果胶酶及其在制浆造纸上的应用

收稿日期:2005212226(修改稿)　作者简介:白延坤,男,1980年生;大连轻工业学院化工与材料学院在读硕士研究生;主要从事制浆造纸清洁生产与环保节能等方面的研究。

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果胶酶及其在制浆造纸上的应用
白延坤　刘秉钺　何连芳
(大连轻工业学院,辽宁大连,116034)
摘　要:综述了果胶酶在制浆造纸上应用的研究进展,从果胶酶系的分类和脱胶机理的角度出发,介绍了果胶酶及其相关微生物在韧皮纤维原料酶法和发酵浸渍法制浆中的作用条件和作用效果,着重介绍了果胶酶在湿部化学上降低阳离子需求量的作用,同时讨论了外界因子对其提高细小纤维和填料留着率效果的影响,并指出果胶酶对纸浆物理性能的影响。

关键词:果胶酶;韧皮纤维;生物制浆;阳离子需求量中图分类号:Q55,TS727+11
文献标识码:A
文章编号:100026842(2006)022*******
用,包括生物机械制浆、生物漂白和生物处理漂白废水等等。

近年来,与果胶酶相关的生物技术也开始成为制浆造纸工业中一个新的热点,特别是果胶酶能提高韧皮纤维制浆得率和阳离子助留剂助留效果的优良特性,使其更受到国内外学者的关注。

1　果胶酶的分类
果胶酶是分解果胶质的多种酶的总称,是一类包含多种组分的复合酶系,主要由芽孢杆菌(Bacillus )、曲霉(Aspergillus )产生。

通常情况下,可根据以下标准对果胶酶进行分类:果胶、果胶酸或低聚半乳糖醛酸是否为其优先底物;这些底物是被反式消去作用还是水解;切割方式是随意的(内切酶、液化酶或解聚酶)还是发生在末端方向的(外切酶或糖化酶)。

根据这些分类方法,果胶酶一般分为以下3种[1]:
(1)原果胶酶(PPase ):将原果胶分解为水溶性的高聚合度果胶。

(2)果胶解聚酶:一类是专一水解底物的糖苷键,可分为聚甲基半乳糖醛酸酶(PMG )和聚半乳糖醛酸酶(PG )。

另一类则通过反式消去作用切割α21,4糖苷键,在半乳糖醛酸非还原末端形成C 4和C 5不饱和键,又可分为:聚甲基半乳糖醛酸裂解酶(PMG L )和聚半乳糖醛酸裂解酶(PG L )。

(3)果胶酯酶(PE ):切割果胶上的甲氧基团形成果胶酸。

2　果胶酶的利用
211　果胶酶用于韧皮纤维生物法制浆
21111　生物制浆机理
生物制浆是直接或间接应用果胶酶降解原料中的果胶质,使原料分散成纤维束或单纤维的过程。

到目前为止,果胶酶在造纸工业中应用的研究主要集中在韧皮纤维制浆上,虽然研究起步较晚,但在技术上已有所突破,并且已有些成功的例子[2]。

近年来,人们通过研究逐步建立了对果胶结构的认识[3]。

研究表明,天然果胶不是线型分子而是多分支分子,是以鼠李糖与多个果胶酸(PG A )连结成的鼠李糖2半乳糖醛酸聚糖为主链,由D 2半乳糖、L 2阿拉伯糖及木糖等分别组成长短不同的侧链。

也有对韧皮纤维胶质中各组分之间的联系进行研究和分析的,提出胶质复合体的概念,并对果胶酶脱胶效果进行解释。

有人对苎麻脱胶进行研究发现:在一定条件下,用果胶酶处理原麻,可除去65%的果胶,除去胶质(包括果胶、木素、半纤维素)的量占原麻总胶质量的15136%;将经此处理的麻用016%的氢氧化钠溶液煮练115h (浓度较低,时间较短),所得麻的残余果胶率为0189%,碱煮过程除去了占总胶质量67110%的胶
质[4]。

