王鳳娟黃 峰,2,＊楊桂花陳嘉川

(1.山東輕工業(yè)學(xué)院制漿造紙省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南,250353;

2.山東大學(xué)微生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南,250100)

半纖維素對APMP漿性能的影響

王鳳娟1黃 峰1,2,＊楊桂花1陳嘉川1

(1.山東輕工業(yè)學(xué)院制漿造紙省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南,250353;

2.山東大學(xué)微生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南,250100)

用木聚糖酶處理?xiàng)钅続PMP漿,除去漿中的部分半纖維素,通過紫外光譜與化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件相結(jié)合的方法檢測酶解液中主要半纖維素組分的含量。同時(shí)對紙漿在酶處理前后的性能變化進(jìn)行了測定,分析了不同的半纖維素溶出量對紙漿主要光學(xué)性能和物理性能的影響。

半纖維素;木聚糖酶;化學(xué)計(jì)量學(xué);紙漿性能;高得率漿

人們對木材半纖維素的研究較早,主要以選擇提取工藝和結(jié)構(gòu)測定為主。文獻(xiàn)[1-3]對麥草、蔗渣、楊木等纖維原料中的半纖維素做了較為系統(tǒng)的研究,主要側(cè)重于抽提工藝和結(jié)構(gòu)特征討論。針對我國當(dāng)今造紙資源的嚴(yán)峻形勢,發(fā)展高得率漿成為保證我國造紙工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[4]。APMP漿是一種重要的高得率漿,除纖維素外,其中還保留了大量的木質(zhì)素和半纖維素。人們已經(jīng)較全面地研究了木質(zhì)素對紙漿的影響,主要集中于卡伯值、白度和返黃值,而針對半纖維素對紙漿性能的研究甚少。本研究用木聚糖酶處理?xiàng)钅続PMP漿,采用多波長光譜測定并結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)進(jìn)行校正的方法來實(shí)現(xiàn)對抽提液中糖含量的初步分析[5],這是一種新的檢測糖含量更為簡便有效的方法,以溶出戊糖的含量來表征半纖維素的減少量,比較分析了楊木APMP漿中半纖維素含量對紙漿性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要材料

楊木APMP成品漿:由山東晨鳴紙業(yè)提供;木聚糖酶AU-PE89:由蘇克漢公司提供;化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件S IMCA-P+12。

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.2.1 用PLS建立模型

標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制 配制一組20個(gè)已知濃度的木糖和葡萄糖的混合溶液,其中木糖和葡萄糖的濃度變化范圍均為0～0.07 mmol/L,總糖含量變化范圍為0.01～0.14 mmol/L。

糖的濃硫酸脫水處理與紫外光譜測定 用移液管分別移取1 mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液于30 mL試管中,再用移液管分別移取5 mL濃硫酸,搖勻,冷卻后放入30℃水浴鍋中水浴20 min。將所得20種溶液分別在190～400 nm進(jìn)行紫外掃描,記錄全部吸光度。

方法校正 將上述測定的光譜值以及所對應(yīng)的木糖和總糖的含量數(shù)據(jù)輸入到化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件(S IMCA)程序中,選擇偏最小二乘法(partial-least-square, PLS)進(jìn)行多變量的回歸,得到方法的校正模型。

1.2.2 酶活測定

用NaAc-HAc緩沖液(pH值4.8、濃度0.05 mol/L)配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的木聚糖懸浮液(測定纖維素酶活時(shí)同法配制羧甲基纖維素鈉懸浮液),取此懸浮液2 mL于刻度試管中,適當(dāng)稀釋后在60℃下處理30 min后加2 mL DNS(3,5-二硝基水楊酸)試劑,終止反應(yīng)。煮沸10 min,冷卻至室溫后,定容至15 mL,搖勻后測吸光值(木聚糖酶液為550 nm處,纖維素酶液為540 nm處),對照標(biāo)準(zhǔn)曲線得出酶解后木糖或葡萄糖生成量,根據(jù)式(1)計(jì)算酶活,同時(shí)進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)。

式中 H——酶活, IU/mL(1 min生成1μmol木糖或葡萄糖的酶量為1 IU)

D——酶液稀釋倍數(shù)

V1——比色管定容體積,mL

C——木糖或葡萄糖濃度,μmoL/mL

T——反應(yīng)時(shí)間,min

V2——酶液體積,mL

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 漿料的酶處理

[6-7],選取適當(dāng)?shù)奶幚項(xiàng)l件:pH值4.8,溫度60℃,處理時(shí)間2 h。將30 g絕干漿疏解,再與一定量酶液及緩沖液在聚乙烯塑料袋中充分混勻至漿濃為10%,放入恒溫水浴鍋中加熱,每隔10 min輕搓1次,以便酶與底物充分接觸,至規(guī)定時(shí)間后取出,在沸水中煮10 min,以使酶滅活。

