生物技术 生物漂白技术的研究现状及进展 ●马淑杰，金小娟 (北京林业大学，北京100083) 摘要：生物技术在制浆造纸工业中得到越来越广泛的应用，其中生物漂白技术是一种绿色环保型漂白方法，可提高 纸浆的可漂性，减少化学药品用量，减少化学药品对环境的污染。本文重，点论述生物漂白的目的，微生物及其产生 的酶，其中包括木聚糖酶、甘露聚糖酶、木素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶的漂白机理及其研究现状。 关键词：生物漂白：木聚被酶：木素降解酶 中图分类号：TS745 文献标识码：A 文章编号：1001-6309(2010)100-0055-05 1前言 2生物漂白过程中所用微 漂白程序相结合时，可以取得与 生物及酶的种类 传统的五段漂白同样的效果， 造纸工业环境污染问题一 显著减少有效氯用量和减轻漂 直受到人们的普遍关注，尤其是 生物漂白一般作为漂白预 白废水的污染。 含氯漂白废水中含有大量有机 处理，以节约后续漂白的化学漂 生物漂白所用的微生物通 氯化物，例如氯酚类、氯仿、氯化 剂用量，减少污染。对于新的漂 常是白腐菌和褐腐菌，这些真菌 二噁英等具有致毒、致诱变和致 白工艺，无元素氯(ECF)和全无 产生的酶如木聚糖酶、聚甘露糖 癌的作用。由于人们对环境质 氯(TCF)漂白，采用酶处理具有 酶、木素酶等对漂白具有一定的 量的要求越来越高，对废水中各 很好的促进漂白作用。 辅助作用以。 顶污染指标的要求越来越严格， 生物漂白所用的微生物通 Nezamoleslami等周研究了红 为了减小纸浆漂白对环境的污 常是白腐菌和褐腐菌。生物漂 麻皮喊一AQ浆白腐菌生物票 染和人类健康的危害，人们在寻 白用酶主要有两类：半纤维素酶 白，结果表明，随着Phanerochate 求各种解决途径，如无元素氯漂 和木素降解酶。半纤维素酶包 chrysosporium处理时间延长，纸 白、全无氯漂白和生物漂白。伴 括木聚糖酶和甘露聚糖酶；木素 浆kappa值下降，白度提高，说 随着生物科学的发展，生物技术 降解酶有木素过氧化物酶、锰过 明白腐菌预处理去除了纸浆中 在制浆造纸工业得到了越来越 氧化物酶和漆酶。 的残留木素。另外，经白腐菌 广泛的应用。其中生物漂白是 3微生物漂白 P.chrysosporium预处理后，漂白 一种绿色环保型漂白方法，符合 浆游离度下降、得率提高、纸页 当前无氯漂白的发展趋势，能降 由于白腐菌具有选择性降 紧度下降、白度提高、不透明度 低化学品用量，减轻污染，提高 解木素的能力，因此最初人们希 提高。但漂白浆物理强度（裂断 产品质量，并带来良好的经济效 望通过微生物的处理除去纸浆 长、耐破指数和撕裂指数)有所 益，已成为人们关注和研究的焦 的残余木素，达到漂白效果，或 下降。 点领域四。本文对微生物及其 者减少化学试剂的用量，减轻有 付时雨等研究了白腐菌 产生的酶在生物漂白中的应用 毒有机物对环境造成的污染。 预处理对疏酸盐苇浆漂白的影 研究进行简要综述，供参考。 试验表明，当白腐菌处理与化学 响。结果表明，白腐菌预处理能 基金项目：教育部留学回国人员科研启动基金。 作者简介：马淑杰女士(1989-)，林产化工制浆造纸方向：电话：15210513803，E-mail:mashujiemajie@163.cm *通讯作者：金小娟，博土，副教授，主要从事木材化学及生物制浆漂白方面的研究：电话：13718160441，E-mail:j0322@163.om。 Paper and Paper Making Vol.29 No.10 Oct.2010 55
生物技术 Paper and Paper Making Vol.29 No.10 Oct. 2010 55 1 前言 造纸工业环境污染问题一 直受到人们的普遍关注，尤其是 含氯漂白废水中含有大量有机 氯化物，例如氯酚类、氯仿、氯化 二噁英等具有致毒、致诱变和致 癌的作用。由于人们对环境质 量的要求越来越高，对废水中各 项污染指标的要求越来越严格， 为了减小纸浆漂白对环境的污 染和人类健康的危害，人们在寻 求各种解决途径，如无元素氯漂 白、全无氯漂白和生物漂白。伴 随着生物科学的发展，生物技术 在制浆造纸工业得到了越来越 广泛的应用。其中生物漂白是 一种绿色环保型漂白方法，符合 当前无氯漂白的发展趋势，能降 低化学品用量，减轻污染，提高 产品质量，并带来良好的经济效 益，已成为人们关注和研究的焦 点领域 [1]。本文对微生物及其 产生的酶在生物漂白中的应用 研究进行简要综述，供参考。 2 生物漂白过程中所用微 生物及酶的种类 生物漂白一般作为漂白预 处理，以节约后续漂白的化学漂 剂用量，减少污染。对于新的漂 白工艺，无元素氯 (ECF) 和全无 氯 (TCF) 漂白，采用酶处理具有 很好的促进漂白作用。 生物漂白所用的微生物通 常是白腐菌和褐腐菌。