木聚糖酶处理改善废纸浆强度性能的研究

Green Papermaking, Qilu University of Technology, Jinan 250353, China; 3. Jiangsu Provincial Key Laboratory of Pulp and

Paper Science and Technology, Nanj泊g Forestry University, Nanjing 210037, China)木聚糖酶处理改善废纸浆强度性能的研究O刘姗姗门\"贺会利2张强2张辉3 丁明其'廖昌吕'程正柏'(1.浙江景兴纸业股份有限公司，浙江平湖314214； 2.齐鲁工业大学生物基材料与绿色造纸国家重点实验室，山东省林产化工重点实验室，济南250353； 3.南京林业大学江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，南京210037)分别比初始浆料提高17.84%、27.78%和17.67%。对酶处理前 后的微观结构进行了分析表征(SEM、FTIR、X-RD),发现酶

处理后纤维表面细纤维化和孔洞化程度加强、纤维的屋基含 量增加、纤维结晶结构未发生显著变化。关键词：废纸浆；木聚糖酶；强度性能Abstract: XTaking recycled pulp as raw materials, the effects

of temperature, time, pulp concentration and enzyme dosage in xylanase treatment on pulp fiber and paper strength performance

were discussed in this paper. The results show that the better

conditions for xylanase treatment are: temperature 70口，time 1.5h,

slurry concentration 10%, and enzyme dosage 75mg/l. Under

these conditions, the pulp's tensile index is reached to 2.18 kPa m2/

g, folding resistance 23 times, and ring crush index 10.32n m/g,

刘姗姗女士博士.副教授；研究方向：制浆造纸绿色化学技术与生物 质资源高值化利用。increased by 17.84%, 27.78% and 17.67% respectively compared

with untreated pulp. The microstructure before and after enzyme treatment was analyzed and characterized with SEM, FTIR, X-rd,

and it's found that the fiber surface is strengthened in fibrillation and porosity, the hydroxyl content in fiber is increased, and the

fiber crystallization structure does not change significantly after

摘 要：以废纸浆为原料，探讨了木聚糖酶处理温度、时间、

enzyme treatment.浆浓和酶用量对纸浆纤维及成纸强度性能的影响。结果表 明，木聚糖酶处理的较佳工艺条件为：温度70T、时间l.5h、浆 浓10%、酶用量75mg/l。在此条件下废纸浆的强度性能为：耐

Key words: recycled pulp; xylanase; physical property中图分类号:TS743M4； TS74917； Q814.9文献标志码：A

破指&2.18kPa-m7g,耐折度23次.环压强度指数10.32N・m/g,

文章编号：1007-9211(2019)06-0031-05□基金项目：中国博士后科学基金(2018M632312)、国家自然科学基金(31500490, 31670584)资助。Chinn Pulp & Paper IndustryMar., 2019 Vol.40, No.6研究开发R & D近年来，随着国民经济的快速发展以及居民生活 水平的日益提高，人们对包装材料的需求量显著增加。 箱纸板作为包装材料的重要组成部分，具有轻便、牢 固、便于装卸和运输等特点，广泛用于各类中高档商品

的包装中叫同时，由于造纸纤维具有易回收和易降解 的特点，可以达到节约资源和改善环境的目的，符合我 国倡导的可持续发展战略叫然而，废纸浆纤维经过多次重复回收利用后，纤维 品质逐渐降低。与一次纤维相比，废纸浆纤维的强度显

著降低，这主要源于纤维长度受到损伤、细小纤维含量

较多、纤维角质化程度加重、纤维间结合力降低，这些 缺点均导致了纤维成纸强度的降低⑶。此外，废纸浆纤

维表面油墨粒子和填料的使用也会在一定程度上阻碍 氢键结合，导致纸张强度下降⑷。因此，改善废纸浆纤

维的成纸强度是提高箱纸板质量和应用价值的基础。目前，改善纸浆成纸强度的方法主要包括物理法、 化学法和生物法帧。其中，物理法是通过机械打浆实现 纤维的分丝帚化和细纤维化，从而改善纤维间的结合

力，实现纸张强度的增加叫化学法是通过在纸浆中添

加如阳离子淀粉、阳离子聚丙烯酰胺等增强剂来强化 纤维间的结合力⑺買生物法是通过微生物或酶在纤维 上的刻蚀作用，达到修饰纤维表面结构，增加纤维间结

合力的目的\"役比较而言，生物法处理具有设备投资 小、生产兼容性好和环境污染低等优势，因此受到生产

者和消费者的青睐［11~131„例如：Beg等人选用木聚糖酶

处理楼木硫酸盐浆时发现纤维润胀程度显著增加，且 细胞壁上形成了大量孔洞，从而改善了纤维素和木素的

可及度网。杨桂花等在混合速生杨P-RC APMP磨浆 前进行木聚糖酶预处理，在降低磨浆能耗的同时，可实 现纸浆的白度提高1.7%~1.9%ISO,裂断长提高2%〜

