（制浆造纸工程专业论文）预处理对麦草生物化学制浆的影响.pdf

摘要 对经过热水预处理、蒸汽预处理、机械预处理等不同方式预处理后的麦草， 再分别接菌黄曲霉a s p e r g i l l u s f l a v u s z c f 5 7 和镰刀菌f u s a r i u m j o 进行处理以 及采用a s p e r g i l l u s 砌v i i sz c f 5 7 产生的粗酶液进行处理，进而迸行化学制浆， 研究了上述麦草牛物( 菌) 法化学制浆和生物( 酶) 法化学制浆的制浆性能， 并与未经处理麦草的生物制浆效果进行了对比。对经过预处理麦草生物( 菌) 化学浆的研究结果显示，热水预处理由于有一定的低分子量热水抽出物溶出， 影响了a s p e r g i l l u s 加v 螂z c f 5 7 和镰刀菌f u s a r i u m 尉的生长过程中的碳源与 氮源，相对_ 丁_ 未处理麦草，反而不利于制浆效果的改善。蒸汽预处理在改善麦 草表面组织结构的同时对这些低分子抽出物最大量的保留，显示出与未处理麦 草类似的生长情况。机械预处理由丁增加了麦草原料的堆积密度，影响了通气 量，菌丝体明显少丁未做任何处理的麦草，从而制浆效果改善作用不明显。 对a s p e r g i l l u s f l a v l , i s z c f 5 7 和镰刀菌f u s a r i u m j “处理麦草天数进行了初 步优化，对比制浆效果，认为处理7 天可以达到较为珲想的效果，此时筛渣率 有较大下降，手抄片白度有1 2 i s o 的提高。继续延长处理时间，细浆 得率有较大降低，不利于麦草纤维的充分利用。对不同处理天数的生物( 菌) 化学浆结合d e d 和p p 两段漂白程序进行了研究，相对于各自的对照样，生 物( 菌) 化学浆均表现出良好的可漂性，可能是由于本身生物( 菌) 化学浆相 对于对照卡伯值较低，或者是生物( 菌) 化学浆纤维微观结构更有利于漂剂的 渗透。 对麦草生物( 酶) 化学制浆的研究表明，主要以卡伯值和白度为评价目标， 热水预处理改善效果较之蒸汽预处理、机械预处理对麦草生物( 酶) 化学浆的 改善效果为好。可能是热水预处理麦草较之未预处理麦草有较多的孑l 隙，这些 孔隙不仅有利于酶的更好渗透，还有利于酶解半纤维素的及时溶出。 对末预处理麦草接菌进行了扩大培养。对镰刀菌f u s a r i u m x 4 生物( 菌) 化学浆和对照浆进行了纤维质量分析，发现生物( 菌) 化学浆长纤维组分增加， 纤维质量优于对照样。在此基础上，结合更多不同漂序对未做任何处理麦草经 过镰刀菌f u s a r i u m 肼、a s p e r g i l l u s f l a v u s z c f 5 7 接菌处理7 天的生物( 菌) 化 学浆漂白性能进行了初步研究。结果显示，f u s a r i u m x 4 生物( 菌) 化学浆相 对于对照表现出良好的可漂性，一方面是由于原浆卡伯值较低，另一方面可能 是由于生物( 菌) 化学浆纤维孑l 隙率增加，生物( 菌) 化学浆中聚戊糖含量比 对照样低，分别为2 5 6 1 和2 3 5 6 。a 5 p e r g i l l u s g a v u s z c f 5 7 生物化学浆结 合a s p e r g i l l u s f l a v u s z c f 5 7 粗酶液助漂，效果较为明显，相对于各自的对照样， 一般会有3 i s 0 的白度提高，同时手抄片撕裂指数提高，但抗张指数有所下 降。 关键词：预处理：麦草；生物化学浆；镰刀菌f u s a r i u mc o n c o o fy 4 黄曲霉a s p e r g i l l u s f l a v u sz c f 5 7 a b s t r a c t t h ew h e a ts t r a ww a sp r e t r e a t e dw i t hd i f f e r e n tp r e t r e a t m e n tm e t h o d s ，i e ，h o t w a t e rp r e t r e a t m e n t ，s t e a m p r e t r e a t m e n t ，a n d m e c h a n i c a l p r e t r e a t m e n t ，t h e n b i o t r e a t e db yi n o c u l a t e dw i t ht w od i f f e r e n tf u n g i ，f u s a r i u mc o n c o l o rx 4a n d a s p e r g i l l u s j t a v u sz c f 5 7 , a n d c r u d ee n z y m ef r o ma s p e r g i l l u s f l a v u sz c f 5 7 , a n d c h e m i c a lp u l p a b i l i t yo fp r e t r e a t e dw h e a ts t r a ww a ss t u d i e di no r d e rt oe