木聚糖酶在硫酸鹽桉木漿全漂中的應(yīng)用

生物漂白是在中藥漂白之前用木聚糖酶進(jìn)行預(yù)處理（預(yù)漂白）。這是一種節(jié)省成本的漂白工藝。它可以減少漿廠中氯含量的添加，減少漂白溶液中有毒有機(jī)氯的含量。工廠規(guī)模的試驗(yàn)表明,使用木聚糖酶預(yù)處理闊葉木漿可以減少20%～25%的總有效氯用量,處理針葉木漿可以減少10%～15%的總有效氯用量,同時(shí)使AOX減少12%～25%。在TCF漂白流程中,木聚糖酶處理與非氯漂白試劑配合使用時(shí),可顯著提高漂白漿白度,同時(shí)降低漂白成本。在漂白過程中,木聚糖酶通過選擇性水解木聚糖的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),達(dá)到增強(qiáng)漂白劑漂白效果的目的,并沒有直接作用于木素的發(fā)色基團(tuán)溶出木素。傳統(tǒng)堿法紙漿可漂性的提高一方面是由于木聚糖酶選擇性水解沉積在纖維表面及孔隙的木聚糖,提高了纖維的滲透性,進(jìn)而促進(jìn)了木素對(duì)漂白試劑的接受,使降解的木素易于除去。另一方面,木聚糖酶提高了漿料中木素碳水化合物復(fù)合物(LCC)的可抽提性,有利于后續(xù)化學(xué)漂白過程中木素的脫除。木聚糖酶有助于碳水化合物衍生物的發(fā)色基團(tuán)(如己烯糖醛酸)的溶出,這也會(huì)對(duì)漿料的可漂性產(chǎn)生影響。目前,盡管已有大量的對(duì)木聚糖酶在各種木材及非木材漿的ECF漂白和TCF漂白中的助漂作用的報(bào)道,但是對(duì)于在多段過氧化氫漂白中為使?jié){的最終白度達(dá)到指定值(86%或更高)而加入木聚糖酶的實(shí)際作用還缺少相關(guān)的研究。本實(shí)驗(yàn)通過在每個(gè)漂白工段結(jié)束后對(duì)比酶處理漿和未加酶處理漿的性質(zhì)及可漂性,研究了木聚糖酶在硫酸鹽藍(lán)桉漿三段過氧化氫漂白中的助漂作用。1實(shí)驗(yàn)1.1熱穩(wěn)定性木聚糖tx-200a本實(shí)驗(yàn)中的工業(yè)未漂硫酸鹽桉木(E.globulusL.)漿取自Portucel漿廠(葡萄牙),白度41.3%,殘余木素含量3.4%(Klason木素和酸溶木素),漿料的黏度1348mL/g。漂白前用去離子水洗滌漿料以除去所有的殘余黑液。本實(shí)驗(yàn)所用的兩種商業(yè)酶分別為Ecopulp?TX-200A(ABEnzymes,德國(guó))和Pulpzyme?HC(NovozymesA/S,丹麥)。TX-200A是一種產(chǎn)自非病態(tài)真菌的熱穩(wěn)定性EC3.2.1.8木聚糖酶,專用于在高溫下提高硫酸鹽木漿的可漂性。供應(yīng)商設(shè)定的木聚糖酶的活性為190000TXU/g,在檢測(cè)條件下,用相當(dāng)于樺木木聚糖在1s內(nèi)釋放出1nmol的木糖所需的還原能,使碳水化合物產(chǎn)生所需的酶量即為1個(gè)熱穩(wěn)性木聚糖酶單位(TXU)。在pH值為7的檸檬酸鹽-磷酸鹽緩沖液中通過DNS木聚糖酶分析來測(cè)定酶的活性。Pulpzyme?HC是一種EC3.2.1.8活性的木聚糖酶,由一種基因改性的桿菌發(fā)酵制得。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為1000TXU/g(木聚糖酶單位),1個(gè)木聚糖酶單位定義為標(biāo)準(zhǔn)條件下(pH值9.0,50℃,反應(yīng)30min),從染色的木聚糖(用雷馬素染色的小麥阿拉伯木聚糖)中釋放一定量的色素所需要的酶量。本實(shí)驗(yàn)用到的其他化學(xué)藥品是從Sigma–Aldrich、Fluka和Riedel-de-Haen公司購(gòu)買的分析純?cè)噭?.2綠假、pulp的制備根據(jù)供應(yīng)商推薦的條件(見表1)對(duì)紙漿進(jìn)行酶預(yù)處理。