张志礼 吕文康 张福龙 庞志强 李凤凤

(齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术省部共建教育部重点实验室，山东 济南，250353)

酶预处理制备化机浆具有能耗低，环境压力小，耗碱量低等优点。我国作为一个农业大国，稻草产量每年超过2亿t，稻草产量高，生产周期短，发展稻草生物酶预处理化机浆对企业来说具有明显的优势[1-2］。因此，本实验对稻草酶预处理化机浆工艺进行研究探讨，为企业实际生产过程中提高纸浆质量，降低生产成本提供一定的理论依据。

1 实验

1.1 原料

稻草:取自山东某造纸厂，经膨化处理，平衡水分备用。

生物酶:木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶。

1.2 实验

1.2.1 木聚糖酶预处理

温度60℃，pH值9.0，时间120 min，浆浓10%。

1.2.2 化学处理

改变 NaOH、H2O2用量，EDTA用量 0.2%，Na2SiO3用量 2.0%，MgSO4用量 0.05%，浆浓10%，温度70℃，时间90 min。

1.2.3 磨浆

采用日本KRK高浓磨浆机，浓度为20%～25%，主轴转速3000 r/min。三段磨浆，磨浆间隙分别为0.50、0.30、0.15 mm。消潜:浆浓2.0%，温度80℃，时间30 min。

1.2.4 打浆、抄片

采用日本PFI磨打浆处理，浆浓10%，打浆间隙0.18 mm，打浆压力3.4 N/mm，打浆度 (34±3)OSR。采用凯塞快速抄片器抄造手抄片。

1.2.5 检测

纸张物理强度等指标均参考相关国家标准进行检测。

2 结果与讨论

2.1 木聚糖酶预处理对稻草化机浆性能的影响

选取木聚糖酶对稻草进行预处理[3-5］，得出较佳的酶用量。实验流程:酶预处理→洗涤→化学处理→三段磨浆→消潜→打浆→抄片→检测。

酶用量对稻草化机浆性能的影响见表1。由表1可知，与未经酶预处理的浆相比，酶预处理后白度提高。当酶用量为30 IU/g时，白度提高1.2个百分点，但当酶用量为40 IU/g时白度有所降低，其原因可能是此时纤维表面产生更多的细小纤维，暴露出更多的发色基团。酶用量对不透明度影响不是很明显，而对纸浆物理强度而言，当酶用量为30 IU/g时效果较佳，此时，裂断长提高18.2%，撕裂指数提高19.1%。综上，木聚糖酶的较佳用量为30 IU/g。

2.2 NaOH处理和低温磺化处理对木聚糖酶预处理效果的影响

在酶预处理前进行化学预处理，促使稻草表面出现较多的微孔，利于酶液侵入到原料内部，提高酶的作用效率。常用的化学方法主要是NaOH处理及低温磺化处理，其中低温磺化主要考虑原料经膨化后部分半纤维素溶出，纤维结构柔软，药品易于渗透，且木素含有大量H型木素在碱的作用下能够实现磺化改性。处理流程:膨化→NaOH处理 (或低温磺化处理)→木聚糖酶预处理→磨浆→消潜→打浆→抄片→检测。其中 NaOH用量分别为5.0%、6.0%、7.0%、8.0%;低温磺化处理条件:①NaOH用量1.5%，Na2SO3用量3.5%;②NaOH用量 2.0%，Na2SO3用量5.0%;③NaOH用量2.5%，Na2SO3用量7.0%;④NaOH用量3.0%，Na2SO3用量9.0%。实验结果见表2、表3和表4。

表1 酶用量对稻草化机浆性能影响

表2 NaOH处理对酶预处理效果的影响

表3 低温磺化处理对酶预处理效果的影响

表4 NaOH处理和低温磺化处理对纤维质量的影响

由表2可知，随着NaOH用量的提高，纸浆的白度和不透明度逐渐降低，对光散射及光吸收系数影响不是很明显，裂断长随NaOH用量的增加逐步提高，在NaOH用量为6%时，撕裂指数取得最大值。NaOH用量低时纸浆强度低，但当NaOH用量高时纸浆的白度降低，因此NaOH较佳的用量在6%左右。

