1纖維素酶的組成及酶解機(jī)理

1.1纖維素酶的組成

纖維素酶是由許多具有高協(xié)同作用的水解酶組成的.習(xí)慣上將纖維素酶分成三種主要成分:(1)外切型葡聚糖酶:(EC3.2.1.91,也稱C1酶,1.4-β-D-GlucanCellobiohydrolase或Exo-1,4-β-D-Glucanase,來(lái)自真菌簡(jiǎn)稱CBH,來(lái)自細(xì)菌簡(jiǎn)稱Cex);(2)內(nèi)切型葡聚糖(EC3.2.1.4,Endoglucanase,也稱Cx酶,1,4-β-D-GlucanGiucanohydrolase或End-1,4-β-D-Glucanase,來(lái)自真菌簡(jiǎn)稱EG,來(lái)自細(xì)菌簡(jiǎn)稱Len);(3)β-葡聚糖苷酶(EC3.2.1.21,也稱纖維二糖酶,β-1,4-Glucosidase,簡(jiǎn)稱BG)[1]。內(nèi)切葡聚糖酶隨機(jī)切割纖維素多糖鏈內(nèi)部的無(wú)定性區(qū),產(chǎn)生不同長(zhǎng)度的寡糖和新鏈的末端.外切葡聚糖酶作用于這些還原性和非還原性的纖維素多糖鏈的末端,釋放葡萄糖(葡聚糖水解酶)或纖維二糖(纖維二糖水解酶)。外切葡聚糖酶還能作用于微晶纖維素,原因可能是其能從微晶纖維素的結(jié)構(gòu)中驅(qū)除纖維素鏈.葡萄糖苷酶水解可溶的纖維糊精和纖維二糖產(chǎn)生葡萄糖[2]。

1.2纖維素的酶解機(jī)理

各國(guó)學(xué)者經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的研究,在確認(rèn)纖維素酶組成的基礎(chǔ)上,提出了纖維素酶降解天然纖維素的機(jī)理,認(rèn)為天然纖維素的降解是CBH酶、EG酶和纖維二糖酶協(xié)同作用的結(jié)果。首先是由EG酶進(jìn)攻結(jié)晶纖維素,隨機(jī)地破壞分子間的氫鍵和β-1,4化學(xué)鍵,切短纖維素鏈,松馳纖維結(jié)構(gòu),然后纖維素在EG酶和CBH酶聯(lián)合作用下,結(jié)晶結(jié)構(gòu)破壞,水解生成纖維二糖,最后纖維二糖酶將生成的纖維二糖水解成葡萄糖單體[3]。

1.3影響纖維素酶解的因素

纖維素酶與其它生物酶一樣,其酶解過(guò)程有最適度現(xiàn)象,即最佳酶解條件。大量研究結(jié)果表明影響纖維素酶解的因素主要有:溫度、pH值、底物濃度、加酶量和酶解時(shí)間。下面將一一加以論述。

1.3.1溫度對(duì)纖維素酶活力的影響

纖維素酶活力隨溫度升高呈拋物線變化,最適宜酶水解溫度45~55℃,最佳溫度55℃。

1.3.2pH值對(duì)纖維素酶解得率的影響

酶的催化活性與環(huán)境pH值有密切關(guān)系,通常各種酶只有在一定pH值范圍內(nèi)才具有活性。pH值對(duì)纖維素酶解得率的影響亦呈拋物線關(guān)系。最適pH值范圍為4.5~5.5,且最佳pH值為5.0。

1.3.3底物濃度對(duì)纖維素酶解得率的影響

當(dāng)酶濃度一定時(shí),在較低的底物濃度范圍內(nèi)(0~1.0%),酶反應(yīng)的速度隨底物濃度的增大而增大,酶解得率增幅很大;但當(dāng)?shù)孜餄舛却笥?.0%后,酶解得率隨底物濃度的增加不再明顯,因此,最佳底物濃度為1.0%。

1.3.4加酶量對(duì)纖維素酶解得率的影響

在溫度、pH值、底物濃度和酶解時(shí)間相同的情況下,通常是加酶量越大,酶解得率越高;但當(dāng)加酶量大于1.0Iu/mg后,酶解得率隨加酶量增加的幅度不大,因此,最佳的加酶量為1.0Iu/mg。