生物漂 白用酶主要有两类 ：半纤维素酶 和木素降解酶。半纤维素酶包 括木聚糖酶和甘露聚糖酶 ；木素 降解酶有木素过氧化物酶、锰过 氧化物酶和漆酶。 3 微生物漂白 由于白腐菌具有选择性降 解木素的能力，因此最初人们希 望通过微生物的处理除去纸浆 的残余木素，达到漂白效果， 或 者减少化学试剂的用量，减轻有 毒有机物对环境造成的污染。 试验表明，当白腐菌处理与化学 漂白程序相结合时，可以取得与 传统的五段漂白同样的效果， 显著减少有效氯用量和减轻漂 白废水的污染。 生物漂白所用的微生物通 常是白腐菌和褐腐菌，这些真菌 产生的酶如木聚糖酶、聚甘露糖 酶、木素酶等对漂白具有一定的 辅助作用[2]。 Nezamoleslami等[3] 研究了红 麻皮烧碱 -AQ 浆白腐菌生物漂 白，结果表明，随着 Phanerochate chrysosporium 处理时间延长，纸 浆 kappa 值下降，白度提高，说 明白腐菌预处理去除了纸浆中 的残留木素。另外， 经白腐菌 P. chrysosporium 预处理后，漂白 浆游离度下降、得率提高、纸页 紧度下降、白度提高、不透明度 提高。但漂白浆物理强度（裂断 长、耐破指数和撕裂指数）有所 下降。 付时雨等[4] 研究了白腐菌 预处理对硫酸盐苇浆漂白的影 响。结果表明，白腐菌预处理能 生物漂白技术的研究现状及进展 ●马淑杰，金小娟* （北京林业大学，北京 100083） 摘要 ：生物技术在制浆造纸工业中得到越来越广泛的应用，其中生物漂白技术是一种绿色环保型漂白方法，可提高 纸浆的可漂性，减少化学药品用量，减少化学药品对环境的污染。本文重点论述生物漂白的目的，微生物及其产生 的酶，其中包括木聚糖酶、甘露聚糖酶、木素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶的漂白机理及其研究现状。 关键词 ：生物漂白 ；木聚糖酶 ；木素降解酶 中图分类号 ：TS745 文献标识码 ：A 文章编号 ：1001-6309(2010)100-0055-05 基金项目：教育部留学回国人员科研启动基金。 作者简介：马淑杰女士(1989-)，林产化工制浆造纸方向；电话：15210513803，E-mail：mashujiemajie@163.com。 *通讯作者：金小娟，博士，副教授，主要从事木材化学及生物制浆漂白方面的研究；电话：13718160441，E-mail：jxj0322@163.com
生物技术 使木素脱除率达到39.6%，并能 聚糖酶处理纸浆主要是利用内 生物制浆和漂白方面的研究增 提高白度，改善纸浆后续TCF 切木聚糖酶降解、溶出回吸到纸 多，出现了大量关于这方面的文 漂白的性能。 浆纤维上的木聚糖，使之溶出并 章a。Vidal等用木聚糖酶预 现在，生物漂白的主要作用 使纤维表面更显多孔状，提高纤 处理桉木硫酸盐浆以改善其可 是提高纸浆的可漂性（以纸浆 维表面的通透性和木素的可及 漂性。国内对桉木硫酸盐浆半 kappa值、黏度和白度的变化作 度，使漂白处理时漂剂易于与残 纤维素酶漂白也进行了系列研 为衡量的方法)，降低漂白过程 余木素作用，从而有利于残余木 究。陈嘉翔等采用木聚糖酶 的用氯量，从而减轻漂白过程的 素碎片在后续的漂白和碱抽提 和木素酶对氧脱木素后的浆进 污染程度。 中除去。也有学者认为：木聚糖 行了漂白试验，1。菌种不同， 酶能降解纸浆中的木素一碳水 酶的性质不同；浆种不同，酶处 4半纤维素酶辅助漂白机 化合物复合体(LCC),使LCC 理的效果亦有差别。 理及其研究应用 结构中的木素一半纤维素连接 陈嘉川川等可研究了两种麦 在1986年国际制浆造纸工 键断裂，部分LCC中的木素变成 草NaOH-AQ浆耐碱性木聚 业生物技术研讨会上，芬兰科学 小分子溶出或更多地暴露出来。 糖酶漂白。结果表明，该木聚 家Viikari等首次报道了用木聚 这样在后续的漂白中可以节省 糖酶最适pH7.2,在pH8.5的条 糖酶预处理未漂松木和桦木流 原本用于与酶解溶出的LCC和 件下仍可保持80%以上的酶活 酸盐浆可增强其可漂性，减少氯 半纤维素反应的漂剂量，又有利 力。G6一2细菌木聚糖酶可以 气的使用量，并且可以提高纸浆 于残余木素与漂白剂的反应。 在中性偏碱性的条件下起到助 的白度向。这一发现激发了人 Clark等例认为半纤维素作 漂作用，用其处理NaOH-AQ 们的研究兴趣。1989年，在芬兰 用是通过酶解使半纤维素的链 麦草浆的适宜条件为：酶用量 一日产1000t的工厂里首次进 发生部分降解，而导致纤维细胞 50IUg,pH7.5,浆浓5%~10%， 行硫酸盐浆木聚糖酶辅助漂白 壁结构疏松，使浆中木素在其后 温度40~50℃，时间90-120mmin。 的生产试验并取得成功，使氯的 的漂白过程中容易与脱木素化 同An一76真菌木聚糖酶一样， 消耗降低5%~30%7。 