全 文 ： № . 1　　　　　　　　　　　　　　　　 　西北轻工业学院学报　　　　　　　　　　　　　　　 　　 Feb. 2002
· 14· 　　　　　　 JOU RN AL OF NORTHWEST UNIV ERSITY OF LIGHT INDUSTRY　　　　　　 Vol. 20
　文章编号: 1000- 5811( 2002) 01- 0014- 05
NaOH- AQ麦草浆木聚糖酶漂
前预处理工艺的研究
刘书钗 1 ,李彩霞 1 ,房桂干 2
( 1.西北轻工业学院造纸工程学院 ,陕西 咸阳　 712081; 2.南京林产化工研究所 ,江苏 南京 , 210042)
摘　要:用法国马赛大学提供的一种木聚糖酶对 NaOH- AQ麦草浆进行了漂前预处理 ,
对预处理的条件进行了探讨 ,优选出了最佳的工艺参数。
关键词:麦草 NaOH- AQ浆 ;木聚糖酶 ;漂前预处理
中图分类号: TS749+ . 2　　　文献标识码: A
　　木聚糖酶是能催化降解木聚糖的一类半纤维素酶 ,应用木聚糖酶处理各种浆料 ,其直接作用就是
降解浆中的木聚糖 ,使浆中半纤维素的含量降低 ,并使纤维素细胞壁结构变得松弛 ,同时使与浆中残
余木素连接的半纤维素降解 ,破坏了 LCC,形成脱木素或有利于脱木素的状态。 通过酶的预处理 ,不
仅可以提高浆的白度 ,降低打浆的能耗 ,改善浆料的强度性能 ,而且可以减少后继工序漂剂的用量 ,降
低废液的毒性 ,减轻环境污染。
1　实验
1. 1　原浆
NaOH- AQ麦草浆取自江苏新大纸业有限公司 ,卡伯值 16. 4,粘度 913. 9ml /g,白度 34. 2%
ISO。
1. 2　酶液
木聚糖酶由法国马赛大学生物研究所提供 ,酶液的最适 pH值为 7. 0,最适温度为 50℃。
1. 3　木聚糖酶预处理
木聚糖酶处理 (X)和碱抽提 ( E)均在塑料袋中进行 ,疏解好的浆料用 pH约等于 7. 0的磷酸缓冲
液浸泡 0. 5h,过滤后转入聚乙烯塑料袋 ,加入酶液 ,充分混匀 ,反应中每隔 15min轻揉一遍 ,使其充分
混匀 ,反应终了充分洗涤浆料 ,进入碱抽提阶段。 具体条件为: X段: 优选后确定 ; E段: 70℃ , 1. 5h,
10%浆浓 ,用碱量 2. 0% 。
1. 4　分析检测
1. 4. 1　纸浆卡伯值的测定
高锰酸钾法测定 ,参见 GB1546- 89。
1. 4. 2　 pH值的测定
PAS- 2C型酸度计测定。
1. 4. 3　废水分析方法
废水的 COD和 BOD指标按污染源同一检测分析方法 (废水部分 )检测。
1. 4. 4　白度
用温州产的白度仪测定白度 ,参见 GB8940. 1- 89。
1. 4. 5　粘度
收稿日期: 2001- 08- 30　
作者简介:刘书钗 ( 1943- ) ,女 ,河北无极县人 ,教授 ,研究方向:制浆造纸工艺
铜乙二胺法测定 ,参见 GB1548- 89。
1. 4. 6　打浆
打浆度: 用肖伯尔打浆度仪测定打浆度 ,参见 GB3332- 82。用 PFI磨打浆 ,打浆浓度 10% ,参见
ISO5264 /2- 1979。
1. 4. 7　抄片
分散好的浆料在英国 Messmer公司生产的标准纸页成形器上抄成定量为 60g /m2的纸页 ,参见
GB5269 /2- 1980。
1. 4. 8　纸页物理性能测试
参照有关标准进行〔1〕。
2　实验结果与讨论
2. 1　木聚糖酶预处理工艺流程的选择
本实验以新大纸业有限公司生产的 NaOH- AQ麦草浆为研究对象并对其进行了各种处理 ,对
比处理结果见表 1。
表 1　采用不同方法处理的 NaOH- AQ麦草浆性质及相应废水负荷
浆样 白度
(% ISO )
卡伯值 脱木素率
(% )
粘度
( ml /g )
BOD
( kg /t浆 )
COD
( kg /t浆 )
原浆 34. 2 16. 4 - 913. 9 - -
E浆 41. 8 11. 2 31. 7 994. 7 16. 0 57. 7
X浆 35. 0 15. 2 7. 3 986. 0 44. 8 60. 8
XE浆 46. 6 9. 6 41. 5 1011. 3 55. 8(总 ) 90. 5(总 )
