1、酶预处理对速生杨 APMP 浆打浆性能的影响原文出处：Guihua Yang,Lucian A. Lucia, Jiachuan Chen.Effect of enzyme pretreatment on the beatability of fast-growing poplar APMP pulp. J.Bioresorces 6(3)2568-2580酶预处理过的速生杨 APMP 浆打浆性能比未预处理的浆明显提高。如加拿大游离度 (CSF)降低范围是 25 毫升至 55 毫升,PFI 磨浆机转速降低范围是 1000r 到 5500r,打浆能耗降低范围是 12.5%到 22.0%。纤维素酶
2、预处理过的纸在白度,撕裂指数，裂断长，耐破度 ,耐折度分别提高了 1.2%,23.7%,14.8%， 14.6%，50%,而木聚糖酶预处理过的分别提高 2.1% ,16.8%,8.8%,8.9%,25%。加入纤维素酶和木聚糖酶的最佳酶用量是 25 g-1 IUg-1。纤维品质分析结果表明,预处理部分纸浆纤维的纤维长度增加,纤维宽度和细小纤维含量下降，纤维扭曲增大,纤维之间的连接力更大。x 射线衍射仪分析结果表明,酶预处理后的纤维的结晶度增加。关键词:速生杨 ;酶;APMP 浆,打浆性能。联系信息:a:重点实验室的纸浆及纸张科技( 山东理工大大学),教育部、济南、山东 250353,中国政府;b
3、:美国的森林生物材料、北卡州立大学、莱利,27695, 美国;c:大学材料科学与工程、华南理工大学、教育部、广州、广东 510640,中国政府;相应的作者:前言本研究用的速生杨是一种新品种的硬木,据北京林业大学研究人员进行的大量研究发现速生杨的染色体数量和质量在很大程度上得到了提升。相较于其他种硬木，速生杨拥有许多优势，如长得快,较好的适应性,容易种植,优良的品质,抗病能力强,经济效益高和广阔的应用等。过去研究表明,它非常适合作为纸浆原料造纸,因为它的纤维长度较长、纤维长度分布较统一和长度、宽度的比值较高。近年来,速生杨已被广泛种植在中国北部,它在纸浆和制浆造纸行业已成为一个重要的原料。用酶可
4、以预处理碱性过氧化氢机械浆(APMP)或预处理碱性过氧化氢机械浆(P-RCAPMP)。近年来由于 P-RCAPMP ，APMP, 纸浆的高产量和低污染特性，他们都得到了广泛的应用。然而,能源在制浆工艺中是非常大的消耗。纸浆和造纸工业被认为是高能耗工业，能源消费占四分之一的制造成本。在蒸煮和打浆过程中能源消费约 15%至 18%。电能消耗的快速增长也是一个问题。因此,节能在造纸工业已成为必要。降低能耗在造纸工业发挥着非常重要的作用,其中一个最大的作用是降低生产成本,从而提高市场竞争力。利用生物技术来节省能耗可以帮助造纸工业发展更长远。酶预处理可以提高纸浆的滤水性能和成形性能,而且还可以提高纸张质
5、量。木聚糖酶可以帮助木质素和半纤维素的降解。并且使纤维更宽松、更软。处理过的纤维纤维化的程度比未经处理的纤维更好。部分细小纤维更容易降解所以更容易用来打浆和磨浆,同时能促进纤维脱水和改善纸浆性能。酶预处理还能提高纤维润胀和吸收的能力,提高磨浆的纸浆性能,减少磨浆能量。所以说酶促打浆可以提高纸浆性能减少磨浆能量，还能使速生杨 APMP 浆的加工性能的变好。对速生杨 APMP 酶促打浆对浆料性能的影响进行了研究，对酶预处理和未处理的浆料的纤维形态和性能也进行了比较。实验材料速生杨木片。木片的长度15毫米大小25毫米、厚度3毫米至5毫米,宽10毫米到20毫米。化学成分(%干重、w / w)是如下 :
6、冷水抽提物2.31%、1% 的氢氧化钠抽提物17.72%,苯醇抽提物3.69%,综纤维素 80.41%, Klason木质素17.57%，酸溶木质素1.89%, 戊聚糖24.95%，pH值为5.0至6.0,温度50至55摄氏度。从诺维信公司购买的木聚糖酶51024特点如下：稳定，酶的活性14400Ug-1，最佳pH值5.0 至6.0，最佳温度为50摄氏度至55 摄氏度，51024木聚糖酶的生物制品公司的特点如下：液体，酶活性17000IUmL-1 （注：木聚糖酶的活性单位是IUmL-1 ，因为它是 液体。但木聚糖酶用量的文件中使用的是IU g-1 ，这意味着，每克纸浆木聚糖酶的活性单位（绝干）