由表3可知，随着碱用量的增加，纸浆白度呈现下降趋势，而裂断长及撕裂指数呈增加趋势。当NaOH用量为3.0%，Na2SO3为9.0%时，纸浆物理强度较好。由表3和表4可知，NaOH处理比低温磺化处理利于提高纸浆的物理强度。因此，采用NaOH处理更利于提高木聚糖酶预处理的效果。

由表4可知，NaOH处理后细小纤维含量降低，纤维的弯曲指数和扭结指数略微提高，纤维的宽度有所降低。此外，NaOH处理后纤维平均长度增加，利于纤维间相互结合，提高纸浆强度。

2.3 木聚糖酶预处理位置的选取

在优化酶预处理和化学处理技术参数的基础上，优化了酶预处理的位置。其中NaOH用量6.0%，酶用量30 IU/g浆。实验流程和实验结果见表5、表6和表7。

表5 木聚糖酶预处理位置的选取

酶预处理位置对纸浆的光学性能影响不是很大，比较1、2组实验可知，在NaOH处理前应用木聚糖酶预处理效果较好，这是因为生物酶的分子质量较大，很难进入原料内部，化学预处理可以溶解部分低分子质量部分，提高酶的作用效率。分析3、4组实验可以发现，在两段磨浆后应用木聚糖酶预处理效果比一段前应用好，两段磨浆后暴露出更多的细小纤维及微孔，利于酶液的浸入。但与1组实验相比，4组实验纸浆强度较低，因此酶预处理位于化学处理前对制浆意义较大。

表6 酶处理位置对预处理效果的影响

由表7可知，在化学处理前应用木聚糖酶预处理时纤维平均长度增加，这利于成纸时纤维交织点增多，提高纸浆强度。酶预处理后纤维柔软，从而降低了磨浆过程中纤维的过度切断，降低细小纤维含量。综上，酶预处理位置位于NaOH处理前效果较好。

表7 酶处理位置对纤维质量的影响

2.4 与其他木质纤维素酶复配预处理对稻草化机浆性能的影响

多种木质纤维素酶的复配使用，有利于降低某种价格相对较高的酶的用量从而在取得相同效果的前提下降低生产成本。采用木聚糖酶、纤维素酶及果胶酶复配预处理，流程为:膨化→酶预处理→NaOH处理→磨浆→消潜→打浆→抄片→检测。酶制剂组成和实验结果见表8和表9。

表8 酶制剂组成

由表9可知，当控制木聚糖用量为20 IU/g浆时，白度、耐破指数、裂断长随纤维酶用量的增加先增加后减小，但对环压指数来说呈现下降趋势，当只有纤维素酶与木聚糖酶复配，纤维酶用量为10 IU/g时，撕裂指数取得最大值4.44 mN·m2/g，因此就木聚糖酶与纤维酶复配效果来说，较佳的比例为木聚糖∶纤维素酶=2∶1。果胶酶与木聚糖酶和纤维素酶复配使用利于提高纸浆白度，在果胶酶用量低于15 IU/g浆时，对耐破指数、裂断长等有利;当果胶酶用量为20 IU/g浆时白度虽继续提高，但纸浆强度呈现下降趋势。因此木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶复配使用较佳的用量分别是20 IU/g浆、10 IU/g浆、15 IU/g浆。

表9 其他木质纤维素酶复配对预处理效果的影响

3 结论

3.1 木聚糖酶较佳的用量为30 IU/g浆，此时相应纸浆的物理性能优良，纸浆抗张强度和撕裂强度较高。

3.2 与低温磺化处理相比，NaOH处理更利于提高木聚糖酶的预处理效果。

3.3 化学处理前应用木聚糖酶预处理意义较大，此时经过木聚糖酶预处理后原料表面出现较多的微孔，便于药液进入原料内部与木素等成分作用，提高药品单位时间内的作用效率。

3.4 木聚糖酶、纤维素酶和果胶酶复配使用较佳的用量分别是20 IU/g浆、10 IU/g浆、15 IU/g浆。

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