（制浆造纸工程专业论文）漆酶介体改善马尾松磨石磨木浆纤维特性及其机理研究.pdf

山东轻工业学院硕士学位论文 摘要 漆酶是一种含铜多酚氧化酶。作为一种木素降解酶，漆酶可以降解生物体中 的木素。漆酶的氧化还原电势比较低，为3 0 0 - 8 0 0m v ( 对标准氢电极) ，只能氧 化降解木素中的酚型结构单元，而不能氧化占木素9 0 的非酚型结构单元。如果 有低分子量的化合物作为氧化还原介体，漆酶也能氧化非酚型木素结构单元。如 a b t s ( 2 ，2 一联氨一二( 3 一乙基一苯并噻唑硼酸) ) 、h b t ( 1 氇基苯并三唑) 、 v i o ( 紫尿酸) 、m s ( 丁香酸甲酯) 、p t c ( 盐酸异丙嗪) 、p p t ( 吩噻嗪一1 0 - - 丙 酸) 、p t ( 吩噻嗪) 等。 虽然马尾松磨石磨木浆具有得率高，生产成本低，对环境友好等优点；但由 于其生产的纸张强度比较低、白度不稳定等缺点，这些严重制约了马尾松磨石磨 木浆在抄造高档纸张上的应用。所以有必要对其进行改性。本文用漆酶介体体系 对马尾松磨石磨木浆进行改性，并对其改性机理进行了研究。 目前，自然界中用来对纸浆性能改善的小分子物质比较多，而且有相当多的是 人工合成出来的，其中一些物质可能对来磨石磨木浆有改性作用。由于介体结构 的不同，其对纸浆的改性效果也不同，所以有必要先进行介体的优选。在一定的 条件下，进行漆酶介体改性磨石磨木浆的对比试验。研究发现，漆酶紫尿酸( v i o ) 改性效果最好，经漆酶v i o 改性磨石磨木浆的白度较高，而且纸浆强度有显著地 增强。 本文对漆酶v i o 改性马尾松磨石磨木浆的最佳工艺条件进行了探讨，其工艺 条件为：浆浓2 5 ，通氧气，介体用量为l ( 相对于绝干浆) ，漆酶用量5l a m u g ， 酶处理时间6 0m i l l ，漆酶作用温度5 5 。在该条件下，经改性纸浆的白度有所下 降，但纸浆强度有明显增加。与对照浆相比，经过氧化氢漂白后，纸浆的白度和 强度都有明显增加。这说明，漆酶介体改善磨石磨木浆性能的同时，纸浆的可漂 性增加。 采用溶解氧分析仪测定漆酶和漆酶介体处理纸浆过程中的氧气浓度变化，探 讨不同条件下，漆酶介体对纸浆中木素的不同反应活性以及催化氧化反应的动力 学。在不同介体与漆酶协同作用纸浆过程中，漆酶n i o 处理纸浆表现出较高的耗 氧速率。漆酶单独处理纸浆时，初始几分钟内耗氧速度较快，几分钟后氧气浓度 基本不变。介体v i o 单独与纸浆作用过程中，氧气浓度变化不明显。漆酶v i o 处理 纸浆时，2 0 分钟之内就可以消耗完容器内的氧气。在漆酶和漆酶v i o 处理木素模 型物过程中，氧气浓度的变化趋势基本上和处理纸浆的类似，只是反应速率更快。 漆酶n i o 处理纸浆和木素模型物的氧气浓度变化都随时间推移呈一次指数衰减。 采用了s e m 、f q a 、f t - i r 、g c m s 等分析技术对漆酶v i o 改性磨石磨木浆 的机理进行了探讨。s e m 和f q a 分析发现，经漆酶v i o 处理纸浆的纤维表面变 摘要 得粗糙，有起毛现象，纤维之间紧密地交织在一起；其纤维长度和粗度均有所降 低。f t - i r 和g c - m s 分析结果表明，漆酶v i o 处理纸浆的滤液中有大量的愈疮木 酚、羰基和一些小分子量的物质生成。这说明在漆酶1 0 改性纸浆过程中确有木 素溶出，使得纤维之间形成更多的氢键，纤维间结合力增强，从而改善纸浆性能。 关键词：漆酶介体磨石磨木浆改性 i i 山东轻工业学院硕士学位论文 a b s t r a c t l a c c a s ei sak i n do fm u l t i - p h e n o lo x i d a s e ，c o p p e r i o ni n v o l v e d a sal i g n i n d e g r a d a t i o ne n z y m e ，i tc a nd e g r a d et h el i 印i no fo r g a n i s m t h ep o t e n t i a lo fo x i d a t i o n a n dr e d u c t i o no fl a c c a s ei sv e r yl o w , a b o u t3 0 0 - 8 0 0 m v ( n o r m a lh y d r o g e ne l e c t r o d e ) l a c c a s ec a r lo x i d a t ep h e n o l i cu n i t si nl i g n i n , b u ti tc a nn o tr e a c tw i t hn o n p h e n o l i cu n i t s w h i c ha c c o u n tf o rn i n t yp e r c e n to fl i g n i n i fal o w - m a s sc o m p o u n di si n t r o d u c e da sa m e d i a t o ro fo x i d a t i o