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生物预处理对龙须草制浆性能的影响及机理研究 摘要 利用酶或真菌在蒸煮前对原料进行预处理，能减轻蒸煮和漂白对环境的 污染、降低能源消耗、充分利用资源，本论文进行了木聚糖酶及漆酶预处理 最佳条件的优选，研究了龙须草生物预处理对蒸煮性能和物理性能的影响， 对酶处理前后的化学组成、筛分级分进行了测定，深入探讨了有关生物预处 理的机理，为酶在生物制浆、漂白及脱墨领域的应用提供借鉴。 本论文的主要研究结果如下： 1 通过生物预处理龙须草条件优选试验表明，木聚糖酶预处理龙须草的 最佳工艺条件：p h 值4 5 ，温度4 5 ，液比h6 ，时间4 h ，酶用量2 0 i u 智。 漆酶预处理稻、麦草也有相似的最佳条件：p h 值5 0 ，温度4 5 ，液比 1 ：7 ，时间4 h ，酶用量3 0 i u g - 1 。 2 利用木聚糖酶、漆酶在蒸煮前对龙须草进行生物预处理后，其制浆性 能与未处理浆相比，可降低生物化学浆的卡伯值、提高浆料得率及物理强度； 可改善纸张的白度；同时还能节省蒸煮用碱量。 3 在龙须草生物预处理机理研究中发现： ( 1 ) 由化学组成分析得出，漆酶脱木素的选择性高于木聚糖酶。 ( 2 ) 经筛分级分分析，发现两种生物预处理均能提高浆料长纤维比例， 其中漆酶在改善蒸煮性能最为明显，长纤维含量较多，细纤维含量较少。 关键词：木聚糖酶，漆酶，预处理，生物化学浆 s t u d yo ne f f e c to fb i o l o g i c p r e t r e a t m e n to nt h ep u l p a b i l i t y o fc h i n e s ea l p i n er u s ha n dm e c h a n i s m a b s t r a c t c u r r e n tr e s e a r c ho nb i o p u l p i n gi np a p e r m a k i n gf o c u so nb i o m e c h a n i c a l p u l p i n g i no r d e rt or e d u c et h ee n v i r o n m e n t a li m p a c to fp u l p i n ga n de n e r g y c o n s u m p t i o n ，i m p r o v et h ec o n v e n t i o n a lp u l p i n gw a y sa n dt a k ef u l la d v a n t a g eo f c h i n e s e a l p i n er u s h ，t h eo p t i m u mc o n d i t i o n s o fl a c c a s ea n dx y l a n a s e p r e t r e a t m e n tc h i n e s ea l p i n er u s h ；t h ee f f e c to ft h eb i o l o g i cp r e t r e a t m e n to n n a o h c o o k i n go fc h i n e s ea l p i n er u s hw e r ei n v e s t i g a t e dt h o r o u g h l ya sw e l la s t h ep r o b i n go fp r e t r e a t m e n tm e c h a n i s m s 。 t h ek e yr e s u l t sa r el i s t e db e l o wi ns e q u e n c e ： 1 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 ep r e t r e a t m e n tc h i n e s ea l p i n er u s h ： p hv a l u e4 5 ，p r e t r e a t m e n tt e m p e r a t u r e4 5 。c ，l i q u o r t os t r a wr a t i o 5 ：1 ， p r e t r e a t m e n tt i m e4 h ，e n z y m ed o s a g e2 0i u f ，t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so f l a c c a s ep r e t r e a t m e n tc h i n e s ea l p i n er u s hw e r ep hv a l u e5 0 ，p r e t r e a t m e n t t e m p e r a t u r e4 5 0 c ，l i q u o rt os t r a wr a t i o7 ：1 ，p r e t r e a t m e n tt