林影

華南理工大學生物科學與工程學院，廣東 廣州 510006

傳統(tǒng)制漿造紙工業(yè)中大量使用化學品。以木材纖維為原料的制漿造紙工業(yè)為例，為了溶解除去木質素和半纖維素，釋放纖維素，利用化學法制漿時需要在木屑蒸煮制漿過程中大量使用氫氧化鈉、硫化鈉、亞硫酸鈉等化學品。使用廢紙為原料的制漿和脫墨過程，主要使用氫氧化鈉、硅酸鈉和表面活性劑等。在制漿漂白工段則主要使用含氯化合物、過氧化氫、臭氧等氧化劑。為了改善造紙工藝及紙漿性能，造紙過程還使用各種化學助留劑、增強劑、漿紗助劑及涂布膠粘劑等化學品，使得制漿造紙工業(yè)成為化學品使用及排放的主要輕工業(yè)之一。

隨著工業(yè)生物技術的不斷發(fā)展，新的酶分子逐步挖掘，高效的酶制劑發(fā)酵生產及應用水平的不斷提升，如何提高酶制劑在制漿造紙工業(yè)的應用效率、降低生產成本成為科學家與工業(yè)界關注的熱點。近十年來，通過生物科學家與制漿造紙工程人員的協(xié)同，將酶制劑應用于制漿造紙，并在生物制漿減少能耗、生物漂白及脫墨減少化學品及有害物質的使用、利用酶的高效作用提高制漿濾水性、減少制漿角質化以及加工過程中的樹脂和膠體的沉積等取得顯著性成果。本文對這些研究的結果給予介紹，期待對造紙酶制劑的開發(fā)與應用有一定的啟發(fā)，助力制漿造紙工業(yè)綠色制造的發(fā)展。

1 制漿過程中酶的應用

造紙工業(yè)中的制漿工段是通過機械和/或化學方法破壞植物細胞壁，去除木質纖維素原料中 (包括：木材、年生草本植物或回收廢紙)纏繞著纖維素的木質素及半纖維素等，使纖維素得到分離和利用。因此，造紙制漿工段需要消耗大量能量和化學品，同時可能對纖維素產生損害。

生物制漿是指通過產酶微生物或酶制劑對木質纖維的預處理，破壞木質素或半纖維素的結構，促進其在機械或化學制漿過程中的脫落速度，有利于纖維素的分離，同時達到減少能量和堿的消耗，縮短制漿時間，改善制漿質量的目的。白腐菌含有豐富的漆酶，可以有效分解木質纖維中的木質素，更重要的是白腐菌作為擔子菌綱絲狀真菌，在木材等原材料混合培養(yǎng)預處理中能穿透木質原材料釋放胞外酶，促進木質素分解，白腐菌已被廣泛應用于生物制漿的研究[1-3]。日本神戶制鋼所應用白腐菌在常溫常壓下分解木材成功制出優(yōu)質紙漿，通過選定適宜溫度，可以分解 80%以上的木質素，比一般化學制漿法成本降低了 50%。這種白腐菌對木質素的脫除分解率極高，而對紙漿纖維中的纖維素分解極少，這樣可使紙漿得率高達60%，超過化學法得漿率，木材的消耗量可節(jié)約1/9。但白腐菌生長速度慢，制漿周期長，由于白腐菌生長消耗多糖，有可能影響制漿的得率，大規(guī)模生產存在一定的障礙。而通過添加白腐菌分泌的酶或商品酶制劑的輔助生物制漿，由于酶的滲透性差，得不到滿意的結果。因此，人們開始研究一些協(xié)同機制提高酶制劑的作用，如：蒸汽爆破預處理與酶的協(xié)同作用有利于改善酶的作用效率。Martín-Sampedro等[4]報道在藍桉木硫酸鹽法制漿工藝中通過蒸汽爆破預處理后，添加3 UA/g漆酶40 ℃處理3 h，縮短制漿時間 60%，木質素脫除率提高 13.9%，Na2S和NaOH用量分別減少11.5%和6.3%。與白腐菌預處理相比較，有效降低卡伯值和化學品的消耗，減少纖維素多糖的降解。