有人曾试验只用微生物脱胶[5],不经任何化学药剂处理,纤维强度虽损伤小,但只能除去4116%的胶质。

碱法制浆得率一般在40%以下,这是由于在果胶脱除的同时,伴随着大量半纤维素、纤维素的降解溶
出所致。

而韧皮纤维的生物法制浆得率只与果胶的脱除有关,国内生物法制浆得率高者可达77%,生物浆中的木素含量可降至5%以下,果胶大部分已被脱除[6]。

果胶酶使多聚半乳糖醛酸分解后,胶质复合体的稳定性受到很大破环,减少了果胶物质原有的胶黏
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8T ransactions of China Pulp and Paper
中　国　造　纸　学　报V ol 121,N o.2,2006　
作用,使胶质复合体中其他大分子之间有较大空隙,增大了这些大分子的化学反应性能。

21112　发酵浸渍法制浆与酶法制浆
韧皮纤维生物制浆方法一般分为发酵浸渍法和酶法制浆。

发酵浸渍法是将能产生使纤维彼此解离的酶的微生物直接接种于纤维原料中,在微生物生长繁殖的同时,分泌大量的酶,将纤维黏结在一起的物质分解、溶出,从而使纤维彼此分离。

研究表明,温度、pH 值、浴比、化学助剂均对果胶分解菌的生长及脱胶效果产生重要影响[7]。

脱胶菌的选择、培养和发酵条件的控制是该法制浆的关键。

到目前为止,微生物产果胶酶中的欧文氏菌属被认为是比较有效的发酵浸渍法制浆的菌株,其中萝卜软腐菌欧文氏杆菌(Erwinia caro2 tov ora)应用最广。

欧文氏菌属生长繁殖快,25～30min 即能繁殖一代,生长过程中分泌一种高效分解果胶质的酶———碱性果胶酶(PATE),并迅速向纤维内部扩散,浸渍速率很高。

碱性果胶酶是聚半乳糖醛酸反式消去酶,该酶通过反式消去作用切断果胶酸α21,42糖苷键,最适pH值为618～910,相对分子质量约为30000～36000。

由于该菌属生长在偏碱性环境,可有效地防止发酵浸渍过程中的细菌污染。

碱性条件下纤维降解也不同程度地受到抑制,是进行发酵浸渍法制浆的理想菌株。

发酵浸渍法制浆所得浆料的物理性能在许多方面都较碱法优良,将发酵浸渍法制浆所得浆样制成的手抄片与碱法制浆相比:裂断长前者为1113 km,后者为7124km;白度前者为57%IS O,后者为43% IS O[8]。

酶法制浆(Enzymatic pulping)是指将微生物维持在一定环境条件下,使其产生大量的酶,然后经酶浓缩和提取,加入到纤维原料中的过程。

该工艺虽然比浸渍法稍微复杂一些,但可以免除细菌生长所需的严格条件,避免了脱胶液中有机酸物质对脱胶菌生长的不利影响,可使工业化进程变得较易实现。

韧皮纤维的离析是多种酶共同作用的结果,不同的菌株和底物在培养过程中产生果胶酶的成分会有所不同,应用的适宜条件也会不同。

研究表明[9],产酶水平大体相似的不同菌株,可分泌出包括最适pH值、底物专一性等不同性质的果胶酶组分,通常,优良菌株的筛选和诱变是该法制浆的关键。

汤鸣强等[10]对黑曲霉(A1niger)果胶酶的3个组分即聚半乳糖醛酸酶(PG)、果胶裂解酶(P L)、果胶酯酶(PE)进行了分离,结果表明黑曲霉的果胶酶制剂的酶系较全,但这3个主要组分的含量、性质有所不同。

聚半乳糖醛酸酶、果胶裂解酶、果胶酯酶最适作用温度分别为45℃、50℃、50℃,最适作用pH 值分别为410、610、610。

丁凤平等[11]进行过碱性果胶酶用于韧皮纤维酶法制浆的研究,研究结果如表1所示。

表1　三桠皮和构皮的碱性果胶酶(PATE)酶法制浆
原料三桠皮构皮
原料绝干质量/g520520
总酶活性/IU6461564615
液比1∶201∶201∶201∶20
酶用量/U・g-11218301812183018
浸渍时间/h6851068510浸渍液pH值710715715715815815810815纤维绝干质量/g21521311142123193151511314浆得率/%50104610561544107710721075156810
从表l可以看出,酶法制三桠皮浆和构皮浆得率较高,最高可分别达到5615%和7710%,根据日本小林良生的研究结果[12],随着生化制浆技术的提高,得率还可望进一步提高。