將30g絕干未漂硫酸鹽漿與酶液(76TXU/g的Ecopulp?或1AXU/g的Pulpzyme?)混和均勻(濃度10%,pH值7),放入雙層塑料袋中在65℃或60℃(分別用Ecopulp?和Pulpzyme?處理時(shí))的水浴中反應(yīng)3h。酶水解結(jié)束后用去離子水仔細(xì)沖洗漿料。參比漿料除了不加酶以外,其他處理?xiàng)l件均相同。1.3過氧化氫氧漂工藝條件的確定木聚糖酶預(yù)處理后的漿料及參比漿料均用三段過氧化氫漂白流程進(jìn)行漂白,不用氧脫木素。為了保證漂白過程的均一性,每段過氧化氫漂白的工藝條件(時(shí)間、溫度、化學(xué)試劑用量)完全相同(見表1)。漂白前用EDTA螯合處理,除去過渡金屬離子,防止過氧化氫無效降解。在過氧化氫漂白過程中還要加入硫酸鎂和DTPA,以減少碳水化合物在自由基誘導(dǎo)下降解。漂白以及螯合處理都在密封塑料袋內(nèi)進(jìn)行,塑料袋置于一個(gè)帶攪拌器的可控溫水浴鍋內(nèi)。漂白結(jié)束后用去離子水徹底洗滌漿料。1.4物理性能測(cè)試和反射率測(cè)定根據(jù)Tappi標(biāo)準(zhǔn)T222om—88和UM250測(cè)定酸溶Klason木素和木素的含量。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SCAN-CM15︰88標(biāo)準(zhǔn)在銅乙二胺溶液中測(cè)定漿的黏度。根據(jù)Tappi標(biāo)準(zhǔn)T205om—88和T272om—92抄造手抄片用于物理性能測(cè)試和反射率測(cè)定。根據(jù)Tappi標(biāo)準(zhǔn)T220om—88測(cè)定紙漿手抄片的性能。紙漿的光學(xué)性能,即ISO白度和DIN6167C/2返黃指數(shù),用CM—3630分光光度計(jì)(Minolta)測(cè)定。通過漿料水解后單糖的糖醇酸酯衍生物的氣相色譜來確定漿料中碳水化合物的組成。利用UV光譜(Shimadzu,UV-160A)在吸收波長(zhǎng)245nm處測(cè)定己烯糖醛酸在甲酸-甲酸鈉緩沖液中選擇性水解的產(chǎn)物2-糠酸,從而計(jì)算出漿料中己烯糖醛酸的含量。所得數(shù)據(jù)用Windows標(biāo)準(zhǔn)軟件SPSS13.0進(jìn)行分析,并以顯著水平p下的相關(guān)系數(shù)R來表示漂白過程中己烯糖醛酸(HexA)的溶出量與白度增加程度的相關(guān)性。2結(jié)果與討論2.1pyme預(yù)處理在漿料的生物漂白過程中使用木聚糖酶,白度和木素脫除率在酶處理階段(X段)后化學(xué)漂白前就有所上升。與未加酶處理的漿料相比,用Ecopulp?和Pulpzyme?預(yù)處理后白度分別提高1.5和1.2個(gè)百分點(diǎn),木素脫除率10.5%和6.9%(見表2),漿料的白度穩(wěn)定性(返黃后的白度值)尤其是黏度也優(yōu)于參比漿料。對(duì)其他漿料的研究表明,由于木聚糖酶作用于LCC,溶出一些木素碎片和木素發(fā)色基團(tuán),具有直接的漂白效果。由于低木聚糖的分解,酶處理可除去木聚糖衍生物的發(fā)色基團(tuán)(如己烯糖醛酸),這也有助于紙漿白度和白度穩(wěn)定性的提高。低分子質(zhì)量木聚糖(低木聚糖)的降解也是酶處理后漿料黏度上升的一個(gè)主要原因。2.2木聚糖酶處理對(duì)活性漿料色度的影響木聚糖酶在紙漿漂白中的作用(即助漂作用)通常以全漂漿白度提高的程度來評(píng)價(jià)。關(guān)于在漂白過程中這種助漂效果的變化未見報(bào)道。本研究表明,在不同的漂白工段木聚糖酶的助漂效果不同,而且在漂白流程中變化較大。因此,全漂后白度的提高并不總能反映木聚糖酶的實(shí)際作用效果,盡管漂白漿的最終白度是紙漿最值得關(guān)注也是最重要的性能。從表2中可以看出,在三段過氧化氫漂白中,用2種木聚糖酶處理后,第1段過氧化氫漂白后白度提高最大。與未加酶處理的漿料相比,白度提高了2.1個(gè)百分點(diǎn)。