na n dr e d u c t i o nr e a c t i o n , l a c e a s ec a na l s oo x i d a t en o n p h e n o l i cu n i t s f o r e x a m p l e ,a b t s ( 2 ，2 - a z i n o - b i s ( 3 - e t h y l b e n z t h i a z o l i n e - 6 - s u l f o n a t e ) ，h b t ( 1 h y d r o x y b e n z o t r i a z o l e ) ，v i o ( v i o l u r i ca c i d ) ，m s ( m e t h y ls y r i n g a t e ) ，p t c ( p r o m e t h a z i n e h y d r o c h l o r i d e ) ，p p t ( p h e n o t h i a z i n e - 10 - p r o p i o n i ca c i d ) ，p t ( p h e n o t h i a z i n e ) e t c a sa l lk n o w n , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a s s o np i n es t o n eg r o u n dw o o dp u l p ( s g w ) a r cl o w - c o s t , h i g hy i e l da n df r i e n d l yt oe n v i r o n m e n t h o w e v e r , t h ed i s a d v a n t a g e so f l o w - s t r e n g t ha n db r i g h t n e s si n s t a b i l i t yr e s t r i c ts e r i o u s l yi t sa p p l i c a t i o nt ot o pg r a d e p a p e r s oi tw a sn e c e s s a r yt om o d i f yt h ep r o p e r t i e so fs g w ：m o d i f i c a t i o no fs g w w i t h l a c c a s e m e d i a t o rw a ss t u d i e d w i t l li t sm e c h a n i s me x p l o r e di nt h i sp a p e r a tp r e s e n t , t h e r ea l ep l e n t yo fl o w - m o l e c u l a rw e i g h tm a t t e r si nn a t u r e ，w h i c ha 陀 a p p l i e dt ot h em o d i f i c a t i o no fs g w m o s to ft h e mw e r es y n t h e s i z e db ys c i e n t i f i c r e s e a r c h e r s i ti si n d i s p e n s a b l et oo p t i m i z et h ev e r ym e d i a t o rt om o d i f ys g w , a c c o r d i n g t ot h ee f f e c to fm o d i f i c a t i o n o p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o n sa b o u tm o d i f y i n gp r o p e r t i e sb yl a c e a s e m e d i a t o r t r e a t m e n tw e r es t u d i e d t h eo p t i m a lr e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r e ：p r e s e n c eo fo x y g e n , l a c c a s ed o s a g e5i ，a m u 绝p u l p , l v i o l u r i ca c i d ( o d ) ，t e m p e r a t u r eo f5 5 c ，p u l p c o n s i s t e n c y2 5 a n d r e a c t i o nt i m e6 0m i n u n d e rt h i sc o n d i t i o n , t h eb r i g h t n e s s d e c r e a s e ds l i g h t l y , b u tt h es t r e n g t ho f p