此外,表中结果表明,在相同条件下,酶浸渍时间越长,浆料得率越低,生产中应根据需要不同,合理控制脱胶工艺条件如酶用量、浸渍时间等,如Cao等人[13]已分离出嗜碱细菌NTT33的碱性果胶酶,其作用条件温和,在碱性条件下降解纤维间的果胶和多糖,对苎麻脱胶具有良好的效果。

关于韧皮纤维的酶法制浆,还有研究表明,可将纤维原料进行预浸泡,然后以超声波处理,这样纤维间结合物(木素、果胶和半纤维素等)的结构会变得松散,从而有利于酶在纤维间层的扩散,提高酶解效率[14]。

212　制浆过程中利用果胶酶提取果胶的研究韧皮纤维原料中果胶含量高,可以利用生物法提取果胶,然后再进行化学法制浆,提取出的果胶可以应用到食品、医药和化妆品等很多领域,具有一定的经济价值。

传统的工业化生产果胶主要是酸提取法,然而,这一加工过程存在分离困难、设备易腐蚀、能源消耗大、产品收率和质量低的缺点。

原果胶酶(PPase)是可以催化原果胶水解成可溶性果胶的一类酶,很久以来,人们并没有意识到它们具有释放高度聚合果胶的能力。

1978年日本学者Sakai等从酵母中发现了产生具有释放高度聚合果胶能力的原果胶酶的菌株[15]。

利用原果胶酶能催化原果胶水解生成果胶这一性质, Mitsuhiro Sakam oto等[16]从Trametes Sanguinea菌株发酵液中分离纯化出一种原果胶酶,该酶已应用于柑桔皮以及胡萝卜的果胶生产工艺中,与传统化学方法相比,除了果胶产品中含有较多的中性糖外,酶法生产的果胶分子质量较大,质量稳定,果胶提取完全,发酵液中原料不破碎,也不需进行热、酸处理,产品容易分离。

也有人在韧皮纤维原料中加入液比为1∶2的水,再加入帚状
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　第21卷　第2期果胶酶及其在制浆造纸上的应用
丝孢酵母S NO23菌种,在30℃左右发酵15～20h,利用酵母产生的原果胶酶,成功地将原果胶分解出来[17],该技术能有效地避免传统工业生产果胶的不足并已申请专利。

近年来,有不少学者进行了利用原果胶酶提取果皮中果胶的研究,取得了良好的结果。

213　果胶酶在湿部化学上的应用
1994年,Thornton J等人第一次把果胶酶应用于过氧化氢漂白的机械浆中[18]。

从那以后,大多数的国外研究主要是在实验室条件下研究果胶酶如何影响漂白机械浆的阳离子需求量的变化,最近,已有果胶酶制剂如何影响助留助滤效果的研究[19]。

通过对北美地区两个工厂的工业化试验发现,在漂白预热盘磨机械浆和漂白压力磨石磨木浆中加入一定量的果胶酶后,可使浆液阳离子需求量降低约50%[20],提高了阳离子助留剂的助留效果,同时果胶酶也能降低处理工艺用水时对阳离子聚合物的需求量[21]。

这样就节省了填料、助剂的用量,设备利用率也有所提高,带来了良好的经济效益。

21311　作用机理
通常使用的助留剂是阳离子聚合物,它们所带的正电荷可以对纤维、细小纤维、填料起到架桥作用。

然而,浆料中其他一些带负电荷的物质或者是阴离子垃圾也能够与阳离子聚合物形成化学键的联接,这样就会降低助留剂的助留效果。

在过氧化物漂白过程中,潜在的阴离子垃圾被释放出来[22],而阴离子垃圾的主要来源是在漂白过程中产生的聚半乳糖醛酸。

P1BR∋UER等人[23]的研究发现,当机械浆漂白至74% IS O时,纸浆对阳离子(聚二丙烯基二甲基氯化铵)需求量约增加115kg/t。

聚半乳糖醛酸和阳离子的化学键合能力(阳离子需求量)通常取决于聚合物的聚合度大小,由于半乳糖醛酸的单体、二聚体和三聚体的聚合度低,所以对阳离子需求量影响也低,甚至很难测量到,而聚合度更高的长分子链情况却相反。

