纤维素酶与木聚糖酶对混合办公废纸脱墨效果的研究

訾连子，曹云峰，丁少军

（南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京　210037）

纤维素酶与木聚糖酶对混合办公废纸脱墨效果的研究

訾连子，曹云峰，丁少军

（南京林业大学 江苏省制浆造纸科学与技术重点实验室，江苏 南京210037）

分别用纤维素酶、木聚糖酶以及二者混合酶对混合办公废纸（MOW）进行酶法脱墨。研究发现：纤维素酶最佳处理条件为酶用量1.2 IU/g，pH=7.0，酶处理时间45 min，脱墨温度45℃；木聚糖酶最佳处理条件为酶用量1.2 IU/g，pH=7.0，酶处理时间60 min，脱墨温度45℃；混合酶最佳处理条件为V（木聚糖酶）∶V（纤维素酶）=2∶3，pH=7.0，酶处理时间60 min，脱墨温度55℃；同时发现混合酶脱墨效果明显好于木聚糖酶，但不一定好于纤维素酶；纤维素酶脱墨可获得较好的脱墨效果。

纤维素酶；木聚糖酶；混合酶；脱墨；混合办公废纸

随着人们消费水平的提高，尤其进入21世纪以来，纸张的需求量越来越大，极大地促进了我国造纸工业的发展，但我国是森林资源贫乏国家，因此，开发利用废纸再生显得越为重要。传统的化学法脱墨，不但需要消耗大量的化学品，导致严重的水体污染，而且还存在脱墨浆的白度较低等问题，因此需要深入研究新的脱墨方法，生物酶法脱墨就是一种较热门的脱墨新方法。

据文献报道，纤维素酶和木聚糖酶都是以改变油墨粒子附近的纤维表面或连接价键脱出油墨粒子来脱除油墨。在相同的酶用量下，纤维素酶的脱墨效果优于木聚糖酶，但对纤维的损伤程度往往大于木聚糖酶，对浆料的强度不利；木聚糖酶脱墨效果稍差，但对浆料的强度影响较小［1］。最佳方法是将这2种酶混合起来进行废纸脱墨，充分利用二者的互补作用和协同作用［2］。

本文重点研究了纤维素酶、木聚糖酶以及它们的混合酶对混合办公废纸（MOW）的脱墨效果。

1　酶活测定

本实验中酶活测定采用Smogyi-Nelsonl方法（下面以纤维素酶酶活测定为例来说明）。

Nelson试剂含 3 g（NH4）6Mo24·4H2O、25 g Na2HAsO4·7H2O和 21 mL浓 H2SO4（总体积定容至500 mL）。Somagyi试剂含 4 g CuSO4·5H2O、24 g Na2CO3、16 g NaHCO3、12 g C4O6H2KNa·4H2O和180 g Na2SO4（总体积定容至1 L）。

1.5mL反应体系中含1.0 mL pH=7.5的0.1 mol/L K2HPO4-KH2PO4缓冲溶液、0.4 mL 2%CMC-Na（底物）和0.1 mL分别稀释一定倍数的纤维素酶液。先将此1.5 mL反应体系置于50℃恒温水浴中加热30 min，然后向其中分别加入0.5 mL Somagyi试剂，在100℃恒温水浴中煮沸15 min，然后取出来冷却至室温，向其中加入0.5 mL Nelson试剂，静置20 min，再在离心机中以1 000 r/min转速离心10 min后，取200 μL上清液，在520 nm下测其吸光度值（A）。

测出来的吸光度值A要按照葡萄糖标准曲线查出对应的葡萄糖含量，然后按照如下公式［3］计算出纤维素酶酶活：

木聚糖酶酶活的测定与纤维素酶酶活的测定过程相同。但所用的缓冲液为pH=7.0的柠檬酸缓冲液，降解的底物为0.5%的榉木木聚糖（Beechwood）。反应生成的木糖量可根据木聚糖标准曲线查出，然后按照如下公式计算出木聚糖酶酶活：

