（微生物学专业论文）酶处理对麦草化学浆物理性能的影响研究.pdf

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增加，细小纤维含量降低，这应该是酶处理可以改善纸浆滤水性能和物理性能的 一个原因。 ，对z c f 8 9 粗酶液的基本酶学性质的研究表明，该酶的最适反应温度是5 0 c ， 0 但在4 5 5 5 之间仍保持8 5 以上的酶活，对温度稳定性的分析结果表明该 酶在5 0 以上时稳定性较差；z c f 8 9 酶液的最适反应p h 值是7 0 ，在p h 5 1 0 之间放置一天，可以保持6 0 的酶活性。 关键词：酶处理物理性能纤维长度酶学性质化学浆麦草 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei m p r o v e m e n to fp h y s i c a lp r o p e r t i e so fb l e a c h e dc h e m i c a lp u l pf r o mw h e a t s t r a ww i t he n z y m e st r e a t m e n tw a ss t u d i e di nt h ep a p e r n 圮r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e e f f e c t i v e n e s so fi m p r o v e m e n to fp h y s i c a lp r o p e r t i e sw a sr e l a t e dt o p r o p e r t i e so f e n z y m e t h et r e a t m e n t 、i t hc r u d ee n z y m ea n 一7 6a n dz c f 8 9l e dt oi m p r o v e m e n t e f f e c t i v e l yo fd r a i n a g ep r o p e r t y , t e a ri n d e xa n dt e n s i l ei n d e xo fb l e a c h e dp u l p so f w h e a ts t r a w h o w e v e r , t h es t r e n g t hp r o p e r t i e so f p u t p sw e r ed e c r e a s e db yt r e a t m e n to f e n z y m el 2 2w i t hh i 曲c e l l u l a s ea c t i v i t y t h ee n z y m ez c f 8 9w a su s e df o rt r e a t i n gb l e a c h e dc h e m i c a lp u l po fw h e a t s t r a wi nt h ep a p e ra n dt h ec o n d i t i o n so ft r e a t m e n tw a sr e s e a r c h e d t h eo p t i m a l c o n d i t i o n so fe n z y m et 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 e3 0i u g ( o no v e n d r yw e i g h to fp u l p ) ，p u l p c o n s i s t e n c y1 0 ，t r e a t m e n tt i m e9 0r a i n ，t r e a t m e n t t e m p e r a t u r e5 5 a n dp hv a l u e9 0 c o m p a r e dt ot h ec o n t r o l ，t h ed e g r e eo fb e a t i n g w a sd e c r e a s e db y2 5o s i la n dt h et e a ri n d e xa n dt e n s i l ei n d e xo fc h e m i c a lp u l po f w h e a ts t r a wi n c r e a s e db y0 6n a n 文| g a n d8 0n m g ，r e s p e c t i v e l y e f f e c to fe n z y m et r e a t m e n tw i t hc r u d ee n z y m ez c f 9 90 nt h ed i s s o l v i n go f r e d u c t i v es