( X )浆 35. 0 14. 5 11. 0 963. 4 1. 6 19. 8
( X ) E浆 44. 0 10. 7 34. 8 948. 3 11. 3 48. 0(总 )
　　注: E指碱抽提段 ; X指木聚糖酶处理段 ; ( X)指不加木聚糖酶 ,其他均和 X相同的处理段。
木聚糖酶处理 X条件: 50℃ , 2h, 5%浆浓 , pH7. 0,酶用量 1IU /g绝干浆 ;碱处理段 E条件 ; 70℃ , 1. 5h, 10%浆
浓 ,用碱量 2. 0% ,脱木素率 (% )= (原浆卡伯值 -处理后浆卡伯值 )÷ 原浆卡伯值× 100。
从表 1可知 ,麦草浆只要经过碱处理过程 ,白度均有大幅度提高 ,其中以木聚糖酶处理后碱处理
的浆料 ( XE浆 )的白度最高 ,为 46. 6% ISO,其次为不加酶的处理段和碱处理段 ( ( X) E浆 ) ,白度为
44. 0% ISO。只经一段木聚糖酶但不经过碱抽提段的浆 ,不管处理过程中是否加入酶 ,白度都很低 ,仅
比原浆稍高一点。 由此可见 ,木聚糖酶处理结合碱抽提处理浆料时 ,纸浆可获得较高白度。 从原浆及
各种处理后浆的卡伯值和脱木素率来看 ,只经一段加酶的木聚糖酶处理的浆料的卡伯值仅有细微的
降低 ,脱木素率仅为 7. 3% ,经一段不加酶的处理过程 ,浆料的卡伯值从 16. 4降到 14. 5,脱木素率达
到 11. 6% 。 X浆及 (X)浆卡伯值的差异 ,可以理解为因木聚糖酶的水解作用降低了浆中的木聚糖 ,使
浆中木素的相对含量提高所致。 经碱处理的 3种浆中 , XE浆的卡伯值最低 ,脱木素率最高 ,达到
41. 5% ,因此可以认为木聚糖酶处理结合碱处理的纸浆可获得最佳的脱木素效果。
经过处理的各种浆的粘度均高于原浆的粘度。
各种处理过程产生了废水 ,比较废水的 BOD、 COD情况 ,木聚糖酶处理和碱处理联合预处理的水
样污染负荷最高 ,这从一个侧面表明该过程中脱出了大量的物质 ,从而为木聚糖酶预处理产生一定的
效果提供了可能 ,一些物质的溶出 ,增加了后续漂白时漂白药剂的渗透 ,使漂剂更容易接近浆中的残
余木素 ,更大限度地发挥其漂白作用。需要说明的是木聚糖酶预处理过程中产生的 COD、 BOD可以很
容易地用生化的方法除去 ,因此不应该以预处理过程中废水的指标数值来衡量预处理方法的优劣。
综上所述 ,可以得出以下结论:为了获得较好的预处理效果 ,木聚糖酶应经过两段处理 ,一段为木
聚糖酶处理段 ,另一段为碱处理段。
2. 2　木聚糖酶预处理工艺参数的优化
木聚糖酶预处理包括木聚糖酶处理段和碱处理段 ,本实验中采用一定的碱处理段的工艺条件
( 70℃ , 1. 5h, 10%浆浓 ,用碱量 2. 0% ) ,因此 ,所谓木聚糖酶预处理工艺参数的优化仅指木聚糖酶处
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理段工艺参数的优化。
2. 2. 1　 pH值对木聚糖酶处理效果的影响
大部分酶的活力受其反应环境 pH值的影响 , pH过高、过低都会影响酶蛋白的构象 ,甚至使酶变
性而失活。 pH值对麦草浆木聚糖酶预处理效果的影响见表 2。
表 2　 pH值对木聚糖酶处理效果的影响
pH值 4. 5 6. 0 7. 5 9. 0
卡伯值 16. 2 15. 5 15. 2 15. 6
特性粘度 ( ml /g ) 1059. 0 1029. 3 1079. 8 1023. 9
　　注: 卡伯值和粘度均在碱处理后测得 ,测得原浆卡伯值为 21. 4,粘度为 957. 2ml /g。
木聚糖酶处理段条件 ; 1. 5IU /g绝干浆 , 50℃ , 2h , 5%浆浓 , pH7. 0。
由表 2可知 ,酶处理段 pH值在 7. 5附近时木聚糖酶预处理浆可获得较低的卡伯值 ,木聚糖酶具
有较高的活性。不同 pH值的酶预处理浆的粘度均比原浆高 ,其原因可能是与纤维素相比 ,木聚糖聚
合度低 ,而木聚糖酶使部分木聚糖降解溶出 ,浆中大分子纤维素含量相对提高 ,导致碳水化合物的聚
合度增大 ,表现为纸浆粘度上升。
2. 2. 2　温度对木聚糖酶处理效果的影响
温度对酶反应速率的影响有两方面 ,一方面当温度升高时 ,反映速率加快 ;另一方面 ,随温度的上
