何利思，劉莉萍，王妍，孫光飛

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生物酶降解玉米秸稈制備食品包裝紙研究*

何利思，劉莉萍*，王妍，孫光飛

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518055）

采用生物酶降解方法處理玉米秸稈，制備環(huán)保食品包裝袋紙．結(jié)果發(fā)現(xiàn)，造紙原料中玉米秸稈的秸皮∶秸穰比例為3:1時，纖維降解后柔軟度最佳；酶的最佳反應(yīng)時間為2 d；酶的降解反應(yīng)溫度為室溫；最佳協(xié)同酶的種類及用量分別為纖維素酶70 wU/L、木聚糖酶288 wU/L、果膠酶240 wU/L、β-葡聚糖酶61.5 wU/L；粗纖維降解菌加入量為40 g/500 mL；加入草木灰預(yù)處理、CMS羧甲基變性淀粉鈉等助劑可改善紙張性能．生物酶處理技術(shù)可改善造紙工業(yè)造成的環(huán)境污染問題，緩解纖維原料緊缺．

生物酶；玉米秸稈；食品包裝紙

為降低傳統(tǒng)造紙工藝的污染問題，人們不斷探索紙漿和造紙工業(yè)的新興能源效率和溫室氣體減排技術(shù)[1]，但造紙的源頭（原料）和核心技術(shù)（有堿造紙）才是最為重要的改進(jìn)點(diǎn)．在農(nóng)業(yè)上有許多廢棄的材料，例如玉米秸稈、小麥秸稈等，這些除去果實(shí)之外的植物材料大部分被農(nóng)民丟棄或燒毀，只有少部分通過發(fā)酵制成動物飼料，這不僅污染了空氣，還浪費(fèi)了大量纖維材料[2-3]．目前，中國秸稈利用率僅為33%，全國每年閑置秸稈資源4億噸，若能將廢棄的秸稈作為造紙原料具有重要意義．

玉米秸稈屬于含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的天然原料，是優(yōu)質(zhì)的造紙原料．文獻(xiàn)[4-6]報導(dǎo)了采用玉米秸稈造紙的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，用玉米秸稈代替?zhèn)鹘y(tǒng)樹木原料制漿的方法是完全可行的．然而，前人嘗試使用玉米秸稈造紙，主要采用的是化學(xué)法對玉米秸稈進(jìn)行處理加工．為避免污染，利用生物酶處理玉米秸稈環(huán)保造紙值得研究和探索[7--11]．

本實(shí)驗(yàn)以廢棄的玉米秸稈為原料，采用多種生物酶對其進(jìn)行降解處理，包括纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶等；再通過粉碎、浸泡成漿、加酶、過篩、濾渣煮沸、清洗、打漿、倒模具、烘烤流程進(jìn)行造紙；通過實(shí)驗(yàn)篩選所需酶的種類、酶處理的最適溫度、酶反應(yīng)最適濃度及酶處理時間，按照國家標(biāo)準(zhǔn)方法對紙張的物理性能進(jìn)行檢測．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

玉米秸稈，河南南陽農(nóng)家；纖維素酶（4 wU/g），木聚糖酶（18 wU/g），果膠酶（6 wU/mL），β-葡聚糖酶（4.1 wU/g），北京生物科技開發(fā)有限公司；CMS變性淀粉，山東恒諾纖維素有限公司；草木灰，河南南陽農(nóng)家批發(fā)店；粗纖維降解菌（有效活菌數(shù)≥2×1010cfu/g），廣州市微元生物科技有限公司．

1.2 儀器與設(shè)備

高速組織搗碎機(jī)（DS-1），上海標(biāo)本模型廠；恒溫培養(yǎng)搖床（THZ-300），上海一恒科學(xué)儀器有限公司；電熱恒溫水槽（DK-420），上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9076A），上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司．

1.3 紙漿制備工藝

將玉米秸稈表面的霉菌及土壤用干布擦去，再將皮、穰分離，置于干燥通風(fēng)處保存；玉米秸稈酶處理或生物處理[12-14]；將反應(yīng)后的玉米秸稈煮沸30 min后，用組織搗碎機(jī)搗碎2~3 min；將搗碎后的秸稈倒入80目濾網(wǎng)上，晾曬；以1:20的比例配制CMS變性淀粉，并以噴霧形式均勻噴灑于紙面上[15]；在制漿即將干透之前進(jìn)行壓光，使纖維間的空隙更加緊密，成紙強(qiáng)度更高．

