生物酶在制漿造紙工業的應用及研究進展

何 爽，李 群

（中國輕工業造紙與生物質精煉重點實驗室，天津市制漿造紙重點實驗室，天津科技大學輕工科學與工程學院，天津 300457）

生物技術的不斷發展在一定程度上緩解了傳統造紙工業帶來的環境污染問題。隨著國家進口固廢禁令的實施以及對環境污染的逐漸重視，造紙工業想要獲得長遠發展必須解決好原料短缺、廢水污染處理、工業生產能耗等問題，走綠色環保發展的道路[1]。將生物酶技術運用到制漿造紙行業是一次技術的革新，在生物制漿、廢水處理等工序中很大程度上體現出了酶的專一性、高效性，為整個行業的發展帶來了更多的新方向[2]。本文介紹了纖維素酶、半纖維素酶等生物酶在制漿造紙行業的應用及研究進展。

1 生物酶預處理木材原料

在傳統造紙工業生產中，由于未經處理的木材原料纖維較硬，纖維表面過于光滑，紙漿纖維分散不夠均勻等原因，在后續磨漿制漿過程中出現能耗較高、廢液濃度較低不適宜燃燒法處理等問題，因此采用生物法預處理木材原料可以在一定程度上降低后續的磨漿能耗和制漿成本。生物酶預處理的主要目的是利用微生物或酶與原木材反應，在一定程度上降解或者改變原料的化學成分，從而降低生產能耗，改善紙張的物理性能[3]。

目前，在生物酶預處理木材過程中常用的酶主要是果膠酶、木聚糖酶、纖維素酶、木素降解酶混合物等。果膠酶、木聚糖酶等主要作用于半纖維素，用于改變磨漿時細胞壁層間的分離位置；纖維素酶的主要作用是軟化纖維素，使纖維在磨漿時易于分絲帚化，從而降低能耗；木素降解酶（錳過氧化物酶、漆酶）主要是通過降解木素增加木片的滲透性，通過軟化木素降低磨漿能耗。其中，漆酶在制漿造紙工業中的應用較為廣泛，其主要產自擔子菌中的白腐菌，可以有效地降解原料中的木素，也是近幾年生物技術運用于制漿造紙行業的研究熱點。瑞典造紙研究所率先開展了這方面的工作，利用能降解木素的白腐菌對木片進行預處理，發現對經過預處理后的木片進行后續磨漿打漿等工序能夠明顯降低能耗。但是，用真菌進行預處理的周期較長，直接采用木素降解酶，尤其是漆酶進行預處理，引起了廣大研究者的興趣[4]。

研究發現，酶用量、反應pH、反應溫度和酶濃度是生物酶預處理木材原料的主要影響因素。資料顯示，用Ceriporiopsis subvemispora和P.chrysosorium對生產高得率漿的楊木木片原料進行預處理，預處理后可降低磨漿能耗約20%，節能效果比較明顯[5]。常見的生物酶預處理木片工藝流程如圖1所示。

圖1 生物酶預處理木片工藝流程

2 酶促打漿

生物酶預處理與打漿相結合可以得到物理性能更優良的紙張。在打漿前進行酶預處理，可以使纖維交織的更加密集，在一定程度上降低打漿能耗。在打漿后進行酶處理可以提高漿料的濾水性能，減少漿料的損失，提高產量[6]。在打漿過程中，生物酶會對紙漿纖維產生一定程度的降解和軟化，有利于后續制漿漂白等處理。

常用的生物酶是纖維素酶[7]。纖維素酶是一種復合酶，其主要是由外切β-葡聚糖酶、內切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等組成，實質為多種具有高度協同作用的水解酶[8]。在預處理過程中影響纖維素酶活性的因素主要有反應時間、反應溫度、酶的濃度、反應體系pH值、活化劑含量等。研究發現，保持纖維素酶最佳酶活性的溫度范圍為45~65℃，pH值大多在4~5區間[9]。

纖維素酶在打漿過程中的主要作用是促進細胞壁P層和S1層脫落，使其分層、壓潰、細纖維化，此時纖維表面會產生很多細小纖維，有利于后續制漿、漂白的進行[1]。MOONEY等[10]研究了粗纖維特性對杉木硫酸鹽漿底物酶可及性及水解的影響。研究結果表明，底物的平均纖維大小和粗度對酶的吸附能力有顯著影響。在纖維素酶對纖維的處理過程中，比表面積相對較大的細小纖維被分解成更短的纖維或沿著它的長度被剝落，而大部分較長的纖維只是在表面發生“剝皮”現象，變成了小纖維（見圖2）。由于纖維大小在木質纖維素底物中的不均勻分布影響了纖維素的總體可及性，從而也影響了底物的水解速率。

圖2 纖維素酶對不同尺寸纖維的作用[11]

