（制浆造纸工程专业论文）高得率浆酶促精浆及酶法改性的研究.pdf

山东轻工业学院硕f ：学位论文 摘要 制浆造纸行业能源消耗巨大，打浆和磨浆工段能源消耗量成本占总生产成本 的2 0 左右。本论文研究了通过纤维素酶和木聚糖酶预处理化机浆，测试其对成 纸强度和打浆能耗的影响。分别探讨了生物酶对a p m p 、p r ca p m p 、b c t m p 的 处理效果，通过改变酶处理的时间、p h 值、温度和用量，来优化处理条件。 对诺维信纤维素酶n 4 7 6 、诺维信木聚糖酶5 1 0 2 4 在a p m p 浆中的处理条件进 行了研究，包括处理时间、p h 值和温度。研究结果显示，纤维素酶较优的处理条 件为：时间8 0 m i n ，p h6 0 ，温度5 0 ，木聚糖酶较优的处理条件为：时间1 0 0 m i n ， p h 6 5 ，温度5 5 。另外，研究还发现a p m p 浆经酶处理后，打浆能耗显著降低， 在纤维素酶和木聚糖酶用量分别为2 0 i u g 和2 5 i u g 时，打浆能耗分别降低18 和 1 5 6 。在相同打浆能耗下，经纤维素酶、木聚糖酶处理的浆料成纸性能优于对照 样，酶处理可以提高裂断长、撕裂指数和耐破指数等物理强度，纤维素酶处理效 果要优于木聚糖酶；光学性能方面，木聚糖酶处理的浆料白度改善大，纤维素酶 处理后不透明度较好。 对苏珂汉纤维素酶和木聚糖酶处理p r ca p m p 浆进行了研究。研究结果显 示，当纤维素酶和木聚糖酶用量均为2 5 i u g 时，能耗最大降低率分别为2 5 和 1 5 。在相同打浆能耗下，经纤维素酶处理后，裂断长提高近0 5 k m ，耐破指数提 高1 4 。另外，木聚糖酶对撕裂指数的改善效果要优于纤维素酶，可提高1 5 。 光学性能方面，木聚糖酶处理对白度改善较大，可提高2 i s o 左右，纤维素酶处 理不透明度效果提高显著，高出对照样2 。 对苏珂汉纤维素酶和诺维信木聚糖酶处理b c t m p 浆进行了研究。研究结果显 示，纤维素酶较优的处理工艺为：时间1 0 0 m i n ，p h 6 5 ，温度5 0 ；木聚糖酶较 优的处理工艺为：时间1 1 0 m i n ，p h 6 5 7 ，温度5 5 。b c t m p 浆经过酶处理后， 打浆能耗显著降低，当纤维素酶和木聚糖酶用量分别为2 0 i u g 和2 5 i u g 时，打浆 能耗分别降低1 6 和1 5 4 。相同打浆能耗下，经纤维素酶处理后纸张的裂断长提 高0 4 k m ，经木聚糖酶处理后纸张的白度可以提高1 6 i s o ，纤维素酶对不透明度 的改善较优。 对酶处理后的纤维形态进行了研究。通过f q a 和e s e m 分析研究发现，经生 物酶处理的l n 、l w 、l w w 均增加，细小组分含量减少，纤维素酶处理效果更为 显著，纤维表面凹陷、柔软、松弛，碎片减少，纤维本身没有受到过分的降解、 断裂，增加了比表面积，促进了纤维的粘结。 对巴克曼的改性纤维素酶对生活用纸在中试中的作用进行了研究。研究结果 摘要 显示，经酶处理、没有降功率之前，从出纸指标可以看出拉力有较大的提高，即 1 8 9 面纸m d 增长3 2 6 8 ，c d 增长2 3 2 9 ；1 6 9 面纸m d 增长3 5 5 9 、c d 增 长1 6 4 5 ；1 8 9 餐巾纸m d 增长1 7 5 2 、c d 增长4 5 。拉力的提高，为降低能 耗提供了很大的空间，即1 8 9 面纸已降低了4 0 k w ( 1 3 0 k w 9 0 k w ) ；1 6 9 面纸已 降低了4 0 k w ( 1 8 0 k w - 1 4 0 k w ) 。经纤维素酶处理后打浆，能够保持很好的拉力， 通过降低打浆功率来降低了对纤维的机械作用，使厚度得到了提升。 关键词：酶改性；纤维素酶；木聚糖酶；打浆能耗；纤维分析 l l 山东轻工业学院硕j 二学位论文 a b s t r a c t t h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni np u l p i n ga n dp a p e r m a k i n g i n d u s t r yi sg r e a t ，a n d2 0 o f t h ee n e r g yi su s e do nd e f i n i n ga n db e a t i n g t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st e s tt h ep a p e r q u a l i t ya n db e a t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nt h r o u g ht r e a tc h e m i m e c h a n i c a lp u l pw i t h c e l l u l o s ea n dx y l a n a s e ，i n c l u d i n gs t u d yo nt h ee f f e c to fe n z y m et r e a t m e n to na p m p , p - r ca p m p ，b c t m p , a n dt of i n do u tt h es u i t a b l ec o n d i t i o nw i t hc h a n g et r e a t m e n tt i m e ， p hv a l u e ，t e m p e r a t u r ea n dd o s a g e t h et r e a t m e n tc o n d i t i o no fn o v o z y m e sc e l l u l a s en 4 7 6 ，n o v o z y m e sx y l a n a s e 510 2 4i na p m pi ss t u d i e d ，i n c l u d i n gt i m e ，p hv a l u e ，t e m p e r a t u r e t h er e s u l t ss h o wt h a t t h es u i t a b l ec o n d i t i o no fc e l l u l a s ei s ：t i m e8 0 m i n ，p h6 0 ，t e m p e r a t u r e5 0 0 c ，t h es u i t a b l e c o n d i t i o no fx y l a n a s ei s ：t i m e10 0 m i n ，p h6 5 ，t e m p e r a t u r e5 5 0 c i na d d i t i o n ，t h e b e a t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nd e c r e a s e sal o ta f t e re n z y m et r e a t m e n t t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nd e c r e a s e ss e p a r a t e l y18 a n d15 6 w h e nt h ed o s a g eo f c e l l u l o s ea n dx y l a n a s ei s 2 0 1 u ga n d2 5 i u g u n d e rt h es a m eb e a t i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n ，t h ep a p e rp h y s i c a lq u a l i t yo fe n z y m et r e a t m e n ti sb e t t e rt h a nt h e c o m p a r i s o ns a m p l e t h ep h y s i c a lq u a l i t yo fp a p e r , s u c ha sb r e a k i n gl e n g t h ，t e a r i n g i n d e xa n db u r s t i n gi n d e xg e tb e t t e rt h r o u g he n z y m et r e a t m e n t ，a n dt h ep u l pt h r o u g h c e l l u l o s et r e a t m e n ti se v e nb e t t e rt h a nx y l a n a s e o nt h eb e h a l fo fo p t i c a lq u a l i t y , t h e b r i g h t n e s si s b e t t e rw h e nu s ex y l a n a s e ，h o w e v e r , t h eo p a c i t yi sb e t t e rw h e nu s e c e l l u l a s e t h ee f f e c to fs u k a h a nc e l l u l a s ea n dn o v o z y m e sx y l a n a s eo np r ca p m pi s s t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nd e c r e a s e s2 5 a n d15 w h e n t h ed o s a g eo fs u k a h a nc e l l u l a s ea n dx y l a n a s ei s2 5 i u g u n d e rt h es a m eb e a t i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n ，t h ep h y s i c a lp r o p e r t yg e ti m p r o v e m e n tt h r o u g hc e l l u l a s et r e a t m e n t ，f o r e x a m p l et h eb r e a k i n