x a m i n et h e e f f e c to fd i f f e r e n tp r e t r e a t m e n tm e t h o d so fw h e a ts t r a wo nb i o c h e m i c a lp u l p i n g t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb i o c h e m i c a lp u l p a b i l i t yo f w h e a ts t r a ww a sn o ti m p r o v e d b yh o tw a t e rp r e t r e a t m e n tc o m p a r e dt ot h ec o n t r o l ，p r o b a b l yb e c a u s et h er e m o v a l o fw a t e rs o l u b l es u b s t a n c e sw h i c hw e r eu s e da sc a r b o na n dn i t r o g e nr e s o u r c e st h u s a f f e c t e dt h eg r o w i n go ft h e s et w of u n g io nt h ep r e t r e a t e dw h e a ts t r a w t h eg r o w t h o ft h et w of u n g io np r e t r e a t e dw h e a ts t r a ww i t hs t e a ms i m i l a rt ot h a to n u n p r e t r e a t e dw h e a ts t r a w t h em e c h a n i c a lt r e a t m e n to fw h e a ts t r a wh a san e g a t i v e e f f e c to ng r o w t ho f f u s a r i u mc o n c o l o rx 4a n d a a p e r g i l l u s f l a v u sz c f 5 7 , t h ei n o c u l a t i o nt i m eo fa s p e r g i l l u sf l a v u sz c f 5 7a n df u s a r i u mx 4o n u n p r e t r e a t e dw h e a ts t r a w w a so p t i m i z 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 e i n o c u l a t i o nt i m ew a s7 d a y s ，a n dt h er e j e c t sf r o mo r i g i n a l c o a r s ep u l pw a s d e c r e a s e da n dt h ei s ob r i g h t n e s so fp u l pw a si n c r e a s e db ya b o u t2 i s oc o m p a r e t h et h ec o n t r 0 1 w i t ht h et w os e l e c t e db l e a c h i n gs e q u e n c ed e da n dp p , t h e b l e a c h a b i l i t yo fb i o c h e m i c a lp u l pw a sb e t t e rt h a nt h ec o n t r o l ，p a r t i a l l yb e c a u s et h e l o wk a p p an u m b e ro rt h ee a s i e rp e n e t r a t ef i b e rc o n d i t i o n sf o rb l e a c h i n ga g e n t s b e c a u s eo ft h ep a r t i a l l yr e m o v a lo fh e m i c e l l u l o s ec o m p a r e dw i 山c o n t r 0 1 y i e l d so f t h es c r e e n e dp u l pw e r ed e c r e a s e ds e r i o u s l yi ft h eb i o t r e a t m e n tt i m ew a se x t e n d e d e x c e s s i v e l y t h eb l e a c h a b i l i t yo fb i o c h e m i c a lp u l po fw h e a ts t r a ww a ss t u d i e d u s i n gd e d a n dp pb l e a