在后續(xù)的兩段過氧化氫漂白過程中,木聚糖酶的助漂效果顯著下降,漂白結(jié)束時(shí)酶處理后紙漿的白度僅提高了1.4和1.2個(gè)百分點(diǎn)(分別為用Ecopulp?和Pulpzyme?預(yù)處理的漿),比酶處理后的直接漂白效果還低。用木聚糖酶處理其他闊葉木和針葉木的混合漿料并連續(xù)用過氧化氫漂白時(shí)也發(fā)現(xiàn)對(duì)白度提高有不利影響。酶預(yù)處理漿料中木素溶出量的變化(或降低)并不能解釋漂白終了時(shí)增白效率的降低。由表2的數(shù)據(jù)可以明顯看出,與未加酶處理的漿料相比,2種酶處理后的漿料在每段過氧化氫漂白中木素的脫除率都提高了11%和9%(分別為用Ecopulp?和Pulpzyme?預(yù)處理),因此,在過氧化氫漂白過程中木聚糖酶助漂效率的損失可能是硫酸鹽桉木漿中多糖衍生物的發(fā)色基團(tuán)造成的。2.3氧化氫用量對(duì)復(fù)合涂料木素脫除率的影響圖1為酶處理后漿料及參比漿在漂白過程中木素脫除率和白度增加值與過氧化氫用量的關(guān)系。從木素脫除率來看,每段后續(xù)漂白后,酶處理漿的可漂性都比未處理的漿料高很多。在一定的過氧化氫用量范圍(3%～9%)內(nèi),酶預(yù)處理漿的木素脫除率為65.4%和63.7%(分別為用Ecopulp?和Pulpzyme?預(yù)處理的漿),而未處理漿料的木素脫除率為58.0%和57.9%。從白度提高的幅度來看,盡管用酶處理后紙漿的最終白度提高了,但只有在前兩段過氧化氫漂白中過氧化氫用量3%和6%時(shí),紙漿的可漂性才較好,最后一段過氧化氫漂白時(shí)紙漿的可漂性并沒有提高(例如,兩種加酶處理的漿料白度提高約42.5個(gè)百分點(diǎn),與未加酶處理的漿料的白度提高幅度相同),這就是前面提到的木聚糖酶助漂效果喪失的結(jié)果。2.4木聚糖酶預(yù)處理前后豆?jié){黏度的變化圖2分別為酶處理漿料和參比漿料在每段漂后黏度與殘余木素含量、紙漿白度的關(guān)系。顯然,木聚糖酶在很大程度上提高了硫酸鹽藍(lán)桉漿過氧化氫漂白的選擇性。在紙漿殘余木素含量為1.4%～3.0%(對(duì)絕干漿)、白度為44%～85%時(shí),用Ecopulp?和Pulpzyme?預(yù)處理后的紙漿,其黏度均高于未加酶處理的紙漿。同時(shí),與參比漿料相比,用2種酶處理后的漿料在最后一段過氧化氫漂白結(jié)束深度漂白時(shí),黏度急劇下降(見圖2,約在木素1%、86%白度處)。因此,酶預(yù)處理后全漂漿的最終黏度值低于未加酶處理的漿料(見表2)。在酶處理以及前兩段化學(xué)漂白過程中,木聚糖酶預(yù)處理對(duì)紙漿的黏度有促進(jìn)作用,在漂白末期這一促進(jìn)作用消失。酶處理后的紙漿在最后一段過氧化氫漂白過程中,深度脫木素加速了木素碳水化合物與纖維素的降解,進(jìn)而造成漿料黏度的顯著降低。2.5不同處理對(duì)木聚糖去除量的影響藍(lán)桉中主要的非纖維素聚糖有組成半乳糖苷的支鏈雜木聚糖(2-O-α-D-吡喃半乳糖苷-4-O-甲基-α-D-葡萄糖醛酸)-D-木聚糖、4-O-甲基-葡萄糖醛酸苷和木聚糖苷殘余物;三者的摩爾比為1︰3︰30,約占碳水化合物總量的20.8%。在硫酸鹽法制漿過程中,雜木聚糖的結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化,聚糖分子鏈?zhǔn)艿綇?qiáng)剪切作用,支鏈消失,平均相對(duì)分子質(zhì)量從25600下降到13700,殘留的單糖新的摩爾比為1︰4︰70。由表3可以看出,硫酸鹽藍(lán)桉漿的酶水解作用僅僅使雜木聚糖衍生的單糖殘余物(如木糖和半乳糖)除去,從而證實(shí)了木聚糖酶處理具有高度選擇性,比其他酶(尤其是纖維素酶)處理的專一性都高。木聚糖作為聚糖的一個(gè)主要組分,其含量的變化基本反映了雜木聚糖在漂白過程中的行為。在三段過氧化氫漂白過程中,酶處理對(duì)木聚糖去除量的影響見圖3。