i m e4 h ，e n z y m ed o s a g e 3 0 i u g 2 p r e t r e a t m e n t so fc h i n e s ea l p i n er u s hw i t hx y l a n a s ea n dl a c c a s et o n a o h a qc o o k i n gd e c r e a s e dk a p p an u m b e r ，i m p r o v e d t h e p u l p a b i l i t yo f c h i n e s ea l p i n er u s h ，e n h a n c e db r i g h t n e s sa n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h e r e s u l t a n tp u l p ，a l k a l ic h a r g ew a ss a v e da sw e l l 3 b ya n a l y s i so fc h e m i c a lc o m p o s i t i o na n ds c r e e nc l a s s i f i c a t i o n ，i tw a s l e a m e dt h a tl a c c a s ep r e t r e a t m e n th a dt h eb e s ts e l e c t i v i t ya n df i b e rl e n g t h 。 k e y w o r d s ：x y l a n a s e ，l a c c a s e ，p r e t r e a t m e n t ，b i o c h e m i c a lp u l p i n g i i 陕西科技大学硕士学位论文 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：土髓 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 文被查阅和借阅；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。 ( 保密步之在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盟导师签名：醛日 生物预处理对龙须草制浆性能的影响及机理研究 1 课题背景及意义 1 1 立题依据 近5 0 年来，计算机、生物工程技术、微电子信息技术、新材料技术，以及各种先 进的在线测控与检测技术的发明应用，为造纸这一传统产业的技术革新和现代化提供了 良好的客观条件。现代造纸工业开发与应用的高新技术，主要集中在改善传统工艺与设 备。这些高新技术具有重要的意义，能显著降低环境污染、节约能源、水资源、纤维原 料资源并能稳定产品质量、提高产品档次和增加产品附加值。大大地提高了生产率，此 外还包括虽然处在研究阶段，但具有重要发展前景的新技术，如生物技术在制浆造纸中 的应用。 我国非木材纤维原料品种多、数量大、资源丰富。而且有许多优质原料可供选用。 第、我国用过和可用于造纸的非木材纤维原料很多，如竹类有3 0 0 多种，年产4 0 0 5 0 0 万吨，芦苇、芒秆、荻等年产超过3 0 0 万吨，甘蔗渣超过4 0 0 万吨，全国农产秸秆( 主 要是稻、麦草) 约6 亿吨，还有不明数量的龙须草、各种麻类等其它纤维原料。第二、 虽然草类纤维短，纸浆滤水性差，成纸耐破、耐折、撕裂强度低等缺点，但综合非木材 纤维品质在长度、长宽比两项重要指标比木材，特别是阔叶材也有它的优势。第三、非 木材纤维原料比较容易成浆，且原料价格较低，纸浆成本低。因此要振兴我国的造纸工 业必须加强对苹浆原料的研究，充分利用我国丰富的非木材纤维植物资源，生产出高质 量、高档次、高强度的纸产品。 1 1 1 龙须草种植生态学意义 多年来，人们对各地植被不合理的丌发利用，水土流失己成为各国面临的生态灾难 之一。因此，防治水土流失工作曰益成为各国政府和人民十分关注的大事。目前，国内 外主要通过植树种草、封山育林( 恢复植被) 和坡改梯等工程措施来治理和防止水土流失。 但其中工程措施因投入大，难以在短期内大规模展开：植树种草和封山育林，由于生态 效益和经济效益协调欠佳，往往在执行过程中难以达到预期目标。选择适宜的蓄水保土 效果明显的树种或草种，并从产业化开发高度协调植树种草的生态效益和经济效益，是 今后开展水土流失防治工作的趋势。 龙须草，学名e u l a l i o p s i sb i n a t a ( r e t z ) c ，e h u b b ，英文名c h i n e s ea l p i n er u s h ，又名 蓑草，蓑衣草，拟金茅或羊胡子草，系须根型多年生禾本科拟金茅属草本植物，主要产 地为湖北、陕西、湖南等地。它适应性强，耐旱，耐瘠薄，对气候、水土条件要求不高， 喜阳耐荫，多产于荒坡丘陵地带，且产量高。其根系虽浅，但根系致密且十分发达，草 层覆盖速率和覆盖度高，因而可作为荒山绿化的先行植物种植，具有非常高的生态效益。 