升酶逐渐变性 ,即通过减少有活性的酶而降低酶的反应速率 ,酶促反应的最适温度即是这两种过程平
衡的结果。温度对麦草浆漂前木聚糖酶处理效果的影响见表 3。
表 3　温度对木聚糖酶处理效果的影响
预处理温度 (℃ ) 30 45 60 75
卡伯值 16. 0 15. 5 15. 7 16. 6
特性粘度 ( ml /g ) 987. 9 986. 6 1030. 0 1081. 8
　　注: 卡伯值和粘度均在碱处理后测得 ,原浆卡伯值为 21. 4,粘度为 957. 2ml /g。
木聚糖酶处理条件: 1. 5IU /g绝干浆 , 50℃ , 2h , 5. 0%浆浓 , pH7. 0。
由表 3可知 ,酶处理段的反应温度介于 45℃到 60℃时 , XE浆的卡伯值较低 ,具有较好的脱木素
效果 ,温度为 75℃时 , XE浆的脱木素能力较低 ,此时木聚糖酶的活性降低。 同样地 ,不同温度的酶处
理的浆的粘度均比原浆的高。
2. 2. 3　酶的用量对预处理浆的影响
酶的用量大小也影响着酶处理浆的白度和卡伯值 ,实验结果见表 4。
表 4　不同酶用量对预处理浆性能的影响
酶用量 ( IU /g ) 0* 0. 5 1. 0 1. 5
卡伯值 16. 3 16. 0 15. 4 15. 2
粘度 ( ml /g ) 945. 6 976. 0 971. 6 967. 7
XE浆白度 (% ISO) 33. 2 33. 5 34. 2 34. 3
　　注: 0* 酶用量是指木聚糖酶预处理过程不加入酶 ,其它与一般处理相同。
XE浆卡伯值、白度和粘度均在碱处理后测得 ,原浆的卡伯值为 21. 4,粘度为 957. 2m l/g ,木聚糖
酶预处理条件: 45℃ , 2h, 5%浆浓 , pH7. 0。
从表 4可知 ,酶用量越高 ,预处理浆的卡伯值越低 ,白度越高 ,当酶的用量高于 1. 0IU /g时 ,卡伯
值和白度的变化趋势减慢。 为了节约用酶 ,降低生产成本 ,没有必要过分追求预处理浆的高白度和低
卡伯值。
综上所述 ,木聚糖酶漂白处理的最佳工艺条件为 pH7. 0,温度 50℃ ,酶用量 1IU /g绝干浆 ,反应
浆浓 5% ,时间 2h。
2. 3　木聚糖酶处理效果 (见表 5)
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表 5　木聚糖酶处理浆的性质
浆料 卡伯值 白度 (% ISO) 粘度 ( ml /g ) 返黄值
对照浆 21. 4 24. 0 904. 1 1. 82
酶处理浆 15. 4 34. 5 978. 8 1. 22
　　由表 5可知 , NaO H- AQ麦草浆经木聚糖酶处理后卡伯值从 21. 4降到 15. 4,降低了 28. 0% 。白
度从 24. 0% ISO增至 34. 5% ISO,增加了 10. 5% 。由于木聚糖酶只能直接作用于浆中的木聚糖 ,不可
能直接作用于木素 ,它对木素的脱除作用与一般意义上的漂白剂有所不同 ,因此只能称之为助漂剂 ,
国外资料〔2〕称之为 Aided Bleaching Xyianase。
粘度值提高了 75m l/g ,而返黄值降低了 0. 6,说明木聚糖酶预处理提高了浆的白度的稳定性。浆
的返黄值与很多因素有关 ,对于化学浆 ,相关因素主要是浆种的纤维素和半纤维素含量的高低〔 3〕 ,尤
其是半纤维素在热的诱导下氧化可生成各种形式的羰基和羧基 ,导致纸浆返黄 ,而木聚糖酶预处理降
低了浆中聚戊糖的含量 ,因此预处理后浆的返黄值低于原浆的返黄值。
2. 4　预处理浆的打浆性能及抄造性能
打浆比能耗: PFI磨的转数在一定范围内与打浆能耗成线性关系 ,因此可以作为一种检测手段 ,
其结果如图 1所示 ,麦草浆由于纤维次生壁 S1层呈交叉网状结构 ,层较厚且与 S2层紧密联系使打浆
比较困难。从图中可以看出 ,在原浆的打浆过程中 ,打浆度随打浆转数的提高持续缓慢地增加 , XE浆
打浆度的变化曲线在原浆之上 ,相同的转数可以获得较高的打浆度 ,说明酶预处理在获得与原浆相同
的打浆度时可以使打浆能耗降低。
图 1　原浆与 XE浆打浆度与打浆转数的关系　　　图 2　原浆与 XE浆手抄片紧度的发展
