漆酶在制浆造纸中的应用研究进展

收稿日期:2004 07 19(修改稿)

作者简介:张爱萍,女,1980年生;山东轻工业学院硕士研究生;主要研究方向:纤维资源的制浆造纸特性与生物技术应用。

E mail:zhap@https://www.360docs.net/doc/353211976.html,

漆酶在制浆造纸中的应用研究进展

张爱萍 秦梦华 徐清华

(山东轻工业学院制浆造纸工程省级重点学科,山东济南,250100)

摘 要:漆酶是一种多酚氧化酶,参与木素的降解或聚合,具有氧化木素的能力,在制浆造纸中的应用已拓展到脱墨、漂白、制浆、废水处理、增加湿强性能等诸多方面。本文综述了近年来漆酶在制浆造纸工业中的应用研究进展。关键词:漆酶;脱墨;漂白;湿强中图分类号:Q55

文献标识码:A

文章编号:1000 6842(2004)02 0161 05

漆酶是一种含酮的多酚氧化酶(p diphenol oxidore ductase,EC 1 10 3 2),最早是1883年Yoshida 从漆树的分泌物中发现的[1],以后的研究进一步发现漆酶广泛存在于昆虫、植物和真菌中,尤其在一些能够降解天然木素的白腐菌(T versicolo r )中大量存在。

作为一种木素降解酶,漆酶可以降解生物体中的木素。漆酶的氧化还原电势比较低,为300~800m V (对标准氢电极)[2],只能氧化降解木素中的酚型结构单元(图1),而不能氧化占木素90%的非酚型结构。1990年[3]

发现如果有低分子质量的化合物作为氧化还原介体,漆酶能氧化非酚型木素结构(图2),最适合的介体是一些酚型化合物和杂环如卟啉类化合物,这些介体物质有的来自真菌次生代谢产物或木素降解产物,如紫丁香醛和来自P ycno porus cinnabarinus 的3 羟基邻氨基苯甲酸(3 hydroxyanthranilicacid,3 HAA);有的来自人工合成化合物,如AB TS[2,2 联氨 二(3 乙基 苯并噻唑 6 磺酸)]、HB T (1 羟基苯并三唑)、VI O (紫尿酸)、NHA(N 羟基 N 乙酰苯胺)等[4]。据报道,在氧气存在的条件下,漆酶能将介体转化成共介体,由于这种共介体尺寸较小,能够渗透进入纤维而与木素反应,脱木素机理基于自由基的形成[5 6]。目前,漆酶在制浆造纸工业的诸多方面得到了广泛的应用,如二次纤维回用、漂白、制浆、废水处理、纤维性能的改善,湿强剂及纤维板制造等,本文就这些方面的研究进展进行了综述。

1 漆酶在二次纤维回用中的应用

近年来,二次纤维在原料中所占的比例日益增加,

脱墨技术引起了越来越多的关注,酶法脱墨是一种经济有效的脱墨方法,可以减少化学脱墨带来的环境污染,而且酶处理可以改善浆料滤水性能和纸页强度,降

低漂白化学品用量。

图1 漆酶氧化酚型木素结构

图2 漆酶介体体系氧化非酚型木素结构

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Vol 19,No.2,2004

Transactions of China Pulp and Paper

中 国 造 纸 学 报

酶脱墨有两种途径[7],一种是利用酶直接攻击油墨使油墨降解,如脂肪酶、酯酶等;另一种是通过改变纤维表面或附近的联接键使油墨脱离,并借助洗涤、浮选或两者结合的方法将脱离下来的油墨粒子除去,如纤维素酶、半纤维素酶、木素降解酶等。

木素降解酶可以通过氧化降解纤维表面的木素来达到脱除油墨的目的,这对于木素含量高的纸种(如新闻纸)的脱墨具有重要意义。漆酶是一种木素降解酶,它在某些具有传递电子能力的介体和氧气的存在下,能够使木素发生氧化降解,在酶法脱墨中具有广阔的应用前景。

据Call 等报道[8],利用漆酶/介体体系对旧报纸进行脱墨,脱墨浆白度及可漂性略有提高。徐清华、秦梦华等研究了漆酶介体体系对旧报纸的脱墨效果及其对后续漂白的影响,在通氧气的条件下加入漆酶和介体VIO(Violuric acid,紫尿酸)后脱墨浆的白度下降,并且随着漆酶用量的增加,脱墨浆的白度呈现下降趋势,这归因于漆酶/介体体系氧化木素时产生的发色基团[9]

