陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物的自留著及紙張增強作用研究

通過木瓜蛋白酶的定點消化法分別從綠色木霉和里氏木霉中提取出纖維素酶糖結合單元以及從嗜熱棉毛菌中提取出木聚糖酶糖結合單元，然后通過肽縮合反應而引入到陰離子聚丙烯酰胺上。通過針葉木漿和闊葉木漿的手抄片實驗，研究了上述3種陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物分別表現(xiàn)出的不同的自留著特性，并考察了它們在受污染濕部環(huán)境下的紙張增強性能。結果表明：從綠色木霉中獲得的糖結合單元和陰離子聚丙烯酰胺的復配物在闊葉木漿中具有較好的自留著效果，同時使紙張獲得較高的抗張強度，尤其是在鈣離子和木素磺酸鹽存在時效果更明顯；從里氏木霉中獲得的糖結合單元和陰離子聚丙烯酰胺的復配物則在針葉木漿手抄片中的自留著效果比在闊葉木漿手抄片中的好；從嗜熱棉毛菌中獲得的糖結合單元和陰離子聚丙烯酰胺的復配物只適用于未被污染的濕部系統(tǒng)中。陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物中的糖結合單元與漿料纖維的親和性有助于拓寬糖結合單元-聚合物型復配物在造紙濕部的應用范圍。

1 前言

由纖維素纖維制成的紙產品作為一種重要材料應用于日常生活的方方面面。紙張生產中通常在紙機濕部的漿料懸浮液中添加相關化學助劑來達到生產出具有特定功能的紙張產品的目的。但是在該過程中，常因漿料和過程水的不斷循環(huán)使用而導致濕部系統(tǒng)中產生離子污染。因為傳統(tǒng)的濕部系統(tǒng)受其內部的靜電作用影響很大，所以離子污染已經嚴重影響到了大多數造紙助劑的應用效果。聚丙烯酰胺、陽離子淀粉和聚酰胺環(huán)氧氯丙烷是造紙過程中常用助劑，但是這些助劑對造紙系統(tǒng)中不斷積累的陰離子垃圾和無機鹽離子很敏感。同樣，也在工廠實踐中對應用非離子聚合物如聚環(huán)氧乙烷和酚醛樹脂的濕部系統(tǒng)進行了調查研究。在該類系統(tǒng)中，上述問題也未得到根本解決。因此，開發(fā)一種不受靜電作用并且在離子污染較嚴重的濕部環(huán)境中自留著效果較強、且能發(fā)揮作用的新型助劑是很有必要的。

纖維素酶是一種糖基水解酶，能夠選擇性水解纖維素的β-1，4糖苷鍵。纖維素酶在解決上述問題上具有很大的應用潛力。大多數纖維素酶都有一個由催化區(qū)組成的模塊結構，該催化區(qū)連接著糖結合單元。利用糖結合單元來設計纖維素材料的思路源于糖結合單元本身具有的與纖維素（沒有催化作用）特殊的高親和性。前期的研究已經表明，糖結合單元對造紙助劑在紙張上的留著以及離子污染條件下的濕部系統(tǒng)中助劑作用的發(fā)揮是有效果的。陰離子聚丙烯酰胺與糖結合單元所組成的復配物中的糖結合單元和漿料纖維之間具有納牛頓（nanoNewton）級的特異性相互作用，從而可以在濕部高電導率和高陽離子需求量條件下仍保持良好的自留著效果并使紙張獲得較高的抗張強度，而在這種濕部條件下，聚酰胺環(huán)氧氯丙烷是無效的。

本研究中，陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物通過從不同糖基水解酶中提取出來的3種糖結合單元來合成，并比較了它們的自留著及紙張增強特性。纖維素酶在所有微生物中都可以找到，其主要存在于原核細胞和菌類中。除了諸如木聚糖酶等纖維素酶之外，糖基水解酶也含有能夠在碳水化合物表面結合的糖結合單元?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)了一系列類型的糖結合單元，根據氨基酸順序、結合專一性以及結構特性，這些糖結合單元被劃分成超過50種不同的品類。本研究中，不同類型的陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物加入到闊葉木纖維或者是針葉木纖維的懸浮液中。所涉及的闊葉木和針葉木纖維的表面結構是不同的，即纖維素和半纖維素的組成不同。本研究著重探討了陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物在濕部污染條件下的自留著和紙張增強性能。