u l pi n c r e a s e da p p a r e n t l y b o t ht h eb r i g h t n e s sa n d t h es t r e n g t ho fp u l pi n c r e a s e da f t e rh y d r o g e np e r o x i d eb l e a c h i n gc o m p a r e dw i t hc o n t r o l s a m p l e ，w h i c h i n d i c a t e dt h a tt h e b l e a c h a b l i t y o fp u l pw a s i m p r o v e d a f t e r l a c c a s e m e d i a t o rt r e a t m e n t t h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so fl a c e a s e m e d i a t o rt r e a t i n gs g w w a sm e a s u r e db yo x y g e ne l e c t r o d ei no r d e rt o s t u d y d i f f e r e n t r e a c t i v i t y o f l a c c a s e m e d i a t o rt o w a r d sl i g n i nu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n dk i n e t i c so fo x i d a t i o n r e a c t i o n i tw a sf o u n dt h a tv i o l u r i ca c i d ( v i o ) a m o n gd i f f e r e n tm e d i a t o r ss h o w e dt h e h i g h e s tr a t eo fo x y g e nc o n s u m p t i o n w h e nl a c c a s et r e a t e dp u l po n l y , t h eo x y g e n c o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e dr a p i d l yi ni n i t i a la n dt h e nk e p ta tt h es t e a d yl e v e l i na d d i t i o n , i i i o x y g e nc o n c e n t r a t i o nd i dn o tc h a n g eo b v i s o u s l yw h e nm e d i a t o r ( v i o ) t r e a t e dp u l po n l y f o rl a c c a s e v i ot r e a t i n gs y s t e m ，o x y g e ni ns e a l e dv e s s e lw a se x h a u s t e di n2 0m i n u t e s t h er e a c t i v i t yo fl a c c a s e m e d i a t o rt o w a r d sl i g n i nm o d e ls u b s t a n c ew a ss i m i l a rt op u l p ， b u ts p e e dd i f f e r e d i tw a sf o u n dt h a tt h eo x y g e nc o n s u m p t i o nf o l l o was i n g l e e x p o n e n t i a ld e c a yi nl a c c a s e v i ot r e a t m e n ts y s t e mo v e rt i m e t h ep u l pt r e a t e dw i ml a c c a s e m e d i a t o rw a si n v e s t i g a t e db ys e ma n df q a i t s h o w e dt h a tt h es u r f a c ew a sr o u g ha n d 向函a n dt h el e n g t ha n dc o a r s e n e s so ff i b e ri n p u l pb e c a m es h o r t e rc o m p a r e d 、聃t l lc o n t r o lp u l p t h ef i l t r a t ef r o mp u l pt r e a t e dw i t h l a c c a s e m e d i a t o rw a ss t u d i e db yf i - i