CN104178474B - 用于改变和改善纤维性质的纤维氧化酶组合物及造纸方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于改变和改善纤维性质的纤维氧化酶组合物及造纸方法和应用，所述组合物包括以下组成：对纤维具有氧化功能的生物酶组分，所述生物酶组分为通过氧化还原反应来改变纤维表面性质的纤维氧化酶；和对纤维氧化酶具有增加催化活性的辅助组分，所述辅助组分为纤维氧化酶的反应产物的清除剂；所述生物酶组分和辅助组分的重量比例为1:0.1‑50。所述组合物处理纸浆时，不但纸张的强度性质显著增强，而且改善纸浆的滤水性能。

Description

用于改变和改善纤维性质的纤维氧化酶组合物及造纸方法和 应用
技术领域
本发明涉及生物酶和使用生物酶改善纤维物理化学性质的技术领域，具体地，涉及一种用纤维氧化酶改变和改善纤维表面性质的组合物及造纸方法和应用。
背景技术
中国造纸工业在2000-2010年间连续10年保持高增长率，到2011年我国纸及纸板的生产量和消费量均超过1亿吨，均居世界第一位。纸或纸板的组成原料主要是纤维，由于制浆、造纸需要大量的原料，而且对环境有一定的影响，目前世界各国造纸行业都在压缩制浆生产，以保证森林资源，加上国内原料林基地建设迟缓，供材有限，而非木浆发展受到清洁生产新技术开发滞后的影响，中国造纸工业发展面临的资源、能源和环境的约束日益突显。
目前，中国造纸企业近80％的生产原料为非木纤维的原料，其中约70％为回收纤维和10％为草浆、芦苇浆和甘蔗渣浆等。这些原料的纤维本身很多性能远比木纤维差，而且其表面活性低，纤维之间的结合力差，由此带来很多生产和产品质量问题。
例如，为使产品的物理指标满足要求，造纸企业目前采用的办法是：
(1)增加产品的定量，增加纸张密度；此方法的缺点是增加生产成本，浪费资源；
(2)增加磨浆，提高纤维表面分丝帚化，提高纸张强度；此方法的缺点是能耗高，降低制浆的游离度，降低纤维得率和增加烘干能耗；
(3)使用干强剂/湿强剂等化学品，例如使用阳离子淀粉、阴离子淀粉、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺、阴离子聚丙烯酰胺，以及低分子量阳离子聚合物等，来增加纸浆的脱水性能或强度，此方法的缺点是成本高，钝化纤维，对造纸水系统循环不利，增加COD排放；和
(4)提高木纤维浆料比例，此方法缺点是成本高，增加进口原料的依赖性。可见，这些方法有多方面的问题，制浆造纸工业目前迫切需要一种高效的方法来解决这些难题。
早在上世纪六十年代,人们开始研究使用生物酶来改变纸浆和改善造纸。1986年努等人报道了木聚糖酶对漂白化学浆的酶法打浆作用(Noe P.et al.,Action ofxylanases on chemical pulp fibers,J.Wood Chern.Techno.,6:167,1986)。近一二十年来，人们对生物技术在制浆造纸工业的应用进行了大量的研究，研究范围几乎涉及了制浆造纸工业的各个方面(Bajpai，Biotechnology for Pulp and Paper Processing，2012，Springer,ISBN 978-1-4614-1408-7)。美国专利US4,923,565，US5,110,412和US5,308,449提出使用纤维素酶或半纤维素酶提高造纸纸浆的脱水性。US5,725,732提出使用纤维素酶和半纤维素酶解决纤维的掉毛缺陷，US6,066,233建议用纤维素酶和果胶酶结合使用可通过纸浆的滤水性。美国专利US5,582,681提出用纤维素酶、半纤维素酶和脂肪水解酶等混合酶制剂提高卫生纸的柔韧性。此外用纤维素酶、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，密度提高，透明度提高。
造纸行业目前使用的所谓“纤维改性酶”都是利用纤维素水解酶，包括内切纤维素酶和外切纤维素酶，对纤维的(-1,4苷糖键(b-1,4-linked D-glucose units)进行水解反应，逐步降解(depolymerization)成为较小分子量的多糖。应用的结果显示，纤维素水解酶对于降低磨浆能耗和提高网部脱水有一定的效果。但是，基于纤维水解酶的“打浆酶”技术有几个极大弊病：
(a)纤维素水解酶对纤维的作用在造纸过程中具有不可控性和不可逆性，当纤维素的浓度或作用时间过长时，纤维素酶会首先溃解纤维细胞，对纤维表面的纤丝象剃胡须一样的剪除，甚至对纤维整体进行切断，致使纤维损伤，其结果导致纸产品“发脆”和强度指标(特别是撕裂度和耐破度等)大幅度下降，甚至导致纸浆作废，给企业造成经济损失。
(b)纤维素水解酶对纤维的(-1,4苷糖键进行水解反应，降低纤维的聚合度(degree of polymerization),最终产生葡聚糖和单糖，致使纤维溶解。当纤维素酶的用量过高或者停留时间过长时，纤维的降解率可高达1％，不仅造成纤维损失，降低纤维的综合利用率，而且大大增加白水中的COD含量，不利于节能减排。