学品反应而脱除，并通过电镜观 只有在较高的酶用量下，G6-2 当前欧洲，北美，南美一些 察纸浆纤维的表面形态来支持 酶才显示出明显的助漂效果。 国家和日本等已开始使用木聚 这一观点。 窦正远刚研究发现针叶 糖酶作为预漂剂用于纸浆漂白。 Chen CC等认为用木聚 木浆经木聚糖酶处理后再漂 其中，加拿大有超过10%的漂白 糖酶处理纸浆不仅可以改善纸 白，有效氯、NaOH分别减少 浆采用木聚糖酶漂白技术。对 浆的可漂性，而且可以直接去除 615kgt1、211kgt;经酶处理的 生物漂白技术的应用研究必将 浆中的残余木素。 漂白浆耐破度和抗张强度有一 具有深远的意义倒。 Wong等m认为聚木糖在蒸 定的降低，但撕裂强度提高，同 4.1聚木糖酶 煮时产生有色基团的聚木糖衍生 时浆的尘埃度减少，白度也有所 4.1.1木聚糖酶辅助漂白机理 物，用聚木糖酶处理后，化学漂 增加，没有影响到成品的销售。 关于半纤维素酶漂白原理， 剂就容易除去这些有发色基团 姚春丽等首次将Thermo- 来自不同的实验室，采用不同的 的聚木糖衍生物，因此提高了纸 myces lanuginosus产商业用木聚 试验方法，从不同的角度提出了 浆的白度。 糖酶用于漂白阔叶木尾巨桉硫 不同的见解。多数研究者认为： 4.1.2木聚糖晦的研究及应用 酸盐浆，摸索出其较佳的漂白工 硫酸盐法蒸煮过程中，总会有部 木聚糖酶是主要的半纤维 艺条件：酶用量10Ug,反应 分木聚糖沉积在纤维的表面，阻 素酶，它已从植物生长的表层土 时间90min,处理温度60℃，pH 碍了漂剂的渗透和纸浆纤维中 壤中分离得到。对木聚糖酶已 值6.0，浆浓度10%。在该条件下， 大分子木素的溶出和脱除。木 经进行了大量探索，尤其对它在 生物预处理纸浆的白度比氧处 56 2010年10月第29卷第10期 纸和孤
生物技术 2010 年 10 月 第29卷 第 10 期 56 使木素脱除率达到 39.6%，并能 提高白度，改善纸浆后续 TCF 漂白的性能。 现在，生物漂白的主要作用 是提高纸浆的可漂性 ( 以纸浆 kappa 值、黏度和白度的变化作 为衡量的方法 )，降低漂白过程 的用氯量，从而减轻漂白过程的 污染程度[5]。 4 半纤维素酶辅助漂白机 理及其研究应用 在 1986 年国际制浆造纸工 业生物技术研讨会上，芬兰科学 家 Viikari 等首次报道了用木聚 糖酶预处理未漂松木和桦木硫 酸盐浆可增强其可漂性，减少氯 气的使用量，并且可以提高纸浆 的白度[6]。这一发现激发了人 们的研究兴趣。1989 年，在芬兰 一日产 1 000t 的工厂里首次进 行硫酸盐浆木聚糖酶辅助漂白 的生产试验并取得成功，使氯的 消耗降低 5%~30%[7]。 当前欧洲，北美，南美一些 国家和日本等已开始使用木聚 糖酶作为预漂剂用于纸浆漂白。 其中，加拿大有超过 10% 的漂白 浆采用木聚糖酶漂白技术。对 生物漂白技术的应用研究必将 具有深远的意义 [8]。 4.1 聚木糖酶 4.1.1 木聚糖酶辅助漂白机理 关于半纤维素酶漂白原理， 来自不同的实验室，采用不同的 试验方法，从不同的角度提出了 不同的见解。多数研究者认为 ： 硫酸盐法蒸煮过程中，总会有部 分木聚糖沉积在纤维的表面，阻 碍了漂剂的渗透和纸浆纤维中 大分子木素的溶出和脱除。木 聚糖酶处理纸浆主要是利用内 切木聚糖酶降解、溶出回吸到纸 浆纤维上的木聚糖，使之溶出并 使纤维表面更显多孔状，提高纤 维表面的通透性和木素的可及 度，使漂白处理时漂剂易于与残 余木素作用，从而有利于残余木 素碎片在后续的漂白和碱抽提 中除去。也有学者认为 ：木聚糖 酶能降解纸浆中的木素 - 碳水 化合物复合体（LCC），使 LCC 结构中的木素 - 半纤维素连接 键断裂，部分 LCC 中的木素变成 小分子溶出或更多地暴露出来。 这样在后续的漂白中可以节省 原本用于与酶解溶出的 LCC 和 半纤维素反应的漂剂量，又有利 于残余木素与漂白剂的反应。 Clark 等[9] 认为半纤维素作 用是通过酶解使半纤维素的链 发生部分降解，而导致纤维细胞 壁结构疏松，使浆中木素在其后 的漂白过程中容易与脱木素化 学品反应而脱除，并通过电镜观 察纸浆纤维的表面形态来支持 这一观点。 Chen C C 等 [10] 认为用木聚 糖酶处理纸浆不仅可以改善纸 浆的可漂性，而且可以直接去除 浆中的残余木素。 Wong 等 [11] 认为聚木糖在蒸 煮时产生有色基团的聚木糖衍生 物，用聚木糖酶处理后，化学漂 剂就容易除去这些有发色基团 的聚木糖衍生物，因此提高了纸 浆的白度。 4.1.2 木聚糖酶的研究及应用 木聚糖酶是主要的半纤维 素酶，它已从植物生长的表层土 壤中分离得到。对木聚糖酶已 经进行了大量探索，尤其对它在 生物制浆和漂白方面的研究增 多，出现了大量关于这方面的文 章[12]。Vidal 等[13] 用木聚糖酶预 处理桉木硫酸盐浆以改善其可 漂性。国内对桉木硫酸盐浆半 纤维素酶漂白也进行了系列研 究[14]。