2 實驗

2.1 實驗原料

（1）商用闊葉木漿（手抄片用）：采用荷蘭式打漿機打至加拿大游離度為450 mL；（2）商用針葉木漿（手抄片用）：采用荷蘭式打漿機打至加拿大游離度為550 mL；（3）2種纖維素酶（糖結合單元來源）：編號-EC 3.2.1.4，分別從綠色木霉和里氏木霉中提??；（4）木聚糖酶（糖結合單元來源）：編號-EC3.2.1.8，從嗜熱棉毛菌中提?。唬?）木瓜蛋白酶（用于糖結合單元的分離）：編號 -EC3.4.22.2；（6） CBINDTM100 脂（用于糖結合單元接收）；（7）陰離子聚丙烯酰胺：相對分子質量為4×106g/mol，電荷密度為0.83 meq/g；（8）其他化學試劑：分析純。

2.2 實驗方法

2.2.1 糖結合單元的分離

糖結合單元按照如下步驟獲得：（1）木瓜蛋白酶和糖基水解酶各自在量濃度為50 mmol/L的磷酸鹽緩沖液（pH為6.5）中進行預培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為37℃、時間為30 min；（2）將活化后的質量濃度為1 mg/mL的木瓜蛋白酶溶液加入到150 mL的質量濃度為10 mg/mL的糖基水解酶溶液中，直至糖基水解酶和木瓜蛋白酶的質量比為30∶1，所得混合液在37℃條件下培養(yǎng)30 min；（3）根據先前公開報道的有關實驗方案，選用CBINDTM100脂通過親和純化法對糖結合單元進行分離。

2.2.2 陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物的合成

將70 mL質量濃度為 3 mg/mL糖結合單元的乙二醇溶液和3 mL質量分數為10%、pH為4.75的1-乙基-3-（3-二甲基胺丙基）碳化二亞胺氯化氫（EDC）溶液以及150 mL質量分數為0.1%、pH為4.75的陰離子聚丙烯酰胺水溶液在室溫下進行混合，混合時間為3 h，合成過程中的pH保持不變。所得陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物需采用異丙醇進行3次離心分離凈化，然后才能應用于手抄片的制備。

2.2.3 手抄片的制備及其性能檢測

將陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物分別加入到體積分數為0.15%的闊葉木漿和針葉木漿懸浮液中，復配物加入量為漿料絕干量的0.4%。手抄片按照TAPPI T 205 sp-95標準方法進行制備，定量為60 g/m2，抄片使用水為自來水。在加入陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物前，漿料懸浮液的電導率需采用氯化鈣調節(jié)至0.5 mS/cm（自來水）或4 mS/cm，同時漿料的陽離子需求量也需采用木素磺酸鈉調節(jié)至 20 μeq/L（自來水）或 80 μeq/L。 手抄片物理性能檢測前需在23℃和50%的相對濕度條件下恒溫恒濕處理24 h。手抄片的干抗張強度（測量次數為5次）根據TAPPI T 494 om-88標準進行檢測。陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物在手抄片上的留著量（測量次數為3次）以總氮含量計，并通過燃燒分析法進行檢測。

3 結果和討論

3.1 陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物的自留著和增強性能分析

根據前人介紹的方法，合成了3種陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物。通過基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜儀證明了通過移除氨基酸序列和肽而成功獲得糖結合單元，同時采用該儀器得到了糖結合單元的相對分子質量，如圖1所示。

圖1 木瓜蛋白酶定點消化法分離出的糖結合單元的基質輔助激光解吸電離飛行時間質譜圖

糖結合單元的N端以共價鍵的形式連接到陰離子聚丙烯酰胺的羰基上。EDC溶液作用下發(fā)生的糖結合單元自縮合反應可忽略不計，這是因為陰離子聚丙烯酰胺的羰基官能團數量要比糖結合單元的多很多。

