（微生物学专业论文）酶处理抑制高得率浆和化学浆返黄的研究.pdf

山东大学硕十论文 摘要 纸浆经过一定时间的存放后，在光和热的诱导下，容易发生白度降低的返黄现象， 特别是高得率浆，由于木素含量高，返黄程度尤为严重，大大限制了纸浆的商业用途， 降低了产品附加值。目前国内外研究较多的是利用化学改性和添加返黄抑制剂的方法 抑制纸浆的返黄，但这些方法由于存在成本昂贵、与纤维无亲和力等诸多缺点而导致 使用范围受到限制。针对这一亟待解决的难题，开展了酶处理抑制高得率浆和化学浆 返黄的研究，希望寻找一种改善纸浆白度和白度稳定性的新工艺，在避免上述缺陷的 基础上，达到抑制返黄的目的。研究结果表明： 不同性质的酶液对杨木c t m p ( 化学热磨机械浆) 返黄的抑制效果存在明显差异。 漆酶处理能较好地抑制杨木c t m p 的光诱导返黄和热诱导返黄，且漆酶处理还具有 可以改善后续h 2 0 2 漂白段的漂白效率，提高漂白浆白度的作用。纤维二糖脱氢酶对 杨木c t m p 的热返黄具有一定的抑制效果，但木聚糖酶、纤维素酶等处理对降低纸 浆返黄值的作用不大。漆酶与木聚糖酶、纤维二糖脱氢酶、葡萄糖氧化酶在抑制纸浆 热返黄方面具有协同作用。漆酶处理杨木c t m p 时，使用柠檬酸钠缓冲液比采用醋 酸钠或水具有更好的效果。使用初步纯化的漆酶处理比粗酶液能更好地抑制漂白 c t m p 的光返黄和热返黄。 利用漫反射光谱扫描，发现机械浆经光老化后，光吸收值的增加比热老化更加明 显。在光老化过程中，芳基羰基、芳基酮、醌基所在3 2 7n n l 、3 4 5n r n 、4 2 0n l l l 波长 的光吸收随时间的延长成增加趋势，而热老化后3 2 7n m 、3 4 5n l i l 波长的光吸收反而 有所降低，只有4 2 0n r n 波长的光吸收相对增加，说明了光和热返黄的机理存在差异， 但醌基在光、热返黄过程中都有一定的作用。漆酶处理后纸浆的光老化程度降低，可 能主要是由于3 甲氧基1 ，2 二苯基醌的氢醌产生而引起的。 木聚糖酶处理对杨木和按木化学浆的热老化均有较好的抑制效果，而且经后续漂 白后，纸浆的白度可以提高1 3 i s o 。木聚糖酶处理化学浆工艺条件为：酶液用量 1 0i u g 干浆，处理温度5 0 。c ，处理p h 为p h5 0 。漫反射光谱扫描证明木聚糖酶处 理后，在较宽的波长范围内，纸浆的光吸收比对照浆降低，化学浆热老化过程中有较 i i i 山尔大学硕十论文 多的基团发生了变化。 关键词：返黄，酶处理，白度，漫反射光谱 i v 山东大学硕十论文 a b s t r a c t p u l p s ，i n d u c e db yl i g h to rh e a t ，t e n dt ol o s et h e i rb r i g h t n e s sa n db e c o m ey e l l o w d u r i n gap e r i o do fd e p o s i t i o n e s p e c i a l l yf o rt h el i g n i n - r i c h e dh i g hy i e l dp u l p ，i t sr a p i d p h o t o y e l l o w i n gl i m i t sb o t h t h ea p p l i c a b i l i t ya n dm a r k e t a b i l i t yo ft h i sm a t e r i a l ，a n d d e c r e a s e st h ea d d i t i o n a lv a l u eo ft h ep u l pp r o d u c t s u pt on o w ，s o m em e t h o d s ，s u c ha s m o d i f y i n gt h ec h e m i c a ls t r u c t u r eo fl i g n i na n da d d i n gs o m eu v a b s o r b e r st ot h ep u l p s ，e t c ， h a v eb e e ns t u d i e da n du s e df o rp r e v e n t i n gy e l l o w i n go fp u l p s h o w e v e r , h i g hc o s ta n d o r l o wa f f i n i t yt ot h ec e l l u l o s er e s t r i c tt h ea p p l i c a t i o no fy e l l o w i n gi n h i b i t o r s t os o l v et h e p r o b l e m s ，s o m ee n z y m e s w e r ea p p l i e dt ot r e a th i g hy i e l dp u l pa n dc h e m i c a lp u l p ，i no r d e r t oi n h i b i tt h ep u