2　酶法脱墨

2.1酶处理

原料为MOW，用ZQS 2型打浆机打浆后，离心甩干，并分散均匀，浆料装入塑料袋中平衡水分2～3 d。称取10 g绝干浆于塑料袋中，加入酶、缓冲溶液和水，使浓度为10%，并将塑料袋放入恒温水浴中，每隔几分钟搓揉1次，使之充分混合均匀，酶处理完成后，将其放入温度100℃水浴中将酶灭活。

2.2浮选

将酶处理后的废纸浆加水稀释到浓度为1%；同时，加入相当于绝干浆0.2%的表面活性剂（AEO 12），用自制浮选器浮选15 min；将浮选后的浆料浓缩、分散，并将浆料装入塑料袋中平衡水分2～3 d，留作抄纸用。

2.3抄纸和纸页性能测定

将浮选后的废纸浆用ZQJ 1-B型抄纸机进行抄片，定量为60 g/m2，然后采用白度测定仪（YQ-Z-48A）测定纸页白度，Auto-spec尘埃度仪（Dan Bell公司）扫描测定油墨量。

3　结果与讨论

3.1酶用量的影响

3.1.1纤维素酶（EGI）酶用量对脱墨效果的影响

设定纤维素酶用量分别为0.0、0.4、0.8、1.2和1.6 IU/g（对绝干浆），脱墨浓度10%，脱墨温度45℃，脱墨pH为7.0，脱墨时间45 min。实验结果见图1所示。

图1　纤维素酶不同酶用量下的脱墨效果

由图1可见，适当提高酶的用量有助于提高脱墨浆的白度；但酶用量过高，抄成纸页的白度出现下降趋势，残余油墨点数也出现上升趋势，脱墨效果下降。这可能是因为酶用量过高，酶对废纸浆的作用过于强烈，导致油墨粒子过度分散而变得细小，浮选时细小的油墨粒子容易被纤维“回吸”，因而脱墨效果下降，而且生产成本也会随着酶用量的增大而增加；可见，纤维素酶用量在1.2 IU/g时脱墨后纸的白度最高，油墨点数最少，所以此时脱墨效果最好。

3.1.2木聚糖酶（Xyn）酶用量对脱墨效果的影响

设定木聚糖酶用量分别为0.0、0.4、0.8、1.2和1.6IU/g（对绝干浆），脱墨浓度10%，脱墨温度45℃，脱墨pH为7.0，脱墨时间45 min。实验结果如图2所示。

图2　木聚糖酶在不同酶用量下的脱墨效果

由图2可知，木聚糖酶在酶用量为1.2 IU/g时脱墨后抄成纸页的白度最高；在酶用量为0.8 IU/g时油墨点数最少，但在酶用量为0.8 IU/g时白度略低于1.2 IU/g时的白度；所以综合考虑最佳酶用量为1.2 IU/g，木聚糖酶的脱墨效果最好。

3.1.3混合酶用于MOW脱墨

由于作用机理的差别，木聚糖酶和纤维素酶用于脱墨各有利弊，不同的酶有不同的作用特点［4-5］。有研究表明，在相同的酶用量下，纤维素酶的脱墨效果优于木聚糖酶，但纤维素酶会导致纸浆中纤维的降解，影响脱墨后纸浆的强度，木聚糖酶脱墨效果稍差但强度所受影响较小［6］。为了得到白度、强度俱佳的脱墨浆料，需要进一步研究2种酶混合脱墨的效果。

控制酶总量为1 IU/g（对绝干浆），设定V（木聚糖酶）∶V（纤维素酶）分别为5∶0、4∶1、3∶2、2∶3和1∶4，脱墨浓度10%，脱墨温度45℃，pH为7.0，脱墨时间45 min。实验结果如图3所示。