(c)纤维素水解酶对底物“比较很挑剔”，只对较纯净的纤维素才有较显著作用，甚至只对某种纤维素有明显的作用。例如，现有纤维素酶大多数对漂白化学针叶浆有较显著的作用，而对漂白化学阔叶浆的作用较小。如果纤维含量木素，例如未漂针叶浆，受表面木素的影响，纤维素分解酶的作用很小。对含木素高的机械浆，纤维素水解酶就失去其作用。
为了避免常规纤维素酶对纤维过分剪切而降低纤维强度的缺陷，美国专利US6,294,366和US6,635,146公开了使用截短的纤维素酶(CBD-truncated cellulose)处理纸浆，截短的酶缺少纤维素结合结构域(CBD)，使用这样的纤维素酶处理纸浆，可以避免这样的纤维强度的损失。在相似的纺织工业应用中，US5,916,799公开了含有纤维二糖水解酶和内切葡聚糖酶的纤维素酶组合物，这两种酶己经进行了有限的蛋白水解，从而将酶的核心和纤维素结合结构域分开，发现得到的酶组合物降低返染。W096/23928公开了使用截短的纤维素酶处理含有纤维素的织物，发现能够减少染料的再沉积并增加磨损。
Shoseyov等(Chapter8：Modulation of Wood Fibers and Paper by Cellulose-Binding Domain,In Applications of Enzymes to Lign℃ellulosics；Edited byMansfield et al..ACS Symposium Series；American Chemical S℃iety:Washington,DC,2003，page116-132)发现，单独使用纤维素亲合结构域(cellulose-binding domain,CBD)蛋白能提高纸张的强度，而且聚合纤维结合蛋白(即由两个或更多的单体纤维结合蛋白组成的聚合分子，又称纤维键联蛋白)比单体纤维结合蛋白对纸张强度的提高更有效。Levy等(Cellulose,2002,9:91-98)报道，经过纤维结合蛋白质处理后的纸张的强度和纸面防湿性都大大地提高。Pala等(Chapter7：Cellulose-Binding Domain as a Tool forPaper Recycling,In Applications of Enzymes to Lign℃ellulosics；Edited byMansfield et al..ACS Symposium Series；American Chemical S℃iety:Washington,DC,2003，page105-115)报道，用CBD处理后的回收废纸的强度有显著增加。Kitaoka等(JWood Sci.,2001,47:322-324)描述了使用纤维素亲合结构域蛋白质和阴离子聚合物聚丙烯酰胺(CBD-APAM)合成新的聚合物，作为干强度或湿强度添加剂，比常规干强/湿度添加剂更有效。
中国专利“一种用于改变和改善纤维表面性质的组合物和造纸方法”(专利号：ZL201010566132.2)提出联合使用纤维素酶和纤维结合蛋白(CBP)和纤维素酶处理纤维纸浆，通过纤维结合蛋白选择吸附在纤维的非晶型区域表面，庇护该区域不受纤维素酶的作用，从而避免纤维素酶对纤维非晶型纤维的过度剪切。但是在实际应用中发现，由于纤维结合蛋白(CBP)吸附的可逆性，特别是当聚能酶TM产品在磨浆之前加入时，经过磨浆之后纸浆产生大量新生表面，这些新纤维表面将被暴露在纤维素酶的“攻击”之下，如果停留时间较长，纤维被过度剪切，导致纸产品的强度下降。
因此，制浆造纸工业迫切需要一种既能与纤维反应使纤维表面活化、又不会溃解纤维导致纤维强度下降的新型生物酶技术，而且这种生物酶能对不同纤维材料(包括木纤维、非木纤维和回收纤维)都具有显著活性的广谱性生物酶，这样的新型生物酶技术将对中国造纸工业的可持续性发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种用于改变和改善制浆造纸纤维材料性质的组合物和方法，通过使用该组合物处理纸浆原料，能显著提高纤维之间的结合力，改善纸张的质量和纸浆的脱水效率。
实现上述目的的技术方案如下：
一种用于改变和改善纤维性质的纤维氧化酶组合物，包括以下组成：
i)对纤维具有氧化功能的生物酶组分，所述生物酶组分为通过氧化还原反应来改变纤维表面性质的纤维氧化酶；和
ii)对纤维氧化酶具有增加催化活性的辅助组分，所述辅助组分为纤维氧化酶的反应产物的清除剂；
所述生物酶组分和辅助组分的重量比例为1:0.1-50。
在其中一些实施例中，所述纤维氧化酶为一族分子量在20-50KDa、具有铜依赖性的小分子金属酶的聚糖加氧酶。
在其中一些实施例中，所述清除剂为能有效降低反应产物过氧化氢浓度的化合物，选自抗坏血酸、没食子酸、木质素、锰(II)盐、铜(II)盐或铁(II)盐中的一种或多种。
在其中一些实施例中，所述生物酶组分和辅助组分的重量比例为1:0.1-10。
在其中一些实施例中，所述生物酶组分和辅助组分的重量比例为1:0.1-5。