1.4 紙張性能測定

參照GB/T 457-2008紙和紙板耐折度的測定測定紙張的耐折度[16]；

參照GB/T 2679.10-93紙和紙板短距壓縮強(qiáng)度的測定測定紙張的壓縮強(qiáng)度[17]；

參照GB/T 458-2008紙和紙板透氣度的測定測定紙張的透氣度[18]；

參照GB/T 455-2002紙和紙板撕裂度的測定測定紙張的撕裂度[19]．

2 結(jié)果與討論

2.1 酶解反應(yīng)時間的確定

稱取4組已處理的干燥秸稈各20 g，將秸稈于沸水中蒸煮1 h，除去表面果膠后，將水分瀝干，每組分別加入3.5 g纖維素酶（4 wU/g）、500 mL水，置于室溫中反應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)2、3、4d的秸稈無太大差別；從第3 d起，清洗煮沸后的秸稈有酸味，為了保證紙張無異味，確定反應(yīng)時間為2 d．

2.2 纖維素酶使用量的確定

所有平行實(shí)驗(yàn)的秸稈總質(zhì)量為20 g，加水量均為500 mL，煮沸時間為1 h，反應(yīng)時間為2 d，分別加入不同質(zhì)量的纖維素酶（4 wU/g），實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1．結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著纖維素酶質(zhì)量的增加，玉米秸稈的分解效果先升高后趨于平緩．在保證發(fā)酵效果的前提下，秉著節(jié)約成本的宗旨，選取纖維素酶（4 wU/g）的加入量為8.75 g．另外，低溫處理也明顯抑制了酶的活性，因此，排除低溫處理?xiàng)l件．

2.3 木聚糖酶與纖維素酶協(xié)同反應(yīng)

為判斷纖維素酶與木聚糖酶協(xié)同效果[20]，設(shè)一組平行實(shí)驗(yàn)：第1天加纖維素酶，第2天加入木聚糖酶，加入酶量見表2．

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ⅰ至Ⅴ的效果逐漸變好，且分步加酶與不分步加酶無明顯差異，故實(shí)驗(yàn)時兩種酶一次性加入，4 wU/g纖維素酶加入8.75 g，18 wU/g木聚糖酶的加入量為8 g．

2.4 果膠酶使用量的確定

實(shí)驗(yàn)中秸稈總質(zhì)量為20g，導(dǎo)致晾曬成品過厚不易成形，因此，秸稈總質(zhì)量調(diào)整為10g，其中秸皮與秸穰比例為3:1．實(shí)驗(yàn)中加入果膠酶（6 wU/mL）替代沸水蒸煮，同時進(jìn)行粗纖維降解菌初試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3．

對比實(shí)驗(yàn)Ⅰ至Ⅶ發(fā)現(xiàn)，隨著果膠酶加入量的增加紙張效果變好，20 mL時達(dá)到最佳效果，且用量最少．因此果膠酶的加入量為20 mL．

2.5 β-葡聚糖酶使用量的確定

稱取玉米秸稈粉碎物10 g，加水量為500 mL，加入適量的β-葡聚糖酶（4.1wU/g），結(jié)果見表4．

根據(jù)紙張是否能整塊挑起判斷表面纖維附著力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Ⅰ＜Ⅴ＜Ⅵ＜Ⅱ＜Ⅲ＜Ⅳ．Ⅲ、Ⅳ的效果較好，以環(huán)保節(jié)約原料為前提，確定加入β-葡聚糖酶（4.1wU/g）的質(zhì)量為7.5 g/500 mL．

表1 纖維素酶使用量與酶活力

表2 木聚糖酶與纖維素酶協(xié)同效果

表3 果膠酶使用量與酶活力

表4 β-葡聚糖酶使用量與酶活力

2.6 纖維素降解菌使用量的確定

稱取玉米秸稈粉碎物10 g，加水量為500 mL，加入纖維素降解菌，結(jié)果見表5．

對比實(shí)驗(yàn)Ⅰ至Ⅹ發(fā)現(xiàn)，隨著纖維素降解菌加入量的增加，40 g時達(dá)到效果最佳，且用量最少．因此，纖維素降解菌的加入量為40 g/500 mL水．

2.7 加入草木灰預(yù)處理效果

秸稈質(zhì)量10g（秸皮:秸穰為3:1），加入40 g草木灰，500 mL水進(jìn)行蒸煮；蒸煮時間分別為0（浸泡2 h）、30、60、90、120 min；蒸煮完后用水將草木灰洗去，加水將秸稈打碎；加入40 g纖維素降解菌水．

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每一組表面與背面都比較光滑，但易爛，中間的纖維結(jié)合度不高，不能折疊．與僅用玉米秸穰為原料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，紙張的顏色更白更細(xì)膩，因此在造紙過程中加入秸穰有利于紙張更好的成型．另外，兩次實(shí)驗(yàn)均證明加入草木灰預(yù)處理玉米秸稈有利于纖維更好的降解，且加入草木灰后室溫浸泡即可獲得較好的效果．