ra n dg c - m s t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e r e w e r eal o to fg u a i a c o lu n i t s ，c a r b o n y l a t i o na n ds o m el o w - m o l e c u l a rw e i g h tm a t t e r si n t h et r e a t e dw a t e r i ti l l u m i n a t e dt h a tt h el i g n i nw a sd e g r a d e d , w h i c he x p o s e dm a n y h y d r o g e nb o n d sa n ds t r e n g t h e n e dt h eb i n d i n gf o r c ea m o n gf i b e r s c o n s e q u e n t l y , t h e s t r e n g t ho fp a p e rt r e a t e dw i t hl a c c a s e m e d i a t o rw a si m p r o v e d k e yw o r d s ：l a e c a s e ；m e d i a t o r ；s g w ；m o d i f i c a t i o n i v 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，均己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： 许 山东轻工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 l - l 漆酶 1 1 1 漆酶的来源 漆酶是一种含铜的多酚氧化酶( l a e c a s e ，p - d i p h e n o x i d a s e ) ，可以催化氧化多 酚、氨基苯等物质。漆酶最早是日本学者吉田( y o s h i d a ) 首次从漆树漆液中发现 的l l 】，随后人们发现一些高等真菌也能分泌这种酶。近年来，人们通过大量的研究 发现漆酶广泛存在于多种植物和菌类的分泌物中。按其主要来源分为漆树漆酶 ( r h u sl a e c a s e ) 和真菌漆酶( f u n g a ll a c c a s e ) 两大类。在漆树科植物中， r h u s v e r m i c i f e r a 主要分布在中国、日本，r h u s s u c - e e d a n e a 主要在越南、柬埔寨， r h u st x i e o d e n d r o n 分布在美国。东南亚的芒果( m a n g i f e r a i n d i e a ) 、加州胡椒树 ( s e h i n u s m o l l e ) 、巴勒斯坦黄连木( p i s t a e i a ) 和萜木李( p l e i o g y n i u m t i m o r i e n s a ) 等都含有漆酶。在真菌中，漆酶大部分分布在担子菌( b a s i d i m y c e t e s ) 、多孔菌 ( p o l y p o r u s ) 、子囊菌( a - s o m y c e t e ) 、脉孢菌( n e u r o s p o r a ) 、柄孢壳菌( p o - d o s p o r a ) 和曲霉菌【2 - 3 】( a z o s p o r i l l u ml i p o f e r u m ) 中。此外，马铃薯、毒莴苣、香蕉等植物， 以及一些动物的肾脏和血清中也发现了漆彰3 1 。 漆酶是一种糖蛋白，肽链一般由5 0 0 个氨基酸组成，糖基占整个分子的1 0 4 5 。糖的组成包括阿拉伯糖、半乳糖、甘露糖、岩藻糖、氨基己糖和葡萄糖，含 糖质量分数在1 0 8 0 【4 】。由于分子中的糖基的差异，漆酶的分子量随来源不 同会有很大的差异，甚至来源相同的漆酶分子量也不同【3 】。 1 1 2 漆酶的结构 漆酶分子结构中一般含有4 个铜离子，根据磁学和光谱学性质不同可将漆酶 分子中4 个铜原子分为3 类：i 型c u 2 + ( t 1 c u ) 和i i 型c u 2 + ( t 2 c u ) 各1 个，是 单电子受体，呈顺磁性；型c u 广( t 3 c u ) 两个，是耦合离子对，双电子受体， 反磁性。i 型c u 2 + 形成单核中心，在6 1 0n m 有强烈光吸收，呈蓝色；i i 型c u 2 + 和型c u 2 4 + 形成三核铜簇，型c u 2 + 具有e p r ( 电子顺磁共振效应) 性质，非蓝 色，无特征吸收光谱；型c u 广无e p r 性质，在3 3 0n n l 附近有宽的吸收带【卯。 由于漆酶的含糖量较高，难于得到x 射线分析用的漆酶单晶，它的三维空间结构 还不清楚。