訾連子，曹云峰，丁少軍

（南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京　210037）

纖維素酶與木聚糖酶對(duì)混合辦公廢紙脫墨效果的研究

訾連子，曹云峰，丁少軍

（南京林業(yè)大學(xué) 江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210037）

分別用纖維素酶、木聚糖酶以及二者混合酶對(duì)混合辦公廢紙（MOW）進(jìn)行酶法脫墨。研究發(fā)現(xiàn)：纖維素酶最佳處理?xiàng)l件為酶用量1.2 IU/g，pH=7.0，酶處理時(shí)間45 min，脫墨溫度45℃；木聚糖酶最佳處理?xiàng)l件為酶用量1.2 IU/g，pH=7.0，酶處理時(shí)間60 min，脫墨溫度45℃；混合酶最佳處理?xiàng)l件為V（木聚糖酶）∶V（纖維素酶）=2∶3，pH=7.0，酶處理時(shí)間60 min，脫墨溫度55℃；同時(shí)發(fā)現(xiàn)混合酶脫墨效果明顯好于木聚糖酶，但不一定好于纖維素酶；纖維素酶脫墨可獲得較好的脫墨效果。

纖維素酶；木聚糖酶；混合酶；脫墨；混合辦公廢紙

隨著人們消費(fèi)水平的提高，尤其進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，紙張的需求量越來(lái)越大，極大地促進(jìn)了我國(guó)造紙工業(yè)的發(fā)展，但我國(guó)是森林資源貧乏國(guó)家，因此，開(kāi)發(fā)利用廢紙?jiān)偕@得越為重要。傳統(tǒng)的化學(xué)法脫墨，不但需要消耗大量的化學(xué)品，導(dǎo)致嚴(yán)重的水體污染，而且還存在脫墨漿的白度較低等問(wèn)題，因此需要深入研究新的脫墨方法，生物酶法脫墨就是一種較熱門(mén)的脫墨新方法。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，纖維素酶和木聚糖酶都是以改變油墨粒子附近的纖維表面或連接價(jià)鍵脫出油墨粒子來(lái)脫除油墨。在相同的酶用量下，纖維素酶的脫墨效果優(yōu)于木聚糖酶，但對(duì)纖維的損傷程度往往大于木聚糖酶，對(duì)漿料的強(qiáng)度不利；木聚糖酶脫墨效果稍差，但對(duì)漿料的強(qiáng)度影響較小［1］。最佳方法是將這2種酶混合起來(lái)進(jìn)行廢紙脫墨，充分利用二者的互補(bǔ)作用和協(xié)同作用［2］。

本文重點(diǎn)研究了纖維素酶、木聚糖酶以及它們的混合酶對(duì)混合辦公廢紙（MOW）的脫墨效果。

1　酶活測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)中酶活測(cè)定采用Smogyi-Nelsonl方法（下面以纖維素酶酶活測(cè)定為例來(lái)說(shuō)明）。

Nelson試劑含 3 g（NH4）6Mo24·4H2O、25 g Na2HAsO4·7H2O和 21 mL濃 H2SO4（總體積定容至500 mL）。Somagyi試劑含 4 g CuSO4·5H2O、24 g Na2CO3、16 g NaHCO3、12 g C4O6H2KNa·4H2O和180 g Na2SO4（總體積定容至1 L）。

1.5mL反應(yīng)體系中含1.0 mL pH=7.5的0.1 mol/L K2HPO4-KH2PO4緩沖溶液、0.4 mL 2%CMC-Na（底物）和0.1 mL分別稀釋一定倍數(shù)的纖維素酶液。先將此1.5 mL反應(yīng)體系置于50℃恒溫水浴中加熱30 min，然后向其中分別加入0.5 mL Somagyi試劑，在100℃恒溫水浴中煮沸15 min，然后取出來(lái)冷卻至室溫，向其中加入0.5 mL Nelson試劑，靜置20 min，再在離心機(jī)中以1 000 r/min轉(zhuǎn)速離心10 min后，取200 μL上清液，在520 nm下測(cè)其吸光度值（A）。

測(cè)出來(lái)的吸光度值A(chǔ)要按照葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)查出對(duì)應(yīng)的葡萄糖含量，然后按照如下公式［3］計(jì)算出纖維素酶酶活：

木聚糖酶酶活的測(cè)定與纖維素酶酶活的測(cè)定過(guò)程相同。但所用的緩沖液為pH=7.0的檸檬酸緩沖液，降解的底物為0.5%的櫸木木聚糖（Beechwood）。反應(yīng)生成的木糖量可根據(jù)木聚糖標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)查出，然后按照如下公式計(jì)算出木聚糖酶酶活：