在其中一些实施例中，所述清除剂为没食子酸和铜(II)盐或铁(II)盐。
在其中一些实施例中，所述纤维氧化酶组合物中纤维氧化酶、铜(II)盐/铁(II)盐和没食子酸的重量比为1:0.05-5:1-5。
在其中一些实施例中，所述纤维氧化酶组合物中纤维氧化酶、铜(II)盐/铁(II)盐和没食子酸的重量比为1:0.05-2.5:1-4。
在其中一些实施例中，所述纤维氧化酶组合物还包括对纤维氧化酶具有促进作用的蛋白质，所述对纤维氧化酶具有促进作用的蛋白质为有催化活性的生物酶或无催化活性的纤维素结合蛋白；所述纤维氧化酶组合物中纤维氧化酶和对纤维氧化酶具有促进作用的蛋白质的重量比为1:1-5。
在其中一些实施例中，所述有催化活性的生物酶为氧化还原酶、非纤维素水解酶的水合酶或纤维素水解酶；所述氧化还原酶选自纤维二糖脱氢酶、漆酶、葡糖氧化酶、过氧化氢歧化酶、酒精脱氢酶或木质素过氧化酶中一种或多种，所述非纤维素水解酶的水合酶选自淀粉酶、木聚糖酶、果胶酶或酯酶中一种或多种。
在其中一些实施例中，所述无催化活性的蛋白质为纤维结合蛋白和/或纤维膨胀蛋白。
本发明的另一目的在于提供纤维氧化酶组合物或纤维氧化酶在造纸工艺中作为改变和改善纤维性质的增强剂或助留助滤剂的应用。
本发明的另一目的在于提供一种造纸方法，主要包括以下步骤：
a)形成含水的纤维素造纸浆料，
b)将上述用于改变和改善纤维性质的纤维氧化酶组合物加入到造纸浆料中进行反应，
c)将步骤b)中得到的所述造纸浆料送上网，由此通过滤出水而由纤维固体组分形成纸页，
d)将纸页经过压榨段和干燥段，最终生产出纸产品。
在其中一些实施例中，步骤b)中所述纤维氧化酶组合物中的纤维氧化酶用量为每吨干浆料0.01-10千克，所述辅助组分的用量为每吨干浆料0.05-10千克。
在其中一些实施例中，步骤b)所述纤维氧化酶组合物中的纤维氧化酶用量为每吨干浆料0.05-5千克，所述辅助组分的用量为每吨干浆料0.1-5千克。
在其中一些实施例中，步骤b)所述纤维氧化酶组合物中的纤维氧化酶用量为每吨干浆料0.25-1千克，所述辅助组分的用量为每吨干浆料0.1-2千克。
在其中一些实施例中，步骤b)所述纤维氧化酶组合物中的纤维氧化酶用量为每吨干浆料0.25-0.5千克，所述辅助组分的用量为每吨干浆料0.1-2千克。
在其中一些实施例中，步骤b)中所述纤维氧化酶组合物和纸浆反应的时间为5-600分钟，pH为3-10，温度为20-80℃。
在其中一些实施例中，步骤b)所述纤维氧化酶组合物和纸浆反应的时间为20-300分钟，pH为5-8，温度为30-65℃。
在其中一些实施例中，步骤b)所述纤维氧化酶组合物和纸浆反应的时间为50-150分钟，pH为5.5-8，温度为45-55℃。
现有造纸技术中纸浆制浆存在的问题是主要是纤维的活性低，纤维之间的反应度低，为了达到纸产品的质量要求，通常的办法是增加打浆度，但是增加磨浆会导致纤维被切断，产生大量的细小纤维，不仅降低制浆的脱水性能，增加造纸的烘干能耗，而且可能导致细小纤维流失，原料利用率下降。现有的“打浆酶”是利用纤维素水解酶对纤维进行水解反应，虽然目前该技术还在初级应用阶段，但已经暴露出严重问题，即纤维素水解酶对纸浆纤维的反应是不可控性的和不可逆性的，稍有不当，将造成纸浆强度明显下降，甚至产生次品或废品。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明经发明人的实验和研究，得出纤维氧化酶及其组合物能改变和改善纤维表面性质，并确定了纤维氧化酶组合物的最佳组分及其配比，所述纤维氧化酶组合物或纤维氧化酶对不同纤维材料(包括木纤维、非木纤维和回收纤维)都具有显著活性，采用所述纤维氧化酶组合物或纤维氧化酶处理纸浆原料(如：木浆/化学浆，主要是漂白和未漂白的木浆/化学浆的处理(例：漂白的阔叶浆和未漂白的针叶浆)，包括二次回收纤维；还有木浆/机械浆，例：机械针叶浆)，处理过程中，纤维氧化酶集中在晶型纤维表面的反应，激活该部分纤维的表面活性，增加纤维反应活性，提高纤维间的结合力，而不会溃解纤维导致纤维强度下降；采用该种纤维氧化酶及其组合物处理上述纸浆，不仅能显著改善纸张的各种物理强度，如：叩解度、抗张指数、撕裂度、层间结合力、耐破度和白度，还能改善纸浆的滤水性能，同时能够改变纸浆(如：木浆/机械浆)的打浆性能，降低机械制浆的磨浆性能，对造纸生产产业具有重要意义。
具体实施方式
对于本发明所述技术术语的说明如下：
纤维素水解酶:本发明中的“纤维素水解酶”是指所有的通过水解反应来降解纤维素的生物酶，目前常常把纤维素水解酶和纤维素酶、纤维水解酶和纤维酶等术语交替使用。根据纤维素酶降解底物时不同的作用方式可将其分成3类：
(1)内切纤维素酶又称之为内切葡聚糖酶(Endoglucanase，EG；EC3.2.1.4)；
(2)外切纤维素酶又称之为纤维二糖水解酶(Cellobiohydrolase，CBH；EC3.2.1.91)；
(3)β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase，BGL；EC3.2.1.21)。
