CN114775317A - 一种利用朱红密孔菌对木片进行预处理制备纸浆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用朱红密孔菌对木片进行处理然后再用处理后的木片制备纸浆方法，其主要是利用朱红密孔菌发酵过程中产生的漆酶对木片纤维中的木质素进行降解。通过朱红密孔菌处理，可以使木片软化、松弛，纸浆的长度和柔韧性得到改善，后续化学机械制浆的过程中，可以很容易地使纤维分离，从而可以避免在纤维切断，细小纤维含量减少，使得纤维长度增加，有利于提高成纸的物理性能。
Description
技术领域
本发明涉及造纸领域，具体涉及一种用朱红密孔菌对木片进行预处理制备纸浆的方法。
背景技术
造纸工业在国民经济中的有着重要地位，在一定程度上促进了国家经济、文化、生产、国防等方面的发展。常见的制浆方法主要包括化学法、半化学法以及化学机械法等，根据所使用的化学药品的不同，常见的化学制浆工艺又包括了：烧碱法、烧碱-蒽醌法、硫酸盐法、多硫化合物制浆法和氧碱法等。
随着造纸工业的发展和环保政策的严格，制浆工艺越来越倾向于发展清洁生产的技术。欧洲造纸工业期望使用DES法制浆新技术、无水造纸技术、纸业轻量化技术等新兴技术，在未来的10-20年的时间内实现低污染制浆工艺的产业化，而北美国家在造纸工艺发展过程中，依然把节能减排、生物质精炼技术作为转型升级的发展重点。
随着科技的进步，生物技术在工业生产中越来越常见，也带动了其他行业的快速发展。目前造纸领域的生物技术主要集中在制浆、漂白、废水处理、废纸脱墨等工艺，并获得了广泛应用。生物制浆工艺是通过微生物对植物纤维素中木素和半纤维素的分解作用，使植物纤维相互分离，其对微生物的特性有以下要求：(1)繁殖速度快；(2)具有较强的分解木素的能力；(3)对纤维素不产生降解或者降解作用较弱。生物制浆主要包括生物机械制浆和生物化学制浆。生物机械制浆通过利用微生物或酶对纤维原料进行预处理，然后进行磨浆，使纤维彼此分离，具有低能耗、高强度、低污染的优点。生物化学制浆是指先进行生物预处理，然后再用化学药品处理进行制浆，它的优点是，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。目前在制浆生物领域中广泛使用的是白腐菌，例如CN1724414A公开了一种使用白腐菌将制浆废液有效脱色的方法，CN107938411A公开了一种使用包含白腐菌的复合生物酶剂将植物纤维中的木质素进行脱除从而制浆的方法。
朱红密孔菌(Pycnoporus cinnabarinus)是一种在发酵过程中会代谢出多种酶的担子菌门真菌，有着多种用途，例如其可用于从农业液废料中生产香兰素(《ComprehensiveBiotechnology(Second Edition)》，Volume 6,2011,Pages 661-667)，或用于亚麻浆的漂白(《Progress in Biotechnology》，Volume 21,2002,Pages 213-222)，此外，现有技术也报道了从Pycnoporus cinnabarinus、Trametes hirsuta和basidiomycetes strain 95290提取得到的漆酶可用于处理软木片(《Progress in Biotechnology》，Volume 21,2002,Pages 193-201)。
综上可知，目前的生物造纸技术主要是利用白腐菌作为主要菌株使用，而使用朱红密孔菌直接处理的植物纤维并用于制浆工艺的技术鲜有报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于利用朱红密孔菌对植物纤维进行预处理，从而提高纸浆性能的方法，其处理工艺简单、方便，并且经处理后的植物制备得到的纸浆中的纤维形态更优，有利于提高纸的物理性能。
本发明的技术方案如下：
一种用于利用朱红密孔菌提高木片纸浆性能的方法；包括如下步骤：