2 造紙漂白中酶的應用

傳統(tǒng)的制漿造紙工業(yè)中使用了大量的化學品，如：含氯化合物。隨著人們環(huán)保意識的增強，為了減少造紙工業(yè)中氯排放對環(huán)境的影響，開發(fā)無氯漂白工藝是制漿造紙工業(yè)的重點。紙漿生物酶漂白是具有開發(fā)前景的無氯漂白途徑之一。木聚糖酶和漆酶是造紙工業(yè)中應用于生物漂白主要酶種[5-6]。

Dhiman等[7]報道了來源于嗜熱脂肪芽胞桿菌Bacillus stearothermophilus SDX (MTCC 8508)和枯草芽胞桿菌Bacillus subtilis SS(MTCC 8509)兩種桿菌的堿性耐熱木聚糖酶(對應為酶Ⅰ和酶Ⅱ)輔助漂白的效果，論文描述了在標準的紙漿氯漂工藝處理前加入 5 U/g木聚糖酶(酶Ⅰ或酶Ⅱ)，在pH 9.5 或pH 12.5，溫度70 ℃下處理3 h，與化學法相比可以減少15%或20%氯的消耗；在酶預處理時添加等量的酶Ⅰ和酶Ⅱ，作用條件為pH 9.5，溫度70 ℃，處理時間3 h，可以減少 35%的氯消耗，而且紙漿強度提高25%，破裂系數(shù)提高20%, 撕裂指數(shù)提高6.61%等紙漿性能得到明顯改善。

漆酶在制漿造紙工業(yè)中主要應用于降解木質素，因此在生物漂白的研究中也非常受重視，重點的研究是如何選擇工藝條件。Moldes等[8]報道了將來源于長絨毛栓菌的漆酶應用于硫酸鹽桉木漿無氯漂白工藝中，將第一步的氧漂改為漆酶的作用，作用條件為：漆酶添加量20 U/g，介質用量1.5%，50 ℃，pH 5.0，通氧作用2 h。研究發(fā)現(xiàn)：當漆酶反應介質選用紫尿酸 (VA)時漂白效果達到最佳值：卡伯值改善 10%，白度ISO值提高1%，紙漿粘度提高5%。

盡管漆酶能直接作用木質素，起到生物漂白的作用，但目前漆酶產量低，在催化過程中需要添加的化學介質可能造成二次污染。因此，提高漆酶產量，選擇天然介質，改善其漂白工藝是研究的重點。在木質纖維中，木質素與木聚糖酶結合以纏繞纖維素的形式存在。木聚糖酶與漆酶協(xié)同漂白作用，有助于提高木質素的溶出，減少漆酶及介質的使用。Valls等[9]的研究表明：木聚糖酶 (X)預處理后添加漆酶 (L)，再進行堿抽提的工藝 (XLE)進行輔助漂泊，漂白白度達到70% ISO時，可以減少30%漆酶和80% HBT(1-羥基苯并三氮唑)介質的用量，漂白作用時間縮短45%。

作者課題組在畢赤酵母中表達了嗜鹽芽胞桿菌Bacillus halodurans C-125的堿性木聚糖酶，并實現(xiàn)了噸級發(fā)酵生產中試，將堿性木聚糖酶應用于麥草漿的無氯漂白工藝中，采用添加酶量10 U/g的預處理，可以提高白度5.2% ISO，減少卡伯值 5.0%，而且對草漿的纖維起到一定的修飾作用[10]。

3 酶在造紙樹脂控制中的應用

制漿造紙過程主要在以水為介質進行的化學反應及洗滌作用，以木材或非木材的一年生草本纖維原料的制漿造紙工藝中存在一些脂溶性抽提物，如：烷烴類化合物、脂肪醇、脂肪酸、樹脂酸、甾醇類化合物、萜類化合物、甘油三脂以及樹蠟等，這些物質脫落后，不能溶于水被除去，若沉積于紙漿帶進紙張中將形成“紙病”，若沉積于紙機上會引起機械故障，需要耗時進行清理。

在木材原料中，大部分的脂溶性物質集中在木頭的散射線和樹脂道上，部分真菌，如：變色菌 (Sapstain fungi)、白腐菌 (White-rot fungi)等在生長過程中能利用脂肪酸、甘油三酯和甾醇等作為碳源，利用這些菌對木屑進行預處理，可以明顯達到樹脂控制的目的[11-12]。盡管這些真菌能解決制漿造紙的樹脂控制的問題，但是同樣的無論是微生物制漿還是微生物脫脂都需要控制條件，減少微生物生長過程中對纖維素的水解和破壞。