l py e l l o w i n ga n di m p r o v et h eb l e a c h i n ge f f i c i e n c yi ns u b s e q u e n tc h e m i c a l b l e a c h i n gs t a g e t h er e s u l t ss h o w e da sf o l l o w s ： o b v i o u sd i f f e r e n ti n h i b i t i o ne f f e c t sw e r eo b t a i n e db yu s i n gd i f f e r e n tk i n d so f e n z y m e st op r e t r e a ta s p e nc t m p ( c h e m i t h e r m o m e c h a n i c a lp u l p ) c r u d e l a c c a s e p r e t r e a t m e n tc o u l di n h i b i tt h eh e a t - - a n dl i g h t - i n d u c e dy e l l o w i n go ft h ea s p e n c t m p e f f e c t i v e l y ，a n d i n c r e a s eb l e a c h e dp u l pb r i g h t n e s si ns u b s e q u e n th 2 0 2b l e a c h i n g p r e t r e a t m e n tw i t hc e l l o b i o s ed e h y d r o g e n a s e ( c d h ) a l s oh a ss h o w e dap o s i t i v ei n f l u e n c e o ni n h i b i t i n gt h eh e a t i n d u c e dy e l l o w i n go ft h ea s p e nc t m p ，w h i l ex y l a n a s eo rc e l l u l a s e s h o w e dl i t t l ee f f e c to nd e c r e a s i n gt h ep cn u m b e ro ft h ep u l p c o m b i n e dw i t hx y l a n a s e ， c d ho rg l u c o s eo x i d a s e ，l a c c a s ep r e t r e a t m e n tc o u l db em o r ee f f e c t i v e ，i n d i c a t i n ga p o t e n t i a ls y n e r g i s t i ce f f e c to ni n h i b i t i o no fh e a t i n d u c e dy e l l o w i n g d u r i n gt h el a c c a s e t r e a t m e n t ，t h es o d i u mc i t r a t eb u f f e rs y s t e mw a sb e t t e rt h a nt h es o d i u ma c e t a t e ，a n dt h e p r i m a r yp u r i f i e dl a c c a s ew i t h ( n h 4 ) 2 5 0 4d e p o s i t i o nw a sb e r e rt h a nc r u d ee n z y m ef o r y e l l o w i n g i n h i b i t i o no ft h eb l e a c h e dc t m p t h eu v v i ss p e c t r u ms h o w e dt h a tt h ei n c r e a s eo fl i g h ta b s o r p t i o nd u r i n gt h el i g h t 画n gw a s m o r eo b v i o u st h a nt h a td u r i n gh e a ta g i n g d u r i n gl i g h t i n d u c e dy e l l o w i n g ，t h e l i g h ta b s o r p t i o no fp u l pc h a n g e dm a i n l ya tw a v e l e n g t ho f4 2 0n m ，3 4 5n m a n d3 2 7r l n l ， v 山东大学硕十论文 w h i c hc o r r e s p o n d i n gt ot h eq u i n o n e s ，a r o m a t i ck e t o n e sa n da r o