图3　混合酶在不同复配比例下的脱墨效果

由图3发现，在V（木聚糖酶）∶V（纤维素酶）= 2∶3时，抄成纸页的白度最高，油墨点数最少，所以脱墨效果最好。在达到最佳复配比例之前随着纤维素酶所占比例增加，脱墨后纸张白度逐渐升高，油墨点数逐渐减少，但在达到最佳复配比例后脱墨效果反而变差。所以，V（木聚糖酶）∶V（纤维素酶）=2∶3为适宜的复配比。

3.2脱墨效果的其他影响因素

在纤维素酶和木聚糖酶各自的最佳酶用量以及混合酶最佳复配比例下，探讨3种酶各自的最佳脱墨pH、脱墨温度和脱墨时间。

3.2.1脱墨pH对3种酶脱墨效果的影响

在各自最佳酶用量或最佳复配比例下，设定脱墨pH分别为6.0、6.5、7.0、7.5和8.0，脱墨浓度10%，脱墨温度45℃，脱墨时间45 min。实验结果如图4和图5所示。

图4　脱墨pH对白度的影响

图5　脱墨pH对残余油墨点数的影响

由图4可见，木聚糖酶和纤维素酶复配得到的混合酶脱墨后抄成纸页白度最高，在pH为7.0时达到最高白度，纤维素酶处理后纸页白度其次，木聚糖酶脱墨后纸页白度最低。由图5可见，木聚糖酶脱墨后纸页残余油墨点数最多，混合酶处理后纸页残余油墨点数其次，纤维素酶处理后抄成的纸页残余油墨点数最少。

每种酶都有其最适pH，在这个最适pH下，酶的活力最高。由图4和图5可知，中性条件下酶法脱墨效果较好，pH过高或过低都会降低相对酶活力，从而影响脱墨效果，所以3种酶都是在pH为7的中性条件下脱墨效果最好。

3.2.2脱墨温度对3种酶脱墨效果的影响

在各自最佳酶用量或最佳复配比例下，设定脱墨温度分别为40、45、50、55和60℃，脱墨浓度10%，pH为7.0，脱墨时间45 min。实验结果如图6和图7所示。

图6　脱墨温度对白度的影响

图7　脱墨温度对残余油墨点数的影响

由图6可见，纤维素酶脱墨后纸页白度最高，且在脱墨温度为45℃时白度最高，再升高温度白度反而降低；混合酶脱墨后纸页白度其次，木聚糖酶脱墨后纸页白度最低；随着脱墨温度的升高，纤维素酶、木聚糖酶单独脱墨后的白度基本呈下降趋势，而纤维素酶和木聚糖酶混合酶脱墨后的白度基本呈上升趋势。由图7可见，纤维素酶脱墨后纸页残余油墨点数最少，在45℃左右油墨点数最少，混合酶脱墨后纸页残余油墨其次，木聚糖酶脱墨后纸页残余油墨点数最多。

当酶在各自最适宜的温度下酶活达到最高，此时脱墨效果最好。温度从2方面影响着酶催化反应的速率。一方面升高温度有助于酶的催化速度提升，但另一方面较高的温度会导致酶变性失活。由实验可见，控制酶的脱墨温度在40～50℃时脱墨效果最好。

3.2.3脱墨时间对3种酶脱墨效果的影响

在各自最佳酶用量或最佳复配比例下，设定脱墨时间分别为15、30、45、60和75 min，脱墨浓度10%，pH为7.0，脱墨温度45℃。实验结果如图8和图9所示。

图8　脱墨时间对白度的影响

图9　脱墨时间对残余油墨点数的影响

由图8可见，纤维素酶脱墨后纸页白度较高，并且在45 min时达到最高白度，木聚糖酶和混合酶脱墨后抄成的纸页都在60 min时白度最高，但仍低于纤维素酶在脱墨45 min时的白度。由图9可见，纤维素酶和混合酶脱墨后纸页残余油墨点数明显少于木聚糖酶，并且在脱墨时间45～60 min范围内残余油墨点数最少。