同时可实行林草立体种植，与森林一起充分发挥保持水土、调节气候和植被的作用。 陕两科技大学硕士学位论文 由于龙须草纤维所具有的特点，龙须草同时又是一种优良的造纸原料，具有广阔的 开发前景。 1 1 2 龙须草制浆造纸的经济效益和社会效益 龙须草作为一种野生植物资源，其经济、生态和社会综合开发价值很高。龙须草草 长而且没有节，木素含量低、纤维素含量高。龙须草纤维细长柔软、质韧、匀整、杂细 胞含量少、长宽比值大( 平均超过2 0 0 倍) 、平均纤维长度超过2 1 m m ，用做造纸原料易 成浆、易漂白、得率高，所抄成的纸张有较好的物理性能，因而它是制造高档纸的优质 原料，其纤维含量和品质是草类纤维原料中的佼佼者，并优于湿地松、杨树、桦木和毛 竹等，故利用它来造纸可节省大量木材。 近年来，由于国外木浆价格明显上扬、国内木材严格限伐；造纸原料以草代木已是 必然趋势。但是，目前常用的草类纤维原料，大多因纤维质量较差，难以造出市场销路 好的高档纸制品。而龙须草是目前唯一能“以草代木”制造高档纸的草本纤维原料。用 龙须草造纸还因它易成浆、易漂白，即使按当前常用的化学碱法工艺，也能在一定程度 上减少环境污染和降低加工成本。因而利用龙须草制浆造纸具有良好的经济效益和社会 效益。 1 1 3 龙须草生物制浆的必要性 随着人类对纸品需求量的不断增加和森林资源的短缺，开辟新兴造纸原料业已成 为一个全世界造纸业面l 临的重要任务之一。我国早在上世纪8 0 年代就开始了利用龙 须草生产纸浆的试验。2 0 年来，龙须草制浆生产仍未形成支柱产业，全国还只有3 4 家规模不等的企业在进行龙须草制浆生产。究其原因，除了龙须草原料生产技术制 约以外，国内外目前普遍采用的常规碱法制浆工艺存在四个主要问题，即成本和能耗 高、纸浆得率低、环境污染严重、碱回收难实现( 硅含量高) ，这些问题都严重制约 着龙须草制浆、造纸业的发展。 除了常规碱法制浆外，龙须草低污染制浆技术如溶剂法制浆和生物制浆技术等目 前正在研究开发之中。低污染制浆技术的研究中，龙须草溶剂法制浆以自催化乙醇法 制浆最为突出，目前尚处于探索阶段，仍存在设备等方面的问题。 生物制浆技术是用生物酶处理植物原料，催化分解使其成浆。从理论上讲，能有 效控制环境污染，而且能耗低、成浆得率高，是环境友好型制浆技术，且对设备的要 求不高。目前在生物制浆原料的选择方面，主要限于以木材、稻草、红麻皮、棉杆、 麦草、桑皮等为原料，龙须草生物制浆鲜有报道。在当今世界资源、能源短缺、环境 污染严重的情况下，研究开发少污染、低能耗、高效率的龙须草生物制浆方法，已成 为造纸业迫切需要解决的难题。 综上所述，龙须草产业化的关键在于龙须草制浆技术的发展。必须打破龙须草制 2 生物预处理对龙须草制浆性能的影响及机理研究 浆中的制约瓶颈，才有可能大力推进龙须草产业的发展。 本课题拟从提高龙须草成浆性能和降低制浆废液污染负荷两个主要方面重点进行研 究和探索。期望在利用生物酶制剂降解龙须草并进行后处理的基础上，对制浆废液进行 适宜的生物法处理后，废液或其和中段水的混合液可不经碱回收而是用生物法( 如厌氧 法) 一次处理、达标排放。最终目标是力求找到一条低成本、高回报、简单环保的龙须 草制浆工艺路线， 中国21 世纪议程指出，推行清洁生产是实施可持续发展战略的一项重要措施。 从而达到节约资源，保护环境和持续发展的目的 1 】。造纸工业在国民经济中占有重要的 地位，因而降低并消除造纸工业的环境污染，实现造纸工业可持续发展有重大意义。根 据我国国情，我国现阶段存在大量的小型制浆造纸厂，它们对造纸副产品未能妥善的处 理而严重污染了环境，并且浪费了大量的天然资源。为了减少对环境的污染、综合利用 资源，实现清洁生产，我们必需探索既节能，又少污染，提高纸浆得率，降低生产成本 的新技术，这些新技术包括深度脱木素技术、溶剂法制浆技术、生物制浆技术、含氮化 合物制浆技术、爆破制浆技术等。生物法制浆技术是近几年来兴起的新型制浆方法，它 是利用微生物或酶对植物纤维原料进行预处理，除去制浆原料中部分木素或少量半纤维 素，使植物组织与纤维彼此分离制成纸浆的过程。它有很多的优点，如减少化学药品消 耗，节省能源，减轻对环境的污染，改善纸张物理性能；它也有不足之处，如木质素生 物降解比较困难，木质素降解酶产生菌扩大培养存在困难性，生物制浆过程伴随有纤维 素的降解。生物法一旦工业化，就可以减少化学药品用量，节约能耗，且不产生必须处 理的污染物，这样就可以实现低污染或无污染制浆清洁生产，它将是造纸工业的一项重 大突破。 1 2 研究目的 目前，国内外对生物制浆的研究，主要集中在生物机械浆方面 4 6 】，对生物化学浆 的研究却很少报道。生物制浆可以用微生物或酶，利用微生物预处理原料对设备、操作 环境操作要求太高，并且处理时间太长( 2 4 周) ；而利用酶预处理的工艺简单，处理时 间短，过程易于控制，在工业连续化大生产中更具有实用意义。由于迄今为止发现具有 高效降解木质素，且脱木素选择性高的菌株十分稀少。因此，许多造纸工作者己转向生 物预处理制化学浆 7 9 】，其目的是利用生物预处理，使纸浆在达到相同的硬度时减少制 浆化学药品用量和能量的消耗，或者是在化学药品用量不减少的条件下降低纸浆的硬度， 以适应无氯漂白的要求，达到减少对环境的污染的目的。