CN116219785A - 一种锰氧化物耦合漆酶原位降解木质素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锰氧化物耦合漆酶原位降解木质素的方法，即首先利用氢氧化钠溶液对秸秆进行预处理，使秸秆纤维润涨，提高锰氧化物耦合漆酶对木质素的可及度，再通过调节物料pH至2‑6，添加锰氧化物和漆酶对秸秆木质素进行降解，提高分解木质素的效率，以实现原位降解木质素；以及最后对降解后的原料进行制浆抄纸，验证木质素降解效果；本申请通过添加锰氧化物耦合漆酶，使秸秆木质素的降解效率大大提高，从而且能够降低打浆过程的能耗、改善纸张性能、提高设备的生产能力。
Description
技术领域
本发明涉及木质素降解技术领域，尤其涉及一种锰氧化物耦合漆酶原位降解木质素的方法。
背景技术
2019年我国的主要农作物秸秆理论资源量为10.4亿吨，可收集的资源量为9.0亿吨，仅小麦秸秆占秸秆产量的18.3％。造纸是秸秆纤维的主要用途之一，然而秸秆中纤维素含量为40-50％，特别木质素立体网状的分子结构包裹在秸秆纤维素周围，使得秸秆纤维的拆解效率低，步骤复杂，能耗高，进而降低了秸秆在工业造纸中的利用率。
生物酶拆解秸秆纤维是现今应用比较广泛的技术，通过木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶分解木质素，去除造纸原料中的木质素，使得植物组织和纤维彼此分离，从而获得纸浆。酶处理能够降低打浆过程的能耗、改善纸张性能、提高设备的生产能力。如专利CN112593437 A采用解鸟氨酸拉乌尔菌对植物秸秆木质素解离的办法，最终木质素降解率达到20％～25％。专利CN 113957737 A采用木质素酶、果胶酶、打浆酶等一系列生物酶对秸秆进行预处理，打浆后再结合生物菌处理、两次研磨处理和摩擦分丝处理，获得无菌无污染的纸浆浆料。专利CN102517944A则公开了利用白腐菌产生的生物酶降解秸秆木质素的纸浆生产方法。在这些专利中，虽然生物酶对秸秆木质素的降解有良好的效果，但生物酶的制备工艺复杂，有效期短，价格高，对秸秆的处理时效性低，同样限制了这些方法在制浆上的应用。目前，如何再制备过程中减少三素(纤维素、半纤维素、木质素)的损失率、提高纤维的断裂长度，仍然是工业造纸中亟待解决的技术难题。
发明内容
针对以上技术问题，本申请公开了一种锰氧化物协同降解木质素的方法，利用漆酶与锰氧化物联合催化降解秸秆纤维中的木质素，以提高酶解木质素的效率。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
首先，本申请提供了一种锰氧化物耦合漆酶原位降解木质素的方法，其具体步骤如下：
1)备料：
水洗除去将秸秆中的杂质和尘土，将秸秆粉碎至3-5cm，得到符合工艺要求的秸秆碎片；
所述秸秆包括如小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆等常规农作物秸秆中的一种或多种；
2)预处理：
向步骤1)获得的秸秆碎片中加入氢氧化钠溶液，于80-120℃(优选100℃)的条件下对秸秆碎片预处理0.5-3h(优选1h)，使秸秆纤维充分润涨，孔隙度和内部表面积增加，获得预处理后的秸秆碎片；
3)纤维拆解：
