（制浆造纸工程专业论文）白腐菌预处理对杨木prc+apmp制浆性能影响及机理研究.pdf

白腐菌预处理对杨木p r ca p m p 制浆性能影响及机理研究 摘要 我国木材资源短缺，制浆造纸行业污染严重，研究开发高效清 洁制浆造纸新技术已成为我国制浆造纸行业可持续发展的重要保 证。随着生物技术的发展，它在制浆造纸上的应用越来越广泛，这 为开发制浆造纸新技术提供了有力的条件。本论文通过筛选、驯化 出降解木素选择性强的白腐菌菌株，利用驯化好的白腐菌预处理杨 木用于p r ca p m p ( p - 碱性过氧化氢进行预处理和r c 盘磨化学处 理) 制浆造纸过程中对纸浆性能、化学品消耗、磨浆能耗和污染负 荷开展研究工作；同时还通过扫描电镜x 射线能谱法 ( s e m e d x a ) 、气质联用技术( g c m s ) 研究了白腐菌对杨木木素 降解反应的历程和机理。 本论文的主要研究结果如下： 白腐菌p h a n e r o c h a e t ec h r y s c o p o r i u m 和白腐菌t r a n e t e s v e r s i c o l o r 生长的最优培养基中酵母浸出粉用量为1g l 。在相同的培 养条件下，白腐菌p h a n e r o c h a e t ec h r y s c o p o r i u m 降解木素、综纤维素 和聚戊糖的速率比t r a n e t e sv e r s i c o l o r 更快。白腐菌在外加碳源充足 时几乎不降解纤维素和半纤维素，而对木素大量降解。白腐菌 p h a n e r o c h a e t ec h r y s c o p o r i u m 生长速度快，对木素的降解量也高，可 以缩短处理时间，同时对降解木素具有良好的选择性；要提高白腐 茵处理效果，在相同接种量和延长处理时间的同时，需要适当增加 培养基的加入量。 对杨木白腐菌p h a n e r o c h a e t ec h r y s c o p o r i u m 预处理o d 、7 d 、1 4 d 、 2 l d 、2 8 d 、3 5 d 、4 2 d 后与对照样进行s e m e d x a 能谱m n k a x 射 线分析，由分析结果可知，杨木自腐菌预处理后各区域的木素浓度 发生了明显的变化，随着预处理时间的增加，各区域的木素浓度随 之降低，而且木质部细胞角隅、胞间层和次生壁中层木素浓度的比 值呈先下降再上升的趋势；其中细胞角隅、胞间层的木素浓度下降 的速率比次生壁中层的木素浓度下降的速率快。由s e m 照片分析可 知，随着处理时间的增加，木片细胞的破坏程度越大，白腐菌处理 2 8 d 后细胞间的胞间层已明显分离。通过气相色谱一质谱联用 ( g c m s ) 分析可知，杨木白腐菌预处理后碱抽提液中的木素碎片 明显比对照样多，其中自腐菌p h a n e r o c h a e t e c h r y s c o p o r i u m 的降解途 径主要是愈创木基c 。c b 氧化断裂和紫丁香基c ，位断裂反应，而白 腐菌t r a n e t e sv e r s i c o l o r 的降解途径主要是愈创木基c 。c b 氧化断裂 生成芳香酸，如香草酸、紫丁香酸等十种芳香酸及包括含芳香酸的 木素碎片的反应。 在用药量为3 h 2 0 2 、2 n a o h 、2 n a 2 s i 0 3 、0 1 m g s 0 4 、 0 2 d t p a 的条件下，与对照样相比，杨木经白腐菌p h a n e r o c h a e t e c h r y s c o p o r i u m ，t r a n e t e sv e r s i c 0 1 0 ，预处理1 4 d 后磨浆能耗有所降低、 其手抄纸的性能有所提高；与自腐菌t r a n e t e sv e r s i c o l o r 相比，经白 腐菌p h a n e r o c h a e t ec h r y s c o p o r i u m 处理后的试样更能节省磨浆能耗， 两种菌对耐破指数、裂断长、撕裂指数的提高基本上相同，杨木经 白腐菌预处理后制浆的白度稍微有所降低。杨木经白腐菌预处理后 其制浆废水的p h 值较对照样低，c o d 与b o d s 有所增加，但其 b o d 5 c o d 值高于对照样，所以它更易于生化处理。杨本经白腐菌 预处理后与对照样相比其制浆废水中的s s 和t s 都较高。 