u g a ri np u l p ，s c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t ，a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ta n do p a c i t yo f 、 p d pa n df i b e rl e n g t ha n df i n e sc o n t e n tw a sr e s e a r c h e di nt h ep a p e r , t h er e s u l t ss h o w t h a tr e d u e t i v es u g a rc o n t e n ti nf i l t r a t ef r o mb l e a c h i n gs t a g ew a si n c r e a s e db ye n z y m e t r e a t m e n tc o m p a r e dt ot h ec o n t r 0 1 t h ee n z y m et r e a t m e n tr e s u l t si nl o w e ro f s c a t t e r i n g c o e f f i c i e n ta n d i n c r e a s i n go f a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n to f b l e a c h e dp u l po f w h e a ts t r a w , i t i n d i c a t e st h a te n z y m ez c f 9 9t r e a t m e n th a san e g a t i v ee f f e c to n b r i g h t n e s so f b l e a c h e dc h e m i c a lp u l p t h ee n z y m et r e a t m e n tw i t h3 0i u gx y l a n a s ed o s a g e l i t t l ei n f l u e n c eo no p a c i t yo fp u l p t h ef i b e ra v e r a g el e n g t hw a si n c r e a s e da n df i n e s c o n t e n t so f c h e m i c a lp u l pd e c r e a s e db ye n z y m ez c f 8 9t r e a t m e n t t h ep r o p e r t i e so fc r u d ee n z y m ez c f 8 9w e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e o p t i m u mp ha n dt e m p e r a t u r ew a s7 0a n d5 0 1 2 ，r e s p e c t i v e l y m o r et h a n8 5 o f o r i g i n a lx y l a n a s oa c t i v i t yw a sk e p ti nt h er a n g eo f 4 5 c 5 5 c i tw a sa l s os t a b l ei n t h er a n g eo f p h 5 0 1 0 0 k e yw o r d s ：e n z y m et r e a t m e n t ；p h y s i c a lp r o p e r t i e s ；f i b e rl e n g t h ；e n z y m e p r o p e r t y ；c h e m i c a lp u l p ；w h e a ts t r a w 2 山东大学硕七学位论文 第一章文献综述 1 1 制浆造纸生物技术的发展及应用概况 自从蔡伦发明了造纸技术以来，人们对纸的利用也越来越频繁。写字、印钞、 相片等用纸都成了日常生活中必不可少的部分。 传统的造纸工艺，无论是在制浆还是在漂白的过程中，都会给环境带来巨大 的污染：1 ) 碱法、亚硫酸铵法、中性亚钠法和半化学法等几种传统制浆技术在 蒸煮过程中有大量的黑液排出，污染了一些大小江河、湖泊，污染了我们赖以生 存的地球环境，在给人类生活带来极大危害的同时，也给国家经济造成了很大的 损失。2 ) 传统的漂白工艺由于有大量的含氯漂剂的参与，致使废水中含有大量 的有毒物质如二恶英等，这些物质能够引起人类的各种疾病，致癌、致残的现象 较易发生f l 】。 据统计，造纸工业是世界上六大污染工业之一。