c h i n gs e q u e n c e c o m p a r e dt ot h ec o n t r o l s ，t h eb l e a c h a b i l i t y o fc h e m i c a lp u l pf r o mp r e t r e a t e dw h e a ts t r a ww i t ht h ef u n g ii s g o o d ，a n dt h e b l e a c h e dp u l pw i t hh i g h e rb r i g h t n e s sw a sp r o d u c e du s i n gt h es a m e b l e a c h i n g s e q u e n c ea n db l e a c h i n gc o n d i t i o n s t h ee f f e c to fc r u d ex y l a n a s ef r o ma 5 p e r g i l l u sf l a v u sz c f 5 7p r e t r e a t m e n to n c h e m i c a lp u l p i n go f p r e t r e a t e dw h e a ts t r a ww i 山h o tw a t e r , s t e a m a n dm e c h a n i c a l m e t h o dw a ss t u d i e d a n ds h o wt h a tt h eh o tw a t e rp r e t r e a t m e n tw a st h eb e s tf o r i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fx y l a n a s ep r e t r e a t m e n tc o m p a r e dw i t hs t e a ma n d m e c h a n i c a lp r e t r e a t m e n t ，p r o b a b l yb e c a u s et h er e m o v a lo fs o m ew a t e r - s o l u b l e s u b s t a n c e s ，w h i c hf a c i l i t i e st h ep e n e t r a t i n go fc r u d ee n z y m e f i b e rq u a l i t ya n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ep r o p o r t i o no fl o n gf i b e r si nb i o c h e m i c a l p u l pf r o mp r e t r e a t e dw h e a ts t r a wb yf u s a r i u mc o h c o o fx 4w a sb i g g e rt h a nt h e c o n t r o lp u l p t h eb l e a c h i n gr e s n k sf r o md i f f e r e n tb l e a c h i n gs e q u e n c es h o wt h a tt h e b l e a c h a b i l i t yo fb i o c h e m i c a lp u l pf r o mp r e t r e a t e d w h e a ts t r a wb yf u s a r i u m c o n c o l o rx 4w a ss u p e r i o rt ot h eo r i g i n a lw h e a ts t r a wc h e m i c a lp u l p ，p r o b a b l y b e c a u s eo ft h el o wk a p p an u m b e ra n dl o wh e m i c e l l u l o s e sc o n t e n tw h i c hf a c i l i t i e s t h ep e n e t r a t i n go fb l e a c h i n ga g e n t s i tw a sf o u n dt h a tx y l a n a s ep r e t r e a t m e n t i m p r o v e dc h e m i c a lp u l p a b i l i t yo fw h e a ts t r a w p r e t r e a t m e n tw i t hc r u d ex y l a n a s e f r o ma s p e r g i l l u sf l a v u sz c f 5 7p r i o rt oc h e m i c a lb l e a c h i n go fb i o c h e m i c a lw h e a t s t r