关键词：白腐菌，预处理，p r ca p m p 制浆，机理 s t u d yo fw h i t er o tf u n g ip r e t r e a t m e n t o nt h ep u l p a b i l i t ye f f e c t o fp o p l a r p r ca p m pa n di tsm e c h a n i s m a b s t r a c t w o o dr e s o u r c ei ss c a r c ei no u rc o u n t r ya n dt h ep o l l u t i o no fp a p e r i n d u s t r yi ss e v e r e ，s ot h er e s e a r c ho fh i g h l ye f f e c t i v ea n dc l e a np u l pa n d p a p e rm a k i n gt e c h n i q u eb e c a m et h es i g n i f i c a n tg u a r a n t e eo fs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n ti np a p e ri n d u s t r y a st h ed e v e l o p m e n to fb i o t e c h n i q u e ，i t s a p p l i c a t i o nw a si n c r e a s i n g l yw i d ei np a p e ri n d u s t r y , w h i c hp r o v i d e da w o n d e r f u lp r e c o n d i t i o nf o re x p l o i t i n gn e wp u l pa n dp a p e rm a k i n g t e c h n i q u e i n t h i s t h e s i s ，t h e w h i t e r o t f u n g iw h i c hh a ds t r o n g s e l e c t i v i t yo fl i g n i nd e g r a d a t i o nw a ss c r e e n e da n dd o m e s t i c a t e d a n d t h ed o m e s t i c a t e dw h i t e - r o tf u n g iw a su s e dt op r e t r e a tp o p l a rt oi m p r o v e p u l pp r o p e r t i e s ，t od e c r e a s et h ec o n s u m p t i o no fc h e m i c a l sa n dp u l p e n e r g y , a n dt ol i g h t e np o l l u t i o nb u r d e ni nt h ep - r ca p m pp u l p i n g p r o c e s s b e s i d e s ，b yu s i n gs e m - e d x a ，g c - m sa n ds e m ，t h er e a c t i o n c o u r s ea n dm e c h a n i s mo fw h i t e - r o tf u n g io np o p l a rl i g n i nd e g r a d a t i o n w a sa n a l y z e d t h em a i nr e s u l t so ft h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l e w ： i nt h eo p t i m a lc u l t u r em e d i u mo fw h i t e r o tf u n g ig r o w t h ，t h e d o s a g eo fy e a s t i slg l i nt h es a m ec o n d i t i o n ，w h i t e - r o tf u n g i p h a n e r o c h a e t ec h r y s c o p o r i u mh a saq u i c k e rs p e e di nd e g r a d i n gl i g n i n ， h o l o c e l l u l o s ea n dh e m i c e l l u l o s et h a nw h i t e - r o t f u n g i t r a n e t e s v e r s i c o l o r w h e nt h ee x t e r n a lc a r b o nr e s o u r c ei sa b u n d a n t ，h a r d l yd o e s w h i t e r o tf u n g id e g r a d ec e l l u l o s ea n dh e m i c e l l u l o s e ，i to n l yd e g r a d e s l i g n i ns e v e r e l y t h eg r o w t hs p e e do fw h i t e - r o tf u n g ip h a n e r o c h a e t e c h r y s c o p o r i u mi sq u i c ka n dh a sah i g hl i g n i n - d e