为了减少传统制浆造纸工业对环境造成的污染，微生物和生物酶在制浆造纸工业中的应用迅速兴起，各国制浆造纸工业者已经从各个角度进行了大量研究(程立勇，2001；许开绍等，2002；詹怀宇，1999；詹怀宇等，2001；Teersa et al., 1997)。近10年来相继取得了一个又一个的突破，并已迅速成为改革传统漂白工艺、部分或全部取代氯化漂白的一个潜在的新技术。大量的研究发现，将木聚糖酶用于各种硫酸盐浆的漂白可以降低漂白药剂的用量，减少废水污染，同时提高所得浆的白度和粘度。国内虽然也已经开始对半纤维素酶生物漂白进行研究，但对于中小径竹硫酸盐浆(kraft pulp，简称KP)生物漂白的研究尚未见报道。尤其是使用高pH值，且几乎不含纤维素酶的碱性木聚糖酶对化学浆进行预处理更具有实际意义。

碱性木聚糖酶(Unikfect 100)是含有极微量纤维素酶活力的纯碱性木聚糖酶。应用碱性木聚糖酶可以提高纸浆纤维的渗透性，有利于木质素的抽提；在技术条件和指标确定时，减少化学漂白剂的用量。在ClO₂作为限制因素的造纸厂，可以提高生产能力；可以降低以氯为漂白剂的造纸厂特有的有机污染物的排放量；改善无元素氯(elemental chlorine free，ECF)漂白和全无氯(totally chlorine free，TCF)漂白纸浆的白度；降低综合性造纸厂对光学漂白剂的需求(陈嘉翔，1996；陈礼辉等，1998；窦正远等，1989；Anthony，1994)。本文采用碱性木聚糖酶对中小径竹KP浆进行漂白研究。

1 材料与方法 1.1 原料 1.1.1 浆料

未漂硫酸盐竹浆取自福建省邵武中竹纸业有限责任公司，经氧脱木素后其卡伯值为11.66，白度为34.0% ISO，粘度为963.04 mL·g^-1。

1.1.2 碱性木聚糖酶

碱性木聚糖酶(Unikfect 100)来自广东裕立宝生物科技有限公司，Unikfect 100是由一株地衣芽胞杆菌(Bacillus licheniformis)经深层发酵生产的高纯度碱性木聚糖酶。其酶活14 000~18 000 IU·mL^-1，pH值7.5~9.5，温度40~65 ℃，密度1.07~1.19 g·mL^-1。

1.2 试验方法 1.2.1 酶处理

取适量经氧脱木素的湿浆，根据不同酶用量、不同时间、不同浓度进行处理，在可调恒温水浴锅中恒温处理，反应结束后测定它们的卡伯值、粘度及白度，得出最佳工艺条件。

1.2.2 二氧化氯漂白(D段)

二氧化氯漂白在聚乙烯塑料袋中进行，水浴加热。

1.2.3 H₂O₂强化氧碱抽提

(E_OP段)在高压反应釜(带搅拌装置)中进行E_OP试验，氧压0.4 MPa，NaOH用量2.5%，MgSO₄用量0.5%，浆浓度10%，温度75 ℃，时间90 min。

1.2.4 纸浆不同流程漂白比较

根据上述各步所得出的最佳工艺，按不同流程处理纸浆，如O-D₁-E_OP-D₂、O-D/C-E_OP-D₂、O-X-D₁-EOP-D₂等，比较酶处理对硫酸盐竹浆漂白的效果，反应结束后测定它们的卡伯值、粘度、白度、耐破度等物理指标，分析酶的助漂特性。

1.2.5 分析测试

纸浆卡伯值按GB 1546-89进行测定；纸浆粘度采用铜乙二胺法，按照GB 1548-89，用毛细管粘度计进行测定；纸浆白度按GB 8940－88进行测定；裂断长按GB 453－89进行测定；撕裂指数按GB 456－89进行测定；耐破指数按GB 454－89进行测定；二氧化氯、过氧化氢浓度以及漂白残余二氧化氯、过氧化氢按石淑兰等(2003)方法进行测定。

2 结果与讨论 2.1 酶Unikfect 100对纸浆漂白效果的影响

本试验主要针对酶Unikfect 100的酶用量、处理时间、处理浆浓度3个因素进行研究分析，并对经酶处理过的纸浆进行D₁-E_OP-D₂漂白处理，以期找出酶处理的最佳工艺。

D₁段工艺条件为：ClO₂用量1.90%，NaOH用量0.95%，温度75 ℃，浆浓度10%。E_OP段工艺条件为：H₂O₂用量0.5%，NaOH用量2.5%，时间90 min，温度75 ℃，浆浓度10 %，氧压0.4 MPa，MgSO₄用量0.5%。D₂段工艺条件为：ClO₂用量0.4%，NaOH用量0.2 %，温度75 ℃，浆浓度10%。

