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云杉c t m p 纤维漆酶介体体系改性工艺及其机理研究 摘要 机械法制浆具有高得率、低能耗和少污染等优点，已经成为我国造纸 工业未来发展的一个重点方向，但机械法制浆最大的缺点是其生产的纸浆 强度不如化学浆，因而在一定程度上限制了其应用范围。本课题利用漆酶 介体体系对云杉c t m p 浆纤维进行改性，目的是去除覆盖在纤维表面的部 分木素和抽提物成分，从而达到改善纤维强度性能的目的，并对其改性机 理进行了研究。研究结果表明： ( 1 ) 本文对漆酶介体体系改性未漂云杉c t m p 浆的最佳工艺条件进行 了探讨，其工艺条件为：通氧气，浆浓4 ，酶用量1 5 l a m u g ，p h 值4 5 ， 反应时间4 5 m i n ，温度6 5 ，介体用量1 ( 对绝干浆) 。在该条件下，经漆 改性后的纸浆白度有所下降，但纸浆强度明显增加。 ( 2 ) 最佳的h 2 0 2 漂白工艺为：h 2 0 2 用量5 ，浆浓1 2 ，温度8 5 。c ， n a o h 用量3 ，m g s 0 4 用量1 ，n a 2 s i 0 3 用量2 ( 以上均对绝干浆) ，时间 1 2 0 m i n 。在该条件下，经改性后的纸浆白度可提高到7 5 1 ，相对对照浆提 高了5 4 i s o 。这说明，漆酶介体改善云杉c t m p 浆性能的同时，纸浆的可 漂性增加。 ( 3 ) 经扫描电镜发现，经漆酶v i o 处理纸浆的纤维表面变得粗糙，有 起毛现象，纤维之间紧密的交织在一起。 ( 4 ) 通过红外光谱分析表明，漆酶处理使云杉c t m p 浆的木素吸收强 度明显减弱，说明漆酶处理使木素降解溶出。 ( 5 ) x 一射线衍射分析表明，漆酶处理使纤维素的相对结晶度增大，说 明经漆酶处理使覆盖在纸浆表面上的木素降解，暴露出更多的纤维素。 ( 6 ) x p s 分析结果表明，漆酶介体体系改性后c t m p 纤维表面的氧碳 ( 例c ) 比上升，c 1 峰有所下降，说明漆酶改性后c t m p 纤维表面木素和 抽提物减少，碳水化合物的含量提高，有利于促进抄纸时纤维间氢键结合 的形成。 关键词：漆酶介体c t m p 纤维改性 i i s t u d yo nt h ep r o c e s sa n dm e c h a n i s mo fc h i n e s e f i rc h e m i t h e r m o m e c h a n i c a lp u l p b yl a c c a s e m e d i a t o rs y s t e mm o d i f i c a t i o n a b s t r a c t d u et ol e s sp o l l u t i o na n dl o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，h i g hy i e l dm e c h a n i c a l p u l p i n gh a v eb e e nb e c o m i n gt h em o s ti m p o r t a n td e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r ef o r t h ep a p e ri n d u s t r y h o w e v e r , c o m p a r i n gt ot h ec h e m i c a lp u l p ，t h el o w e rs t r e n g t h o fp u l pi st h em o s td i s a d v a n t a g e so fm e c h a n i c a lp u l p i n g ，t h ea p p l i c a t i o no f m e c h a n i c a lp u l ph a sb e e nl i m i t e d i no r d e rt or e m o v eam i n o rf r a c t i o no fl i g n i n a n de x t r a x t i v e so nf i b e rs u r f a c ef o rt h eo b je c t i v eo fi m p r o v i n gp a p e rs t r e n g t h p r o p e r t i e s ，m o d i f i c a t i o no fc t m p w i t hl a c c a s e m e d i a t o rw a ss t u d i e d ，w i t hi t s m e c h a n i s me x p l o r