刘建祥， 万金泉,*， 马邕文,， 王 艳， 孔凡娇

(1.华南理工大学 制浆造纸工程国家重点实验室，广东 广州 510640；2.华南理工大学 环境与能源学院，广东 广州 510006)



漆酶/谷氨酸体系对旧瓦楞纸箱纤维结构和性能的影响

刘建祥1， 万金泉1,2*， 马邕文1,2， 王 艳2， 孔凡娇1

(1.华南理工大学 制浆造纸工程国家重点实验室，广东 广州 510640；2.华南理工大学 环境与能源学院，广东 广州 510006)

LIU Jianxiang

用漆酶/谷氨酸体系对旧瓦楞纸箱(OCC)纤维进行改性，利用谷氨酸向纸浆中引入羧基基团，探讨漆酶/谷氨酸体系对OCC纤维的微观结构和性能的影响。结果表明：漆酶/谷氨酸体系处理OCC纸浆后含羧基66.7 mmol/g，保水值126%，同空白样相比分别提高了42.8%和22.3%；漆酶催化作用可使部分纤维壁孔发生不可逆关闭和孔径向更小孔径转化，致使纤维BET比表面积增大，平均孔径减小；漆酶协同谷氨酸可催化氧化纤维表面木质素使微细纤维分离出来，暴露出来的微细纤维相互缠绕致使相邻纤维连接更加紧密，湿抗张指数1.65 mN·m/g,干抗张指数34.72 N·m/g，撕裂指数9.14 mN·m2/g分别提高了103.7%、 27.1%和41.9%。

漆酶；谷氨酸；纤维壁孔结构；羧基；抗张强度

废纸纤维已成为造纸原料的重要组成部分，其中旧瓦楞纸箱(OCC)是我国废纸造纸的主要原料之一，根据中国造纸协会调查资料显示，2015年全国瓦楞纸生产量为2 225万吨，占全国纸及纸板总产量的20.77%，而瓦楞纸的消费量达到2 228万吨[1]。目前利用OCC生产包装纸是我国中小型造纸企业的主流方向，而OCC在回用过程中不可避免的会发生性能衰变，导致成纸品质下降，企业中一般采用添加助剂和长纤维原浆来解决这一问题。在制浆造纸工业中生物酶作为一种高效的绿色环保型催化剂应用已越来越广泛，其中的漆酶可用于造纸工业中的制浆、漂白、脱墨、污水处理等方面[2-3]，最近几年国内外研究者开始把对漆酶的研究聚焦到了纤维改性领域。漆酶改性纤维的反应机理是催化氧化纤维原料中的木质素形成苯氧自由基，然后通过自由基交联偶合使木质素聚合，从而使纸浆自身产生胶黏性，或通过迈克尔加成反应与其他低相对分子质量化合物反应，引进特定的化学基团[4-5]。已有的研究表明漆酶可协同氨基酸对纤维原料进行改性，如Witayakran等[6]利用漆酶/氨基酸对硫酸盐针叶木浆进行改性，氨基酸上的氨基可与漆酶催化木质素形成的苯氧自由基发生迈克尔加成反应，增加纸浆中的羧基含量；陈杨梅等[7]利用漆酶/HBT体系处理OCC纸浆，通过增加羧基含量和纤维负电性改善纤维的润胀性以及可塑性来提升强度性能，这些研究都是从宏观上探讨漆酶催化氧化作用对纤维原料的影响，未涉及漆酶对纤维的改性机理及纤维细胞壁孔等微观结构的研究。本实验从微观角度出发，研究漆酶/谷氨酸体系改性处理对OCC纤维结构和性能的影响，利用谷氨酸引进羧基基团，通过分析纤维壁孔结构、纤维质量及形貌、羧基含量、保水值(WRV)和纸浆强度性能等指标，对漆酶催化改性OCC纸浆的微观结构变化进行初步探索，以期为漆酶应用于废纸造纸领域提供理论依据。

1 实 验

1.1 实验原料

旧瓦楞纸(OCC)浆料由广东省东莞某造纸厂提供，在实验室内进行疏解，PFI打浆操作按照Tappi T248wd—1997标准方法，打浆转数2 000转后，实验室测定打浆度为15～18度；漆酶(Lac)，苏柯汉生物工程有限公司；谷氨酸(Glu)，上海伯奥生物科技有限公司。

1.2 实验仪器

PFI打浆机，紫外-可见分光光度计，HH- 4数显恒温水浴锅，JB90-SH型数显恒速强力电动搅拌机，凯塞法自动抄纸系统，卧式湿扩张强度测试仪(EN 12625-5标准)，L&W抗张强度仪，L&W撕裂度仪，电导率仪DDS-307A，TD-5Z台式低速离心机，纤维质量分析仪KajaaniFS300，全自动孔径分布测定仪ASAP2020，Hitachi S-3700N钨灯丝扫描电子显微镜。