我国造纸行业年排放废水量 达4 0 亿吨，占全国工业废水排放量的，其中有机污染物( 以b o d 计) 达1 7 0 万吨， 约占全国工业废水中有机污染物总量的似。使用植物材料进行化学制浆与化学漂 白过程中，含有大量木质素、半纤维素和有害物质的废液被排放到江河湖泊，造 成严重的环境污染和生态破坏翻。 随着自身生活受到越来越大的影响，人们已经逐渐意识到治理污染，保护环 境的迫切性，造纸工业如不更新生产工艺，不治理污水，人类健康将面临重大危 机：但由于技术不过关，许多厂家虽然投入重金，购置黑液治理设备，耗费了大 量人力、物力、财力也没有搞好，致使造纸厂的生产成本提高，治污染运行费用 增加，企业的经济效益全面下滑，严重影响了企业的发展f 3 1 。因此，开发新的制 浆、漂白技术就成了人们关心的话题。制浆造纸生物技术也就应运而生了。 早在二十世纪六、七十年代，制浆造纸生物技术的研究就已经开始了。但是， 由于基础研究不够等原因，长时间未能取得突破。八十年代末、九十年代初，行 业需求极大地推动了生物技术研究的步伐，继木聚糖酶在纸浆漂白中得到应用之 后，一项又一项生物技术研究取得了重要突破，已经或者正在逐步进入生产应用 1 4 l 。 j - 山东大学硕士学位论史 1 9 7 9 年，美国的r k 和y 觚g 报道f 5 】，用白腐菌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 直接处理硫酸盐纸浆，接着进行碱抽提，发现浆中部分木素被降解，虽没有直接 的漂白效果但可减少后续漂白用氯量2 7 ：此后，白腐菌用于纸浆漂白的研究开 始逐渐丰富起来。 8 0 年代初，西方工业国家工业污染控制战略出现了重大变革，以污染预防取 代了污染治理。芬兰嘲率先将生物预漂白技术引入制浆造纸工业中。用木聚糖酶 对纸浆进行预漂白，可以减少随后化学漂白用氯量3 0 4 0 ，废液中有机氯化 物与毒性物含量显著减少 1 9 8 9 年，加拿大的m g p a i c e 等人川利用9 种白腐菌在通氧、搅拌的培 养条件下直接漂白阔叶木硫酸盐浆( h w k f ) 。结果表明：白腐菌c o r i o l u s v e r s i c o l o r 处理阔叶木硫酸盐纸浆5 天，白度可以增加1 5 ，达到4 8 i s 0 ，同时k a p p a 值从1 1 6 降到7 9 。 近年来，随着人们对生物技术研究的进一步深入拓展，生物技术在造纸中的 应用变得越来越广泛，生物技术用于造纸工业具有诱人的发展前景。当前，造纸 业普遍面临着原料短缺、能源供应紧张以及污染严重等问题。传统的方法在解决 这些问题方面己渐显不足，造纸生物技术作为一种迅速发展起来的新技术，在造 纸工业中的很多领域己充分显示它的优越性，并成为推动造纸工业向前发展的重 要动力之叼。 至今。用于生物预漂白的木聚糖酶的研究与应用正进入高蜂期，采用基因工 程与蛋白质工程手段获得性质优良的耐热碱木聚糖酶已经经历了三代的发展。从 第一代酸性酶，第二代中性酶，到第三代碱性酶。目前，对第三代木聚糖酶的研 究与应用正进入高峰期，采用基因工程与蛋白质工程手段获得性质优良的耐熟碱 木聚糖酶已成为各相关实验室的研究热点，期望不久的将来重组酶会更有效地应 用于漂白工艺中。目前，酶法助漂新工艺在欧洲和北美的3 0 余家大型纸厂得到应 用，成为生物技术在造纸工业应用最成功的一例加拿大已有约1 0 的硫酸盐法 纸浆厂采用了该新工艺。丹麦的诺维信公司和美国山道斯化学公司等多家酶制剂 厂商，纷纷推出了专门用于纸浆处理的木聚糖酶和纤维素酶新产品【4 1 。 目前，生物技术在造纸工业中的应用大致包括以下几个方面： 1 ) 酶法漂白 山东大学硕士学位论文 制浆过程中漂白工段往往添加大量氯及含氯化合物作为主要漂剂。由于加氯 反应的结果，致使废水及纸制品本身被检测出以二恶英为代表的剧毒物质，极大 地危害了环境质量，并对人类健康构成了威胁。1 9 8 6 年，v i i k a r i 等人首先报道了 用木聚糖酶对硫酸盐浆进行漂前预处理可以减少漂剂用量，并能使漂后浆达到较 高的白度从此，该项技术引起了广泛的关注并逐渐完善【9 】。 由于木聚糖酶用于漂白既可以节约漂剂用量，降低生产成本，又能减少漂白 废液污染，而且易于商业化，所以很快得到了工业化推广目前欧洲和北美的多 家大型硫酸盐浆厂已成功地应用了此项技术。国内酶法漂白的研究也已取得了较 大进展。张潇、张大同【1 0 】等人对桦木硫酸盐浆c e h - - - 段漂的研究表明，在白度保 持不变的情况下，经a n 7 6 半纤维素酶处理的浆料比未经酶处理的浆料可减少约 5 0 的用氯量，且漂后浆白度稳定性提高。陈嘉川【l l 】等人研究发现，用a n 7 6 木 聚糖酶处理n a o h a q 麦草浆，浆料可漂性明显增加，同时浆料滤水性能得到改 善，成纸脆性减小。强度有所提高，而且废水c o d 负荷大大下降。李彩霞【l2 】用 木聚糖酶处理麦草化学浆得到了同样的效果。