,但脱墨浆可漂性明显提高,漂白后纸浆白度达到52 4%ISO,比对照浆提高4 2%ISO,物理性能也得到改善,裂断长和撕裂指数分别比对照浆提高了20%和13%。研究还发现,漆酶与半纤维素酶的协同作用对旧报纸脱墨后漂白浆的质量有明显改善,漂白浆白度提高到60 4%ISO,比对照样提高了6 1%ISO,裂断长和撕裂指数分别比对照浆提高了22%和14%,这可能是由于木聚糖酶提高了漆酶/介体体系对纸浆的可及性[10]。该研究结果已申请国家专利[11]。2 漆酶在生物制浆中的应用2 1 漆酶在机械制浆中的应用

生物机械制浆是指在机械制浆前利用真菌或酶对木片进行预处理,其原理是利用具有木素降解能力的微生物或酶选择性地分解植物纤维原料中的木素。

白腐菌能产生木素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶,可以对木素进行有效的降解,成为近年来研究的热点。瑞典造纸研究所率先开展这方面的工作,利用能降解木素的白腐菌对木片进行预处理,研究发现,经预处理后的木片进行磨浆可以显著降低磨浆能耗。随后,美国研究者也对此进行研究,试验结果显示节能达30%,而且成纸强度也有提高,中试效果达到实验室水平[12]。

但是用真菌进行预处理周期较长,直接采用木素降解酶尤其是漆酶进行预处理,引起了广大研究者的

兴趣。据Jujiop [13]研究,在20~90 、pH 值2~10条件

下用漆酶进行预处理,可以对原料中的木素进行改性,磨浆能耗明显降低,每吨浆能耗从1300kW h 降到850kW h,节省动力约30%,且机械浆的物理性能得到改

善,纸浆质量达到化学热磨机械浆的水平。在漆酶活性0 5U/mL 、初始氧化还原电势100mV 及20 下,对云杉TMP 进行预处理,磨浆能耗降为1 27MJ/kg [14]。研究还发现[15]

,用虫漆酶浸透辐射松可使磨浆能耗减少5%~8%,而且不影响纸浆的光学性质,撕裂度有所提高,用动态成形器抄纸的强度降低也比较小。2 2 漆酶在化学制浆中的应用

随着环境压力的增大,对制浆造纸废水尤其是含氯漂白工段的废水有了更严格的限制,降低进入漂白工段纸浆中的木素含量是降低废水毒性的一种行之有效的方法,也是目前常采用的方法。

在制浆前对原料进行生物处理,可以降低化学浆的残余木素量。秦梦华等[16]研究发现,用漆酶和介体HBT 在蒸煮前对麦草进行预处理,可降低纸浆的卡伯值,提高纸浆的白度和强度。漆酶和聚木糖酶的协同作用使纸浆的卡伯值进一步降低,与未经酶处理的化学浆相比,卡伯值降低19%,而且具有更高的裂断长和撕裂指数。

3 漆酶介体体系在漂白中的应用

传统的含氯漂白产生大量有毒和强致癌性物质,对环境和人类造成了巨大危害,已逐渐被无氯漂白取代。酶法漂白作为一种对环境友好的漂白技术引起了研究者的广泛兴趣,自1990年报道了漆酶在传递电子的介体帮助下能氧化非酚型木素模型化合物(图3)以来,漆酶介体的生物漂白成为研究的热点。

图3 生物漂白过程漆酶/介体体系降解木素机理示意图

1994年Call 和Mucke [17]

报道了一个漆酶介体系统,该系统能成功地处理硫酸盐浆、亚硫酸盐浆和溶剂浆,使纸浆卡伯值下降50%甚至更多,并进行了工厂中试,试验采用漆酶介体漂白+碱抽提+螯合处理+过氧化氢漂白(LEQP)的无氯漂白流程,纸浆得率、白度和物理性能都取得较好的结果,显示了良好的应用前景。1996年,Bourbonnais 和Paice [18]用漆酶-AB TS 系统处理硫酸盐浆和亚硫酸盐浆,后经碱抽提,纸浆的卡伯值分别下降25%~40%和50%,也证明了漆酶介体漂白是一个很有发展潜力的生物漂白技术。付时雨