18%,撕裂指数提高8%~11%,耐破度提高3%~27%,耐

折度提高50%冋。因此，本研究采用木聚糖酶对废纸浆进行处理， 通过比较酶处理前后纸浆成纸物理强度的变化情况来

评价木聚糖酶的处理效果，并采用微观结构表征等手 段揭示酶处理前后物料的结构特性。本研究结果可为

改善废纸浆强度性能提供理论指导和技术支持。32 |I档叭*第40卷第6期2019年3月1材料与方法1.1原料、仪器和试剂实验选用的废纸浆料由浙江景兴纸业有限公司提 供，取自其牛皮箱纸板生产线。酶处理过程在电热恒温水浴锅（HH-21-4,常州

诺基仪器有限公司）中进行。木聚糖酶（BLX-14168）由巴克曼公司提供。其他 试剂均购自化学品公司。1.2实验方法1.2.1 酶处理过程取废纸浆30g （绝干浆计）放入聚乙烯密封袋中，

用去离子水稀释后放入恒温水浴锅中预热至设定温度， 然后加入木聚糖酶。处理过程中每15min搓揉一次以保

证纤维与酶混合均匀。处理结束后用去离子水洗涤、收 集浆料，储存在自封袋中，测定水分，备用。1.2.2 纸张抄造准确称取3.14g （定量为100g/m2）浆料并稀释 后在纤维解离机中解离5000r,然后采用凯赛法抄片器

（RK-3A,奥地利）进行抄纸，在95C的温度下烘干

5min0将烘干后的纸张置于恒温恒湿环境中平衡24h,

备用。1.3实验检测1.3.1 纸张强度性能检测耐破度采用耐破度仪（BSM-1600B,杭州轻通 博科自动化技术有限公司）按照GB/T 454-2002进

行测试，耐折度采用电子式纸张耐折度测定仪（ZZD-

025C,长春市纸张试验机厂）按照GB/T 457-2008

进行测试，环压强度采用环压强度测定仪（100-

230VAC,荷兰The TMI Group of Companies Buchel B.V.）按照GB/T 2679.8-1995进行测试。1.3.2 SEM形貌观察将纤维均匀分散开、烘干，取少量纤维放在导 电胶带上进行喷金，然后采用环境扫描电子显微镜

（Regulus8220,日本）观察纤维交织情况和表面形态

变化并进行拍照。扫描时加速电压为5.0kVo1.3.3 FTIR光谱分析选取平整的浆料采用傅立叶变换红外光谱（IR Prestige-21,日本岛津公司）进行测试，分辨率为

4cm 扫描速度32次/s,测量范围4000~500cm 'o

1.3.4 X-RD 分析选取平整的浆料放在载玻片上采用X射线衍射

仪（D8—DVANCE,德国布鲁克公司）测定纤维素的 结晶度。采用自动单色器滤波，A=15.4xio 2nm，管

压40kV；扫描范围20： 10° ~40° ；步进扫描，步宽： 0.1° ；测试时间3s。2结果与讨论2.1木聚糖酶处理条件对浆料成纸强度性能的影响 2.1.1 温度温度是酶处理过程的重要参数，酶在适宜温度下 表现出较强的酶活性能和酶解效率。因此，基于木聚

糖酶的适宜温度进行扩展，固定酶用量500mg/l.处 92

(20&8 afi u'18l16MN.&)

4

、锻120卑06 艺改

7.6

图1木聚糖酶处理温度对浆料成纸强度性能的影响11

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(81OC0、M 咅2.3$2. 2.9‘ 32.2

订8

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卑1订7耐破指数

摧8‘

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坏压指数 14耐折度

7

‘2

0 1

2 3 4 5 6酚处理时间/h图2木聚糖酶处理时间对浆料成纸强度性能的影响R & D研究开发理时间2h、浆浓5%,测试了在50-80'C下废纸浆成纸

强度的变化规律。结果如图1所示，随酶处理温度的升 高，耐破指数、耐折度和环压指数均呈现先升高后降低 的趋势，在70C时三个强度指标均达到较优值，分别为

2.13kPa-m7g. 20次和8.9N・m/g。可知，在70C时该

木聚糖酶的活性较强，处理效果较好，因此确定70C为

较佳温度。2.1.2 时间时间是酶处理过程的另一重要参数，适宜的处理 时间不仅能够提高生产效率，还能降低生产成本，从而

实现节能增效的目的。因此，固定酶用量500mg/l.温 度70C、浆浓5%,处理时间范围为0.5~6h。结果如图

2所示，随着处理时间的延长，成纸强度指标呈现先快

速增加然后保持稳定的规律,I.5h处是两个变化阶段

的转折点。在处理时间0.5-1.5h之间时，各种强度指

标增加幅度较大，与处理0.5h时纸张的强度性能相比，3

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图3木聚糖酶处理浆浓对浆料成纸强度性能的影响243

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100

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400 500酶用量/ppm图4木聚糖酶用量对浆料成纸强度性能的影响China Pulp & Paper IndustryMar, 2019 Vol.40. No.6研究开发R & D处理1.5h时耐破指数、环压指数和耐折度分别提高了