gl e n g t hi n c r e a s eo 5 k ma n db u r s t i n gi n d e xi n c r e a s e14 w h a t s m o r e ，t h ee f f e c to fx y l a n a s eo nt e a r i n gi n d e xi sb e t t e rt h a nc e l l u l o s e ，w h i c hc a ni n c r e a s e 15 o nt h es i d eo fo p t i c a lq u a l i t y , t h eb r i g h t n e s sg e tb e t t e rw h e nu s ex y l a n a s e ，w h i c h c a ni n c r e a s e2 i s o 。a n do p t i c a lg e tb e t t e rw h e nu s ec e l l u l o s e ，w h i c hc a ng e t2 h i g h e rt h a nc o m p a r i s o ns a m p l e t h ee f f e c to fs u k a h a nc e l l u l a s ea n dn o v o z y m e s x y l a n a s eo nb c t m pi ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es u i t a b l ec o n d i t i o no fc e l l u l a s ei st i m e10 0 r a i n ，p h 6 5 ， t e m p e r a t u r e5 0 。c a n dt h es u i t a b l ec o n d i t i o no fx y l a n a s ei st i m e110 m i n ，p h6 5 7 ， a b s t r a c t t e m p e r a t u r e5 5 0 c a f t e re n z y m et r e a t m e n t ，t h eb e a t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n o nb c t m p i sd e c r e a s ed r a m a t i c a l l y , w h i c hc a nd e c r e a s es e p a r a t e l y 16 a n d15 4 w h e nt h e d o s a g eo fc e l l u l o s ea n dx y l a n a s ei s2 0 i u ga n d2 5i u g u n d e rt h es a l t l eb e a t i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n ，t h eb r e a k i n gl e n g t hi n c r e a s e0 4 k m a f t e rc e l l u l a s et r e a t m e n t ，a n dt h e b r i g h t n e s si n c r e a s e1 6 i s oa f t e rx y l a n a s et r e a t m e n t ，h o w e v e rt h eo p a c i t y i sb e t t e r w h e nu s ec e l l u l o s e f i b e rm o d a l i t ya f t e re n z y m et r e a t m e n ti ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h el n ，l w , l w w g e ti m p r o v e m e n ta n dt h i nc o m p o s i t i o nd e c r e a s ea f t e re n z y m et r e a t m e n tt h r o u g h f q aa n de s e ma n a l y z e d ，a n dt h ee f f e c to fc e l l u l a s et r e a t m e n ti s b e t t e lt h ef i b e r s u r f a c eg e td e p r e s s e d ，s o f t e n e d ，l o o s e d ，a n dd e b r i sd e c r e a s e d ，h o w e v e rt h ef i b e rr e m a i n w e l l ，d on o td e g r a d eal o t ，a n dt h ec o m b i n eb e t w e e nf i b e r sg e ti n c r e a s e db yt