(1)木片预先汽蒸、单螺旋挤压；(2)将挤压后的木片进行灭菌；(3)将灭菌后的木片用朱红密孔菌预处理；(4)将经朱红密孔菌预处理后的木片进行蒸煮、盘磨和筛浆。
根据本发明优选，步骤(1)中木片选自鱼鳞云杉木片、沙松云杉木片、臭冷杉木片、红松木片、落叶松木片、马尾松木片、杨树木片、桦树木片和椴树木片中的一种或多种。
优选的，步骤(1)中的木片预先汽蒸、单螺旋挤压步骤为：绝干的杨木用热水浸泡，取出后放入蒸煮锅中进行预汽蒸，汽蒸结束后将木片送至单螺杆挤碾机进行挤压疏解。
优选的，步骤(1)中热水浸泡时的料液比范围为1：4～1：6，蒸煮时间为30～90min，蒸煮温度为100～120℃。
优选的，步骤(2)中的灭菌步骤为：将疏解后的木片置于高压灭菌锅中灭菌，灭菌温度为120-140℃，灭菌时间为1～1.5h。
优选的，步骤(3)中的朱红密孔菌预处理步骤为：将步骤(1)得到的木片于工作台紫外灯照射下冷却，待完全冷却后，置入聚乙烯塑料袋中，再加入培养好的朱红密孔菌菌丝球种子液，适当加入液体发酵培养基，充分混合均匀，放置于生化培养箱中进行培养。
优选的，步骤(3)中的液体发酵培养基的组成为：1L马铃薯浸提液、15g葡萄糖、1.0gKH2PO4、0.5g MgSO4·7H2O、0.01g CaCl2、2.5g天冬酰胺、0.1g Na2HPO4·5H2O、0.002gCuSO4·5H2O、0.001gFeSO4·7H2O和0.05g维生素B1。
优选的，步骤(3)中培养温度为28～32℃，培养湿度为65～85％，培养时间为28～35d，进一步优选的，培养温度为30℃，培养湿度为70～80％，培养时间为28d。
优选的，步骤(3)中的朱红密孔菌菌丝球培养步骤为：在固体培养基(马铃薯提取液1L、20g葡萄糖、3g KH2PO4、1.5g MgSO4·7H2O、微量维生素B1，琼脂20g)斜面上4℃保存的朱红密孔菌接种于已高温灭菌的种液培养基(与固体培养基相同，但不加琼脂)28℃、180rpm下培养7d左右，会生长为直径约2～3mm的菌丝球(如图1)。
优选的，步骤(4)的中蒸煮步骤为：将经朱红密孔菌处理的木片洗涤干净，置于于旋转式蒸煮锅中进行蒸煮；优选的，蒸煮时间为30～90min，所述蒸煮是在碱存在条件下进行的。
优选的，步骤(4)中的蒸煮所使用的碱为氢氧化钠，碱的浓度为6～10％，木片和碱液的料液比为1：4～1：6，蒸煮温度为120～140℃；
优选的，步骤(4)中的蒸煮时间为30min；碱的浓度为6％；木片和碱液的料液比为1：4；蒸煮温度为130℃。
优选的，步骤(4)中的盘磨和筛浆步骤为：将经过蒸煮预处理后的木片用KRK-2500Ⅱ型高浓磨浆机进行磨浆，采用A型磨片；然后再用Somerville筛浆机进行筛浆，筛缝选择0.15mm，筛浆后用PFI磨浆机进行打浆。
优选的，步骤(4)中磨浆的浆浓为约20～30％，转速为2500～3000rpm，磨片间隙0.1～0.6mm。
本发明的技术特点：针对现有技术中利用微生物对植物纤维进行预处理主要集中在使用白腐菌的问题，本发明提供了一种利用朱红密孔菌对木片进行处理然后再用处理后的木片制备纸浆方法，其主要是利用朱红密孔菌发酵过程中产生的漆酶对木片纤维中的木质素进行降解。通过朱红密孔菌处理，可以使木片软化、松弛，纸浆的长度和柔韧性得到改善，后续化学机械制浆的过程中，可以很容易地使纤维分离，从而可以避免在纤维切断，细小纤维含量减少，使得纤维长度增加，有利于提高成纸的物理性能。
附图说明
图1为朱红密孔菌的生长情况；
图2为朱红密孔菌附着于杨木白面的生长情况；
图3为朱红密孔菌处理杨木的时间对其产漆酶酶活的影响；
图4为朱红密孔菌预处理前后杨木的扫描电镜图，(a)未处理杨木表面×1000倍，(b)朱红密孔菌处理杨木表面×1000倍，(c)未处理杨木截面×500倍，(d)朱红密孔菌处理杨木截面×500倍。
具体实施方式
实施例1.朱红密孔菌附着于杨木的培养
(1)杨木预处理
