果胶酶对棉杆APMP制浆性能的影响

崔 宇，陈嘉川，杨桂花

(山东轻工业学院制浆造纸科学与技术教育部重点实验室，山东 济南 250353)

果胶酶对棉杆APMP制浆性能的影响

崔 宇，陈嘉川，杨桂花

(山东轻工业学院制浆造纸科学与技术教育部重点实验室，山东 济南 250353)

对比不同果胶酶用量处理的棉杆APMP制浆工艺。研究发现，果胶酶处理对棉杆APMP制浆有较好的效果，与未经果胶酶处理的浆相比，纤维长度增加，宽度减小，细小纤维含量下降。所得纸张白度提高，不透明度、光散射系数和光吸收系数都有所降低。强度方面，裂断长、撕裂指数和耐破指数分别提高了10.59%，46.54%和9.72%。

棉杆 APMP 果胶 果胶酶

我国是世界上第二产棉大国，棉杆资源极其丰富[1]。棉杆的解剖形态、纤维形态、化学成分和物理性质等，与软阔叶材相近[2]。棉杆皮作为韧皮纤维原料，其化学组成特定是纤维含量高，木素含量低，以及果胶含量高[3]。

果胶酶相关的生物技术应用也成为制浆造纸工业中的一个新的热点[4]。1994年，Thornton J等首次将果胶酶作用于过氧化氢漂白的机械浆[5]。之后，国内的研究多集中于实验室条件下果胶酶对不同浆种的阳离子需求量的影响。研究发现，果胶酶能够促使聚半乳糖醛酸降解，转化为低分子或单分子的半乳糖醛酸，从而降低阳离子的需求量[6]。这不仅降低了化学药品使用量，还起到了助留助滤作用，对漂白效果及强度都有一定的影响[7]。Peng等用果胶酶预处理预气蒸后疏解挤压过的云杉和香脂冷杉混合木片，取得了较好的效果[8-10]。

本文借鉴典型的杨木APMP制浆工艺，从化学药品加入量和果胶酶的处理两方面出发，对棉杆进行APMP制浆，研究对其浆料性质及成纸性能的影响。

1 实验

1.1 实验原料

原料取自山东泰安，人工分离棉杆主茎和棉杆枝，用斧头将棉杆主茎劈成3～5cm小段，装入塑料袋中平衡水分，备用。

1.2 酶制剂

果胶酶SUKAPec，购自苏柯汉公司。酶活：30 000 IU/ml-1,最适pH范围：2.5～5.0,最适温度范围：30～55 ℃，性状：液态。

1.3 实验方法

1.3.1 棉杆APMP制浆工艺流程

棉杆洗涤→热水浸渍（代替预汽蒸）→一段挤压疏解→果胶酶处理→一段化学预浸渍→二段挤压疏解→二段化学预浸渍→一段磨浆→二段磨浆→三段磨浆→消遣→PFI磨打浆→抄片→检测

1.3.2 棉杆预处理

经洗涤后的木片用水浸泡24 h，然后在蒸煮锅中用90 ℃热水浸渍15～20 min，以除去棉杆中的空气。

1.3.3 挤压疏解

处理后的棉杆用JS10螺旋挤压疏解机进行挤压疏解，设备结构压缩比为4:1。

1.3.4 化学预浸渍

挤压后的木片转载塑料袋中，与药液混合均匀后在恒温水浴锅中进行化学预处理，化学预处理工艺条件见表1。

1.3.5 酶处理工艺条件

酶处理时化学药品用料用表1 中Ⅰ所示，酶用量0、20、30、40、50、60 IU/g，pH值4.0，温度50 ℃，时间60 min，浆浓10 %。按工艺流程图制浆，在酶处理时，将原料放入塑料袋中，之后放入水浴锅进行反应，每10～15 min取出揉搓一次，使原料与酶液充分混合。

1.3.6 磨浆

经化学预处理后的木片在高浓连续式盘磨机（型号BR30-300C）中进行磨浆，三段磨浆间隙分别为0.50 mm、0.30 mm、0.15 mm，磨浆浓度为20 %～25 %，主轴转速3 000 r·min-1。

1.3.7 消潜及打浆

浆料在80～90 ℃下消潜30 min，平衡水分，PFI磨（型号YQ-Z-13）打浆至45oSR左右，采用凯塞快速抄片器抄定量为60 g·m-2纸片并干燥。

表1 化学预浸渍工艺条件

表2 不同工艺棉杆APMP浆成纸的光学性能比较

2 结果与讨论

2.1 不同制浆工艺APMP制浆成纸物理性能分析

从表2 可以看出，Ⅰ采用经典的杨木两段APMP制浆工艺，得到的浆料白度为55.72 %ISO。当NaOH和H2O2用量增加，从表中可以看到，浆料白度明显上升，从55.72 %ISO增加到70.31 %ISO；不透明度呈现相反的变化趋势，从90.84 %下降到83.05 %；光吸收系数表现出与不透明度相同的规律，由2.52 m2·kg-1下降至0.68 m2·kg-1；光散射系数没有很明显的变化。

Ⅱ和Ⅲ的H2O2用量分别为 6.0 / 3.0 % 和 3.0 / 6.0 %，白度分别为62.14 %ISO和66.08 %ISO，较Ⅰ有很大的提高。虽然两组实验的H2O2用量都是9.0 %，但是Ⅲ比Ⅱ白度要高出3.94 %ISO，这是由于在二段挤压疏解后，棉杆的破碎程度要比一段挤压疏解后的要高很多，更加有利于药液的渗透，因此在二段化学预浸渍采用6.0 %的H2O2用量比在一段化学预浸渍后使用的效果要好很多。