3 生物法制漿

造紙生產中常見的制漿方法為機械制漿和化學制漿，即通過機械設備或者化學試劑對植物細胞壁產生破壞，通過降解去除細胞壁中的木素和部分半纖維素，使纖維原料降解并解離或分離為紙漿[12]。而生物法制漿可以在一定程度上提高紙漿的物理強度性能，降低高得率漿的磨漿電能消耗，并且不會降低機械漿所具有的松厚度大、不透明度高等優勢，同時還可降低化學法制漿的藥品消耗，有利于降低制漿廢水污染負荷，是具有良好發展前景的制漿技術[13－14]。

生物法制漿主要是通過利用微生物比如白腐菌或其制品酶（常見的有漆酶、木素過氧化物酶、錳過氧化物酶、纖維素酶和半纖維素酶等）對植物原料進行預處理，以生物技術代替傳統化學或部分化學方法，然后進行機械或化學機械處理的生物機械制漿方法[15]。在生物酶制漿過程中，首先發生反應的部位是纖維表面，然后一部分酶分子會浸入紋孔、胞間層和次生壁的非晶區反應，結果導致纖維細胞壁的潛態層離，對后續制漿起到一定促進作用[12]。圖3所示為生物制漿過程中生物酶的催化作用示意圖。

圖3 生物制漿過程酶催化作用示意圖[11]

近年來，隨著生物制漿技術的不斷發展和優化，其原料從木材逐漸擴展到麥草、蘆葦、蔗渣等非木材原料。利用降解木素酶選擇性地降解木素生產紙漿可提高制漿得率，降低纖維原料用量，節約能耗和減輕污染負荷[16]。NAGPAL等[17]使用木聚糖-果膠水解酶處理稻草進行生物制漿，生物制漿的效率高，制漿質量好，還降低了化學制漿過程中的堿消耗量，對漂白劑的要求也較低，為解決造紙污染問題提供了新思路。將生物酶應用于磨漿打漿前預處理，以優化改進傳統造紙工業生產中的化學機械漿，可以在保留機械法制漿優勢的基礎上，又有化學法預處理的作用，改善了兩種制漿方法的缺點，對此已有完善的工藝流程應用于工業化生產[18]。但是，如何能夠在保持酶活性的條件下最大化地利用酶的專一性，并將生物制漿技術全面推廣到造紙工業中去，未來還有很長一段路要走。

4 生物漂白

與傳統的化學漂白技術相比，生物漂白具有環境友好的優勢，并且在一定程度上減少了后續漂白化學藥品的用量，將是實現未來無污染漂白工藝的重要環節，更符合造紙行業綠色發展道路的理念。生物漂白是一種利用微生物或木聚糖酶和木素降解酶等酶制劑處理紙漿，使其有利于脫木素，以改善紙漿色澤、提高紙漿白度、改善紙漿可漂性的方法[12]。在生物酶漂白工藝中半纖維素酶和木素降解酶被廣泛使用，其中將半纖維素酶應用于漂白的工藝技術已經十分成熟。目前，造紙行業中常用的不同類型和功能的半纖維素酶大多數可以從細菌、真菌微生物體中分離得到，包括聚甘露糖酶和木聚糖酶兩種，其中木聚糖酶在造紙中已經實現了工業化應用。在制漿造紙工業中，紙漿漂白一般是強堿條件下進行的，因此要求木聚糖酶能夠在相應的堿性環境下起作用。

在制漿蒸煮過程中，部分木聚糖會吸附、沉積在纖維表面，在一定程度上會降低整個漂白處理的反應效率，進而降低紙張白度。在生物漂白工藝中加入一定量的木聚糖酶，可以在降解纖維表面木聚糖的同時破壞木素-碳水化合物復合體（LCC）結構，使纖維細胞壁的結構更松散、孔隙更大，以利于后續漂白試劑的滲透及木素的降解[19]。PARAB等[20]研究了由芽孢桿菌NIORKP76產生的木聚糖酶、阿拉伯呋喃糖苷酶和乙酰木聚糖酯酶組成的無纖維素酶木聚糖水解酶菌群對硫酸鹽漿的生物漂白能力，結果證明使用木聚糖酶菌群處理紙漿后，可以大大減少后續次氯酸鹽漂白過程中所需要氯的量，并且與使用單一木聚糖酶相比，該方法效果更好。

在生物漂白中常用的木素降解酶主要是漆酶。與木聚糖酶漂白不同的是，木素降解酶主要是直接氧化和降解紙漿中的殘余木素，從而達到一定的漂白效果。漆酶是單電子氧化還原酶，它催化不同類型底物氧化反應的機理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。底物結合于酶活性中心的Ⅰ型Cu2+位點，通過Cys-His途徑將其傳遞給三核位點，該位點進一步把電子傳遞給結合到活性中心的第二底物氧分子，使之還原成水[21－24]。盡管生物漂白已經普遍應用于造紙工業生產，但仍存在一些亟待解決的問題，如漆酶、錳過氧化物酶等酶的生產成本比較高，很難實現商業化生產；酶的固定化技術尚不成熟，酶處理時間較長，不能滿足連續生產的要求。