g r a d i n ga m o u n t ，w h i c h c a nr e d u c et r e a t i n gt i m ea n dh a sb e s ts e l e c t i o nt ol i g n i n i ft h ee f f e c to f w h i t e r o tf u n g it r e a t m e n ti sr e q u i r e dt oi m p r o v e ，p r o l o n g i n gt r e a t i n g t i m ea n di n c r e a s i n gt h ed o s a g eo fc u l t u r em e d i u ma r eb o t hn e e d e d b yc o m p a r i n gt h ep r e t r e a t e ds a m p l e s w i t ho r i g i n a l s a m p l e s t h r o u g hs e m e d x ae n e r g ys p e c t r u mm n k a xr a d i a la n a l y s i s ，w e k n o wt h a tl i g n i nc o n s i s t e n c yc h a n g e da p p a r e n t l yi nd i f f e r e n ta r e a sb y w h i t e r o tf u n g ip r e t r e a t m e n t t h el i g n i nc o n s i s t e n c yi nd i f f e r e n ta r e a s r e d u c e da l o n gw i t ht r e a t i n gt i m e t h er a t i oo fl i g n i nc o n s i s t e n c y0 fc c ， c m la n ds 2a l s os h o w e dad e g r e s s i v ec u r r e n t t h ed e g r e s s i v es p e e do f c c c m la r eq u i c k e rt h a nt h a to fs 2 f r o ms e mw ec a nk n o wt h a tt h e b r e a k a g ed e g r e eo fp o p l a r e e l li n c r e a s e dw h e nt h et r e a t i n g t i m e i n c r e a s e d t h ec cw a ss e p a r a t e da p p a r e n t l yw h e nt h et r e a t i n gt i m ei s4 w e e k s t h r o u g hg c m sw ec a nk n o wt h a tt h ep r e t r e a t m e n ts a m p l e sh a d m o r e l i g n i nf r a g m e n t i na l k a l i e x t r a c t e dl i q u i dt h a nc o n t r 0 1 t h e d e g r a d i n ga p p r o a c ho f w h i t e r o tf u n g ip h a n e r o c h a e t ec h r y s c o p o r i u mi s t h ef o r m a t i o no fa r o m a t i c i t ya c i dt h r o u g ht h eo x i d a t i o np a r to nc n c p a n dc t t h ed e g r a d i n ga p p r o a c ho fw h i t e - r o tf u n g it r a n e t e sv e r s i c o l o r i st h ef o r m a t i o no fa r o m a t i c i t ya c i dt h r o u g ht h eo x i d a t i o np a r to nc 口- c b ， s u c ha sv a n i l l i ca c i d ，s y r i n g i ca c i da n dt e nk i n d sa r o m a t i ca c i d ，a n dt h e r e a c t i o no fl i g n i nf r a g m e n tw h i c hc o n t a i n e da r o m a t i ca c i d u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h ec h e m i c a l sd o s a g e i s 3 