陈嘉翔等采用木聚糖酶 和木素酶对氧脱木素后的浆进 行了漂白试验[15,16]。菌种不同， 酶的性质不同 ；浆种不同，酶处 理的效果亦有差别。 陈嘉川等[17] 研究了两种麦 草 NaOH-AQ 浆耐碱性木聚 糖酶漂白。结果表明，该木聚 糖酶最适 pH7.2，在 pH8.5 的条 件下仍可保持 80% 以上的酶活 力。G6-2 细 菌木聚糖酶可以 在中性偏碱性的条件下起到助 漂 作 用，用其处理 NaOH-AQ 麦草浆的适宜条件为 ：酶用量 50IU·g -1，pH7.5，浆浓 5%~10%， 温度 40~50℃，时间 90~120min。 同 An-76 真菌木聚糖酶一样， 只有在较高的酶用量下，G6-2 酶才显示出明显的助漂效果。 窦正远[18] 研究发现针叶 木浆经木聚糖酶处理后再漂 白，有 效 氯、NaOH 分 别 减 少 615kg·t -1、211kg·t -1 ；经酶处理的 漂白浆耐破度和抗张强度有一 定的降低，但撕裂强度提高，同 时浆的尘埃度减少，白度也有所 增加，没有影响到成品的销售。 姚春丽等 [19] 首次将 Thermomyces lanuginosus 产商业用木聚 糖酶用于漂白阔叶木尾巨桉硫 酸盐浆，摸索出其较佳的漂白工 艺条件：酶用量 10IU·g -1，反应 时间 90min，处理温度 60℃，pH 值6.0，浆浓度10%。在该条件下， 生物预处理纸浆的白度比氧处
生物技术 理后的浆上升，卡伯值下降。与 5木素降解酶漂白机理及 用与所处的微环境有很大的关 未经处理的对照浆相比，经过木 其研究应用 系，它需要一个适宜的催化环 聚糖酶预处理再后续票白，纸浆 境，才能表现出降解木素的活 目前，许多实验室都致力于 卡伯值下降，白度有所上升。 性。在适合的缓冲溶液条件下， 木素酶票白技术的研究与应用， 王治艳等采用木聚糖酶 木素过氧化物酶单独或和其他 木素酶漂白不同于半纤维素酶， 对麦草烧碱蒽醌浆进行预处理， 酶适当配合，对氧脱木素处理后 它是通过木素降解酶直接作用 以期提高和改进浆料的ECF漂 的按木硫酸盐浆具有一定的提 和那降解纸浆中的残余木素，以脱 白性能，优化并制定出木聚糖酶 出残余木素并有利于纸浆进一 高白度、降低Kappa值的效果2。 AU2PE89的预处理条件。实验 周学飞等研究了硫酸盐 步漂白。目前木素降解酶主要 结果表明，木聚糖酶AU2PE89 包括三个酶体系：木素过氧化物 浆木素过氧化物酶一过氧化氢 的最佳处理条件为pH值6，温 协同漂白作用。结果表明，木素 酶(LP)、锰过氧化氢酶(MnP) 度50℃，酶用量6Ug绝干浆。 和漆酶(Laccase)。 过氧化物酶预处理可提高H,O2 这表明用木聚糖酶进行生物漂 漂白浆白度，减少H○2漂白废 5.1木素过氧化物酶及锰过 白，能有效降低漂白时化学品用 氧化物酶 液色度和COD。较适宜的木 量。 5.1.1木素过氧化物酶及锰过 素过氧化物酶处理条件为：温 木聚糖酶在欧美等国的多 氧化物酶漂白机理 度50℃，时间3h,pH值3.7，酶 家纸厂已成功用于漂白纸浆。 木素过氧化物酶和锰过氧 用量2mLg。木素过氧化物 在我国目前更多地处于实验室 化伽酶含血红素铺基，可经单电 酶-H,O2协同漂白中，木素过 研究阶段，由于所选菌株本身的 子传递体攻击木素生成木素自由 氧化物酶预处理为H2O2漂白提 适应性及所产晦的性质等方面 基。该酶系一般反应式如下四： 供了有利条件，可加强漂剂与木 的问题，生产应用尚未形成规 过氧化物酶+H2O2 素酚型结构单元和紫丁香基结 模。 →酶复合物I+H,O…(1) 构单元的反应，使得发色基团、 4.2甘露糖酶 酶复合物I+SH2 助色基团减少，纸浆白度提高， B-1-4甘露聚糖酶，简称 →SH+酶复合物Ⅱ…(2) 结晶度增加。 B-甘露聚糖酶，是水解B-1- 酶复合物Ⅱ+SH2 5.1.3锰过氧化物酶研究及应 4-D一此喃甘露糖为主链的内切 →SH+过氧化物酶…(3) 用 水解酶，其作用底物是半乳甘露 2SH+2木素 锰过氧化物酶(MnP)处理 聚糖、葡萄甘露聚糖、半乳葡萄 →2木素自由基+2SH,·(4) 纸浆，可以改善纸浆性能，减少 糖甘露聚糖以及甘露聚糖。甘 总反应： 化学药品用量，降低污染负荷。 露聚糖经B-甘露聚糖酶作用 H,O,+2木素一→2木素自由基+H,O Bermek等研究了阔叶木硫酸 后，通过高效液相色谱法或纸层 其中SH,为对酶系专一的 盐浆锰过氧化物酶和木聚糖酶 析方法分析，主要产物是寡聚 传递电子体。对于木素过氧化 协同漂白。结果表明，阔叶木硫 糖，寡聚糖是一种新型的功能性 物酶，VA(藜芦醇)是其自然底 酸盐浆用锰过氧化物酶和木聚 低聚糖，能明显地促进人体和动 物，而锰过氧化物酶中，Mn2+是 糖酶共同处理时的白度最高， 物肠道内有益菌一双歧杆菌 活性电子传递体。通常VA和木 卡伯值最低。而MnP-Xyl和 的增殖，改善肠道内菌群结构， 素过氧化物酶两者合成是相伴 Xyl-MnP处理的效果要差些。 是一种很好的双歧因子四。 的.这可保证基质中Mn+缺乏 Moreira等a,可就纸浆的不 由于技术的发展大大降低 时，酶仍然有降解木素的活性。 同类型、MP不同来源以及漂 了甘露聚糖酶的生产成本，使甘 5.1.2木素过氧化物酶研究及 白工艺条件等进行了大量的探 露聚糖酶在纸浆漂白中健康大 应用 索，显著地提高了纸浆白度。在 规模应用成为现实。 木素过氧化物酶的漂白作 改进漂白纸浆工艺条件的同时， Paper and Paper Making Vol.29 No.10 Oct.2010 57