近几年来，造纸工作者曾利用 酶代替菌种处理原料，以期缩短处理时问。g i o v a r m o z z i s e r m a n n i 7 等人、j a c o b s 9 等人 的研究都获得肯定结果。然而，以上研究主要针对生物机械浆或以木材为研究对象，对 于草类纤维原料在蒸煮前进行酶预处理的研究还比较少。本论文中利用了木聚糖酶、漆 陕两科技人学硕十学何论文 酶在蒸煮前对龙须草进行预处理，并比较预处理对制浆性能的影响，进一步认识它们的 特性、规律、作用，为酶在生物制浆、漂白、废纸脱墨领域的应用提供借鉴。 1 3 本论文的主要研究内容 近年来，木浆的需求量逐步增加，但是在我国草浆仍占有很大的市场。随着生物技 术不断的发展和入们对生物技术在制浆造纸过程中运用的认识，使得生物技术在草类制 浆中的应用越来越受到人们的重视。它对减轻环境污染负荷、节能、减少化学药品的用 量都有很大的贡献【1 0 】。我国的龙须草生长条件教好，资源丰富，因此应用酶或者白腐 菌预处理，然后进行化学制浆，有很大的潜力。本文将研究利用酶预处理龙须草制生物 化学浆，主要研究内容如下： ( 1 ) 木聚糖酶、漆酶预处理草类原料最佳条件的优选。 ( 2 ) 木聚糖酶、漆酶预处理对龙须草蒸煮性能的影响以及不同预处理方法对蒸煮性 能和物理性能影响的比较。 ( 3 ) 麦草生物预处理机理的研究。 1 4 本论文的主要创新点 系统研究了龙须草经木聚糖酶、漆酶预处理后对后续蒸煮性能及浆科物理强度的影 响，并比较了不同预处理方法对蒸煮性能和物理性能影响。 同时，通过对龙须草生物预处理机理的研究，揭示了木聚糖酶、漆酶生物预处理的 特性、规律，为它在制浆造纸工业中的应用提供了理论依据。 4 生物预处理对龙须草制浆性能的影响及机理研究 2 文献综述 2 1 生物制浆 2 1 1 国内外生物制浆研究概况 生物技术在其它科技领域中突飞猛进的发展大大地促进了其在造纸工业中的运 用，目前生物技术已经应用于生物机械制浆、生物预处理制化学浆、生物漂白、树脂生 物控制、废液生物处理、废纸生物脱墨及生物酶对纸浆的化学改性等多个领域。 生物制浆技术是利用微生物所产酶或商品酶制剂降解木素、除去制浆原料或纸浆 中的木素，使植物纤维彼此分离成纸浆或者进行纸浆漂白的技术。包括生物机械制浆和 生物化学制浆。 生物机械制浆是在机械制浆以前，利用微生物或酶对木片进行预处理，然后进行 磨浆，它的优点是低能耗、高强度、低污染：而生物化学制浆是指在化学制浆以前，先 进行生物预处理，然后再用化学药品制浆，它的优点是，在化学药品用量不变的情况下， 降低制浆的硬度；或在相同的硬度下，降低化学药品的用量和能源的消耗。它们的原理 都是利用微生物或者微生物所产生酶的作用，进行生物预处理。 2 1 2 生物机械浆 近2 0 年来的制浆工业中，高得率机械浆以其得率高、污染少得到了迅猛的发展，但 它也存在磨浆能耗较高，纸浆强度较低，易于返黄等问题 2 2 】。生物机械浆以低能耗、 高强度、低污染等优点成为目前制浆造纸发展的趋势。生物机械法制浆是利用微生物或 酶预处理木片以降解木片中的部分木素或少量的半纤维素，然后进行磨浆，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。 生物预处理可使木片结构发生很大的变化，这是由于它对木片具有以下作用【2 2 】： ( 1 ) 润胀作用；( 2 ) 对峰固管状细胞腔起到软化和松弛作用；( 3 ) 菌丝生长的地方 使细胞壁变薄，以上作用导致磨浆变得容易，降低了磨浆能耗。微生物处理可以显著降 低后续机械处理时的能量消耗，其降 2 1 2 1 木片生物机械浆( bio m p ) 研究进展 2 0 世纪7 0 年代，瑞典林产品研究所e f i k s s o n 等人利用筛选到的黄孢原毛平革菌 ( p h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o f i u m ) 预处理，进行磨浆实验，他们利用传统的诱变方法和杂 交实验获得了p c h r y s o s p o r i u m 的纤维素酶缺陷变异株，结果表明：变异菌株不仅降解 纤维素能力降低，而且对木质素降解程度也不如原始菌株，在降低磨浆能耗及改善纸浆 强度方面两者差别不大。 1 9 8 7 年之后，各国科学家对菌株的筛选做了大量的研究。美国m i n n e s o t a 大学植物病 理系的o t j e n 和b l a n e t t e 对3 0 种白腐菌预处理木片制浆的效果进行评估，实验结果 表明，e c h r y s o s p o r i u mb k m f 一1 7 6 7 分离株与p h l e b i ab r e v i s p o v a - 1 效果最好。美国林产 陕两科技大学硕十学位论文 研究所和威斯康星大学对生物制浆进行了深入地研究，主要研究生物机械浆，即先用真 菌预处理木片，再进行机械法制浆，实验结果表明，可节省2 5 5 0 电能，并大大提高 成浆强度 2 4 1 。