提　要：用木聚糖酶处理未漂麦草浆，纸浆的可漂性得到改善，用氯量减少或纸浆白度提高。用纤维素酶和半纤维素酶处理漂白麦草浆可明显改善纸浆的性能，如滤水性、脆性、强度和白度等。工业化试验表明，草浆的生物漂白与酶法改性具有较好的环境效益和经济效益。关键词：麦草浆；生物漂白；酶法改性；木聚糖酶；纤维素酶本项目为国家“九五”科技攻关项目(项目号96-C3-02-03)、山东省青年科学家奖励基金和山东省自然科学基金资助项目。第一作者简介：陈嘉川，教授，博士，山东轻工业学院副院长，山东造纸工业协会副理事长，山东造纸学会学术工作委员会主任委员，山东省优秀青年知识分子。　　　我国木材资源匮乏，麦草一直被作为重要的造纸纤维资源。目前国内麦草浆的漂白仍采用沿用了100多年的含氯漂白工艺，从而造成大量氯化有机物的产生，严重危害生态环境。另一方面，与木浆相比，麦草浆存在先天不足，如滤水性差、脆性大、强度低等。生物技术的迅猛发展以及应用领域的日益扩大为解决制浆造纸工业面临的问题提供了新的途径。本文就我们对麦草浆生物漂白和酶法改性的研究与进行的工业化试验情况作一介绍。1　生物漂白　　工业意义的生物漂白实际上是半纤维素酶（主要是木聚糖酶）漂白。半纤维素酶比木素酶容易获得，许多微生物包括降解木素的真菌和降解纤维素的真菌都能分泌出半纤维素酶。商品半纤维素酶早已面世，它们在食品工业和饲料工业有较多的应用。　　1986年，芬兰的Viikari等人[1]首次报道了用木聚糖酶处理未漂KP浆可增进其漂白性。这一报道激发了人们对这方面的研究兴趣。3年后，即1989年，芬兰率先进行了木聚糖酶漂白KP浆的工业化试验[2]。随后北欧和北美地区的一些制浆厂开始采用这一技术[3]。到1994年，在加拿大有75万吨浆采用了木聚糖酶漂白[4]。现今世界上应用木聚糖酶漂白的厂家已有数十家。　　在国内，我们是较早研究草浆生物漂白的单位之一[5-7]，并率先进行了工业化试验。1.1　漂白机理　　木聚糖是构成植物纤维细胞壁的主要成分之一，在草浆中含量较多，约占20%～30%。木聚糖在纸浆纤维中的存在形式有三种：一是与木素形成LCC的木聚糖；二是在蒸煮过程中溶解出来又被纤维吸回的木聚糖；三是存在于纤维细胞壁的原细纤维（protfibril）以及微细纤维（microfibril）之间除LCC以外的木聚糖。　　用来漂白纸浆的木聚糖酶是能催化降解木聚糖的一类半纤维素酶。众所周知，酶作用的特点之一是具有专一性。因此，用其处理纸浆会选择性地降解浆中的木聚糖，木聚糖酶在漂白中的作用机理有如下三种解释：　　⑴木聚糖酶降解木聚糖的同时破坏了LCC联接，从而有利于这部分木素的脱除。　　⑵由于被纤维吸回的木聚糖具有保护残余木素免受化学品进攻的作用，因此木聚糖酶通过水解部分被吸回的木聚糖可使残余木素暴露出来，使得化学药品容易与残余木素发生作用，从而达到脱木素的目的。　　⑶酶的作用通过降解纸浆纤维中的半纤维素，使得纤维细胞壁变得疏松，从而使木素容易抽提出来。　　可见，木聚糖酶的助漂作用是由于纤维中木聚糖的降解而引起的。1.2　漂白工艺参数　　酶是具有专一催化性质的蛋白质，对环境条件有一定的要求，也就是说每一种酶都有其特定的最适环境条件。一般来讲，木聚糖酶漂白的工艺参数包括：酶用量、pH值、时间、温度和纸浆浓度等。1.2.1　酶用量　　为获得最佳酶处理效果，酶用量必须进行最佳化选择。由于不同浆种其化学组成尤其是木聚糖含量不同，因此酶用量往往与浆种有关。例如木浆酶用量一般在2～5IU/g浆，其中阔叶浆取低值，针叶浆取高值。一般认为麦草浆比木浆含更多的木聚糖，因此更适合木聚糖酶漂白。但实际恰恰相反，由于麦草浆中含有较多的木聚糖，而要破坏掉部分木聚糖以使木素容易溶出则需要添加比木浆更多的木聚糖酶。实验表明，当次氯酸盐漂白麦草浆漂前酶处理酶用量为10IU/g、50IU/g和100 IU/g时，与未经酶预漂的浆相比，白度分别提高2.1度、4.8度和6.5度。当采用更高的酶用量时，白度提高不大。1.2.2　pH值　　不同微生物产生的酶其最适pH值是不一样的，甚至相差较大。一般真菌木聚糖酶在酸性条件下酶活较高，通常pH值在4～6，而细菌木聚糖酶pH要高一些，通常为6～9。我们研究的An—76木聚糖酶最佳pH值为5，G6—2木聚糖酶最佳pH值为7.5。1.2.3　温 度　　温度升高可以加快反应速度，缩短反应时间，但温度过高也会引起酶的失活。目前尚未制备出耐高温的木聚糖酶。