付玲弟, 牛梅紅, 李 娜, 石海強, 張 健

纖維素酶對麥草KP漿纖維性能的影響

付玲弟, 牛梅紅, 李 娜, 石海強, 張 健

(大連工業(yè)大學輕工與化學工程學院,遼寧大連 116034)

對麥草KP漿進行纖維素酶處理,通過纖維分析儀、纖維篩分儀以及打漿度儀對經(jīng)過不同纖維素酶酶用量處理的麥草KP漿進行了分析。實驗結(jié)果表明,纖維長度變化不大,酶用量為8 IU/g時,纖維的質(zhì)量加權(quán)平均長度增加了3%,質(zhì)量加權(quán)細小纖維組分降低了2.9%;酶用量為6 IU/g時,細小纖維組分含量最低,打漿度值最大。綜合纖維性能和打漿度值,確定酶用量為6 IU/g。

纖維素酶;麥草KP漿;纖維;打漿度

0 引 言

在制漿造紙行業(yè)中,打漿能耗、環(huán)境污染等是近年來制約其發(fā)展的主要因素[1]。在打漿之前對漿料進行生物酶預(yù)處理,可改善漿料的纖維性能并節(jié)約能耗。纖維素酶是造紙行業(yè)中使用最多的一種生物酶,是一種可將纖維素水解成纖維二糖和葡萄糖的一組復(fù)雜酶系的總稱[2]。纖維素酶的各組分協(xié)同作用,破壞纖維的結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)[3-4],改善纖維性能。纖維素酶的預(yù)處理可破壞纖維表面結(jié)構(gòu),使纖維表面出現(xiàn)更多的空隙,增加其孔表面積,更多的羥基暴露出來[5]。纖維素酶的使用可降低打漿能耗,減少環(huán)境污染[6]。田野等[7]研究了纖維素酶處理對麥草化機漿性能及漂白性能的影響,發(fā)現(xiàn)纖維素酶處理后的漿料細小組分減少,相同打漿度條件下打漿轉(zhuǎn)數(shù)減少;李武光等[8]研究了纖維素內(nèi)切酶對漂白針葉木漿打漿性能的影響,發(fā)現(xiàn)纖維素內(nèi)切酶處理后的漿料打漿度值提高。本研究利用纖維素酶處理麥草KP漿,通過纖維素酶不同酶用量考察纖維長度、細小纖維組分以及相同打漿轉(zhuǎn)數(shù)下打漿度值的變化,從而選出最佳纖維素酶處理麥草KP漿的最佳酶用量。

1 實 驗

1.1原料

麥草KP漿,取自山東某紙業(yè)公司,分裝入密封袋,冰箱中平衡水分24 h以上。漿料纖維性質(zhì)見表1。

纖維素酶,由山東某生物有限公司提供,酶活未知待測。

表1 麥草KP漿纖維分析結(jié)果Tab.1 The analysis results of KP wheat straw pulp fiber

1.2主要實驗儀器

Cary-300型紫外可見分光光度計,FS-300纖維分析儀,纖維篩分儀,打漿度儀,PFI磨漿機。

1.3實驗方法

1.3.1 纖維素酶活的測定

酶活定義:每分鐘產(chǎn)生1μmol還原糖所需要的酶量為一個酶活單位。

DNS(3,5-二硝基水楊酸)與還原糖共熱后顏色由黃色變成棕紅色,在一定范圍內(nèi)還原糖含量與顏色變化成正比關(guān)系[9],使用紫外-可見分光光度計在530 nm處測吸光度值,根據(jù)葡萄糖體積質(zhì)量與吸光度值關(guān)系繪制葡萄糖標準曲線。

將纖維素酶稀釋5萬倍,以一號濾紙作為反應(yīng)底物,水浴50℃,酶解30 min,測定酶解液的吸光度值。將測定的吸光度值帶入葡萄糖標準曲線中得出酶解液中葡萄糖濃度,計算25 m L容量瓶中總葡萄糖質(zhì)量,換算成μmol。

式中:n(C6H12O6)為葡萄糖摩爾數(shù),μmol;30為酶解時間,min;N為酶液稀釋倍數(shù)。

1.3.2 纖維素酶用量對麥草KP漿纖維性能的影響

配制5份漿濃為5%的麥草KP漿置于聚乙烯塑料袋內(nèi),其中一份為空白樣,其余4份分別以4、6、8、10 IU/g(相對于絕干漿料)的酶量進行酶處理,將酶與漿料混合均勻,置于50℃的恒溫水浴鍋中,每隔10～15 min搓揉一次塑料袋,使?jié){與酶液充分混合,反應(yīng)60 min后取出,調(diào)節(jié)p H至11進行滅酶活10 min,然后用100目漿袋洗滌直至漿料為中性。置于密封袋中平衡水分24 h以上。

1.3.3 纖維分析

(1)用纖維分析儀對處理完的漿料進行纖維分析。

(2)取10 g(絕干量)處理后的漿料進行纖維篩分,烘至恒重后稱量并計算各組分的質(zhì)量。

(3)處理完的漿料測定打漿度值,然后分別取4份30 g絕干漿配制成漿濃10%的漿料,用PFI磨漿機在相同功率下分別磨500,1 000,1 500, 2 000 r,磨漿后擠掉多余水分,平衡水分后分別測定其打漿度。