分別將每個(gè)樣品過濾得到的酶解液進(jìn)行適當(dāng)稀釋后進(jìn)行濃硫酸脫水處理與紫外光譜測定。處理后的漿料進(jìn)行打漿和抄紙實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 酶解液還原糖測定

將酶處理得到的酶解液做適當(dāng)稀釋,還原糖的含量按DNS法測定。

1.3.3 酶解液糖含量測定

用移液管移取1 mL稀釋后的酶解液于30 mL的試管中,再用移液管分別移取5 mL濃硫酸,搖勻,冷卻后放入30℃水浴中20 min。在190～400 nm處進(jìn)行紫外掃描,記錄吸光度。將吸光度代入校正模型,預(yù)測戊糖和己糖的含量。

1.3.4 木質(zhì)素的測定

參照GB/T747—1989測定Klason木質(zhì)素。酸溶木質(zhì)素、酶解液中木質(zhì)素的測定用7230型分光光度計(jì)在205 nm處測定。

1.3.5 打漿和抄紙實(shí)驗(yàn)

參照QB/T1463—1992,用PFI磨打漿。用PTI自動(dòng)抄片機(jī)進(jìn)行抄片實(shí)驗(yàn),定量為60 g/m2。根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)在YQ-Z-48B白度儀上測定漿白度。返黃值的測定采用烘箱老化法,紙張?jiān)诠娘L(fēng)干燥箱中于103℃下處理3 h,測定紙張老化前后的白度并計(jì)算返黃值(PC值)。不透明度、抗張強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐破度均參照國家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外光譜與化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件相結(jié)合的方法建立校正模型

在分析化學(xué)中,常用化學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)來解決復(fù)雜的校正問題。其中,偏最小二乘法是解決線性復(fù)雜多變量關(guān)系最有效的方法。根據(jù)一組已知糖濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品的多波長光譜和所對應(yīng)的組成濃度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,利用化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件S IMCA建立校正模型[5]。然后將酶解液的紫外光譜信息輸入校正模型預(yù)測其組成中糖的含量。本方法具有無需使用有機(jī)試劑,操作簡便的特點(diǎn)。

戊糖和己糖經(jīng)濃硫酸脫水處理后,使得不帶不飽和鍵的糖分子變成帶不飽和鍵的產(chǎn)物,分別為糠醛和羥甲基糠醛[8-10],如式(1)和式(2)所示,它們在濃硫酸介質(zhì)中分別在波長316 nm和322 nm處有最大吸收峰(見圖1)。對于混合糖樣品的紫外光譜,其最大吸收峰值的出現(xiàn)介于這兩個(gè)波長之間,因此,根據(jù)糠醛以及羥甲基糠醛所產(chǎn)生的紫外光譜可以間接測定戊糖和己糖的含量。

圖1 糠醛、羥甲基糠醛及其混合物在濃硫酸溶液中的紫外吸收光譜圖

由于木糖和葡萄糖的酸脫水過程與戊糖和己糖一致,最終產(chǎn)物均為糠醛及羥甲基糠醛,因此,可以用木糖和葡萄糖配成戊糖和己糖的標(biāo)準(zhǔn)溶液得到校正模型。考慮到所用木聚糖的酶活較高,葡萄糖溶出相對較低的特點(diǎn),采用木糖和總糖的含量為基準(zhǔn)進(jìn)行測定,葡萄糖含量以總糖含量減去木糖含量表示。

將標(biāo)準(zhǔn)溶液處理后進(jìn)行紫外掃描,把已知糖含量值和它們所對應(yīng)的190～400 nm的吸光度輸入S IMCA軟件,用偏最小二乘法得到校正模型,圖2和圖3分別為校正模型所給出的戊糖(以木糖為標(biāo)準(zhǔn)物)和總糖的模型預(yù)測濃度和實(shí)際濃度之間的關(guān)系。結(jié)果表明,兩者有很好的相關(guān)性,相關(guān)性系數(shù)分別為0.9902(戊糖)和0.9844(總糖)。用這個(gè)模型來預(yù)測酶解液中的糖含量。

2.2 酶解液中糖的組成和含量變化

基于酶的一些特性,如高效性、高度專一性、易調(diào)控性及沒有副作用[11],采用酶法對漿樣進(jìn)行處理,除去漿中部分半纖維素,以探討半纖維素在紙漿中的作用。實(shí)驗(yàn)測得木聚糖酶酶活為80000 IU/g,而相同條件下纖維素酶酶活僅為65 IU/g。因此,在純度較高和專一性較強(qiáng)的木聚糖酶的作用下,半纖維素降解物主要應(yīng)為木糖和木糖的低聚物(屬戊糖),還可能存在少量的纖維素單體如葡萄糖以及纖維二糖等(屬己糖)。在濃硫酸的作用下低聚糖很快被降解為單糖,然后進(jìn)一步被水解為糠醛和羥甲基糠醛。將濃硫酸水解液進(jìn)行紫外光譜掃描,然后將吸光度輸入S IMCA,用得到的模型預(yù)測酶解液中戊糖和總糖的含量。在處理酶解液時(shí),需要將得到的酶解液進(jìn)一步稀釋,否則糖濃度過高會(huì)在熱酸的作用下快速反應(yīng),容易產(chǎn)生乙酰丙酸和甲酸以及暗色的不溶物[12]。