当Ⅳ的H2O2用量提高到12 %时，其白度得到明显提高，达到了70.31 %ISO, 不透明度降低至83.05 %。值得注意的是，Ⅳ的光吸收系数明显减小，这与Ⅰ相比，降低高达73.02 %。这是由于H2O2用量的提高减少了发色基团的产生，吸收光后转化的热也相应减少，所以光吸收系数降低。

表3 不同工艺棉杆APMP浆成纸的强度性能比较

从表3 可以看出，由于棉杆皮中果胶含量较高，在化学预处理大量化学药品被果胶消耗，使得成纸的各项强度性能指标提高较困难。当H2O2用量翻倍时，成纸的裂断长增加达到3.54 km，增加了31.92 %，耐破指数提高了49.64 %，撕裂指数下降，但幅度较小。

综上所述，由于棉杆皮属于韧皮纤维纤维，果胶含量较高，制浆过程中果胶消耗的量较大，白度提高和强度性能都困难。

表4 不同酶用量对棉杆APMP浆的纤维质量比较

表5 不同酶用量对棉杆APMP浆成纸的光学性能比较

表6 不同酶用量对棉杆APMP浆成纸的强度性能比较

2.2 果胶酶处理对棉杆APMP浆料性质的纤维质量分析

由不同酶处理工艺制得的APMP浆经FQA测定纤维质量，6组流程所得数据列于表4。由表4 看出，经过果胶酶处理，纤维的长度有所增加，宽度变小，长宽比的增加将有利于提高成纸性能。另外，与对照组相比，实验组浆种的细小纤维含量减少了，但是下降不是很明显。与对照组相比，实验组卷曲的卷曲指数增加，说明了弯曲的纤维比平直的纤维有更多的交联点，具有更好的弹性，从而改善纤维之间结合强度。实验组的扭结指数与对照组相比略又增加，适当的扭结可以避免纤维在磨浆时被打断，同时减少了细小纤维的产生，这一点与实验所得细小纤维含量减少相符合。通过上述分析说明，酶处理能够使浆料的纤维长度增加，纤维的卷曲和扭结增加，减少了纤维在磨浆时被切断的发生，降低了细小纤维的含量，并使得纤维更加柔软，为成纸性能的提高打下了良好的结构基础。这里值得注意的是X5的长度要比X6要长，但是其细小纤维含量相应也高于X6。

2.3 不同酶用量对APMP制浆成纸物理性能分析

果胶酶处理挤压疏解后的木片，pH值为4.0，其酸性条件可以作为一种酸环境螯合剂，降低了化学浸渍段金属离子对过氧化氢的影响，从而延缓过氧化氢的无效分解。随着果胶酶用量的增加，与果胶反应的H2O2减少，所以纸浆白度得到明显的提高，表5中，X6与X1相比，白度提高了3.72 %ISO。

从表5中可以看到，不透明度和光散射系数有略微的下降。这与浆料中细小纤维含量没有明显变化密切相关，如表4 中所示，细小纤维含量从34.36 %降至33.85 %，下降幅度较小。由于H2O2的利用率增加，纸张中的发色基团减少，所以光吸收系数降低。

果胶酶能够降解分布在胞间层和初生壁中的果胶，增大纤维比表面积。初生壁不易润胀，并且阻碍次生壁的润胀和分丝帚化。胞间层和初生壁的破碎显然能深入化学药液的纵深浸渍层面，扩大了化学药液的作用面积，从而提高了化学药液的作用效果，有助于增加氢键的数量，纸张的键合强度得到改善。使更多的化学药液更易接触到纤维，以改善浆的强度和白度。如图6所示，在紧度基本相同的条件下，经过果胶酶处理纸张裂断长、撕裂指数和耐破指数都比未经过果胶酶处理纸张的各项物理指标都有所提高。当酶用量达到60 IU/g时，其裂断长提高最高达到10.59 %。如表4所示，虽然X5的纤维长度较X6要长，但是其细小纤维含量要高，最终影响到裂断长的提升。当酶用量达到30 IU/g时，撕裂指数提高最高达到46.54 %。耐破指数在酶用量为20 IU/g时一度提高了9.72 %，之后又下降。

3 结 论

3.1 棉杆皮属于韧皮纤维纤维，果胶含量较高，制浆过程中果胶消耗的量较大，白度提高和强度性能都困难。

3.2 果胶酶处理棉杆APMP浆，纤维长度增加，宽度减小，细小纤维含量减少。

3.3 棉杆APMP制浆过程中引入果胶酶的处理，果胶酶促进了果胶的降解，提高了化学药品的使用效率，对成纸的光学性能和强度性能都有积极的作用。

[1]聂勋载，胡志军.棉杆皮本色浆的研究[J].湖北造纸，2003(4):5-7.

[2]杨淑蕙.植物纤维化学[M].北京：中国轻工业出版社，2001:20-21.（略）

The Influence of Pectinase Treatment Process on Cotton APMP Properties

Cui Yu
（Key laboratory of Paper Science and Technology of Ministry of Education,Shandong Institute of Light Industry，Ji’nan, 250353, China）

Comparison of different dosage of pectinase treatment of cotton stalk APMP pulping peocess was studied. The results showed that, comparied to the untreated pulp, the pulp treated with pectinase perferomed better. The length of fiber increased ,but the width of fiber decreased. At the same time, the fines decreased a bit.Brightness increased. Opacity , light scattering coefficient and light absorption coefficirnt all reduced. In terms of strength properties, breaking length, tearing index and bursting index increased respectively by 10.59 %，46.54 %and 9.72 %.

cotton stalk;APMP； pactin;pectinase