h er a t i o s u r f a c ea r e ae n h a n c e t h ep i l o to fb u z y m em o d i f i e dc e l l u l a s eo nt i s s u ei sc a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o w t h a tt h eb r e a k i n gl e n g t ho fp a p e rg e ti m p r o v e m e n ta f t e re n z y m et r e a t m e n tw i t h o u t c h a n g e st h ep o w e r , s u c ha s ：m di n c r e a s e3 2 6 8 a n dc d i n c r e a s e2 3 2 9 i n18 9f a c i a l p a p e r , m di n c r e a s e3 5 5 9 a n dc di n c r e a s e16 4 5 i n16 9f a c i a lp a p e r ，m di n c r e a s e 17 5 2 a n dc di n c r e a s e4 5 i n18 9n a p k i n t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nc a ng e tl o w e r w i t ht h e b r e a k i n gl e n g t h i n c r e a s e ， f o r e x a m p l e ， 18 9t i s s u ed e c r e a s e s 4 0 k w ( 13 0 k w - 9 0 k w ) ，16 9 t i s s u ed e c r e a s e s4 0 k w ( i8 0 k w - 14 0 k w ) b e a t i n ga f t e r e n z y m et r e a t m e n tc a nr e m a i nt h eb r e a k i n gl e n g t h ，t h em e c h a n i c a lf o r c ei sl o w e rt h r o u g h d e c r e a s eb e a t i n gp o w e r , w h i c ha l s oc a ni n c r e a s et h eb u l ko fp a p e r k e yw o r d s ：e n z y m a t i cm o d i f i c a t i o n ，c e l l u l o s e ，x y l a n a s e ，b e a t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n ， f i b e rq u a l i t ya n a l y z e 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文中 引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已 属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工业 学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公丌阅览、借阅以及申请专 利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复d 4 - b 矛u 电子版， 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名： 引雅辄铂竹 日期：2 1 ：篁年月生日 蹴半艺年上月立日 山东轻工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 本章首先介绍了论文的研究背景，介绍了生物酶技术在我国造纸工业中的发 展现状，阐述了高得率化机浆的应用进程及存在问题，并结合实际情况探讨了本 论文的研究目的及研究意义。 1 1 研究背景 现代化的造纸工业已经不是传统意义的“轻工业”，而是已经成为国民经济的 基础产业。大力发展制浆造纸工业成为新的经济增长点，将对我国的经济产生强 有力的拉动作用。纸和纸板是人类文化与信息的载体，也是工业、农业、科学、 生活等方面的重要材料，是自然界易于再生的绿色材料产品l 。制浆造纸工业在全 球工业制造业中一直占据着重要地位，纸和纸板的生产消费水平已成为衡量一个 国家经济发展水平和社会进步的重要标志【2 j 。造纸工业已经变成一个与国民经济和 社会主义文明建设息息相关的重要产业部门。当今世界各国已将纸及纸板的生产 和消费水平，作为衡量一个国家现代化水平和文明程度的重要标志之一1 3 j 。 近日，中华人民共和国工信部公布2 0 0 8 年工业行业运行情况。