a wp u l pc o u l di n c r e a s ei s ob r i g h t n e s sa n dt e a rs t r e n g t ho fb l e a c h e dp u l p su s i n g e c fa n dt c f b l e a c h i n gs e q u e n c e k e y w o r d s ：p r e t r e a t m e n t ；w h e a ts t r a w ；b i o c h e m i c a lp u l p ；f u s a r i u mc o n c o l o rx 4 a s p e r g i l l u s f l a v u sz c f 5 7 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 义上己属于他人的任何形式的研究成果，也1 i 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己在论文中作了 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、公开阅览、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印件和 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 导师签名 ：么盔喻 邂翻日 期：2 q q 年卫月星量日 期： ! q q ! 年至一月呈里同 山东轻工业学院硕上学位论义 第一章绪论 据估计：中国纸与纸板产量2 0 0 6 年将达到6 0 0 0 万吨，2 0 1 0 年将突破8 0 0 0 万吨 1 1 ，“十一五”期间平均每年将以1 0 左右的速度递增。如此快速的增长， 造成了对纤维原料的巨大需求，同时也使我国造纸工业的快速发展与纤维原料 供给的相对滞后这一矛盾加剧。单靠国外供应木浆来解决我国造纸业面临的问 题是不现实的。联合国粮农组织( f a o ) 统计，近年来，全球平均每年森林面 积减少9 4 0 万公顷，随着世界原始森林数量的减少，木材产量将不断下降，各 出口国的木浆出口量不可能大幅增加，而且还有可能下降。因此，要从根本上 化解我国造纸业原料危机，目前除了进口大量木材及废纸外，就是实施林纸一 体化工程。2 0 0 1 年，国家发布了关于加快造纸工业原料林基地建设的若干 意见，林纸一体化在论证了二十多年后才丌始加快发展。2 0 0 4 年国务院还批 准实施了全国林纸一体化工程建设“十五”及2 0 1 0 年专项规划，使我们看 到了我国造纸工业可持续发展的前景。 但是在目前国情下，实现林纸一体化、解决造纸工业所需林木，还有一段 漫长的路要走。林纸一体化只是少数几个有雄厚实力的造纸企业的尝试。作为 我国纤维原料重要组成部分的稻麦草在制浆方面虽然存在这样那样的问题，但 是随着制浆工艺技术的进步，草类资源必将会被充分合理利用，这也是解决我 国造纸工业原料缺口的需要，同时配有草浆生产出来的纸张也因具有较高的性 价比而倍受市场欢迎。在合理利用的同时，也应该注意到当今中国纸业的主要 污染源是草类制浆和漂白工序中排放的废液。我国草浆生产c o d 排放量占整 个造纸业排放总量的6 0 左右，是主要的污染源。特别是以草类为原料在制 浆过程中产生的草浆黑液污染性最强。随着国家环保力度的加大，以草类原料 为主的中小造纸企业如果不采取清洁的制浆漂白工艺，必将面临着生存的巨大 压力。这就要求造纸企业应该从源头上来治理污染，而不是将污染物在末端处 理。 1 1 生物技术在制浆造纸工业中的应用 近年来，生物技术与制浆造纸工业的结合使制浆造纸工业在很多方面取得 了令人满意的效果，生物技术在制浆、漂白、纸浆品质提升、废水处理等方面 的应用前景得到更多的青睐【2 1 】，是造纸环境友好性的体现。在这其中，生物 制浆，利用微生物或是其产生酶对制浆原料进行预处理然后再与相应的机械 法、化学法及有机溶剂法相结合而制浆的过程，以其在环境方面和能源节省等 方面的独特优势【5 9 】而代表着未来清洁制浆发展方向之。过去的几十年，人 们对生物制浆投入了较多的精力，取得了许多令人鼓舞的成绩。利用微生物或 第一章绪论 是酶对木素的降解来部分替代制浆漂白过程中的化学品的作用，适应现代清洁 制浆的发展理念，也是草浆造纸可持续发展的重要出路。研究适应草类原料的 生物制浆方法不仅具有很强的现实意义，也是适合中国国情的。在过去的几十 年中，人们对生物制浆进行了较多的研究，对生物机械浆的可行性分析也取得 了肯定的结论 i 。但对非木纤维的原料的研究较少。非木纤维相对于木材来 说一个显著的优点是其组织结构相对疏松，低分子量半纤维素、水抽出物较多， 因此有可能利用更少的时间取得较好的效果。 1 1 1 生物制浆用菌种 微生物( m i c r o o r g a n i s m ) 的分类如图1 1 ，但有生物制浆潜能的菌种主要 是能够产生降解木质纤维素的酶的真菌，大多数属于子囊菌类、半知菌类或担 子菌类。 