木聚糖酶处理中碳水化合物降解对木素溶出性能的影响

木聚糖酶处理中碳水化合物降解对木素溶出性能的影响

由于环境保护的要求和生物技术的发展，生物酶漂白受到了越来越多的关注、研究和应用。其中，木聚糖酶生物漂白得到了工业化生产。木聚糖酶辅助漂白的主要目的是改善纸浆的可漂性,提高漂后纸浆的白度,减少漂剂用量,降低生产成本。有关木聚糖酶辅助漂白的机理,根据不同的实验方法有不同的看法。Clark等认为木聚糖酶部分降解半纤维素链,使纤维细胞壁结构疏松,木素在其后的漂白中容易与漂剂反应而溶出;Kantelinen等认为木聚糖酶部分降解沉积在纤维表面的木聚糖,使漂剂更易与木素反应;Senior等认为木聚糖酶能部分降解木素-碳水化合物复合体(LCC),使纸浆残余木素更易与漂剂反应。1实验1.1实验材料雷林1号桉木硫酸盐浆,白度(SBD)25.4%,黏度1356mL/g,卡伯值19.9。实验用酶由华南理工大学生物工程学院提供。1.2实验方法1.2.1na-l-4-2n-fm-2-羟基苯基香豆素-7,5,5.2.4酶活剂用量的测定在2mL0.5%木聚糖溶液(用0.05mol/LNaAc-HAc缓冲溶液配制,pH值4.8)中加1mL经适当稀释的待测酶液并摇匀,45℃反应30min后,加2mLDNS试剂终止反应,煮沸10min,冷却至室温,用蒸馏水定容至15mL并摇匀,于550nm测吸光值。根据木糖标准曲线得到木糖生成量,计算出木聚糖酶酶活。以每分钟产生1μmol还原糖为1个酶活单位(IU)。1.2.2木聚糖酶系统优化木聚糖酶酶活19.7IU/mg。木聚糖酶处理条件:温度50℃,时间2h,pH值5,木聚糖酶用量20IU/g绝干浆,处理浆料浓度10%。该酶为固体粉末,使用时直接加入到纸浆悬浮液中,然后揉搓使之混合均匀。1.2.3搅拌和搅拌方法通过DMSO抽提,可获得未漂纸浆纤维表面的木聚糖,具体方法如下:50g绝干未漂浆,加入950gDMSO,质量分数为5%,室温搅拌3h。过滤,用DMSO洗涤再过滤。滤液倒入体积是其3倍的质量分数(下同)95%乙醇中(该95%乙醇预先用浓盐酸酸化至pH值4.5～4.7),分离沉淀物,沉淀物用质量分数(下同)1%HCl乙醇溶液洗涤2次,无水乙醇洗涤5次,丙酮洗涤1次,乙醚洗涤1次,将沉淀物干燥,置于棕色瓶中待用。1.2.4沉淀分离和净化通过4%NaOH抽提,可获得未漂纸浆半纤维素,具体方法如下:50g绝干未漂浆,加入450mL4%NaOH溶液,调匀,室温放置30min后,过滤,滤液用50%醋酸酸化至pH值4.5～4.7,此时出现沉淀,然后倒入3倍于其体积的95%乙醇中,此时出现大量沉淀,分离沉淀,用质量分数75%乙醇、95%乙醇和乙醚洗涤、脱水。并在CaCl2上真空干燥备用。1.2.5木素和氮气的提取0.01mol/LNaOH抽提实验在极缓和并且通氮气的条件下进行,使得木素保持原有结构而溶出。抽提条件如下:60℃,浆浓1.0%,30h。过滤,滤液置于冰箱中留待分析。1.3分析1.3.10.01mol-lnaoh萃取中木素含量分析751G分光光度仪,λ=280nm,参比液为0.01mol/LNaOH,K=20L/(g·cm)。1.3.2ters-gpc24/alc抽提滤液直接送GPC分析。仪器为Waters-GPC244/ALC。流动相:0.01mol/LNaNO3/CH3CN,流速0.6mL/min。1.3.3红外光谱分析FTIR,波数范围401～4000cm-1。AnalectRFX-65傅立叶变换红外光谱仪。1.3.4气相色谱质量分析gc-ms木聚糖酶处理滤液中产物制成TMS衍生物,供GC-MS分析。设备型号:HP5972。检索谱库:Wiley库。2结果与讨论2.1木聚糖酶作用对象采用FTIR分析了未漂浆DMSO抽提物和4%NaOH抽提物经木聚糖酶处理前后的结构变化,结果见表1、表2和图1、图2。由表1和表2可知,在DMSO抽提物和4%NaOH抽提物木聚糖酶处理中,主要是聚木糖C==O(1043/1726cm−1)C=Ο(1043/1726cm-1)、聚木糖乙酰基(1252/1254cm-1)、聚木糖—CH2—(1466cm-1)等结构降解,表现在它们的吸收强度减小。另外,葡萄糖醛酸聚木糖C==O(1726cm−1)C=Ο(1726cm-1)、半纤维素结构(1167/1383cm-1)也较显著降解。在4%NaOH抽提物中,与木素结构有连接的半纤维素也被抽提出来,亦即4%NaOH抽提物中,存在木素-碳水化合物复合体(LCC)结构,表现在4%NaOH抽提物FTIR谱中,存在木素芳环特征吸收峰(表2中1612cm-1)。2917/2920cm-1、3426/3434cm-1是LCC中的氢键结构,它们在木聚糖酶处理后,吸收强度也都减小,说明LCC结构在木聚糖酶处理中发生了降解。综合FTIR的分析,木聚糖酶作用对象表现在下列3个方面:①纤维表面半纤维素(聚木糖);②纸浆中半纤维素;③LCC结构。2.2半纤维素及抑制剂的降解表3中由GC-MS检出的肉桂酸(序号6、序号13)、[1,2-苯撑双(O)]双[三甲基]-硅烷(序号12),说明在木聚糖酶处理中,LCC结构发生了降解,证实了FTIR的分析结果。在木聚糖酶处理中还溶出蜜二糖(序号14)、塔罗糖(序号15)。表3中由GC-MS检出的其他化合物(序号1-5、序号7-11)是在木聚糖酶处理中溶出的半纤维素的降解产物。蜜二糖、塔罗糖的溶出、纸浆纤维表面和纸浆中半纤维素的降解溶出以及LCC的降解,为后续漂白反应提供了有利条件,也影响木素溶出性能。图3～图6为相应的离子流图及质谱图。2.3素溶出性能的影响用0.01mol/LNaOH溶液对木聚糖酶处理前后的纸浆进行抽提实验,抽提条件非常缓和,以分析木聚糖酶预处理对纸浆中木素溶出性能的影响,结果见表4。由表4可知,木聚糖酶预处理后,木素溶出量并没有增加,反而有些减少,但溶出木素的分子质量显著增大,多分散性明显减小,说明本实验所用的木聚糖酶处理只能增加后续碱抽提中大分子质量木素的溶出,但并不能增加后续碱抽提中木素的溶出量,其原因有待进一步研究。