m a t i cc a r b o n y l g r o u p c o m p a r e dt ot h el i g h ty e l l o w i n g ，r e m a r k a b l ei n c r e a s ew a so n l yf o u n da t4 2 0n l t ld u r i n gt h e h e a t i n d u c e dy e l l o w i n g ，m e a n i n gt h a tm e c h a n i s mo fy e l l o w i n gw a sd i f f e r e n tb e t w e e nt h e l i g h t - a n dh e a t i n d u c e dy e l l o w i n g t h el i g h t i n d u c e dy e l l o w i n gr e t a r d e da f t e rt h el a c c a s e t r e a t m e n t ，m a y b eo w i n gt ot h ep r o d u c t i o no fah y d r o q u i n o n ec o m p o u n d c r u d ex y l a n a s eh a sap o s i t i v ee f f e c to n p r e v e n t i n gh e a t i n d u c e dy e l l o w i n go f c h e m i c a lp u l pf r o ma s p e na n de u c a l y p t u s t h eb r i g h t n e s so fa s p e nc h e m i c a lp u l pi n c r e a s e d b y1 - 3 i s ot h r o u g has u b s e q u e n th 2 0 2b l e a c h i n g t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so fx y l a n a s e t r e a t m e n tw e r ea sf o l l o w s ：x y l a n a s ed o s a g e10i u go v e nd r yp u l p ，5 0 ，i n i t i a lp h5 0 t h ea n a l y s i so fu v v i ss p e c t r u ms h o w e dt h a tt h el i g h ta b s o r p t i o ni n c r e a s eo f p u l pt r e a t e d w i t hx y l a n a s ew a sl e s st h a nt h a to ft h ec o n t r o li naw i d er a n g eb a n d ，w h i c hm e a n st h a t ， m a n yg r o u p sh a dc h a n g e dd u r i n gh e a t - i n d u c e dy e l l o w i n go ft h ec h e m i c a lp u l p k e yw o r d s ：y e l l o w i n g ，e n z y m a t i ct r e a t m e n t ，b r i g h t n e s s ，d i f f u s er e f l e c t i o n v i 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 究作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：堑：生 日 期：迎翌金：丕：l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、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 文被查阅和借阅；本人授权山东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： 盘堡 导师签名： 垒吏日 期： 2 星：垂? 7 山东大学硕士论文 1 1 造纸工业的发展概况 第一章绪论 世界性的资源短缺和一浪高过一浪的环保热潮成为制浆造纸工业结构改革 的重大推动力。造纸工业具有很大的市场空间，我国已成为世界造纸产品生产、 贸易和消费大国。2 0 0 6 年，我国纸和纸板的消费量达6 6 0 0 万吨，居世界第二位， 纸及纸板产量达6 5 0 0 万吨，亦居世界第二位。据预测2 0 1 0 年，我国纸及纸板消 费量将达到8 5 0 0 万吨以上，造纸工业可成为国民经济新的经济增长点。我国已 成为世界造纸产品主要生产国和消费国，产品自给率达8 8 7 ，基本上可满足新 闻出版、印刷、商品包装等相关行业的消费需求。