纖維素酶/天冬氨酸體系改善混合辦公廢紙強度性能的研究

王金然 萬金泉，，* 趙汝和 閆志成 馬邕文

（1.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640；2.廣東省植物纖維高值化清潔利用工程技術研究中心，廣東廣州，510640；3.Tri-Y Environmental Research Institute，Vancouver，B.C.，Canada V5M 4P7）

辦公廢紙是造紙行業(yè)低成本、高質量纖維的重要來源，約占總廢紙原料的30%以上。這類廢紙由于木素含量低、纖維強度較好，可以用來抄造經濟價值較高的紙種。正是因為這類廢紙木素含量低，使得目前常用的纖維改性技術效果不佳，導致辦公廢紙纖維回用抄紙時存在纖維間結合能力差、成紙強度低、濾水性能不佳等缺點。此外，混合辦公廢紙難脫墨而導致紙漿得率低，大大降低辦公廢紙的回收率，降低了成紙產品的品質，限制了其使用范圍[1]。因此，為了使辦公廢紙能夠更好地被利用，有必要研究適用于辦公廢紙的改性技術。

纖維素酶是一種具有β,1-4 糖苷鍵的生物酶，其在制漿造紙工業(yè)中的應用研究一直都是熱點，利用纖維素酶改性再生纖維的研究也在不斷增加[2]。纖維素酶處理紙漿可以降低打漿能耗、改善漿料濾水性能、改善纖維柔韌性以及改善成紙的強度性能[3-4]。黃金峰等人[5]利用纖維素酶對廢紙箱纖維進行改性研究，發(fā)現(xiàn)在酶用量為0.05% 時，環(huán)壓指數(shù)與抗張指數(shù)最大，分別為7.4 N·m/g 和30.1 N·m/g，分別比未經酶處理的空白漿增加25.4% 和22.4%。隨著酶用量的增加，紙張強度先增加后下降，表明纖維素酶用量是影響成紙強度的重要因素[6]。張素風等人[7]利用纖維素酶對舊書刊紙進行脫墨處理，研究發(fā)現(xiàn)，當酶用量3%時，打漿度下降，紙漿濾水性能得到提高，手抄片抗張指數(shù)與耐破指數(shù)分別提高3.9%和5.6%。

單一生物酶改性廢紙漿效果有限，氨基酸作為一種具有氨基和羧基的有機化合物近年來在廢紙回用過程中嶄露頭角。萬金泉等人[8]采用漆酶/組氨酸系統(tǒng)對OCC 紙漿進行改性研究，與未處理樣相比，改性后纖維保水值提升40%，環(huán)壓指數(shù)、抗張指數(shù)和耐破指數(shù)分別增加14.9%、10.7%和16.4%。與不加組氨酸的處理樣相比均有一定程度的提升?？追矉傻热薣9]研究了改性漆酶/谷氨酸體系對舊瓦楞紙物理性能的影響。在改性漆酶/谷氨酸最佳反應條件下，與未改性相比，成紙環(huán)壓指數(shù)與抗張指數(shù)分別提高16%和20.7%。這表明生物酶與氨基酸聯(lián)用能夠更好地改性廢紙纖維，提升纖維品質。

對于低木素含量的辦公廢紙而言，漆酶-氨基酸體系對其作用效果不明顯，且漆酶不穩(wěn)定，通常需要進行改性來處理紙漿，步驟繁瑣，成本較高，對低木素含量廢紙實用性不高。天冬氨酸含有兩個羧基，相較于組氨酸等可以引入更多的羧基從而更容易促進纖維吸水潤脹。另外組氨酸、谷氨酸價格較貴，天冬氨酸價格低廉且具有良好的分散特性，并可以很好地提高纖維的連接力，與纖維素酶具有高度協(xié)同作用，在活化的纖維表面可以引入較多羧基，增強纖維之間結合力從而提升成紙強度。

本研究采用纖維素酶/天冬氨酸處理辦公廢紙漿，運用響應曲面法優(yōu)化酶處理工藝條件，探討纖維素酶用量、天冬氨酸用量、反應溫度和反應時間對處理后成紙強度性能的改善，分析纖維素酶/天冬氨酸體系對纖維保水值、羧基含量和結晶度的影響。

