微生物技术在制浆造纸工业中的应用

微生物技术在制浆造纸工业中的应用

1种原料的营养成分在浆砌过程中，由于树脂酸、脂肪醇、脂肪酸、树脂酸、醇、其他异体醇、共轭醇、三羟基甘醇和蜡（见图1）。树脂障碍会降低产品质量,提高生产运行成本,增加最终产品纸病的发生率,是制浆造纸工业中面临的严峻问题。苏格兰松抽出物主要是三酸甘油酯、树脂酸和脂肪酸,在木材的心材和边材中这三者的含量有所不同,如心材中树脂酸的含量较多(见图2中的a和d)。桦木和白杨中固醇和未皂化的脂类物质含量比针叶木高,虽然三酸甘油酯在两种材中占主要地位,但固醇酯、蜡以及三萜烯类化合物和饱和脂肪酸是杨木和桦木生产中产生树脂障碍的主要原因。近10年来,关于桉木中的亲脂类抽出物(见图3a)有大量报道,这是因为制浆造纸工业中增加了对这种速生阔叶木的用量,共轭和非共轭的固醇(如脂肪酸酯和配糖物)、非共轭的脂肪酸是桉木中的主要亲脂类化合物。在非木材类原料中,脂肪醇、烷类和固醇是造成树脂障碍的主要原因。传统的树脂障碍控制方法包括:制浆前延长储存原木或木片的时间,使用化学方法吸附或通过添加硫酸铝、滑石粉、离子或非离子型分散剂、阳离子聚合物和其他一些添加剂的方式来降解胶质粒子。在木材储存过程中,酶或微生物的水解或氧化作用会使抽出物含量降低,但同时也会使纸浆白度和得率下降。所以现在的造纸工业不会长时间储存木料。本文介绍两种解决问题的方法:真菌处理储存的原料﹑酶制剂处理纸浆。2真菌控制树脂障碍2.1变色菌对树脂障碍的控制边材变色菌又名青变菌,由前期寄生的真菌产生,如Ophiostoma(见图4a)、Ceratocystis、Leptographium、和Sphaeropsis等菌种。它们可以处理脂肪酸、三酸甘油酯、简单的碳水化合物和边材中的其他化合物。应用变色菌控制树脂障碍的研究主要集中在对Ophiostomapiliferum菌株的研究上。这些研究使白化菌株(Cartapip™97)在减少木片堆的树脂方面实现了工业化。在生产机械浆和酸性亚硫酸盐浆时,使用Cartapip™处理松木,可减少90%的三酸甘油酯。对此类菌株和其他Ophiostoma菌种进行研究,有学者认为Cartapip™和其他边材变色菌不能有效去除阔叶木中非共轭固醇(见图3b)和针叶木中的树脂酸(见图2中的b和e)。但是,现已有研究表明,Cartapip™去除阔叶木中的非共轭固醇可多达60%。2.2白腐菌的降解能力白腐菌(Funaliatrogii)是自然界中降解木素的主要真菌,有的白腐菌主要降解木素而不降解多糖,但有的白腐菌能使木材中的所有组分降解。此外,一些研究还发现白腐菌可以降解木材中的非结构组织成分(如木材抽出物)。一些研究对白腐菌与边材变色菌降解苏格兰松边材和心材中亲脂性抽出物的能力进行比较,发现松木边材中的三酸甘油酯、脂肪酸、固醇酯和蜡几乎完全被白腐菌降解(见图2),而且白腐菌能使固醇、树脂酸强烈降解,但边材变色菌却不能降解固醇和树脂酸。这项研究表明,真菌降解心材抽出物的能力不仅受到菌种的限制,还受到抽出物对其抑制作用的限制。白腐菌在心材中受到的抑制作用较大,而Bjerkanderasp.对处理有毒抽出物表现出很好的效果,并且可以高效降解苏格兰松边材和心材中的抽出物(见图2中的c和f)。另一项实验研究了几种白腐菌去除苏格兰松边材和心材中抽出物和有毒物质的能力。结果表明,白腐菌可去除90%的亲脂类抽出物,并大大降低毒性。实验分析了亲脂类抽出物降解的各种途径和几种白腐菌去除桉木(见图3a)中非共轭和共轭固醇(见图3c)(最高100%)的能力(图3b表明白腐菌不像子囊菌类真菌只能去除固醇酯而不能去除非共轭固醇)。应用白腐菌进行生物控制不仅能有效处理木材中的树脂,还可以脱除部分木素,从而降低后续生产过程中的能耗。3使用水解酶控制树脂障碍在制浆造纸工业中,第一个成功应用酶的案例是使用水解酶(脂肪酶)控制纸浆中的树脂障碍。最近的研究显示,氧化酶具有去除纸浆中亲脂类抽出物的巨大潜力。3.1机械浆的应用脂肪酶最先被诺维信公司用Resinase®A2X商标投入大规模生产。20世纪90年代,日本使用这项技术控制针叶木机械浆的树脂障碍并获得了成功,这项技术发展成熟并且延续使用至今。1999年12月,中国南平造纸厂启动了当时世界上车速最快的新闻纸机。其生产机械浆和TMP的原料来自于当地的马尾松。由于马尾松的亲脂类抽出物含量较高,传统方法不能有效地控制树脂障碍,因此,在生产初期问题频繁发生。2000年3月,该厂开始使用脂肪酶来控制树脂障碍,取得了理想的效果。3.2漆酶介体系统使用氧化酶脱木素/漂白是一种环保的方法。因此,近年来漆酶(EC1.10.3.2)引起了人们广泛的关注。