这对于提高草浆质量，扩大草浆用 途，缓解我国木材短缺，减少环境污染有着重要的现实意义。目前，草浆的木聚 糖酶漂白技术已在我国山东一些纸厂开始了工业化试验 此外，酶解对纤维素纤维的光学性能，如光散射系数、光吸收系数、不透明 度和尘埃度也会产生一定的影响。 2 ) 酶法改性 酶处理不但可以助漂，还可以改善纸浆性能、降低能耗，如提高化学浆打浆 性能、改善机械浆的滤水性能及磨浆效果，改善纤维成纸性能。研究表明利用纤 维素酶和半纤维素酶等组分组成的酶系对纸浆纤维进行改性处理，可以提高纸浆 的滤水性能和抄造性能，使纸浆和成纸的质量得到显著改善这种作用称之为纤 维酶法改性 在一定用量下，纤维素酶处理硫酸盐浆能提高成纸的抗张指数。纤维素酶还 能提高薄页纸的柔软性，使纤维表面和整体的柔性上升用纤维素酶和半纤维素 酶处理纸浆，还可改善纤维压缩性，使纸页微孔性下降，紧度和不透明度升高f 1 3 1 。 采用木聚糖酶预处理碱法麦草浆的研究结果表明，木聚糖酶粗酶液处理不 会引起纤维长度的显著下降，但使细小纤维组分的比例有所降低对于成纸物理 山东大学硕士学位论文 强度方面的影响，若酶液中纤维素酶组分含量不高，则在适量的酶用量条件下， 由于木聚糖酶预处理导致的碱法麦草浆的撕裂指数和抗张指数的变化均较小。 一般废纸浆，其中存在大量的细小纤维，会降低纸张强度，增加滤水阻力， 因此，用酶处理此类纸浆不会影响强度。若先机械处理纸浆，然后再用酶处理， 会使纸浆的强度得到改善，这不失为条提高纸浆强度的有效途径，对二次纤维 有特别重要的意义。 目前，采用酶法改善二次纤维滤水性能的研究已取得较大的进展，在废纸浆 中，细小纤维及填料的高含量被认为是造成其滤水困难的主要原因。酶通过对废 纸浆中细小纤维选择性的水解得以提高废纸浆的滤水性能【1 4 】。s t o c kg 1 1 5 】等人认 为，在外切酶、内切酶以及半纤维素酶这些酶组分之中，对改善二次纤维滤水性 能起到至关重要作用的是内切酶，这种酶对于处理含有机械浆的二次纤维具有一 定的针对性，而对于含有大量化学浆的纸浆处理效果不明显。研究还发现，内切 酶与外切纤维素酶的协同作用对提高处理效果有较大帮助。 关于木聚糖酶对纸浆强度性质的影响有不同的观点有报道认为，经木聚 糖酶处理后，漂白的纸浆与未经酶处理漂白的纸浆相比，粘度会有所上升。也有 报道认为，在木聚糖酶处理后纸浆强度下降。其实，引起这些差异的原因可能是 与木聚糖酶是否经过钝化有关。如果未经过钝化，即木聚糖酶中还具有纤维素酶 活性，则处理后的纸浆强度会下降山东大学陈嘉川、曲音波、高培基等人用 a n - 7 6 、g 6 2 两种聚木糖酶粗制酶液处理麦草浆，可较明显改善纸浆的脆性，提 高纸浆的白度，纸浆强度性能也有所改善。在实验室研究成果的基础上，成功地 在几家造纸厂不同的生产线上进行了生产规模的麦草浆酶法改性试验，取得了如 下结果：( 1 ) 增强：裂断长平均增加3 0 0 - 5 0 0 m ，耐破度，耐折度和脆性也有所 改善。酶增强的机理可能是木聚糖酶破坏了纤维表面吸附的部分木聚糖和纤维素 酶对纤维的酶法打浆作用，从而增加了纤维间的结合力。( 2 ) 改善浆料的滤水性： 主要表现在出压榨湿纸页水分降低( 一般降低3 左右) 和网部水线前移。因此， 可减少干燥部蒸汽消耗，并可望提高车速。( 3 ) 提高了填料留着率：据测定，加 酶后填料留着率提高5 。1 0 ，白水浓度降低。此外，若酶处理后的浆料进行 洗涤，纸页白度提高2 一3 i s o 。生产试验显示出了草浆酶法改性的工业化潜 力 山东大学硕t 学位论文 山东轻工业学院的研究人员f 1 6 】曾研究了黑曲霉a n 7 6 纯酶对漂白麦草浆的改 性效果，通过对内切木聚糖酶以及内切纤维素酶的比较，发现内切纤维素酶在提 高麦草浆的裂断长和改善滤水性能等方面效果明显，而内切木聚糖酶有利于降低 纸浆的脆性，尤其是在与纤维素酶混合使用时效果更为明显。内切纤维素酶作用 于纤维素的无定型区，无规则的切断纤维素链，以便进一步水解r n 纤维素酶的 作用导致纸浆中亲水性的纤小纤维等物质减少，滤水速度加快，纸浆的打浆度下 降【嘲而木聚糖酶有助于去除纸浆中存在较多的亲水性半纤维素，从而也能够对 打浆度的降低起到一定的作用f 1 9 1 3 ) 酶法脱墨 近年来，随着二次纤维制浆的兴起，废纸脱墨技术已成为废纸回收再利用的 关键。传统的化学脱墨工艺由于使用大量化学药品而大大增加了后续水处理设旌 的投资再加上随着静电复印及激光打印技术的发展，使得传统的化学脱墨工艺 对于办公用纸上热固性油墨及某些有机调色剂难以取得较好的脱除效果【2 0 】。