e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t so b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) o p t i m u m r e a c t i o nc o n d i t i o n s a b o u t m o d i f y i n gp r o p e r t i e s b y l a c c a s e m e d i a t o rt r e a t m e n tw e r es t u d i e d t h eo p t i m a lr e a t i o nc o n d i t i o nw e r e ： l a c c a s ec h a r g e15 l a m u gp u l p ，p u l pc o n s i s t e n c y4 ，p r e s e n c eo fo x y g e n ，p h v a l u ei s 4 5 ，t e m p e r a t u r e ，5 5 。cr e a c t i o nt i m e4 5 m i n ，1 v i o l u f i ca c i d ( o d ) u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，t h eb r i g h t n e s sw a sd e c r e a s e da n dt h es t r e n g t ho fp u l pw a s i i i i n c r e a s e d ( 2 ) t h eo p t i m u mb l e a c h i n gp r o c e s sw e r e ：h 2 0 2d o s a g e5 ，c o n c e n t r a t i o n 12 ，n a o hd o s a g e3 ，t e m p e r a t u r e8 5 c ，m g s 0 4 d o s a g e1 ，n a 2 s i 0 3d o s a g e 2 ( o d ) ，r e a c t i o nt i m ei s12 0 m i n u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，t h eb r i g h t n e s so fl a c c a s e m o d i f i e dp u l pc a nr e a c h7 5 。i i s oa f t e r h 2 0 2b l e a c h i n g ，w h i c hi n c r e a s e 5 4 i s 0t h a nt h ec o n t r o lp u l p i ts h o w e dt h a tt h eb l e a c h a b l i t yo fp u l pw a s i m p r o v e da f t e rl a c c a s e m e d i a t o rt r e a t m e n t ( 3 ) t h es e ma n a l u s i ss h o w e dt h a tt h ep u l pt r e a t e dw i t hl a c c a s e m e d i a t o r w a sr o u g ha n df u z z y ( 4 ) t h ei rs p e c t r u ma n a l y s i ss h o w e dt h a tl a c c a s et r e a t m e n tc o u l dd e c r e a s e t h ei n t e n s i t yo fl i g n i np e a k ，i ti n d i c a t e dt h a ts o m el i g n i nw a sd i s s o l v e dd u r i n g l a c c a s e m e d i a t o rt r e a t m e n t ( 5 ) t h ex - r a yd i f f r a c t i o ns p e c t r u ma n a l y s i ss h o w e dt h a tt h er e l a t i v e c r y s t a l t i n i t y o fc e l l u l o s et r e a t e db yl a c c a s ew a si n c r e a s e d ，i ti n d i c a t e dt h a t l a c c a s et r e a t m e n tc a nr e m o v et h el i g n i nw h i c ho nf i b e rs u r f