漆酶的分子结构中含有4个具有氧化还原特性的铜离子(见图5b),由于漆酶自身氧化电势低,只能与酚型木素反应。因此最初更多的注意力集中在过氧化物酶的应用上。当发现1-羟基苯并三唑(HBT)的一些合成物质可以与漆酶一起降解非酚型木素并应用于纸浆漂白后,人们把更多的注意力放到使用漆酶作为生物催化剂的研究上,这个发现拓宽了漆酶在制浆、漂白领域中的应用范围。Karlsson等发现,除了与酚类物质反应外,一些漆酶(由Tramete菌分泌)还可以与不饱和脂肪酸(4h降解20%)、共轭的树脂酸(降解29%)、甘油三亚油酸酯(3h降解20%～35%)反应。同时还发现,针叶木TMP和生产用水中至少有30%的亲脂类抽出物可以被降解。近期发现,漆酶介体系统可去除不同来源的亲脂抽出物,且不受制浆工艺、原料和被降解化合物特性的影响,这个发现已申请了专利。漆酶/HBT系统能够有效去除硫酸盐桉木浆中共轭和非共轭的固醇(95%～100%),云杉TMP中三酸甘油酯、树脂酸和固醇(65%～100%);碱法蒽醌亚麻浆中的脂肪醇、烷烃类和固醇(40%～100%)(见图6)。纸浆中脂类化合物含量显著减少,而且可完全去除大多数造成树脂障碍的化合物。在另一项研究中,漆酶处理可用作漂白硫酸盐桉木浆TCF漂白的附加段,可完全去除共轭和非共轭的谷甾醇。由于木素被脱除,纸浆的白度也提高了。对漆酶介体系统与阔叶木、针叶木、非木材纸浆中主要亲脂类抽出物(包括烷烃类、脂肪醇、脂肪酸、树脂酸、非共轭固醇、固醇酯和三酸甘油酯)的化学反应过程进行了进一步的研究,并鉴定了反应产物。结果表明,漆酶/HBT体系作用2h可以去除60%～100%的不饱和化合物,如松香酸、甘油三亚油酸酯、亚油酸和油酸、谷甾醇、胆固醇棕榈酸酯、油酸酯和亚油酸酯。只使用漆酶可以去除95%的松香酸,但对胆固醇棕榈酸和谷甾醇不起作用,并且只能去除20%～40%的其他非饱和脂类物质。上述实验证明漆酶/介体系统可以迅速和脂类物质反应。不饱和的脂类物质大部分被氧化,其中脂肪酸的主要产物是环氧树脂、羟基脂肪酸;固醇酯和固醇的主要产物是非共轭和酯化的7-固醇酮和甾类酮。漆酶与固醇酯的反应主要取决于脂肪酰基组分的性质,如氧化饱和脂肪酸固醇组分中的脂类与不饱和脂肪酸反应产生了脂肪酸的双键。由于涉及到HBT及有关合成介质在使用上的一些问题(如高成本和可能具有毒性),因此,漆酶/介体体系仍未应用于工业生产。因此,需要寻找一种能像漆酶介质一样作用的天然化合物。研究发现,廉价的酚类化合物可像漆酶介体一样去除TCF纸浆中的亲脂类化合物。研究还发现,用含丁香醛、乙酰丁香酮和对香豆酸的真菌漆酶介体处理未漂硫酸盐桉木浆(见图7)。用丁香醛作介体进行酶处理可以有效去除高达90%非共轭和共轭的固醇,其作用效果和HBT相当;而使用乙酰丁香酮时去除率可达60%。但是对香豆酸对于固醇不起作用,而且用这类天然介质可有效去除某些能经受漆酶/HBT处理的抗氧化固醇。由于能同时脱除木素,用上述酚类物质进行处理然后再用过氧化物漂白,可提高纸浆白度(从57%提高到66%)。4生物制浆工艺包括脂肪酸、脂肪醇、树脂酸、碳化氢、类固醇、三萜烯类化合物和三酸甘油酯在内的亲脂类抽出物是造成树脂障碍的主要原因。研究发现,在控制树脂障碍方面使用白腐菌比使用边材变色菌更具有优势。一些亲脂类抽出物,如三酸甘油酯和脂肪酸容易被各种真菌降解;几种子囊真菌(包括边材变色菌)可有效水解固醇酯。不易被微生物降解的非共轭固醇、三酸甘油酯和树脂酸可以被担子菌类的白腐菌所降解。用白腐菌预处理木片能够降解木素和部分难以去除的抽出物,显著降低机械浆的打浆能耗。变色菌的一个缺点是它寄生在大多数针叶材心材上的能力差。考虑到心材的抽出物含量普遍比边材高,因此这个缺点限制了边材变色菌在控制树脂障碍上的使用。白腐菌在制浆材脱树脂方面的应用在很大程度上取决于纸浆得率和成浆的性质。不希望真菌与纸浆纤维发生反应,因为这会导致纸浆的得率和纸浆纤维的强度下降。因此生物制浆要控制在一定条件(包括处理时间)下,这样才能最大程度地去除脂类化合物和木素,同时极少破坏纤维和水解纤维素。与真菌相比,使用酶来去除纸浆中的抽出物具有很多优势,如处理时间短、对纸浆中物质的反应针对性强等。一些研究表明,氧化酶(特别是漆酶)与氧化还原介体配合使用可有效地去除如脂肪酸、树脂酸、非共轭和共轭的固醇、三酸甘油酯等亲脂类抽出物。担子菌类(特别是漆酶)与氧化还原介体共同使用能起到双重功效。这些氧化还原介体使漆酶可以在去除残余木素的同时进一步降解纸浆中不易分解的抽出物。在造纸工业中,使用生物技术控制树脂障碍、脱除木素已经有15年的历史(脂肪酶和木聚糖酶应用于纸浆,边材变色菌应用于木材原料)。与其他方法相比,白腐菌在降解木素以达到节能和提高纸浆质