但是根据光谱、磁性和实验事实推测，铜离子的配位结构位：i 型c u 2 + 分别与c y s 、m e t 的两个s 、两个h i s 中的n 配位，形成变形的四面体；型c u 2 + 是四方配体，分别与两个( 或三个) h i s 中的n 、两个( 或一个) o 配位，氧化型 的漆酶含氧配体可能是h 2 0 和o h ：，型c u 2 4 + 的两个c u 分别与三个h i s 中的n 配位，又同时与t y r 中的o 配位形成氧桥。 第1 章绪论 1 2 漆酶的催化氧化作用 1 2 1 漆酶催化反应的底物 漆酶是单电子氧化还原酶，初步统计它催化氧化不同类型的底物已达2 5 0 个 之多 6 1 ，其底物结构可归纳为六类：( 1 ) 酚及其衍生物：约占漆酶底物总数一半， 主要是多元酚及其衍生物和a 一奈酚及其衍生物，后者取代基多在酚羟基的邻、对 位，随着取代基的种类、数目和在芳环位置的不同，反应活性也有差异；( 2 ) 芳 胺及其衍生物：其结构特点与酚类底物相似，主要是芳环位置的不同，反应活性 也有差异；( 3 ) 羧酸及其衍生物：一般指芳环羧酸基邻位或对位连有羟基、烷氧 基或胺基等的芳香酸、碳链上连有酚或非芳胺基团的非芳香酸；( 4 ) 甾体激素和 生物色素：如雌甾二醇、a 一卵胞激素、己烯雌酚、胆红素、苏木色精等【_ 7 】；( 5 ) 金属有机化合物：如二茂铁( f e h ) 及其衍生物f e r ( 肛c h 2 0 h ，c o o ，c h 2 f e 等) 【7 1 。( 6 ) 其他非酚型底物：除了早期发现的亚铁氰化钾、抗坏血酸等外，近年 来还发现了1 一苯基一2 一( 3 ，4 一二甲氧基苯基) 乙二醇等。 1 2 2 漆酶催化氧化反应机理 漆酶的催化氧化，主要表现在底物自由基的生成和漆酶分子中四个铜离子的 协同作用。当漆酶催化氧化酚类( 氢醌) 化合物时，首先是底物氢醌向漆酶转移 一对电子，生成半醌一氧自由基中间体，用e s r 可观察到明显的氧自由基信号。 其次是不均等非酶反应，两分子半醌生成一分子对苯醌和一分子氢醌。氧自由基 中间体还原转变成碳氧自由基中间体，它们可以自身结合或相互偶联，产物中除 醌外还有聚合物和c o 、c c 偶联产物。在有0 2 条件下，还原态漆酶被氧化，0 2 被还原为水，漆酶催化氧化底物和对0 2 的还原是通过四个铜离子协同地传递电子 和价态变化来实现的。 1 3 漆酶在制浆造纸工业中的应用 1 3 1 纸浆漂白 漆酶是一种含铜的酶蛋白，它的氧化还原电势较低，只能氧化降解酚型的木 素结构单元，而不能氧化降解在植物纤维木素结构中占主要组分的非酚型单元。 自1 9 9 0 年报道漆酶在传递电子介体( a b t s ) 帮助下具有氧化非酚型结构的木素 模型化合物以后，1 9 9 4 年，一项称之为l i g n o z y m 或l m s 生物漂白专利技术的问 世，使漆酶漂白成为生物漂白研究的热点。 传统的制浆方法是用烧碱法和硫酸盐法高温蒸煮原料，除去木材中的木质素， 降低纤维间的结合力使之离解成浆，但这一工艺不仅会使部分纤维素和半纤维素 降解，影响纸浆得率，而且制浆废液还有可能对环境造成污染。而漆酶能选择性 地催化降解木素，对纤维素和半纤维素却没有损伤，并且不会产生有毒物质，对 环境没有危害。另外，漆酶漂白纸浆是在常温、常压的温和条件下进行，生产工 艺简单，从而节约设备和能耗。漆酶与适合的介体共同作用，对低卡伯值的木浆 2 山东轻工业学院硕士学位论文 有好的选择性，去除木素率达4 5 。 一般认为，在漆酶介体脱木素过程存在一个氧化还原循环，即漆酶氧化介体 形成小分子化合物自由基，并扩散到纸浆中，然后与纸浆中的木素反应使之降解。 l e v l i n t s j 等将l m s 用于氧脱木素的松木硫酸盐的t c f 漂白，结果表明，就纸 浆化学、物理和光学性质而言，氧脱木素可由l m s 漂段来代替，或者经两段氧脱 木素后，可以用l m s 漂段代替臭氧漂白段，而对纸浆的白度、得率没有影响。由 于l m s 的脱木素选择性好，在相同抗张指数( 7 0 n m g ) 下，含l m s 生物漂白的 纸浆撕裂指数提高了1 5 左右。n e l s o n t g 等用漆酶h b t 与氧脱木素的桉木硫酸盐 浆作用，接着进行碱抽提，卡伯值由1 0 5 降至6 6 ；如果漆酶与木聚糖酶共同作用， 卡伯值降至5 9 。采用l ( e o ) l q ( p o ) 流程，纸浆可以漂至8 9 i s o 的白度，而撕裂 指数与d ( e o ) d d 漂白浆相同。詹怀宇【l o 】等人利用从白腐菌p a n u sc o n c h a t u s 产生 的酶液中分离纯化出漆酶，在自行合成的介体n h a 和0 2 存在的条件下，进行尾 叶桉硫酸盐浆生物漂白，发现l m s 有显著地脱木素和漂白作用。 同时喻力【l l j 等人对蔗渣硫酸盐浆非木材纤进行了l m s 生物漂白的研究，研究 结果表明，经l m s 处理后的蔗渣的白度可达8 1 0 i s o ，同时浆料的粘度有所提 高。何为【1 2 】等用漆酶h b t 处理荻苇硫酸盐浆，再经碱处理后测定纸浆粘度，结果 发现l m s 生物漂白具有极好的选择性，由l m s 漂段和氧脱木素不同组合方式的 比较可知，l o 漂序的白度比o l 漂序要高，卡伯值和粘度也较o l 漂序低。 