a c ea n dm o r e c e l l u l o s ew a se x p o s e d ( 6 ) t h ex p sa n a l y s i ss h o w e dt h a tt h eo cr a t i o s o nt h ef i b e rs u r f a c e i n c r e a s e da n dt h ep e a ka r e ao fc 1d e c r e a s e da f t e rl a c c a s et r e a t m e n t t h i si m p l i e s t h a tl a c c a s em o d i f i e dp u l ph a sl e s sl i g n i na n de x t r a c t i v e ，a n dm o r eh y d r o p h i l i c g r o u p sa n dc a r b o h y d r a t eo nt h e f i b e rs u r f a c e ，w h i c hi s h e l p f u lt of o r m i n g h y d r o g e nb o n d i v k e yw o r d s ：l a c c a s e ：m e d i a t o r ：c t m p ；m o d i f i c a t i o n v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均己在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：参，谚哳 学位论文使用授权说明 年月 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 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。因此，利用漆酶介体体系处理云杉c t m p 浆是一种对环境 友好，能耗低，对纤维无损伤的纤维改性工艺，具有较高的研究价值。 厂。西大掌硕士掌位论文 云杉c n 俨纤维漆酶q r 体体系改性工艺及机理研究 1 2 化学热磨机械浆( c t m p ) 的发展现状 高得率浆是指用化学的( 有时是生物的) 、热的和机械的方法使纤维原料分离，制取 得率在7 5 以上的浆种。高得率浆既包括传统的磨石磨木浆( s g w p ) 、化学磨木浆 ( c g w p ) 、压力磨木浆( p g w ) 、木片磨木浆( r m p ) ，又包括近年来发展起来的各种化学机 械浆( c m p ) 、热磨机械浆( t m p ) 、化学热磨机械浆( c t m p ) 以及碱性过氧化氢机械浆 ( a p m p 或a p p ) 和生物机械浆( 吨浆原料消耗量只有k p 的1 2 左右；吨浆耗水量低近 1 0 倍，生产过程无恶臭及粉尘b i o m p ) 等【7 1 。由于人们对纸浆的质量( 强度、白度及适 印性) 要求不断提高，以及制浆工艺技术及装备技术的发展，传统的高得率浆种( s g w p 、 r m p 等) 逐渐被c m p 、c t m p 以及a p m p 取代。与硫酸盐浆比较，高得率浆( c m p 、c t m p 及a p m p ) 能更有效利用纤维原料等大气污染，相同规模建厂费用约为k p 的一半( 如表 1 1 所示) 【7 】。 表1 - 1b k p 工厂与b c t m 工厂对比 1 a b l e1 - 1c o n t r a s to fb k pr a i l la n db c t m 【pm i l l 基于表1 1 所述的优点，世界c t m p 制浆技术在8 0 年代至9 0 年代一直保持较高的 增长速度，年增长率在8 以上。目前，世界上生产的高得率浆品种主要是b c t m p 和 a p m p 浆，t e m b e c 公司是世界主要高得率浆生产商之一，其b c t m p 和a p m p 浆的生 产规模超过6 0 万吨年。 c t m p 即化学预热木片磨木浆，是在t m p 基础上发展起来的。它是借助更轻微的化 学处理，在加热的情况( 1 3 0 1 6 0 ) 下进行磨浆制得的得率为9 0 左右的高得率浆种。 c t m p 匍j 浆是在t m p 制浆基础生产线前面增加一段化学处理，即在预热磨浆之前，经过 汽蒸的木片利用化学药品经过一段时间浸渍后，再按t m p 的生产方法磨解成浆。 2 广西大掌硕士掌位论文云杉c n 舻纤维漆酶介体体系改性工艺及机理研究 c t m p 的制浆方法是化学处理、热处理和机械磨浆三者的组和。化学药品的用量和 反应时间( 最常用的是n a 2 s 0 3 ) 根据使用材料的不同和浆性质的要求，而有很大的变化。 