圖2比較了3種陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物對闊葉木漿手抄片（a）和針葉木漿手抄片（b）相對抗張強度（圖中黑色柱）的影響以及3種復配物自身在手抄片中的留著情況（圖中白色柱）（下同）。圖中橫軸上“綠色木霉復配物”、“里氏木霉復配物”和“嗜熱棉毛菌復配物”分別表示“綠色木霉陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物”、“里氏木霉陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物”和“嗜熱棉毛菌陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物”（下同）。

圖2 3種陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物作用下的手抄片相對抗張強度及其自身在手抄片中的留著量

由圖2（a）可見，對于闊葉木漿，添加復配物在闊葉木漿所得手抄片的相對抗張強度較空白有顯著提高。綠色木霉和嗜熱棉毛菌所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物的自身留著率約在40%，而里氏木霉所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物的自身留著率則超過了80%。里氏木霉纖維素酶是眾所周知的用于水解固體纖維素的強力糖基水解酶，因此其在漿料纖維中與糖結合單元的高親和性在實驗前已被估計到了。陰離子聚丙烯酰胺自身與漿料纖維沒有親和性，前人的研究已證實了這一點，同時證實了陰離子聚丙烯酰胺既沒有留著在紙張中，也沒用對紙張起到增強作用。陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物中的糖結合單元組分與漿料纖維表面進行作用，糖結合單元和纖維素鏈之間形成氫鍵，從而提高了紙張的強度。然而，造紙助劑在紙張上的留著與紙張強度不一定總是相對應。圖2中里氏木霉所對應的陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物就出現(xiàn)了這種情況。

圖2（b）顯示了不同陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物對針葉木漿手抄片相對抗張強度的影響以及不同種復配物自身在手抄片中的留著情況。添加綠色木霉和嗜熱棉毛菌所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物在闊葉木漿手抄片的相對抗張強度較空白有顯著提高[圖2（a）]。另一方面，嗜熱棉毛菌所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物在針葉木漿手抄片上留著很少，從而致使相應的手抄片強度提高不明顯。漂白硫酸鹽漿的纖維主要由纖維素組成，但表面也會殘留少量的半纖維素。纖維表面組成取決于木材的來源。闊葉木漿料中的半纖維素有90%左右是由β-1，4鏈木糖主鏈上被乙?；?、阿糖和葡萄糖醛酸側鏈木聚糖酶取代后所得到的木聚糖酶。葡甘聚糖是針葉木半纖維素的主要組成部分，在硫酸鹽制漿過程中大部分被移除。本研究中，通過X射線光電子能譜來檢測闊葉木漿和針葉木漿表面組分中C—O基團和O—C—O基團的基團比，證明了闊葉木漿中的戊糖組分含量較針葉木漿的多（圖3所示）。檢測到的所有能譜結合能都是在285.0 eV下的基準信號（未氧化的C—C和/或C—H）。葡萄糖和木糖的C—O/O—C—O的理論值分別為5和4。

圖3 漿料纖維表面的X射線光電子能譜C1窄區(qū)域譜圖

木聚糖酶一定會優(yōu)先吸附在木聚糖上，因此可以推測正是嗜熱棉毛菌所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物與闊葉木纖維的半纖維素進行作用而使得其獲得了高留著量和提高了紙張強度。

3.2 陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物在受污染的濕部系統(tǒng)中的作用

在漿料處于高電導率（氯化鈣調節(jié)至4 mS/cm）或高陽離子需求量（木素磺酸鈉調節(jié)至80 μeq/L）的濕部條件下，進行了闊葉木漿和針葉木漿手抄片的制備。圖4為在添加綠色木霉所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物條件下，漿料電導率和陽離子需求量對闊葉木漿手抄片（a）和針葉木漿手抄片（b）相對抗張強度以及復配物的留著性能的影響。

圖4 漿料的電導率和陽離子需求量對綠色木霉所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物作用下的手抄片相對抗張強度和復配物留著量的影響