1 實 驗

1.1 實驗原料與藥品

混合辦公廢紙（MOW），華南理工大學輕工學院；纖維素酶（酶活15000 U/g），碳酸氫鈉、氯化鈉，均為分析純，廣州市從原科技有限公司；天冬氨酸，南京信捷匯生物科技有限公司；磷酸氫二鈉、檸檬酸，均為分析純，鹽酸（質量分數(shù)36%），國藥集團化學有限公司。

1.2 設備和儀器

碎漿機（N-100V/T，中國）；數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-4，中國）；恒速電動攪拌機（JB90-SH，中國）；臺式低速離心機（TD-5Z，中國）；手動抄紙系統(tǒng)成型器（MESSMER 255，美國）；抗張強度儀（L&W CE062，瑞典）；耐破度儀（L&W CE180，瑞典）；傅里葉變換紅外光譜儀（Bruker Vector 33，德國）；頂空氣相色譜儀（Agilent7890，美國）。

1.3 實驗方法

1.3.1 混合辦公廢紙的處理

將MOW 用手撕成合適尺寸的小片，室溫下將其浸泡在水中24 h，將泡好的廢紙加水配成10%的漿濃，在50°C、300 r/min的碎漿機中碎漿25 min。碎漿完成后用漿袋過濾收集漿料備用。

1.3.2 纖維素酶/天冬氨酸處理MOW漿

稱取30 g 絕干漿加水配成8%的漿濃，用磷酸氫二鈉-檸檬酸（Na2HPO4/C6H8O7）緩沖溶液調節(jié)pH 值為7，啟動攪拌機（300 r/min）攪拌，同時添加纖維素酶和天冬氨酸開始改性，反應結束后在沸水浴中滅活5 min。利用Design Expert 設計4 因素3 水平實驗確定纖維素酶用量、天冬氨酸用量、反應時間和反應溫度的最佳組合水平（共有27組實驗）?？瞻讟又苯硬捎盟榻夂蟮臐{料。

1.4 抄紙及性能檢測

利用手動抄紙系統(tǒng)成型器抄造定量60 g/m2的手抄片，然后在105°C 下干燥10 min。將手抄片在恒溫恒濕實驗室（溫度（23±1）°C、相對濕度(50±2)%）放置12 h 后，分別按照國家標準GB/T 12914－2008、GB/T 454－2002測定紙張的抗張強度和耐破度。

1.5 纖維保水值的測定

纖維保水值（WRV）采用離心法測定，稱取絕干質量1.5 g 的漿料在3000 r/min 下離心處理15 min。稱量離心后漿料的濕質量m1和干燥后的絕干質量m2，兩者之差與絕干質量的比值即為WRV，按式(1)計算。

1.6 傅里葉紅外光譜（FT-IR）分析

采用紅外光譜儀在400～4000 cm-1波數(shù)范圍內測定紙漿纖維的結晶結構。波數(shù)1372 cm-1和2900 cm-1處的強度比值即為纖維的結晶度指數(shù)，計算見式(2)。

1.7 羧基含量的測定

采用頂空氣相色譜儀進行羧基含量的測定。測定前，將MOW 漿在室溫下用0.1 mol/L 的鹽酸處理1 h，以使纖維中的羧酸鹽轉化成羧酸形式。具體操作條件及校正實驗參照參考文獻[10-11]中的方法進行。操作條件為:平衡溫度60°C，平衡時間20 min，色譜柱溫度45°C，檢測時間4 min。羧基含量按式(3)計算。

式中，f 為校正系數(shù)，由校正實驗測得；m 為絕干漿質量；AT為色譜儀測得的CO2信號峰面積；Aair為頂空瓶的CO2信號峰面積。

2 結果與討論

2.1 回歸模型分析

在單因素實驗基礎上，利用Design Expert 軟件對纖維素酶用量（10～20 U/g）、天冬氨酸用量（1%～3%）、溫度（40～60℃）、時間（50～70 min）和抗張指數(shù)構成的數(shù)據表進行多元回歸擬合[4]，從而得到抗張指數(shù)（Tensile index）對4 種因素的二次多項回歸模型，見式(4)。