调节物料(即预处理后的秸秆碎片)pH至2-6(优选pH4.5)，保证金属氧化物催化剂在酸性条件下有足够的催化氧化活性；然后向物料中添加漆酶和锰氧化物催化剂，加热至50-60℃处理4-12h，金属氧化物和漆酶的协同作用使秸秆纤维中的木质素和半纤维素充分解离降解，保留性价值更高的纤维素，获得拆解秸秆纤维，即实现木质素的原位降解。
本步骤所使用的漆酶是由白腐菌、褐腐菌、软腐菌、芽孢杆菌、扁球菌和贪铜菌等真菌或细菌产生的木质素降解酶；优选黄孢原毛平革菌漆酶(5U/mL)和解淀粉芽孢杆菌漆酶(5U/mL)按照体积比1:1混合后获得的漆酶。
本步骤所使用的锰氧化物包括α-MnO2,β-MnO2,γ-MnO2,δ-MnO2,ε-MnO2,λ-MnO2中的任意一种，优选α-MnO2。
本步骤通过添加漆酶耦合锰氧化物可以使秸秆纤维中的木质素充分解离降解，有利于纤维束的解离。该漆酶制备方法为本领域常规方法，如文献“糙皮侧耳与黄孢原毛平革菌发酵处理花生秧对其养分含量及奶牛瘤胃降解特性的影响,王阔鹏等，江苏农业学报，2022；黄孢原毛平革菌产漆酶优化培养及其对刚果红的脱色降解，陈中维等，菌物学报，2021”等报道。
漆酶的添加量优选为每克秸秆碎片(干重)添加10U的漆酶，锰氧化物的添加量为秸秆碎片干重的0.01-0.1％(优选0.05％)。
优选的，步骤1)所加入氢氧化钠溶液中的氢氧化钠质量为秸秆碎片干重的1-3％(优选2％)；该添加量既能保证良好的预处理效果，还能减少氢氧化钠的使用量，达到降低成本和减少污染物排放量的目标；所加入氢氧化钠溶液中水的质量优选为秸秆碎片干重的1.85倍。
优选的，步骤中“调节物料pH至2-6”是指以2mol/L硫酸溶液调节物料pH至2-6(pH优选4.5)。
其次，本申请还提供了利用上述方法获得的拆解秸秆纤维造纸的方法，其具体步骤为：利用所述拆解秸秆纤维进行机械打浆抄纸，打浆时间20-60min，打浆质量浓度1％，所获得纸页紧度约150g/m3。
本步骤中，所使用的纸浆抄纸方法为本领域常规方法，如文献“秸秆纤维基抑草地膜的制备及性能研究，张悦，2019”中所公开的方法。
相比于现有的技术，本申请提供的技术方案具有以下有益效果：
(1)本申请通过将锰氧化物催化剂添加到秸秆预处理过程中，提高了漆酶降解木质素的速率，降低了制浆过程的三素损耗、增长了纤维的断裂长度，促进纤维的拆解，提高纸张的强度。
(2)本发明中，因为锰氧化物的添加，达到相同品质制浆所需的生物酶会大大降低，且生物酶的平均价格要高于金属氧化物，既可以降低较大的生产成本以及生产过程中产生的污染物。
附图说明
图1为实施例使用的锰氧化物α-MnO2的扫描电镜照片。
图2为实施例1-4制备获得的纸页裂断长检测结果。
图3为实施例1-4纸页纤维损失率检测结果。
图4为实施例1-4纸页纤维素、半纤维素、木质素去除率检测结果。
图5为实施例4添加锰氧化物/漆酶前后的秸秆中的木质素红外谱图。
具体实施方式
实施例使用的黄孢原毛平革菌和解淀粉芽孢杆菌均由江苏省农业科学院保藏，这两种菌株均为已知常规菌株，如文献“糙皮侧耳与黄孢原毛平革菌发酵处理花生秧对其养分含量及奶牛瘤胃降解特性的影响,王阔鹏等，江苏农业学报，2022；黄孢原毛平革菌产漆酶优化培养及其对刚果红的脱色降解，陈中维等，菌物学报，2021”等报道。
实施例涉及的培养基：
PDA平板：马铃薯200克，葡萄糖20克，琼脂15克，添加蒸馏水1000毫升；
PDB液体培养基：马铃薯200克，葡萄糖20克，琼脂15克，蒸馏水1000毫升；