在此 背景下，由美国e d t 公司开发的酶法脱墨工艺，经过不断的改进，目前己成功地 应用于多家脱墨浆厂 对于酶法脱墨机理的研究，多数研究者认为主要是通过酶的生物催化作用， 减少散细纤维，使纤维表面光滑，有利于油墨粒子从纤维上脱除用于废纸脱墨 的酶主要是纤维素酶系，另外还包括某些半纤维素酶研究表明，利用纤维素酶 和半纤维素酶对废新闻纸脱墨后，纸浆具有更高白度，脱墨废水c o d 明显降低 工厂实验表明，加入较少量的商品酶制剂和表面活性剂对办公用纸进行处理，可 增大油墨的去除率与对照实验相比，纸浆具有较高的白度、洁净度，良好的滤 水性能和物理强度，对脱墨废水性质测定结果表明，废水c o d 含量及毒性都有所 下降国内酶法脱墨的研究近来也取得了较大进展邵志勇【2 l 】等人利用固体发酵 技术制备的脱墨专用纤维素酶制剂对废新闻纸进行了工业化试验，并用1 0 0 酶法脱墨浆抄选出合格的新闻纸 酶法脱墨虽已进入了工业化阶段，但仍有许多问题需要解决迸一步揭示酶 法脱墨机理，根据不同原料开发合适的酶制剂，摸索最佳酶法脱墨条件及工艺， 必将促使该工艺的全面工业化 山东大学碗十学位论文 4 ) 酶法脱除树脂障碍 树脂障碍是由树脂中的非极性成分，即甘油三酯造成的在使用松木作为生 产原料进行造纸时，树脂障碍尤为严重。树脂沉积在筛选机筛板、浓缩机下唇扳、 管道内壁及浆池表面、毛毯和吸水箱中，也可沉积在浆池、筛板、网前箱、造纸 网、伏辊、压榨辊、烘缸、压光辊上，这些沉积物降低脱水效率及纸页匀度、强 度，形成树脂斑点和孔洞，造成产品质量下降，引起纸幅断头，严重影响生产渊 传统控制树脂障碍的方法是将大批原木放在储木场老化和使用化学方法，用 滑石粉、硫酸铝、分散剂或表面活性剂、螯合剂等使树脂或附着在纤维表面或稳 定分散在浆水系统中而除去。但大量使用硫酸铝，对设备腐蚀严重，滑石粉用量 相对较多，容易磨损设备，造成纸张容易掉粉掉毛，都不能从根本上解决树脂障 碍问题矧 近年来，国内外研究利用脂肪酶处理纸浆成功地解决了树脂障碍问题，目 前这一技术已在工业生产中获得实际应用。脂肪酶可将针叶木树脂中的甘油酸三 酯水解成低粘度的树脂酸和甘油，从而避免了树脂在制浆造纸设备表面的沉积 早在1 9 9 0 年，日本就开始利用脂肪酶处理针叶木磨木浆，有效地控制了树脂 障碍问题随后，这一技术相继在日本的多家磨木浆厂获得应用欧洲也己成功 地进行了该项技术的实验室研究和中试研究，目前正在进行工业化实验国内利 用脂肪酶处理马尾松磨木浆研究表明，在最适宜条件下，浆料经脂肪酶处理2l l r 后，8 3 的甘油酸三酯发生水解另外，脂肪酶还可以有效地减少酸性亚硫酸盐 浆的树脂沉积量。福建南纸集团与四川宜宾纸业集团引进杭州格林费尔生化技术 有限公司的生物酶技术进行磨木浆树脂控制，生产试验已取得良好效果删 利用脂肪酶控制制浆造纸厂中树脂沉积是一项很有效的控制技术。但由于酶 在高温下容易失活，而且特定的酶对p h 的适应范围有限，因此，进一步提高脂 肪酶的耐热性，开发具有较宽p h 范围适应性的脂肪酶的工作仍有待于迸一步展 开 5 ) 造纸废水的处理 造纸工业废水主要由蒸煮黑液、漂白废液和造纸白水组成，这些废水中含有 纤维素、半纤维素、填料等固形物【2 5 】掘报道，加拿大e p i ( 环保研究所) t z 6 j 培养 山东大学硕士学位论文 的新型e p i c i n 及e p i z y m 微生物对污水进行处理由于此类微生物能分泌出更多 的高效浓缩酶，提高了b o d 、c o d 和各类有毒物质的生物降解，并能改善终端 絮凝能力，从而整体上提高污水处理能力，并能改变悬浮有机固体的物理结构使 之迅速分离，减少淤泥量的产生。 此外，生物技术还广泛的应用于制浆、控制腐浆等工艺中。 1 2 应用于制浆造纸生物技术中的酶类 生物技术是一项高新技术，已渗透到各个领域，酶工程是生物工程最重要的 组成部分，生物酶存在于自然界，是动、植物及其它有机体内产生的大型蛋白质， 具有高效能、高专一性、多样性，能降解特定高分子，加速合成化学反应的生物 催化剂，酶在使用过程中，不会像使用其他化学物质一样产生有毒物质，其排放 的物质也不会污染环境，酶制剂已经广泛地应用于食品, u - r 、纺织加工、洗涤剂、 饲料、医药等，给这些行业带来了新的生机和活力。 造纸工业中使用的生物酶主要有脂肪酶、酯酶、果胶酶、半纤维素酶、纤维 素酶和木素降解酶等【2 7 l 。这些酶可分别用于制浆、漂白、脱墨、树脂控制、改进 滤水性、腐浆控制等工艺。 1 2 1 纤维素酶 纤维素酶能催化纤维素及其衍生物的水解反应。纤维素酶利用微生物发酵而 得，生产纤维素酶的微生物有细菌、放线菌和真菌。不同微生物分秘纤维素酶的 方式不同，细菌的纤维素酶是胞内酶，存在于细胞壁内，不易提取出来，而真菌 的纤维素酶是胞外酶，被分泌到细胞体外进入培养介质中，易分离提纯，制成酶 制剂i 最早提出纤维素酶和纤维素作用机理的学说是c l - - c x 假说例此假说认 为，纤维素酶由c 1 、c x 和b 一葡萄糖苷酶组成，首先，c l 作用于结晶纤维素， 使其转化为无定型纤维素，然后由c x 随机水解无定型纤维素，使其降解为低聚 糖和纤维二糖，而纤维二糖由p 葡萄糖苷酶水解成葡萄糖 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、产物抑制效应和纤维素酶去活化效应等因素影响 山东大学硕士学位论文 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，将纤维层层剥离。