式中，A、B、C、D 分別表示纖維素酶用量、天冬氨酸用量、反應溫度和反應時間。再對此模型進行方差分析，如表1所示。

由表1 可知，F(xiàn) 值（效應項與誤差項比值）為10.07，F(xiàn) 值越大表示處理效果越明顯。失擬性為0.0001＜0.05，表示模型顯著；且模型調整確定系數(shù)為0.9031，表示模型擬合程度好，能夠解釋90%以上的響應值。因此，用此模型可以對纖維素酶/天冬氨酸體系處理MOW的強度性能進行分析。

表1 回歸模型方差分析表

2.2 纖維素酶與天冬氨酸交互作用的影響

圖1 纖維素酶與天冬氨酸交互作用對紙張抗張強度影響的響應曲面圖

2.3 天冬氨酸與反應溫度和反應時間交互作用的影響

圖2 天冬氨酸與反應溫度和反應時間交互作用對紙張抗張強度影響的響應曲面圖

圖2 為天冬氨酸與反應溫度和反應時間交互作用對紙張抗張強度的響應曲面圖。由圖2可知，在纖維素酶用量與反應溫度和反應時間（14.74 U/g、49°C、56 min）一定的情況下，加入天冬氨酸可以增加紙張的抗張強度，這是因為天冬氨酸的加入可以增加纖維中羧基含量，羧基的增加可以提高廢紙纖維的潤脹性能，提升纖維之間的結合能力，因此改善了紙張強度性能[12]。當天冬氨酸用量為2.19%時，再繼續(xù)添加天冬氨酸，對紙張抗張強度提升不明顯且有下降趨勢，可能是由于羧基含量增加過多會導致纖維表面負電荷增加，使纖維之間結合力下降而造成抗張強度下降，表明2.19%為天冬氨酸最佳用量。

2.4 纖維素酶與反應溫度和反應時間交互作用的影響

氨酸有同樣規(guī)律，故可得出纖維素酶/天冬氨酸系統(tǒng)處理MOW 的適宜反應溫度和反應時間分別為49℃和56 min。

2.5 最優(yōu)處理條件

本次酶改性共設置有27 組實驗，通過實驗數(shù)據分析及Design Expert 軟件給出的結果得出纖維素酶/天冬氨酸處理MOW 的最優(yōu)工藝條件為:纖維素酶用量14.74 U/g、天冬氨酸用量2.19%、反應溫度49℃、反應時間56 min。在最優(yōu)條件下的處理樣與未處理的空白樣的紙張性能對比如表2所示。

由表2 可知，與空白樣相比，纖維素酶和天冬氨酸單獨處理MOW 均可以提高紙張強度性能，但提高幅度不大。將纖維素酶與天冬氨酸協(xié)同處理MOW，在最優(yōu)處理條件下，紙張的抗張指數(shù)與耐破指數(shù)分別較空白樣提高16.05%和14.39%，效果明顯好于二者單獨處理樣，這表明纖維素酶與天冬氨酸具有協(xié)同效應。

表2 最優(yōu)條件處理樣與空白樣的紙張性能對比

圖3 纖維素酶與反應溫度和反應時間交互作用對抗張強度影響的響應曲面圖

2.6 纖維保水值的分析

纖維細胞壁上存在大量的細胞壁孔，纖維在回用過程中，由于干燥會使細胞壁孔發(fā)生塌陷進而造成孔的不可逆關閉，使得水分子不能很好地與纖維接觸使其潤脹，造成纖維的保水值下降。保水值是表征纖維潤脹能力的重要屬性，它可以直接反應纖維的潤脹性能并且能夠促進纖維之間結合力的提升，對紙張強度性能具有重要影響。不同處理條件下的纖維保水值如圖4所示。