微生物 属于动物类原生动物 图1 1 微生物( m i c r o o r g a n i s m ) 的分类 1 1 2 降解植物纤维细胞壁的微生物 从微生物对天然纤维中各组分反应的难易程度来看，半纤维素最容易被分 解利用，纤维素次之，木素最难，同时木素是植物组织进化的产物，它对生物 纲纲澜纲 ； 一一一 椭 一 ， 厂l ，l l u m a b e u 、l e n z f f e st r a b e a m 、c o n i o p h o r a p u t e a n 和f o m i t o p s i sp i n i c o l a 。褐腐菌的菌丝一般生长在纤维物料的细胞腔，通过原 有的开孔或在细胞壁生成具缘孔而渗透到相邻细胞。褐腐菌虽然主要降解碳水 化合物，但其大多数不能降解与利用纯纤维素。 能够引起木材发生软腐的真菌即软腐菌，它属于子囊菌和半知菌类，主要 包括a s p e r g i l l u sn i g e r 、 c h a e t o m i u mg l o b o s u m 、t r i c h o d e r m av i r i d e ( r e e s i ) 、 t h i e l a v i at e r r e s t r i s ，f u s a r i u mo x y s p o r u m 、p e n i c i l l i u m e n t h i l l e n u m 。它们能 有效地降解木材中的碳水化合物但只能轻微地改变木素的结构。软腐菌通常有 两种作用形式，一种是在细胞次生壁形成孔洞，另一种是由于细胞腔中的菌丝 向胞间层伸展而侵蚀全部次生壁。 1 1 3 纤维素、半纤维素、木素的酶解 1 ) 纤维素的酶解 纤维索是由脱水d 吡喃式葡萄糖单元通过相邻糖单元的l 位和4 位之问 的b 一苷键联接而成线性高分子聚合物。天然纤维素以直链结构存在，链与链 之间有一定的晶状结构和排列次序较差的无定形结构。降解纤维素的酶系主要 包括：内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、b 一葡萄糖苷酶、纤维二糖醌氧化还原酶、 纤维二糖磷酸化酶。内切葡聚糖酶随机的从纤维索链上降解d 1 ，4 葡糖苷键， 其结果是链长度快速减少并缓慢增加还原性末端基。外切葡聚糖酶使纤维二糖 从链的非还原性末端裂开，使纤维索降解。b 一葡萄糖苷酶，催化降解能溶于水 的纤维糊精以及烷基和芳基b d 一葡糖苷。纤维素的酶解体系是由水溶性的纤 维素酶解体系和水不溶性的纤维素构成，纤维索一般认为由纤维素降解酶系以 第一章绪论 协同的方式相互作用进行转换底物不溶底物为葡萄糖，但纤维素的结晶度在很 大程度上影响到纤维素酶对纤维素的可及度。纤维素酶优先作用于无定型区纤 维素，几乎很难作用于纤维素的结晶区。这也限制了纤维素的综合利用。 2 ) 半纤维素的酶解 半纤维素是植物多糖的主要的成分，主要包括木聚糖和甘露聚糖等，拥有 众多的支链取代基团，在制浆过程中会消耗大量的碱，因此如果能够在制浆之 前利用半纤维素酶除去一部分半纤维素，便有可能实现低碱制浆。 木聚糖酶解 木聚糖主要由d 。木糖基的线性链所构成。阔叶木中木聚糖是由聚o 一乙酰 基一4 o 一甲基葡萄糖醛酸基木糖组成；针叶木中木聚糖则主要是由阿拉伯糖基 4 0 一甲基葡萄糖醛酸基木糖组成。稻草木聚糖的主要组分是d 葡萄糖醛酸或 它的4 0 一甲基醚和阿拉伯糖。 木聚糖结构的复杂性决定了木聚糖的完全酶解也是一个复杂的过程，其中 涉及到多种木糖水解酶的协同作用。木聚糖多为异聚多糖。主链和侧链上都均 有多种取代基团，因此它的降解需要多种酶参与。主要有b l ，4 一内切木聚糖、 b 木糖苷酶、旺l 呋喃型阿拉伯糖苷酶、u 葡萄糖醛酸苷酶、乙酰木聚糖酯酶、 酚酸酯酶。图1 2 展示了这些酶在木聚糖上的作用位点。 f c r ( p c o u m ) 掣 a cl in 一4 x 刍d - 4 。y l ! - 4 x y l l 3 1p l - 4 x y i p 厶。髫d 1 4 础i i l 气y l d i 览y i 卤芑x y 州 一4 x y l d l 4 。型8 1 - 4 x y l p l 4 。鼍o - 4 x y p l j 。y 。p l j 。y 1 8 1 矗x y l p l 一 l m 。巷i c a a 。 4 x y l p l _ 4 x y z p l 4 - e n d o 1 。4 - o - x y l a n a s c ( e c3 , 2 1 8 ) d - x y l o s i d a s e ( e c3 2 13 7 ) _ a - g l u c u r c o n i d a b e ( e c3 21 、 a l - a r a b i n o f u r a n o s i d f i t s e ( e c3 2 15 5 ) 一 f e r u l o y l ( p - c o u m ) c s t c r “c a c c t y l c s t c r a s e ( e c3i ，1 6 o f a e c t y lx y l e mc s t c r a s e 图1 2 木聚糖结构及其降解酶系统的催化位点i “i 绝大多数的d 一1 ，4 一内切木聚糖最适p h j , 于p h 7 0 ，最适反应温度在4 5 。