m e y e r s 等人 2 5 】用d i c h o m i t u ss q u a l e n s 和e c h r y s o s p o f i u m 处理杨木木 片，在相同游离度下，生物机械浆强度均显著高于未处理的机械浆，其中抗张指数增加 1 2 倍。a k h t a r 2 6 对真菌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 处理火炬木片的生物机械法制浆 进行了研究，撕裂指数增加4 7 6 0 ，耐破指数增加3 3 4 6 ，其得率下降6 ，磨 浆能耗节省了4 2 。l e a t h a m 等人c h r y s o s p o r i u m 两种菌种分别在3 9 i c 和2 7 l ，相对湿度6 5 4 - 5 处理下能获得最好的强度，特别是耐破度指数，与未用白腐菌 处理的相比，几乎增加了2 7 0 ，抗张指数增加了1 8 0 ，撕裂指数液增加了2 1 0 。但 是，白度和光散射系数的损失很大，不过经h 2 0 2 漂白后可以很快得到恢复。s e t l i 所2 8 】 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 和e c h r y s o s p o r i u m 对杨木和挪威云杉进行预处理，结 果表明，与未经真菌处理时相比，制浆欲达到相同游离度，杨木可以降低2 0 的能耗， 挪威云杉降低1 3 的能耗。实验室许多研究证实，经白腐真菌预处理可以降低机械制 浆能耗、减少废水产生，获得具有良好物理性能的制浆。此外，生物机械法制浆的研究 还表明，生物预处理由于真菌本身分泌的色素及降解产物的影响，使生物机械浆白度下 降 2 9 】。 1 9 9 1 年，w i s c o n s i n 大学生生物技术中心发现的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 对木片 作用显著，这种真菌既可处理阔叶材，也可处理针叶材 3 0 】，把它接种到用蒸汽简单灭 菌的木片上，用强制通风的办法控制湿度、温度，培养2 周后，用热磨机械法制浆。 结果表明， 不仅可以节省能耗3 8 、提高设备生产能力，而且可以减少树脂，明显改 善成纸的强度性能( 裂断指数提高2 2 ，撕裂指数提高3 5 ，抗张指数提高9 ) 。为 了简化工艺，他们还选出了一株更具有浸染性，富产无性孢子的白腐菌( p h l e b i o p s i s g i g a n t e a ) ，用它直接接种到新伐的木材，让它在运输和贮藏过程中生长和发挥作用。结 果表明，可使木材的树脂比未接种木材降低6 1 ，并且有利于脱除树皮，增加了细胞 壁的多7 l 性，使机械浆的能耗降低9 一2 7 ，经预处理的木材造出的纸张裂断、撕裂和 抗张强度性能均优于对照组【3 1 】。1 9 9 3 生物机械制浆进行了研究，发现粗磨的山毛榉机 械浆经真菌处理7 d 以后，可使后续磨浆能耗降低1 ，3 1 ，2 ，且强度性能得到改善；粗 磨的云杉机械浆和红松机械浆采用真菌处理1 0 1 4 d ，磨浆能耗约降低l ，3 ，强度性能也 有所提高。s c o t t ，g m 3 3 等人把木片进行灭菌、冷确处理，在堆积式培养槽中将白腐菌 培养成熟液接种于该木片上，通风进行腐朽预处理，然后在用t m p 法或s m p 法进行 制浆，结果使动力消耗降低3 0 ，机械磨浆效率提高，机械浆强度性能得到改善，纸 浆的树脂含量减少，使制浆成本降低了2 0 一6 0 美元t 纸浆。 在我国关于木材生物制浆的研究，是从9 0 年代初中国林科院木材工业研究所与森 6 生物预处理对龙须草制浆性能的影响及机理研究 林保护研究所等单位合作，开始了生物制浆所需要的菌种的筛选，菌种性能的测定等方 面的研究，并开始利用生物处理后的木材进行制浆探索实验。林鹿等人【3 4 】用白腐菌 p h l e b i a v a d i a t a1 - 5 6 菌株处理杨木木片，经3 0 天预处理后，结果表明，a p m p 得率和 白度较低，但其物理强度和不透明度较高。中国科学院广州化学所，武汉大学及山东大 学等单位在这方面做了大量的探索和研究。 2 1 2 2 非木材纤维原料生物预处理制机械浆( b i o m p ) 非木材生物酶法预处理制浆的研究始于2 0 世纪7 0 年代。k o b a y a s h i 和m a t s u o 在 2 0 世纪7 0 年代末较深入地开展了碱性果胶酶处理韧皮纤维的研究。y u 和e r i k s o n 在1 9 8 5 年报道了白腐菌处理麦草研究结果【3 5 ，发现经白腐菌3 天处理后，麦草中 木素去除率3 5 7 。 瑞典造纸研究所开展了白腐菌预处理的蔗渣生物机械浆【3 6 】研究， 实验室发现，蔗渣在继续供氧条件下生物预处理3 d 后，在1 2 0 经t m p 磨浆，发现 生物预处理后电耗由原来的8 0 0 k w h t 浆降为200k w h t 浆。 国外对红麻经白腐菌( c subvermispora ) 预处理2 周，再用机 械法热磨成浆。