(a)内切纤维素酶(又称内切葡聚糖酶，endo-1,4-β-D-glucanase,EC3.2.1.4)，该类酶主要作用于纤维素内部的非结晶区，随机水解β-1,4-糖苷键，将长链纤维素分子截短，产生大量非还原性末端的小分子纤维素，其分子量大小约为23-146KD；
(b)外切纤维素酶(又称外切葡聚糖酶，exo-1,4-β-D-glucanase,EC3.2.1.91)，该类酶作用于纤维素线状分子末端，水解β-1,4-D-14糖苷键，依次切下一个纤维二糖分子，故又称为纤维二糖水解酶(cellobiohydrolase,CBH)，分子量约38-118KD。
(c)纤维二糖酶(又称β-葡萄糖苷酶，β-1,4-glucosidase，EC3.2.1.21),简称BG。这类酶一般将纤维二糖或可溶性的纤维糊精水解成葡萄糖分子，其分子量约为76KD。
纤维素酶的酶活性(CMCase)：本发明中纤维素水解酶的酶活性是指纤维素酶组分在它们将纤维素降解成葡萄糖、纤维二糖和二糖的能力方面的萄聚糖的酶活性。纤维素酶的活性一般用羧甲基纤维素的溶液粘度的降低来确定。
纤维素结合蛋白质(cellulose binding protein，CBP)：本发明中的“纤维素结合蛋白质”是指对纤维素表面具有特别亲和力、能强烈地吸附在纤维素表面的、但其本身对纤维素没有催化水解反应活性的蛋白质。在文献中，又称为纤维素结合结构域(CelluloseBinding Domain,CBD)，纤维素结合模块(Cellulose Binding Module,CBM)，纤维素吸附结构域，纤维素亲合结构域。
纤维膨胀蛋白(Swollenin或者Expansin)：本发明中的“纤维膨胀蛋白”系指一种能使结晶纤维素和半纤维素等天然底物的纤维结构膨胀疏松的蛋白/多肽化合物，这类蛋白对纤维素没有降解的催化功能，但能提高纤维素酶对微晶纤维素的水解能力。“纤维膨胀蛋白”也称为纤维膨胀因子，英文称Swollenin和Expansin,是一类植物细胞壁扩展蛋白,其具有纤维素酶典型结构域组成(含纤维素结合结构域(CBD))的非水解活性蛋白。源于植物的纤维扩张蛋白主要有两类，分别命名为α-expansin和β-expansin。两类纤维扩张蛋白在结构和功能上有较高的同源性：α-expansin分子量约25kDa，氨基酸序列高度保守,同源性达70％～90％；β-expansin分子量约29kDa，但氨基酸序列变化较大。
纤维氧化酶(Cellulose Oxidative Enzymes)：本发明中的“纤维氧化酶”是指聚糖氧合酶(polysaccharide monooxygenase，PMO)，所述“聚糖氧合酶”是指是一族分子量在20-50KDa、含有铜(II)的小分子金属酶(metalloenzyme)，能与纤维表面进行加氧或者去氢的氧化反应，从而改变纤维表面化学性质的生物酶。聚糖氧合酶的其它名称包括聚葡糖加氧酶或者称聚葡糖单加氧酶(polysaccharide monooxygenase,PMO)，裂解性聚糖氧合酶(lytic polysaccharide monooxygenase,LPMO)，以及糖苷水化酶61族(glycosylhydrolase61,GH61)。
纤维氧化酶与纤维素水解酶的区别在于：纤维素水解酶是通过对β-1,4-D-14糖苷键进行水解反应，使纤维素降解；而纤维氧化酶是通过对纤维素进行氧化还原反应，反应所改变的键位不限于β-1,4-D-14糖苷键。虽然PMO早在1974年就已经被发现，由于用CMCase(即测试内切纤维素酶的活性方法)分析方法，发现PMO对β-1,4-D-14糖苷键的水解反应非常微弱，于是人们对该酶种的作用和其反应机理没有进行更深入的研究认识，CAZy(Carbohydrate Active Enzymes，简称CAZy，http://www.cazy.org/)把它们划分为Glycosyl Hydrolases61族(GH61)。然而，最新研究表面，PMO实际是一种铜-依赖性单氧加合酶(Copper-dependent monooxygenases，EC1.14.17.x)，它是通过氧化反应而对纤维进行作用的，而不像普通的纤维素水解酶那样通过水解反应对纤维进行作用，因此PMO是氧化酶而非水解酶。经典的纤维素水解酶具有许多酶族，相反，PMO只有两个家族，即carbohydrate binding module family33(CBM33，碳水结合域家族33)和glycosylhydrolase(GH61,糖苷水解酶家族61)。CAZy最近将PMO重新列分为AA9类和AA10类生物酶。前者主要来源是真菌(fungus)，而后者主要来自于细菌、病毒和某些真菌。