模型預(yù)測的總糖含量與DNS法得到的還原糖含量的曲線如圖4所示,隨著酶用量的增加,還原糖和總糖含量都呈上升趨勢,每個(gè)樣品點(diǎn)的還原糖的含量總是低于總糖,這是因?yàn)槊附庖褐泻械途厶?還原性末端基未完全顯露出來,因此模型預(yù)測得到的總糖含量既包含原有的還原糖又包含低聚糖。它們在濃硫酸的作用下全部水解為糠醛和羥甲基糠醛。

圖5為模型預(yù)測所得半纖維素(主要為戊糖)和纖維素(主要為己糖)溶出量增加量隨著酶用量的變化。由圖5可以看出,隨著酶用量的增加,半纖維素和纖維素的溶出量都呈現(xiàn)不斷上升的趨勢,與半纖維素的增加程度相比,纖維素的溶出量變化不大,這是因?yàn)槔w維素酶活(65 IU/g)較木聚糖酶活(80000 IU/g)是極低的。因此,認(rèn)為在本實(shí)驗(yàn)條件下,紙漿中半纖維素含量的變化是引起后續(xù)實(shí)驗(yàn)中紙漿物理強(qiáng)度性能變化的主要因素。本實(shí)驗(yàn)所降解的半纖維素只是漿中總半纖維素的一部分,可能主要是纖維表面附著的半纖維素部分。另外,木聚糖酶用量由60 IU/g上升至120 IU/g時(shí),上升的趨勢逐漸趨于緩和,這可能是因?yàn)槊赣昧坷^續(xù)增加時(shí),相對可接觸的底物而言,酶分子逐漸達(dá)到過飽和狀態(tài),酶解效率降低。

2.3 半纖維素溶出量對紙漿性能的影響

在木聚糖酶作用下,紙漿中的半纖維素降解物主要是木糖和木糖的低聚物,隨著木聚糖酶用量的不斷增加,酶解液中的戊糖含量是不斷增加的(見圖5)。由圖1可知,戊糖在濃硫酸介質(zhì)中的最大吸收峰在波長316 nm和322 nm處,圖6是樣品液經(jīng)濃硫酸處理后的紫外光譜圖,可見最大吸收峰出現(xiàn)在316 nm附近。因此,圖6也說明了溶液中主要為戊糖。由圖5可以看出,酶用量為最高120 IU/g時(shí),半纖維素溶出量比不用木聚糖酶時(shí)增加了630.9%。下面討論半纖維素溶出量對紙漿性能的影響時(shí),空白漿樣的性能參數(shù)見表1,所提及的紙漿性能的變化均相對空白樣而言。

2.3.1 緊度和不透明度

緊度隨半纖維素溶出量變化關(guān)系見圖7。由圖7可以看出,隨著半纖維素的不斷減少,緊度下降。空白漿的緊度為0.510 g/cm3。對應(yīng)半纖維素溶出量為4.50、8.25、9.75、11.34、12.46、14.57、15.79 mmol/L的漿,緊度分別為0.504、0.498、0.493 0.489、0.488、0.487、0.487 g/cm3。圖8給出了不透明度增加量與半纖維素溶出量的關(guān)系,對應(yīng)半纖維素溶出量為:4.50、8.25、9.75、11.34、12.46 14.57、15.79 mmol/L的漿,不透明度分別增加0.45%0.65%、0.86%、1.04%、1.08%、1.10%、1.12%。這可能是由于在相同定量下,漿中半纖維素含量的減少引起紙張緊度的下降,從而造成不透明度的增加。

表1 空白漿物理性能

2.3.2 返黃值

圖9顯示了半纖維素溶出量與返黃值減少量之間的關(guān)系,對應(yīng)半纖維素溶出量為4.50、8.25、9.75、11.34、12.46、14.57、15.79 mmol/L,紙漿的返黃值分別減少7.8%、13.0%、16.8%、21.2%、22.6%、25.1%、26.4%。這說明紙張的返黃除與木質(zhì)素存在密切關(guān)系外還深受半纖維素的影響。木聚糖在闊葉木半纖維素中占較大比例,這類半纖維素在光照或受熱情況下易分解產(chǎn)生木糖單體,而木糖在光照和氧的作用下很容易被氧化生成羰基發(fā)色基團(tuán)和羧基助色基團(tuán),半纖維素對返黃的影響與這些取代基團(tuán)是密不可分的。

