制成廢紙漿備用。

1.2.2 淀粉降解

取一定量廢紙漿，調整到合適漿濃，加入適量酶，在一定溫度、pH值下處理一定時間，然后用200目漿袋在一定強度下甩干脫水，收集脫出液即為淀粉類物質降解液，紙漿為酶處理漿料。對照組不加酶，其他條件相同。

1.2.3 指標檢測

（1）還原糖測定

取適當稀釋待測樣采用二硝基水楊酸比色法測定其還原糖量[12]。

（2）廢液CODCr測定

采用比色法測定CODCr含量[13]。

（3）濁度、Zeta電位、電荷需求量的測定

采用lp 2000-11 濁度儀、Bi-90 Plus 納米/微米激光粒度分析儀、pcd-04顆粒電荷測定儀測定廢液的濁度、Zeta電位及陽離子需求量[14-15]。

（4）手抄片性能檢測

將抄造的手抄片按照現行國家標準測定相應物理指標。

2 結果與討論

2.1 雙酶處理廢紙漿降解淀粉有機物研究

為探討生物酶處理從廢紙漿中降解淀粉類有機物的可行性，采用過量α-淀粉酶和糖化酶協同作用，探究了還原糖的提取量。

在α-淀粉酶和糖化酶用量均為2.0%（相對于紙漿）、pH 值6.8、漿濃10%情況下，室溫處理24 h，收集脫出液測定還原糖含量，計算得到100 g 絕干廢紙漿可得到還原糖（以葡萄糖計）6.11 g，還原糖得率為6.11%。α-淀粉酶和糖化酶水解淀粉，淀粉分子很難被完全分解，其中還含二糖、三糖和少量極限糊精，葡萄糖與二糖、三糖及糊精占比約為4∶1[16-17]，因此總糖得率要大于6.11%。

按6.11%還原糖得率計，每噸廢紙箱原料可產還原糖（以葡萄糖計）61.1 kg，是一個巨大的生物質資源。另外本研究在酶解過程中，并未對處理后原料進行洗滌，在實際應用中可進一步優化工藝，尋求最佳、最經濟結合點。通過雙酶處理，還原糖（以葡萄糖計）得率相對于廢紙漿為6.11%，證明酶處理從廢紙漿中降解淀粉類有機物、凈化漿料是可行的。

2.2 α-淀粉酶處理降解有機物工藝優化

研究采用α-淀粉酶對廢紙漿進行處理，對α-淀粉酶作用條件進行優化。因為α-淀粉酶對淀粉降解的產物類型受條件影響較大，產物中除單糖外，還含有寡糖、糊精等，且這些物質的比例會受到環境條件的影響而不同[17-18]，因此在酶處理條件優化中，還原糖變化很難真實反映降解效果。故以降解液中CODCr為主要指標對降解工藝進行優化，濁度作為輔助指標。

2.2.1 處理時間對降解效果的影響

在廢紙漿漿濃10%、處理溫度為室溫、初始pH為中性、α-淀粉酶用量為0.1%的條件下，研究了酶處理時間對降解效果的影響，得到的降解液CODCr含量和濁度結果如圖1所示。

圖1 α-淀粉酶處理時間對降解液CODCr及濁度的影響

由圖1 可知，隨著反應的進行，降解液中CODCr呈先直線上升后趨于穩定的趨勢。在前60 min，降解液中CODCr含量基本呈直線上升趨勢，此時紙漿中淀粉類有機物含量豐富，反應速度由酶用量決定，被酶切斷的小分子淀粉不斷被切斷剝離，因此降解液中CODCr不斷上升。而后隨底物不斷水解，底物濃度成了主要限制因素，反應速度不斷下降[19]，降解液中CODCr趨于穩定。這與Luo 等人[20]在研究α-淀粉酶強化廢活性污泥厭氧消化水解動力學研究中得到的結論類似。降解液濁度隨作用時間延長呈先下降后趨于穩定趨勢。作用初期，大量淀粉碎片進入降解液中，造成濁度較高，后隨著淀粉酶的不斷作用，較大分子碎片不斷被降解，成為小分子糊精、寡糖、單糖等，對光線的散射作用降低，濁度不斷下降最終趨于穩定。因此，酶處理時間選取60 min較為合適。

2.2.2 酶用量對降解效果的影響

在廢紙漿漿濃10%，處理溫度為室溫，初始pH為中性條件下，采用不同酶用量（以紙漿質量計）對廢紙漿處理60 min，探討了酶用量對降解效果的影響，結果如圖2 所示。

圖2 α-淀粉酶用量對降解液中CODCr和濁度的影響

由圖2 可看出，隨著酶用量的增加，降解液中CODCr和濁度都呈現逐漸上升趨勢。這是因為在酶用量較小時，酶促反應速度由酶用量決定，因此隨著酶用量加大降解液中CODCr也不斷增加。在酶用量較少時，α-淀粉酶被纖維吸附，主要作用于纖維上吸附的淀粉分子，被剝離和降解游離的淀粉分子很難再被進一步降解，因此降解液中淀粉類物質分子質量較大，對光的散射較明顯，濁度呈現出不斷增加現象。