2 0 0 8 年造纸消 费品总体运行形式是：在外需减弱的情况下，国内市场在扩大消费、拉动生产方 面发挥了十分重要的作用，其中2 0 0 8 年前8 个月生产保持较快速度增长，效益水平 显著上升，9 月份以后行业利润开始下滑，1 1 月份出口出现负增长。2 0 0 8 全年累计 生产机制纸和纸板达至u 8 3 9 0 多万吨，仍然比去年同期增长8 7 5 。我困是制浆造纸 工业大国，制浆造纸工业的发展促进了国民经济发展和社会进步。但是，我国造 纸工业的发展却面临着资源、环境、能耗、技术等多方面问题的严峻挑战。首先， 从造纸植物纤维资源来看，我国是树木种类繁多的国家，但我国又是个贫林国， 我国的森林覆盖率很低。在一个不短的时期内，我国的林区普遍遭受到严重的破 坏，原始森林面积迅速减少，纸厂用材林资源同益枯竭1 4 】。其次，从能源消耗来看， 制浆造纸工业是一种能源消耗巨大的产业，其能源成本占总生产成本的2 0 左右。 节约能源已成为影响造纸工业发展的一个重要因素。目前的制浆工业都在普遍追 求“三高”和“三低”，“三高 即高得率、高强度和高白度。“三低 即低能耗、 低水耗和低污染，而最有可能实现这一目标的浆种就是高得率浆。对高得率浆来 说，由于对浆料质量要求的提高，磨浆和扣+ 浆需要消耗大量的能源，特别是电能 消耗，大概占从木材到成纸生产总电耗的1 5 1 8 。目前机械制浆技术磨浆工 段的能量消耗很大，如t m p ( 热磨机械浆) 的磨浆能耗为1 8 0 0 - 2 3 0 0 k w h t 浆， r m p ( 木片盘磨机械浆) 的磨浆能耗为1 6 0 0 - - 一2 2 0 0 k w h t 浆。因此，节约能源已 经成为造纸行业的必然趋势1 5 j 。 第1 章绪论 酶在制浆造纸工厂大规模的使用始于1 9 9 0 年左右。酶在造纸工业中的应用已 有多年，主要用于处理废纸脱墨、促进漂白、腐浆沉积物控制、淀粉改性、湿部 和施胶压榨部的清洗等。上述这些酶产品在造纸业中的应用己相当成熟。酶法纤 维改性技术虽然在其他工业上已有应用，特别是在纺织行业，如砂洗蓝牛仔裤或 软化纤维等，但由于各种原因，在造纸工业中还没有被广泛采用1 6 j 。在机械制浆过 程中，磨浆能耗占用很大一部分成本，采用酶作用于浆料处理，降解植物纤维细 胞壁来节约精磨过程中的能耗成为重要的课题1 7 】。 1 2 纤维素酶 1 2 1 生产纤维素降解酶的微生物 很多生物可以生产纤维素降解酶，但很少的能生产降解结晶纤维素的酶。在细 菌靠细胞束绑酶降解纤维素的同时，真菌分泌大多数这种酶至周围的生长介质。 所有可以降解结晶纤维素的微生物或多或少分泌具有不同特性和活动方式的复合 纤维素酶，相互协同降解或氧化纤维素，在降解纤维素和生产纤维水解酶方面， 真菌是被研究得最多的微生物，真菌的纤维素酶有时候在浸没培育时在底物产生 的浓度不高，而且不像细菌纤维素酶那样相互形成物理的复合物，但是真菌经常 以强烈的协同方式作用1 8 1o j 。 1 2 1 1 生产降解纤维素酶的真菌 真菌引起软腐主要是降解多糖，在这一组微生物中生产所有纤维素降解酶的能 力不同，旱氏木酶在生产整套纤维素酶方面人们是最熟悉的。木霉菌株分泌大量 的各种纤维素降解酶，里氏木酶最少生产三种外切葡聚糖酶、两种内切葡聚糖酶 以及一种或两种葡萄糖苷酶f l l - 13 1 。 1 2 1 2 生产降解纤维素酶的细菌 好氧和厌氧的细菌都能使纤维素降解，但是，细菌的纤维素酶降解系统不能直 接与真菌的相比，细菌常常生产少量纤维素酶，纤维素的降解似乎发生在多酶复 合体的组合，很难分开成单个成分而不损失总活力。研究纤维素酶系最多的细菌 是芽孢梭菌属细菌、纤维单胞菌、杆菌和假单胞副1 4 ，”1 。 1 2 2 纤维素酶的作用机理 最早提出纤维素酶和纤维素作用机理i m l 的是著名的c l c 。假说。此假说认为， 纤维素酶由c l 、c x 和d 一葡萄糖苷酶组成，c l 首先作用于结晶纤维素，使其转化为 无定型纤维素，然后由c 。进一步对无定型纤维素水解，使其降解为低聚糖和纤维 二糖，而纤维二糖由b 葡萄糖苷酶水解成葡萄糖。 r e e s e 认为c l 作用是破坏结晶区结构为纤维素酶其它组分结合创造条件，而后 2 山东轻t 业学院硕士学位论文 其他学者所分离得到的类似r e e s ec l 因子均被证实为c b h l l 7 棚】。w o o d l 2 川等分离鉴 定了c l 酶，认为c l 酶是一种水解酶，它不易作用于羧甲基纤维素，而能作用于结 晶纤维素，磷酸膨胀纤维素等，主要产物是纤维二糖，从而证明c l 酶是一种1 3 1 4 葡 聚糖纤维二糖水解酶。 但是研究发现，纤维素的降解是一个复杂的多相反应体系，其作用受纤维素 的结构参数、纤维素酶的吸附产物抑制效应及纤维素酶去活化效应等因素影响1 2 1 2 引。其作用过程是：纤维素酶吸附到纤维表面，首先在纤维表面发生酶解反应，随 着酶解反应进行，将纤维外层剥离1 2 3 2 4 1 。纤维素结晶度越高，就越难以吸水润涨， 使酶分子难以渗入纤维产生作用，因而无定型区比结晶区易于酶解。 纤维素酶至少由两个区域组成：催化区和非催化的吸附区。这两个区域由可 以折叠的多肽链连接1 2 5 1 。目前已经分析了许多纤维素酶的催化区和束缚区的氨基 酸序列，并获得部分催化区的三维立体结构和一个吸附区的三维立体结构。