h 2 0 2 ， 2 n a o h ，2 n a 2 s i 0 3 ，0 i m g s 0 4a n d0 2 d t 队，t h ec o m p a r i s o n b e t w e e nc o n t r o la n dp r e t r e a t m e n ts a m p l es h o w e dt h a tt h es a m p l e s p r e t r e a t e db yw h i t e r o tf u n g ip h a n e r o c h a e t ec h r y s c o p o r i u m ，t r a n e t e s v e r s i c o l o rh a dl o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，h i g h l yi m p r o v e dp r o p e r t i e so f h a n ds h e e t s a n dw h i t e r o tf u n g ip h a n e r o c h a e t ec h r y s c o p o r i u mc a n r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o nb e t t e r b o t ho ft h ef u n g ii m p r o v e dt h eb u r s t i n d e x ，b r e a k i n gl e n g t ha n dt e a ri n d e xm o r eo rl e s st h es a m e ，b u tt h e b r i g h t n e s sd e c r e a s e dal i t t l ea f t e rw h i t e r o tf u n g ip r e t r e a t m e n t t h ep hv a l u eo fp u l p i n gw a s t e w a t e ri sl o w e rt h a nc o n t r o la f t e r p r e t r e a t i n gb yw h i t e r o tf u n g i t h ev a l u eo fc o d a n db o d 5i n c r e a s e da l i t t l ea n dt h ev a l u eo fb o d s c o di sh i g h e rt h a nc o n t r o l ，s oi ti sm o r e s u i t a b l ef o rb i o c h e m i s t r yt r e a t m e n t t h es sa n dt so fp r e t r e a t m e n t s a m p l e si nw a s t e w a t e ra r eh i g h e rt h a nt h a ti nc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：w h i t e - r o tf u n g i ，p r e t r e a t m e n t ，p - r c a p m pp u l p i n g ， m e c h a n i s m i v 陕西科技人学硕士学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： e l期： 2 q q 生旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅并口借阅；本人授权陕西科技大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用j 影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名：e l 期：2 q q生月 白腐菌预处理对杨木p - r c a p m p 制浆性能影响及机理研究 1 绪论 1 1 制浆技术进展 当今世界造纸工业正朝着高速、高效、高质量、低消耗、连续化、自动化 作业并与环境相协调的现代化大工业方向发展。制浆工艺通常分为化学制浆和 高得率制浆。化学制浆是利用化学药品去除植物纤维中的木素从而使植物纤维 离解成纸浆。化学法制浆的得率通常在4 0 5 0 。高得率制浆是不用或用少 量的化学品处理植物纤维，然后利用机械能将植物纤维离解成纸浆。由于植物 纤维中的木素只有少量去除，因此制浆得率很高，可以达到8 0 甚至9 0 以上。 化学制浆已经由传统的硫酸盐法和亚硫酸盐法等向深度脱木素蒸煮工艺，氧脱 木素方向发展。如快速热置换蒸煮( r d h ) 、超级间歇蒸煮( s u p e r b a t c h ) 、改 良型连续蒸煮( m c c ) 、延伸改良型连续蒸煮( e m c c ) 、“低固形物”和“等温” 连续蒸煮。