对照研究结果表明，红麻皮bio mp 浆的磨浆耗比未经生物处理 降低了27 2 。在相同游离度下，红麻皮bi0 一mp 浆的耐破指数，抗张强度 指数和撕裂指数分别增加44 ，24 9 和63 8 3 7 】。 早在2 0 世纪5 0 年代，国内就研究过稻草原料生物发酵法制浆。限于当时的研究条 件、菌种来源及对微生物酶作用机理的认识程度等因素的制约，并没有取得显著的研究 进展。2 0 世纪8 0 年代术期，中国科学院广州化学研究所余惠生等 3 8 】筛选了比较好 的菌株贝壳状草耳菌( p a n u sc o n c h a t u s ) ，并用该菌处理稻草、蔗渣等非木材纤维，进 行生物制浆。在i m 3 生物反应器，处理1 3 天，木质素降解率达到6 8 ，并取得较好 的实验结果。c a m a r e r o 利用白腐菌p l e u r o t u se r y n g i i 对麦草进行固体发酵，发现对纤 维的分离作用与化学浆蒸煮相似 2 0 世纪9 0 年代后，国内外有关草类原料生物预处理制高得率浆的研究从未间断。 表2 1 是1 9 9 7 1 9 9 9 年问文献报道的有代表性的草类原料制浆研究情况汇总 4 0 1 。 从近几年国内外有关生物预处理草类原料制高得率浆的研究从未间断。s c a m a r e m ( 西班牙) 等运用1 1 种侧耳菌及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 处理麦草制生化浆 2 4 1 。 西班牙j i m e n e z 利用乙醇一水混合物蒸煮麦秆，结果表明该法产生的废水，污染负荷低， 所需水量及能量减少，能较好地代替木浆，减少木材资源的消耗。为了解决草浆白度低， 可漂性能差的问题，葛培锦 4 1 等对麦草生物化机浆的漂白做了详细的研究。在生产 c m p 和c t m p 生产时，通过化学药品的处理，将能除去部分木素或者使部分木素改性， 使纸浆的得率降低以及纸页的不透明度恶化 4 2 】，并产生稀的废液，它需要进行昂贵的 废液处理系统，如果利用生物处理代替部分化学处理以后，这些缺点就得到了克服。 陕两科技大学硕十学位论文 2 1 3 生物化学浆 国内外生物制浆研究主要集中在生物机械制浆方面。目前，生物机械法制浆在技术 方面获得很大的进展，生物制浆的研究己达到中试和工业化规模，并获得成功 3 3 】。近 几年来一些制浆造纸工作者已转向生物预处理制化学制浆，其出发点，是利用微生物或 酶预处理原料，使纸浆在达到相同的硬度时，减少制浆化学药品能源的消耗，或者是在 化学药品用量不减少的情况下降低纸浆的硬度，以适应无氯漂白的要求，达到减少废水 污染的目的。使用的微生物一般是白腐担子菌类，如p h a n e r o c h a e t ee h r y s o s p o r i u m ， p h a n e r o c h a e t e s o r d i d a ，p h l e b i a r a d i a t a ，e o r i o l u sv e r s i c o c r ，l e n t i n u l ae d o d e s 和 t r a m a t e v e r s i c o l o r ，p h i e b i ar a d i a t a 和f o m e sf o m e n t a r i u s 等 4 3 】，依赖它们产生的木素降 解酶类，如木素降解酶包括木素过氧化物酶( l i p ) 、锰过氧化物酶( m n p ) 及漆酶 ( l a c c a s e ) 等催化降解木素。而利用木聚糖酶预处理原料可以降解原料部分木聚糖， 使原料的孔隙增多，能改善原料的蒸煮性能和物理性能，达到生物制浆的目的。 国外在生物化学浆研究的报道中认为：经生物处理后木片的化学制浆，其得率一般 减少4 1 0 4 4 。日本也进行了一些木材生物制浆的探索，如先用白腐菌处理木片， 然后进行化学法制浆，并取得了一定的研究结果【4 5 】。有报道 4 6 1 表明，生物预处理可 以缩短后续硫酸盐蒸煮时间，有利于低k a p p a 值的化学浆的生产，另外生物预处理对 后续硫酸盐浆的蒸煮十分有利，与未经过生物预处理相比，最终浆的k a p p a 值下降 2 1 - - 4 8 ，而且浆的得率变化不大 4 7 】。刘秀英和戴韵莲等人 4 8 1 用c o f i o l u sv e r s i c o l o r n o 1 和c o r i o l u s v e r s i c o l o rn o 2 两种菌种处理杨木木片后，制化学浆，抄纸所得的白度、 裂断长、伸长率等项指标比未经生物处理木片制浆抄纸的指标有提高。以及纸张的纤维 柔软，纤维结合性能好，纸的白度也有提高，更重要的是生物处理后木片制化学浆其蒸 煮的时阃比未处理木片的蒸煮时问缩短5 0 。 山东大学也_ 丌展预处理麦草生物化学制浆性能的研究。他们分别对实验室提取的三 种粗半纤维素酶酶液a j l 1 6 ( 来自a s p e r g i l l u m sn i g e ra n - 7 6 ) 、a 1 0 ( 来自斜卧青霉素酶 l 2 2 、y 1 0 6 ( 分别来自a s p e r g i l l u m s l 2 2 和芽孢杆菌b a c i l u s s e y l 0 6 ) 用于预处理麦草 原料，然后将预处理麦草用常规碱法制化学浆。