吸附 区的结构则像两个平面构成的楔子，平面由3 个芳香残基组成。芳香残基间相互 问隔1 0 4m n l ，这恰恰是1 个纤维素重复单元的长度1 2 6 1 。催化区是由两条多肽链折 叠成的桶状结构，而且经鉴定c b h 活性位置有一隧道形结构，e g 活性位置有一 敞开的长槽。 s t o r k 等1 27 】用不同来源的回收纸浆与纤维素复合酶、半纤维素酶和分离纯化的 纤维素酶作用，进行比较，认为e g 对回收纸浆滤水性的改善起关键作用，c b h 和半纤维素酶起辅助作用。不过，也有不少人认为滤水性的改善不是因为细屑不 同级分的选择性水解，而是因为细屑表面无定型纤维素水解的结果1 2 引。e g 酶处理 最适于机械浆制成的纸，而不适于含相当数量化学浆纤维的回收纸。酶处理化学 热磨机械浆c t m p ，除去纤维碎片，促进纤维问成键，使纤维裂断长增加；酶处 理热磨机械浆t m p ，使细屑表面无定型区水解，则使抗张强度略微下降。他们试 图用酶对纤维孑l 结构的可及度来解释纤维不同的反应。假设e g 能渗透到初级和次 级化学浆纤维的孔中进攻纤维分子，使纤维分解，从而使其强度性质下降；机械 浆的孔太小，以致e g 不能进入纤维，不能进攻纤维分子，所以强度性质不会受损。 e g 处理化学浆有利于打浆，这种作用不因干燥使纤维孔径变小而减弱。 纤维素酶协同降解模型1 2 吼3 0 】是目前多数学者接受的机制，e g 先从纤维素分子 内部随机分解b 一1 4 糖苷键，产生非还原性末端后c b h 结合上去，从非还原性术 端水解产生纤维二糖，纤维二糖再成为纤维二糖酶( c b ) 的分解底物而被降解成葡 萄糖。另一种观点以e n a r i l 3 l 】等人为代表，认为首先是由外切型葡聚糖酶( c b h i 和c b h i i ) 水解不溶性纤维素，生成可溶性的纤维糊精和纤维二糖，然后由内切 型葡聚糖酶( e g 1 和e g i i ) 作用于纤维糊精，生成纤维二糖；再由c b 组分将纤 维二糖分解成两个葡萄糖。 3 第l 章绪论 舅i 47 。| _ 。1 7 | j 曩翼。 结晶纤维素 c b h 糍 “ 葡萄糖 j k jk jk b g e g 图1 1 纤维素的酶解作用机制 研究里氏木霉( t r e e s e i ) 、青霉( 尸加n i c u l o s u m 虎) 的纤维素酶水解纤维素时1 3 引， 发现培养液中的两种外切酶在液化微晶纤维素和棉纤维时具有协同作用。k a n d a 3 3 】 等发现了只对可溶性纤维素进攻的两种不同的内切葡聚糖酶，且在结晶纤维素的 水解过程中也具有协同作用。k a r e n 等【3 4 】研究了e g i 和c b h i i 对棉花纤维素的 协同作用。单独用e g i 所释放的还原糖量小于使用两种组分时释放的还原糖量， 但纤维素分子量的分布在这两种作用情况下是一样的。说明e g 一选择性作用于微细 纤维的无定型区，使棉花纤维素降解，c b h 1 1 则作用于e g i 降解的产物和微细 纤维的结晶区，释放出还原糖。i d a l 3 5 j 等用来自星氏木霉的一种内切p 一葡聚糖酶 e g i i ，外切p 葡聚糖酶c b h 1 分别与棉纤维共培养，通过原子力显微镜观察发 现，c b h i 能够明显在棉纤维长轴方向留下刻痕，而e g 1 i 表现出剥落纤维表面 并使其平滑的能力，两种酶直接作用于棉纤维结晶区表现出协同性。一般地说， 协同作用与酶解底物的结晶度成正比，当酶组分的混合比例与霉菌发酵滤液中各 组分比相近时，协同作用最大，不同菌源的内切与外切酶之间也具有协同作用1 3 b 3 7 】 o 外切酶有c b h i 和c b h i i 两种【3 8 】，它们具有不同的底物立体异构特异性，分 别作用于两种不同的非还原性末端，两种不同的非还原性末端来源于不同组分e g 的降解。一种c b h 从一种结构的非还原性末端切去纤维二糖后，将有助于另一种 c b h 去作用另一种立体结构的非还原性末端。但目前这种假说最大的问题是，至 4 iiiiiii上定或素。无素维 e 声 + hbc g 山东轻工业学院硕士学位论文 今没有发现具有不同立体结构的非还原性末端存在。 在协同降解理论中，由于每种纤维素酶组分在不溶性底物水解过程中的确切 作用仍没有被充分理解，两种纤维素酶的类型也没有严格的区分，而且协同水解 理论始终没有说明这种协同作用起始反应是如何进行的，特别是对天然纤维素结 晶区的降解机制没有搞清楚【3 9 ，4 0 1 。 结晶纤维素分子难以进入纤维素酶的活性位点而并非酶的催化活力是结晶纤 维素酶解的限制步骤，因此在结晶纤维素被纤维素酶降解前应存在纤维素结晶状 态转变【4 。纤维素结晶区的破坏是天然纤维素降解的关键限速步骤，由于纤维素 结晶区由微纤维束问通过氢键结合，因此c l 应该是非葡聚糖酶酶解氢键的性质因 _ _ 千1 4 2 1 j o 用纤维素酶与漂白桉木硫酸盐浆f b e p 4 8 和经二氧化硫处理蒸汽爆破并经 h 2 0 2 漂白的桉木浆f 1 5 0 ，两种不同种类浆的纤维作用，两种底物都能有效水解， 纤维长度下降1 4 引。但水解模式和机理却不相同，前者纤维聚合度和纤维长度变化 不大，估计是c b h 作用的结果；后者发现纤维聚合度与纤维长度逐渐下降，估计 是e g 作用的结果。