我国纸及纸板企业约有3 5 0 0 家左右，生产力约7 0 0 0 万吨。2 0 0 6 年，我国规模以上纸及纸板企业工业总产值 3 1 1 9 亿元，较2 0 0 0 年增长1 4 6 7 ，年均增长1 9 8 ，资产总计3 2 2 8 亿元，较 2 0 0 0 年增长6 1 9 ，年均增长1 0 1 ；销售收入2 5 4 6 亿元，较2 0 0 0 年增长1 5 2 1 ，年均增长2 0 。近年来，由于我国造纸企业的纸张产品质量大幅度提高， 出口产品数量逐年增加，现在纸张出口趋势正在明显增长。2 0 0 0 年我国纸和纸 板的出口量仅为7 1 8 万吨，2 0 0 5 年出口总量达到1 9 3 9 万吨( 胡宗渊，2 0 0 7 ) 。 “十五 期间，我国造纸工业进入快速发展期，其主要特点：一是政策环境基本 建立，林纸一体发展形成共识；二是生产消费快速增加，行业运行质量显著提高； 三是原料结构有所改善，产品结构进一步优化；四是企业重组力度加大，产业集 中度有所提高。但我国造纸产业也面临资源约束、环境压力等问题，主要表现在 以下几个方面：一是规模不合理，效益水平低；二是优质原料缺口大，对外依存 度高；三是资源消耗较高，染防治任务艰巨；四是装备研发能力差，先进装备依 靠进口；五是外资利用结构有待优化，统筹协调发展任务紧迫。长期以来，我国 造纸工业走的是一条以草浆造纸为主的发展道路，纸产品档次低，难以满足不断 提高的市场需求。随着纸及纸板消费的快速增长，污染无法治理的草浆企业大量 关闭，现代造纸工业产能迅猛增加，废纸回收再利用技术日益提高。“十五 期 间，我国造纸工业村的原料结构进一步优化。但由于我国是一个森林资源严重不 足的国家，并且林纸一体化工程实施不久，一些内外资项目短期内难以投产，国 1 山东大学硕士论文 内商品木浆和废纸原料供需矛盾f 1 益突出，缺口逐年增大( 贺燕丽，2 0 0 8 ) 。 机械浆是利用机械方法磨解纤维原料所制成纸浆的总称。由于原料和磨浆方 法不同，其品种很多，以木材为原料的，称机械木浆或磨木浆；以草类为原料的 称机械草浆( 陈嘉翔，1 9 9 0 ) 。机械木浆又分白色磨木浆和褐色磨木浆。白色磨 木浆色泽较白，包括普通磨木浆( 即磨石磨木浆) 、木片磨木浆、预热木片磨木浆、 化学机械浆等。机械浆具有生产过程较简单、成本低、得率高、污染小、成纸印 刷性能好、平滑度好，不透明度高等优点。随着造纸工业的发展，高得率制浆技 术和相应的漂白技术都取得了长足的进步，漂白化学热磨机械浆( b c t m p ) 、 碱性过氧化氢机械浆( a p m p ) 等新型制浆漂白工艺相继被开发出来，制浆得率 高并能使其成浆白度超过8 0 i s o 。在上述的白度水平上，其替代化学浆用于 生产高档印刷用纸、书写纸等是非常有潜力的。近年来机械浆也由圆木磨石磨木 浆向木片磨木浆发展，这是由于木片在磨浆前可采用汽蒸和化学药品处理而使其 软化，在磨浆时，避免损伤纤维并可节约能耗；还可使所采用木片树种范围扩大， 有利于小径材的利用，可充分利用木材资源；纸浆强度也高。而高得率浆如木片 盘磨机械浆这个研究课题的关键便是解决纸浆的返黄问题。 化学浆是以化学方法离解植物纤维而得的纸浆的总称。根据所用方法可分为 碱法浆、硫酸盐浆、亚硫酸盐浆、中性亚硫酸盐浆和氯化纸浆等。根据所用原料 可分为化学木浆、麻浆、草浆、竹浆、蔗浆、棉浆、苇浆等。纸浆质量和用途根 据原料类别和制浆方法而不同。例如亚硫酸盐木浆，洁净柔软，易于漂白，可用 以抄制高级书写纸和印刷用纸；硫酸盐木浆，纤维细长强韧，可用于制造工业技 术用纸等。 对于纸浆漂白，传统的技术主要使用大量含氯的化学药品( 氯或二氧化氯) ， 给纸浆工业造成排放污染物的问题。为了达到同益严格的环保标准，造纸工业目 前正在改变以前的方法，使含氯的化学药品的使用尽可能地减到最低限度。可供 选择的方法包括氧漂、延长蒸煮时间，以二氧化氯代替氯、使用过氧化氢和臭氧 进行漂白等，但大多数方法在处理过程中需要较高的成本。 所谓生物漂白，是指利用微生物或其分泌的酶处理纸浆达到脱木素或有利于 脱木素，并改善纸浆的可漂性或提高纸浆白度的过程。生物漂白有利于减少化学 2 山东大学硕士论文 漂白剂的用量，有效地降低后续污水处理负荷，使污水处理达到理想的效果。当 前，生物漂白的研究主要从四个方面进行：1 ) 微生物直接作用于纸浆进行生物 漂白；2 ) 半纤维素酶主要是木聚糖酶的辅助漂白；3 ) 木素降解酶的生物漂白； 4 ) 半纤维素木素酶体系生物协同漂白( 周亚军，2 0 0 7 ) 。由于木聚糖酶易于 从市场上购得，且价格相对较低，因而应用较为广泛。木聚糖酶助漂技术的研究 始于上世纪8 0 年代1 9 8 6 年，在瑞典斯德哥尔摩举行的国际造纸工艺生物技术研 讨会上，芬兰科学家v i i k a r i 等首次报道：松木和桦木k p 浆经过木聚糖酶预处理 后可以降低漂白氯耗，提高白度。这一报道极大地激发了各国科学家的研究热情 ( j o n ge d 1 9 9 7 ) ，相关的研究和应用工作在全球范围内迅速展开。 1 2 纸浆的返黄及研究概况 纸浆经过一定时间的存放或日光的照射，或者在特定的温度、湿度或某种波 长的紫外光照射下进行人工老化，纸浆白度就会有某种程度的损失降低，并由此 引起纸浆白度值降低的现象称之为返黄或者回色等。