1.3.5酶解時(shí)間對(duì)纖維素酶解得率的影響

酶解反應(yīng)時(shí)間對(duì)纖維素酶解得率也有一定影響,在0~12h范圍內(nèi)得率隨時(shí)間的增長(zhǎng)而迅速上升;但到24h后,酶解得率隨時(shí)間的增加趨平緩,研究結(jié)果表明較合理的酶解時(shí)間為24h。

2纖維素酶在造紙工業(yè)的應(yīng)用

2.1纖維素酶法廢紙脫墨技術(shù)

纖維素酶法廢紙脫墨技術(shù)是指利用生物酶代替化學(xué)藥品處理廢紙,使油墨從纖維上游離出來(lái),然后用傳統(tǒng)的脫墨工藝分離出油墨。酶法脫墨漿較之常規(guī)堿法脫墨漿具有游離度高、濾水性能好、物理性能優(yōu)、白度高和殘余油墨量低的優(yōu)點(diǎn)。并且可以縮短脫墨時(shí)間[4]。更重要的是酶法脫墨可以通過(guò)改變酶的組成、用量、處理時(shí)間、pH值和添加一些助劑來(lái)控制油墨粒子大小分布和形狀,所以酶法脫墨可以有效地提高浮選脫墨效果(浮選脫墨以油墨粒子大小為基礎(chǔ)),從而能夠有效地去除大粒徑的、扁平的和剛硬的油墨。此法可用于處理多種廢紙如舊報(bào)紙,舊雜志紙,帳薄紙,計(jì)算機(jī)打印紙及非接觸印刷廢紙。大量研究結(jié)果表明[5],廢紙的印刷方式、酶的來(lái)源對(duì)脫墨效果均有影響。纖維素酶和半纖維素酶均能改善脫墨效果,但纖維素酶的效果更好。廢紙漿的白度和沒(méi)有經(jīng)酶處理的相比提高了4%~5%ISO。由于辦公廢紙中含有一些非接觸印刷廢紙,如靜電復(fù)印紙、激光打印紙,采用傳統(tǒng)的脫墨方法難以取得比較理想的效果,而利用纖維素酶處理廢紙效果較好。四川輕化工學(xué)院的李文俊等[6]對(duì)纖維素酶在廢報(bào)紙脫墨中的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性探索。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:酶法脫墨能獲得比化學(xué)法脫墨更好的脫墨效果,還能改善漿料的強(qiáng)度及其濾水性。同時(shí),還確定國(guó)產(chǎn)廢報(bào)紙纖維素酶法脫墨最佳工藝條件為:pH6.0,酶用量0.1%,時(shí)間40min,溫度40℃,漿濃5.5%。廣西大學(xué)造紙科學(xué)研究所[7]利用國(guó)產(chǎn)商品酶對(duì)廢舊書刊紙進(jìn)行了脫墨研究,并取得了較好的效果。研究結(jié)果表明,酶法脫墨與化學(xué)法脫墨相比,脫墨率高5.9%,白度高9%,游離度增加75ml,酶脫墨漿的濾水性和物理強(qiáng)度均優(yōu)于化學(xué)脫墨漿。同時(shí)研究也發(fā)現(xiàn),最適的酶脫墨條件為:pH5.0~5.5,漿濃10%,酶用量為100Iu/g廢紙,溫度50~52℃,時(shí)間60min。美國(guó)的喬治亞大學(xué)和森林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室(FPL)的研究均證實(shí)了這一點(diǎn)。喬治亞大學(xué)的研究表明,酶法廢紙脫墨和化學(xué)法比較,白度提高,強(qiáng)度得到保持,濾水性能改善。森林產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室也得到了類似的結(jié)論,同時(shí)他們指出,兩種工藝的成本相差不大。影響酶法脫墨效果的因素有纖維素酶的來(lái)源及用量、碎漿濃度、pH值及表面活性劑的類型和用量。FPL提出了酶處理的條件是:在50℃,16%的濃度下疏解5~10min,加入非離子表面活性劑,然后加入酶并調(diào)整漿濃為14%,繼續(xù)在50℃、pH值7的條件下處理20min即可。與纖維素酶法脫墨的工藝研究相比,對(duì)纖維素酶法脫墨機(jī)理的研究則相對(duì)較少,因此,纖維素酶脫墨機(jī)理尚不完全清楚。目前尚沒(méi)有足夠的證據(jù)能充分說(shuō)明纖維素酶是通過(guò)作用于纖維網(wǎng)絡(luò)的什么位點(diǎn)來(lái)促進(jìn)脫墨。許多學(xué)者提出了一些推測(cè)性的假說(shuō),但也有一些學(xué)者對(duì)這些假說(shuō)持相反的看法,因此,這些假說(shuō)還有待于進(jìn)一步獲得充足的證據(jù)予以證實(shí)。纖維素酶的脫墨機(jī)理實(shí)質(zhì)上就是纖維素酶的作用機(jī)理。脫墨用纖維素酶一般均為復(fù)合酶,其中含有多種酶組分,不同的酶組分在脫墨中起著不同的作用。在紙漿的纖維素酶處理中,會(huì)使纖維素結(jié)晶區(qū)發(fā)生無(wú)定形化、脫鏈、降解、潤(rùn)脹和斷裂等一系列物理化學(xué)變化,因此對(duì)油墨的去除和紙漿的物理性能會(huì)產(chǎn)生不同影響。纖維素酶通過(guò)水解纖維素纖維表面上的微細(xì)纖維或其他細(xì)小組分而引發(fā)剝皮作用,從而使纖維表面更光滑,油墨的暴露程度更大,更易于油墨與纖維的分離[8]。Zeyer[9]認(rèn)為,只有纖維素酶分子進(jìn)入纖維素鏈中的間隙,才能有效地發(fā)揮它的降解作用。像表面摩擦這種機(jī)械作用可以增強(qiáng)纖維素酶進(jìn)入纖維素鏈間隙的作用一樣,有利于脫去纖維表面的最外層,暴露出內(nèi)部纖維,并使纖維發(fā)生變形,從而使得墨粉容易脫除。纖維素酶法脫墨的機(jī)理需要多方面的佐證。隨著對(duì)纖維素酶作用機(jī)理研究的不斷深入,纖維素酶法脫墨機(jī)理將會(huì)越來(lái)越清楚。