由于环境保护意识和要求的提高，化学浆漂白工艺也由传统的次氯 酸盐漂白( h ) 、c e h 三段漂向无元素氯( e c f ) 和全无氯漂白( t c f ) 方向发 展。如二氧化氯漂白、过氧化氢漂白、生物漂白等。近二十年来，高得率浆以 其得率高、污染少得到迅猛发展，因此高得率制浆技术也是今后开发的方向， 如预热木片磨木浆( t m p ) 、化学机械浆( c m p ) 、预热木片化机浆( c t m p ) 、 碱性过氧化氢化学机械浆( a p m p ) 以及其改进工艺p r ca p m p 等。但是高得 率浆的能耗较高、纸浆强度较低、易还黄等问题仍需继续研究，而生物制浆技 术由于其低能耗、高强度、低污染越来越成为重要的发展趋势。 1 2 化机浆p - r ca p m p 工艺介绍 a p m p 制浆是在b c t m p 基础上发展起来的新型制浆方法，综合了t m p 、 c t m p 和b c t m p 等在制浆工艺及生产设备上的优点。其主要特点为o l ：( 1 ) 制 浆与漂白同时进行，无需建造漂白车间，节省了设备及建设投资：( 2 ) 木片预汽 蒸、挤压和化学浸渍在常压下进行，操作简单，能耗低；( 3 ) 采用高压缩比螺旋 挤压机将木片挤压成疏松的木丝团，增大了比表面积，增强了药液吸收能力， 且原料适应范围广；( 4 ) 制浆过程中不使用亚硫酸盐，废水中没有含硫化合物， 治理相对容易。 p r ca p m p 制浆工艺是在传统a p m p 的基础上开发出来的一种新的工艺 流程，它充分利用了木片碱性过氧化氢预处理与盘磨漂白的优点。该工艺过程 是将木片进行温和的加热处理，然后用碱性过氧化氢进行预处理( p ) 和盘磨 化学处理( r c ) 基本完成漂白反应。该工艺在一段磨浆后，不对浆料进行冲 陕西科技大学硕士学位论文 稀，而是设置了一个高浓停留段，从而使化学反应能够继续进行，来改善浆料 的光学性能和提高白度。a n d r i t z 公司采用两段高浓停留漂白塔( 即p r c a p m p 工艺) 让初磨后的浆料在塔内保温，并利用残余的h 2 0 2 继续进行漂白反应， 以提高浆的白度。结果表明1 2 l ，p r c a p m p 已成为一种高白度、高强度、低污 染的制浆工艺。 1 3 白腐菌在制浆造纸工业上的研究进展 随着生物技术迅猛发展，生物技术在制浆造纸工业上的应用越来越引起人 们的重视，六十年代末我国就开展发酵制浆的研究工作t j ，】，开始的时候有一定的 盲目性，从土壤分离各类微生物进行试验，进而发现只有担子菌中的白色木材腐 朽菌才能有效降解植物纤维原料中的木素，后来因种种原因研究被搁下。国外是 在七十年代中期开始发展比较迅猛。1 9 8 3 年在英国召开第一届制浆造纸工业生 物技术国际学术会议，它标志着生物技术在造纸工业的应用的新起点，并迅速成 为国际造纸界研究的熟点。虽然生物过程相对比较缓慢，作用酶系以及酶作用机 理比较复杂，应用到制浆造纸工业又要面对规模大和经济可行性的问题，但短短 十几年这领域上的工作已取得长足的进步，有些方面，如利用木聚糖酶的生物漂 白、解决树脂障碍以及废纸酶法脱墨，已进入工厂应用，有些方面，如利用木素降 解酶的生物漂白、生物制浆等，正向应用过渡，并随着基础研究进一步深入，将会 逐步开拓更多新的应用途径”l 。耳前研究最多的是具有高效降解木素的自腐菌 及其酶系【i ，9 1 。 1 3 1 白腐菌 白腐茵( w h i t e r o tf u n g i ) 属于担子菌亚门，是自然界中最重要的木素降解 菌，因腐朽木材呈白色而得名。白腐菌分布很广，在分类学上大多数属于担子菌 纲，有1 0 0 0 多种；因为其极强的降解能力和特殊的代谢类型成为近年来国内外 研究的热点，如黄孢原毛平革菌( p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m ) ，( t r a m e t e s v e r s i c o l o r ) ，p l e u r o t u so s t r e a t u s ，p o r i as u b a c i d a ，g a n o d e r m al u c i d u m 等。这 些真菌能够广泛有效降解木素，同时降解木材中所有主要成分生成c 0 2 和 h 2 0 。大多数木素生物降解的研究都是以白腐真菌p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m 作为典型代表的。因为它具有以下特点o ，：( 1 ) 最适生长温度高( 4 0 c 左右) ； ( 2 ) 生长快，分解木素能力强；( 3 ) 产生大量无性孢子，无漆酶。 白腐菌生长在所有的针叶材和阔叶材的细胞中，菌丝进入细胞腔，首先生 长在射线薄壁细胞，然后通过纹孔从细胞渗透到别的细胞或扩展具缘纹孔直接 通过细胞壁。在胞间层中参差分布并区袭击细胞壁组分，进一步扩展而通过初 生壁和胞间层，在白腐菌选择性降解木素时，可以看到细胞壁大范围被浸蚀， 2 白腐菌预处理对杨木p - r c a p m p 制浆性能影响及机理研究 到了后期在相邻细胞壁形成很多空洞。细胞腔内的菌丝进一步从次生壁的边缘 向胞间层扩散，白腐菌在次生壁降解木素先于胞间层，在胞间层木素降解后， 细胞便相互分离 1 1 1 。 