c 掣k 9 b k。 j j 东轻j 一业学院硕士学位论文 7 5 之间。多数内切木聚糖酶能够降解d p 值大于2 的寡聚木糖，其亲和力随着 d p 值下降而降低。d 一木糖苷酶主要作用于寡聚木糖，属于外切酶的一类。它 对底物的亲和力随着d p 值的降低而增加，因此对多聚木糖几乎表现不出活力。 值- l - 呋喃型阿拉伯糖苷酶通常分为两种，一种为外切酶，占多数，可以 作用予沙硝基酚呋喃型阿拉伯糖苷和分枝阿拉伯聚糖；另一种为内切型，占 少数，仅作用于线性阿拉伯聚糖。伐一葡萄糖醛酸苷酶水解葡萄糖醛酸和木糖残 基之间的a - 1 ，2 一糖苷键。乙酰木聚糖酯酶作用于木糖残基c 2 和c 3 上的乙酰 取代基团，它可以消除乙酰基团对内切木聚糖酶作用的空间阻碍，增强内切木 聚糖酶对木聚糖的亲和能力1 1 2 1 。酚酸酯酶主要包括香豆酸酯酶和阿魏酸酯酶。 前者切除香豆酸和阿拉伯糖残基之间的酯键，后者切除阿魏酸和阿拉伯糖残基 之问的酯键。这些酶通过特定的协同机制作用于木聚糖，从而使木聚糖降解成 各种单体。 甘露聚糖的酶解 l ，4 一d d 一甘露聚糖酶可以降解l ，4 一p d 一甘露糖呋喃苷键和d 一半乳糖 基一d 一甘露聚糖。1 ，4 一b 一甘露聚糖苷酶可以从它们底物( 甘露寡糖和含甘 露糖的糖肽) 的非还原性末端基降解1 ，4 - - b d 一甘露糖基。n 一半乳糖苷酶广 泛存在于微生物和动植物中，这种酶催化降解蜜二糖、甲基、乙基、苯基和邻 硝基苯一n d 半乳糖苷。同样，甘露聚糖的完全酶解也需要多种甘露聚糖降 解酶的协同作用，在木质纤维原料中的降解还受到纤维细胞壁对酶扩散的阻 碍。 3 ) 木索的酶解 木索是由苯丙烷结构单元通过c c 键和醚键连接而成的具有复杂的空问 三维结构的芳香类化合物。自然界中具有分解木索的木材腐朽菌类主要在真菌 门的担子菌纲、子囊菌纲和半知菌纲。白腐菌对木素分解起主要作用。另一类 为褐腐菌，它可使木素部分分解，如脱甲基、羟基化反应。它们多属于担子菌 纲和半知菌纲。木素降解酶系较为复杂，其中研究较多的是过氧化物酶( i i i p ， m n p ) 、漆酶( l a c c a s e ) 和产牛h ：0 ：氧化酶。其中过氧化物酶和漆酶靠生成酚氧 基而氧化酚型化合物，非酚型化合物则被氧化成相应的阳离子基。其中锰过氧 化物酶、木素过氧化物酶分别能够对酚型、非酚型的木素单元进行氧化降解， 而单纯的漆酶由于其较低的氧化还原电势，只能氧化酚型木素结构。但如果有 合适的氧化还原介体( m e d i a t o r ) 漆酶也能氧化非酚型的木素结构单元。其可 能的作用路线图如下( 见图1 3 ) ： 第章绪论 co cd 断裂 烷赫艿艰裂 c0 一c f j 断裂 烷难艿肇断裂 p 一1 ，b o 4 断裂 图1 3 木索降解酶系可能的作用路线 1 2 生物制浆的效果评价 有研究表明，生物处理后引起的木材结构与化学变化与随后的制浆效果相 关，并影响纸浆的最终质量和制浆过程中的化学品用量1 1 3 - ”i 。另外，生物处理 的效果也直接影响着随后的制浆过程。但牛物降解程度在多大程度上影响及为 什么影响随后的制浆过程和效果，是造纸工作者比较关心的问题。因此有必要 对牛物处理过程中原料结构与组成等发生的变化做出客观准确的评价，以期对 最终生物制浆效果和纸浆质量做出较为准确的分析和判断。 一般来说，评价生物处理过程中发生的变化的指标丰要包括原料的失重情 况、原料的微观形态学结构、各主要组分含量及相瓦间连接键型的变化等。大 多情况下仪采用单一的评价指标是不够的，如j o n e s 等人【l 州研究发现深度降解 的木材可能含有3 0 的菌生物量含量，因此，如果用失重来表征菌降解程度， 还应与其他分析方法结合，如使用硝基苯氧化、高锰酸钾氧化、碱性氧化铜氧 化等一些传统的方法，并结合仪器分析等手段测定其中一些主要组分的含量或 是鉴别其所属类型，以较为准确地描述生物降解过程中各组分含量的变化规 律。但若进行更为深入的研究，仅进行上述量的分析也是不够的，如g u a d a l i x m e 等研究发现 1 7 】，除了木素含量的减少以外，木素主要结构的变化，或者 木素、半纤维素联接形式的变化等都会对纤维的解离与酶的可及度，酶能够发 挥作用的范围等产生影响，因此还必须对生物降解过程中发生的变化进行进 步的分析和研究。现代分析仪器和分析技术的发展，使人们可以借助于现代分 东轻i 业学院硕士学位论文 析手段，如f t i r ，n i r 、p y - g c m s 、n m r 、”cc p m a s 、h p l c 、c r y o - f e s e m 、 t e m 、s e m 等，来达到上述日的，如对纤维素( 如聚合度、a 纤维素含量) 、 半纤维素( 如多戊糖含量及其与木素之间的连接类型) 、木素( 降解木索的类 型、连接键型等) 等的变化进行定性和定量，以对生物处理过程和生物制浆效 果进行分析和判断。 1 2 1 原料中纤维素和半纤维素组分变化的评价 在生物制浆过程中，原料中纤维素和半纤维素组分的变化是人们比较关注 的，因为纤维素和半纤维素的变化情况对纸浆得率及纸张强度有重要的影响， 纤维素聚合度的变化也直接影响着最终的成纸质量。