從圖4（a）可以看出，闊葉木漿手抄片的相對抗張強度和復配物在手抄片上的留著量變化都不大，這與先前的研究結果是一致的。另外，綠色木霉所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物在針葉木漿料中的應用效果較差，這主要是由于較高的濕部污染（電導率的影響是主因）所致，如圖4（b）所示。

圖5為在添加里氏木霉所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物條件下，漿料電導率和陽離子需求量對闊葉木漿手抄片（a）和針葉木漿手抄片（b）相對抗張強度以及復配物的留著性能的影響。

圖5 漿料的電導率和陽離子需求量對里氏木霉所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物作用下的手抄片相對抗張強度和復配物留著量的影響

從圖5（a）和圖5（b）可以看出，闊葉木漿手抄片的抗張強度和復配物在其上的留著量都變少了，而針葉木漿手抄片相應變化不大?？梢?，里氏木霉所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物較嗜熱棉毛菌所對應復配物對針葉木漿料更有效，這也是很有趣的現(xiàn)象。纖維素的降解與纖維素酶的表觀活力是有關系的。因此，本研究中，陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物的特殊性能很可能緣于不同糖基水解酶條件下的糖結合單元的內在作用。

最后，研究了在添加嗜熱棉毛菌所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物條件下，漿料電導率和陽離子需求量對闊葉木漿手抄片圖6（a）和針葉木漿手抄片圖6（b）相對抗張強度以及復配物的留著性能的影響。

圖6 漿料的電導率和陽離子需求量對嗜熱棉毛菌所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物作用下的手抄片相對抗張強度和復配物留著量的影響

從圖6可以看出，無機鹽離子和陰離子垃圾的加入對手抄片的抗張強度及復配物的留著都有負面影響。因此，嗜熱棉毛菌所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物對濕部污染是比較敏感的。結果表明，該復配物并沒有留著在針葉木漿手抄片上，即使是在自來水抄片條件下，該復配物的留著也很少。有報道稱，木聚糖與木聚糖酶之間的結合對pH和離子強度等靜電條件是很敏感的。因此嗜熱棉毛菌所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物可能直接受到了濕部系統(tǒng)污染的影響而破壞了其與漿料纖維的親和力，從而導致手抄片的強度性能降低了。

盡管今后仍繼續(xù)加強研究以進一步闡明陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物的留著機理并同時評價更多的紙張性能指標（如游離度、撕裂強度等），但是陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物在不同漿料中和不同濕部條件下的作用性能是不同的，這一點通過本研究中的手抄片實驗已被證實。本實驗所涉及到的3種陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物中，綠色木霉所對應的陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物在闊葉木漿手抄片中體現(xiàn)了最佳的增強性能；里氏木霉所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物則與針葉木纖維有很好的親和性；而嗜熱棉毛菌所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物則只適用于未被污染的濕部系統(tǒng)中。這些結論說明陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物的功能特性很大程度上取決于糖結合單元的種類來源。這也拓寬了糖結合單元與聚合物形成的復配物的設計思路，從而有望進一步發(fā)揮其作為造紙助劑的應用潛力。

4 結論

（1）糖結合單元可通過EDC縮合反應與陰離子聚丙烯酰胺（與漿料纖維沒有親和性）進行復配。所得復配物表現(xiàn)出了較好的自留著性能和紙張增強性能。

（2）不同的糖結合單元與陰離子聚丙烯酰胺所組成的復配物表現(xiàn)出了不同的留著性能，這主要取決于不同性質的酶和漿料纖維的結合，而其中的內在原因很可能表現(xiàn)在這些酶與碳水化合物的親和性上。

（3）綠色木霉所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物在闊葉木漿料中顯示出了較好的自留著性能，從而提高了紙張的抗張強度。在被污染的濕部系統(tǒng)中，該復合物依然起到了較好的應用效果。另外，里氏木霉所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物在針葉木漿料中表現(xiàn)出了較好的適用性。而嗜熱棉毛菌所對應陰離子聚丙烯酰胺-糖結合單元復配物則只適用于純凈的濕部系統(tǒng)中，并且對闊葉木漿的作用效果要優(yōu)于針葉木漿。

（王亮 編譯）