2　酶法脫墨

2.1酶處理

原料為MOW，用ZQS 2型打漿機(jī)打漿后，離心甩干，并分散均勻，漿料裝入塑料袋中平衡水分2～3 d。稱(chēng)取10 g絕干漿于塑料袋中，加入酶、緩沖溶液和水，使?jié)舛葹?0%，并將塑料袋放入恒溫水浴中，每隔幾分鐘搓揉1次，使之充分混合均勻，酶處理完成后，將其放入溫度100℃水浴中將酶滅活。

2.2浮選

將酶處理后的廢紙漿加水稀釋到濃度為1%；同時(shí)，加入相當(dāng)于絕干漿0.2%的表面活性劑（AEO 12），用自制浮選器浮選15 min；將浮選后的漿料濃縮、分散，并將漿料裝入塑料袋中平衡水分2～3 d，留作抄紙用。

2.3抄紙和紙頁(yè)性能測(cè)定

將浮選后的廢紙漿用ZQJ 1-B型抄紙機(jī)進(jìn)行抄片，定量為60 g/m2，然后采用白度測(cè)定儀（YQ-Z-48A）測(cè)定紙頁(yè)白度，Auto-spec塵埃度儀（Dan Bell公司）掃描測(cè)定油墨量。

3　結(jié)果與討論

3.1酶用量的影響

3.1.1纖維素酶（EGI）酶用量對(duì)脫墨效果的影響

設(shè)定纖維素酶用量分別為0.0、0.4、0.8、1.2和1.6 IU/g（對(duì)絕干漿），脫墨濃度10%，脫墨溫度45℃，脫墨pH為7.0，脫墨時(shí)間45 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1所示。

圖1　纖維素酶不同酶用量下的脫墨效果

由圖1可見(jiàn)，適當(dāng)提高酶的用量有助于提高脫墨漿的白度；但酶用量過(guò)高，抄成紙頁(yè)的白度出現(xiàn)下降趨勢(shì)，殘余油墨點(diǎn)數(shù)也出現(xiàn)上升趨勢(shì)，脫墨效果下降。這可能是因?yàn)槊赣昧窟^(guò)高，酶對(duì)廢紙漿的作用過(guò)于強(qiáng)烈，導(dǎo)致油墨粒子過(guò)度分散而變得細(xì)小，浮選時(shí)細(xì)小的油墨粒子容易被纖維“回吸”，因而脫墨效果下降，而且生產(chǎn)成本也會(huì)隨著酶用量的增大而增加；可見(jiàn)，纖維素酶用量在1.2 IU/g時(shí)脫墨后紙的白度最高，油墨點(diǎn)數(shù)最少，所以此時(shí)脫墨效果最好。

3.1.2木聚糖酶（Xyn）酶用量對(duì)脫墨效果的影響

設(shè)定木聚糖酶用量分別為0.0、0.4、0.8、1.2和1.6IU/g（對(duì)絕干漿），脫墨濃度10%，脫墨溫度45℃，脫墨pH為7.0，脫墨時(shí)間45 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　木聚糖酶在不同酶用量下的脫墨效果

由圖2可知，木聚糖酶在酶用量為1.2 IU/g時(shí)脫墨后抄成紙頁(yè)的白度最高；在酶用量為0.8 IU/g時(shí)油墨點(diǎn)數(shù)最少，但在酶用量為0.8 IU/g時(shí)白度略低于1.2 IU/g時(shí)的白度；所以綜合考慮最佳酶用量為1.2 IU/g，木聚糖酶的脫墨效果最好。

3.1.3混合酶用于MOW脫墨

由于作用機(jī)理的差別，木聚糖酶和纖維素酶用于脫墨各有利弊，不同的酶有不同的作用特點(diǎn)［4-5］。有研究表明，在相同的酶用量下，纖維素酶的脫墨效果優(yōu)于木聚糖酶，但纖維素酶會(huì)導(dǎo)致紙漿中纖維的降解，影響脫墨后紙漿的強(qiáng)度，木聚糖酶脫墨效果稍差但強(qiáng)度所受影響較?。?］。為了得到白度、強(qiáng)度俱佳的脫墨漿料，需要進(jìn)一步研究2種酶混合脫墨的效果。

控制酶總量為1 IU/g（對(duì)絕干漿），設(shè)定V（木聚糖酶）∶V（纖維素酶）分別為5∶0、4∶1、3∶2、2∶3和1∶4，脫墨濃度10%，脫墨溫度45℃，pH為7.0，脫墨時(shí)間45 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　混合酶在不同復(fù)配比例下的脫墨效果