1.3 OCC浆料处理

在pH值4.8柠檬酸-磷酸盐缓冲溶液体系中，加入20 g OCC浆料(绝干),漆酶用量为4U/g(相对于绝干浆，下同)，谷氨酸用量为3%，浆浓2%，搅拌速度300 r/min，反应时间为4 h，反应过程中通O2，温度40 ℃。

1.4 纸张制备及性能测定

OCC纤维在凯塞法自动抄纸系统上形成纸页，干燥温度100 ℃，干燥时间15 min，定量80 g/m2。湿抗张强度在卧式湿扩张强度测试仪上按EN 12625-5进行测定，干抗张强度按GB/T 453—1989进行测定，撕裂强度按GB/T 455.1—1989进行测定。纤维保水值(WRV)采用离心法测定，在转速 3 000 r/min 下离心处理15 min，每个浆样同时测定两次，以算术平均值表示结果。

1.5 漆酶活性测定

用紫外-可见分光光度计测定漆酶活性，漆酶活性由2,2′-连氮-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)(ABTS)的氧化确定。漆酶活性定义为1 min催化1 μmol ABTS的酶量为一个酶活单位(U)[8]。在25 ℃，pH值4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液中，测定0.5 mmol/L ABTS与10 g/L待测酶液在420 nm处吸光度的变化。漆酶活力计算以每升酶液所含有的酶活量计，结果测得酶活力为1 680U/L(漆酶催化ABTS形成的产物摩尔吸光系数为ε=3.6×104L/(mol·cm))。

1.6 纤维形态参数测定

采用KajaaniFS300纤维分析仪测定纤维的长度、宽度、粗度和细小纤维含量等纤维特性指标。纤维通过测量腔的速率控制在(100±10)根/秒，测量时浆料配制成0.002%的纤维悬浮液。

1.7 羧基含量测定

采用电导率法测定羧基含量。称取1.5 g绝干浆，在300 mL的0.1 mol/L盐酸中浸泡1 h后，搅拌；之后用不含二氧化碳的去离子水洗涤至电导率稳定，用布氏漏斗抽滤后，把浆分散于 250 mL 的0.001 mol/L NaCl溶液中，加入1.5 mL的0.1 mol/L盐酸进行酸化，用玻璃纸密封，插入氮气通气管和电导率仪电极。在氮气环境和电磁搅拌下用0.05 mol/L NaOH标准溶液进行滴定(50 μL移液枪)，并记下每次滴定的电导率，当滴定终点的电导率与滴定开始的电导率相同或相近[9-10]时确定滴定终点，计算公式为：

式中：W—COOH—含羧基量，mmol/kg；V1—第一等当点NaOH溶液体积，mL；V2—第二等当点NaOH溶液体积，mL；c—NaOH溶液浓度，mol/L；m—试样绝干质量，g。

计算时，以电导率为纵坐标，以消耗的氢氧化钠溶液的体积为横坐标作图，对滴定曲线做切线和水平切线，切线第一个交点即为氢氧根离子开始中和与羧基结合的氢离子的点(第一等当点)，切线第二个交点即为纸浆悬浮液中与羧基结合的氢离子全部被中和完毕的点(第二等当点)。

1.8 纤维细胞壁孔结构测定

采用全自动孔径分布测定仪(ASAP2020)，利用低温氮吸附法快速测出纤维BET比表面积、孔径、孔容及平均孔径分布。样品在测试前利用冷冻干燥除去纤维内的自由水，同时保护纤维孔结构不被破坏，采用高纯N2作为吸附质，在77K的液氮冷阱环境下用静态容量法对高纯N2进行吸附-脱附测定。

1.9 SEM纤维形貌测定

采用日本HitachiS-3700N钨灯丝扫描电子显微镜观察纤维表面形态。在测试之前，试样通过离子溅射进行镀金处理，使用气体二次电子探测器(GSED)，加速电压10 kV，之后对纸张形貌进行观察和分析，图像放大倍数为3 000倍。

2 结果与讨论

2.1 纤维性质分析

OCC浆经漆酶及漆酶/谷氨酸体系处理后的纤维形态参数变化见表1。纤维长度、宽度和细小纤维含量都没有发生明显的变化，说明处理过程中，并未发生纤维的断裂，与空白样相比纤维粗度变大，说明漆酶协同谷氨酸处理不仅仅发生在纤维表面，还涉及到纤维内部，水分子进入纤维内部使其发生润胀导致纤维质量增加，从而引起纤维粗度的增大；同时经上述两种方法处理后，纤维扭结指数变化显著，原因是漆酶可催化氧化纤维表面上的木质素，在反应区域纤维容易发生转折，因而仅漆酶处理时纤维扭结指数增大，谷氨酸的加入，可改变纤维电荷，促进纤维润胀，使纤维趋向于平直，导致纤维扭结指数减少。