不同科类白腐菌对木素、半纤维素、纤维素的降解能力与程度不同，即使 同一类型的白腐菌，其不同菌株对纤维细胞壁主要的降解能力也有较大差异 0 2 1 。在白腐菌降解木素过程中大部分纤维素保持完整，且纤维素结晶度变化很 j 、, 1 1 3 】。由此利用降解木素选择性好的白腐菌进行生物制浆，是研究开发高效清 洁制浆技术的一条新途径。 1 3 2 影响白腐菌生长的因素 白腐菌的生长需要一定的营养物质和适宜的环境条件。【1 1 9 1 ( 1 ) 碳源：碳源是白腐菌生命活动中需求量最大的营养物质。为了促使白腐菌菌 丝的迅速生长，一般培养白腐菌都是在木屑、秸秆等料中加入一些麸皮、米 糠或蔗糖等易被微生物吸收利用的碳源，作为白腐菌培养初期的补充碳源， 同时还可诱导纤维素酶和木素降解酶的产生。 ( 2 ) 氮源：白腐菌生长发育主要需要有机氮源，培养基质中的氮源多少，对其生 长发育关系较大。酵母浸出粉是有机氮源其经过蛋白酶分解成氨基酸后可 以直接被白腐菌利用，当培养基质中的含氮低于某一值时菌丝体生长受阻， 而高浓度的氮反而有碍于白腐菌子实体的发生和生长 ( 3 ) 无机盐：无机盐是白腐菌生长不可缺少的营养成分。它的主要功能是：构成 细胞的组成成分，维持酶的作用；调节细胞渗透压、氢离子浓度、氧化还 原电位等。白腐菌生长需要的无机盐类有磷、镁、硫、钙、钾、铁、钴、 锰、锌等元素。需要量最多而且又最重要的是磷、镁、钾三中元素，培养 基质中适宜的浓度是1 0 0 1 5 0 m g l 。有时，还应根据不同培养的需要，适当 添加磷、镁、钙等元素。 ( 4 ) 生长素：白腐菌生长必需的生长素及维生素、核酸等特殊的营养物质。 ( 5 ) 生长激素：生长激素不是白腐菌的营养物质，但是它具有促进菌丝体生长的 作用，如三十烷醇，适宜浓度为o 5 - 2 o t t g g ，以1 0 t t g g 为最好，超过2 5 t t g g 时，菌丝生长受到抑制。 ( 6 ) 温度：白腐菌生长的最适宜的温度为2 0 3 0 1 2 ，白腐菌菌丝体生长的最低温 度是2 c ，最高温度是3 9 ，通常的生长范围是5 3 3 。 ( 7 ) 水分和湿度：白腐菌的菌丝体在培养料层的水分达1 8 0 2 2 0 时生长最好， 而予实体的分化和发育则需要2 6 0 3 4 0 的含水量。白腐菌的子实体发育 阶段都要求有较高的空气湿度：适宜空气的相对湿度为8 0 。9 0 。 3 陕西科技大学硕士学位论文 ( 8 ) 缓冲剂。用p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m 降解本质素的最适p h 值为4 5 ，低于 3 5 或高于5 5 都严重抑制木素降解；同时在培养介质中缓冲剂的选择对木素 的降解十分重要，一般地，培养缓冲剂用聚合物、聚丙烯酸等较好，价格 便宜的乙酸缓冲液效果也不错。大多数白腐菌同一般真菌一样，适宜菌丝 生长p h 值为3 - 8 之间，最适p h 值为5 0 5 5 。大多数白腐菌在p h 值大于7 0 时 生长受阻，大于8 0 时生长停止。 ( 9 ) 氧压：研究人员早就观察到分子氧对本质素的降解起决定性的作用。当氧浓 度低于5 时，白腐菌p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m 不降解本质素。因此， 当用白腐菌处理木片时，一定要考虑通风情况，保持一定的氧压 ( 1 0 ) 光线：如果白腐菌培养在直射光照下，一方面由于日光的紫外线具有杀菌 作用，同时，在日光下水分急剧蒸发，空气相对湿度过低，因而不利于白 腐菌的生长，甚至成为抑制性因子。光线对某些菌体的作用是由3 8 0 5 4 0 n m 蓝光引起的，红光( 5 7 0 9 2 0 n m ) 对菌丝生长无影响。因此，培养白腐菌 时应注意避免光照，特别是不能在蓝光下培养。 ( 1 1 ) 培养方式及木片规格：培养方式大致可分为摇动式和固定培养。对两种培 养方式进行比较，固定培养略好。主要因为在摇动条件下培养，由于菌丝 球内部缺氧而抑制木素降解。解决办法一般为加表面活性剂( 如吐温8 0 ) 以 促进木素降解酶类的分泌。不同规格的木片对磨浆能耗及纸浆强度性质未 发现有明显的影响。 1 3 3 白腐菌降解木素酶系及其作用机理 自腐菌是自然界中木素最有效降解者。7 0 年代确定了白腐菌在实验室条件 下降解木素营养需求；8 0 年代发现了菌的两种重要酶系，木素过氧化物酶系 ( l i p ) 和锰过氧化物酶系( m n p ) ：9 0 年代展开了对以上酶系催化特征、分子生物 学的研究】。 白腐菌产生一系列胞外氧化酶，其中降解木素最有效的胞外氧化酶是是木 素过氧化物酶( l i p ) 、锰过氧化物酶( m n p ) 和漆酶( l a c c a s e ) 2 0 2 s l 。 表1 - 1 白腐茵产生的主要酶类 ! ! ! ：! ：! ! ! ! p ! ! 磐! ! z ! 翌! z 磐! e ! ! ! ! ! i ! g z ! ! i ! ! ：! ! ! ! ! ! 