肖志剛等人[21]在擠壓玉米粉液化時酶用量僅為2～4 u/mL，高群玉等人[22]在耐高溫α-淀粉酶對谷物粉液化時用量為75～100 NU/g。本研究中酶用量為0.5%，相對于原料淀粉為500 U/g，雖較高，但受纖維影響，處理效果隨酶用量增加仍有提升余地，考慮到成本等問題，酶用量選擇為0.5%為宜。

2.2.3 初始pH值對降解效果的影響

酶分子上氨基酸側鏈受到pH 值影響會出現不同解離狀態，催化活性也會受到影響[19,23]。研究在廢紙漿漿濃10%，處理溫度為室溫，酶用量為0.5%，處理時間60 min 條件下，探究改變初始pH 值對淀粉降解效果的影響，結果如圖3所示。

圖3 初始pH值對降解液中CODCr和濁度的影響

由圖3 可看出，pH 值對淀粉類物質降解液的CODCr影響曲線為典型的鐘型曲線（倒V型曲線），在pH 值6.5 時，酶的作用效果最好，降解液中CODCr最高。洪新等人[19]研究耐酸性和中性α-淀粉酶酶促反應最適pH 值也有類似結論。肖志剛等人[21]在研究擠壓玉米粉液化酶酶促反應時優化得到的pH 值也為6.5。從濁度上來看，隨著pH 值上升，降解液的濁度呈現逐漸上升并趨于穩定狀態，在pH 值較低情況下，酶作用效果不佳，切下來淀粉碎片較少，降解液濁度較低，隨著pH 值升高，濁度呈上升趨勢，高于最適環境，酶作用效果下降，但偏堿性環境有助于纖維的潤脹，導致淀粉從纖維上脫落，有助于淀粉的分離，且多為大分子質量淀粉，因此濁度較高。

2.2.4 漿濃對降解效果的影響

漿濃不僅決定酶處理的物質傳遞，對降解液的得率和有機物濃度也有很大影響，在處理溫度為室溫、初始pH 值為6.5、酶用量為0.5%、處理時間60 min條件下，探究漿濃對降解液中CODCr含量、濁度和有機物得率（按原料中10%淀粉計）的影響，結果如圖4 所示。

圖4 漿濃對降解液中CODCr含量、濁度及有機物得率的影響

由圖4 可知，降解液中CODCr含量隨著漿濃的增加呈現增大的趨勢，漿濃越低，酶處理后分離出來的降解液量越大，濃度也就越低。從濁度上看，漿濃較低情況下，由于降解液中淀粉碎片濃度較低，因此濁度也較小，隨著漿濃的增加，分離的降解液中有機物含量增加，濁度也隨之上升。從有機物得率上看，按照廢紙漿中含有10%淀粉計，較低濃度和較高濃度對降解率均有影響，漿濃較低，酶作用的物質傳遞效率較高，酶對淀粉分子的作用效率相應也較高，大部分淀粉分子被分解成單糖和寡糖，這些小分子物質更易被紙漿中的纖維吸收，從而影響得率。隨著漿濃提高，酶促反應物質傳遞受到一定影響，較大分子質量的淀粉分子比例增加，濁度也相應增大，降解效率也提高。漿濃過高，除影響酶促反應傳質外，淀粉碎片濃度增加，在纖維上吸附和殘留也高，得率也會受到影響，因此采用10%漿濃進行處理，此時有機物得率最高，達到60%。

2.2.5 處理溫度對降解效果的影響

溫度對酶處理效率及酶使用壽命有較大影響[23]。在廢紙漿漿濃為10%、初始pH 值為6.5、酶用量為0.5%、處理時間60 min 條件下，處理溫度對降解液中CODCr和濃度的影響，結果如圖5所示。

圖5 處理溫度對降解液中CODCr和濁度的影響

由圖5 可知，處理溫度在70℃以下，降解液的CODCr隨處理溫度升高而升高，當處理溫度超過70℃時，降解液CODCr急劇下降，為典型的鐘型曲線，這是因為雖然酶反應速度隨處理溫度增高而加快，但溫度過高可導致酶結構變化，快速變性而失活[21]。在溫度70℃時，降解液中CODCr最高，因此確認該酶最適處理溫度為70℃。

研究表明，在α-淀粉酶用量0.5%（500 U/g 淀粉）、廢紙漿漿濃10%、初使pH 值6.5、反應溫度70℃、處理時間60 min時，有機物（廢紙漿中淀粉含量10%計）降解率可達60%，采用α-淀粉酶處理降解淀粉類有機物方法可行。