生物技术 Paper and Paper Making Vol.29 No.10 Oct. 2010 57 理后的浆上升，卡伯值下降。与 未经处理的对照浆相比，经过木 聚糖酶预处理再后续漂白，纸浆 卡伯值下降，白度有所上升。 王治艳等 [20] 采用木聚糖酶 对麦草烧碱蒽醌浆进行预处理， 以期提高和改进浆料的 ECF 漂 白性能，优化并制定出木聚糖酶 AU2PE89 的预处理条件。实验 结果表明，木聚糖酶 AU2PE89 的最佳处理条件为 ：pH 值 6，温 度 50℃，酶用量 6IU·g -1 绝干浆。 这表明用木聚糖酶进行生物漂 白，能有效降低漂白时化学品用 量。 木聚糖酶在欧美等国的多 家纸厂已成功用于漂白纸浆。 在我国目前更多地处于实验室 研究阶段，由于所选菌株本身的 适应性及所产酶的性质等方面 的问题，生产应用尚未形成规 模。 4.2 甘露糖酶 β-1-4 甘 露 聚 糖 酶，简 称 β-甘露聚糖酶，是水解 β-1- 4-D-吡喃甘露糖为主链的内切 水解酶，其作用底物是半乳甘露 聚糖、葡萄甘露聚糖、半乳葡萄 糖甘露聚糖以及甘露聚糖。甘 露聚糖经β-甘露聚糖酶作用 后，通过高效液相色谱法或纸层 析方法分析，主要产物是寡聚 糖，寡聚糖是一种新型的功能性 低聚糖，能明显地促进人体和动 物肠道内有益菌——双歧杆菌 的增殖，改善肠道内菌群结构， 是一种很好的双歧因子[21]。 由于技术的发展大大降低 了甘露聚糖酶的生产成本，使甘 露聚糖酶在纸浆漂白中健康大 规模应用成为现实。 5 木素降解酶漂白机理及 其研究应用 目前，许多实验室都致力于 木素酶漂白技术的研究与应用， 木素酶漂白不同于半纤维素酶， 它是通过木素降解酶直接作用 和降解纸浆中的残余木素，以脱 出残余木素并有利于纸浆进一 步漂白。目前木素降解酶主要 包括三个酶体系 ：木素过氧化物 酶（LiP）、锰过氧化氢酶（MnP） 和漆酶（Laccase）。 5.1 木素过氧化物酶及锰过 氧化物酶 5.1.1 木素过氧化物酶及锰过 氧化物酶漂白机理 木素过氧化物酶和锰过氧 化物酶含血红素辅基，可经单电 子传递体攻击木素生成木素自由 基。该酶系一般反应式如下 [22] ： 过氧化物酶 +H2O2 → 酶复合物Ⅰ +H2O…… (1) 酶复合物Ⅰ +SH2 → SH·+ 酶复合物Ⅱ………(2) 酶复合物Ⅱ +SH2 → SH·+ 过氧化物酶 ……(3) 2SH·+2 木素 → 2 木素自由基 +2SH2…(4) 总反应 ： H2O2+2 木素→ 2 木素自由基 +H2O 其中 SH2 为对酶系专一的 传递电子体。对于木素过氧化 物酶，VA( 藜芦醇 ) 是其自然底 物，而锰过氧化物酶中，Mn2+ 是 活性电子传递体。通常 VA 和木 素过氧化物酶两者合成是相伴 的，这可保证基质中 Mn2+ 缺乏 时，酶仍然有降解木素的活性。 5.1.2 木素过氧化物酶研究及 应用 木素过氧化物酶的漂白作 用与所处的微环境有很大的关 系，它需要一个适宜的催化环 境，才能表现出降解木素的活 性。在适合的缓冲溶液条件下， 木素过氧化物酶单独或和其他 酶适当配合，对氧脱木素处理后 的桉木硫酸盐浆具有一定的提 高白度、降低 Kappa 值的效果[23]。 周学飞等[24] 研究了硫酸盐 浆木素过氧化物酶-过氧化氢 协同漂白作用。结果表明，木素 过氧化物酶预处理可提高 H2O2 漂白浆白度，减少 H2O2 漂白废 液色度和 COD。较适宜的木 素过氧化物酶处理条件为 ：温 度 50℃，时间 3h，pH 值 3.7，酶 用 量 2mL·g -1。木素过氧化物 酶 -H2O2 协同漂白中，木素过 氧化物酶预处理为 H2O2 漂白提 供了有利条件，可加强漂剂与木 素酚型结构单元和紫丁香基结 构单元的反应，使得发色基团、 助色基团减少，纸浆白度提高， 结晶度增加。 5.1.3 锰过氧化物酶研究及应 用 锰过氧化物酶 (MnP) 处理 纸浆，可以改善纸浆性能，减少 化学药品用量， 降低污染负荷。 Bermek等[25] 研究了阔叶木硫酸 盐浆锰过氧化物酶和木聚糖酶 协同漂白。结果表明，阔叶木硫 酸盐浆用锰过氧化物酶和木聚 糖酶共同处理时的白度最高， 卡 伯 值 最 低。 而 MnP-Xyl 和 Xyl-MnP 处理的效果要差些。 Moreira等[26,27] 就纸浆的不 同类型、MnP 不同来源以及漂 白工艺条件等进行了大量的探 索，显著地提高了纸浆白度。在 改进漂白纸浆工艺条件的同时