纸浆返黄造成白度损失，并 增加了漂白剂的消耗和漂白废水的污染，因此防止纸浆白度的返黄是纸浆漂白的 重要课题。 一 高得率浆基本保留了原料原有的木素，具有化学浆没有的某些优良特性，如 成本低、印刷性良好、不透明度高等。但是高得率浆的主要缺陷是纸浆的白度稳 定性差，极易返黄，从而大大限制了其商业用途。使得高得率浆主要被用来生产 新闻纸、广告用纸、纸板等使用周期短、附加值较低的纸品种。对于化学浆，其 返黄问题也一度是漂白工业研究的主要课题，漂白化学浆经日光和紫外光照射后 白度稳定性下降，表现出较大的白度损失。化学浆的热老化过程中生成的有色物 受许多因素影响，虽然对热诱导返黄研究的比较多，但黄色物质如何形成仍不十 分清楚。因此，如何有效地抑制纸浆的返黄程度，改善其白度稳定性，长期以来 一直是造纸工作者致力于解决的问题，并引起了造纸、化学品、微生物、光化学 等多行业多学科研究者的广泛兴趣。 1 2 1 关于纸浆返黄的研究现状 早在1 9 世纪末，欧洲人c r o s s 就发现了纸张的返黄或返色现象，并从此丌 3 山东大学硕十论文 始了纸张返黄课题的研究。早期的返黄研究主要停留在研究纸浆返黄程度以及原 料中树脂、金属离子等影响因素方面。2 0 世纪4 0 年代以后，随着研究手段的改 进和现代分析方法的应用，才丌始对纸浆返黄机理的研究，已经涉及到了纸浆的 纤维材料组成、纤维素和木素结构中的化学变化等( 窦正远，1 9 9 4 ) 。由于研究 手段的多样化和条件限制，所得研究结果的可比性差，结论难以统一，无法提出 完整的返黄机理( g e l l e r s t d eg ，1 9 7 7 ) 。直到2 0 世纪8 0 年代以后，研究手段和 分析技术进一步现代化，出现了漫反射光谱、自由基检测等诸多分析，许多返黄 机理才得到统一和确认，同时，也出现了大量有关纸浆返黄抑制技术的报道 ( e r i k s s o nk e ，1 9 8 5 ) 。 对于纸浆返黄的研究，主要是对于纸浆的研究主要集中在对c t m p 、t m p 、 p g w 这几种机械浆上，通过对纸浆进行一系列处理后，针对其提取出的木素化 合物进行分析( w uzh ，1 9 9 1 ) ，而对于直接针对纸浆进行处理的研究甚少。 目前日本、加拿大、美国、芬兰、墨西哥等国家对纸浆返黄都有较深入的研 究。v e r o n i q u et r i c h e t 等( t r i c h e tv 。19 9 6 ) 用紫外吸收剂喷洒在纸面上，利用 1 8w 的黑光灯对纸浆加速老化，认为u v 吸收剂的添加可以使纸浆受3 6 5a m 波 长的紫外光激发后，散射相对减少，可起到抗紫外光氧化的作用。房桂干( f a n g g o g o ，2 0 0 0 ) 等通过用紫外吸收剂和自由基捕获处理a p m p 后的研究，认为通 过添加剂，可以减少纸浆中醌型结构的形成从而防止老化；另外，他还用酸化处 理杨木a p m p ，但是并未得到很明显的抑制效果。n e i la w e i r 等人通过用失电 子基团c h 3 0 等代替芳香环上的结构，使紫外吸收红移，来抑制富含木素纸浆的 返黄。日本科学家住本昌之( t a c h i n b a n a ，1 9 8 9 ) 等人首开酶处理纸浆抑制其返 黄的先例，此法被认为是环境友好、非常有潜力的途径。其后h a t a k k a 等用醌甲 基化酶( h a t a k k a ，1 9 9 4 ) ，卢雪梅等用一株l i p 酶缺陷菌株所产的粗酶液对c t m p 进行处理( 卢雪梅等，2 0 0 0 ) ，均获得了一定的返黄抑制效果。 有关纸浆返黄机理的研究指出，纸浆返黄的基础为发色基团和助色基团以及 它们之间的相互作用。有些发色团在可见光区有强烈吸收而产生颜色，有些发色 团虽在可见光区没有强吸收，但由于助色团的存在而使其吸收光谱“红移”至可 见光区，从而产生颜色。在高得率浆中，残余木素中所含的发色基团包括松柏基 4 山东大学硕士论文 型、缩合木素型、醌型等近十种类型( s c h m i d tj a ，1 9 9 3 ) ，这指出了高得率浆 要比普通化学浆白度稳定性差的原因。许多研究认为羰基无论在纸浆的热或光返 黄中都起着一定的作用( s a n r ot a c h i b a n a , e ta 1 1 9 9 3 ) ，并可以通过一些含羰基 的模型物加以证实。同时发现当羰基和羧基在一起作用时，对纸浆返黄的影响更 大，而只有羧基作用时，纸浆则很少返黄。化学漂白浆白度的稳定性一般比高得 率漂白浆高，但经光、热和放置进行老化，仍有不同程度的返黄。漂白化学浆中 残留木素的数量已经很少，但与返黄有一定关系( g r a ga p ，1 9 9 8 ) 。此外，返 黄与纤维素中的醛基有联系。因半纤维素聚合度低、带有较多支链因此其在纸浆 中的含量多少也会影响纸浆的返黄程度。 温度和湿度对纸浆返黄影响的研究表明：高温、高湿的条件都会促进纸浆返 黄。当机械浆保存在4 环境中时，其返黄完全停止，有时还有增白作用。同 时，若未漂机械浆在常温下贮存在0 r h 条件下，也近于不发生返黄。 