PMO存在于很多木素纤维降解的微生物中，可以依此提纯和表达，或者通过现代蛋白工程技术对酶蛋白进行重组表达。例如，美国专利US Pat.7,273,738,美国专利申请USA2009/099079，美国专利申请USA2013/0052698公开了一系列新的GH61酶种的列序。美国专利US8,298,795和美国专利申请USA2012/0083019公开了从真菌宿主菌株Myceliophthora thermophila(又称Chrysosporium lucknowense)获得重组GH61蛋白(recombinant GH61proteins)以及联合使用该GH61和和纤维素酶(cellulase)组合物处理木质纤维类物质增加生物精炼效率、提高酒精产量的技术。迄今，有关PMO的应用都在生物精炼(biorefinery)，还没有PMO在制浆造纸中应用的报道。
截止2013年2月，CAZy的数据库已经收集了249种PMO(即GH61)蛋白氨基酸列序数据，大部分属于子囊属菌株(ascomycetous)和担子菌(basidiomycetous)。而在NCBI/JGIBlast的搜索结果显示，目前共有761套GH61的基因系统。随着研究深入，可以预见PMO的数据会继续迅速增加。
纤维氧化酶组合物：本发明中的“纤维氧化酶组合物”是指该组合物含有如下两种组分，一个组分是聚糖氧合酶(polysaccharide monooxygenase)，和另外一个组分是能保持或者增加对维氧化酶活性的辅助物，其中该辅助物可以是以下化合物的一个或多个化合物，(1)纤维氧化酶的反应底物氧气或者氧气释放化合物(oxygen precursors)、(2)反应产物的清除剂(radical scavengers)、和(3)对纤维氧化酶具有促进作用的蛋白质。
本发明的“纤维氧化酶的反应底物”是指除了纤维以外，聚糖氧化酶发生反应所必需的电子受体--氧气；该反应底物可以通过如下方式提供：氧气、空气或者氧气释放化合物，本发明中的氧气释放化合物是指过氧化物或者臭氧，其中过氧化物包括过氧化氢、过氧化钠、过氧化钙、过氧化钾。
本发明的“对纤维氧化酶的有促进作用的蛋白质”是指能增加聚糖氧化酶反应活性的生物酶、纤维素结合蛋白、和讯网膨胀蛋白；其中对聚糖氧化酶有促进作用的生物酶是指除了纤维素水解酶以外的其它类水解酶(包括淀粉酶、果胶酶、脂肪酶、酯酶和木聚糖酶)和氧化还原酶(包括纤维二糖脱氢酶、漆酶和木质素过氧化酶)。
本发明的“纤维氧化酶的反应产物清除剂”是指能降低聚糖氧化酶的反应产物过氧化氢浓度的化合物，包括抗坏血酸(ascorbate)、没食子酸(gallate)、木质素(lignin)、铜(II)盐即二价铜盐、铁(II)盐即二价铁盐、锰(II)盐即二价锰盐和锌(II)盐即二价锌盐。
本发明涉及使用纤维氧化酶来处理制浆造纸的纤维原料，以改变纤维表面的化学性质，提高纤维的反应活性，增加纤维之间的结合力，从而提高纸张的强度指标，增加脱水烘干效率，降低能耗，为造纸企业节约生产成本，提高经济利润。
本发明所涉及的纤维素氧化酶可以是以其单个酶组分的产品分别加入造纸过程中，以可以将两组分分别加入不同的位置或者是混合成一个产品配方加入造纸过程中同意位置，以达到最佳的效果。
本发明所涉及的使用纤维氧化酶的目的和效果是通过氧化酶对纤维表面的晶型区域反应，产生表面反应活性很高的键位，使纤维之间的结合力增加。而且纤维氧化酶对纤维的反应可以通过控制在纤维表面，不会对纤维有过度的反应，从而达到选择性的纤维表面改性和修复。因此，与传统的纤维素水解酶相比，从而避免了传统纤维素水解酶的降解纤维的问题。
本发明所述单位“kg/T”是指每吨绝干浆中添加物料的千克数。
以下将结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1 纤维氧化酶及其不同组合物处理漂白阔叶浆对其纸张强度的影响
一、实验目的
通过对比分析评价纤维氧化酶及其组合物处理漂白阔叶浆对其纸张强度的影响。
二、实验方法
(1)试验材料准备
漂白阔叶化学浆由山东万国纸业26号机的纸浆厂提供。
纤维氧化酶(PMO)由美国Dyadic公司提供的GH61，该酶种从菌株Myceliophthorathermophila9又称Sporotrichum thermophile)制取，其氨基酸列序在美国专利US8,298,795和美国专利申请USA2012/0083019有详细表述。
纤维素水解酶为Dyadic公司的商业产品FiberZymeG200，该产品用和上述相同的菌株生产制取。其它化学药剂从SigmaAldrich购买。
(2)造纸方法
A、制浆：将200克浆板和1500克去离子水放置在10升的水力碎浆机中，碎浆10分钟；然后再加2300克水，配得得到5％的浆。
B：反应
(1)取上述配好的浆400克，放入1000ml混合搅拌器中，用恒温控制器控制浆的温度在50℃。
(2)本实验分为实验组和对照组；
对照组1为空白样品：不加任何药剂；
对照组2为控制样品：加入辅助化合物(硫酸铜和没食子酸)；
对照组3为纤维素水解酶处理：FiberZymeG200，用量为250g/T(绝干浆)或者500g/T；
实验组1为不同用量的纤维氧化酶(PMO)处理；
实验组2为纤维氧化酶+辅助物(硫酸铜和没食子酸)，用量按照比例变化；
上述的反应条件均为：温度为50℃，反应时间为90分钟，反应pH为6.5-6.8；恒速搅拌，以提供反应所需的氧气。
