酶制剂在造纸工业中的应用  前言  纸浆造纸工业是环境污染最严重的行业之一。我国目前草类
  前言  纸浆造纸工业是环境污染最严重的行业之一。我国目前草类制浆尚待完善地方很多：①原料利用率低，污染物排放多；②制成的草浆滤水性和强度等性能较差，限制了其用量和用途；③秸杆中含有较大量的硅和其他杂质，影响了国外通行的碱回收工艺顺利施行，成为我国环境污染的主要难题。因此，深入开展制浆造纸的生物技术研究，开发生物制浆、生物漂白、酶法草浆改性、废纸酶法脱墨等相关的生物技术，特别是制浆造纸工业用酶制剂，将给我国造纸工业带来革命性的影响。一、辅助制浆1.木质素酶法辅助制浆木质素酶法辅助制浆是利用木质素酶（包括木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶）选择性地分解植物纤维原料中的木质素。    与白腐菌生物制浆法相比，木质素酶法具有反应时间短、反应条
    与白腐菌生物制浆法相比，木质素酶法具有反应时间短、反应条件温和等优点。在化学制浆以前，进行木质素酶预处理，可以在化学药品用量不变的情况下，降低纸浆的硬度；或在相同的硬度下，降低化学药品的用量和能源的消耗。2.果胶酶用于韧皮纤维制浆    酶制剂可用于亚麻和大麻制浆，其中果胶酶沤麻作用很好，木聚糖酶也是1种效果较好的酶。酶法辅助麻类制浆是1种很有前途的纤维离解技术。南京生化制药研究所用碱性果胶酶处理经0.1% NaOH预处理过的三桠皮和构皮，发现纸浆木质素含量降至5%以下，除去了大部分果胶，纤维分散，所得纸浆白度都很高。3.纤维素酶法预处理硫酸盐浆   已有研究表明，常规硫酸盐蒸煮在加入药液以前，采用纤维素酶真空预浸渍木片24h后，能够有效降低所得浆的卡伯值。二、改善纸浆性能纤维素酶和半纤维素酶处理纸浆，能够改善纸浆性能，包括降低机械浆磨浆能耗、提高化学浆的打浆性能和改善纸浆纤维性质（如滤水性能）。氧化酶类也被用于改进高得率磨浆效果研究。有报道指出，采用锰过氧化物酶处理杨木碱性过氧化氢机械浆，可降低25%磨浆能耗；用漆酶处理高卡伯值硫酸盐浆能够提高纸页的松厚度，但会明显降低纸浆的磨浆性能；在机械制浆第一段磨浆之前用蛋白酶或漆酶处理1～2h，可节约能耗5%～10%。三、改善纤维成纸性能1.纤维素酶和半纤维素酶酶处理不但能够改善纸浆的磨浆性能和滤水性能，还可以改进其成纸的物理性能。在给定密度下，用纤维素酶处理硫酸盐浆能够提高成纸的抗张指数，还能提高薄页纸柔软性。另外，酶处理可改善纤维的柔韧性，有助于提高纤维表面和整体柔性。用纤维素酶、半纤维素酶处理纸浆，还可改善纤维压缩性，使纸页微孔性下降，密度和透明度提高。2.木质素酶 漆酶处理机械浆能够激活纸浆中的木质素，有助于提高纤维的结合强度和中等定量纸板纤维的结合性能。漆酶处理的机械浆抄造纸页经超级压光后能保持优良的抗张强度，并获得较好的平滑度。麦草化学热磨机械浆用锰过氧化物酶处理后，成纸强度也可得到提高。四、树木剥皮果胶酶是1种重要的树木剥皮用酶，可以改进剥皮效果，同时降低能耗和原料损失。半纤维素酶的剥皮效果也较好。Rotto等研究发现，通过果胶酶预处理可以降低剥皮能耗高达80%。酶法剥皮的最大障碍是酶难以渗透到原木中的形成层，从而抑制了酶法剥皮的工业应用。五、抑制纸浆返黄酶法处理选择性地去除纸浆中的木聚糖，能够减轻纸浆返黄程度。山东大学卢雪梅等用20种木材腐朽菌胞外酶液（主要为木质素酶）处理CMP、CTMP和TMP浆。研究表明，PC-25、PC-14、C.Ver和C.Ver-1都能抑制CMP纸浆返黄；PC-14胞外酶能同时提高CMP纸浆白度和强度。他们认为，抑制纸浆返黄和提高纸浆白度有关酶的种类和作用机理不同，应该寻找1种既能抑制纸浆返黄又有提高纸浆白度的微生物。六、抑制导管脱落近年来，用于制浆纤维原料的热带阔叶木如桉木等得到了飞速的发展。