2.1.1 不同酶用量对纸浆漂白效果的影响

在硫酸盐纸浆生产过程中，木聚糖从原料中溶解进入蒸煮液，然后在加热和强碱条件下，木聚糖部分降解为短链和可溶状态。在蒸煮过程中，随着碱浓度下降，这部分木聚糖在纤维素表面重新沉积，在纤维壁上形成一层低渗透性的膜。这些重新沉淀的木聚糖不易被热或冷的碱液分解，因此纤维壁上的这层低渗透膜在漂白过程中需要更多的化学漂白剂。酶用量的大小对木聚糖的水解作用至关重要，因此进行了不同酶用量对纸浆各项性能影响的研究，结果见表 1及图 1a~e。

从表 1及图 1a可以看出，随着酶用量的增加，漂白竹浆的粘度先升后降，在酶用量为15.0×10^-7 mol·s^-1g^-1达到最大，这可能是在酶用量较低时，由于细小组分的比表面积比较大，易于吸附酶而发生酶解，随着酶用量的继续增加，酶解强度增加，一部分细小组分被酶解除去，从而使得纸浆的粘度上升；随着细小组分含量的降低，由于酶用量的增加，酶解强度增加，此时酶主要作用在纤维表面，在破坏LCC复合体的同时，使纤维表面剥皮，使碳水化合物产生降解，从而导致粘度下降。

从表 1及图 1b可以看出，所漂浆的白度随酶用量的增加而增高，说明碱性木聚糖酶破坏了LCC复合体，使得其中的小分子木素溶出，提高了纸浆的渗透性能，从而提高了纸浆的白度。

从表 1及图 1c、d、e可知，随着酶用量的增加，所漂浆的裂断长、撕裂指数、耐破指数都呈现先升后降的趋势，与纸浆粘度的变化趋势相一致，即在酶用量为15.0×10^-7 mol·s^-1g^-1时各项物理性能均达到最大值。

综上所述，Unikfect 100酶的最佳用量以15.0×10^-7 mol·s^-1g^-1较为适宜。

2.1.2 不同酶处理时间对纸浆漂白效果的影响

酶Unikfect 100主要通过降解半纤维素与木素复合体(LCC复合体)中的木聚糖，使得部分木质素碳链断裂后易于溶出，从而提高化学漂白试剂对纸浆的可漂性，达到辅助漂白的作用。但酶处理时间的长短将影响纸浆的各项性能，因此对酶处理时间进行了摸索研究。结果见表 2及图 2a~e。

从表 2及图 2a可以看出，随着酶处理时间的延长，所漂竹浆的粘度先升后降，在酶处理时间30 min时达到最大。这可能是在酶解初期，由于细小组分的比表面积比较大，易于吸附酶而发生酶解，从而使得纸浆的粘度上升；随着酶解时间的延长，细小组分含量的降低，此时酶主要作用在纤维表面，在降解木聚糖的同时，使纤维表面剥皮，使碳水化合物产生降解，从而导致粘度下降。

从表 2及图 2b可以看出，所漂浆的白度随酶处理时间的延长先升后降，说明在酶解初期碱性木聚糖酶破坏了LCC复合体，提高了纸浆的渗透性能，有利于后续化学漂白药液的渗透，从而提高了纸浆的白度。随着酶处理时间的进一步延长，由于纸浆中酶液浓度下降，部分溶出的木素分子又吸附在纤维表面，使得纸浆的渗透性能略有下降，从而使得所漂浆的白度略有下降。

从表 2及图 2c、d、e可知，随着酶处理时间的延长，所漂浆的裂断长、撕裂指数、耐破指数都呈现先升后降的趋势，与纸浆粘度的变化趋势相一致，但达到最佳点的时间略有不同，裂断长在酶处理时间为50 min时出现转折，撕裂指数和耐破指数在30 min时出现转折。

综合考虑漂白浆的各项物理性能，酶Unikfect 100处理时间以30 min较为适宜。

2.1.3 不同纸浆浓度对纸浆漂白效果的影响

酶Unikfect 100能够从纸浆纤维表面上有选择地去除木聚糖，使木质素容易分离，纸浆的浓度对酶处理时的浓度有影响，为此进行了不同浆浓对酶处理硫酸盐竹浆漂白效果的研究，结果见表 3及图 3a、b、c、d、e。