NA平板：蛋白胨10克，牛肉膏3克，氯化钠5克，琼脂15克，蒸馏水1000毫升；
NB液体培养基：蛋白胨10克，牛肉膏3克，氯化钠5克，蒸馏水1000毫升。
实施例1
1)水洗除去将小麦秸秆中的杂质和尘土，将小麦秸秆粉碎至3-5cm(以下实施例同)，获得小麦秸秆碎片；
2)进行预处理：将步骤1)获得的小麦秸秆碎片浸润于氢氧化钠水溶液中，100℃，预处理1h；本实施例使用的氢氧化钠水溶液中，氢氧化钠的质量为秸秆碎片干重的2％，水的质量为秸秆碎片干重的1.85倍；
3)纤维拆解：加入2mol/L硫酸调节物料pH至4.5，55℃处理8h，获得拆解秸秆纤维；
4)打浆抄纸：对步骤3)获得的拆解秸秆纤维进行打浆抄纸，打浆时间30min，打浆浓度1％，获得的纸页紧度约150g/m3。
本实施例中“打浆抄纸”为本领域常规方法啊，如文献“秸秆纤维基抑草地膜的制备及性能研究，张悦，2019”中所公开的方法进行打浆抄纸，所使用的设备为瓦力打浆机(型号AT-WL，山东安尼麦特仪器有限公司，以下实施例同)、纸页快速成型器(型号AY-CZ-3，山东安尼麦特仪器有限公司，以下实施例同)。
实施例2
1)水洗除去将小麦秸秆中的杂质和尘土，将小麦秸秆粉碎至3-5cm获得小麦秸秆碎片；
2)预处理：将步骤1)获得的小麦秸秆碎片浸润于氢氧化钠水溶液中，100℃，预处理1h；本实施例使用的氢氧化钠水溶液中，氢氧化钠的质量为秸秆碎片干重的2％，水的质量为秸秆碎片干重的1.85倍；
3)纤维拆解：加入2mol/L硫酸调节物料pH至4.5，再加入锰氧化物(含75％α-二氧化锰的氧化锰)，加热至55℃处理8h，获得拆解秸秆纤维；以α-二氧化锰计，所加入氧化锰的质量为秸秆碎片干重的0.05％。
本实施例中使用的氧化锰购自湖南大吉锰业有限公司，其α-二氧化锰的质量含量为75％。
4)打浆抄纸：(方法、设备同实施例1)，打浆时间30min，打浆浓度1％，获得的纸页紧度约150g/m3。
实施例3
1)水洗除去将小麦秸秆中的杂质和尘土，将小麦秸秆粉碎至3-5cm获得小麦秸秆碎片；
2)预处理：将步骤1)获得的小麦秸秆碎片浸润于氢氧化钠水溶液中，100℃，预处理1h；本实施例使用的氢氧化钠水溶液中，氢氧化钠的质量为秸秆碎片干重的2％，水的质量为秸秆碎片干重的1.85倍；
3)纤维拆解：加入2mol/L硫酸调节物料pH至4.5，再加入漆酶，加热至55℃处理8h，获得拆解秸秆纤维；以秸秆碎片干重计，漆酶的添加量为10U/g(即5U/mL的漆酶液加入2ml)；
4)打浆抄纸：方法、设备同实施例1，打浆时间30min，打浆浓度1％，所获得纸页紧度约150g/m3。
本实施例步骤3)中漆酶制备方法为本领域常规方法，本实施例中使用的漆酶为黄孢原毛平革菌漆酶(5U/mL)和解淀粉芽孢杆菌漆酶(5U/mL)按照体积比1:1混合后获得。
本实施例中，黄孢原毛平革菌漆酶制备方法为：1)菌株活化：从斜面挑取菌块接种到PDA平板上，30℃恒温培养4d；2)孢子液制备：将PDA平板培养好的菌丝体加入到5ml无菌水中，玻璃珠打碎后制备成孢子悬液；3)液体发酵：向PDB液体培养基中接种体积比为1％的孢子悬液，30℃，100r/min，恒温震荡培养3d，获得液体发酵物；4)粗酶液制备：培养好的液体发酵物5000r/min，离心10min，上清液即为黄孢原毛平革菌漆酶液，其酶活为5U/mL。