生物技术 研究者们也在努力探索其他途 效，因为木聚糖酶可以提高漆 6结语 径提高MnP的漂白能力。 酶一介体体系对纸浆中木素的 黄峰等P发现在MnP酶 可及性。 生物漂白技术在近几年发 解硫酸盐浆木素(CEL)时加入 Levlin等B利用漆酶HBT 展迅速，显示了它不同于其他漂 纤维二糖脱氢酶(CDH)能使木 体系对松木KP浆和氧漂KP浆 白方式的优越性。与传统的含 素降解溶出物质明显增加，能促 氯漂白方式相比，它能减少环境 进行脱木素，发现在介体HBT 进降解作用，使甲氧基、羧基、酚 的污染和化学漂剂的消耗，生物 参与的作用下，漆晦能够郑降解木 羟基和总羟基含量减少。 漂白可以降解残余木素，作用周 素，使残余木素减少；同时木素 Bermkh等例比较了不饱和 期也较短。因此，生物漂白是非 中的酚羟基减少，羰基和羧基增 脂肪酸与硫醇类谷胧甘肤等两 常具有发展前景的漂白方式，为 加，对后续漂白过程起到活化作 类化合物增强漂白纸浆效果的 实现生物无污染漂白的目标提 用。 供了有利的条件。但木素的结 能力，结果发现添加谷胧甘肤漂 付时雨等研究了尾叶桉 白效果并不明显，而添加脂肪酸 构非常复杂，并且在纸浆中木素 硫酸盐浆漆酶/介体漂白系统。 类化合物效果显著实验同时发 与聚木糖形成复合体紧密地附 结果表明，Panus conchatus的纯 现含有C=C的脂肪酸在MnP 着在纤维上难以除去，仅依赖于 漆酶在介体NHA(N-羟基乙 一种酶的作用远远不够，可利用 纸浆漂白中起着关键的作用，当 酰苯胺)的存在下进行生物漂 脂肪酸类化合物所含的C=C的 木聚糖酶与木素酶共同作用，有 白，可使纸浆卡伯值降低30%， 数目越多，漂白效果越好。 望完全降解掉纸浆中残留的木 戚抽提后，纸浆的卡伯值又降 5.2漆酶 素，实现真正意义上的生物漂 低13%。生物处理后再经过2% 5.2.1漆酶漂白机理 白。另外，仍需不断开发新的途 的HO2漂白，纸浆的卡伯值降 径以获取更为有效的微生物和 漆酶是以。，作电子受体雀 低56%，白度达81%1SO。在漆 化多酚化合物经4次单电子传递 酶，为制浆造纸工业带来更多更 酶处理时加入表面活性剂可以 形成醌及自由基的含酮蛋白酶。 新的发展机遇。 @ 增加木素的溶出，提高纸浆的白 体外实验中木素单体在漆酶/O2 参考文献： 条件下发生聚合反应，在菌体内 度，并且保持漆酶的稳定性。 [刊张盆，胡惠仁，刘廷志生物制浆的探 则可与其他氧化木素酶系降解 冯文英等人网研究了麦草 讨黑龙江造纸，2005(3)：26-28. [2张爱萍，秦梦华，徐清华.白腐菌及其 木素。漆酶利用分子氧氧化木 浆木聚糖酶和漆酶协同生物漂 素酚型结构单元成为酚氧游离 白。结果表明，L-X-H比X-L一H 酶在制浆造纸工业中的应用研究进 展U.西南造纸，2005.34(2)：20-22. 基，同时还原分子氧生成水。 (L为漆酶)浆白度高、纸浆硬度 [3]Abdolreza N,Kyoji S,Tomoaki N,et al. 5.2.2漆酶漂白研究及应用 低，分别比对照浆(H)的白度高 Biobleaching of Kenaf bast fiber soda- 漆酶-介体系统(Laccase 3.9%1sO和3.0%1sO,因此，用 AQ pulp using white-rot fungus[J]. mediator system)是近年研究热 L-X-H漂序比X-L-H更有效。 Tappi,,1998.81(6):179. [4付时雨，王萍，易杜芬，等.白腐菌预处 点。漆酶一介体体系在氧气存 在漆酶一介体脱木素过程中存 理对硫酸盐苇浆漂白的影响).中国 在下与纸浆作用，可引起纸浆卡 在一个氧化还原循环，即漆酶 造纸，2001(3)：4-6. [)]谢来苏.制浆造纸的生物技术M).化 伯值大幅下降，有利于实现少氯 氧化介体形成小分子化合物自 学工业出版社，2003. 或无氯漂白，并且LMS漂白可 由基，并扩散到纸浆中，然后与 [6]Viikari L,Ranua M.Kantelinen A,et al. 以与其他任何漂白过程相结合。 纸浆中的木素反应使之降解。 Bleaching with enzymes,biotechnology 漆酶被认为是纸浆漂白最 漆酶一介体系统目前还处在研 in the pulp and paper industry[C].Pro- 具应用前景的一种酶。有报道， 究试验阶段，但已呈现出在纸浆 ceedings of 3rd International Conference on the Biotechnology in the Pulp and 漆酶与木聚糖酶协同处理纸浆， 生物漂白和提高纸浆漂白质量 Paper Industry,Stockholm,Sweden, 其效果比单独使用漆酶更为有 等方面的诱人前景，3别。 1986:67-72. 58 2010年10月第29卷第10期 纸和孤