因此对生物制浆过程中纤 维形态和纤维素降解情况作较深入了解是非常必要的。f e r r a za 等【1 引通过测定 综纤维素、粘度与。一纤维素等指标来表征纤维素的降解情况。c h a v o n d aj 等 ”9 j ) 千j f q a 分析了酶预处理对硫酸盐浆纤维的影响，发现相对于酶处理浆，未 处理浆中含有较多的细小纤维，纤维的平均长度较短，影响了未处理浆的结合 力及零距抗张强度。已有研究表明木素、半纤维素对纤维素微细纤维的作用力 越小，零距抗张强度在温条件下下降值便越大【2 0 】。酶处理后纸浆的湿零距抗 张强度下降了大约1 8 ，而对照样只下降了6 ，说明酶处理后纸浆中纤维素、 木素和半纤维索之间的结合发生了较大改变。a n d e r s o ng u e r r a 等人1 2 l j 在利用 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 处理水材原料时，测定出对照样品、生物处理3 0 天 的样品和牛物处理9 0 天的样品中a 一纤维素的得率分别为4 7 8 ，4 2 6 和3 4 2 ，g p c 分析结果显示上述a 一纤维素的聚合度从3 0 天后有较大的降低。测定 n 纤维索聚合度的意义基于下而的假设：如果菌处理后解聚的纤维素依然与 木素半纤维素等大分子相连接，这时n 纤维素得率下降，但几乎探测不到葡 萄糖含量变化。该研究结论亦被f e r r a za 等人 2 2 1 的研究所证实。徐柏森等1 2 副 用扫描电镜观察结果支持其木聚糖酶处理使纤维的表面和内部超微结构发牛 变化的论断。据此认为是纤维表面和横断面上的j 电牛比较多均匀的孔洞和裂隙 是提高后续漂剂渗透性的原因。 f e r r a za 等研究【2 4 发现，因生物处理而导致的术材组分在结构和含量上的 变化可以在n i r 谱带强度上表现出来，纤维素的聚合度与n i r 谱带强度有直 接的关系。在1 4 7 0 、1 9 2 6 、2 0 9 4 2 0 9 8 、2 2 7 2 、2 4 8 7 n m 谱带强度与q 纤维素 的平均聚合度相关，而a 纤维素聚合度对生物浆的强度有很大的影响【2 。 r o b e r t a 等1 27 1 用s i m o n s 染色牛物机械浆，观察到了生物预处理浆中有大量的细 纤维化的纤维，促进了纤维之间的结合，牛物处理后纸浆染色呈橙色，而末牛 物处理纸浆显深蓝色，因而可以用来评价不同菌种的牛物制浆效率。此外，”c 第章绪论 c p i a s 能对不溶性大分子的不同结构单元的相对量提供全面，非破坏性的评 价。c p m a s 还可以探测不同结构大分子之间的碳连接类型。g u a d a l i xm e 等 人郾j 的研究结果恩示相对于烧碱麦草浆，经过生物处理后麦草浆成分在量和 质上并没有太大的不同，丰要是乙酰基对应信号强度的降低，说明生物处理优 先对半纤维素发生作用。c p m a s 显示1 0 5 p p m 处的信号强度( 对应于搪单元 c 1 ) 与8 4 p p m ( 糖单元c 4 ) 比值增加，这与g i l a r d i 等【2 9 】的研究结果一致。原 因可能是微生物处理对半纤维素的选择性降解引起的谱带尖化作用。 有研究显示【3 0 1 ，牛物降解过程中，由于在麦草细胞壁中蛋白质与多糖形 成共价结合，因此水溶性组分中氮的含量可以与底物中的碳水化合物降解相联 系。实验已证明弘“：在麦草固体发酵过程中，由于p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u 蜥 菌株相比p l e u r o t u se r y n g i hp h l e b i ar a d i a t a , 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 等其它 三种菌株可以更多地降解碳水化合物，因此其可溶性氮含量相对而言是最高 的。在1 5 天的麦草固体发酵期内，水解部分的红外光谱显示脂肪族化合物在 2 9 2 0c l z l l 和1 4 6 0c m l 的峰强度较小，说明艿香族产物的聚集。 1 2 2 对木素组分变化的评价 生物处理过程中，木素在含量及连接键型方面的变化是各种分析方法关注 的焦点。应用传统的测定k l a s s o n 木素等方法可以对木素含量进行定量，但是在 生物处理过程中木素本身联接键型的变化及其与纤维素和半纤维素之间联接 键型的变化则往往借助于现代的仪器分析方法，一般是采用红外光谱、紫外光 谱、核磁共振与传统的降解方法相结合，如对原本木素的醇解、酸解等，以及 使木素结构发生改变的高锰酸钾氧化、硝基苯氧化及热解等方法。 微生物处理时对原料中木素纤维素的降解一般分为两种类型，即所谓的同 步脱除木素纤维素组分和对木素的选择性脱除。前者使细胞壁明显变薄，而后 者却没有明显的变化。对于降解类型的确定，p y g c m s 法町以探测微生物处 理时木素纤维素组分的降解程度【3 2 l ，d e lr i oj c 等人 3 3 】通过测定失重，木素损 失量与失重比值表征菌株脱木素的选择性，另外，还用p y - g c m s 分析比较紫 丁香基型木素与愈疮木基型木素的比率，木素与碳水化合物比值确定所选菌株 降解木素类型和脱除木素的选择性，对s 型木素的优先降解被认为是与s 型木 素在4 号碳上的酯键连接有关。