解淀粉芽孢杆菌漆酶制备方法：1)菌株活化：从甘油保存物中挑取菌液接种到NA平板上，37℃恒温培养2d；2)种子液制备：将NA平板培养好的单菌落接种到NB液体培养基中，37℃，180r/min，恒温震荡培养10h，获得种子液；3)液体发酵：向NB液体培养基中接种1％的种子液，37℃，180r/min，恒温震荡培养24h，获得液体发酵物；4)粗酶液制备：培养好的液体发酵物5000r/min，离心10min，上清液即为解淀粉芽孢杆菌漆酶粗酶液，其酶活为5U/mL。
实施例4
1)水洗除去将小麦秸秆中的杂质和尘土，将小麦秸秆粉碎至3-5cm，获得小麦秸秆碎片；
2)预处理：将步骤1)获得的小麦秸秆碎片浸润于氢氧化钠水溶液中，100℃，预处理1h；
本实施例使用的氢氧化钠水溶液中，氢氧化钠的含量为秸秆碎片质量的2％，水的含量为秸秆碎片质量的1.85倍；
3)加入2mol/L硫酸调节物料pH至4.5，再加入漆酶(制备方法同实施例3)，每克秸秆碎片干重添加10U的漆酶(即5U/mL的漆酶液加入2ml)，以及锰氧化物(来源同实施例2)，加热至55℃处理8h，获得拆解秸秆纤维；以α-二氧化锰计，所加入锰氧化物的质量为秸秆碎片干重的0.05％；
本实施例中使用的氧化锰购自湖南大吉锰业有限公司，其中α-二氧化锰的质量含量为75％，在具体实施中还可以使用其他含有α-二氧化锰的锰氧化物，只要确保所加入的α-二氧化锰含量为秸秆碎片干重的0.01-0.1％范围内，均可实现发明之目的。
4)打浆抄纸，方法设备同实施例1，打浆时间30min，打浆浓度1％，所获得纸页紧度约150g/m3。
本实施例所使用的锰氧化物α-MnO2的扫描电镜图片如图1所示，从图1中可以看出锰氧化物的颗粒在10nm-1um之间，大小不一，其尺寸足够小，可及度高，具有足够大的比表面积与秸秆纤维进行反应，降解木质素。
对实施例进1-4获得的获得预处理纤维/纸页进行检测：
1、秸秆纤维裂断长检测：
参照GBT12914-2018纸和纸板抗张强度-的测定恒速拉伸法，GBT2679.8-2016(纸和纸板环压强度的测定方法)测定实施例1-4中纸页的力学性能，检测结果如图2所示，图2中，a-d依次代表实施例1-4的检测结果。由图2可见，锰氧化物、漆酶、锰氧化物耦合漆酶均能够提高裂断长2.2,1.8,2.7倍。锰氧化物和漆酶同时使用具有最佳的效果，有协同作用。
2、纤维损失率检测：
检测实施例1-4步骤3)加锰氧化物/漆酶纤维拆解处理后所获得的拆解秸秆纤维中纤维损失率；检测方法为通过测定水洗(预处理纤维中)后剩下干物质的量来计算损失率(损失一部分来源于纤维断裂，一部分秸秆纤维被酶分解形成水溶性的小分子物质)，检测结果如图3所示，图3中，a-d依次为实施例1-4的检测结果。从图3中可以看出，加漆酶处理后纤维损失率提高了27.3％，加催化剂损失率提高了9.1％，和酶相比催化剂的损失率小4.3％。
3、三素(纤维素、半纤维素、木质素)去除率检测
对实施例1-4制备的纸页中三素的去除率进行检测，检测结果如图4所示，，a-d依次代表实施例1-4的检测结果。由图4可见，加锰氧化物处理后，和漆酶相比，三素的去除率均有提高，锰氧化物耦合漆酶处理后三素的去除率最高，说明漆酶和锰氧化物对木质素的去除具有协同作用。