由于被脱除的油墨颗粒可能会再次被纤维回吸，并且脱墨时间越长，油墨粒子被纤维重新吸附的概率越大，所以在脱墨达到一定时间后，脱墨效果反而变差，所以要控制脱墨时间。

由于MOW里含有较难脱墨的静电复印纸和激光打印废纸，所以脱墨时间要适当地延长，以保证废纸纤维中夹带的油墨粒子尽可能地被脱除。由图8和图9可见，MOW酶法脱墨的时间控制在45～60 min为宜。

综上可知，纤维素酶脱墨的最佳条件为，酶用量为1.2 IU/g，pH=7.0，温度为45℃，酶处理时间为45 min。木聚糖酶最佳脱墨条件为酶用量1.2 IU/g，pH= 7.0，温度为45℃，酶处理时间为60 min。混合酶最佳脱墨条件为V（木聚糖酶）∶V（纤维素酶）=2∶3，pH= 7.0，温度在55℃，酶处理时间为60 min。混合酶的脱墨效果与Prasad［7-8］和秦梦华［9-10］等人的研究结果基本一致。

4　结论

由于生物酶法脱墨相比传统化学法脱墨具有对水体污染较小等优点，通过纤维素酶、木聚糖酶和二者的混合酶分别对混合办公废纸脱墨研究发现，3种酶脱墨适宜的pH为7.0，脱墨时间为45～60 min，温度为40～50℃，纤维素酶和木聚糖酶的最佳用量都为1.2 IU/g，混合酶中木聚糖酶与纤维素酶最佳复配体积比为2∶3。另外，混合酶脱墨效果不一定好于纤维素酶，纤维素酶脱墨即可得到较好的脱墨效果，但是混合酶和纤维素酶的脱墨效果都明显好于木聚糖酶。

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［3］李宗全，秦梦华.纤维素酶用于混合办公废纸酶法脱墨的研究［J］.中国造纸学报，2002，17（2）：41-45.

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［5］任淑华，祝光.混合办公废纸酶法脱墨的研究［J］.黑龙江造纸，2011，39（4）：13-17.

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The Study on the Effect of Cellulase and Xylanase Used for MOW Deinking

Single cellulase，xylanase and the mixed enzyme of them were used for mixed office waste（MOW）deinking，the whiteness and residual ink points of the paper made after deinking were tested to compare their deinking effect. The study found that the best treatment conditions of cellulase was 1.2 IU/g for dosage，pH=7.0，enzymatic treatment time was 45 min，temperature 45℃；the optimum processing conditions of xylanase was 1.2 IU/g for dosage，pH=7.0，enzymatic treatment time was 60 min，temperature 45℃；the optimum processing conditions of mixed enzyme was that the ratio of xylanase with cellulase was 2∶3，pH=7.0，enzymatic treatment time was 60 min，deinking temperature 55℃.The study found that the effect of mixed enzyme is far better than xylanase，but not necessarily better than cellulase，single cellulose deinking can also obtain good deinking effect.

cellulose；xylanase；mixed enzyme；deinking；mixed office waste（MOW）

TS724

A

1007-2225（2015）01-0005-05

ZI Lian-zi，CAO Yun-feng，DING Shao-jun
（Jiangsu Provincial Key Laboratory of Pulp and Paper Science and Technology，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China）

訾连子女士（1989-），在读硕士研究生；研究方向：制浆造纸工程；E-mail：1093715368@qq.com。

曹云峰先生，教授，博士，博士生导师；研究方向：制浆造纸与清洁生产；E-mail：yunfcao@163，com。

2014-11-12（修回）

国家自然科学基金（31270628）；江苏省高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）

本文文献格式：訾连子，曹云峰，丁少军．纤维素酶与木聚糖酶对混合办公废纸脱墨效果的研究［J］．造纸化学品，2015，27（1）∶5-9．