巫 酶类催化反应 酶的产生菌种 4 白腐菌预处理对杨木p r c a p m p 制浆性能影响及机理研究 ( 1 ) 过氧化物酶( l i p 、m n p ) l i p 和m n p 这一类过氧化物酶系含血红素辅基，可经单电子传递体攻击木 素生成木素自由基。该酶系一般反应式如下： 过氧化物酶+ h 2 0 2 一酶复合物i + h 2 0 酶复合物i + s h 2 一s h + 酶复合物i i 酶复合物i i + s h 2 一s h + 过氧化物酶 2 s h + 2 木素一2 木素自由基+ 2 s h 2 总反应：h 2 0 2 + 2 木素一2 木素自由基+ h 2 0 其中s h 2 为对酶系专一的递电子体。对于l i p ，v a ( 藜芦醇) 是其自然底物， 而m n p 中，m n 2 + 是活性电子传递体。通常v a 和l i p 酶两者合成是相伴的，这 可保证基质中m n 缺乏时，菌仍然有降解木素的活性。有关l i p 酶晶体结构已 有报道，确定血红素是埋在蛋白质内，可连接至少一个v a ，木素大分子不能 接近该活性中心，但在接近活性中心通道表面裂缝中，有一段有序的残糖基， 可能是木素结合点。在m n p 的血红素中仅有一个m n 2 + 接合点。m n p 消耗一份 h 2 0 2 ，产生两份m n ”，从m n p 脱离后，需要螯合剂以保证扩散中稳定性。该螯 合剂还须对m n 2 + 螯合常数低，通常认为马来酸酐是菌体内最有效的m n 3 + 螯合 剂。 峻 2 飞廿会搠l 一+ 化合物i 燕啪砖膏一蠢9 ；_ o ) p - v a 冲勺￥i f 、 厶， i、 吨合名刘。墨鱼 陌旧p ky “：= ：? 、“” r 峻i啦1 i l。! j 化合物l 化合物 ( a ) 藜芦醇( 底物改性为化合物i i ) ( b ) x 酚型化合物( 酶反馈控制) 图l ll i p 催化循环显示氧化作用 f i g 1 - it h es h o w i n go x i d a t i o no fl i pc a t a l y s ec i r c u l a t i o n 堕堕型垫查堂堡主兰垒丝奎 l 矿“；毒f 一m 图1 - 2 锰过氧化物酶( m n p ) 的催化循环以及其五种氧化情况 f i g 1 - 2t h ec a t a l y s ec i r c u l a t i o no fm n pa n di t sf i v eo x i d a t i o n sc o u r s e s ( 2 ) 漆酶( l a c c a s e ) 酚氧自由基 形式 自由 缩合成醌 o 图卜3 漆酶催化木素酚类物质的氧化反应 f i g 1 - 3t h eo x i d a t i n gr e a c t i o no fl i g n i n h y d r o x y b e n z e n ec a t a l y s e db yl a c c a s e 6 勺 哺令。 白腐菌预处理对杨木p r c a p m p 制浆性能影响及机理研究 r 木囊 l h c 。h 木囊 r r 木蠢 术素 图1 - 4 漆酶一a b t s 反应介体参与的本素非酚类物质的氧化反应 f i g 1 - 4t h eo x i d a t i n gr e a c t i o no f n o n - l i g n i n - h y d r o x y b e n z e n c i nt h ep r e s e n c eo fl a c c a s e - a b t s 漆酶是以o2 作为电子受体催化多酚化合物经四次单电子传递形成醌及自 由基的含酮蛋白酶。体外实验中木素单体在l a c c a s e 0 2 条件下发生聚合反应， 在菌体内则可与其他氧化木素酶系降解木素。 根据白腐菌降解木素酶系及其作用机理，我们可以知道白腐菌对木素的降 解主要有以下几种反应： ( 1 ) c 。一c b 氧化断裂生成芳香酸，如香草酸、紫丁香酸等十种芳香酸及包括含芳 香酸的木素碎片，这是最重要的木素生物降解反应。 ( 2 ) 侧链c b - c ，断裂。 ( 3 ) p 芳醚键断裂，侧链结构发生变化。 ( 4 ) 芳香环氧化开裂，生成具芳氧乙酸和烷氧乙酸碎片 ( 5 ) 苯环上c 3 和c 5 的脱甲基反应以及c 4 上的甲基化反应。 1 3 4 白腐菌在制浆造纸工业上的研究进展 ( 1 ) 白腐菌在控制树脂障碍上的应用 木材中的树脂状物质，依树种和季节不同，约占木材总量的2 8 ，在制 浆过程中，这些物质被游离出来，在制浆和造纸过程p h 值和温度交化时，经常 造成树脂障碍，黏附成团和附着在金属部分，像纸机网子和辊面，粘污毛布和 干毯，特别是在干燥部，从而造成纸面斑点和引起纸幅断头。甘油三酸酯、松 7 陕西科技大学硕士学位论文 香酸和硬脂酸酯是纸机树脂沉积物的主要成分。1 9 9 0 年日本用脂肪酶l i p a s e 处 理红松成功地控制了树脂障碍问题，成为世界第一个用酶控制树脂障碍地方法 t t t ! 。石海强等i ：9 】使用自腐菌处理马尾松木片，对处理后木素和d c m ( 二氯甲烷) 抽提物的降解情况进行了研究；结果表明，培养9d 后，木片中总木素含量降低 3 ，d c m 抽提物的去除率达到2 0 。