这种树种周期短，所得纸浆应用范围广，但其导管大而硬，正常的打浆过程很难使纤维细化，因此会给成纸性能带来不良影响，适印性能较差。Honshu Paper公司的一项专利指出，商品纤维素酶能够提高阔叶木导管的柔韧性，酶法处理能够使导管脱落程度降低80%，同时纸浆的滤水性、平滑度和抗张强度都得到了提高。    七、去除粘液造纸厂中通常采用杀菌剂来抑制粘液沉积的生成，但不易找到有效的杀菌剂，有些杀菌剂还可能产生不良影响。酶法去除粘液有望降低杀菌剂的用量。目前，研究者已定性分析出一些粘液的化学组成，并用果聚糖水解酶将粘液膜聚合物降解至水溶性低分子聚合物后加以清除。由于果聚糖水解酶不降解纤维素，不损害纸张的物理性能，一般加入在纸机流浆箱中，适宜温度为50℃，pH值为4～8，在生产中很容易操作。Dearborn等已开发出一项模仿生物膜形成和1种可定性分析生物膜组成的方法。八、制备酶解木质素如何从植物体中分离出在数量和结构上足以代表原本素的样品，是木质素研究领域最重要的问题之一。至今为止，人们在木质素研究中使用最多的是磨木木质素（MWL）和纤维素酶木质素（CEL）。与MWL相比，CEL的分离条件更温和，分离过程中引起的结构变化更少，所以CEL可以更好代表原本木质素。近年来制取CEL的研究已受到了人们的关注。九、去除碎浆碎浆是制浆过程中未被离解的少量纤维束，碎浆含量是漂白硫酸盐浆的一个重要质量标准。Tolan研究发现，复合酶法（包括多组分蛋白酶、一些聚木糖酶）处理能够提高后续漂白工段碎浆的去除效果，因此能够提高漂白效率，降低有效氯的用量。十、处理造纸废水中氯化有机物木质素酶在制浆造纸工业中的一个重要应用是减少废液污染和废液毒性。与一般方法相比，酶法处理造纸废液中有机氯化物具有催化效能高、反应条件温和、对反应条件和设备要求不苛刻等优点。所用的酶包括过氧化物酶、酚氧化酶、漆酶、木质素过氧化物酶等。十一、纸浆漂白芬兰率先将生物预漂白技术引入制浆造纸工业中，用木聚糖酶对纸浆进行预漂白，可以减少随后的化学漂白用氯量30%～40%，废液中有机氯化物与毒性物含量显著减少。用于生物预漂白的木聚糖酶已经经历了酸性酶、中性酶、碱性酶三代的发展，目前，对第三代木聚糖酶的研究与应用正进入高峰期，采用基因工程与蛋白质工程获得性质优良的耐热耐碱木聚糖酶已成为各实验室的研究热点，不久的将来重组酶会更有效地应用于漂白工艺中。目前，酶法助漂新工艺在欧洲和北美的30余家大型纸厂得到应用，成为生物技术在造纸工业应用最成功的一例。加拿大已有约10%的硫酸盐法纸浆厂采用了该新工艺。丹麦NOVO公司和美国山道斯化学公司等多家酶制剂厂商，纷纷推出了专门用于纸浆处理的木聚糖酶和纤维素酶新产品。美国农业部林产研究所联合威斯康星大学、明尼苏达大学等研究机构，开展了长期深入的研究工作。他们选出了一株能快速生长并选择性从木材中除去木质素的白腐菌，并已完成了50t规模的试验。结果显示，该法不仅可以节省能耗38%，提高设备生产能力，而且可以减少树脂问题，明显改善成纸的强度性能。目前他们正在努力加快新技术的产业化，并力图将新技术的应用范围扩大到亚硫酸盐浆、硫酸盐浆、非木材浆中。近年来芬兰提出了1种用化学方法和酶法相结合的处理法，取得了较好的效果，其活性氯用量可减少30%。该法先用木聚糖酶切断木质素同纤维素之间的联系物（木聚糖和半纤维素），使木质素游离，再用碱蒸煮后，由纸浆游离出的木聚糖可再次吸附在纤维的表面，用木聚糖酶将其分解，可增加孔隙，提高氯素的浸透性，木质素更容易从纸浆内分离出来。已有人研究木聚糖酶处理草浆实验，并进行了5t绝干浆漂白生产性试验。在优化的条件下，酶处理浆的白度可提高4.8%，在同样漂到白度74%时，酶处理可节约用氯量31%左右，效果突出，但并没有明显改善漂白浆的返黄性能。