c t m p 浆的游离度通过磨浆可以控制，从生产绒毛浆7 0 0 m l 到制造印刷纸和书写纸的 2 0 0 m l 以下均可。恰当地选择洗浆设备，c t m p 的树脂含量可降到o 1 以下；使用一段 或两段过氧化氢漂白c t m p 白度能达到8 0 i s o 或以上。生产上制得的c t m p 平均纤维长 度高，细小纤维含量低；甚至在高游离度下碎片很少，在4 0 0 4 5 0 m l 下低于0 1 5 。c t m p 得率在9 0 9 3 范围，与化学制浆法比较，意味着每生产一吨浆，就几乎节约一吨木材。 由于化学药品用量和过氧化氢漂白剂用量少，c t m p 车间对大气和河流的污染很轻，然 而电能消耗较高。 c t m p 与化学浆比较，它的典型性质是纤维粗度高、纤维较挺硬、用水润湿后润胀 也不多、在打浆阶段c t m p 浆的特性变化很少。这些特性很适合于抄造高松厚度，高挺 度和高吸收性的纸页。与机械浆比较，c t m p 显示出了明显差别：纤维长度较大( 实际 上只稍小于同材种的化学浆) ，细小纤维较少；在一定游离度下，碎片含量较低；在同 一游离度下，强度约高2 3 倍，树脂含量低，稍低的松厚度。这就意味着代替其他机械 浆可制得强度较高的纸页，或者在强度相同前提下可以在高游离度下操作。c t m p 的化 学纯度高，无异味，可用于抄造食品包装纸板。c t m p 的上限白度，针叶材浆目前可达 到8 0 i s o ，杨木浆可达到8 3 8 5 i s o 。 增加白度就需要更多的化学药品用量，抵消了c t m p 制浆方法在生态上和经济上的 优点。c t m p 树脂含量低，热老化时返黄小。由于它的这些特性和在较大范围内变化这 些特性的可能性，c t m p 在工业上的应用范围日益扩大。改变化学浸渍和能耗间的平衡， 就能改变c t m p 大的特性，可以生产出类似t m p 或接近工业化学浆，还可以通过漂白生 产出白度不同、范围广泛的漂白化学热磨机械浆。c t m p 的性质可以通过改变预热温度、 n a 2 s o ，消耗量、盘磨机输入能量等主要变数，而在较大范围内变动。 c t m p 实现工业化生产以来，由于它的优越性能对原料的适应性，发展极为迅速。 从质量要求和经济效益两方面看，c t m p 的应用范围更广泛。虽然在一定游离度下， c t m p 的比能耗较高，但c t m p 改善了白度、紧度和结合性能且碎片含量低。由于c t m p 的特性和在较大范围内有改变c t m p 特性的可能性，使其工业应用范围不断扩大，应用 c t m p 纸浆加工制造的纸产品不断增加。 据研究表明，c t m p 在世界浆的总产量中所占的份额正在日益增长，在2 0 世纪9 0 年代 就达到6 5 0 万吨年，并以每年6 1 0 的速率增长【7 】。这是因为c t m p 投资费用低，它的 广西大学硕士掌位论文 云杉c n l p 纤维漆酶介体体系改性工艺及机理研究 投资额在相同的规模下是化学浆厂( 含碱回收) 的6 0 左右。纸浆得率高，同化学浆相 比，得率几乎高了一倍原材料广泛【8 】，针叶木、阔叶木及部分非木材纤维原料都可用于 c t m p 的生产。c t m p 不但可以抄造或配抄新闻纸、文化用纸、薄页纸、绒毛纸、板纸， 还能抄造高级铜板原纸和计算机用纸等多类纸种。因此兼具特性和高得率优点的c t m p 浆具有极大的应用潜力，有人预测c t m p 是2 l 世纪的主要浆种i o 。 1 3 漆酶及其在造纸工业中的应用 1 3 1 漆酶的来源与分布 1 8 8 3 年漆酶被首次发现，一百多年来，人们通过大量研究发现漆酶广泛存在于多种 植物和菌类的分泌物中。在真菌中，漆酶大多分布在担子菌( b a s i d i m y c e t e s ) 、多孔菌 ( p o l y p o r u s ) 、柄孢壳菌( p o d o s p o r a ) 等中。此外，一些动物肾脏和血清中也发现了漆酶【1 ， 近来，人们发现一些细菌也能产生漆酶，如生脂固氮螺菌( a z o s p i r i l l u ml i p o f e r u m ) 。 漆酶是一种糖蛋白，一般由5 0 0 个氨基酸构成肽链【l ，糖基占整个分子的1 0 - - 4 5 。 糖的组成主要有半乳糖、阿拉伯糖、岩藻糖、甘露糖、葡萄糖和氨基己糖。因为分子中 的糖基的不同，同时漆酶的分子量因为来源不同也会有很大的差异，甚至来源相同的漆 酶分子量也不一样。 t 3 ，2 漆酶的结构与作用机制 漆酶的分子量在6 4 3 9 0 k d 之间，除p o d o s p o r aa n s e r i n a 产生的一种漆酶是四聚体外， 其它漆酶一般是单一多肽，由约5 0 0 个氨基酸组成。不同种类的漆酶含铜数并不相同。 一般含有四个铜离子，根据光谱和磁性特征可分为三类：i 型c u 2 + 一个，单电子受体， 顺磁性，蓝色，波长6 1 4 r i m 处有特征吸收蜂；i i 型c u 2 一个，单电子受体，顺磁性，非 蓝色，无特征，吸收光谱；i i i 型c u 2 4 两个，双电子受体，反磁性，是偶合的离子对( c u 2 + 。