2.2用于處理造紙廢料

一些難處理的廢料如含纖維較低的脫墨淤泥(其中含40%~50%的無(wú)機(jī)墨水)和細(xì)小纖維等,用酶法處理可節(jié)約開支,減少污染[10]。纖維素酶首先將廢料降解成糖,再將其轉(zhuǎn)換成乙醇等化學(xué)原料或燃料。達(dá)夫•謝列盧以每克底物10~40單位酶活性的比例使50%的脫墨淤泥轉(zhuǎn)化成糖,而墨汁存在不影響酶活性,孫偉強(qiáng)等將造紙中的細(xì)小纖維進(jìn)行細(xì)菌發(fā)酵可產(chǎn)酒精;陳惠忠等將酶解和發(fā)酵同時(shí)進(jìn)行可轉(zhuǎn)化造紙廠的廢纖維為酒精[11]。

2.3纖維素酶法處理改善紙漿性能[12]

酶處理改善紙漿性能包括降低機(jī)械漿磨漿能耗、提高化學(xué)漿的打漿性能和改善紙漿纖維性質(zhì)。酶處理還可改善磨漿性能,紙漿在磨漿之前,用纖維素酶進(jìn)行預(yù)處理,可以改進(jìn)磨漿效果。一般應(yīng)用于機(jī)械漿,很少用于化學(xué)漿。1968年一項(xiàng)專利指出,來(lái)自白腐菌的纖維素酶能夠降低打漿和精磨時(shí)間。用纖維素酶處理紙漿,在保持紙漿強(qiáng)度不變的情況下,提高紙漿的濾水性能。可用于處理化學(xué)漿、機(jī)械漿和二次纖維。廢紙漿濾水性差的主要原因是細(xì)小纖維含量和填料含量較高,而纖維素酶能選擇性地水解廢紙漿中的細(xì)小纖維,從而提高廢紙漿的濾水性能。目前,酶法處理改進(jìn)廢紙漿濾水性能的工業(yè)應(yīng)用已取得一定進(jìn)展。Pommier通過(guò)實(shí)驗(yàn)室和中試研究發(fā)現(xiàn),采用含有纖維素酶活和半纖維素酶活的liftaseA40酶處理舊瓦楞紙板為主的二次纖維,在較低用量下,能提高廢紙漿的游離度和濾水性能而不引起紙漿物理性能的損失。研究指出,二次纖維濾水性能改善的原因可能有三個(gè)方面:酶對(duì)纖維表面細(xì)纖維的去除作用;酶對(duì)細(xì)小纖維或小的纖維組分的絮聚作用和酶對(duì)細(xì)小纖維的水解作用。Stock等人比較了纖維素酶的外切酶、內(nèi)切酶及半纖維素酶對(duì)不同種類的紙漿的作用。發(fā)現(xiàn)在纖維素酶組分中,內(nèi)切酶對(duì)于改善二次纖維的濾水性能來(lái)說(shuō)是必不可少的,它適于處理含有機(jī)械漿的二次纖維,而不適合于含有大量化學(xué)漿的紙漿。而內(nèi)切酶與外切酶和半纖維素酶的協(xié)同作用可提高其效果。酶處理?xiàng)l件和漿料狀況是纖維改性的關(guān)鍵。若酶用量過(guò)大,將造成纖維較大損傷,導(dǎo)致游離度下降和機(jī)械強(qiáng)度的損失。當(dāng)紙漿的打漿度小于30°SR時(shí),漿中的細(xì)小纖維對(duì)纖維間的結(jié)合和紙張的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是必要的,此時(shí),若對(duì)該漿進(jìn)行劇烈的酶處理,就會(huì)導(dǎo)致紙張強(qiáng)度的損失。然而當(dāng)紙漿的打漿度高時(shí),例如,一般廢紙漿,其中存在大量的細(xì)小纖維,會(huì)降低紙張強(qiáng)度,增加濾水阻力,因此,用酶處理此類紙漿不會(huì)影響強(qiáng)度。若先機(jī)械處理紙漿,然后再用酶處理至與原漿相近的打漿度,會(huì)使紙漿的強(qiáng)度得到改善,這不失為一條提高紙漿強(qiáng)度的有效途徑,對(duì)二次纖維有特別重要的意義。