從圖3可以看出,用Ecopulp?木聚糖酶預(yù)處理比用Pulpzyme?預(yù)處理能更有效地溶出木聚糖,溶出量分別為9%和5.8%。由于漿料加酶預(yù)處理后,多糖更易受到漂液中化學(xué)試劑的氧化降解作用,所以在每段后續(xù)過氧化氫漂白中,木聚糖的溶出量都有所增加(與未加酶處理的漿料相比)。在過氧化氫漂白過程中,與未加酶處理的漿料相比,酶處理漿料中未發(fā)現(xiàn)酶助溶出的中性碳水化合物(尤其是木聚糖)與白度的提高、木素的脫除之間有明顯的相互關(guān)系。在對(duì)針葉木漿木聚糖酶預(yù)處理過氧化氫漂白的研究中也有類似結(jié)論。2.6木聚糖酶處理對(duì)煤系統(tǒng)hexa含量、溶出量的影響堿法蒸煮時(shí),漿中連接在雜木聚糖上的4-O-甲基-葡萄糖醛酸側(cè)基(MeGlcA)75%～90%被溶出,而殘余的MeGlcA(83%～88%)通過中間產(chǎn)物4-O-甲基糖醛酸發(fā)生β-消除反應(yīng)脫去甲醇基,轉(zhuǎn)化為不飽和的己烯糖醛酸(HexA或者4-脫氧-β-L-4-己烯糖醛酸)。HexA在紙漿的后續(xù)漂白中會(huì)消耗掉一部分漂白化學(xué)藥品,降低紙漿的白度,增加紙漿的返黃程度。HexA在硫酸鹽藍(lán)桉漿的木聚糖酶輔助三段過氧化氫漂白過程中的變化見表3和圖4。顯然,用2種木聚糖酶處理后漿中HexA的含量都顯著降低(用Ecopulp?和Pulpzyme?預(yù)處理的漿分別降低14.5%和11.1%)。其他資料也表明,由于HexA中低聚糖組分(如聚合度為5～8的己烯糖醛酸)在酶作用下溶解,使紙漿中HexA的含量降低。與Pulpzyme?預(yù)處理相比,Ecopulp?處理能更高效地去除HexA,而HexA的去除與木聚糖的溶出直接相關(guān),HexA溶出得多木素脫除率也高,這可能是其具有更高白度和白度穩(wěn)定性的原因。從木聚糖降解的相關(guān)數(shù)據(jù)中可以推測(cè),與未加酶處理的漿料相比,用木聚糖酶處理后的漿料在后續(xù)過氧化氫漂白過程中HexA的含量會(huì)逐漸減少。但是與木聚糖含量變化不同的是,HexA的溶出量在第1段過氧化氫漂白中最大(用Ecopulp?和Pulpzyme?處理的漿分別為18.7%和16.5%),之后逐漸降低(見圖4)。顯然,在木聚糖酶輔助過氧化氫漂白的過程中,HexA溶出量的變化與酶的助漂效果(即木聚糖酶輔助提高漿料白度)變化趨勢(shì)很相似。圖5為2種酶處理后的漿料在每段漂白結(jié)束后白度的增加值與HexA溶出量的相互關(guān)系。用SPSS13.0分析數(shù)據(jù)后顯示,這兩者之間存在很大的相關(guān)性,在顯著水平(p=0.01)下的相關(guān)系數(shù)R為0.954。由于在漂白后期,酶處理漿料與未加酶處理的漿料的脫木素速率相差并不大,因此,在硫酸鹽藍(lán)桉漿的木聚糖酶輔助過氧化氫漂白過程中,HexA的去除量是控制紙漿最終白度值的決定性因素。2.7酶處理對(duì)酸鹽藍(lán)桉漿抗破指數(shù)的影響半纖維素在紙張成形過程中能改進(jìn)纖維間的結(jié)合,進(jìn)而提高紙張的物理性能。因此可以推測(cè),與未加酶處理的漿料相比,木聚糖的溶出會(huì)降低漿料強(qiáng)度。表4為全漂未打漿硫酸鹽藍(lán)桉漿的物理性能,顯然,酶處理對(duì)漿料強(qiáng)度有不利影響。撕裂指數(shù)下降了8.2%～10.3%,而耐破指數(shù)和抗張指數(shù)下降更嚴(yán)重,分別為32%～40%和11%～25%,由此證實(shí)了先前的推測(cè)。打漿后,酶處理漿料的強(qiáng)度與參比漿料(未加酶處理)的強(qiáng)度差距縮小,這可能是由于酶處理后纖維表面再沉積的木聚糖被除去,細(xì)纖維化程度提高的結(jié)果。然而,木聚糖酶輔助過氧化氫漂白硫酸鹽藍(lán)桉漿的物理性能與未漂漿的物理性能很接近(見表4),這就說明在整個(gè)漂白過程中只有少量的碳水化合物被降解。3全