纤维素结晶度越高，就越难以吸水润涨，使酶 分子难以渗入纤维作用。因而，无定型区比结晶区易于酶解。纤维素比表面越大， 吸附的酶浓度就越高，酶解速率就越快，因而，细小级分比长纤维级分易于酶解。 酶的分离纯化和检测技术的发展，使得对纤维素酶的认识加深，c 1 实际上 相当于外切b 一纤维二糖水解酶( c b h ) ，它主要作用于结晶纤维素的非还原末端， 生成纤维二糖，使纤维素聚合度缓慢降低；c x l , j 相当于内切d 1 ，4 一葡聚糖酶 ( e o ) ，它主要是随机地作用于无定型纤维素，使纤维素聚合度迅速下降；b 一葡 萄糖苷酶( b g ) 主要是将低聚糖和纤维二糖水解成葡萄糖【3 0 】 目前普遍为大家所接受的观点是把纤维素酶分为外切型葡聚糖酶( c b h ) 、内 切型葡聚糖酶( e g ) 和纤维二糖酶( b 一葡萄糖苷酶) 。外切型葡聚糖酶作用于纤维 素链的非还原性末端，顺序地游离出纤维二糖；内切型葡聚糖酶随机地作用于纤 维素内部结合键，切断纤维素链，纤维二糖酶则将所产生的纤维二糖分解为葡萄 糖【嘲。 1 2 2 木聚糖酶 木聚糖是一类广泛存在于植物体内的半纤维素的一种，在植物细胞壁中的含 量仅次于纤维素，约占细胞于重的3 5 。它的主链由b 1 ，4 糖苷键相连的b d 吡 喃型木糖残基聚合而成。一般将木聚糖分为硬木木聚糖和软木木聚糖两种口1 1 自然界中的木聚糖多为异聚多糖，主链和侧链糖基上有多种取代基团，主要 是乙酰基、葡萄糖醛酰基和阿拉伯糖酰基( 可进一步与香豆酸、阿魏酸等酚酸相 联) 3 2 1 。同型木聚糖很少，仅见于茅草、烟草和某些种子的外壳当中【3 3 1 木聚糖的降解需要多种酶参与。主要有p 1 ，4 内切木聚糖、p 木糖苷酶、a l - 呋喃型阿拉伯糖苷酶、甜葡萄糖醛酸苷酶、乙酰木聚糖酯酶、酚酸酯酶。图1 1 展示了这些酶在木聚糖上的作用位点。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。 山东大学顾卜学位论文 a c i 3 4 x y i d l 4 i p i 4 k m 童l 。a p e r l p - c o u m ) + 匆 k 科i p i 4 x y i 口1 3 4 x 趔p i 4 x y i i i ! l i t ! & y i 卤! 赫l d l 圳刖咖啦1 7 圳叫如啦丙x y 唯函x y l 即 - 4 x y l oi - 4 x y l bi i e n d o 1 。4 p x y l a n a s e e c3 2 i s ) p - x y l o s i d a s c ( e c3 2 i 3 7 ) 一a g l u c u r c o n i d a s e ( e c3 2 i ) a - 1 , - a r a b i n o f l l t a n o s i d a s e ( e c3 2 i 5 5 ) 一f c r u l o y l ( p i o m ) c s t c 艘 a c e t y l e s t e r u e ( e c3 i 1 6 ) o r a c e t y jx y l a ne 吼e m c 图1 1 木聚糖结构及其降解酶系统的催化位点p 4 1 因为木聚糖的结构比较复杂，要将其完全水解成木糖单体也是一个复杂的过 程。在水解木聚糖的过程中，上述各种木聚糖水解酶起着互相重叠但又各不相同 的作用。内切木聚糖酶在木聚糖的酶解过程中起主要的作用，它能切断木聚糖链 中的9 1 4 连接键。p 木糖苷酶从木糖的非还原性末端基释放出木糖基在木聚 糖的水解过程中，也存在着各种酶的协同作用乙酰基木聚糖酯酶和内切木聚糖 酶之间的协同作用能更加有效的降解乙酰化的木聚糖。乙酰基木聚糖酯酶作用于 木聚糖。释放出乙酸，同时也增加了内切木聚糖酶作用点的可及性。内切木聚糖 酶能切断乙酰化聚合物，这正是酯酶作用的底物。p 木糖酶作用于内切木糖酶的 反应产物，能够促进内切木糖酶对木聚糖的水解。同样的，a 阿拉伯呋喃糖苷酶 和内切木聚糖酶的协同作用也能促进阿拉伯糖基木糖的糖化过程1 3 5 利用半纤维素水解酶提高k p 浆的可漂性这一创意是f q v i i k a r i 在1 9 8 6 年首次 提出来的用半纤维素酶处理阔叶木浆和针叶木浆，可分别节约有效氯2 0 2 5 和1 5 2 0 。目前用于助漂的半纤维素酶主要有木聚糖酶和聚甘露糖酶木 聚糖酶似乎对所有类型的纤维都有助漂作用，而聚甘露糖酶的有效性则取决于纤 维的种类 木聚糖酶可用于纸浆在氯气、二氧化氯，臭氧、氧及过氧化氢等的漂前预处 山东大学硕士学位论文 理段。在漂白k _ p 浆时应用木聚糖酶一个最显著的优点就是降低二氧化氯用量， 提高白度，减少a o x 。