7、被用于纸浆处理。 ） ，最佳pH值6.5至7.0，最适温度45至55摄氏度。 山东理工大学制浆造纸的实验室生产的APMP, 根据下列过程:木头碎片筛选 用60到70摄氏度的水清洗用95摄氏度的水浸泡20分钟JS挤压机(中国) 第一阶段挤压第一阶段化学物质预处理(氢氧化钠3.3%(w / w),H2O2 3.0%(w / w),Na2SiO3 1.0%(w / w),MgSO4 0.2%(w / w),EDTA 0.2%(w / w)、液体定量1:4,75摄氏度、50分钟)第二阶段挤压第二阶段化学预处理 (氢氧化钠3.0%(w / w),过氧化氢.0%(w / w),Na2SiO3 2.0%(w
8、 / w),MgSO4 0.3%(w / w),EDTA 0.3%(w / w)、液比1:4温度70摄氏度,时间60分钟)KRK磨浆机(日本)( 三段磨，浓度20%(w / v),盘磨间隙0.5毫米,0.30毫米,和0.15毫米)在70到80摄氏度的水中消潜30分钟。原浆的亮度是75.1% ISO和加拿大游离度CSF)是575毫升。酶预处理根据我们先前酶预处理条件选择三倍体毛白杨确定最佳的实验结果。纤维素酶预处理条件如下：浆浓10，纤维素酶用量20IUg-1的，25IUg-1的，30IUG-1（基于绝干浆） ，预处理的 pH 值6.0，预处理温度为 55摄氏度，预处理时间90分钟。木聚糖酶预处
9、理条件为：浆浓10，木聚糖酶用量20IUg-1的，25IUg-1的，30IUg-1的（基于绝干浆） ，预处理的 pH值6.5，预处理温度为50摄氏度和预处理时间90分钟。根据酶的预处理条件将30G（原纸浆和酶的绝干浆）放入一个聚乙烯塑料袋。随后，袋被放置在恒温水浴中处理，直到设定时间。随后，袋取出，放入沸水10分钟，使酶失活，从而终止反应。最后，预处理纸浆彻底清洗，然后准备打浆。打浆,手抄纸形成及测试方法：在 PFI 磨酶预处理的纸浆打浆的条件如下：浆浓 10，打浆的间隙为0.25毫米，打浆比压是3.33 Nmm-1，游离度（CSF）250毫升。手抄纸成形条件如下：定量的60gm-2，干燥温度
10、95摄氏度，干燥时间7分钟，真空干燥压力0.6兆帕，大气相对湿度50，温度23摄氏度。对纸浆和纸张的性能进行测试，按照以下标准方法。打浆按照 ISO5264-2。手抄纸的制造是根据指定的 ISO 方法 ISO5269-2。加拿大标准游离度（CSF） ，ISO5267-2的亮度，ISO2470的不透明度，ISO2471，ISO1924-1 抗张指数，撕裂指数，ISO1974耐破度指数，ISO5626 ISO2578耐折度指数，纸浆纤维与纤维品质分析分析（常见问题解答）纸浆纤维特性的分析是根据 ISO16065。准备样品，预处理纸浆 0.1 克。最初分散在 1000毫升水中，然后取 100 毫升纤
11、维悬浮液，纤维特性用 FQA 设备（OpTest，加拿大）分析，模型 LDA-02。随后分析了 APMP 浆的纤维长度，宽度。用扫描电子显微镜（SEM 观察）用电子显微镜对未经预处理和酶处理杨木 APMP 的切片扫描观察。首先样本用30，50，70，100的乙醇置换脱水。随后，纸浆脱水样品被冷藏和真空干燥 48小时。然后用 SCD 的 005 喷射镀膜机（英格兰）让金钯涂层在样品上镀金，喷射电流 60毫安，喷射时间为 90 s，涂层厚度 20 纳米至 25 纳米。在样品纤维表面用 Quanta 200 型扫描电镜（荷兰）进行观察。 x 射线衍射(XRD)测量未处理纸浆样品和处理过的第一次脱水然
12、后冷冻，真空干燥48小时。随后,干燥后的样本放置在样品载体上,而结晶度用x射线衍射仪(XRD,德国)对样品进行分析。重要的扫描参数如下:x线采用铜靶、电压40 千伏、电流40ma, 扫描速度0.03和0.1 s /步及扫描角度10-50度。结晶度的程度样品可以用如下公式得到：XC（ FKFK FA） x100% XC的地方是结晶度,F K是结晶区, FA是无定形区域结果和讨论酶预处理对打浆性能的影响、磨浆能量、物理强度和 APMP 浆的光学性质进行研究。磨浆能量基于与 PFI 转速，游离度,这意味着游离度和 PFI 转速的变化可以间接地表明了磨浆的能耗。纤维素酶预处理对速生杨 APMP 浆的游