表1 OCC浆漆酶/谷氨酸体系处理后的纤维形态参数

1)ll:质量平均纤维长度weightedaverage fiber length;lw:二重质量平均纤维长度weight-weightedaverage fiber length

2.2 浆料的羧基含量和保水值

本研究利用漆酶催化连接谷氨酸的方法向纸浆中引进羧基基团，羧基能增加纤维的润胀性、柔软性以及负电性，进一步增强纤维的成键能力[11]。由表2可知，单独加入谷氨酸基本不会影响纸浆中的羧

表2 漆酶/谷氨酸体系对纸浆羧基含量和保水值的影响

基含量，说明在现有反应条件下，谷氨酸不能与纤维原料中的组分反应；漆酶处理OCC纸浆时可提高纸浆中的羧基含量，同空白样相比提高了14.1%，原因是漆酶可催化氧化木质素侧链末端羟基转变为羧基；漆酶协同谷氨酸处理纸浆时，可显著提高纸浆中羧基含量，同空白样相比提高了42.8%，原因是漆酶可氧化木质素为苯氧自由基，氨基酸上的氨基可与苯氧自由基发生迈克尔加成反应将谷氨酸连接其上，谷氨酸带来的大量羧基使纸浆中的羧基含量大幅度提高。对经漆酶、漆酶/谷氨酸体系处理后的纤维保水值进行测定，与空白样相比分别提升了14.6%和22.3%，纤维保水值的增加在佐证纸浆羧基含量增加的同时也合理解释了后续纸浆强度性能的增强。

2.3 纤维形貌分析

图1是纤维的SEM图像。

图1 漆酶/谷氨酸对OCC纤维表面影响形态特征图

从图1中可以清晰地看出纤维形态的变化，未用漆酶处理的OCC纤维表面相对光滑硬挺，纤维之间只是简单的缠绕；经漆酶处理后纤维表面变得皱褶起绒毛，游离于纤维表面的细纤维比未处理的OCC纤维增多，纤维表面细纤维化明显，原因是纤维表面上的木质素被漆酶催化氧化，微细纤维从纤维表面上分离出来，暴露出来的微细纤维相互缠绕致使相邻纤维连接更加紧密[10]；谷氨酸的加入不会使细纤维化程度进一步加强，说明纤维表面凸出的微细纤维仅是漆酶作用的结果，根据漆酶改性纤维的反应机理，漆酶协同谷氨酸处理OCC纸浆后，漆酶催化氧化纤维原料中的木质素形成苯氧自由基，自由基之间发生交联偶合以及谷氨酸中的氨基与苯氧自由基发生迈克尔加成反应，两者共同作用使相邻纤维形成更好的结合力，这也合理解释了后续纸浆强度性能的提升。

2.4 纤维细胞壁孔结构分析

纤维细胞壁孔径和孔容大小会影响纤维的弹性模量和纤维吸附化学添加剂的能力[12]。

图2 漆酶改性前后OCC纤维孔容和孔径大小分布Fig.2 Fiber pore volume and size distribution of OCC fibers before and after laccase catalytion

图2显示OCC纤维细胞壁孔径主要分布在2～250 nm之间，经漆酶处理后，同一孔径区域内，纤维壁孔的孔容减少，说明相应孔径区域内纤维壁孔的数量减少即部分纤维壁孔发生不可逆关闭或孔径向更小的孔径转化；漆酶/谷氨酸体系处理纸浆时，相应孔径区域内纤维壁孔容又有所增加，但依然没有空白样的大，说明谷氨酸可影响细胞壁孔容的分布。

纤维比表面积的变化对纸浆和成纸性能有重要影响：一是影响纸机网部的滤水速度，纸浆纤维的比表面积越大，则纸机网部的滤水速度越慢；二是在纸页成形过程中有利于纤维的结合，纤维的细纤维化程度高，使纤维露出更多的细纤维，从而提高纤维间的交织能力，纤维的比表面积增大，游离出更多的羟基，促进纤维表面的吸水性能，这样在抄纸干燥过程中就能在相邻纤维之间产生更多的氢键而使成纸具有较高的强度。

从表3数据可以看出，经漆酶处理后，纤维BET比表面积增大，平均孔径减小，一方面是纤维表面上的木质素被漆酶催化氧化使微细纤维从纤维表面上分离出来，另一方面细胞壁孔径向更小的孔径转化；漆酶/谷氨酸体系处理纸浆时，谷氨酸带来的大量羧基能够有效地提高纤维的润胀性和柔韧性致使某些小孔消失，导致比表面积下降，平均孔径增大。