2.3.3 抗張指數(shù)和耐破指數(shù)

紙張的抗張、耐破指數(shù)與半纖維素關(guān)系見圖10,隨著漿中半纖維素量的不斷減少,兩項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均出現(xiàn)較大幅度下降,對應(yīng)半纖維素溶出量為4.50、 8.25、9.75、11.34、12.46、14.57、15.79 mmol/L的漿,抗張指數(shù)分別下降6.2%、11.5%、15.7%、18.1%、19.6%、21.5%、21.9%,變化趨勢與Molin U等[13]的研究相符;耐破指數(shù)分別下降5.6%、9.4%、12.2%、16.4%、18.4%、20.2%、20.8%。紙張的這兩項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)主要受到纖維結(jié)合力、纖維長度和纖維自身強(qiáng)度的影響。因生物酶具有高度專一性的特點(diǎn),木聚糖酶在處理紙漿時(shí)對纖維素的影響甚微,對纖維物理強(qiáng)度的主要影響在于纖維結(jié)合力的改變,半纖維素可以提供更多的極性基團(tuán),使纖維結(jié)合位點(diǎn)增加,進(jìn)而使纖維結(jié)合更加牢固。而酶處理后,漿樣中一定量的半纖維素被除去,從而使結(jié)合位點(diǎn)減少,降低了纖維結(jié)合力。

2.3.4 撕裂指數(shù)

半纖維素與撕裂指數(shù)之間的關(guān)系如圖11所示,隨著漿中半纖維素量的減少,撕裂指數(shù)呈現(xiàn)大幅上升趨勢,對應(yīng)半纖維素溶出量為4.5、8.25、9.75 11.34、12.46、14.57、15.79 mmol/L的漿,撕裂指數(shù)分別增加4.8%、9.9%、13.6%、16.0% 17.2%、17.4%、17.9%。撕裂指數(shù)主要受纖維長度的影響,受纖維結(jié)合力的影響較弱。當(dāng)纖維素酶活較木聚糖酶活極低時(shí),因?yàn)槊柑幚碇饕鞘紫任皆诒缺砻娣e較大的細(xì)小組分表面上,并在細(xì)小組分表面發(fā)生酶解作用,所以纖維素酶的作用對纖維長度的影響較小或者還不足以影響纖維長度,因此,半纖維素的溶出使得纖維素的相對含量增加,撕裂指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。

3 結(jié) 論

3.1 用紫外光譜結(jié)合化學(xué)計(jì)量法得到的模型可以對酶解液的糖組成進(jìn)行較好的預(yù)測。在一定范圍內(nèi),總糖和還原糖的溶出量都隨酶用量的增加而增加,半纖維素的溶出量也隨酶用量的增加而增加。

3.2 隨著漿中半纖維素溶出量的增加,紙漿抗張強(qiáng)度和耐破度均有不同程度的下降,最大變化幅度與空白漿對照分別下降21.9%和20.8%。

3.3 隨著漿中半纖維素含量的降低,不透明度和撕裂指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。當(dāng)半纖維素溶出量為15.79 mmol/L時(shí),變化幅度最大,與空白漿相比分別增加1.1%和17.9%。

參 考 文 獻(xiàn)

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Abstract:A part of hemicellulose was removed from poplar Alkaline Peroxide Mechanical Pulp(APMP)by xylanase treatment.The mai hemicellulose components in the enzyme liquid was predicted with the modelwhich was established by the spectral measurement of a set o hydrolyzed standard sugar solutions treatingwith concentrated sulfuric acid and a chemometrics software.The impact of dissolved hemicellu lose content on APMP propertieswas analyzed through measuring the pulp optical and physical properties.

Keywords:hemicellulose;xylanase;chemometrics;pulp properties;APMP

(責(zé)任編輯:郭彩云)

The I mpact of Hem icellulose on APM P Properties

WANG Feng-juan1HUANG Feng1,2,＊YANG Gui-hua1CHEN Jia-chuan1
(1.Key Lab of Pulp and Paper Science&Technology of M inistry of Education,Shandong Institute of Light Industry, Ji'nan,Shandong Province,250353;2.State Key Lab of M icrobial Technology,Shandong University, Ji'nan,Shandong Province,250100)
(＊E-mail:fhuang@sdu.edu.cn)

TS71+1

A

1000-6842(2010)02-0006-05

2009-09-25(修改稿)

王鳳娟,女;在讀碩士研究生;主要研究方向:制漿造紙綠色科學(xué)與技術(shù)。

＊通信聯(lián)系人:黃 峰,E-mail:fhuang@sdu.edu.cn。