研究表明 1 0 】，在化学制浆前采用适宜 的酶液对麦草进彳亍预处理，可以改善麦草的化学制浆性能，在保持纸浆得率的情况下制 备出具有较低卡伯值和较低筛渣率的纸浆。酶液的性质对预处理的最终效果有较大的影 响，其中以采用半纤维素酶a n 7 6 预处理对麦草化学制性能的改善效果最佳，当酶液 a 且一7 6 的木聚糖酶用量为4 1 u g 绝干麦草时，与常规法制浆相比，预处理后纸浆的卡伯 值降低2 0 4 ，筛渣率从1 4 降低到o 5 ，黑液的残余有效碱浓从3 9 9 9 l 增加到 5 5 2 9 l ，而纸浆的得率变化不大。 钱鹭生【4 9 】曾报道用n o 3 8 工程菌酶液处理稻草的生化浆，稻草切断成 3 生物预处理对龙须草制浆性能的影响及机理研究 1 0 0 - - 1 5 0 m m ，经常规除尘、除杂后放入生物处理罐( 3 m 3 ) ，菌种运用n o 3 8 - i 程菌 s s f 等提取出来的多种强活性酶，酶处理的条件：温度6 0 以下，p h 值3 5 ，时间 1 2 h ，料液比5 1 5 ，原料不需消毒，因此，这样大大地缩短了生物预处理时间。经 生化处理的原料进入筛选，漂白，再结合碱蒸煮可以获得8 0 i s o 以上的漂白稻草生 化浆。与传统碱法稻草浆相比，生化制浆可以免除“除硅工序”的麻烦。n o 3 8 工程 菌兼有无区分地破坏原料纤维组织，使稻草组织松散，以及进攻胞问层脱除木质素，分 离纤维。由于酶处理后，该工艺将稻草纤维组织中含有的4 0 一6 0 的杂细胞和硅化物高 度分离，因此，生产出的漂白和未漂浆的各项物理强度可以和优质阔叶木浆相媲美。同 时改善了传统化学稻草浆制成的成品发脆，成浆滤水性差等弱点。黄峰【5 0 】等人利用半 纤维素酶、木素降解酶及某些纤维素酶组分对制浆原料进行预处理，可以减少碱法制浆 蒸煮过程中非木素溶解因素造成的蒸煮药液消耗，可节省氢氧化钠和硫化钠各2 1 4 - o o ， 进而减少药液用碱量，达到节碱目的，减少污染负荷。 酶法化学浆具有较好的可漂性能，且漂白浆具有较高的强度性能。应用酶法预处理 还可以提高未漂浆的白度【5 1 】，与对照浆相比，酶预处理的化学浆尤其是木聚糖酶和漆， 酶化学浆具有更高的裂断长和撕裂指数。 目前，利用微生物预处理木材原料制生物化学浆的研究比较多，而用于草类原料预 处理制生物化学浆的研究比较少；草类原料的生物化学浆的研究主要集中在酶法预处理 制浆，所用的酶主要有木聚糖酶、漆酶、木聚糖酶和木素酶的混合酶。用漆酶预处理原 料制浆的报道较少，因为漆酶在氧化非酚型木素时需要添加昂贵的介质。寻找廉价的介 质需要对漆酶降解木素的机理进一步的研究。木素降解酶产生菌生长缓慢，扩大培养较 困难；分泌木素降解酶对培养介质要求较苛刻；对分解介质的选择性较差等缺点，故不 能满足实际生物制浆过程的需要。因此，目前，我们需要寻找分泌木素降解酶酶活高的 菌株，扩大培养规模。 2 2 生物制浆所用的白腐菌和酶类 白腐菌是目前已知的自然界中对木质素具有最强降解能力的一类真菌，它们也是己 知唯一的在纯培养条件下能够将木质素最终矿化的微生物。虽然褐腐菌、软腐菌、放线 菌和细菌也能在木质素的降解过程中发挥一定作用，但一般认为它们仅起二次性的作用 5 2 。木素降解酶对木素的降解比对纤维素及半纤维素的降解机理简单【4 5 】。木素降解酶 包括木素过氧化酶( l i p ) 、锰过氧化物酶( m 1 1 p ) 及漆酶( l a c c a s e ) 。木质素被真菌降 解是因为菌丝分泌的木素酶的作用结果，因此也可以将酶应用到制浆造纸过程中，包括 漂白技术、脱墨技术、酶处理粗浆等技术【5 3 】。半纤维素酶虽不能直接降解木素，但能 降解草类原料中的l c c 结构， 赵建 5 4 等人利用半纤维素酶预处理麦草制化学浆取得 良好的效果。 9 陕两科技大学硕+ 学位论文 2 2 1 白腐菌 自腐菌是自然界中最重要的木质素降解菌，通过分泌胞外氧化酶木质素降解酶。 白腐真菌因为其极强的降解能力【2 9 】和特殊的代谢类型成为近年来国内外研究的热点。 在自然界由担子菌引起的腐朽是木材败坏的最重要形式，其中主要是自腐菌和褐腐 菌 5 5 】。白腐菌是一类丝状真菌，因腐生在树木或木材上，而引起木质腐烂呈白色而得 此名。从分类学上，自腐菌属于真菌门，绝大多数为担子菌，少数为子囊菌纲，包括桦 多孔菌，漏斗状侧耳，粗皮侧耳，粉状侧孢菌，拟革盖菌等2 0 0 多个品系。 白腐真菌的分布很广，无论山林、储木场，凡有木材存放和使用的地方几乎都有木 材腐朽菌的发生。白腐真菌寄生或是腐生在木材上，能释放降解性酶降解纤维素、木质 素，侵入木质细胞内获取营养，导致木材腐朽，成为海绵状团块。它最具有潜力，也是 最广泛的降解木质素真菌，如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 s o s t r e a t u s 、p o n as u b a c i d a ，g a n o d e r m al u c i d u m 等。