c u 2 + ) ，波长3 3 0 n m 处有宽的吸收带f 1 2 1 。漆酶的三维结构尚不清晰，但己证实铜离子位 于酶的活性部位，在催化氧化过程中起决定性作用。 据报道【1 3 】，漆酶是一种单电子氧化还原酶，它可以催化氧化不同类型底物大约有 2 5 0 个，不同类型的底物结构主要有：芳胺及其衍生物、酚及其衍生物、羧酸及其衍生 物、甾体激素和生物色素、金属有机化合物和其他非酚型底物。 漆酶介体体系的催化氧化作用，主要表现在四个铜离子的协同作用和自由基的生 成。当漆酶催化氧化氢醌化合物时，主要是底物氢醌向漆酶转移一对电子，生成了半醌 4 广西大学硕士掌位论文云杉c t m p 纤维漆酶介体体系改性工艺及机理研究 一氧中间体，用e s r 可以观察到明显的氧自由基信号。接着是不均等非酶反应，两分 子半醌生成一分子氢醌和一分子对苯醌，接着氧自由基中间体会转变成碳氧自由基中间 体，这两个物质可以自身结合和相互偶联，所产生的产物中除醌外还有c o 、c c 偶联 产物和聚合物。 1 3 3 纸浆的漆酶漂白 化学浆的漂白很大程度是脱除纸浆中的木质素，长期以来，氯气一直被认为是纸浆 漂白中最经济有效的漂白剂。但是，1 9 7 7 年a n d e r 发现针叶木硫酸盐浆漂白中氯化段废 液中含有强烈的致癌物质，引起了人们的关注【l6 1 。特别是1 9 8 5 年美国环保局在含氯漂 白废水中首次发现了强烈的致癌剧毒物二恶英【1 7 】。因此环保的压力使人们对制浆造纸废 水的控制有了很严格的要求，也不得不使造纸工作者探讨新的漂白方法。生物漂白【1 8 】， 就是利用生物酶和微生物对纸浆进行漂白，通过生物漂白可以防止化学品对纤维素，半 纤维素的破坏，提高纸张强度，提高纸浆得率。还可以降低生产过程中产生的能耗及恶 臭化学品，从而大大减少了化学药品对环境造成的污染。1 9 8 6 年开始【l9 1 ，生物漂白技 术迅速成为改革传统纸浆漂白工艺，达到替换氯化漂白段的一个新技术。 漆酶一般是由木云芝产生的含铜的酶蛋白，当用于脱木质素时，其特点是可直接作 用于木质素使其降解，因而脱木质素效率比其它生物酶高，并且漆酶的脱木质素作用需 要有氧气和媒介的参与，形成所谓的漆酶一媒介所组成的系统( l m s ) 。单独使用漆酶处 理纸浆能够降解木素，但会改变纸浆中木素的结构并且会使降解后的木素小分子重新聚 合。因此人们开始研究建立酶中介物系统来模仿自然生物体降解木素过程，此后，酶中 介物系统的研究自1 9 9 0 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 化合物以来，漆酶介体的生物漂白成为研究的热点，研究日益增长。据报道【1 9 2 0 1 ，在 o ，存在时，漆酶可以将介体变化为尺寸很小的共介体，小尺寸的共介体能够进入纤维而 与纸浆中的木素反应，自由基的形成既脱木素机理。 在1 9 9 4 年【2 卜2 3 1 ，m u c k e 和c a l l 报道了一个漆酶介体系统，漆酶介体系统( l m s ) 能 成功地处理亚硫酸盐浆和硫酸盐浆，使卡伯值下降5 0 以上。并进行了工厂中试试验， 试验结果表明纸浆得率、白度和物理性能都取得较好的结果，说明漆酶介体系统具有良 好的应用前景。 b o u r b o n n a i s 和p a i c e 于1 9 9 6 年的研究工作中得出【2 4 1 ，用漆酶一a b t s 体系处理亚硫酸 广西大掌硕士掌位论文 云杉c n i p 纤维漆酶介体体系改性工艺及机理研究 盐浆和硫酸盐浆，后经碱抽提，纸浆的卡伯值分别下降2 5 4 0 和5 0 ，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。有研究报道【2 5 1 ，利用漆酶n h a ( n 一羟基- n 一乙酰苯胺) 处理尾叶桉硫酸盐浆，接着再进行h 2 0 2 漂白，纸浆的卡伯值降 低5 6 ，白度可达8 1 i s o 。有研究证明【2 6 】，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【2 7 】对聚 木糖酶和漆酶协同作用漂白蔗渣硫酸盐浆，实验结果发现漆酶介体体系与聚木糖酶同时 处理蔗渣硫酸盐浆，提高了纸浆的白度和强度性能。林鹿等【2 8 】用不同的酶对桉木硫酸盐 浆进行处理之后，实验结果发现以漆酶与木聚糖酶的协同效果是最好的，经漆酶和木聚 糖酶协同处理后纸浆白度有了一定程度的提高，同时粘度降低较小，可以明显提高后续 h 2 0 2 的漂白效果，这说明经漆酶处理后，纸浆中的木素与半纤维素可直接降解溶出。有 研究表明【2 9 1 ，漆酶还用于棉类原料，对棉类原料进行短时间的处理后，再进行漂白，白 度相对常规漂白来说有所提高。 