光照射是引起高得率浆返黄的一个重要因素，其光氧化的原理已被证实 ( c o o kcm 。1 9 9 7 ) 。电子自旋共振光谱研究本明，木材和纸浆在紫外光照射下 会产生自由基，并进一步氧化而生成有色物质。在国外，分别对酚型和非酚型的 木素结构单元在光老化中的变化作了研究( p a u l s s o n ，1 9 9 6 ) ，认为前者更容易发 生光导反应，酚羟基受光激发，引发苯氧自由基并进一步氧化成为醌型物质是纸 浆光返黄中的重要反应。此外，对甲氧基数量变化和对过氧化物受光分解等的研 究，都证实了自由基的氧化反应是光老化的主要反应。另外，树脂和金属离子不 仅本身受到氧化和水解作用时会产生颜色( y o o n ，1 9 9 9 ) ，而且在光照条件下会 引起氧化物和酚羟基等产生自由基而进一步氧化。 对于热致返黄的机理研究虽然比较多，但黄色物质是如何形成的原因还不清 楚，一些研究指出纸浆经过热老化后，浆的醛糖会产生能形成烯二醇，这种物质 的异构化作用，可能是导致返黄的第一步。也有的研究认为，导致碳水化合物形 成有色物的其它反应，可能是由游离基引起的。 1 2 2 返黄机理的研究 5 山东大学硕七论文 1 2 2 1 光返黄机理 目前通常认为光诱导返黄机理( 林本平，王双飞，2 0 0 7 ) 为：一些木素结构 如芳基q 羰基结构与苯环共轭双键可吸收紫外光，通过直接脱氢反应和单线态 氧反应等生成苯氧自由基；苯酰a o 芳基醚键以及芳基甘油b o 芳基醚键的 断裂等反应也生成苯氧自由基；经过进一步反应形成多种有色物质，如醌类或缩 合芳香化合物。但是对于光返黄机理的研究都是以木素模型物为研究对象展开 的，并不能完全适用于纸浆中的木素，因为浆中木素存在于纤维素和半纤维素中 且相互之间有多种化学键联结。 + 木素中的酚羟基结构在高得率浆光诱导返黄过程中扮演重要的角色，s i n g h 和l e a r y 的早期研究( l e a r y ，1 9 9 4 ) 已经充分论证了这一点，研究发现用甲基或 乙酰基取代酚羟基的氢原子可以有效地减少新闻纸的光诱导返黄。甲基化酚羟基 可以使未漂和漂白t m p 浆返黄程度降低1 5 2 0 ，但是甲基化并不影响返黄 速率( b o u r b o n n a i s 1 9 9 2 ) 。g i e r e r 和“n 用重氮甲烷甲基化磨木木素进行研 究( g i e r e r j ，1 9 7 2 ) ，也报道了类似的结果。甲基化处理可以抑制返黄但不能完 全阻止返黄，也说明除了酚羟基结构外，还有其它引起返黄的途径。酚羟基与羟 基自由基或烷氧自由基反应生成苯氧自由基。如图1 1 所示，苯氧自由基也可以 由羟基自由基或烷氧自由基夺取酚羟基的氢原子而形成。木素中的共轭型酚羟基 结构在大于3 0 0a m 紫外光的照射下即可直接生成苯氧自由基，苯氧自由基进而 转变成各种发色团而使纸张返黄( s h k r o b ，1 9 9 2 ) 。这些羟基自由基和烷氧自由 基可以由光、热或金属离子引发的氢过氧化结构均裂产生，而氢过氧化结构又可 由自动氧化反应生成，或者由烷基自由基与分子氧反应生成。 6 承豢 l 扣 奉象 通过醚化或酯化酚羟基基团来完全抑制光诱导返黄的努力失败，最终使人们 山东大学硕士论文 证实了另外两条引起光返黄的路径，即含q 羰基和含a 羟基的非酚型愈创木基 b 芳基醚结构基团的b o 4 醚键断裂生成苯氧自由基，而且发现这两条路径是 大多数高得率浆光返黄的主要原因。研究发现，无论是溶于溶剂中，还是吸收到 纤维上，经紫外光照射后模型物的b o 4 芳基醚键都会发生断裂( v a n u c c ic ， 1 9 8 8 ) ，并生成相应的单体产物：愈创木酚、苯乙酮和酮醇。这些产物的生成可 以解释为光诱导芳基醚键的断裂生成苯氧自由基和苯甲酰甲基自由基对的反应 如图1 2 示。 0 表熬 图1 2 木素中苯甲酰甲基b - - 0 4 芳基醚键的光诱导断裂 有关木素模型物的研究已经证实，苯氧自由基是高得率浆返黄过程中最主要 的中间体，然后在周围氧气或烷过氧自由基的作用下进一步生成各种有色产物。 通过对木素模型物光降解产物的分析和对光返黄富含木素纸浆的固态3 1 p n m r 测定，已经证实返黄有色产物是由各种醌型结构物质组成的。但是，对于苯氧自 由基进一步形成醌型发色物质的反应机理至今还未有权威性的研究和定论。最初 有人提出，苯氧自由基与分子氧发生脱甲基化反应生成醌型发色结构( g e l l e r s t d e ， 1 9 7 7 ) 。近来研究发现，单线态氧流穿过机械浆手抄片时并没有使纸页发生返黄， 反而有轻微的漂白现象；向愈创木自由基溶液中引入基态分子氧也不会发生任何 作用。所以，似乎各种形态的氧并没有参与醌型结构物质的生成。但是由分子氧 参与生成的烷过氧自由基与愈创木自由基结合时则立刻产生颜色，如图1 3 所示。 本出 叁索 冀_ h 後婉驻 图1 3 烷过氧自由基氧化苯氧自由基生成醌型结构 7 嚣 仑 山东大学硕十论文 高得率浆中还存在许多二羟基二苯乙烯、二苯基甲烷等相关类化合物，它们 名义上是无色的，但是这类发色团无色母体可以随时通过脱水或脱氢反应变成发 色结构体，如图1 4 所示。