目前，发现并经鉴定的白腐菌主要 有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 ，p h a n e r o c h a e t es o r d i d a ，p h l e b i a r a d i a t a ，c o r i o l u sv e r s i c o c r ， l e n t i n u l ae d o d e s ，t r a m a t e v e r s i c o l o r ，p h l e b i ar a d i a t a 和f o m e sf o m e n t a r i u s 等 4 3 1 。这些 真菌能够广泛有效降解木质素，同时降解木材中所有主要成分生成c o2 和h 2 0 。大 多数木质素生物降解的研究都是以自腐真菌p c 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，( 1 ) 最适生长温度高( 4 0 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。另【3 4 】外研究较多的自腐菌是木云芝菌( c o r i o u l s v e r s i c o l o r ) ，可以分解9 0 以上的木素 5 6 1 。 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，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问层扩散，白腐菌在次生壁降解木素先于胞 间层，在胞f 日j j 罢木素降解后，细胞便相互分离 5 7 】。 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 5 8 1 。在白腐菌降解 木质素过程中大部分纤维素保持完整，且纤维素结晶度变化很小【5 9 】。由此利用降解木 质素选择性好的白腐菌进行生物制浆，也是挑战传统制浆方法的一条新途径。 2 2 2 酶在制浆造纸方面的应用现状 采用微生物直接处理原料具有处理时间过长( 2 4 周) 、过程不易控制等诸多的缺 点：而利用酶液预处理原料，则具有工艺过程简单、处理时间短、过程易于控制等诸多 的优点， 因此在工业连续化大生产中更有实用意义。 0 生物预处理对龙须草制浆性能的影响及机理研究 酶，或称生物酶，是一种生物催化剂，是具有三维结构的高分子活性物质，由生物 体中活细胞产生，可以从任何有机植物和动物的组织中分离而得到，但最主要的来源是 微生物。它的化学本质是复杂蛋白质，主要由二十种氨基酸( a m i n oa c i d ) 组成，不同于其 它蛋白质，它有催化生物化学反应的活性，在体系中可以有效地降低反应的活化能，加 快反应速度，具有高效、专一、作用温和等特点。 生物制浆中用到的酶主要有木素降解酶，半纤维素酶和果胶酶等。 木素降解酶系包括木素过氧化物酶，锰过氧化物酶和漆酶，中国科学院广州化学研 究所在三种木素降解酶的产生、优化、酶的特性方面进行了系统的研究，陈嘉翔在总结 了7 种产木素降解酶白腐菌的基础上，提出要根据不同的菌种，确定酶的用量，控制p h 、 温度与处理时的浓度。 植物体内的半纤维素大多是木聚糖，木聚糖酶在几种不同酶的协同作用下，可以完 全降解木聚糖，因而木聚糖酶在生物制浆中也得以广泛应用。 果胶酶能够分解果胶质，它广泛存在于植物果实和微生物中，是一类复合酶，因而 在生物制浆方面应用也十分广泛，王传槐等还从果胶酶产生菌中通过筛选诱变选育出一 有效的碱性果胶酶产生菌的变异株，确定了其最佳的产酶条件和在生物制浆方面的应用 潜力。 刘正初、孙庆祥，彭源德，冯湘沅等对脱胶菌t 1 1 6 3 和t 8 5 2 6 0 所产脱胶酶的种 类和条件进行了研究，取得了较好的结果。杨瑞鹏等对红麻微生物酶法快速脱胶进行了 研究，摸索出了最佳酶反应条件。所有这些研究都是利用酶降解非纤维素组分实现生物 制浆。 利用酶液处理原料，具有工艺简单、处理时问短、过程易于控制等诸多优点，在工 业连续化大生产中更具有实用意义。但由于酶研究的难度和价格，要利用酶工程纯生物 制浆，尚难以短期内在工业生产上应用。 2 2 2 1 漆酶 2 2 2 1 1 漆酶概述 漆酶是一种含铜多酚氧化酶，在白腐菌中普遍存在，能催化酚类物质的氧化还原反 应，在木质素的生物降解中发挥着重要的作用。漆酶的氧化底物极为广泛，包括酚类及 其衍生物、芳胺及其衍生物、芳香羧酸及其衍生物等。漆酶不仅活性好，而且应用潜力 巨大，其应用涉及生物、化学、物理、医学、环境等多个学科领域。 在造纸工业中，漆酶的应用有较大突破，并己深入到造纸工业的各个环节。用于纸 张的生物漂白，可减少制浆造纸厂漂白废水的污染，有助于造纸业最终实现清洁生产， 目前漆酶用于纸浆漂白的研究最热门，进展最显著，被认为是最具有应用前景的木质素 降解酶。用于辅助制浆，漆酶具有反应时间短、反应条件温和等优点，在化学制浆以前， 陕两科技大学硕十学位论文 进行木质素酶预处理，可以在化学药品用量不