北美和欧洲许多硫酸盐浆厂已进行工业性试验，表明经 木聚糖酶预处理可降低化学浆漂白成本达2 0 ，可降低漂白负荷5 2 0 ，进 一步研究已将木聚糖酶用于全无氯漂白流程中。 通常认为，木聚糖酶是具有生物活性的大分子，在不同的环境下，分子链弯 曲形状不同( 见图1 2 ) 。由于有关木聚糖酶作用的机理目前没有一个统一的观 点，研究人员提出了几种假说，被认为有实际根据的有以下四种： 图1 2 来源于菌株t r i c h o d e r m ar e e s e i 的木聚糖酶的三维立体结构 ( 1 ) 关于除去浆中有色物质的观点 木糖和木聚糖大分子在碱法蒸煮过程中发生化学变化，生成一些有色物质 有研究认为，甲基葡萄糖酸在蒸煮时被转变为对纸浆硬度和白度都有影响的己烯 酸，木聚糖酶就与这些有色物质作用，从而为后续漂白达到较高白度创造条件 支持这一观点的证据之一就是酶处理可以直接提高经h 2 0 2 漂白的纸浆自度p 研 ( 2 ) 关于除去木素一碳水化合物复合体( l c c ) 的观点 l c c 存在于造纸原料中，而且在蒸煮过程中并未完全除去不同的原料，l c c 的组成不同，其中与木素相连接的糖基有半乳糖基、阿拉伯糖基和木糖基，木素 与糖基之间存在的共价键主要是醚键，也有可能是酯键d 7 1 。图1 3 显示了木素与 木聚糖复合体的结构。 山东大学颂1 ：学位论文 o c f l 3 图1 3木质素与木聚糖复合体的结构 图1 4 木聚耱酶促进漂白的机理， l c c 的存在限制了残余木素的脱除，木聚糖酶与l c c 中的碳水化合物部分作 用，使之发生水解( 见图1 4 ) 这样就使更多的木素暴露在后续漂白的漂剂中， 而且使l c c 的分子尺寸变小研究人员用酶处理i c c 。发现它确实发生了水解， 从而证明了这一观点 ( 3 ) 关于消除半纤维素对木素反应的阻碍作用的观点 山东大学硕士学位论文 很多人认为木聚糖酶能把那些妨碍木素反应溶出的木聚糖除去，从而提高后 续漂白的效率。一种看法认为：回吸的木聚糖沉积在纤维的表面，对木素的反应 与溶出构成障碍，同时，因为他们在纤维的表面，故易与木聚糖酶反应。木聚糖 酶使这些回吸的木聚糖水解，消除了这一障碍后，使更多的残余木素和l c c 暴露 在溶剂之中，提高了化学药品的可到达度，而且也为木素的溶出提供了通道。 然而最近研究人员用f t d ( f l o w - t h r o u g hd i g e s t i o n ) 技术进行了研究，发现 消除了蒸煮过程中木聚糖的回吸现象后，酶处理反而能够起到更大的助漂作用。 因此，有人提出了第二种看法：木聚糖酶能够进入纤维的次生壁，与次生壁中的 残余木聚糖反应，并使之水解溶出。这样，在次生壁上就形成很多孔道，这些孔 道一方面使漂剂更易与残余木素反应，另一方面也方便了木素溶出【3 9 】。 ( 4 ) 关于使纤维润胀的观点 该观点认为，纤维素与木聚糖有链接，木聚糖酶水解木聚糖后，使纤维结构 发生了变化，纤维润胀，从而形成一些孔，这些孔比木聚糖大分子溶出后形成的 孔大，它们在木素的溶出中起到了关键的作用。这一观点还需要进一步研究证实 1 2 3 木素降解酶 木素是植物界中仅次于纤维素的一种含量最丰富而重要的大分子有机物质， 几乎存在于所有的维管植物中。木素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间三维结构的芳香类化合物。木素大分子在植物体中是经过 复杂的生物、生物化学和化学反应形成的研究证明，木素是由葡萄糖经莽草酸 生物合成香豆醇、松柏醇和芥子醇，再由这些最原始的木素结构单元进一步合成 木素大分子目前，可用于降解木素的酶有漆酶、木素过氧化物酶、锰过氧化物 酶等。 1 2 3 1 漆酶 漆酶是一种含铜的酚氧化酶蛋白，通常都含有四个铜离子。漆酶是白腐菌所 能产生的最重要的氧化性酶之一，似乎在木素的降解过程中起了很重要的作用。 自然界中大多数的白腐菌都能分泌漆酶【柚】。漆酶早在1 8 8 0 年就被发现；但由于 漆酶的氧化还原电势比较低，它不能氧化占木素结构达9 0 的非酚型结构，而只 山东大学顾十学位论文 能氧化降解木素中的酚型结构单元，如图1 5 a 直到1 9 9 0 年发现，如果有低分 子量的化合物作为氧化还原介质，漆酶也能够氧化非酚型木素结构，如图1 5 b 。 有人提出，漆酶在氧气存在的条件下，能将介体转化成共介体，这种共介体由于 尺寸较小，能够渗透进入纤维，与木素反应，这种脱木素的机理是基于自由基的 形成 蛳。