微生物通過制漿前的預處理達到樹脂控制的效果，與其相比較，酶制劑主要是通過作用紙漿達到除掉制漿的脂溶性抽提物的目的。利用酶制劑進行樹脂控制具有作用時間短、專一性好等特點。商品化的脂肪酶已經(jīng)成功地應用于水解軟木機械漿的甘油三酯[13]。最近有關于氧化酶的報道，來源于白腐菌的漆酶在介質的存在下可以作用于脂肪酸、樹脂酸、甘油三酯和甾醇等脂溶性抽提物[14]。此外，有報道來源于禾頂囊殼菌的脂氧合酶可以有效去除桉木漿和亞麻漿中的脂溶性抽提物，包括：結合的或游離的甾醇、烷烴、脂肪醇和脂肪酸等[15]。

4 廢紙的生物酶法脫墨

廢紙循環(huán)利用可以減少木材的耗費、節(jié)約能源與水的消耗、減少生產污染，符合低碳經(jīng)濟發(fā)展的方向，目前世界各國廢紙回收率在逐步提升。廢紙再生重要的環(huán)節(jié)是脫墨工段，通常脫墨包括兩個步驟：一是把印刷的油墨從紙漿表面剝離；二是將油墨粒子從紙漿中洗脫出來。目前的廢紙化學脫墨工藝使用了多種化學品，如：NaOH、Na2SiO3、Na2CO3和H2O2、螯合劑和表面活性劑等，脫墨廢水由于含有大量的這些化學品，直接排放對環(huán)境造成毒害，需要耗費資金進行廢水處理，降低排放廢水的COD。酶制劑在廢紙脫墨的應用可以減少廢水排放、節(jié)約水和能源的耗費。脫墨酶主要作用于油墨與紙漿的連接點，根據(jù)廢紙來源差異和印刷油墨的不同可以選擇不同的酶種，包括：脂肪酶、木聚糖酶、纖維素酶和漆酶。為了有利于油墨粒子從紙漿中洗脫出來需要添加少量的表面活性劑。

Singh等[16]利用堿性木聚糖酶和堿性果膠酶對學?；厥諒U紙進行脫墨處理，達到化學法脫墨同樣的效果時，可以減少化學品用量50%、減少排放廢水中20%的BOD和22%的COD；與化學法相比，紙漿粘度、裂斷長度、耐破因數(shù)及抗裂系數(shù)分別提高10.71%、7.49%、10.52%和 6.25%。充分體現(xiàn)了酶法脫墨的優(yōu)勢。Ibarra等[17]利用纖維素酶、半纖維素酶和漆酶對廢報紙和雜志廢紙進行脫墨研究，其中包括兩個含內切半纖維素酶的商品酶 Ultraflo和Viscozyme，在脫墨試驗中獲得顯著效果，分別在白度和脫墨效率上得到提高。而漆酶的脫墨效果主要體現(xiàn)在含木質素較高的印刷卡 (片)紙板。在我們的研究中發(fā)現(xiàn)堿性脂肪酶和堿性木聚糖酶的復合脫墨劑在廢舊報紙和廢書籍紙的脫墨中獲得滿意的結果，復合酶脫墨劑在大卷紙衛(wèi)生紙廠和白板紙紙廠的試驗中發(fā)現(xiàn)：達到同樣的脫墨效果時廢水 COD的排放量減少50%–60%，在控制作用條件下紙漿的白度和強度有所提高。

5 酶對造紙纖維性能的改善作用

在制漿工藝中有一個精煉工段，包括：制漿纖維素的疏解和整理，主要目的是提高纖維素的抄紙性和強度，截斷過長纖維提高抄紙的均一性，改善抄紙的吸收率、孔隙率和白度。傳統(tǒng)方法主要通過機械作用或化學物質的作用達到要求的目標，利用微生物酶的作用進行紙漿纖維的生物修飾有利于節(jié)省能源和減少化學試劑對纖維的破壞。