根据漂白原理，木聚糖酶只起到助漂的作用，不能真正替代化学漂剂。因而，许多实验室都在努力研制非木聚糖酶的漂白用酶，涉及的酶类包括木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶和纤维二糖脱氢酶等，其中研究得最多的是漆酶，已经成为近年来关注的热点。十二、原木脱树脂造纸用的原木因含树脂，在打浆抄纸时，污染设备，影响生产，降低纸品质量，因此是制浆造纸过程中亟待克服的一大难题。研究发现，原木树脂成分中96%是油酸和亚油酸，使用脂肪酶处理就可除去。脂肪酶脱除原木树脂，可以提高纸品质量，减少树脂吸附剂用量，降低原木堆积成本，明显提高经济效益。    20世纪90年代，主要由丹麦NOVO公司生产原木脱树脂用脂肪
    20世纪90年代，主要由丹麦NOVO公司生产原木脱树脂用脂肪酶，在pH值6～10、40～60℃时作用良好，但由于造纸工艺中的水温在70～100℃，因此需要开发耐高温的脂肪酶。近来发现1种由真菌产生的脂肪酶，在80℃仍能保持活性。另外，利用碱性脂肪酶水解树脂中的三酸甘油酯，也能达到良好的效果。与未处理的纸浆相比，经酶处理过的纸浆树脂沉积大大减少，且不影响纸张的质量。我国急需开发出用于造纸工业脱树脂的具有自主知识产权的专用酶制剂，特别是耐高温和耐碱性的脂肪酶。（上接第A14页）十三、废纸回收利用中的脱墨油墨脱除是废纸回收利用的关键问题之一，与常规化学脱墨方法相比，酶法废纸脱墨技术是1种具有良好前景的生物技术，其优越性很多：可以提高油墨和胶粘物的去除率；提高废纸浆的白度和纸浆得率；减少废纸处理流程废水中的BOD和COD；大大降低脱墨和废水处理中的化学品用量。该技术对难以用常规浮选脱墨的混合办公废纸特别有效。1991年，韩国学者首次报道，应用纤维素酶及木聚糖酶可有效地将油墨从新闻废纸浆中脱除。此后，各国学者纷纷开展此项研究，并已在规模试验中取得成功。1997年斯托拉（Stoia）公司在丹麦与美国EDT公司合作进行了酶法脱墨工业生产试验。日本在脱墨时添加碱性纤维素酶和半纤维素酶，抄纸白度可提高4%～5%，强度并未降低。德国Darmstadt大学H.J.Putz研究认为，纤维素酶适于旧报纸脱墨，加入0.2%酶时，废水的COD含量降低一半。J.M.Jobbims和N.E.Franks利用表面活性剂和纤维素酶、半纤维素酶的混合物处理混合办公室废纸，不仅免除了常规化学脱墨对NaOH、Na2SiO3、H2O2、螯合剂和脂肪酸的需要，而且油墨去除率提高了14.6%，白度提高2%，灰分和不透明度降低，纸浆硬度基本相同。当前，获得廉价、高效的纤维素酶制剂是酶法废纸脱墨技术应用于工业生产的关键问题，尤其急需开发无外切活力的内切纤维素酶制剂，以适应对脱墨用酶活性高、作用快、不损伤二次纤维的主体等特殊要求。结束语造纸工业用酶制剂的研究热点主要有：①继续开展酶固定化技术的研究和应用，采取过滤或离心等简单方法将酶回收使用，降低酶制剂成本，同时提高处理效率。例如，将漆酶和辣根过氧化物酶与L-酪氨酸共聚形成有酶活性的水不溶性聚合物，将此聚合物固定于凝胶颗粒，能进一步提高酶处理对纸浆厂废水的脱色效率。②有机氯化物酶处理技术中尚有一些问题有待进一步解决，例如降低氧化酶成本；保持反应过程中酶的活性；增加专一酶对多种化合物和环境的耐受性；增加含多种有机氯化物的废水的酶处理范围；进一步提高有机氯化物酶处理利用率和效率，以降低酶处理成本。③开发出性能更专一、质量稳定的酶制剂，迅速占领国内外市场，是目前国内业界面临的最主要问题。虽然我国在纤维素酶用于脱墨和改性、脂肪酶用于树脂控制等方面进行了探索实验，取得了一定的成绩，但同国际先进水平相比，差距很大，首创性工作不多，本文中所述新技术还处于实验室研究阶段。因此需加大研究酶技术力度，争取早日在制浆造纸业实现清洁生产的大规模应用。（全文完）