2.4纖維素酶法處理改善纖維成紙性能

酶處理不但能夠改善紙漿的磨漿性能和濾水性能,還可以改進(jìn)其成紙的物理性能。在給定的密度下,纖維素酶處理硫酸鹽漿能夠提高成紙的抗張指數(shù)。纖維素酶還能夠提高薄頁(yè)紙的柔軟性[6]。機(jī)理方面還不很清楚,酶處理可改善纖維的柔韌性,這一點(diǎn)可能有助于提高纖維表面和整體的柔性。用纖維素酶、半纖維素酶處理紙漿,還可改善纖維壓縮性,使紙頁(yè)微孔性下降,密度提高,透明度提高。Mansfield[13]等用復(fù)合纖維素酶NovozymeSP342選擇性地單獨(dú)處理紙漿的粗長(zhǎng)纖維級(jí)分,可提高成漿得率,降低酶的使用量,并改善紙張的平滑度,從而改善紙張的印刷適性。盡管存在紙漿黏度和撕裂度降低的缺點(diǎn),但紙漿的抗張強(qiáng)度增加10%,使用粗糙的花旗松纖維原料可以生產(chǎn)出高級(jí)紙品。對(duì)于某些使用后需迅速降解的紙和紙板產(chǎn)品,在生產(chǎn)過(guò)程中,將纖維素酶加入其中,可提高纖維的降解速度,消除環(huán)境污染。纖維素酶可在施膠,涂布過(guò)程中加入,也可在紙機(jī)干部以溶液形式表面施加。此外,纖維素酶可用于衛(wèi)生紙生產(chǎn)中,提高柔軟性和吸收性。也可用于照相原紙的生產(chǎn)。

2.5酶促打漿

酶促打漿是利用高活性的半纖維素酶和較低活性的纖維素酶對(duì)打漿前的紙漿進(jìn)行預(yù)處理,導(dǎo)致纖維表面某種程度的活化和松弛,促進(jìn)纖維的吸水潤(rùn)漲和細(xì)纖維化程度,使打漿性能得到改善,起到降低打漿能耗的作用。日本的研究者首先研究了纖維素酶對(duì)打漿的影響,他們認(rèn)為,在打漿之前,用纖維素酶處理紙漿,可以提高打漿速度,降低能耗。在生產(chǎn)高打漿度紙漿如描圖紙、電容器紙時(shí),可以節(jié)約能量15%~20%,具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。天津輕工業(yè)學(xué)院武思紅對(duì)此進(jìn)行了研究,利用商品名稱為L(zhǎng)iftaseA40和GC-001S兩種纖維素酶分別處理了化學(xué)漿、機(jī)械漿和廢紙漿。結(jié)果表明,用酶處理化學(xué)漿,打漿度最大下降35.5°SR,漿料損失率小于5%。此外,酶處理紙漿,可以降低成紙的透氣度,提高緊度,但對(duì)光學(xué)性能無(wú)影響。纖維素酶促進(jìn)打漿作用主要與其中的內(nèi)切酶有關(guān),它和機(jī)械作用相互促進(jìn),加速了纖維表面的細(xì)纖維化。此工藝的關(guān)鍵是酶處理?xiàng)l件的控制和酶種類的選擇。