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中 国 造 纸 学 报第19卷 第2期

等[19]利用漆酶添加介体NHA(N 羟基 N 乙酰苯胺)处理尾叶桉硫酸盐浆,再进行过氧化氢漂白,纸浆的卡伯值降低56%,白度可达81%ISO。

有研究证明[20],半纤维素酶处理不但可以作为过氧化氢漂白的预处理段,也可以作为漆酶处理硫酸盐浆进行脱木素的预处理段。喻利等人[21]对漆酶和聚木糖酶协同漂白蔗渣硫酸盐浆进行了研究,发现漆酶介体体系与聚木糖酶同时或前后处理蔗渣硫酸盐浆,在一定程度上提高了纸浆的漂终白度和强度。据林鹿等[22]报道,用不同的酶处理桉木硫酸盐浆,以漆酶与木聚糖酶的协同作用最好,处理后纸浆白度提高,粘度降低较小,而且可以明显提高后续过氧化氢的漂白效果,这主要是由于经漆酶和木聚糖酶处理后,木素与半纤维素可直接降解溶出。最近新发现了一种虫漆酶载体asiumoctacyanomolybdate,一般情况下,氧漂针叶木浆与虫漆酶充分反应后,后续的碱处理可以脱除约50%的木素,如果再进行一次酶处理,后续的碱处理还可以脱除20%的木素,这样可以提高氧及过氧化氢的漂白效果,把麦草化学浆用木聚糖酶和虫漆酶的载体处理之后,可以使碱抽提段木素含量减少60%[15]。

4 漆酶在造纸废水处理中的应用

在处理造纸废水方面,漆酶及能产生漆酶的真菌已显示出它特有的作用。

氯化木素及其氧化产物是漂白废水颜色和毒性的主要来源[23]。据J Dec和J M Bollay研究发现[24],漆酶的去毒作用是通过酚的聚合反应实现的,漆酶可催化氯酚生成低聚物,聚合产生的不溶性沉淀可以通过沉降、过滤去除,这样可以去除浓度高达1600mg/L的取代酚。另外,研究表明[25],各种真菌系统中的漆酶都能迅速地将许多有毒的多氯酚和愈创木酚部分脱氯,但2 氯酚和4 氯酚除外。据林鹿等人[26]研究发现,漆酶可以脱除桉木硫酸盐浆CEH漂白废水中40%以上的有毒物质。与一般方法相比,采用漆酶处理造纸废液中有机氯化物,具有催化效能高,反应条件温和,对反应条件、反应设备的要求不苛刻等优点。

漆酶还可用于废水脱色,Elithbeth[27]等采用白腐菌对工业染料进行脱色,并对培养液的粗抽提液进行了分析,表明只有漆酶活力和染料的脱色效果呈正相关,说明漆酶在其中起到重要的作用。单独用漆酶对桉木硫酸盐浆CE H漂白废水进行脱色,脱色率为24%左右[26]。将漆酶和辣根过氧化物酶与L-酪氨酸共聚形成有酶活性的水不溶性聚合物,将此聚合物固定于凝胶颗粒,能进一步提高酶处理对纸浆厂废水的脱色效率[28]。

5 漆酶对改善纸浆纤维性能的作用

Ken K Y Wong等人[29]用漆酶介体体系预处理卡伯值为70和94的辐射松硫酸盐浆,卡伯值为70的纸浆成纸后抗张强度有提高,而卡伯值90的纸浆成纸后物理性能提高不大,他们认为漆酶预处理可能对卡伯值低于70的纸浆成纸物理性能提高较显著。另外对低卡伯值的化学浆研究表明,在全无氯漂白前用漆酶介体体系进行预处理,可以提高纸浆的结合强度[30],赋予成纸更高的撕裂-抗张关系[31]。

Mansfield[32]用漆酶处理经蒸汽和螺旋挤压后的木片,在相同游离度时提高了机械浆的抗张强度。

用漆酶(NS51003)介体体系处理马尾松磨木浆,可以显著提高未漂浆的裂断长和漂白浆的撕裂指数,分别比对照浆提高了42%和9 6%[33]。如果在漆酶介体体系处理前增加一段半纤维素酶预处理,可以进一步提高未漂浆及漂后浆的裂断长,说明半纤维素酶的预处理可以增强漆酶介体体系的处理效果[34]。经漆酶处理的机械浆有助于提高纤维的结合强度和中等定量纸板的纤维结合性能,而且漆酶处理的机械浆抄造的纸页经超级压光后能保持优良的抗张强度,并获得较好的平滑度[32]。

Richard P Chandra等[35]研究发现,在3,4,5 三羟基苯甲酸存在时,用漆酶处理卡伯值为91的硫酸盐浆,可以提高纸张的耐破度和抗张强度,分别比对照样提高34%和20%,但是用漆酶处理完全漂白后的浆,对纸张的强度性质没有提高。研究表明,纸张强度的提高是纤维间氢键结合力增强及纸页中产生苯氧自由基交联的共同结果。