王习文【1 3 】等对麦草烧碱a q 浆的木聚糖酶和漆酶介体体系协同漂白的 o x l q p 漂白浆白度可达8 3 7 i s o ，并有很好的强度性能。同时，王习文等【1 4 j 还 对麦草烧碱- a q 法浆进行全无氯生物漂白的研究，结果表明，o l q p 和l q ( p o ) 是 麦草烧碱a q 法浆较好的全无氯生物漂白流程。l m s 体系t c f 漂白在获得较高的 纸浆白度、降低对环境污染的同时，还可以很好地保护纤维，纸浆具有较好的强 度性能。 1 3 2 处理造纸废水 目前，我国工业废水对环境的污染十分严重，尤其是造纸工业的氯漂废水。 这些废水中除了含有较高的b o d 、c o d 和具有较高色度外，还含有大量有毒的难 以被传统处理方法降解的有机化合物。漆酶对多种有机化合物具有强氧化作用， 因此利用漆酶处理工业废水将是一条有效的途径。 不少研究表明，漆酶具有转化酚型底物的能力，其中包括氯酚、甲基酚、甲 氧基酚等。在底物聚合过程中，有氯离子从溶液中被释放出来，这表明漆酶具有 去除氯酚化合物毒性的作用。在漆酶与酚型底物反应体系中，适当地优化和改变 反应条件，可以有效改善不同来源漆酶去除酚型底物的能力。底物的化学结构和 浓度，反应混合体系的p h 值，酶的活性以及反应时间和反应温度，添加剂等，都 对底物的聚合反应有一定的影响。 第1 章绪论 一般认为，漆酶处理有机氯化物的机理是g 在有氧条件下，氯酚底物先通过 与漆酶反应被氧化形成游离基或反应活性的醌类物质，然后这些物质互相耦合或 发生化学聚合反应生成高分子化合物，降低这些有毒物质的溶解度，从而除去含 氯物质，减少其毒性。这一反应机理包括酚的一电子和一质子转移形成一自由基， 该自由基具有三种共振形式，化学性质相对稳定。 k a z t t h i t o 1 5 j 等研究了芥子酸对漆酶降解造纸废水中氯酚化合物的影响，发现加 入芥子酸能够提高漆酶对2 ，4 ，5 一三氯酚、2 , 4 ，6 一三氯酚和2 ，4 一二氯酚的转化率。 j o h a n n e r s t l 6 】等研究了漆酶a b t s 介体系统、漆酶l 一羟基苯并三唑介体系统对葸 催化氧化的影响。在没有介体存在的情况下，葸转化率只有3 5 ；加入a b t s 后， 葸的转化率提高到7 5 ；加入1 羟基苯并三唑，葸转化率提高到4 5 。 另外，木材剥皮废水中含有有色的酚型化合物，使用漆酶处理该废水，通过 催化聚合反应，可去除9 0 以上的鞣酸类和其他酚型化合物：废水经硫酸铝絮凝， 由色谱分析证实8 6 的氯代酚、9 9 的氯代愈疮木酚、8 0 的氯代香草醛和9 2 的氯代儿茶酚可被去除掉。漆酶还可以降低造纸厂其他各工段废水的色度。将漆 酶固定化，可以进一步提高漆酶处理废水脱色效率。 1 3 3 酶法脱墨 回收的废纸采用酶法脱墨，是一种有效和经济的方法，可以减轻化学方法脱 墨带来的环境污染，已经应用于工业生产中。1 9 9 2 年c a l l 等【1 7 1 利用漆酶介体体系 对旧报纸进行脱墨，漆酶处理后的旧报纸浆白度及可漂性略有提高。f u j k u i 等报道 1 1 8 ，利用木素降解酶来处理脱墨后的旧报纸浆，成功地去除了一部分木素，脱墨 浆的强度和吸水性有所提高。h e r p o e l t l 9 】等人研究表明，半纤维素酶与漆酶之间具 有协同脱木素作用。 漆酶用于脱墨本质上是降解废纸中残存的木素，对纸浆中的纤维不起作用。 汪顺才【2 0 】等研究了废纸漆酶脱墨工艺条件，研究结果表明：漆酶在6 5 ，碎浆浓 度7 1 1 ，时间3 0m i n ，p h = 9 的条件下作用效果最佳，漆酶最佳用量为8k g t 纸。 脱墨用酶是粗酶液，其中含有多种酶组分，不同的酶组分在脱墨中可能起着 不同的作用。在纸浆的酶处理中，会发生纤维素结晶区的无定形化、脱链、解聚、 水化膨胀和断裂等一系列物理化学变化，因此对油墨的去除和纸浆的物理性能会 发生一系列影响。漆酶通过降解纤维中残存的木素而引发剥皮作用。剥皮作用可 使纤维表面更光滑，油墨的暴露程度更大，从而易于油墨与纤维的分离。象表面 摩擦这种机械作用可以减缓阻碍漆酶进入纤维素链间孔隙的作用，从而有利于脱 去纤维表面的最外层，暴露内部纤维，这样墨粉的脱除就变得可能。废纸碎解后 产生的油墨一纤维和纤维一油墨与单独的油墨粒子相比，具有较差的可浮选性。 而漆酶对油墨一纤维和纤维一油墨中残存木素的降解作用( 尤其是前者) ，可能 4 山东轻工业学院硕士学位论文 会大大促进脱墨效率。同时，酶只是部分地降解纤维中残存的木素，但这一部分 降解作用削弱了表面微纤维相互之间的结合，增加了这些微纤维的自由度，因此 墨粉很容易在这些纤维发生分离时被脱除掉【2 1 1 。 1 3 4 纤维改性 近年来，广大研究者致力于利用酶改善纤维性能、提高纸浆的滤水性能和纸 浆强度的研究。传统方法是利用纤维素酶和半纤维素酶来对纤维进行改性。但是， 经过改性后的纸浆的滤水性能有所下降。最近，利用木素降解酶中的漆酶对纤维 进行改性，以提高纸浆强度已广为关注。 据国外报道 2 2 】，用漆酶介体体系来改善未漂硫酸盐浆的性能，结果发现，纸 浆的湿强度有显著地提高。