2.8 玉米秸稈、麻樹葉、菠蘿葉混合原料造紙

以玉米秸稈、麻樹葉、菠蘿葉混合原料造紙[21]，結(jié)果見表6．

2.9 造紙工藝比較

比較常溫條件下，NaOH法[22]、乙醇鈉法、酶法工藝造紙效果，見表7．

由表7數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，纖維素酶法造紙與NaOH法和乙醇鈉法造紙比較，在紙張光滑度和耐折度方面較弱；但是在壓縮強(qiáng)度方面優(yōu)于NaOH法，低于乙醇鈉法；撕裂度高于NaOH法，與乙醇鈉法相當(dāng)；在透氣度方面接近100%，為三者最強(qiáng)；在紙張效果上NaOH法表面光滑、纖維較細(xì)，乙醇鈉法和纖維素酶法纖維粗糙，能明顯看出纖維．

表5 纖維素降解菌添加量

*纖維素降解菌（有效活菌數(shù)≥2×1010cfu/g）

表6 混合原料造紙

表7 NaOH法、乙醇鈉法、酶法造紙工藝對比

注：均為2次平均值．*纖維素酶含量．

3 結(jié) 論

1）采用生物酶的方法對玉米秸稈進(jìn)行降解、造紙，根據(jù)各種酶的生物活性增長特征，確定出最佳的酶添加量．通過實(shí)驗(yàn)得出初步的最佳酶反應(yīng)組合，即纖維素酶70 wU/L，木聚糖酶288 wU/L，果膠酶240wU/L，β-葡聚糖酶61.5 wU/L．

2）采用綠色的自然生物降解菌（粗纖維降解菌）來降解玉米秸稈，根據(jù)生物降解菌的生物活性增長特征，確定了最佳的粗纖維降解菌添加量為40 g/500 mL，并在實(shí)驗(yàn)前使用1:1草木灰煮沸預(yù)處理，能使紙張效果更佳．

3）探索了造紙綠色原料的多元化，通過添加不同的低使用率的植物，來挖掘更多潛在的被浪費(fèi)的造紙原料．通過實(shí)驗(yàn)可知，混合植物原料能獲得強(qiáng)度更佳的紙張，玉米秸稈+麻樹葉制成的紙張強(qiáng)度比全玉米秸稈高；添加某些植物能使紙張顏色白皙或著色更佳，如玉米秸稈+菠蘿葉制成的紙張偏白且紙張細(xì)膩．繼續(xù)探究更多潛在的植物作為造紙原料是今后研究的方向．

通過傳統(tǒng)堿法造紙、改進(jìn)弱堿造紙以及酶法造紙、生物菌造紙的對比實(shí)驗(yàn)可知，減少工業(yè)用堿、工業(yè)用酸，單純采用酶或生物菌降解植物纖維造紙的方法是可行的．

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On the Making of Food Packaging Paper by Bioenzyme Degradation of Corn Straw

HE Lisi, LIU Liping*, WANG Yan, SUN Guangfei

（）

The research is carried out to make food packaging paper with corn straw by biological enzyme degradation technology. The results shows that when the ratio of corn stalk to corn straw in the paper-making raw material is 3:1, the softness of fiber degradation is the best. The optimal reaction time of enzyme is 2 days and the optimal temperature of enzyme degradation reaction is room temperature. The activities of different kinds of enzymes and their dosage are studied. The optimum synergistic enzyme types and dosage are as follows: cellulase 70 wU/L, xylanase 288 wU/L, pectinase 240 wU/L, β- glucanase 61.5 wU/L. The amount of crude fiber degrading bacteria added is 40g/500mL. Ash pretreatment, CMS carboxymethyl modified starch sodium and other paper additives can be added to improve the paper quality. Paper-making process by biological enzyme will help to better solve environmental problems caused by the paper industry and alleviate the shortage of fiber raw materials.

biological enzyme; corn stalks; food packaging paper

2018-04-15

深圳市科技創(chuàng)新委課題（合同號：GGJS20130331152344401）、深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級創(chuàng)新型項(xiàng)目資助

何利思（1988-）,男，廣東茂名人，中級藥師，研究方向?yàn)橹扑幖夹g(shù)等．

劉莉萍（1962-），女，吉林長春人，高級工程師，研究方向?yàn)槭称钒踩珯z測等．E-mail：maryliu@szpt.edu.cn．

10.13899/j.cnki.szptxb.2019.01.011

TS756

A

1672-0318（2019）01-0053-05