2.3 α-淀粉酶處理對紙漿凈化效果研究

2.3.1 α-淀粉酶處理對降解液污染負荷影響

酶處理和對照組處理降解液CODCr和濁度結果如表1所示。

表1 α-淀粉酶處理對降解液中CODCr和濁度的影響

由表1可知，與對照組相比，經過α-淀粉酶處理后降解液中CODCr含量遠高于對照組的，是對照組的2.83 倍，這主要是淀粉酶的作用，將淀粉類有機物切短并從纖維上剝離所致；對照組的廢水（制漿廢水）中有機物主要成分為碎漿過程中被機械、水力作用下從纖維上剝離的淀粉及其他物質。從濁度上看，對照組濁度遠高于酶處理組，這是因為機械和水力作用剝離的淀粉分子無法被切斷，分子質量相對較大，對光的散射也越嚴重，濁度也就越高。

2.3.2 α-淀粉酶處理對白水Zeta 電位和陽離子需求量的影響

取一定量脫水后漿料，稀釋至1.0%漿濃，用200 目篩自然過濾得到濾液，為模擬的白水，測定其Zeta電位和陽離子需求量，結果如表2所示。

表2 酶處理對模擬白水Zeta電位和陽離子需求量的影響

由表2 可知，α-淀粉酶處理組和對照組的漿料白水均呈負電性。酶處理的白水Zeta電位絕對值較對照組降低了17.2%，相應的陽離子需求量也較對照組降低了約20%，陽離子需求量和Zeta 電位絕對值的降低，說明漿料得到了一定程度的凈化，有利于保持濕部化學平衡。

2.3.3 α-淀粉酶處理對廢紙漿物理性能的影響

用酶處理組和對照組的漿料抄制成手抄片，探討酶處理對手抄片物理性能的影響，結果如表3所示。

由表3可以看到，經過α-淀粉酶處理后手抄片各項強度指標較對照組整體差異不大，呈略有下降趨勢。分析其原因可能是α-淀粉酶將原存于廢紙中的淀粉類物質分解，并從紙漿中分離出來，而多數淀粉類物質對強度均有正效影響，因此使得紙張抗張指數、撕裂指數下降，但是耐破指數有所提高[24]。Jaakko Ekman 等人[3]使用淀粉酶抑制劑控制白水中淀粉酶作用，發現在紙張同等強度下可減少25%的淀粉使用量，反之說明廢紙制漿過程中的淀粉流失會使紙張的強度有所下降，與本研究的結果類似。

將淀粉類有機物盡量多地保存在廢紙漿中，減少淀粉使用量固然有益，但會導致抄造系統越來越復雜和難于控制，系統的高污染負荷也導致體系腐漿等問題風險不斷增加，陰離子垃圾的積累給其他助劑帶來的影響也是一個必須面臨的問題，采用酶處理，降解淀粉并加以利用，也不失為一種凈化漿料、減少抄造系統風險的有效途徑。

2.3.4 α-淀粉酶對陽離子增強劑應用效果的影響

采用CS-8陽離子淀粉作為增強劑，加入到α-淀粉酶處理后漿料和對照組漿料中，按照定量90 g/m2、厚度200 μm的標準抄造手抄片，并檢測手抄片的各項物理指標，研究增強效果，結果如圖6和圖7所示。

圖6 手抄片撕裂指數和耐破指數隨陽離子淀粉用量變化

圖7 手抄片抗張指數、環壓指數和耐折度隨陽離子淀粉用量變化

由圖6 和圖7 可以看出，在陽離子淀粉用量0.25%以下時，α-淀粉酶組手抄片各項指標均優于對照組，這可能是漿料經淀粉酶處理凈化后，對助劑反應更加明顯，應與漿料陽離子需求量降低有關。當陽離子淀粉用量超過0.25%時，對照組的各項指標卻反超酶處理組。這可能是隨著陽離子淀粉用量的增加，漿料Zeta電位絕對值進一步降低，由陰離子垃圾帶來的漿料絮聚問題逐漸改善，纖維之間的結合更加緊密，超出了新加入增強劑帶來的增強效應，因此強度有所增高，具體機理有待進一步研究。

表3 酶處理對手抄片物理性能影響

3 結 論

3.1 采用α-淀粉酶從廢紙箱再生制漿過程中降解淀粉類有機物，每噸廢紙箱原料可獲得淀粉類有機物60 kg以上。

3.2 優化得到α-淀粉酶處理廢紙漿，降解淀粉類有機物條件為：漿濃10%，α-淀粉酶用量0.5%，反應溫度70℃，處理時間60 min，初始pH值6.5。在該條件下，淀粉類有機物降解率最高達到60%。

3.3 酶處理后，廢紙漿白水Zeta 電位絕對值下降約17.2%，陽離子需求量降低20%，酶處理對漿料有凈化作用。酶處理后漿料手抄片強度較對照組有所降低，但對陽離子淀粉作為增強劑應用實驗中，在陽離子淀粉0～0.25%的低用量條件下，酶處理后的漿料增強效果更靈敏，相關機理待進一步研究。