13、离度和打浆能量的影响纤维素酶预处理对 APMP 纸浆游离度和打浆能量的影响效果显示在表 1 和 2。表 1 对游离度的影响Beating revolution(r)表 2 对打浆能耗的影响Freeness(mL)从图 1 和 2 中,我们可以看出采用同样转速时纸浆预处理过的浆相比未预处理浆游离度(CSF)的范围降低 30 毫升到 55 毫升，当达到同一游离度时同样减小 PFI 转速 1000r 到 5500 r。这证明了打浆能耗的减少范围是 12.5%到 22%。纤维素酶可以水解纤维表面的部分细小纤维 ,使纤维结构更软,更疏松。这些变化是有益的作用,使打浆更容易,减少磨浆能量。比较有效的酶法磨
14、浆纤维素酶用量分别是 20 IUg-1,25 IUg-1 和 30 IUg-1。考虑到纤维素酶辅助磨浆在 25IUg-1 and 30IUg-1 之间的差别不大，并考虑到纤维素酶处理成本，选取最佳的纤维素酶用量是 25IUg-1。木聚糖酶预处理对速生杨 APMP 浆的游离度和打浆能量的影响图 3 和图 4 表明木聚糖酶预处理对 APMP 浆的游离度和打浆能耗的影响。图 对游离度的影响Beating revolution(r)图 4 对打浆能耗的影响Freeness(mL)图 3 和图 4 表明,相比于未处理 APMP 浆，当在同一 PFI 转速时候的游离度的减少范围在25 毫升到 50 毫升。
15、在同一游离度时，缩短 PFI 磨转速的范围 1000r 至 4500r。这意味着减少磨浆能量范围为 12.5% 18%。结果表明,木聚糖酶预处理能降低磨浆能量。木聚糖酶可以降低纤维的表面和木聚糖使纤维结构更加多孔,可以有利于打浆或加工纸浆。木聚糖酶提振磨浆的效果更好,即使你的木聚糖酶用量增加。考虑到 25IUg-1 and 30 g-1 25 IUg-1 IU,之间的微小差别以及木聚糖酶处理成本,推荐最佳木聚糖酶用量决定是 25 IUg-1。酶预处理对 APMP 浆性能的影响酶预处理的速生杨与未预处理的性质差异在表 5 中显示。表 5。酶预处理对速生杨性质的性能影响Pulp propertie
16、s Unpretreated pulpCellulase pretreatedpulpXylanase pretreatedpulpBrightness (% ISO) 75.1 76.3 77.2Opacity (%) 81.4 82.0 81.5-1Tensile index (Nmg ) 21.9 27.1 25.62 -1Tearing index (mNm g 3.51 4.03 3.822 -1Bursting index (KPam g ) 1.23 1.41 1.34Folding number (time) 4 6 5-1 -1* Freeness, 250mL. Cellu
17、lase dosage, 25 IUg . Xylanase dosage,25 IUg .从表 5 中我们可以看到,相比未处理浆，相同游离度时纤维素酶和木聚糖酶预处理的浆的白度,抗张指数,撕裂度、耐破度,耐折度分别提高 1.2% ISO、23.7% 、14.8%、14.6%、50% 和2.1%、16.8% 、8.8% 、8.9%、25%。纤维素酶预处理轻微的增加的光学性质,并显著增加了Fiber characteristicsUnpretreatedpulpCellulase pretreatedpulpXylanase pretreatedpulpArithmetic length (mm
18、) 0.5170.566 0.554Length weighted length (mm)0.6130.659 0.641Weighted weighted length (mm)0.7060.785 0.774Fiber width (m) 20.920.1 20.6Fibres torsion (mm) 0.510.58 0.55Fines (%) 38.1133.16 35.36-1 -1* Freeness, 250 mL. Cellulase dosage, 25 IUg . Xylanase dosage,25 IUg .APMP 浆的物理强度。木聚糖酶预处理轻微增加物理强度,并大