1 3 4 漆酶在机械浆中的应用 众所周知，机械法制浆工艺因为具有高得率、污染负荷低、纸浆挺度和松厚度好、 光学性能优异等特点，在过去的4 0 多年里得到了广泛的发展。但与化学制浆方法相比， 机械法制浆最大的缺点是其生产的纸浆强度不如化学浆，因而在生产高等级纸张时无法 完全取代化学浆。有关研究表明，机械法制浆是利用机械力的作用使纤维分离，大部分 胞间层仍然留在纤维的表面，导致纤维表面的木素含量较高( 木素主要分布在胞间层) 。 也就是说，机械浆纤维的表面被一层刚性的胞间层和软化的木素覆盖着，这种表面性能 是造成机械浆纤维的柔韧性和纤维结合强度低的主要原因。由于纤维的表面性能严重影 响着纸张的物理化学性能，因此，应设法通过对纤维进行表面改性来达到期望的表面性 能，以满足纸张性能的要求。在资源、能源日渐紧张以及对环境保护要求日益严格的今 天，研究开发对环境友好，能耗低，对纤维无损伤的纤维改性方法符合该领域的发展趋 势，具有重要的研究意义。 m a n s f i e l ds d 3 0 】在对机械浆生产过程中，利用漆酶处理木片可以降低磨浆能耗5 8 ，处理后浆料的白度有一定程度的提高，而其他光学性质没有任何变化。并且，经过 漆酶处理后，纸浆得率没有降低，手抄片的强度有了一定程度的提高。经酶处理后的纤 维使纤维间的结合能力提高，这说明漆酶在机械浆生产中具有很好的应用前景，即可以 6 广西大掌硕士学位论文云杉c n i p 纤维漆酶介体体系改性工艺及机理研究 通过配抄更少的化学浆生产一定的纸种，例如新闻纸和电话簿纸。 g u t i e r r e z ，a 【3 1 】认为漆酶介体还能去除引起数脂障碍的一些化学组分，包括阔叶木、 针叶木、还有其他一些原料等。s t i n ag r 6 n q v i s t 3 2 】通过采用漆酶处理未漂和己漂t m p 浆， 观察纸浆上的自由基生命时长，9 0 的自由基在经过几个小时后就变质，所以考虑添加 一种新的化学物质提高自由基活力是可行的。 s g r o n q v i s tj b u c h e r t 3 3 】的研究表明，漆酶在未漂和已漂热磨浆t m p 中的应用，通 过对浆的表面生成的自由基形成采用e p r 进行测定和对同底物耗氧量的测定来分析漆 酶的活性，实验表面，漆酶处理未漂热磨机械浆后，在浆表面形成自由基，起到对纤维 改性的目的，然而经h 2 0 2 漂后，由于浆的表面化学组分已被改性，降低了漆酶底物的 适宜性。因此，漆酶催化氧化作用在已漂t m p 浆中的作用很小。同时，实验还说明了 d c s 物质含有的氧化组分在自由基形成过程中起到一个中介的作用。其中d c s ( 溶解 与胶体物质) 在在机械制浆和漂白过程中，木材中多种成分( 如半纤维素、亲脂抽出物、 木素、蛋白等) 会进入到纸厂过程用水中。这些污染物多数以溶解一胶体物d c s 形式 存在。由于白水循环及回用，d c s 就会在水系统中积累。d c s 会影响抄纸质量( 如降 低纸页强度和白度) ，降低纸机运转性能( 增加滤水时间，形成沉积物) ，增加阳离子 助留剂用量。从s g r o n q v i s tj b u c h e r t 的研究来看，说明了漆酶可以氧化木素纤维素， 在今后的研究中应该更加着重于漆酶在机械浆的应用中。 k e nk y w o n g 3 4 】利用纤维素酶、漆酶、蛋白酶用于平价是否对机械浆成纸性能的 改善有所贡献。其中，l m s 处理p r m p 浆过程中，纤维浆料p h 用h 2 s 0 4 调节为4 5 ，漆酶 和n 一酸缓冲液加入浆料中并将浆浓调节为5 。装入2 l 不锈钢反应器中，在5 0 c 下反应 5 , b 时。同时加入少量的介体h b t ，通入压力为1 m p a 的氧气。经过对长纤维浆采用酶制 剂，纤维( f i b r e ) 与细料( f i n e s ) 重新结合，任何一种酶制剂都不能改变纤维细料的留 着问题或填料的固定。三种酶制剂均能提高纸张的抗张强度。然而，只有漆酶对纸浆中 的木素起作用，增加纤维之间的结合力。 1 4 本研究工作的目的和内容 机械法制浆具有高得率、低能耗和少污染等优点，已经成为我国造纸工业未来发展 的一个重点方向，但机械法制浆最大的缺点是其生产的纸浆强度不如化学浆，因而在一 定程度上限制了其应用范围。机械法制浆是利用机械力的作用使纤维分离，大部分胞间 7 广西大掌硕士掌位论文云杉c t m p 纤维漆酶介体体系改性工艺及机理研究 层仍然留在纤维的表面，导致纤维表面的木素含量较高( 木素主要分布在胞间层) 。也就 是说，机械浆纤维的表面被一层刚性的胞间层和软化的木素覆盖着，这种表面性能是造 成机械浆纤维的柔韧性和纤维结合强度低的主要原因。在造纸工业的各种新技术中，漆 酶在造纸工业中的应用具有很大的优势和潜力，有关研究表明，在氧气存在下，介体被 漆酶氧化成活性高且具有一定稳定性的中间体，这些活性中间体能从氧分子中获得电 子，并把电子传递给木素分子，从而使木素氧化降解，氧被还原成水。 