6 漆酶的增湿强作用

湿强剂用来改善润湿时的纸张性能,常用的湿强剂主要有脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、聚酰胺聚胺环氧氯丙烷类等,此外还有低分子质量有机氯化物湿强剂,但其增加了甲醛和BOD的排放量,对环境有害,因此开发对环境友好的湿强剂势在必行。

湿强剂的作用一般是通过与纤维作用产生交联基团,阻止纤维的润胀保护氢键[36 37]。在水相溶液中,漆酶可以催化氧化含有木素的纤维原料,在木素和与之相邻的纤维之间产生苯氧基,而且被氧化的木素可以发生聚合作用,缩合的木素包围着纤维,在纤维间形成交联网,该网可以阻止纤维润胀,保护氢键不被破坏,其作用相当于纸张湿强剂[38],因此漆酶在制浆造

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第19卷 第2期漆酶在制浆造纸中的应用研究进展

纸中可用做湿强剂。据Martin Lund研究[39],单独用漆酶处理未漂硫酸盐浆对成纸的湿强度提高不大,而用漆酶介体体系催化氧化可以明显提高湿强度,成纸湿强度达到4 9kNm/kg,比空白样提高了1倍多,加漆酶和介体PPT(phenothiazine 10 propionic acid,酚噻嗪 10 丙酸)后进行热处理,成纸湿强度可达12 4kNm/kg,增强效果显著。漆酶与3,4,5 三羟基苯甲酸处理卡伯值为91的硫酸盐浆,纸张湿强度与对照样相比提高72%[35]。

7 漆酶粘贴三合板,纤维板制造

漆酶在真菌色素合成中扮演着重要角色,并且可能参与菌索的形成,还能在细胞间催化酚类化合物的聚合粘连来固定菌丝。人们已经利用漆酶的这种粘合功能进行化工行业的开发研究,在酶的催化作用下,用制浆废水中的木素为原料可以生产木屑板等产品[40]。

研究表明,用漆酶和木素过氧化物酶氧化木素可以提高纤维板原料中木素与纤维之间的连接键[41]。Martin Lund[39]等人用漆酶催化氧化富含木素的木材纤维原料提高了纤维板芯层强度。1993年Kharazipour 等人[42]在专利中报导了用漆酶处理木纤维2~7天,不加任何胶粘剂,然后按湿法或干法工艺制造纤维板,结果发现,纤维板的胶接强度均比对照板明显提高。Felby等人[43]用漆酶氧化水青冈木纤维,处理时间仅1h,制成的干法和湿法纤维板与对照板相比具有较好的MOR/MOE(强度/刚度)性能,电子自旋共振谱(ESR)的研究说明,漆酶能使木素生成较稳定的游离基,而胶合作用与木素形成的游离基的交联反应有关。

由上述可见,漆酶在制浆造纸工业中的应用研究已渗透到制浆造纸工业的诸多方面,但大多还停留在实验室研究阶段。漆酶在脱墨中的研究还处于初级阶段,其脱墨机理尚需进一步探讨。漆酶制浆的工业化还需解决缩短预处理周期、预处理过程中伴生的负效应、微生物的有效控制等问题。漆酶在漂白中的研究已比较成熟,并显示出其优越性,但实现工业化还有待于一些问题如漆酶的大规模生产、高效经济的介体的研制、木素的生物降解机理的研究等。漆酶在制浆造纸废水处理、改善纸浆纤维性能、提高湿强度及在纤维板制造中的作用等方面还需要进一步研究与开发。

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Application of Laccase in Pulp and Paper Industry ZHANG Ai ping * QI N Meng hua XU Qing hua

(Shan don g Key Lab o f Pulp and Pa p e r En gineering,Shandon g Institute o f Light I n dustry ,Ji nan,Shandong Province ,250100)

(*E mail:zhap@sdili edu cn)

Abstract:Laccase (EC 1 10 3 2)is a polyphenolic oxidase It can oxidate li gnin and participate in the degradation or polymerization of lignin It has been broadly used in different areas of pulp and paper i ndustry,such as deinking,bleaching,pulping,treating waster water,enhancing wet strength of paper and so on In this paper ,the application of laccase in pulp and paper industry i s reviewed Key words:laccase;deinking;bleaching;wet strength

(责任编辑:房宝伦)

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