C、磨浆：取以上准备好的浆放置在200目的筛网，使其脱水到浆浓在11-12％，并收集网下白水。然后，取相当于20g绝干浆的浆，放置到PFI机，磨浆21000转。磨浆后，把浆取出后，然后再将白水滤液放回磨好的浆中，放置60分钟，并取样测试浆浓。
D、手抄纸准备和强度测量：将上述制备好的浆，加自来水稀释到1.0％的浆浓，混匀，测量温度和浆浓度，按TAPPI方法，精确制备10-12张6.5克重的手抄纸。烘干后，手抄纸放在恒温和恒湿度的控制箱中24小时，然后按TAPPI测量方法测量其厚度(密度)、抗张强度、撕裂强度和结合强度。
三、实验结果
结果参见表1，从表1可知：纤维氧化酶及其组合物处理纸浆对纸张的各种强度性质的影响结果。与空白条件相比，加入纤维氧化酶处理后，在相同的磨浆功率下(相同转数)，纸浆的叩解度略有升高，说明纤维氧化酶在此处理条件下，对漂白阔叶浆纤维的磨浆性能影响不大。但是，在经过纤维氧化酶处理之后，纸张各种强度都显著增加，特别是纸张的撕裂度，增加了30％以上。
从表2可知：纤维水解酶处理纸浆对纸张指标的影响。可见，经过纤维水解酶处理后，在相同的磨浆功率下(相同转数)，纸浆的叩解度有较大的升高，纸张的抗张强度有增加，但是，纸张的撕裂度显著下降(18％)。
本例证明纤维氧化酶处理化学阔叶浆对其各种强度指标有极其显著加强效应，特别是对纸张的撕裂度有加大的提高。
表1 各实验组和对照组处理化阔浆对磨浆和纸张物理指标的影响结果表
表2 纤维水解酶处理化学阔叶浆对磨浆和纸张物理指标的影响结果表
用量 磨浆转数 叩解度 抗张指数 撕裂度 层间结合力
g/T r 0SR Nm/g mN*m/g Kpa
空白 21000 36.0 52.50 14.20 505.0
250 21000 39.0 56.70 13.90 515.0
500 21000 42.5 62.50 11.70 533.0
实施例2 纤维氧化酶及其不同组合物处理机械针叶浆对其纸张强度的影响
一、实验目的
通过对比分析评价纤维氧化酶及其不同组合物处理机械针叶浆对其纸张强度的影响。
二、实验方法
(1)试验材料准备
机械针叶浆由山东万国纸业26号机的纸浆厂提供。
纤维氧化酶(PMO)由美国Dyadic公司提供的GH61，该酶种从菌株Myceliophthorathermophila制取，其氨基酸列序在美国专利US8,298,795和美国专利申请USA2012/0083019有详细表述。
纤维素水解酶为Dyadic公司的商业产品FiberZyme G200，该产品用和上述相同的菌株生产制取。
(2)造纸方法
A、制浆：将200克浆板和1300克去离子水放置在10升的水力碎浆机中，碎浆10分钟；然后再加2500克水，配得得到5％的浆。
B：反应
(1)取上述配好的浆400克，放入1000ml混合搅拌器中，用恒温控制器控制浆的温度在50℃。
(2)本实验分为实验组和对照组；
对照组1为空白样品：不加任何药剂；
对照组2为控制样品：加入辅助化合物(硫酸铜和没食子酸)；
对照组3为纤维素水解酶处理：FiberZymeG200，用量为250g/T(绝干浆)或者500g/T；
实验组1为不同用量的纤维氧化酶(PMO)处理；
实验组2为纤维氧化酶+辅助物(硫酸铜和没食子酸)，用量按照比例变化；
上述的反应条件均为：温度为50℃，时间为90分钟，pH为6.5-6.7；恒速搅拌，以提供反应所需的氧气。
C、磨浆：取以上准备好的浆放置在200目的筛网，使其脱水到浆浓在11-12％，并收集网下白水。然后，取相当于20g绝干浆的浆，放置到PFI机，磨浆21000转。磨浆后，把浆取出后，然后再将白水滤液放回磨好的浆中，放置60分钟，并取样测试浆浓。
D、手抄纸准备和强度测量：将上述制备好的浆，加自来水稀释到1.0％的浆浓，混匀，测量温度和浆浓度，按TAPPI方法，精确制备10-12张6.5克重的手抄纸。烘干后，手抄纸放在恒温和恒湿度的控制箱中24小时，然后按TAPPI测量方法测量其厚度(密度)、抗张强度、撕裂强度和结合强度。
三、实验结果
结果参见表3：从表3可知：纤维氧化酶及其组合物处理纸浆对纸张的各种强度性质的影响结果。与空白条件相比，加入纤维氧化酶处理后，在相同的磨浆功率下(相同转数)，纸浆的叩解度略有升高，说明纤维氧化酶在此处理条件下，对机械针叶浆纤维的磨浆性能影响有促进作用。同时，纸张各种强度都显著增加，特别是纸张的撕裂度提高了40％以上。由于机械浆的纤维短，撕裂度低，提高机械浆纸产品的纸张撕裂度一直是道技术难题。本例显示，经过纤维氧化酶处理之后，机械针叶浆的撕裂度可以大幅度增加。
更重要的是，普通的纤维素水解酶处理机械针叶浆对其磨浆和纸张的物理指标基本上没有提升影响，如表4所示。
表3 各实验组和对照组处理机械针叶浆对磨浆和纸张物理指标的影响
表4 纤维水解酶处理机械针叶浆对磨浆和纸张物理指标的影响
用量 磨浆转数 叩解度 抗张指数 撕裂度 层间结合力
g/T r 0SR Nm/g mN*m/g Kpa
空白 3600 42.0 33.7 9.7 312.0