m a n s f i e l d i 删使用纤维素酶制剂和花旗松的机械浆和硫酸盐浆 的不同级分作用，发现机械浆的强度没有多大损失。 1 3 半纤维素酶 1 3 1 生产半纤维素降解酶的微生物 半纤维素酶分布广泛，产自陆地和海洋的真菌、细菌、瘤胃微生物( 原生动 物、真菌、细菌) 、酵母和海藻。真菌、酵母和某些细菌从细胞外分泌半纤维素酶， 也发现细胞壁和胞内半纤维素降解酶【4 5 4 。 真菌的半纤维素酶已很好的定性并研究得很详细，生产和检定从木霉、曲霉 和镰孢的木聚糖酶，有报告各种低分子量的木糖酶的三维结构，木霉的木糖酶是 3 2 n m 4 2 n m 的椭圆形【4 引。 1 3 2 半纤维素酶的作用机理 半纤维素的主链是由木糖和甘露糖形成，酶降解的两种主要是内切1 ，4 - 1 3 d 木糖酶和内切1 ，4 - 1 3 d 甘露糖酶，本实验主要研究的半纤维素酶中的内切木聚糖 酶，后面也主要叙述这种半纤维素酶。 木聚糖是由1 ，4 - 1 3 d 木糖苷键连接起来的并带有多种取代基的多聚糖， 它 的含量极为丰富，是一种巨大的生物质资源，降解木聚糖的酶主要为1 ，4 - 1 3 d 内 切木聚糖酶，以下简称木聚糖酶。 参与植物多聚糖类代谢的酶按其一级和四级结构的同源性分为3 5 个不同的 组。木聚糖酶属第1 0 、11 组，即f 和g 组。在g e n b a n k 、e m b l 、s wi s s p ort 数 5 第l 章绪论 据库中有近8 0 种木聚糖酶的序列资料，其中f 组和e 组的木聚糖酶约各占一半。 从生化特性和结构上讲，两组酶并无多大关系，唯一相似的是它们对硬木或软木 木聚糖的水解产物。木聚糖酶有的只含有单一区域即催化区，也有的同时具备催 化区和多种非催化区。多区域木聚糖酶分子结构中含有纤维素结合区、木聚糖结 合区、连接序列、重复序列、热稳定区、c e l l u l o s o m e 2d o c k i n g 区、其它未知功能 的非催化区以及催化区。近年来，国外对这些功能区域研究较多进展较快，兹将 木聚糖酶各功能区域的最新研究结果总结如下：木聚糖酶的催化区( c a t a l y t i c d o m a i n ) 简称c d ，承担着酶的水解特性，并作为该酶分类的基础。f 、g 组木聚 糖酶在分子量、净电荷、不带电荷的碱性和酸性氨基酸的比例等方面都不同。按 等电点的不同，g 组中木聚糖酶可分为高等电点和低等电点两个亚组( 其平均等电 点分别为9 5 和5 o ) 1 4 9 。5 0 】。木聚糖酶的氨基酸组成在数量上变化很大，但其c d 在 大小上都趋向一致。c d 大都通过与已知区域的序列相关性的比较鉴定出来。木聚 糖酶与纤维素酶的c d 几乎无同源性，表明两酶是从不同的祖先进化而来。有些酶 含有两个催化区，如生黄瘤胃球菌( r u mi n o c o c c u sfl a v i f a c i e n s ) 的x y n a n 末端 含有属于g 组木聚糖酶的c d ，而c 末端含有属于f 组木聚糖酶的c d 。 与纤维素结合区相比木聚糖结合区( x b d ) 在木聚糖酶分子中较少发现。其 原因可能是，木聚糖多聚物中带有许多类型的取代基，从而使能够结合所有木聚 糖的蛋白区域的进化成为不可能的。有趣的是，th e r i no mo n o s po r afu s s ax yn a 中的x b d 表现出了对木聚糖和纤维素都具很大的吸附力1 5 。到目前为止，唯一 的一个含有能与木聚糖特异结合的区域的木聚糖酶是由粪肥纤维单孢菌产生的 x y n d ，x y n d 的x b d 对木聚糖的结合有高度的特异性1 5 川。 d e h i m 报道由于半纤维素酶能增加纤维的水合率而有助于打浆。早期的研究 也表明用纤维素酶预处理的化学浆或者棉短绒浆都能提高浆的强度性能和降低打 浆能耗。y l l n e r s 提出使用木聚糖酶可使漂白化学浆外部细纤维化，从而减少造纸 过程中的能量消耗，很多专利和论文都涉及到了节能这一课题。而酶促精浆来节 能节耗是本课题设计的重要之处。现有的磨浆理论认为，第一段磨浆为纤维彼此 离解、分离成单根纤维的粗磨过程，此段磨浆能耗相对较少，而此段较高的磨浆 温度使木素塑化涂覆于纤维表面影响后续处理，改性此部分木素可改善第二段精 磨的磨浆性能；第二段磨浆为单根纤维的分丝帚化、提高结合强度的精磨过程， 此段磨浆能耗相对较高。 最近巴克曼开发出了一种酶制剂，酶处理后使纤维充分润胀，在同样打浆能 耗下使纤维有更好的强度【5 3 】，纸页的物理强度指标是由纸页纤维的平均长度、纤 维的自身强度及纤维之间的结合能力所综合决定的，这三种作用力对不同的物理 强度指标的影响亦不同，而纤维问结合力的增大则取决于纤维比表面积的增大和 纤维的柔软性和挠曲性，这些性能都与纸浆的打浆度紧密相关。含纤维素酶活的 6 山东轻工业学院硕士学位论文 木聚糖酶中，对浆中半纤维素起主要作用的是内切木聚糖酶，其与其他辅助酶相 结合时能提高酶的处理效率，各种酶之间存在着协同作用。木聚糖酶中少量纤维 素酶的存在对提高漂白浆的白度有促进作用，但当纤维素酶量较多，尤其是其中 的外切葡聚糖酶和纤维二糖酶含量过高时，对纸浆的强度和得率有损伤。 