我们试验的几种酶温度在40～50℃时效果较好，最高不宜超过60℃。1.2.4　时 间　　在40～50℃的温度下酶作用时间可根据需要控制在60～120min，超过120min已没有实际意义。1.2.5 　纸浆浓度　　酶与纸浆的均匀混合是比较重要的，因此随着纸浆浓度的提高，酶处理效果往往会变差，通常较适宜的纸浆浓度为5%～10%。1.3　工业试验　　木聚糖酶用于硫酸盐木浆的漂白已进入工业化应用阶段，草浆的生物漂白尚未见有工业化的报道。 最近我们在山东泰山造纸厂进行了麦草浆木聚糖酶预漂的工业化试验。1.3.1　木聚糖酶　　采用中国科学院微生物研究所提供的菌种，在泰安市风台酶制剂厂制备粗酶液，木聚糖酶酶活在实验室可达到1000IU/ml，但本次实验粗酶液酶活为100～200IU/ml，最适pH值在弱碱性范围。1.3.2　工艺流程　　酶预漂通常是在纸浆洗涤后进行，不需添加工艺设备，也不需要对现有流程进行改造，操作比较方便，本次实验的流程如下：1.3.3　反应条件　　木聚糖酶在立式浆池前的螺旋输送器中加入，控制反应条件为：酶用量20IU/g，浆浓5%，温度50℃，时间60min以上，不需调节pH值。1.3.4　试验结果　　试验结果见下表：漂 序白度%ISO裂断长km撕裂指数mN·m2/g耐破指数kPa·m2/gCEHXCEH73.575.56.256.203.353.453.303.30注：X—木聚糖酶预漂　　试验结果证实了木聚糖酶可改善麦草浆的可漂性，提高纸浆白度或减少漂白用氯量。但本次大生产试验的时间较短，整个试验尚未达到小试的水平，改进的潜力还较大。我们将进一步总结经验，继续开展研究工作。2　酶法改性　　草浆滤水性差、脆性大、强度低，抄纸时粘网粘辊易断头，等等。因此，全麦草浆只能用来生产低档纸，生产中高档纸必须配用部分木浆或全部采用木浆。草浆存在的上述问题除与杂细胞含量高有关外，与浆中半纤维素含量较高也有直接关系。半纤维素是一类聚合度较低、分子带有支链、易水化润胀的聚糖。因此通过半纤维素酶的改性作用可望在一定程度上克服草浆的某些缺陷。此外，草浆具有难打浆（即细胞壁难以细纤维化）的特点，而纤维素酶具有酶法打浆的作用，并可改善纸浆的滤水性，这在用其处理二次纤维时已被表现出来[8]。　　我们是最早对草浆酶法改性开展研究工作的[9、10]，并获得了一项国家发明专利[11]。2.1　试验用酶　　试验所用的几种酶为：An—76、A—10、C—30、L—22、S—28、G6—2和A—30等。上述几种酶既有真菌酶，也有细菌酶。除G6—2为无纤维素酶活的木聚糖酶外，其它几种粗酶中既含木聚糖酶也含纤维素酶。有关小试情况参见《中国造纸》1997年第6期[9]等已发表的文章，这里不再赘述。2.2　工业试验　　在几家造纸厂进行了工业化试验。实验方案有两种：一是在贝尔曼漂白机中进行，当纸浆漂至规定白度后加脱氯剂（为节省时间中间不洗涤），然后加酶，至规定时间后洗涤；二是将酶作为一种添加剂在调浆时加入，这一方案试验方便，不影响正常生产，因此试验中用的较多。试验用酶一种是An—76真菌酶，除木聚糖酶外还含少量纤维素酶。另一种是G6—2细菌酶，属无纤维酶活的木聚糖酶。2.3　试验结果　　在不同厂家，不同生产线和不同的纸种进行了试验，试验取得了如下结果：2.3.1　增 强　　裂断长平均增加300～500m，耐破度、耐折度和脆性也有所改善。酶增强的机理可能是木聚糖酶破坏了纤维表面吸附的部分木聚糖和纤维素酶对纤维的酶法打浆作用，从而增加了纤维间的结合力。2.3.2　改善浆料的滤水性　　主要表现在出压榨湿纸页水分降低（一般降低3%左右）和网部水线前移。因此，可减少干燥部蒸汽消耗，并可望提高车速。2.3.3　提高了填料留着率　　据测定，加酶后填料留着率提高5%～10%，白水浓度降低。机理尚不清楚。　　此外，若酶处理后的浆料进行洗涤，则纸页白度提高2%～3%ISO。　　生产试验已显示出草浆酶法改性的工业化潜力。3　结 语　　诺贝尔奖获得者、著名化学家罗伯特·科尔曾经说过：20世纪是物理学和化学的世纪，而21世纪则是生物学的世纪。作为传统产业的造纸工业，如何利用生物技术和其他高新技术对其进行改造，这是一项意义深远的也是永无止境的课题。　　就草浆的生物漂白与酶法改性而言，通过工业化试验已证明它不是什么可望而不可即的玄奥的东西，其工业化前景已经显露出来，尽管尚存在一些需要我们进一步解决的问题。