生物技术 2010 年 10 月 第29卷 第 10 期 58 研究者们也在努力探索其他途 径提高 MnP 的漂白能力。 黄峰等[28] 发 现 在 MnP 酶 解硫酸盐浆木素 (CEL) 时加入 纤维二糖脱氢酶 (CDH) 能使木 素降解溶出物质明显增加，能促 进降解作用，使甲氧基、羧基、酚 羟基和总羟基含量减少。 Bermkh 等[29] 比较了不饱和 脂肪酸与硫醇类谷胧甘肤等两 类化合物增强漂白纸浆效果的 能力，结果发现添加谷胧甘肤漂 白效果并不明显，而添加脂肪酸 类化合物效果显著 ；实验同时发 现含有 C=C 的脂肪酸在 MnP 纸浆漂白中起着关键的作用，当 脂肪酸类化合物所含的 C=C 的 数目越多，漂白效果越好。 5.2 漆酶 5.2.1 漆酶漂白机理 漆酶是以 O2 作电子受体催 化多酚化合物经 4 次单电子传递 形成醌及自由基的含酮蛋白酶。 体外实验中木素单体在漆酶 /O2 条件下发生聚合反应，在菌体内 则可与其他氧化木素酶系降解 木素。漆酶利用分子氧氧化木 素酚型结构单元成为酚氧游离 基，同时还原分子氧生成水。 5.2.2 漆酶漂白研究及应用 漆酶-介体系统 (Laccase mediator system) 是近年研究热 点。漆酶 - 介体体系在氧气存 在下与纸浆作用，可引起纸浆卡 伯值大幅下降，有利于实现少氯 或无氯漂白，并且 LMS 漂白可 以与其他任何漂白过程相结合。 漆酶被认为是纸浆漂白最 具应用前景的一种酶。有报道， 漆酶与木聚糖酶协同处理纸浆， 其效果比单独使用漆酶更为有 效，因为木聚糖酶可以提高漆 酶-介体体系对纸浆中木素的 可及性。 Levlin等[30] 利用漆酶 /HBT 体系对松木 KP 浆和氧漂 KP 浆 进行脱木素，发现在介体 HBT 参与的作用下，漆酶能够降解木 素，使残余木素减少 ；同时木素 中的酚羟基减少，羰基和羧基增 加，对后续漂白过程起到活化作 用。 付时雨等[31] 研究了尾叶桉 硫酸盐浆漆酶 / 介体漂白系统。 结果表明，Panus conchatus 的纯 漆酶在介体 NHA（N- 羟基乙 酰苯胺）的存在下进行生物漂 白，可使纸浆卡伯值降低 30%， 碱抽提后，纸浆的卡伯值又降 低 13%。生物处理后再经过 2% 的 H2O2 漂白，纸浆的卡伯值降 低 56%，白度达 81%ISO。在漆 酶处理时加入表面活性剂可以 增加木素的溶出，提高纸浆的白 度，并且保持漆酶的稳定性。 冯文英等人[32] 研究了麦草 浆木聚糖酶和漆酶协同生物漂 白。结果表明，L-X-H比X-L-H （L 为漆酶）浆白度高、纸浆硬度 低，分别比对照浆 (H) 的白度高 3.9%ISO 和 3.0%ISO，因 此，用 L-X-H 漂序比 X-L-H 更有效。 在漆酶-介体脱木素过程中存 在一个氧化还原循环， 即漆酶 氧化介体形成小分子化合物自 由基，并扩散到纸浆中，然后与 纸浆中的木素反应使之降解。 漆酶-介体系统目前还处在研 究试验阶段，但已呈现出在纸浆 生物漂白和提高纸浆漂白质量 等方面的诱人前景 [33,34]。 6 结语 生物漂白技术在近几年发 展迅速，显示了它不同于其他漂 白方式的优越性。与传统的含 氯漂白方式相比，它能减少环境 的污染和化学漂剂的消耗，生物 漂白可以降解残余木素，作用周 期也较短。因此，生物漂白是非 常具有发展前景的漂白方式，为 实现生物无污染漂白的目标提 供了有利的条件。但木素的结 构非常复杂，并且在纸浆中木素 与聚木糖形成复合体紧密地附 着在纤维上难以除去，仅依赖于 一种酶的作用远远不够，可利用 木聚糖酶与木素酶共同作用，有 望完全降解掉纸浆中残留的木 素， 实现真正意义上的生物漂 白。另外，仍需不断开发新的途 径以获取更为有效的微生物和 酶，为制浆造纸工业带来更多更 新的发展机遇。 参考文献 ： [1] 张盆，胡惠仁，刘廷志 . 生物制浆的探 讨 [J]. 黑龙江造纸，2005（3）: 26-28. [2] 张爱萍，秦梦华，徐清华 . 白腐菌及其 酶在制浆造纸工业中的应用研究进 展 [J]. 西南造纸，2005，34(2): 20-22 . [3] Abdolreza N, Kyoji S, Tomoaki N, et al. Biobleaching of Kenaf bast fiber sodaAQ pulp using white-rot fungus[J]. Tappi, 1998, 81(6): 179. [4] 付时雨，王萍，易杜芬，等 . 白腐菌预处 理对硫酸盐苇浆漂白的影响 [J]. 中国 造纸，2001(3) ：4-6. [5] 谢来苏 . 制浆造纸的生物技术 [M]. 化 学工业出版社，2003. [6] Viikari L, Ranua M，Kantelinen A, et al. Bleaching with enzymes, biotechnology in the pulp and paper industry[C]. Proceedings of 3rd International Conference on the Biotechnology in the Pulp and Paper Industry, Stockholm, Sweden, 1986 ：67-72