5 酶法脫墨

隨著國家不斷加強對廢紙，特別是對廢舊新聞紙、廢舊書刊紙和辦公廢紙的回收利用，使得廢紙脫墨技術成為研究熱點。化學法和生物酶法是常用的廢紙脫墨方法。傳統的化學法脫墨存在紙張發黃、脫墨效果不佳、環境污染嚴重等缺點[25-26]。酶法脫墨是一項環境友好的新型脫墨技術，相比于化學法脫墨，酶法脫墨具有脫墨效果好、工藝能耗低、環境污染輕的優勢，既能在一定程度上減輕化學品造成的環境污染問題，又可以提高紙漿的抄造性能，提高紙張的物理強度，未來有可能慢慢取代傳統化學法脫墨技術而應用于工業生產[27-29]。

實驗研究已經證實，酶法脫墨的過程主要分為兩個步驟：第一步，由于生物酶的專一性，其可以選擇性地吸附于纖維和各種油墨粒子之間，以此提高紙漿纖維的吸水潤脹能力。一般在纖維潤脹后，體積會在一定程度上有所增加，從而削弱了纖維與油墨顆粒之間的連接。第二步，酶與纖維發生酶解反應，纖維的結構呈現疏松狀態，從而削弱纖維與油墨的黏結力。在碎漿的過程中，由于受到機械的沖擊力、纖維之間的摩擦力以及水力剪切力，油墨顆粒與纖維會發生分離，利用浮選或者洗滌的方法將油墨從紙漿中去除[30]。

在酶法脫墨工藝中，常用的生物酶是纖維素酶和脂肪酶[31-32]。一般情況下，用纖維素酶脫墨時需要對紙漿進行預處理，使纖維分散狀態較為均勻，以此提高纖維素酶處理效率[33]。CICEKLER等[34]將纖維素酶用于傳統的脫墨工藝，不僅提高了脫墨效率，而且改善了紙張的物理光學性能，可使傳統脫墨過程中使用的化學物質減少50%，同時減少了廢水中的化學物質（COD）和生物需氧量（BOD）。酶法脫墨技術的應用較為廣泛，處理后廢紙油墨與紙漿纖維之間分離的比較徹底，紙漿白度高、塵埃度低，在一定程度上降低了生產成本，減少了化學藥品用量，有利于環境保護。

6 生物法廢水處理

造紙廢水的處理是整個造紙行業走可持續發展道路的重中之重。制漿造紙廢水主要來源于漂白工段和洗滌用水，廢水中含有大量的有機酸、苯酚類化合物、木素及其衍生物等成分較復雜的物質，因而導致其色度高、可生化性差[12]。生物技術應用于造紙廢水處理工序主要是利用微生物自身生長過程的代謝功能，將廢水中的有機污染物降解并使其轉化為對自然界無污染的無害物質，達到凈化廢水的目的。漆酶是目前造紙廢水處理體系中最重要的一種生物酶，國內外大量研究表明，使用漆酶處理工業廢水，通過催化氧化聚合反應與大部分殘余木素產生聚合反應，可去除90%以上的鞣酸類和其他酚類化合物，將廢水中的殘余木素絮聚為沉淀的大分子物質[35]。采用生物酶處理造紙廢水可以在一定程度上降低廢水對環境的污染，目前通常用生物酶法處理造紙中段有機氯化物含量較高的廢水[36]。

SONDHI等[37]的研究表明，將漆酶直接用于廢水處理，可降低廢水中的BOD、COD、苯酚含量、木素含量、TDS和TSS等各項指標，并且效果顯著。漆酶還可以降低造紙漂白工序部分堿抽提段產生的廢水、棉清洗車間苛化段廢水以及棉清洗車間高含硫廢水的色度[34]。

7 結束語

生物技術在預處理木材原料、酶促打漿磨漿、制漿、漂白、脫墨、廢水處理等工序中的應用都體現了酶的專一性、高效性，不僅可以提高紙張的白度、強度、耐破度等物理性能，還在一定程度上提升了生產效率，改善了傳統造紙工藝中的廢水污染嚴重、漂白效率低等難題，為造紙行業的發展帶來了新的方向。但是，目前生物技術在造紙行業的應用中還存在一些不足，各個工序處理環境之間相差較大。首先，生物酶是一種生物試劑，其能否在高溫、高壓、強酸、強堿條件下保持活性是至關重要的。其次，酶的獲取、處理條件及反應時長都是在制漿工業化生產中需要解決的問題。隨著這些問題的逐步解決，用生物酶預處理木材、酶促打漿、漂白脫墨等技術將不斷完善，并在制漿造紙行業中得到更高效、廣泛的應用。