外源无机盐用量对白腐菌降解木素能力 影响不大，但对d c m 抽提物影响较大，在实验条件下，相同培养时间内的去除 率相差2 左右。 ( 2 ) 白腐菌在制浆上的应用 近年研究的生物法制浆主要有生物机械制浆( b m p ) 、生物化学法制浆 ( b c m p ) 。生物制浆可减少电能消耗、化学品用量、蒸煮时间、提高纸质量和 减少制浆对环境的影响。 白腐菌预处理化学法制浆 生物化学制浆已经研究了几十年，原来期望纤维原料经白腐菌处理后能直 接转变成纸浆，但由于白腐菌所分泌的木素降解酶活力较低，使处理时间过长， 而且伴随木素生物降解的同时，纤维素也发生降解，使纤维强度降低，因此不能 满足制浆过程生产要求目前，这项研究已转向白腐菌预处理化学制浆。 由于白腐菌可以降解木素，降低原料中的木素含量，利用白腐菌对原料进 行处理后制化学浆，可以节约化学品用量或降低蒸煮保温时间。m o s a i 等p o 】 利用多种白腐菌处理桉木后进行酸性亚硫酸盐法制浆，结果显示经白腐菌处理 后浆的得率全部下降，而卡伯值、白度和粘度则有的上升、有的下降，其中菌 种c e r i p o r i o p s i ss u b v e r m i s o p r as s 3 处理后蒸煮得到的浆卡伯值最低( 为6 3 ， 对照为8 9 ) ，白度最高( 5 7 8 i s o ，对照为5 1 5 i s o ) ，粘度和对照相近。艾 尼瓦尔等1 研究了白腐菌c y a t h u ss t e r c o r e u s p a n u sc o n c h a t u sg 0 3 3 - 5 a 、 p l e u r o t u sf l o r i d a 发酵预处理芦苇然后制备化学浆。结果表明：经过p a n u s c d 弹c h a t sg 0 3 3 5 a 和p l e u r o t u s f l o r i d a 预处理后制烧碱葸醌浆白度和粘度均有 所提高，k a p p a 值下降。刘秀英等 3 2 1 用白腐菌c o r i o l u sv e r s i c o l o r 对杨木进行 预处理，并用硫酸盐法制浆，手抄纸的白度、裂断长、伸长率均高于未经生物 处理的，蒸煮时间缩短5 0 。尤纪雪等m j 研究了白腐菌p h e l l i n u s f l i n i 预处理杨 木对后续k p 蒸煮及浆料性能的影响。在与对照浆相近的k a p p a 值情况下能节 省1 个百分点的用碱量或缩短3 0 r a i n 保温时间，纸张得率、撕裂指数、裂断长 和耐破指数均有不同幅度提高。 白腐菌机械法制浆 在近二十年的制浆工业中，高得率浆以其得率高、污染少得到了迅猛的发 白腐菌预处理对杨木p r c a p m p 制浆性能影响及机理研究 展，但也存在着以下几个问题需要继续研究改进：磨浆能耗较高、纸浆强度较 低、易返黄等。生物机械方法以其低能耗、高强度、低污染性越来越成为重要 的发展方向。生物机械方法即利用微生物预处理木片以降解木片中的部分木 素，再进行磨浆，从而达到降低磨浆能耗及提高纸浆强度的目的，同时减轻制 浆过程所带来的环境污染。 白腐菌机械制浆的研究从1 9 8 7 年开始，美国w i s c o n s i n 大学生物中心等单位 采用白腐菌c e r p o r i o s i ss u b e r m i s p o r a 处理后，能使磨浆的电能节省5 0 ，纸浆 强度较没使用白腐菌预处理浆强度有较大提高d t l 。美国林产实验室采用白腐 菌a n t r o d i e l l as p 预处理杨木木片能节省2 0 电能，也可提高纸浆的强度，但处 理后原料质量损失较大为1 6 1 8 v q 美国农业部林产研究所( f p l ) 3 4 1 用筛选 出的白腐菌p h l e b i o p s i s g i g a n t e a n 直接接种新伐木段，让其在运输和储藏过程中 发挥作用，使机械制浆的能耗降低l l 2 7 ，造出的纸张撕裂和抗张强度性 能均优于对照组。i d a r a g a 等人喇用c e r i p o r i o p s i ss u b v e r m i s p o r a 处理木片后分 别进行t m p 和c t m p 制浆，发现经生物处理后可降低t m p 制浆磨浆能耗3 9 1 0 ， 降低c t m p 制浆磨浆能耗2 4 0 2 ，同时提高了浆的强度。c a m a r e r o 等 3 6 1 用 p h a n e r o c h a e r ec h r y s o s p o r i u m 和p l e u r o t u se r y n g i i 处理麦草后制半化学浆，发现 经生物处理后，可以降低化学品的用量和磨浆能耗，而且p l e u r o t u se r y n g i i 效果 更好：通过电子显微镜观察发现，在生物处理过程中，p l e u r o t u se r y n g i i 只降解 胞问层的木素，而f h a n e r o c h a e r ec h r y s o s p o r i u m 降解各层的木素和半纤维