表3 漆酶催化对OCC纸浆BET比表面积和平均孔径的影响

2.5 漆酶催化对纸浆强度性能的影响

由表4数据可以看出，与未处理的OCC纸浆相比，漆酶、漆酶/谷氨酸体系处理可明显提升纸浆的湿抗张指数、干抗张指数和撕裂指数，单独利用漆酶处理纸浆时湿抗张指数、干抗张指数、撕裂指数分别提高了75.3%、19.0%和37.0%，漆酶/谷氨酸共同处理后，其湿抗张指数、干抗张指数和撕裂指数与仅漆酶处理相比又分别提高了16.2%、 6.8%和3.6%，可见，谷氨酸的加入可大幅度提升纸浆湿强度性能，但对干抗张强度和撕裂强度的提升不明显，是因为纸浆的干抗张主要由相邻纤维间的氢键结合造成的，而湿强度主要源于纤维中共价键和离子键的形成[13]，谷氨酸的加入增加了纸浆中的羧基含量，提高了纤维润胀性和负电性，引起了纸浆湿强度的大幅度提升，这样可在纤维成形、压榨、干燥过程中减少纸幅的断头次数。

表4 漆酶/谷氨酸体系处理对OCC纸浆性能的影响

3 结 论

3.1 采用漆酶/谷氨酸体系对旧瓦楞纸(OCC)纤维进行改性，探讨漆酶/谷氨酸体系对OCC纤维的微观结构变化的影响，结果显示：纸浆中羧基含量和纤维保水值显著提高，同空白样相比分别提高了42.8%和22.3%；羧基可改变纤维电荷，促进纤维润胀，引起纤维粗度增加，同时纤维趋向于平直，纤维扭结指数减少。

3.2 OCC纤维细胞壁孔径主要分布在2～250 nm之间，漆酶作用下部分纤维壁孔发生不可逆关闭和孔径向更小的孔径转化，而谷氨酸带来的大量羧基有效地提高纤维的润胀性和柔韧性致使部分小孔消失，导致BET比表面积下降，平均孔径增大。

3.3 漆酶协同谷氨酸处理OCC纸浆后湿抗张指数、干抗张指数、撕裂指数分别提高了103.7%、 27.1%和41.9%，谷氨酸的加入可大幅度提升纸浆湿强度性能，但对其他强度性能的提升作用不是特别的明显。

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Influence of Laccase/Glutamic Acid System on Structure and Properties of Old Corrugated Containers Fiber

LIU Jianxiang1， WAN Jinquan1,2， MA Yongwen1,2， WANG Yan2， KONG Fanjiao1

(1.State Key Lab of Pulp and Paper Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China;2.College of Environment and Energy， South China University of Technology， Guangzhou 510006， China)

The old corrugated containers(OCC) fiber was modified by laccase/glutamic acid system to introduce the carboxyl group onto the pulp. The influence of laccase/glutamic acid system on the microstructure and properties of OCC fiber were investigated. It was found that the carboxyl group content and water retention value(WRV) of OCC treated by laccase/glutamic acid were 66.7 mmol/kg,126%, increased by 42.8% and 22.3% compared to that of the control pulp. Moreover,laccase catalytic oxidation was positive to increase the BET specific surface area, and meanwhile the average pore width was decreased due to the irreversible closure of the cellulose pore and the transformation of the pore size. The results also showed that the microfibers were exposed by laccase/glutamic acid system catalytic due to the oxidation of lignin on the surface of fiber, and it led to form better bonding between fibers in handsheets which resulted in the increase of wet tensile strength(1.65 mN·m/g), dry tensile strength(34.72 N·m/g) and tear strength(9.14 mN·m2/g) by 103.7%, 27.1%, 41.9%, respectively.

laccase; glutamic acid; fiber pore morphology; carboxyl group; tensile strength

10.3969/j.issn.0253-2417.2017.03.009

2016- 08-31

国家自然科学基金资助项目(31570568)；制浆造纸工程国家重点实验室开放基金(201535)；广东省科技计划项目(2016A020221005)

刘建祥(1990— )，男，山东临沂人，硕士生，主要从事漆酶对纤维原料改性机理方面的研究；E-mail: ljxiang68@163.com

TQ35

A

0253-2417(2017)03- 0067-06

刘建祥，万金泉，马邕文，等.漆酶/谷氨酸体系对旧瓦楞纸箱纤维结构和性能的影响[J].林产化学与工业，2017，37(3)：67-72.

*通讯作者：万金泉，教授，博士，主要从事植物资源化工过程污染控制方面的研究。