示，随着酶用量的增加，耐破指数、环压指数和耐折度

8.03%, 28.85%和21.05%。继续延长酶处理时间，三种

强度指标变化均不明显。基于强度提升速度和生产效

均呈现先逐渐升高，然后趋于稳定的趋势。其中，酶用

量75mg/l为转折点，因此选定该用量为较佳酶用量。率，选择1.5h为较佳处理时间。2.2较优酶处理工艺的再现性对单因素优化得到木聚糖酶处理工艺条件进行再

2.1.3 浆浓浆浓大小与生产过程中的水耗量和酶的分散吸附

现性测试，对比处理前后废纸浆强度性能的变化情况。 结果如表1所示，经过木聚糖酶处理后，废纸浆成纸的 强度性能均得到一定程度的改善，其中耐折度增幅最

效果有直接关系。本部分固定酶用量500mg/l,温度

70C、处理时间1.5h,变化浆浓范围为5%~20%。结果

如图3所示，随着浆浓的逐渐升高，耐破指数、环压指数

大，达到27.78%,耐破指数和环压指数增幅均为17%左 右。和耐折度均呈现先逐渐升高后逐渐降低的趋势。三种强 度指标均在浆浓10%时达到最大值，分别为2.21kPa-

2.3 SEM形貌观察图5和图6分别为木聚糖酶处理前后废纸浆纤维的

m2/g, 8.31N-m/g和23次。因此，从生产成本和工艺操

作考虑，选择10%为较佳浆浓。扫描电镜图。从图中可以看出，对照样纤维表面结构较 为完整，纤维结合紧密。经过酶处理的废纸浆纤维表2.1.4 酶用量木聚糖酶的用量直接关系到生产过程中增加的

酶的成本，本部分固定温度70°C、处理时间1.5h、浆浓

10%,酶用量变化范围为25~500mg/lo结果如图4所表1木聚糖酶处理后浆料成纸的强度性能指标对照样1.85处理样2.18增长率/%17.84耐破指数/(kPa-m2/g)耐折度/次188.772310.3227.78环压指数/(N-m/g)度。17.67注:增长率=(A,-Ao) /A。,其中仏指对照样的强度，出指处理样的强

图6处理样SEM图波数/cm |图7木聚糖酶处理前后废纸浆的红外图谱34 |彳华2|第40卷第6期2019年3月图8木聚糖酶处理前后废纸浆的X-RD图谱面有较多凹陷，出现分丝帚化现象，纤维表面出现许多

碎片，这主要是由木聚糖酶降解溶出半纤维素组分所 致。纤维细纤维化程度的提升有助于纤维间结合力的增

加。2.4 FTIR谱图分析图7为木聚糖酶处理前后废纸浆的红外图谱。从图

中可以看出，木聚糖酶处理后浆料纤维的红外光谱图 在3340~3350cmT处-0H吸收带、-OH伸缩振动处的 吸收增强，在1112~1113cm '处-OH吸收带的吸收也有

所增强，表明经过木聚糖酶处理的纸浆纤维中径基显 著增加。在1420cm_\\ 1510CH1-1和1600* 处苯环骨架

伸缩振动吸收峰的变化不大，说明木聚糖酶处理并没有 改变木素的基本结构。2.5 X—RD 分析图8为木聚糖酶处理前后废纸浆的X-RD图谱， 从图中可以看出，200结晶面的20值均为22.5° ,无定

型区的28值均为18° 0 Segal结晶度分别为62.98%和

61.04%,表明木聚糖酶处理未引起纤维结晶结构的显

著变化。3结论3.1木聚糖酶处理可有效提高废纸浆的成纸强度。较

佳的处理工艺为：温度70时间1.5h、浆浓10%、酶用

量75mg/l0此条件下处理得到的废纸浆强度分别比初 始浆料提高 17.84%、27.78%和 17.67%。3.2微观分析表明，经木聚糖酶处理后纤维表面细纤

维化和结合位点增加，纤维的轻基含量增加。这有利于

■ R&D研究开发纤维间结合力的增强，但酶处理过程并未导致纤维的结

晶结构变化。因参考文献[1]吴江楠.从包装纸板发展过程看进口废纸的作用[J].中华纸业，

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南理工大学,2009.[收稿日期：2018-10-26]China Pulp & Paper Industry 35Mar., 2019 Vol.40,No,6