汤振江【2 3 】等用漆酶处理磨石磨木浆，发现纸张强度及 干强度增加效果明显。g a t c n h o l m 2 4 等发现，漆酶与纤维表面的羧基进行接枝作用 可以改善纸浆强度和润胀性能。m a n s f i e l d 2 5 】对漆酶改善辐射松机械浆的制浆性能 发现，经漆酶预处理辐射松木片机械浆的磨浆能耗降低5 8 ，在不改变其光学 特性，强度也有所增加。汤振， - 2 6 1 等人发现，先用半纤维素酶预处理，再进行漆 酶介体处理纸浆，未漂浆及漂白浆的裂断长均有提高。 湿强剂用来改善润湿时的纸张性能，常用的湿强剂主要有脲醛树脂、三聚氰 胺甲醛树脂、聚酰胺聚胺环氧氯丙烷类等，此外，还有低分子质量有机氯化物湿 强剂，但其增加了甲醛和b o d 的排放量，对环境有害，因此开发对环境友好的湿强 剂势在必行。 湿强剂的作用一般是通过与纤维作用产生交联基团，阻止纤维的润胀保护氢 键 2 7 , 2 8 。在水相溶液中，漆酶可以催化氧化含有木素的纤维原料，在木素和与之 相邻的纤维之间产生苯氧基，而且被氧化的木素可以发生聚合作用，缩合的木素 包围着纤维，在纤维间形成交联网，该网可以阻止纤维润胀，保护氢键不被破坏， 其作用相当于纸张湿强剂【2 明，因此，漆酶在制浆造纸中可用做湿强剂。漆酶介体 体系处理卡伯值较高的硫酸盐浆，纸张湿强度与对照样有明显提高 2 9 1 。m a r t i n l u r i d 2 2 】研究发现，漆酶单独处理未漂硫酸盐浆对成纸的湿强度提高不明显，但用 漆酶介体体系催化氧化纸浆，其湿强度有明显提高。 1 3 5 漆酶用于生物制浆和机械浆预处理 生物制浆和机械浆预处理漆酶催化木素降解的特性，可用于造纸工业中纸浆 的生产。木素在木材中的含量约为1 5 - 3 2 ，仅次于纤维素和半纤维素。造纸工 业中传统的制浆是用烧碱或硫酸盐高温蒸煮原料，除去木材中的木素，降低纤维 间的结合力使之离解成浆。这一工艺不仅会使部分纤维素和半纤维素降解，影响 纸浆得率，还严重污染环境。如果用漆酶等选择性地降解木素生产纸浆，可以消 除上述工艺的弊端，使生产在常温常压的温和条件下进行，并能节约设备和能耗 刚。尽管酶法制浆代替化学制浆还在试验和攻关阶段，但是可以预言，一旦在提 5 第1 章绪论 高漆酶降解木素的能力、缩短纸浆生产周期、降低生产成本等技术难点上有所突 破，使之达到实用化，将会给造纸工业带来良好的经济效益和社会效益。有研究【3 l 】 报道，在机械浆生产过程中，用漆酶浸渍木片可以降低磨浆能耗，大约可以节省 机械浆生产过程的5 8 。处理后浆料的白度稍有提高，其他光学性质基本没有 变化。并且，经过漆酶浸渍处理后得率没有降低，手抄片的强度不变或有所提高。 酶处理过的纤维似乎能够提高纤维间的结合能力，这进一步表明了漆酶在机械浆 生产中的应用前景，即可以通过配抄更少的化学浆生产一定的纸种，例如新闻纸 和电话簿纸。 1 4 漆酶在其它领域中的应用 1 4 1 食品工业 漆酶在食品工业上的应用是近2 0 年发展起来的，主要在饮料加工等方面。 伴随着超滤技术的普遍推广，漆酶在饮料加工中的应用也越来越广泛。漆酶 能够氧化多酚类物质生成多酚氧化物，多酚氧化物自身能够发生再聚合，形成可 以被滤膜截留的大颗粒，最终达到净化饮料的目的。由于这一催化反应专一性强， 污染小，澄清的果汁色浅且稳定，因此漆酶的应用成为饮料加工中的热点。研究 表明，漆酶的作用效果不仅优于物理、化学方法( 如聚乙烯吡咯烷酮处理法、活 性炭处理法及吸附处理法等) ，也优于其它酶( 单宁酸酶、酚酶和花色素酶等) 的 作用效果田j 。 漆酶对大分子物质的降解能力使其在食品加工中得以发挥应用。漆酶对于饮 料、啤酒在储存期间往往出现混浊或沉淀，这与其中含有酚或芳胺类物质有关。 如果用漆酶预先处理麦芽汁，使其中的酚氧化除去，则可提高啤酒的质量和透明 度。经固定化漆酶处理的葡萄汁和葡萄酒，除去其中的酚类物质，能长期储存并 保持澄清i j 3 。 除了直接利用游离的漆酶外，2 0 世纪9 0 年代初【3 4 3 5 1 还出现了利用固定化漆酶 去除多酚物质的技术，即通过物理或化学的方法将漆酶以共价结合的方式固定于 有机物或无机物支持的介质上，然后用于除去多酚；使用的介质包括硅胶、琼脂 糖、戊二醛等。由于固定化漆酶储存在适当的条件下，活性损失很小，并可重复 使用【3 4 州，使其在食品加工中有着广泛的应用前景。 1 4 2 漆酶在高分子化合物合成方面的应用 漆酶能催化生漆中的漆酚产生高分子聚合物，使生漆干燥成膜，这是漆酶最重 要的作用。基于同样的原理，漆酶可催化染色剂中酚或芳胺类化合物在毛发上氧 化成醌或黑色素使毛发染成黄色或黑色。 研究表明，漆酶在真菌色素合成中扮演重要的角色，并且可能参与菌丝的形成， 它也能在细胞间催化酚类化合物的聚合粘连来固定菌丝。人们已经利用漆酶的这 种粘合功能进行化工行业的开发研究。在酶的催化作用下，用制浆废水中的木素 6 山东轻工业学院硕士学位论文 为原料可以生产木屑板等产品。虽然尚未达到大规模生产，但是能有效去除废水 中的木素，对水净化的好处显而易见的【了n 。 漆酶一个主要的生物化学特性就是催化漆酚形成高分子聚合膜。