據(jù)報道將漆酶及HBT介質系統(tǒng)添加到藍桉木漿的無氯漂白工藝中，減少了纖維素表面的羰基含量，部分去除己烯糖醛酸，從而改變纖維的表面帶電性和降低纖維懸浮的 勢能，漆酶的作用減少了制漿精制的機械能[18]。此外，漆酶對廢報紙脫墨漿的作用得到相似的結果，在廢紙漿中添加漆酶及組胺酸介質，發(fā)現(xiàn)廢紙漿的濕拉張強度、羰基含量、保水值分別提高55.1%、39.1%和 45.7%，在顯微鏡下纖維表面崩解度和帚化度增加，有利于進一步的抄紙和增加紙張的強度[19]。

將來源于細菌的木聚糖酶應用到高纖維素含量桉木漿的無氯元素的漂白工藝中，可促進木聚寡糖以及支鏈己烯糖醛酸的釋放，顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)制漿纖維表面帚化增加，纖維表面出現(xiàn)一些溝槽和裂口，有利于試劑滲入和木漿漂白以及增加紙張的強度[20]。

6 造紙酶的開發(fā)與生產

在造紙工業(yè)中化學制漿的粗漿洗滌、機械漿漂白、廢紙打漿及脫墨等工段中已經(jīng)有造紙酶工業(yè)規(guī)模使用的案例[21]，主要包括：纖維素酶、木聚糖酶、果膠酶、錳過氧化物酶和漆酶。

通常纖維素酶是一種復合酶，包括：外切β-1,4葡聚糖酶及纖維二糖水解酶。在制漿造紙中纖維素酶作用于植物纖維表面及內部層纖維起到輔助制漿、漂白、脫墨及紙幅修飾改善濾水性等作用。為了提高制漿得率，內切β-1,4葡聚糖酶 (Endoglucanase，EG)可以有效地應用于制漿造紙中。商業(yè)化的纖維素酶，如：FiberCare○R、FiberzymLBR○R和Celluclast 1.5L○R已在造紙工業(yè)中應用。此外，在具有商業(yè)開發(fā)潛力的細菌纖維素酶中大部分生產的內切葡聚糖酶主要水解非結晶纖維素，少數(shù)的芽胞桿菌Bacillus和類芽胞桿菌Paenibacillus產生的內切葡聚糖酶可以水解微晶纖維素，坎皮納斯類芽胞桿菌 Paenibacillus campinasensis生產的耐熱中性纖維素酶已被開發(fā)應用于制漿修飾和打漿酶[22]收到很好的效果。

內切 1,4-β-木聚糖酶主要作用于木聚糖的β (1,4)-糖苷鍵，分解木聚糖及脫除木質素，多種耐熱的堿性纖維素酶被應用于造紙工業(yè)中，達到輔助漂泊、脫墨和輔助打漿的目的。在我們的工作中以來源嗜鹽芽胞桿菌 Bacillus halodurans X125 的內切 β-1,4-木聚糖酶畢赤酵母中重組表達，在5 t罐中發(fā)酵最高酶酶活達到6 100 U/mL，由于該酶具有良好的耐熱性及耐堿性，可以有效地應用于蘆葦漿的漂白及廢報紙的脫墨[23]。在生物漂白中其他半纖維素酶的協(xié)同作用，還可使得作用效果明顯提高[24]。

漆酶是一種多銅氧化酶，也稱多酚氧化酶，主要氧化含酚的木質素結構單位，但天然木材木質素只有少于 20%的含酚結構單位，另通常真菌漆酶分子量較大(分子量約為70 000 Da)難以穿入木頭中作用木質素分子，由此提高漆酶的作用需要添加介質物質。白腐菌不但能分泌漆酶，同時可以產生錳過氧化物酶，錳過氧化物酶與漆酶協(xié)同作用，進一步提高木質素的降解作用，在國外已有效應用于造紙的生物制漿上[25]。

7 展望

酶在制漿造紙工業(yè)的高效應用可以提升生產效率、提高紙漿質量、減少能耗和水耗。但是酶制劑在造紙工業(yè)的應用仍然存在成本高、穩(wěn)定性不足、不易混合、駐留時間不夠及成漿質量不穩(wěn)定。隨著分子進化及基因重組技術的提高，有利于提升酶的穩(wěn)定性及生產水平。此外，生物科學家與造紙工程師的協(xié)同攻關是推動生物技術在紙漿造紙專業(yè)應用的另一關鍵。

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