峰蜘 图1 5 叠和b 漆酶的作用机理 近年来将漆酶应用于生物漂白也取得了很大的进展 1 2 3 2 木素过氧化物酶( l i p ) 木素过氧化物酶是一种胞外酶最先是1 9 8 3 年从白腐菌p h a n e r o c h a e t e c h r y s o s p o r i u m 的磨木木素培养基中检测到木素过氧化物酶的存在，后来在其它 一些白腐菌中也有发现目前研究最深入的木素过氧化物酶是由只c h r y s o s p o r i u m 所分泌的l i p 是木素酶降解体系的主要部分，能够催化大量的反应，如木素二 聚体模型中p 旬4 醚键和c c b 键的断裂l i p 有非常高的氧化还原电势，能够 氧化甲氧基取代的非酚型木素单体 木素过氧化物酶是一系列含有一个f e ( 【i i ) a b 啉环( ) 血红素辅基的同功酶。 其最重要的特点是能氧化富含电子的非酚型芳香化合物光谱学研究表明，l i p 有五种氧化状态，自然状态的l i p 含有高度自旋的f e ( 1 i i ) ，被过氧化氢氧化失去 两个电子形成l i pi ，l i pi 经单电子还原形成l i pi i ，再经一次单电子还原回到 自然状态，完成催化循环，如图1 6 所示如果l i p i i 与过量的过氧化氢反应则 生成低活性形式的l i p m f e ( i i y 0 2 p 或f i ) - 0 2 p 】，使反应速度降低或失去反 謦 山东大学硕士学位论文 应活性 n l t i v el 母( 1 ei 连l i l l o l 图1 6a c t i o nm e c h a n i s mo fl i g n i np e r o x i d a s e l 4 1 i 1 朋d i 7 毫 在自然环境中，木素过氧化物酶对木素的生物降解起重要的作用。但在利用 白腐菌漂白硫酸盐浆的过程中却只检测到锰酶和漆酶的活性，而没有检测到木素 过氧化物酶活性的存在。 1 2 3 3 锰过氧化物酶 除了木素过氧化物酶外，白腐菌在一定条件下也能产生很多胞外锰过氧化物 酶。锰过氧化物酶最初也是于1 9 8 4 年首次在pc h r y s o s p o r i u m 中被发现的 m a p 是一种包含有血红素的糖蛋白酶它由于氧化还原电势较低，只能氧化酚 型木素结构在某些螯合剂如有机酸、草酸、丙二酸等的作用下，能将m n ( i i ) 氧化成m n ( m ) ，然后与有机酸螯合，该螯合形式的氧化态m m ( 1 1 1 ) 能氧化降解纸 浆中的酚型木素结构，如图1 7 所示锰过氧化物酶在漂白中的作用也得到了较 好的研究。 图1 7m e c h a n i s mo fm a n g a n e s ep e r o x i d a s ea c t i o n l 3 s l h a o 山东大学硕士学位论文 1 3 我国发展造纸生物技术的意义 我国是一个森林资源贫乏的国家，在造纸原料结构中木材仅占1 5 左右， 非木材原料约占6 0 ，其中主要是稻麦草。采用麦草作为制浆造纸的原料，虽然 具有来源丰富、价格低廉、纸张的挺度好、匀度好、表面平滑度好、易施胶、填 科保留较高、不用打浆或只需轻度打浆等优点，但也具有较多的缺陷，如草类中 杂细胞较多，长纤维较少，所以通常3 吨麦草才能出1 ) g 纸，另外2 吨都变成污染 物排到环境里去了，既浪费了资源，又污染了环境；制成的草浆滤水性和强度等 性能较差，限制了其用量和用途；秸秆中含有较大量的硅和其他杂质，影响了国 外通行的碱回收工艺的顺利施行，成为我国环境污染的主要难题1 4 2 】。 我国草浆漂白目前采用最广的是次氯酸钠法( h ) 、二段次氯酸钠法( h h ) 和氯 化一碱抽提一氯酸钠三段漂( c e h ) 等三种方法。这些方法的共同特点是都使用了 含氯的化合物漂白后会导致漂白废水中含有大量使生物体致毒、致畸和致癌的 有机氯化物。如以c e h - - - 段漂为例，一个日产2 0 0 吨草浆的造纸厂，每天会耗用 液氯8 1 0 吨，用于浆漂白后有相当量的氯会因亲电反应生成毒性很强的有机氯， 随着漂白废水排出的有机氯量高约2 吨，这个数字是非常可怕的1 4 3 】 因此，深入开展制浆造纸过程的生物技术这项既节省能源，又具有环境友好 技术特性的研究，开发生物制浆、生物漂白、酶法草浆改性、废纸酶法脱墨、造 纸废液废渣生物转化以及制浆造纸与生物产品生产综合工艺等相关的生物技术， 对中国的制浆造纸工业来说是一件迫在眉睫的事情，也必将给中国的制浆造纸工 业带来革命性的影响，最终可望创建出一个资源综合利用，全封闭无捧污的新型 纤维利用综合产业来这对于保护环境，缓解能源危机以及制浆造纸业的可持续 发展都具有重要的意义而在我国加强木质素生物降解和生物制浆的研究也必然 具有毋庸置疑的应用前景l “| , 1 4 s 1 1 4 本论文研究目的 生产实践中所用的草浆具有滤水性差、脆性大、强度低，抄纸时粘网粘辊易 断头等等不足因此，全麦草浆只能用来生产低档纸，生产中高档纸必须配用部 分木浆或全部采用木浆草浆存在的上述问题除与杂细胞含量高有关外，与浆中 山东大学硕士学位论文 半纤维素含量较高( 通常为2 0 0 一3 0 ) 也有直接关系。半纤维素是一类聚合度 较低、分子带有支链、易水化润胀的聚糖。因此通过半纤维素酶的改性作用可望 在一定程度上克服草浆的某些缺陷。此外，草浆具有难打