圖4 不同處理條件下的纖維保水值

由圖4 可知，與空白樣相比，纖維素酶和天冬氨酸處理樣的纖維保水值均有提高，且最優(yōu)條件處理樣的纖維保水值具有最大值（150%），比空白樣提高了36 個百分點。這是因為在纖維素酶作用下，纖維素晶體結構部分斷裂，增加了纖維的細纖維化，而天冬氨酸又在纖維表面引入羧基，增加了廢紙漿的羧基含量，使得纖維的潤脹性能得到提升，表現(xiàn)為纖維保水值增加。纖維的潤脹又使得纖維細纖維化程度進一步提高，從而增加纖維的比表面積并促進纖維間氫鍵的結合，因此有助于成紙強度性能的提升。這也充分證明纖維素酶與天冬氨酸協(xié)同處理可以更好地提升紙張的強度性能。

2.7 紙漿改性前后的結晶度分析

廢紙在回用過程中由于纖維間大的鍵力作用會在細胞壁中形成一個更大的結晶區(qū)，使得纖維結晶度增大，從而纖維潤脹性能下降，纖維變脆，成紙強度下降。圖5 為不同處理條件下紙漿的FT-IR 圖；表3 為不同處理條件下紙漿纖維的結晶度指數(shù)。

圖5 不同處理條件下紙漿的FT-IR圖

表3 不同處理條件下紙漿纖維的結晶度指數(shù)

由圖5 可以看出，與未處理的空白樣相比，3 種處理后的漿樣FT-IR 圖形并無明顯差異，但峰的強度不同。天冬氨酸處理樣和最優(yōu)條件處理樣均在1744 cm-1出現(xiàn)－COOH 特征峰，表明天冬氨酸接枝到纖維上，增加了纖維羧基含量。由表3可知，與空白樣相比，纖維素酶與天冬氨酸單獨處理樣的纖維結晶度指數(shù)分別下降20.65%和12.26%，而最優(yōu)條件處理樣的纖維結晶度指數(shù)最低，比空白樣下降37.58%。這表明纖維素酶與天冬氨酸處理均能顯著改善纖維的結晶結構，且在最優(yōu)條件下的兩者協(xié)同處理，對纖維的結晶結構有較好的改善，從而更好地提升纖維性能。

2.8 紙漿改性前后羧基含量分析

羧基是紙漿中重要的陰離子基團，羧基含量的增加有助于提升纖維的潤脹性能從而使纖維結合面積增加，有助于提升纖維的成紙強度[13]。不同處理條件下的纖維羧基含量如圖6所示。

由圖6 可知，與空白樣相比，天冬氨酸和纖維素酶單獨處理樣的羧基含量分別增加11.57% 和17.00%，而在纖維素酶協(xié)同天冬氨酸處理下，即最優(yōu)條件處理樣的纖維羧基含量增加32.84%。這表明在纖維素酶作用下，纖維中出現(xiàn)更多活性位點，使得天冬氨酸在纖維上引入更多羧基，從而使纖維潤脹性能增加明顯，有助于紙張強度的提升。

圖6 不同處理條件下的纖維羧基含量

3 結 論

本研究采用纖維素酶/天冬氨酸處理混合辦公廢紙（MOW），運用響應曲面法優(yōu)化工藝條件，探討纖維素酶/天冬氨酸體系處理后紙張的強度性能。

3.1 纖維素酶/天冬氨酸體系處理MOW 的優(yōu)化工藝條件為:纖維素酶用量14.74 U/g，天冬氨酸用量2.19%（相對絕干漿），反應溫度49°C，反應時間56 min。

3.2 與空白樣相比，MOW 在纖維素酶/天冬氨酸體系最優(yōu)條件下處理后，纖維保水值提高36 個百分點，纖維結晶度下降37.58%，羧基含量提高32.84%；紙張抗張指數(shù)提高16.05%，耐破指數(shù)提高14.39%。

3.3 纖維素酶/天冬氨酸體系處理MOW 比纖維素酶和天冬氨酸單獨處理對紙張強度性能提升的幅度更高，這表明纖維素酶與天冬氨酸具有協(xié)同效應。