由圖3發(fā)現(xiàn)，在V（木聚糖酶）∶V（纖維素酶）= 2∶3時(shí)，抄成紙頁(yè)的白度最高，油墨點(diǎn)數(shù)最少，所以脫墨效果最好。在達(dá)到最佳復(fù)配比例之前隨著纖維素酶所占比例增加，脫墨后紙張白度逐漸升高，油墨點(diǎn)數(shù)逐漸減少，但在達(dá)到最佳復(fù)配比例后脫墨效果反而變差。所以，V（木聚糖酶）∶V（纖維素酶）=2∶3為適宜的復(fù)配比。

3.2脫墨效果的其他影響因素

在纖維素酶和木聚糖酶各自的最佳酶用量以及混合酶最佳復(fù)配比例下，探討3種酶各自的最佳脫墨pH、脫墨溫度和脫墨時(shí)間。

3.2.1脫墨pH對(duì)3種酶脫墨效果的影響

在各自最佳酶用量或最佳復(fù)配比例下，設(shè)定脫墨pH分別為6.0、6.5、7.0、7.5和8.0，脫墨濃度10%，脫墨溫度45℃，脫墨時(shí)間45 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4　脫墨pH對(duì)白度的影響

圖5　脫墨pH對(duì)殘余油墨點(diǎn)數(shù)的影響

由圖4可見(jiàn)，木聚糖酶和纖維素酶復(fù)配得到的混合酶脫墨后抄成紙頁(yè)白度最高，在pH為7.0時(shí)達(dá)到最高白度，纖維素酶處理后紙頁(yè)白度其次，木聚糖酶脫墨后紙頁(yè)白度最低。由圖5可見(jiàn)，木聚糖酶脫墨后紙頁(yè)殘余油墨點(diǎn)數(shù)最多，混合酶處理后紙頁(yè)殘余油墨點(diǎn)數(shù)其次，纖維素酶處理后抄成的紙頁(yè)殘余油墨點(diǎn)數(shù)最少。

每種酶都有其最適pH，在這個(gè)最適pH下，酶的活力最高。由圖4和圖5可知，中性條件下酶法脫墨效果較好，pH過(guò)高或過(guò)低都會(huì)降低相對(duì)酶活力，從而影響脫墨效果，所以3種酶都是在pH為7的中性條件下脫墨效果最好。

3.2.2脫墨溫度對(duì)3種酶脫墨效果的影響

在各自最佳酶用量或最佳復(fù)配比例下，設(shè)定脫墨溫度分別為40、45、50、55和60℃，脫墨濃度10%，pH為7.0，脫墨時(shí)間45 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6　脫墨溫度對(duì)白度的影響

圖7　脫墨溫度對(duì)殘余油墨點(diǎn)數(shù)的影響

由圖6可見(jiàn)，纖維素酶脫墨后紙頁(yè)白度最高，且在脫墨溫度為45℃時(shí)白度最高，再升高溫度白度反而降低；混合酶脫墨后紙頁(yè)白度其次，木聚糖酶脫墨后紙頁(yè)白度最低；隨著脫墨溫度的升高，纖維素酶、木聚糖酶單獨(dú)脫墨后的白度基本呈下降趨勢(shì)，而纖維素酶和木聚糖酶混合酶脫墨后的白度基本呈上升趨勢(shì)。由圖7可見(jiàn)，纖維素酶脫墨后紙頁(yè)殘余油墨點(diǎn)數(shù)最少，在45℃左右油墨點(diǎn)數(shù)最少，混合酶脫墨后紙頁(yè)殘余油墨其次，木聚糖酶脫墨后紙頁(yè)殘余油墨點(diǎn)數(shù)最多。

當(dāng)酶在各自最適宜的溫度下酶活達(dá)到最高，此時(shí)脫墨效果最好。溫度從2方面影響著酶催化反應(yīng)的速率。一方面升高溫度有助于酶的催化速度提升，但另一方面較高的溫度會(huì)導(dǎo)致酶變性失活。由實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)，控制酶的脫墨溫度在40～50℃時(shí)脫墨效果最好。

3.2.3脫墨時(shí)間對(duì)3種酶脫墨效果的影響

在各自最佳酶用量或最佳復(fù)配比例下，設(shè)定脫墨時(shí)間分別為15、30、45、60和75 min，脫墨濃度10%，pH為7.0，脫墨溫度45℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8　脫墨時(shí)間對(duì)白度的影響