2.6纖維素酶抑制導(dǎo)管的脫落

近年來(lái),桉木用于制漿得到了飛速的發(fā)展。這種樹種具有生長(zhǎng)周期短,所得紙漿應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。但其導(dǎo)管大而硬,正常的打漿過(guò)程很難使之破碎,因此會(huì)給成紙性能帶來(lái)一些不良的影響,適印性能較差。日本在用闊葉木如桉木硫酸鹽漿生產(chǎn)印刷紙時(shí)發(fā)生導(dǎo)管掉毛現(xiàn)象,如在打漿以前,把某種纖維素酶加到漂白闊葉木硫酸鹽漿內(nèi),促進(jìn)了纖維和導(dǎo)管的潤(rùn)脹和軟化,從而提高了紙張的表面強(qiáng)度。HonshuPaper公司的一項(xiàng)專利指出,商品纖維素酶能夠提高闊葉木導(dǎo)管的柔韌性,酶法處理能夠使導(dǎo)管脫落程度降低80%,同時(shí),紙漿的濾水性、平滑度和抗張強(qiáng)度都得到了提高。纖維素酶抑制導(dǎo)管脫落是由于減緩了前期結(jié)晶態(tài)纖維聚集的原因;而紙漿性能的改進(jìn)是由于纖維及導(dǎo)管細(xì)胞表面進(jìn)一步柔軟的緣故[14]。

2.7纖維素酶解木素的制備

如何從植物體中分離在數(shù)量上和結(jié)構(gòu)上足以代表原本木素的樣品,這是木素研究領(lǐng)域最重要的問(wèn)題之一。迄今為止,在木素的研究中,人們使用最多的是磨木木素(MWL)和纖維素酶木素(CEL)。相對(duì)于磨木木素,纖維素酶木素的分離條件更溫和,分離過(guò)程中所引起的木素結(jié)構(gòu)變化更少,所以CEL可以更好代表原本木素。因此,近年來(lái)對(duì)制取纖維素酶解木素這方面的研究已受到了人們的關(guān)注[15]。

2.8纖維素酶法預(yù)處理硫酸鹽漿

在化學(xué)制漿以前,先進(jìn)行纖維素酶預(yù)處理,可以在化學(xué)藥品用量不變的情況下,降低紙漿的硬度;或在相同的硬度下,降低化學(xué)藥品的用量和能源的消耗。一項(xiàng)研究表明,常規(guī)硫酸鹽蒸煮在加入藥液以前采用粗纖維素酶真空預(yù)浸漬木片24h,能夠降低所得漿的卡伯值[16]。

2.9纖維素酶在半透明玻璃紙生產(chǎn)中的應(yīng)用

在生產(chǎn)半透明玻璃紙的過(guò)程中,經(jīng)過(guò)打漿的漿料用纖維素酶AH適當(dāng)處理后,紙的強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化,而紙漿的濾水性能和抄造性能得到很大改善。網(wǎng)上脫水好,壓榨后干度提高,紙幅烘干時(shí)可使蒸汽用量降低約10%,紙機(jī)的車速提高10%以上[17]。

3結(jié)語(yǔ)

我國(guó)造紙工業(yè)應(yīng)“充分利用國(guó)內(nèi)外兩種資源。提高木漿比重、擴(kuò)大廢紙回收利用、合理利用非木漿,逐步形成以木纖維、廢紙為主、非木纖維為輔的造紙?jiān)辖Y(jié)構(gòu)”。故應(yīng)研究利用纖維素酶來(lái)改善非木材纖維的質(zhì)量。此外,大量的回收利用廢紙是我國(guó)目前解決原料和環(huán)保問(wèn)題的有效途徑。酶法廢紙脫墨和二次纖維的酶改性可以解決廢紙利用過(guò)程中的環(huán)保問(wèn)題和纖維質(zhì)量下降問(wèn)題,故亦應(yīng)大力研究推廣應(yīng)用。