将1kg绝干质量的杨木片用热水浸泡12h，浸泡的料液比为料液比1:4，取出后放入蒸煮锅中，在蒸煮时间30min、蒸煮温度100℃条件下进行预汽蒸，汽蒸结束后将木片送至单螺杆挤碾机进行挤压疏解，然后将疏解后的木片置于高压灭菌锅中，120℃灭菌1h备用。
(2)朱红密孔菌的培养
在固体培养基(马铃薯提取液1L、20g葡萄糖、3g KH2PO4、1.5g MgSO4·7H2O、微量维生素B1，琼脂20g)斜面上4℃保存的朱红密孔菌接种于已高温灭菌的种液培养基(与固体培养基相同，但不加琼脂)28℃、180rpm下培养7d左右，会生长为直径约2～3mm的菌丝球(如图1)。
(3)朱红密孔菌附着于杨木的培养
取出步骤(1)得到的杨木于工作台紫外灯照射下冷却，待完全冷却后，置入聚乙烯塑料袋中，再加入培养好的朱红密孔菌菌丝球种子液，适当加入液体发酵培养基(1L马铃薯浸提液、15g葡萄糖、1.0g KH2PO4、0.5g MgSO4·7H2O、0.01g CaCl2、2.5g天冬酰胺、0.1gNa2HPO4·5H2O、0.002g CuSO4·5H2O、0.001gFeSO4·7H2O和0.05g维生素B1)，充分混合均匀，，放置于30℃的生化培养箱中进行培养，湿度保持在70％-80％。定期观察木片上菌丝的生长情况，并测定白腐菌在木片上生长时所分泌的漆酶酶活。白腐菌生物预处理25天后结束培养，将木片上的白腐菌菌丝洗净，备用。
实施例2.粗酶液提取及漆酶的测定
在朱红密孔菌预处理杨木片的过程中，朱红密孔菌菌会依附于木片生长(如图2)，同时会分泌漆酶。从预处理的第二天开始，从经过朱红密孔菌预处理的木片中汲取粗酶液测定漆酶酶活。实验操作步骤为：取2ml含有0.5mmol/L ABTS的HAc-NaAc缓冲液(pH＝4.5)，加入一定稀释倍数的酶液，在室温下测定反应体系在420nm处的前3min吸光度的变化。如图3所示，可以发现随着培养天数的增加，酶活先增加后降低，通过测定漆酶酶活，其酶活在第8天时达到最大值，为1.3U·mL-1。
实施例3.扫描电镜(SEM)的观测
取经过朱红密孔菌处理前后的杨木样品，干燥后取适宜的尺寸，经过喷金处理后，在扫描电镜(SU8010，日本日立公司)下观察纤维原料形态的变化。
图4显示了朱红密孔菌未处理和处理后的杨木木片表面和截面的SEM观察结果。朱红密孔菌预处理木片时，其分泌的酶对木片进行降解，使纤维表面多孔，出现凹槽，并导致细胞壁变薄、碎裂，表现出木片在受到朱红密孔菌攻击时软化和松弛。这是因为朱红密孔菌在降解杨木心材时，菌丝主要在纹孔处集中生长，沿着细胞腔蔓延，它可以从细胞腔到复合胞间层，逐渐降解木素及少量纤维素与半纤维素。
实施例4.朱红密孔菌处理前后杨木化学成分的测定
按照GB/T 2677.10-1995、GB/T 2677.8-1994，测定朱红密孔菌处理前后的杨木中木片重量损失率、综纤维素含量以及Klason木素含量，其结果如表1所示。
表1.朱红密孔菌预处理前后杨木化学成分的分析
如表1所示，在朱红密孔菌处理木片的0-25天时间里木片的质量有明显的损失，培养25天后质量损失为11.33％。木片经过朱红密孔菌预处理后，综纤维素含量和Klason木素的含量得到降低，且Klason木素的降解速率比综纤维素降解速率快，说明该朱红密孔菌对木素的脱除具有一定的选择性。
实施例5.朱红密孔菌处理前后杨木的制浆性能研究
(1)蒸煮、磨浆及打浆
分别将经朱红密孔菌处理和未经处理的杨木木片洗涤干净，置于于旋转式蒸煮锅中进行蒸煮，蒸煮时间为30min，处理条件为：氢氧化钠为碱，碱液浓度6％，料液比1:4、温度130℃。
将经过蒸煮预处理后的木片用KRK-2500Ⅱ型高浓磨浆机进行磨浆，采用A型磨片浆浓20％左右，设定转速3000rpm，磨片间隙0.1mm，然后再用Somerville筛浆机进行筛浆，筛缝选择0.15mm，筛浆后用PFI磨浆机进行打浆。
(2)浆料纤维形态的测定