打浆度能够反映打浆过程中浆料脱水的难易程度 ,在一定程度上反映浆料的抄造性能。目前 ,许
多工厂仍通过检测打浆度来检测纸机的抄造性能。 当达到相同的强度指标时 ,如达到相同的耐破指
数、裂断长时 , XE浆的打浆度比原浆的低 ,因此可以认为木聚糖酶预处理有利于改善浆料的脱水性
能。
2. 5　预处理浆手抄片的物理性能
J. A Clark认为纸页的紧度可以反映纸页的压缩性能、光散射性能、纤维间的相对结合面积及浆
料在纸机上的滤水性能 ,它是一个十分有价值的指标〔4〕。 从图 2可知 ,在相同打浆度下 , XE浆的紧度
与原浆差不多。
图 3为原浆和 XE浆手抄片的强度与打浆度的关系曲线。由图 3可见 , XE浆和原浆的变化趋势
是一致的 ,但在相同的打浆度下 ,经酶预处理的浆其耐破指数、撕裂指数、抗张指数、 T EA和裂断长等
都较原浆高 ,说明预处理有助于提高漂前浆料的强度 ,这种强度的提高与粘度的提高在趋势上是一致
的。
3　结论
( 1) 木聚糖酶处理后的碱处理有助于提高预处理的效果 ,木聚糖酶预处理应包括木聚糖酶处理
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图 3　手抄片的强度与打浆度的关系曲线
( a) 耐破指数与打浆度的关系曲线 , ( b) 撕裂指数与打浆度的关系曲线 ,
( c)抗张指数与打浆度的关系曲线 , (d )裂断长与打浆度的关系曲线
段和碱处理段。
( 2)优化实验结果表明:反应温度和酶用量是影响木聚糖酶预处理效果最主要的因素。木聚糖酶
预处理最佳的工艺条件是: 酶用量 1IU /g绝干浆 ,温度 50℃ , pH7. 0,反应浆浓 5% ,时间 2h。
( 3)麦草浆经木聚糖酶预处理后发生了“立即增白” ,白度增加了 10. 5% ,脱木素率高达 28% ,粘
度提高 ,返黄值降低。
( 4)麦草化学浆的木聚糖酶预处理有助于降低打浆能耗 ,提高浆料的滤水性能。
( 5)木聚糖酶预处理有利于改善漂前浆料的强度性能。
参 考 文 献
〔1〕中国轻工业标准汇编 .中国标准出版社 , 1999, 10.
〔2〕 KEN KY WAN G, ED DE JONG, et al. Mechanisms of xylanase aided bleaching of kraft pulp〔 J〕 . APPIT A JOU RN AL, 1997,
50( 5): 415～ 422.
〔3〕黎鹰 . 怎样判断漂白化学浆返黄的原因〔 J〕. 纸和造纸 , 1994, ( 1): 13.
〔4〕 James D′A Clark. Pulp technolog y and t reatmant for paper〔M〕. M iller Treeman publication, Inc, 1978.
PROCESSING OF PRETREATMENT WITH XYLANSE
TO WHEAT STRAWNaOH- AQ PULP
LIU Shu-chai
1 , LI Cai-xia
1 , FANG Gui-gan
2
( 1. Dept. of Pulp and Paper Making of No rthwest Univ ersity of Light Industry , Xianyang 712081, China; 2. Insistute o f
Ch emical Industr y of Forest Products, Nanjing 210042, China)
Abstract: Application condition on wheat straw NaOH- AQ pulp enzymatic t reatment by xylanase were
investigated in this thesis, and the optimal processing parameter w ere choosed from many different pro-
cessing condition.
Key words: w heat straw NaOH- AQ pulp; xylanase; pret reatment
·18· 西北轻工业学院学报　　　　　　　　　　　　　　　　　第 20卷