本论文利用漆酶介体体系对云杉c t m p 浆纤维进行表面改性，依靠漆酶介体体系降 解或改性纤维表面的部分木素组分，达到提高纸张物理强度的目的，课题主要研究最佳 的酶改性工艺和对改性后的云杉c t m p 浆进行可漂性研究，并利用s e m 、i r 、f q a 和x p s 等现代分析技术对纤维表面形貌和表面化学进行表征，以探讨漆酶介体体系对云杉 c t m p 纤维的改性机理。因此，利用漆酶介体体系处理云杉c t m p 浆是一种对环境友好， 能耗低，对纤维无损伤的纤维改性工艺，具有较高的研究价值。 本研究工作主要包括以下内容： ( 1 ) 探讨漆酶用量、介体用量、酶处理时间、温度等因素对漆酶改性效果的影响， 并得出最佳改性工艺参数。同时，以最佳工艺条件下改性后c t m p 浆与原浆进行性能对 比。 ( 2 ) 研究漆酶改性前后c t m p 浆的可漂性，并筛选出漆酶改性c t m p 浆的最佳漂 白工艺。 ( 3 ) 采用扫描电镜( s e m ) 、纤维质量分析仪( f q a ) 、红外光谱( i r ) 以及x 光 电子能谱( x p s ) 等分析方法来探讨漆酶介体改性云杉c t m p 浆的机理。 广西大掌硕士掌位论文 云杉c 1 纤维漆酶介体体系改性工艺及机理研究 第二章酶活的测定与介体的筛选 在本章中主要对漆酶进行酶活的测定与介体的筛选，通过测定准确的酶活对实验中 的漆酶用量可以有一个准确的参考值，而介体的筛选对漆酶能发挥最大酶活也起到至关 重要的作用。 2 1 实验原材料及方法 2 1 1 实验原材料 ( 1 ) 漆酶：n o v o z y m e s5 1 0 0 3 ，t 氢n o v o z y m e s 公司提供。 ( 2 ) 纸浆：云杉未漂c t m p 商品浆取自广西南宁糖业股份有限公司。 ( 3 ) 介体： i - i b t ( 1 一羟基苯并三唑，1 - h y d r o x y b e n z o t r i a z o l e ) ，s i g m a a l d r i c h 化学品公司生产。 o h m s ( 丁香酸甲酯，m e t h y ls y r i n g a t e ) ，n o v o z y m e s a s 提供。 h 3 e 0 h v i o ( 紫尿酸，v i o l u r i ca c i d ) ，f l u k a 化学品公司生产。 9 广西大掌硕士学位论文 云杉c n 俨纤维漆酶介体体系改性工艺及机理研究 p p t ( 吩噻嗪一1 0 一丙酸，p h e n o t h i a z i n e 一1 0 p r o p i o n i ca c i d ) ，由n o v o z y m e s 公司合成。 c 耳2 - c h 2 - c o o h i 顶：的 a b t s( 2 , 2 一联氮一二 ( 3 一乙基一苯并噻唑一6 一磺酸) 2 ，2 l a z i n o - b i s ( 3 一e t h y l b e n z t h i a z o l i n e 一6 一s u l f o n a t e ) ) ，s i g m a a l d r i c h 化学品公司生产。 h 0 3 2 1 。2 实验仪器与设备 ：n n ： 广西大学硕士学位论文 云杉c i 咖纤维毒暗每- y v 体体系改性工艺及机理研究 由表3 - 4 可知，经漆酶介体体系处理后的浆料与空白浆样相比，抗张指数提高1 7 2 2 ， 撕裂指数提高2 2 7 8 ，耐破指数提高了2 6 3 9 。有研究表明，纤维表面的木素及木素分 布情况对于纸张的强度性能有着极其重要的影响，这是因为木素的疏水性作用导致纤维 间结合强度被削弱引起的【4 3 。4 4 1 。因此，哪怕只是去除纤维表面的少部分木素组分也能显 著提高纤维的柔韧性和纤维间的结合强度【4 5 】 光学性能( 如白度、不透明度和光散射系数等) 是纸张物理性能的重要指标，尤其 是以机械浆和化学机械浆生产的纸张更为重要。由表3 - 4 可知，经漆酶介体体系处理后， c t m p 浆的白度下降了2 8 ，但对不透明度则几乎没有影响，而光散射系数下降了 3 5 4 。光散射系数的减少，反映了漆酶介体体系处理使纤维容易分离和细纤维化，改 善了纸浆的纤维柔软性，交织构成纸页时可以形成更多纤维之间的结合，减少了纸页结 构的散射界面，故光散射系数下降，而结合强度得到增强，并最终提高了纸页的强度性 能。可见，经漆酶介体体系处理后，c t m p 浆的物理强度指标明显提高，这说明了这种 纤维改性工艺可以提高机械浆和化学机械浆纤维等级和存在用于抄造高等级纸张的潜 力。 综上所述，说明本实验的处理效果是比较理想的。因此可以认为，本实验所得到的 工艺为最佳的工艺。 3 3 漆酶处理对c t m p 浆性能的影响 3 3 1 漆酶处理对c t m p 化学组分的影响 木素是造纸植物纤维原料中的主要化学成分之一，他是由苯丙烷结构单元构成的具 有三度空间结构的天然芳香族高分子化合物。