这种类型的转变对纸浆白度具有瞩目的潜在影响，并 且对于纸浆还原性漂白将是一个明显的弊端，因为通过还原而得到的无色结构易 被空气氧化为醌型发色结构( w u zh ，1 9 9 1 ) ，从而一定程度上抵消了还原漂白 的效果。 1 2 2 2 热返黄机理 ，羟鹾篷谚菠竣 f 童姚，3 弱n m 2 m , , - - - 4 7 9 , n m j j ：蠊；嗡絮獠l 骁；褥 弦m 带辱l 级1 m 图1 4 二羟基芪类无色体和发色体之间的转变 对于热返黄的机理主要是通过有关木素模型物的研究，证实木素热诱导返黄 为自由基引发的链反应机理，羟基自由基或烷氧自由基夺取酚羟基的氢原子而形 成苯氧自由基( s c a i a n oj c ，n e r o p e r r e i r a , w i n t g e n sv ，1 9 9 1 ) 。苯氧基也是老化 过程中产生的主要中间体，然后进一步被氧化生成发色团。与木素光诱导返黄不 同的是苯氧基中间体是各种酚型结构与基态氧直接反应而生成的，然而不同种类 的酚基团结构差异反应活性相差甚远，儿茶酚及对苯二酚是较活泼的两种酚型结 构，在氧的存在下或较温和的条件下能够迅速经苯氧基中间体生成对应的醌型物 质。对过氧化氢漂后机械浆木素结构的研究表明，漂白过程中过羟基阴离子亲核 进攻木素中的共轭羰基，部分反应生成了新的对苯二酚等酚类物质，同时形成了 亚甲基醌、苯乙烯等木素结构单元。所有这些结构都将影响到纸浆的白度以及白 度稳定性，如芪属于插烯类对苯二酚可以被氧化成芪醌，因此过氧化氢漂白高得 8 山东大学硕十论文 率浆较未漂浆有更大的返黄趋势，并且相比机械浆，化学浆更易发生热诱导返黄。 有的研究指出，浆在酸性介质中水解，会自戊糖形成呋喃化合物、糠醛；自纤维 素形成羟甲基糠醛。这些化合物具有强烈聚合的倾向。经热老化后，浆的醛糖能 形成烯二醇，经异构化作用形成l ，2 烯二醇，这可能是导致返黄的第一步，然后 自中间产物形成2 糠醛后立刻生成有色物。羧基和还原基同时存在时，其异构化 能力能导致返黄。针对纸浆热返黄的机制仍待进一步研究。 1 2 3 返黄值的表示方法 返黄值的表示方法有两种：一种是返黄前的白度减去返黄后的白度，另一种 是用返黄率表示：返黄率= ( 返黄前白度返黄后白度) 返黄前白度1 0 0 。 使用上述白度降低和百分数表示纸浆返黄的程度虽然很简单，但不能表明在 返黄过程中发色基团或者有色物质产生的多少，这是因为浆料白度高的时候，数 量相同的有色物质所引起的白度降低要多。介于以上原因，像p c 等被广泛应用 或者更为合理的表示方法也为研究者们探索和使用。 1 2 3 1p c ( p o s tc o l o u rn u m b e r ) 由于k s 即光的吸收系数与光的散射系数的比值，与纸浆中有色物质的数量 有直接关系，为了确切表示返黄过程中有色物质生成的相对数量，而采用纸浆老 化前后k s 的差数说明返黄的程度，并以p c ( p o s tc o l o u rn u m b e r ) 表示或称之 为p c 价、p c 值或返黄值。p c 的计算见公式1 1 ，光吸收系数是与发色团 含量成正比的数值，光吸收系数差( a k ) 是反映老化程度的最直接的表示方法 ( 卢雪梅，1 9 9 8 增刊) 。p c 越低，说明其老化程度越低，如果处理后的纸浆p c 值比对照降低，一般来说即认为这种处理有助于提高白度的稳定性，具有抑制纸 浆的返黄或老化的作用。 尸c 1 0 0 f ，堕一鱼1 - e l - ( r 4 5 7 ) f i m 2 一丝竺塑( 公乱1 ) l l 岛加fs o - j2 ( r 4 5 7 ) o t2 ( r 4 5 7 ) o k 一光吸收系数； s 一光散射系数； r 珊一不透光纸张的反射，即白度 9 山东大学硕十论文 1 2 3 2c i el 木a 术b 宰系统 这个系统中，a 木表示c i el 牵a 术b 木颜色空间中的红一绿坐标。正a 半值表示 红色；负a 枣值表示绿色。b 母表示c i el 木a 木b 半颜色空i h j 中的黄蓝坐标。萨b 宰值 表示黄色；负b 母值表示蓝色，如b 越大且大于零表示纸浆颜色越偏向黄色。我 们可以用返黄前后l ，一c 、a 木、a b * 的值表示返黄程度。 寰麓悖 二_ l ：0 善_ _ - 葛。i 1 - 2 3 3 白度改善率砌 图1 5c iel a b 颜色空间 其计算见公式1 2 ，这种方法可能具有较大的局限性，通过试验计算得知， 只要酶处理后的纸浆白度比对照有所提高，则此种方法求得的数据就大于零，即 对白度有改善作用，白度提高越大，改善作用越大。因此，这种方法只能指示酶 液对纸浆白度的作用，不太适宜用来做纸浆返黄的评价数值。 州) = 坠群圳。c b o c 一对照老化前的白度；b n c 对照老化后的白度： 1 2 4 抑制纸浆返黄的措施 目6 仃为止，研究报道的抑制纸浆返黄的措旌总体而言主要有以下方法：。是 1 0 山东大学硕十论文 利用化学药品如n a b h 4 、( c h 3 ) 2 s 0 4 等通过还原羰基和共轭双键，或通过醚化、 甲基化酚羟基等反应( s c h m i d tj a ，1 9 9 3 ) 使木素改性，以阻止光诱导初始反应 的发生。