19、大增加白度。结果表明,纤维素酶预处理增强 APMP 浆的物理性质而木聚糖酶预处理提升了 APMP 浆的白度。纤维素酶水解部分在纤维表面的细小纤维，纤维的长度，柔软性得到改善,这可能改善纸浆的物理性能。在纤维表面的木聚糖降解部分由木聚糖酶，木质素 - 碳水化合物复合体（LCC ）的结构进行了水解，部分木质素在洗浆中被溶解，这可能是其中的原因木聚糖酶预处理 APMP浆改进了白度。纤维特性分析表6显示处理前后纸浆纤维FQA分析的性质。相比未予处理纸浆，预处理的纤维，纤维长度(Ln, Lw,and Lww)略有上升,纤维宽度和细小纤维含量减少,纤维扭曲增加。相比化学浆( 如硫酸盐纸浆和苏打-蒽醌浆)、
20、高产量纸浆如APMP 纸浆和漂白化学热磨机械浆 )在磨浆过程中产生更多的细小纤维。细小纤维比表面积相对较大,酶可以更容易吸附在细小纤维上使它们降解,因此,预处理比未予处理浆平均纤维长度长，一个结论是:酶预处理以后浆料变得柔韧,使其有可能避免将他们在接下来的磨浆打浆的过程中被切断,提高强度特性。表 6。纤维的特征,未预处理的 APMP 浆和预处理的 APMP 浆纤维表面形态特征图5显示了扫描电镜的观察未预处理和处理过的纸浆纤维。纤维来自250游离度的未未予处理和处理过的纸浆。处理过程中纤维素酶和木聚糖酶的剂量都是25 IUg-1 a 未处理过的b 纤维素酶处理过的c 木聚糖酶处理过的图 5 速生
21、杨 APMP 纸浆纤维的扫描电镜(SEM) 照片如图 5 所示 未预处理的浆有更多的细小纤维，纤维化程度低，而处理过的两个细小纤维含量低，纤维化程度高。纤维表面多孔,，预处理纤维有较高的纤维连接力，预处理后，纤维的结合能力高，增加纸浆强度性能。与化学制浆相比，高得率浆纤维（HYP）往往是比较硬和短，导致纤维结合能力低。酶预处理高得率浆时，水解纤维表面微细纤维，从而改变了纤维的性质；降解木聚糖，并摧毁了 LCC 的结构，提高 HYP 的纤维柔软性和高得率浆的纤维结合能力。酶法预处理使纤维细胞壁软化，使纤维更容易磨浆和打浆。 纸浆 X 射线衍射分析 图 6 和图 7 显示了未经预处理和预处理的纸浆
22、纤维 X 射线衍射分析结果。在 250 游离度的未处理和处理过的纸浆纤维，处理纸浆的纤维素酶和木聚糖酶用量都是 25 25 IUg-1。a 未处理的 b 经纤维素酶预处理的图 6 未经预处理和纤维素预处理的纸浆纤维的 XRD 图谱 图 6 显示，纤维素预处理后的 APMP 浆纤维素结晶度的程度明显增加。未预处理纸浆结晶度为 74.37，纸浆纤维素酶预处理 APMP 的结晶度为 79.044。纤维素酶可更容易达到水解纸浆纤维的无定形区，但纸浆纤维的结晶区，可能难以被纤维素酶水解。预处理纸浆的结晶面积比未经处理的更大这可能原因是处理过的纸浆结晶程度比未处理的高。a 未处理的 b 经木聚糖酶处理的图
23、 7 未经处理和经木聚糖酶处理的纸浆 XRD 图谱图 7 表明，木聚糖酶预处理 APMP 浆纸浆纤维素的结晶度略有增加。未经预处理的纸浆结晶度是 74.37，由木聚糖酶预处理的 APM 纸浆结晶度是 75.911。木聚糖酶可以容易达到降解纸浆纤维的木聚糖纤维表面的无定形区，从而降低纸浆纤维的无定形区的相对量。使预处理纸浆的结晶区的比例增加，可能的原因是预处理纸浆的结晶程度大于未经预处理的纸浆。X 射线衍射分析表明，酶预处理是有益的，它使纤维的结晶程度得到改善。预处理纸浆可使处理的纸浆纤维的强度增加，提高纤维的柔软性和避免过度的切断。使酶处理的 APMP浆物理性能得到改善。 总结1。与未预处理浆相比,酶处理过的的游离度减小范围为 25 毫升至 55 毫升,磨浆能源消耗下降 12.5%至 22.0%。纤维素酶和木聚糖酶预处理过的 APMP 浆的打浆性能明显改善。2。木聚糖酶纤维素酶预处理可提高APMP 纸浆的物理强度还有白度。但是不透明度略改变。纤维素酶预处理很好的改善APMP 浆物理性能和减少打浆的能源消耗。木聚糖酶也很好提高APMP纸浆白度。纤维素酶木聚糖酶预处理最适酶用量都是25IU g-1。3.酶预处理的纸浆纤维长度略有上升,而纤维宽度和细小纤维量下降,纤维扭曲增大。