从表 3及图 3a可以看出，随着纸浆浓度的提高，所漂竹浆的粘度先升后降，在纸浆浓度为4%时达到最大。这可能是纸浆浓度低时，酶的浓度较低，对碳水化合物的降解作用较轻，由于细小组分的比表面积比较大，易于吸附酶而发生酶解，从而使得纸浆的粘度上升；随着浆浓度的提高，酶液的浓度也提高，酶解作用增强，酶对碳水化合物产生一定的降解作用，从而导致粘度下降。

由表 3及图 3b可以看出，随着纸浆浓度的提高，所漂浆的白度先升后降，说明在纸浆浓度较低时(< 4%)，随着纸浆浓度的提高，酶解作用增强，有利于后续漂白化学药液与木素的作用。当纸浆浓度超过4%后，由于浆浓度高时酶液与浆料混合不均匀，酶液对LCC复合体的作用不完全，从而影响了后续的漂白效果。

从表 3及图 3c、d、e可知，随着纸浆浓度的提高，所漂浆的裂断长呈下降趋势，撕裂指数呈上升趋势，而耐破指数先升后降，这可能是随着纸浆浓度的提高，酶解作用增强，因此裂断长逐渐降低；此外由于纸浆中的细小组分首先与酶作用，使得纸浆纤维的均整性得到改善，从而使得所漂浆的撕裂指数逐渐上升。而耐破指数呈现出与裂断长相类似的变化。

根据以上分析，酶Unikfect 100处理浓度以4%较为适宜。

综上所述，酶Unikfect 100最佳的处理工艺条件为：温度65 ℃，pH值9.0，时间30 min，浆浓度4%，酶用量15.0×10^-7mol·s^-1·g^-1。

2.1.4 不同漂白流程对纸浆漂白效果的影响

为了比较酶处理对纸浆漂白效果的影响，选择了2种流程即O-X-D₁-E_OP-D₂、O-D/C-E_OP-D₂，进行了D段及D/C段漂白工艺的比较，同时变化D₁段的ClO₂用量，以比较最终漂白纸浆的白度及强度。结果见表 4及图 4a、b、c、d、e。

从表 4及图 4a可以看出，有酶处理的纸浆白度均高于没有酶处理的纸浆白度，且流程1的纸浆白度最高，达88.0%ISO；流程2D₁段的ClO₂用量降为1.52%，但白度也达到87.6%ISO；流程3采用D/C漂白工艺，漂后纸浆白度为86.7%ISO。说明碱性木聚糖酶的助漂作用明显。

从表 4及图 4b可以看出，流程1及流程2漂后纸浆的粘度相当，均高于流程3纸浆的粘度，说明ClO₂是一种能够选择性氧化木素和色素、而对纤维没有或很少损伤的漂白剂，而Cl₂对碳水化合物降解较严重。

从表 4及图 4c、d、e可以看出，流程1漂白浆的裂断长、撕裂指数、耐破指数最高，其次是流程2的漂白浆，采用D/C漂白工艺的纸浆质量最差。

2.2 木聚糖酶处理氧脱木素浆纤维形态观察

在SEM下观察了氧脱木素浆经木聚糖酶处理前后的浆料纤维形态的变化，结果见图 5。由图 5发现，酶处理前后纤维表面有明显的区别。从酶处理前各种放大倍数的图片看，纤维表面比较光滑，而经过酶处理后，纤维表面毛刺较多，纤维的S₂层就能明显地看出来，纤维由挺硬变得柔软可塑，纤维更为润胀、松软，且有轻微的分层现象。纤维的末端分丝帚化明显使得化学药品容易渗透，有利于后续的漂白。通过SEM观察，可以证明木聚糖酶的处理的确能促进后续化学漂白助剂在纤维中的渗透和扩散，提高漂白效率。

3 小结

酶Unikfect 100的最佳工艺条件是：温度65 ℃，pH值9.0，时间30 min，浆浓度4%，酶用量15×10^-7mol·s^-1g^-1浆。

氧脱木素浆经酶Unikfect 100处理，再经D₁-E_OP-D₂漂白流程处理后，纸浆的性能为白度88.0%ISO，粘度871.0mL·g^-1，裂断长7 320 m，撕裂指数13.5 mN·m^-2 g^-1，耐破指数5.45 kPa·m^-2g^-1。

经酶处理后的纸浆经D₁-E_OP-D₂漂白后，纸浆的白度、粘度、裂断长、撕裂指数、耐破指数均高于没有酶处理的漂白浆；减少D₁段ClO₂的用量，纸浆的白度稍有下降，粘度、撕裂指数与流程1(ClO₂用量为1.9%)的漂白浆相当，裂断长、耐破指数略有下降。

酶处理前后浆的扫描电镜观察表明，木聚糖酶处理过的纸浆纤维比未经木聚糖酶处理的纸浆纤维更加柔软、润胀，部分分丝，暴露了更多的S₂层，证明木聚糖酶有利于纸浆的后续漂白。