250 3600 42.5 31.6 9.8 304.0
500 3600 41.0 32.6 9.3 316.0
实施例3 纤维氧化酶及其组合物处理未漂白化学针叶浆对其纸张强度的影响
一、实验目的
通过对比分析评价纤维氧化酶及其不同组合物处理未漂白化学针叶浆对其纸张强度的影响。
二、实验方法
(1)试验材料准备
未漂白化学浆(针叶浆)由浙江荣成纸业提供。
纤维氧化酶(PMO)由美国Dyadic公司提供的GH61，该酶种从菌株Myceliophthorathermophila制取，其氨基酸列序在美国专利US8,298,795和美国专利申请USA2012/0083019有详细表述。
纤维素水解酶为Dyadic公司的商业产品FiberZyme G200，该产品用和上述相同的菌株生产制取。
(2)造纸方法
A、制浆：将200克浆板和1300克去离子水放置在10升的水力碎浆机中，碎浆10分钟；然后再加2500克水，配得得到5％的浆。
B、磨浆：取以上准备好的浆放置在200目的筛网，使其脱水到浆浓在11-12％，并收集网下白水。然后，取相当于20g绝干浆的浆，放置到PFI机，磨浆21000转。磨浆后，把浆取出后，然后再将白水滤液放回磨好的浆中，放置60分钟，并取样测试浆浓。
C、反应
(1)取上述配好的浆400克，放入1000ml混合搅拌器中，用恒温控制器控制浆的温度在50℃。
(2)本实验分为实验组和对照组；
对照组为空白样品：不加任何药剂；
实验组为纤维氧化酶组合物处理：70g/T纤维氧化酶(PMO)，30g/T硫酸铜,和150g/T没食子酸,总用量是250g/T；
上述的反应条件均为：温度为50℃，恒速搅拌，恒速搅拌，以提供反应所需的氧气；反应时间为10-600分钟，反应pH为6.0-6.5。
D、手抄纸准备和强度测量：将上述制备好的浆，加自来水稀释到1.0％的浆浓，混匀，测量温度和浆浓度，按TAPPI方法，精确制备10-12张6.5克重的手抄纸。烘干后，手抄纸放在恒温和恒湿度的控制箱中24小时，然后，按TAPPI测量方法测量其厚度(密度)、抗张强度、撕裂强度和结合强度。
三、实验结果
结果参见表5，从表5可知：纤维氧化酶及其组合物处理纸浆对纸张的各种强度性质的影响。与空白条件相比，加入纤维氧化酶处理后，纸浆的叩解度显著下降，说明纤维经过纤维氧化酶后，其脱水性能显著提高；同时，纸张各种强度都显著增加，特别是纸张的撕裂度和耐破度分别提高了20％和35％。
需要指出的是，普通的纤维素水解酶处理化学未漂木浆会选择降低纸张的耐破度(数据未显示)。
表5 实验组和对照组处理化学未漂浆对磨浆和纸张物理指标的影响
用量 处理时间 叩解度 湿重 抗张指数 撕裂度 耐破指数
g/T Min. 0SR g Nm/g mN*m/g kPa.m2/g
空白 30 42.5 11.2 87.4 19.5 6.5
250 15 42.0 11.5 90.9 21.0 6.7
250 60 40.0 12.7 97.3 22.1 7.6
250 300 37.0 13.2 114.5 23.6 8.8
250 720 36.0 13.3 118.7 23.8 9.2
实施例4 纤维氧化酶及其组合物处理回收纤维浆对其纸张强度的影响
一、实验目的
通过对比分析评价纤维氧化酶及其不同组合物处理未漂白化学针叶浆对其纸张强度的影响。
二、实验方法
(1)试验材料准备
混合回收废纸浆(办公室废纸、书刊等)从广东华实集团启鸣纸业叩后池取得，浆浓为4.5-5％。
纤维氧化酶(PMO)由美国Dyadic公司提供的GH61，该酶种从菌株Myceliophthorathermophila制取，其氨基酸列序在美国专利US8,298,795和美国专利申请USA2012/0083019有详细表述。
纤维素水解酶为Dyadic公司的商业产品FiberZyme G200，该产品用和上述相同的菌株生产制取。
(2)造纸方法
A、取上述配好的浆400克，放入1000ml混合搅拌器中，用恒温控制器控制浆的温度在50℃。
B、本实验分为实验组和对照组；
对照组1为空白样品：不加任何药剂；
对照组2为纤维素水解酶处理：FiberZymeG200，用量为250g/T或者500g/T；
实验组1为纤维氧化酶处理：500g/T纤维氧化酶(PMO)；
实验组2为纤维氧化酶组合物处理：纤维氧化酶(PMO)500g/T,硫酸铜500g/T,没食子酸1500g/T,一起加入。
上述的反应条件均为：温度为50℃，反应时间为90分钟,反应pH为7.5-7.7，恒速搅拌。
C、手抄纸准备和强度测量：将上述制备好的浆，加自来水稀释到1.0％的浆浓，混匀，测量温度和浆浓度，按TAPPI方法，精确制备10-12张6.5克重的手抄纸。烘干后，手抄纸放在恒温和恒湿度的控制箱中24小时，然后按TAPPI测量方法测量其厚度(密度)、抗张强度、撕裂强度和结合强度。
三、实验结果
结果参见表6，从表6可知：纤维氧化酶及其组合物处理纸浆对纸张的各种强度性质的影响。与空白条件相比，加入纤维氧化酶处理后，纸张各种强度和伸长率都显著增加。相反，纤维素水解酶处理后，纸张的撕裂度和伸长率都下降，这对纸张的后续加工不利。