此法的缺点是只在短期内有抑制效果，还可能使纸浆特性发生不希望的 变化；二是在抄纸过程中加入返黄抑制剂，其中一类是自由基消除剂如硫醇类、 硫醚类化合物和抗坏血酸( p a u l s s o n ，1 9 9 6 ) 等，以阻止自由基反应；另一类为紫 外吸收剂( t a k a g ih ，1 9 9 0 ) 如苯甲酮、l ，2 二羟基苯甲酮等，把照射光中的紫外 光转变成热能且不影响纸的性能。但由于大多数返黄抑制剂与纤维无亲和力，必 须通过施胶或涂布等工艺涂在纸页表面( r a m o u sj u a n ，p a u l i o nl e a n d r o ，2 0 0 3 ) ， 使印刷纸生产等应用方面受到限制，而且这类物质大多数具有水不溶性，用量很 大，价格昂贵，许多化学品还是潜在的环境污染源，且有毒性，难以用于实际生 产。由于高得率浆返黄机理的多重性，单一的助剂在较低用量下很难达到所期望 的光稳定效果( 蒲俊文等，2 0 0 1 ) ，因此，寻找无污染且经济有效地抑制高得率浆 返黄方法的工作仍有待于进一步深入。 由于微生物可产生一系列对木素活性基团有屏蔽作用的酶类，主要是羟基烷 基化酶和醌还原酶等，通过酶的作用，能够改变木素活性基团的结构，降低其对 光和热的敏感性，达到抑制返黄的目的。目前已发现多种木材腐朽真菌及其胞外 酶液对纸浆返黄都有一定的抑制效果，如p c h r y s o s p o r i u m ，c o r i o l u sv e r s i c o l o r 和p l e u r o t u ss t r e a t u s 等。日本的住本昌之等人通过对木素模型化合物的研究，推 测酶抑制返黄的作用是氧化和还原反应的共同结果，在还原反应为主时，抑制返 黄的效果最佳( s a r t r ot a c h i b a n a , 1 9 9 2 ) 。山东大学的卢雪梅等人筛选到一株黄 孢原毛平革菌木素过氧化物酶缺陷株l i p - 1 4 ( 卢雪梅等，2 0 0 2 ) ，通过其胞外粗酶 液对c t m p 处理，得到了较好抑制纸浆热返黄的效果。1 9 9 4 年，芬兰科学家 ( h a t a k k a , 1 9 9 4 ) 曾用醌还原酶( c b q a s e ) 和酚甲基化酶( c o m t ) 等处理c t m p 和p g w ，虽然酶处理后的甲氧基含量增加，但是只用c o m t 处理的纸浆，其返 黄并未受到抑制。1 9 9 7 年，j o h a n n ab u c h e r t 用木聚糖酶和甘露聚糖酶对松树和 桦树牛皮纸浆预处理后，纸浆羧基含量下降，p c 值显著降低，即对返黄产生了 较好的抑制作用。总之，生物法处理纸浆表现出了良好的潜力。 山东大学硕士论文 1 3 本论文的研究目的及主要内容 前面的叙述已经表明，有效抑制纸浆的返黄对改善纸浆质量，增加纸浆用途， 提高纸浆产品附加值等具有重要意义，也是造纸工作者一直致力于研究的问题。 由于目前报道的采用化学法抑制纸浆返黄具有一定的局限性，因此研究新的抑制 纸浆返黄的方法具有重要的意义。虽然初步的研究结果表明，一定条件下采用酶 处理纸浆对纸浆的返黄具有一定的抑制效果，但目前国内外对酶处理抑制返黄的 研究尚没有深入和系统的报道。特别是在利用漆酶、纤维二糖脱氢酶等抑制返黄 方面未见报道。目前酶在纸浆漂白工业的研究报道很多，木聚糖酶促漂白目前也 已经应用于工业化生产。在上述情况下，本文对不同性质的酶液对不同性质纸浆 的返黄抑制效果进行了研究，意在希望通过该研究，进一步扩大酶在纸浆工业的 应用范围，同时希望能够将酶法漂白和酶法抑制返黄能够有机结合在一起，达到 提高纸浆白度和白度稳定性的双重目的。本论文的主要研究内容包括： ( 1 )不同性质的酶液处理对纸浆白度和白度稳定性的影响 ( 2 )酶液对不同来源和性质的纸浆返黄的抑制效果研究 ( 3 ) 相关酶液抑制返黄时处理工艺条件的优化 1 2 山东大学硕士论文 第二章酶液对机械浆返黄的抑制作用研究 2 1 导言 由于机械浆中含有大量的木素，使得它具有不透明度高，松厚度好等诸多优 点，但同时也是由于木素的存在，使得它在光、热的条件下尤其是紫外光照射下 极易返黄，限制了它在商业中的应用。真菌如白腐菌可以分泌对纸浆中所含的纤 维素、半纤维素、木素有水解或氧化还原作用的酶类，如纤维素酶、半纤维素酶、 醌氧化还原酶、漆酶等，通过酶的作用，有望改变木素活性基团的结构，降低其 对光和热的敏感性，达到抑制返黄的目的。本章中，我们从自然界筛选或直接用 实验室已筛选到的菌株，利用相应的产酶配方，对菌株进行液体培养，获得其粗 酶液，然后用这些酶液处理高得率浆纸浆，研究了不同性质的酶液处理对机械浆 返黄的抑制效果。 由于机械浆更易受紫外光照射返黄，而对于光老化方法，国际上尚无统一遵 循的标准，这主要是因为难以确定统一的老化光源。合适的老化光源除需要有与 自然光源相近的波长外，还要有加速老化的效果，以缩短老化时间，利于研究工 作的进行。实验中，我们采用最大吸收在3 6 5n n l 波长的紫外灯管，并与自然光 老化作了比较，保证了实验结论的精确性和可靠性。 对于纸张老化程度的评价方法，p c 值是得