果胶酶能够破坏糖苷键联结,促进聚半乳糖醛酸降解,转化为低分子或单分子的半乳糖醛酸。

21312　外界因子对果胶酶降低阳离子需求量的影响由于酶作用的专一性,只有在适当处理的条件下才能使其发生有效的作用。

温度是酶活性的关键因素,温度低,酶活性得不到充分发挥,相反,酶容易失活。

通常,浆料从漂白塔到上网时温度的变化大约是49～60℃,通过对降解产物半乳糖醛酸的检测发现,在50～60℃时,果胶酶对阳离子需求量降低效果最好,温度高于60℃时变化已不是很明显。

值得一提的是,Ian Reid等人通过生产试验发现约60%的阳离子需求量降低会发生在开始的8min内,处理15min时,聚半乳糖醛酸的分解已近于稳定,时间达到2h时,再延长时间变化已微弱,这说明酶处理并不需很长的时间。

生产中,一般把酶用量与浆浓和浆料配比结合起来,以保证酶与底物的充分接触。

研究发现,酶的用量也存在最佳值,当酶用量扩大至1000U/g时,酶的改善效果增加并不明显。

Ian Reid也发现pH值在512、513左右时,综合各方面因素最适合果胶酶的应用[20]。

21313　果胶酶对细小纤维和填料留着效果的影响从节省原料成本的角度出发,果胶酶对助留剂助留效果的影响更具有意义。

有人在壳聚糖(Chitosan)、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)、聚乙烯亚铵(PEI)和聚氧乙烯(PE O)等几种助留剂的助留系统中添加果胶酶。

研究发现,当壳聚糖用量仅为012%时,不添加果胶酶,留着率没有变化,添加果胶酶1000U/L后能使细小纤维和填料的初次留着率提高7%。

在经过打浆的T MP中添加果胶酶1000U/L,50℃条件下处理2h后,可使浆料的阳离子需求量降至014mm ol/L(添加前为111mm ol/L);而对于T MP和白水的混合浆料重复上述步骤时,可使浆料中的阳离子需求量降至112mm ol/L (添加前为217mm ol/L);在CPAM的助留系统中,添加果胶酶1000U/L的助留效果与增加CPAM用量119 kg/t的作用效果相当[20];同时也发现,即使在PEI与CPAM的混合助留剂系统中,果胶酶的作用效果同样很明显;而在PE O等非离子助留剂的助留系统中,添加果胶酶没有助留效果的变化。

21314　添加果胶酶对纸浆物理性能的影响
由于酶作用的专一性,添加果胶酶对纸浆中纤维的化学和物理性质没有影响,所以对成纸性能也没有负面影响。

对纸浆和手抄片的物理性能的检测结果如表2所示[20]。

表2　添加果胶酶前后纸浆和成纸性能的对比
性能指标处理前处理后
阳离子需求量/mm ol・L-131732102
游离度/m L5251
定量/g・m-26059
厚度/μm155150
松厚度/cm3・g-121582154
耐破指数/kPa・m2・g-121462147
撕裂指数/mN・m2・g-161646168
裂断长/km41594155
伸长率/%21011194
抗张指数/N・m・g-1454417
零距裂断长/km11131019
从表2中可以看出,除阳离子聚合物需求量外,其他物理指标没有明显改变。

09中　国　造　纸　学　报第21卷　第2期　
3　结　语
随着果胶酶及其相关微生物研究的深入,将给韧皮纤维原料制浆造纸的发展提供新的技术支持,应用的领域也会更加广泛。

但对于生物制浆来说,仍存在一些有待改进的地方,关键问题是如何缩短生物预处理的周期和优化菌株选育,使之更适合工业化生产的需要。

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Pectinase and Its Applications in Pulp and P aper I ndustry
BAI Y an 2kun 3　LI U Bing 2yue HE Lian 2fang
(Dalian Institute o f Light Industry ,Dalian ,Liaoning Province ,116034)
(3E 2mail :baiyankuan @ )
Abstract :The application of pectinase in pulp and paper industry are reviewed in this paper.According to the classification of pectinase and its action mechanism ,the process conditions and effect of pectinase on bio 2pulping of bast fiber material are introduce.Pectinase reduces the cationic demand in wet end chemistry is emphasized ,the in fluence of external factors on the improvement of the retention of fines and fillers is als o discussed ,further 2m ore ,the in fluence of pectinase on pulp physical properties is illustrated.K ey w ords :pectinase ;bast fiber ;bio 2pulping ;cationic demand
(责任编辑:梁　川)
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