表6 纤维氧化酶及其组合物处理回收废纸浆对纸张物理指标的影响
实施例5 纤维氧化酶和漆酶组合处理回收OCC浆对其纸张强度的影响
一、实验目的
通过对比分析评价纤维氧化酶组合物处理OCC浆对其纸张强度的影响。
二、实验方法
(1)试验材料准备
回收OCC废纸浆从广东明天纸业多盘浓缩机良浆池取得，浆浓为4.8-5％；
纤维氧化酶(PMO)由美国Dyadic公司提供的GH61，该酶种从菌株Myceliophthorathermophila制取，其氨基酸列序在美国专利US8,298,795和美国专利申请USA2012/0083019有详细表述；
漆酶为DuPont集团下属子公司Genencor公司的商业产品。
(2)造纸方法
A、反应：
(1)取上述配好的浆400克，放入1000ml混合搅拌器中，用恒温控制器控制浆的温度在50℃。
本实验分为实验组和对照组；
所述对照组为空白样品：不加任何药剂；
实验组为经酶或酶和清除剂处理的样品，其中，
实验组1为：纤维氧化酶(PMO)250g/T+硫酸铁用量为500g/T；
实验组2为：漆酶250g/T+硫酸铁用量为500g/T；
实验组3为：纤维氧化酶250g/T+漆酶250g/T+硫酸铁用量为500g/T；
上述各组反应的条件均为：温度为50℃，时间为90分钟，pH为5.7-6.0，恒速搅拌。
B、手抄纸准备和强度测量：
将上述制备好的浆，加自来水稀释到1.0％的浆浓，混匀，测量温度和浆浓度，按TAPPI方法，精确制备10-12张6.5克重的手抄纸。烘干后，手抄纸放在恒温和恒湿度的控制箱中24小时，然后按TAPPI测量方法测量其厚度(密度)、抗张强度、撕裂强度和结合强度。
三、实验结果
结果参见表7，从表7可知：纤维氧化酶、漆酶和硫酸铁单独或者联合使用处理OCC废纸纸浆对纸张的各种强度性质的影响结果。与空白条件相比，单独加入纤维氧化酶处理后，短纤浆或长纤浆所制得的纸张的耐破度显著增加；单独加入漆酶处理后，短纤浆或长纤浆所制得的纸张的耐破度略有增加，但不如纤维氧化酶显著；单独加入硫酸铁处理后，短纤浆或长纤浆所制得的纸张的耐破度基本没发生变化；仅当纤维氧化酶、漆酶和硫酸铁联合使用时，效果最显著，无论长纤维浆或是短纤维浆，其纸张的耐破度增加了25-30％。
表7 实验组和对照组处理回收OCC废纸浆对纸张物理指标的影响结果表
浆料 PMO 漆酶 硫酸铁 温度 反应时间 游离度 耐破度
用量 g/T g/T g/T ℃ Min CSF(ml) kPa.m2/g
短纤浆 0 0 0 40 90 265 1.45
短纤浆 0 0 500 40 90 290 1.43
短纤浆 250 0 500 40 90 280 1.76
短纤浆 0 250 500 40 90 270 1.54
短纤浆 250 250 500 40 90 255 1.86
长纤浆 0 0 0 60 120 330 1.62
长纤浆 0 0 500 60 120 360 1.49
长纤浆 250 0 500 60 120 320 1.88
长纤浆 0 250 500 60 120 350 1.75
长纤浆 250 250 500 60 120 345 2.04
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.纤维氧化酶或纤维氧化酶组合物在造纸工艺中作为助留助滤剂的应用，所述纤维氧化酶组合物，包括以下组成：
i)对纤维具有氧化功能的生物酶组分，所述生物酶组分为通过氧化还原反应来改变纤维表面性质的纤维氧化酶；和
ii)对纤维氧化酶具有增加催化活性的辅助组分，所述辅助组分为纤维氧化酶的反应产物的清除剂；
所述生物酶组分和辅助组分的重量比例为1:0.1-50；
所述纤维氧化酶为一族分子量在20-50KDa、具有铜依赖性的小分子金属酶的聚糖加氧酶；
所述清除剂为能有效降低反应产物过氧化氢浓度的化合物，选自没食子酸、铜(II)盐或铁(II)盐中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征是，所述生物酶组分和辅助组分的重量比例为1:0.1-10。
3.根据权利要求1-2任一项所述的应用，其特征是，所述纤维氧化酶组合物还包括对纤维氧化酶具有促进作用的蛋白质，所述对纤维氧化酶具有促进作用的蛋白质为有催化活性的生物酶或无催化活性的纤维素结合蛋白；所述纤维氧化酶组合物中纤维氧化酶和对纤维氧化酶具有促进作用的蛋白质的重量比为1:1-5。
4.根据权利要求3所述的应用，所述有催化活性的生物酶为氧化还原酶、非纤维素水解酶的水合酶或纤维素水解酶；所述氧化还原酶选自纤维二糖脱氢酶、漆酶、葡糖氧化酶、过氧化氢歧化酶、酒精脱氢酶或木质素过氧化酶中一种或多种，所述非纤维素水解酶的水合酶选自淀粉酶、木聚糖酶、果胶酶或酯酶中一种或多种。
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