有人根据其催 化特性，设计漆酶参与高分子化合物合成的过程，漆酶参与了氧化固醇类激素芳 香环的过程。该反应依赖子温度、酸碱度、漆酶浓度和所用有机溶剂的类型，在 这种条件下，漆酶的活力可以维持数天，在不大的反应体积中有很高的转移率【3 引。 漆酶可催化酚类、芳胺类、羧酸类等单体的聚合反应，在树脂材料、光电材料、 染色工业等方面有着广阔的应用前景。 1 4 3 智能包装指示剂及生物检测 在全球包装市场，智能包装的某些概念已投入商用，其使用的范围在不断拓 展。其中，渗漏指示剂和保鲜指示剂智能包装概念已取得专利。不久以后，这些 新指示剂产品可望进入市场。 芬兰的研究者利用漆酶的催化氧化反应形成有色产物，研究了渗漏指示剂。 在有氧条件下，漆酶可氧化多种基质并生成有色产物，如从a b t s 可生成从浅绿 到深绿的有色产物。在无氧条件下，把漆酶涂在含有a b t s 的琼脂糖方块上，密 封于透氧薄膜内，配制以漆酶为主要成分的7 指示剂。该指示剂遇氧发生反应， 快速出现明显的颜色变化 3 9 1 。 漆酶在催化氧化过程中消耗氧气，在这一过程很容易被转化为电信号而高灵 敏地得到检测。 自上世纪8 0 年代以来，生物传感器的研究与开发呈现出突飞猛进的局面，各 类传感器应运而生。b a u e r 4 0 1 等研究了在流动的检测系统中区分吗啡和可卡因的方 法。构建的传感器以漆酶为基础，葡萄糖脱氢酶固定在c l a r k 氧电极上。漆酶通过 消耗氧气可以氧化吗啡，产生葡萄糖脱氢酶，但不可能氧化可卡因，因此，这种 传感器可以选择性地检测吗啡。吗啡在3 2m m o l 和1 0 0m m o l 之间可以被检测到。 这种快速、简单的技术方法可以在注射样品后一分钟内辨别吗啡和可卡因。 g h i n d i l i s 4 1 l 等运用纤维质的d b 墟一纤维固定漆酶，制成两种类型高活力稳定 的传感器，来检测茶叶加工过程中儿茶酚的变化情况，每个酶原件可以做5 0 0 次 以上检测，并且室温下可保存2 个月。这种类型的传感器可以用于检测来自煤炭、 石油、天然气和造纸等工业水中的木素、酚类物质等。 一种安培生物传感器用于测量酚类化合物已经应用于纸厂的污水检测。它是 基于漆酶的抑制作用。该生物传感器显示了相当好的稳定性，可以连续工作3 个 月。分别用苯酚、邻二氯酚和邻甲氧基苯酚进行试验，该生物传感器显示了在微 摩尔浓度时对这些化合物选择性的检测能力。传感器上的一种透析膜可以保护它 不受污泥等影响，并且提供适合的工作环境。这使得它可以用于测量一些复杂的 样品，而不需要样品的处理过程 4 2 1 。 7 第1 章绪论 双酶系统传感器是漆酶在传感器中的新进展。该系统用漆酶和依赖于p q q 的 葡萄糖脱氢酶共固定在塑料片上，与氧电极偶联，大大提高了检测的灵敏度。它 测定二茂铁的浓度极限为o 2p i n o l l ；而测定肾上腺素等神经介质的极限达皮摩 尔级【4 3 】。 在免疫检测中，漆酶有望替代辣根过氧化酶而成为新的标记酶，因为它有如 下几个优点：( 1 ) 氧气作为第二底物，不形成非产物型的酶一底复合物；( 2 ) 相 比于过氧化物酶，漆酶对介质中不同价态的金属离子浓度的敏感性较低；( 3 ) 无 需特殊的仪器和试剂【2 j 。 g h i n d i l i s 4 4 1 报道了一种无介质反应体系；漆酶标记抗体，底物为空气中的0 2 和直接来源于电极上的电子。检测胰岛素，获得了很宽的线形范围( 3 0 0m y ) ，非 常有利于作动力学分析。 1 5 纤维的酶法改性技术 酶法纤维改性技术具有很强的灵活性，其优势取决于纸厂改性的目的。经酶 法改性后的纤维可以提高纸张强度；或者生产同等强度的纸张，可以降低打浆能 耗。酶法纤维改性技术的灵活性对打浆能力有限的的纸厂尤为重要。侯小红【4 5 】等 人利用b u z y m e 公司生产的酶对纤维改性发现，可以提高纤维强度、降低打浆能耗、 缩短打浆时间、减少商品木浆的配比、减少阔叶木浆中的导管、改善成纸品质及 印刷性能。 1 5 1 酶法纤维改性理论 为了使纸浆获得某些特性( 机械强度、物理性能和胶体性质) ，使抄造的纸和 纸板达到预期的质量要求、控制浆料在网上的滤水性能以适应纸机生产的需要， 所有纤维必须经过打浆处理。通用的机械打浆法使纤维产生变形、润涨、压溃、 切断、分丝帚化等作用。但由于纤维的特殊结构，初生壁p 和次生壁s l 对机械和 化学作用的阻力较大，限制了次生壁中层s 2 的润涨和分丝帚化。因此，通常需要 较高的打浆能量先将p 和s l 打碎破除、反之则难以获得合适的打浆度和理想的纤 维形态。这不仅增加了打浆能耗，而且过高的打浆能量将使纤维过度切断，并产 生过量的细小纤维碎片，导致纸张强度，特别使撕裂强度下降；同时，过多的细 小纤维碎片也会影响滤水和留着性能。 另外，某些阔叶木中含有大量壁厚、粗大的导管，常规的机械打浆很难将其 软化和去除，在纸页成形过程中容易形成孔洞和透明点。与普通纤维相比，不容 易产生分丝帚化作用，所以它们和普通纤维的结合较弱。成纸后在印刷过程中常 引起掉毛、掉粉现象，影响印刷质量。 研究表明：某些特定的纤维素酶用于打浆预处理能够使纤维结构变得疏松，加 速水分子进入纤维内部促使纤维快速润涨。纤维素