圖9　脫墨時(shí)間對(duì)殘余油墨點(diǎn)數(shù)的影響

由圖8可見(jiàn)，纖維素酶脫墨后紙頁(yè)白度較高，并且在45 min時(shí)達(dá)到最高白度，木聚糖酶和混合酶脫墨后抄成的紙頁(yè)都在60 min時(shí)白度最高，但仍低于纖維素酶在脫墨45 min時(shí)的白度。由圖9可見(jiàn)，纖維素酶和混合酶脫墨后紙頁(yè)殘余油墨點(diǎn)數(shù)明顯少于木聚糖酶，并且在脫墨時(shí)間45～60 min范圍內(nèi)殘余油墨點(diǎn)數(shù)最少。

由于被脫除的油墨顆?？赡軙?huì)再次被纖維回吸，并且脫墨時(shí)間越長(zhǎng)，油墨粒子被纖維重新吸附的概率越大，所以在脫墨達(dá)到一定時(shí)間后，脫墨效果反而變差，所以要控制脫墨時(shí)間。

由于MOW里含有較難脫墨的靜電復(fù)印紙和激光打印廢紙，所以脫墨時(shí)間要適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)，以保證廢紙纖維中夾帶的油墨粒子盡可能地被脫除。由圖8和圖9可見(jiàn)，MOW酶法脫墨的時(shí)間控制在45～60 min為宜。

綜上可知，纖維素酶脫墨的最佳條件為，酶用量為1.2 IU/g，pH=7.0，溫度為45℃，酶處理時(shí)間為45 min。木聚糖酶最佳脫墨條件為酶用量1.2 IU/g，pH= 7.0，溫度為45℃，酶處理時(shí)間為60 min?；旌厦缸罴衙撃珬l件為V（木聚糖酶）∶V（纖維素酶）=2∶3，pH= 7.0，溫度在55℃，酶處理時(shí)間為60 min?；旌厦傅拿撃ЧcPrasad［7-8］和秦夢(mèng)華［9-10］等人的研究結(jié)果基本一致。

4　結(jié)論

由于生物酶法脫墨相比傳統(tǒng)化學(xué)法脫墨具有對(duì)水體污染較小等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)纖維素酶、木聚糖酶和二者的混合酶分別對(duì)混合辦公廢紙脫墨研究發(fā)現(xiàn)，3種酶脫墨適宜的pH為7.0，脫墨時(shí)間為45～60 min，溫度為40～50℃，纖維素酶和木聚糖酶的最佳用量都為1.2 IU/g，混合酶中木聚糖酶與纖維素酶最佳復(fù)配體積比為2∶3。另外，混合酶脫墨效果不一定好于纖維素酶，纖維素酶脫墨即可得到較好的脫墨效果，但是混合酶和纖維素酶的脫墨效果都明顯好于木聚糖酶。

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The Study on the Effect of Cellulase and Xylanase Used for MOW Deinking

Single cellulase，xylanase and the mixed enzyme of them were used for mixed office waste（MOW）deinking，the whiteness and residual ink points of the paper made after deinking were tested to compare their deinking effect. The study found that the best treatment conditions of cellulase was 1.2 IU/g for dosage，pH=7.0，enzymatic treatment time was 45 min，temperature 45℃；the optimum processing conditions of xylanase was 1.2 IU/g for dosage，pH=7.0，enzymatic treatment time was 60 min，temperature 45℃；the optimum processing conditions of mixed enzyme was that the ratio of xylanase with cellulase was 2∶3，pH=7.0，enzymatic treatment time was 60 min，deinking temperature 55℃.The study found that the effect of mixed enzyme is far better than xylanase，but not necessarily better than cellulase，single cellulose deinking can also obtain good deinking effect.

cellulose；xylanase；mixed enzyme；deinking；mixed office waste（MOW）

TS724

A

1007-2225（2015）01-0005-05

ZI Lian-zi，CAO Yun-feng，DING Shao-jun
（Jiangsu Provincial Key Laboratory of Pulp and Paper Science and Technology，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）

訾連子女士（1989-），在讀碩士研究生；研究方向：制漿造紙工程；E-mail：1093715368@qq.com。

曹云峰先生，教授，博士，博士生導(dǎo)師；研究方向：制漿造紙與清潔生產(chǎn)；E-mail：yunfcao@163，com。

2014-11-12（修回）

國(guó)家自然科學(xué)基金（31270628）；江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PAPD）

本文文獻(xiàn)格式：訾連子，曹云峰，丁少軍．纖維素酶與木聚糖酶對(duì)混合辦公廢紙脫墨效果的研究［J］．造紙化學(xué)品，2015，27（1）∶5-9．