此外，实施例4添加锰氧化物/漆酶前后的秸秆中的木质素红外谱图如图5所示，从图中可以看出，反应后木质素的结构发生了明显的变化，其中，830cm-1是CH＝CH平面外变形震动，1029cm-1是属于酶解木质素脂肪族羟基-OH和脂肪族C-O(Ar)的C-O伸缩振动，1219cm-1为芳香骨架(S)和C-O伸缩，1595cm-1为芳香环骨架C＝C的伸缩振动，1693cm-1为非共轭羰基C＝O和酯基的伸缩振动峰，2160cm-1为C≡C的伸缩振动，2930cm-1为甲基和亚甲基的伸缩振动，3438cm-1是由酶解木质素的羟基O-H伸缩振动引起的。解聚后，木质素结构中的CH＝CH，脂肪族羟基-OH和羰基C＝O等基团含量都发生了明显减少，且木质素的芳香族骨架同样被破坏。通过红外的测定，证明锰氧化物耦合漆酶是通过降解木质素从而提高纤维解离效果。
以上实施例证明，单独添加漆酶或者锰氧化物均可以提高木质素的降解率，促进秸秆纤维的拆解效率，但木质素的去除率提高并不显著。相比于前两者，同时添加漆酶和锰氧化物，可以明显提高木质素的去除率，提高秸秆纤维的拆解效率，而且最终得到的制浆产品的裂断长同样有较大提高。因此，同时添加锰氧化物和酶，能够有效降解木质素，有利于秸秆纤维的拆解，改善纸张性能。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。但本发明的实际实现并不受限于上述内容的限制，只要采用或在此基础上改用本发明思路和方案用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种锰氧化物耦合漆酶原位降解木质素的方法，其特征在于，具体步骤如下：
a）向秸秆中加入氢氧化钠溶液，于80-120℃预处理0.5-3h；所述氢氧化钠溶液中氢氧化钠的质量为秸秆干重的1-3%；
b）调解物料pH为2-6，添加漆酶和锰氧化物处理4-12 h，获得拆解秸秆纤维，即实现木质素的原位降解；
所述漆酶是由含菌量相同的黄孢原毛平革菌漆酶和解淀粉芽孢杆菌漆酶等体积混合后获得；
所述锰氧化物包括α-MnO2、β-MnO2、γ-MnO2、δ-MnO2、ε-MnO2、λ-MnO2中的任一种。
2.根据权利要求1所述锰氧化物耦合漆酶原位降解木质素的方法，其特征在于，步骤a）所述秸秆长度为3-5cm。
3.根据权利要求1所述锰氧化物耦合漆酶原位降解木质素的方法，其特征在于，步骤a）所述秸秆包括小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆中的至少一种。
4.根据权利要求1所述锰氧化物耦合漆酶原位降解木质素的方法，其特征在于，步骤b）所述漆酶的添加量为每克秸秆干重添加10U的漆酶。
5.根据权利要求1所述锰氧化物耦合漆酶原位降解木质素的方法，其特征在于，步骤a）所述氢氧化钠溶液中，所加入水的质量为秸秆干重的1.85倍。
6.根据权利要求根据权利要求1所述锰氧化物耦合漆酶原位降解木质素的方法，其特征在于，步骤b）所述调解物料pH为2-6是指以2mol/L硫酸溶液调节物料pH至2-6。
7.根据权利要求4所述锰氧化物耦合漆酶原位降解木质素的方法，其特征在于，步骤b），所述锰氧化物的添加量为秸秆干重的0.01-0.1%，处理温度为50-60℃。
8.一种利用权利要求1-7任一所述方法获得拆解秸秆纤维的造纸方法，其特征在于，利用所述拆解秸秆进行机械打浆抄纸，打浆时间20-60min，打浆浓度1%。
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