1 4 高得率制浆技术 1 4 1 高得率制浆技术的发展 目前的制浆工业都在普遍追求“三高”和“三低”，“三高 即高得率、高强 度和高白度，“三低”即低能耗、低水耗和低污染，而最有可能实现这一目标的浆 种就是高得率浆【5 4 。近十几年来，随着人们对能源问题越来越大的关注及日趋严 重的环境污染问题，许多高质量纸张的生产以高得率浆取代化学浆的i l 侈, j 逐年增 加。高得率浆发展初期，纤维原料主要采用针叶木浆料应用于传统含机械浆纸种、 卫生纸、纸巾类产品的抄造中。在过去2 0 年里，高得率浆的纤维原料已由针叶木 为主要原料发展到阔叶木占主导地位1 5 孓5 6 j 。市场对各种阔叶木浆的认可得到不断 发展。如今阔叶木高得率浆己广泛用于含机械浆纸种、多层纸板、卫生纸，或作 为漂白硬木硫酸盐浆的部分替代物用于很多涂布和未涂布印刷、书写纸种中及其 他特种纸( 剥离纸、无碳纸、滤纸等) 。阔叶木高得率浆的发展拓宽了高得率浆在很 多纸种中的应用。如下图所示，为传统的三种制浆方式： 制 浆 工 艺 化学浆 机械浆 图1 2 制浆种类 纸浆 半个世纪之前的机械浆主要是指磨石磨木浆，而目前，用盘磨生产的浆已超 过半数5 7 1 。由于盘磨技术的发展，单机生产能力提高，阔叶材的应用增多，促进 了各种有效措施的出现；磨石磨木浆因为其保持低能耗和高的光散射系数的优点， 目前也有一定市场，并开发出压力磨石磨木浆，采用高温磨木，从而提高了浆的 7 第l 章绪论 强度和其他性能1 5 搬。 传统机械法制浆( 如磨石磨木浆、压力磨石磨木浆等) 制浆得率很高，可以 达到9 0 以上。生产成本低、环境污染小，具有优良的不透明度与吸墨性。但是 仍存在以下致命弱点：适宜原料为大径原木，以针叶材为主；纸浆品质、 纸强度低。制浆能耗高、劳动强度大、生产效率低，无法实现自动化作业； 设备生产周期短、停机维护频率高、维修费用大等限制了机械浆的发展。 1 4 2 高得率化学机械浆的特点 化学机械浆是在传统的机械浆基础上发展起来的清洁高效制浆技术，现代化 学机械浆以b c t m p 、a p m p 法为主。还发展了磺化化学机械浆( s c m p ) 、生物机 械浆( b m p ) 、挤压法机械浆( e m p ) 、半化学法制浆( s c p ) 、中性亚硫酸盐法半 化学浆n s s c 、碱性亚硫酸钠法半化学浆( a s s c ) | 5 啦制j 。高得率化学机械浆b c t m p 、 a p m p 是本实验的研究主要浆种原料，在此主要介绍其发展状况。 图1 3 阀n | 本化学机械浆流群 化学热磨机械浆c t m p 或b c t m p 技术自2 0 世纪7 0 年代首条生产线建成以 来发展迅速，继而在8 0 年代后期、9 0 年代又相继开发了a p p a p m p 、p r c 。目前， 常用这3 种制浆方法生产化学机械浆，且由于浆得率高8 0 - - - 9 0 ，这3 种浆又被 统称为离得率浆h y p 。高得率浆最早出现在欧洲和加拿大，中国高得率制浆虽然 起步较晚，但自1 9 9 5 年以来已建成多条生产线。最近，在推进林纸一体化计划下， 中国有多条较大规模的高得率制浆生产线正在建设或进行可行性研究1 6 2 吨孤。 前述3 种高得率制浆方法由于都有温和的化学处理和机械磨浆，因此它们有 许多共同点，但由于在木片浸渍化学品和漂自的差异，又使其在能量消耗、漂自 8 m 东轻i 业学院顿学也论史 化学药品成本及运行性方面有所不同。 传统上，机械浆主要用于配抄含机械浆印刷纸，如新闻纸、s c 纸、l w c 纸。 用于这些纸种的机械浆主要原料为针叶木，采用g w 、p g w 或t m p 等制浆方法。 一般来说，以阔叶木为原料的g w 、p g w 或t m p 浆，由于纤维短、浆张强度低， 难于抄造i 。但经化学预处理后的阔叶木热磨机械浆可大大改善浆张强度，使得 用阔叶术化学机械浆抄造上述纸种成为可能。高得率浆的特性很容易通过调整化 学预处理和碱性过氧化氢漂白段的工艺条件得以调整1 6 ”，因此，其可用于生产多 种纸种，如高级文化用纸、多层纸板、生活用纸和其他特种纸等。 1421 中国高得率化机浆的发展 高得率制浆在中幽起步较晚，然而，中幽是世界上高得率商品浆最大的消费 幽，所需高得率浆主要从加拿大和北欧进口。自1 9 9 5 年首条a p m p 生产线在湖南 岳凡j 建成以来，高得率制浆发展迅速。 中国高得率制浆的发展可分为2 个阶段”： 第一阶段，1 9 9 5 至2 0 0 2 年。在此阶段前期，中国造纸业处十起飞发展阶段。 此时高得率制浆有如f 特点：牛产规模小，产量低；a p m p 为丰导工艺； 白产自h j ， 要_ l l j 于新闻纸，+ 产。如下图l4 所示为 期a p m pl 艺流程。 册辩煎- 气一紫 陵幕鼍j ! 畔 由，”带自竺瓿 图i4 传统a p m p 上艺流程 i 第二阶段，2 0 0 3 年以后。此阶段已建成、j 卜在建或进行可行性研究的高得率 制浆生产线呈如下特征：产能规模大，接近或与世界标准2 0 万- - 3 0 万“年接轨； 林纸体化：b c t m p 和p r c 工艺取代了单一的a p m p 工艺。如下罔15 所 _ 鐾 黼糕塾 t t