但对次生壁s 型木素的优先降解也使得随后的 降解阶段细胞角隅有较多的g 型木素【3 “。d o r a d o aj o s e 等人【3 l 】用红外光谱研究 了生物处理时木素脱除的选择性。木素的选择性脱除，可以间接由1 0 4 0 c m _ 1 寿右的吸收峰的强度来反映，在1 0 4 0c m _ 1 碳水化合物吡喃糖苷环有较大的贡 献。随着处理培养时间的增加，1 7 4 0c m _ 1 ( 非共轭羰基) 和1 6 6 0c m _ 1 ( 共轭 h 东轻工业学皖硕士学位论文 羰基) 谱带强度增加，说明所选菌株对芳环木素的氧化作用。k l a s s o n 木素含 量与碳水化合物的比值也可以表征所选菌株对木索或对碳水化合物脱除的选 择性。 付时雨等 3 4 , 3 5 1 在对白腐菌p a n u sc o n c h a t u s 降解稻草木素机理的研究过程 中，应用红外光谱及核磁共振光潜分析了用乙酸乙脂作为抽提剂抽提出的低分 子量木素降解产物，表明木素结构单元侧链的氧化反应产生醛基和a 一羰基， 低分子酸类物质的波谱显示木素单元结构氧化成酸类外，还发生侧链ca c b 的氧化断裂；应用“ c n m r 技术对降解后木素的高分子部分的结构特征变化 进行了研究发现生物作用过程中木素大分子形成了醌类以及。一羟基酸的结 构，与此同时伴随发生b o 一4 ，cc i cb 及c b cy 键的断裂和cy 的氧 化。 d e lr i oj c 等【3 3 1 通过比较木素热解后的_ i 同产物来表征微生物处理对核 木残余木索的改变。微生物处理后b 紫丁香酮、a 紫丁香酮和介子醛量明显 增加说明微生物处理使木素的侧链发生氧化改变，在菌株处理后的样品中a 一 紫丁香酮的较高得率可能是所选菌株对s 型木素的选择性降解所致，而丁香酸 与丁香酸甲酯的增加说明微生物处理使木素a 碳与b 碳之间的连接发牛了氧 化断裂。另外，李光日等 3 6 1 从元素组成、功能基含量、木素结构单元三种基 团的比例和分子量及其分布等方面对生物降解后苇浆残余木素性质进行了研 究，成功的对硫酸盐苇浆木素生物降解前后结构特征进行了对比。 u m s p ( u v m i c r o s p e c t r o p h o t o m e t r i c ) 可以描述并半定量纤维细胞壁不同 层的木索含量眇”j ，m e n d o n c ar 等| 3 9 】用u m s p 扫描紫外显微技术研究，松木 在生物制浆过程中经r 徊d ，f d 舻括s u b v e r m i s p o r a 处理后木素脱除的区域化学， 以通过评估生物制浆过程中木素的区域化学变化解释牛物预处理改善脱木素 的原因。u m s p 显示经过生物处理的木片相对于未处理的木片有更均匀的木素 脱除，认为可能是以f 两个方面的原因：一是生物处理后木素分子量变小更易 溶于蒸煮液，二是生物处理使细胞壁变得多孔而利于药液的渗透。经过 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3 0 天，可以明显看出细胞腔木素开始脱除。牛 物处理样品的s 2 层在2 8 0 n m 处的吸收为0 0 1 ，而未处理样品的s 2 层的吸收值为 o 2 2 o 2 9 。f e r r a za 等【“1 对生物处理后木材大分子n i r 谱带强度包含的信息进 行了研究，认为这些信息能够反应其结构特征。n i r 与。一h ，c = o ，c h 连 接相关1 4 ”，因微生物处理而使木材组分在结构与含量上的变化可以在n 1 r 谱带 强度上表现，木素中芳基醚键连接的含量与n 1 r 谱带强度有直接的关系。在 2 2 7 2 、2 3 3 2 、2 4 7 8 n m 处的谱强与芳基醚键量的多少成反比。c h r i s t o p h e r h 等人 4 1 】通过四甲基铵羟化物存在条件下的热解g c m s 技术研究爿g a r i c u sb i s p o r u s 降 第章绪论 解麦草的木素分子特性。显示相对于未处理样品，生物处理麦草的紫丁香基衍 生物与愈疮木基衍生物的比率较低。处理一定时间后，来自紫丁香基木素的 3 , 4 一二甲氧基苯甲酸甲脂与3 ，4 一二甲氧基苯甲醛的比率从1 o 升至6 4 ；相应地， 来自愈疮木基木素的3 , 4 ，5 一三甲氧基苯甲酸甲脂与3 ，4 ，5 一三甲氧基苯甲醛的比 率从1 7 升至3 1 。两种木素类型比率的差别说明紫丁香基型木素相对于愈疮木 基型木素更易于被微生物所降解。有人认为这是由于紫丁香基有较低的氧化还 原电势1 4 2 】。同时，比率的升高还说明脂肪侧链cq - - cb 的氧化断裂。 在木素生物降解过程中，起作用的酶类包括木素过氧化物酶( l i p ) 、锰 过氧化物酶( m n p ) 、漆酶( l a c c a s e ) 等。其中锰过氧化物酶、木素过氧化 物酶分别能够对酚型、非酚型的木素单元进行氧化降解，而单纯的漆酶由于其 较低的氧化还原电势，只能氧化酚型木