c t m p 浆是化机浆，大部分胞间层仍然留 在纤维的表面，导致纤维表面的木素含量较高( 木素主要分布在胞间层) 。这种表面性 能造成c t m p 浆纤维的柔韧性和纤维结合强度较低。而纤维素是植物纤维原料的主要组 分之一，也是纸浆的主要化学组分。在一般情况下，纤维素是生产过程中必须尽量保护 的，以免造成纸浆得率、强度的下降。 l m s 也具有高选择性，脱除木素，且几乎没有碳水化台物的损失或损伤，这种选 择脱木素对浆性能的影响值得研究，这个过程可能同时提高了浆的物理性能、磨浆性能 以及造纸性能。为了探讨漆酶处理对c t m p 浆化学组分的影响，本研究对漆酶处理前后 3 2 云杉c 了咖纤维漆酶介体体系改性工艺及机理研究 c t m p 浆进行纤维素含量，木素含量及聚戊糖含量的测定，结果见表3 5 。 表3 - 5 漆酶改性对c t m p 的化学组分的影响 t a b l e3 - 5e f f e c to fc t m pc h e m i c a lc o m p o s i t i o nw i t hl a c c a s em o d i f i e d 由表3 5 可知，经漆酶改性处理后的c t m p 浆木素含量由2 9 0 4 下降到2 4 1 5 ， 下降了1 6 8 4 ，木素含量明显减少。这说明漆酶介体体系对c t m p 浆纤维进行表面改 性，降解纤维表面的部分木素组分，从而提高了纸浆的物理性能，这从前面的验证性实 验可以知道，经漆酶处理后的纸浆物理强度明显提高。而纤维素含量也由原来的5 6 3 7 下降到5 3 7 3 ，下降了4 6 8 ，半纤维素含量基本没有什么变化，说明漆酶处理对c t m p 浆纤维的损失小，最大限度的保护了纤维原料。 3 3 2 漆酶处理对c t m pp f i 磨浆能耗的影响 m a n s f i e l ds d 在对机械浆生产过程中，用漆酶浸渍木片可以降低磨浆能耗，大约可 以节省机械浆生产过程的5 8 。由于漆酶i o 处理可以降解和改性了c t m p 浆纤 维表面的木素组分，破坏了具有刚性的纤维表面结构，有利于使纸浆纤维组织结构变得 松弛，游离度下降，使后续打浆时纤维易于分离，从而降低后续的磨浆能耗。 在生产实际中，c t m p 浆在抄纸前通常需要进行必要的后续磨浆处理，以提高与其 它配抄纤维及化学添加剂的结合能力。为了探讨漆酶改性处理对后续磨浆能耗的影响， 本研究采用p f i 磨浆机探讨不同转数下浆料游离度的变化情况。结果如图3 1 3 所示。 由图3 1 3 可以看出，经过漆酶处理后的( 未经p f i 磨浆) 浆料的游离度由原来的 7 3 0 m l 下降至7 1 0 m l ，这是因为漆酶处理后的纸浆组织结构变得松弛，纤维分离度提高， 纤维表面的一些细小碎片脱落，导致纸浆中细小纤维含量提高所致。同时也可以看出 在p f i 磨浆机转数达到1 0 0 0 0 转以前，随着磨浆转数的增加，漆酶改性处理后的浆料游 离度下降迅速，且在每一个转数下游离度值均明显低于空白c t m p 浆样。相反，未经漆 酶处理的c t m p 浆游离度下降较缓慢。由此可得出结论，经漆酶处理后的c t m p 浆易 于磨浆，其p f i 磨浆能耗低于空白浆样。 广西大掌硕士掌位论文云杉c n 舻纤维漆酶介体体系改性工艺及机理研究 图3 - 1 3p f i 打浆转数与游离度的关系 f i g 3 1 3f r e e n e s sv sp f im i l lr e v o l u t i o no f c t 母 3 3 3 漆酶处理对纸浆羧基含量的影响 在植物纤维中，羧基基团( c o o h s ) 含量的多少直接反映纤维的离子交换能力，羧 基酸基团越多，则其吸附金属阳离子及湿部化学添加剂的能力也就越强，且羧基基团吸 附金属离子后有利于在纸张干燥过程中减少颜色返黄。纸张表面的电性能还与羧基基团 连接金属离子的数量有关。同时，羧酸基团与纤维的吸水润胀性能密切相关，因而对纤 维与纤维间结合力有着极其重要的影响。此外，这些羧酸基团对于纤维的可改性能力也 有着重要的影响，因为它们的活性较高可以作为连接添加物质的反应点。因此，对纤维 表面的羧基基团进行定量分析具有重要的意义。 本研究利用顶空气相色谱分析了漆酶处理对云杉c t m p 浆的羧基含量的影响，结果 见图3 1 4 。由图3 1 4 可知，漆酶处理后云杉c t m p 浆的羧基含量均高于未经漆酶处理 的c t m p 原浆，且随着漆酶用量的增加，其羧基含量值逐渐呈上升趋势。尤其是在酶用 量为1 0 l a m u g 时，纤维中的羧基含量迅速上升，但在漆酶用量为1 5 l a m u g 时，纸 浆的羧基含量增加不明显，继续增大酶用量为2 0 l a m u g 时，羧基含量的增加趋于平缓。 由此可以推测，漆酶处理c t