2 結(jié)果與討論

2.1纖維素酶活測定

葡萄糖標準曲線如圖1所示。測定纖維素酶原酶液酶活為5 800 IU/m L,實驗所用均為原酶液的100倍稀釋液。

圖1 葡萄糖標準曲線Fig.1 Glucose standard curve

2.2纖維素酶用量對麥草KP漿纖維性能的影響

2.2.1 不同酶用量處理后的漿料纖維分析

表2的纖維分析結(jié)果顯示,經(jīng)纖維素酶處理后,纖維的數(shù)量平均長度幾乎沒有發(fā)生變化,但纖維的數(shù)量加權(quán)平均長度在酶用量10 IU/g時呈現(xiàn)降低的趨勢,酶用量為4與8 IU/g時纖維長度增加了2.7%,纖維的質(zhì)量加權(quán)平均長度在酶用量為4 IU/g時增加了4%。纖維的細小組分先增加后降低,但在酶用量為10 IU/g時,纖維的細小組分含量最高。綜合纖維長度與細小組分可以得知,酶用量為6與8 IU/g時纖維長度相對最大,此時的細小組分相對較低;在酶用量10 IU/g時纖維長度最短,細小組分含量最高。

表2 酶用量對纖維性能影響的纖維分析結(jié)果Tab.2 Fiber analysis results of enzyme dosages effect on fiber properties

隨著纖維素酶酶用量的增加,纖維數(shù)量加權(quán)平均與質(zhì)量加權(quán)平均長度先增加后降低,纖維細小組分先降低后上升,是由于纖維素酶處理漿料時,對細小纖維的切斷強度大于對長纖維的切斷,當酶用量進一步增加時,漿料纖維被切斷程度逐漸增加,纖維的長度降低,細小組分含量增加。

2.2.2 纖維素酶用量對纖維各組分的影響

對經(jīng)不同酶用量處理后的紙漿進行纖維篩分,由于纖維篩分儀對200目細小組分篩分時損失較多,因此纖維篩分結(jié)果把過100目篩的組分全部當作細小組分來計算。由表3可知,0～30目長纖維組分隨著酶用量的增加逐漸降低,30～50目組分呈現(xiàn)先增加后降低趨勢,50～100目的組分開始時降低較快,但隨著酶用量的增加含量變化不大。因此,纖維素酶對纖維的降解是長纖維與細小組分同時進行,但是細小組分降解更快。

表3 纖維素酶用量對纖維各組分的影響Tab.3 Effect of cellulase dosages on the fibers of each component

表2中的數(shù)均細小纖維組分與表3中細小組分變化趨勢具有同一性,都是在酶用量為6 IU/g時出現(xiàn)最低值,表3中的酶用量為6 IU/g時的長纖維組分0～50目也是經(jīng)酶處理后的漿料中含量最高的,說明表2中的纖維長度與未經(jīng)酶處理的漿料相比相差不大。因此最佳酶用量為6 IU/g。

2.2.3 纖維素酶用量對打漿度的影響

纖維素酶對打漿度值的影響主要是由于纖維素酶處理漿料時,作用于纖維的結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū),纖維結(jié)晶區(qū)的破壞使得纖維打漿過程中更容易分絲帚化,從而提高打漿度。由圖2可知,打漿度隨著打漿轉(zhuǎn)數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢,但是打漿度與打漿轉(zhuǎn)數(shù)不成正比關(guān)系。分析初始打漿度可以發(fā)現(xiàn),隨著酶用量的增加,打漿度值緩慢增加,增加趨勢不明顯。打漿轉(zhuǎn)數(shù)為500 r時,打漿度呈現(xiàn)波浪現(xiàn)象,但整體分析還是成增大趨勢,隨著打漿轉(zhuǎn)數(shù)的進一步增加,打漿度先增大后降低,酶用量6 IU/g、打漿轉(zhuǎn)數(shù)2 000 r時出現(xiàn)最大打漿度63°SR。酶用量的進一步增加打漿度不但不升反而出現(xiàn)下降是由于纖維素酶對纖維的切斷強度太大,使得部分纖維被降解成聚糖或者單糖,大部分纖維被切得更短,更不容易發(fā)生分絲帚化,因此打漿度呈現(xiàn)下降趨勢。

圖2 不同纖維素酶用量對打漿度的影響Fig.2 Effect of cellulase dosage on beating degree

3 結(jié) 論

麥草KP漿經(jīng)纖維素酶處理后,纖維長度變化不是很大,在酶用量為8 IU/g,纖維的質(zhì)量加權(quán)平均長度增加了3%;其細小纖維組分變化很大,在酶用量為8 IU/g,質(zhì)量加權(quán)細小纖維組分降低了2.9%;在酶用量為6 IU/g時,打漿度值最大,但是隨著酶用量的進一步增加打漿度非但沒有增加反而出現(xiàn)下降的趨勢。為節(jié)約能耗,纖維素酶用量選擇6 IU/g。

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Effect of cellulase on fiber properties of wheat straw kraft pulp

FU Lingdi, NIU Meihong, LI Na, SHI Haiqiang, ZHANG Jian
(School of Light Industry and Chemical Engineering,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China)

Wheat straw kraft pulp treated with cellulase were analyzed with fiber analyzer,pulp fiber classifier and beating degree tester.A little change in fiber length was observed when different amount of cellulase was used.The mass-weighted average length of fiber was increased by 3%and the content of fine fiber was reduced by 2.9%when the amount of cellulase was 8 IU/g.The beating degree reached to the highest and the content of fine fiber reached to the lowest when the amount of cellulase was 6 IU/g.Considering fiber characteristics and beating degree together,the best amount of cellulase was 6 IU/g.

cellulase;wheat straw kraft pulp;fiber;beating degree

TS727

:A

1674-1404(2015)05-0334-03

2014-08-29.

付玲弟(1990-),女,碩士研究生;通信作者:牛梅紅(1966-),女,教授,E-mail:nmh414@163.com.