分别取经朱红密孔菌处理和未经处理的、相当于绝干浆0.1g的合格浆样放入塑料瓶子里加适量的水和玻璃珠，充分搅拌或摇动，使纤维完全分散。使用L&W型纤维分析仪对每组样品进行纤维形态测定，将细小纤维设定为长度小于0.1mm的纤维组分。分析不同制浆工艺条件下麦草纤维的纤维长度、纤维宽度、细小纤维含量和扭结指数等参数，结果如表2所示。
表2.经朱红密孔菌处理和未经处理的杨木纸浆的纤维特性
从表2可以看出，与未预处理纸浆纤维相比，生物处理后的纸浆的纤维长度略有增加，细小纤维含量显著减少，纤维扭结度增加。由于朱红密孔菌预处理使木片软化、松弛，纸浆的长度和柔韧性得到改善，后续化学机械制浆的过程中，可以很容易地使纤维分离，从而可以避免在纤维切断，细小纤维含量减少，使得纤维长度增加，有利于提高成纸的物理性能。
Claims (10)
1.一种利用朱红密孔菌提高木片纸浆性能的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)木片预先汽蒸、单螺旋挤压；(2)将挤压后的木片进行灭菌；(3)将灭菌后的木片用朱红密孔菌预处理；(4)将经朱红密孔菌预处理后的木片进行蒸煮、盘磨和筛浆；
步骤(1)中的木片预先汽蒸、单螺旋挤压步骤为：绝干的杨木用热水浸泡，取出后放入蒸煮锅中进行预汽蒸，汽蒸结束后将木片送至单螺杆挤碾机进行挤压疏解；
步骤(2)中的灭菌步骤为：将疏解后的木片置于高压灭菌锅中灭菌；
步骤(3)中的朱红密孔菌预处理步骤为：将步骤(1)得到的木片于工作台紫外灯照射下冷却，待完全冷却后，置入聚乙烯塑料袋中，再加入培养好的朱红密孔菌菌丝球种子液，适当加入液体发酵培养基，充分混合均匀，放置于生化培养箱中进行培养；
步骤(4)的中蒸煮步骤为：将经朱红密孔菌处理的木片洗涤干净，置于于旋转式蒸煮锅中进行蒸煮。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中木片选自鱼鳞云杉木片、沙松云杉木片、臭冷杉木片、红松木片、落叶松木片、马尾松木片、杨树木片、桦树木片和椴树木片中的一种或多种。
3.根据权利要要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤(1)中热水浸泡时的料液比范围为1：4～1：6，蒸煮时间为30～90min，蒸煮温度为100～120℃。
4.根据权利要要求3所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述灭菌温度为120-140℃，灭菌时间为1～1.5h。
5.根据权利要要求4所述的方法，其特征在于：步骤(3)中的液体发酵培养基的组成为：1L马铃薯浸提液、15g葡萄糖、1.0g KH2PO4、0.5g MgSO4·7H2O、0.01g CaCl2、2.5g天冬酰胺、0.1g Na2HPO4·5H2O、0.002g CuSO4·5H2O、0.001gFeSO4·7H2O和0.05g维生素B1。
6.根据权利要要求5所述的方法，其特征在于：步骤(3)中的培养条件为：培养温度为28～32℃，培养湿度为65～85％，培养时间为28～35d。
7.根据权利要要求6所述的方法，其特征在于：步骤(3)中的培养条件为：培养温度为30℃，培养湿度为70～80％，培养时间为28d。
8.根据权利要要求7所述的方法，其特征在于：步骤(4)中，蒸煮时间为30～90min，所述蒸煮是在碱存在条件下进行的。
9.根据权利要要求8所述的方法，其特征在于：步骤(4)中的蒸煮所使用的碱为氢氧化钠，碱的浓度为6～10％，木片和碱液的料液比为1：4～1：6，蒸煮温度为120～140℃。
10.根据权利要要求9所述的方法，其特征在于：步骤(4)中的蒸煮时间为30min；碱的浓度为6％；木片和碱液的料液比为1：4；蒸煮温度为130℃。
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