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生物技术 Paper and Paper Making Vol.29 No.10 Oct. 2010 59 [7] Patrick C T. Biotechnology in the pulp and paper industry: a review[J] .Tappi J., 1990, 73(4):198. [8] 徐志兵，张恩明 . 木聚糖酶对阔叶木 KP 浆漂白的初步研究 [J]. 纸和造纸， 2002(2):67-68. [9] Clark T A, Steward D, Bruce M E, et al. Improving bleachability of radiate pine kraft pulps following treatment with hemicellulolytic enzymes[J]. Appita, 1991, 44(6):389-393. [10] Chen C C, et al. Release of lignin from kraft pulp by a hyperthermophilic xylanase from Thermotoga maritime[J]. Enzyme Microb Technol., 1997, 20(1): 39-45. [11] Wong K K Y, Saddler N. Trichoderma xylanases, their properties and application[J]. Crit. Ret. Biotechnol., 1992(12):4-13. [12] Kul K N, Shendye, Rao M. Molecular and biotechnological aspect of xylanases[J]. FEMS Microbiol Rev, 1999, 23 ：411-456. [13] Vidal T, Munoz M, Colom J F. Xylanase bleaching of eucalyptus kraft pulp-an economical TCF process[C]. Proceedings of 7TH International Conference on Biotechnology in the Pulp & Paper industry，Vancouver，Canada, 1998 ：C11-C14. [14] 王伟，陈嘉翔，高培基 . 半纤维素酶和 木素酶 KP 浆漂白的探索 [J]. 中国造 纸，1995，14(3):45-48 . [15] 陈嘉翔，王伟 . 桉木 KP 浆以木聚糖酶 和木素酶辅助漂白比较 [J]. 中国造 纸，1997(6):53-54. [16] 于 伟 东，陈 中 豪，余 惠 生 . 麦 草 烧 碱 -AQ 浆木聚糖酶与活性氧漂白研 究 [J]. 中国造纸，1999，(4):28-30. [17] 陈嘉川，杨桂花，李昭成，等 . G6-2 细 菌木聚糖酶漂白 NaOH-AQ 麦草浆 的研究 [J]. 中国造纸学报， 2000，15 ： 3-47. [18] 黄峰，高培基，杨桂花，等 . 木聚糖 酶、木素酶预处理制备硫酸盐装的研 究 [J]. 中 国 造 纸 学 报， 2001，16(2) ： 12-16. [19] 姚春丽，谈滔，张莹. 木聚糖酶处理尾巨 桉 KP-AQ 浆工艺条件的研究 [J]. 北京 林业大学学报， 2009，31(1) ：56-160. [20] 王治艳，陈嘉川，杨桂花 . 木聚糖酶用 于麦草浆 ECF 漂白的研究 [J]. 中国 造纸学报，2010，25(1) ：5-8 . [21] Paice M G， Gurnaqual N，Page D H，et al. Mechanism of hemicellulose directed pre-bleaching of kraft pulp[J]. Enzyme Microb. Technol .,1992,14(4):272-276. [22] Gold H. Maganese peroxidase from Phaneroehaete chrysosporium: biochemical and genetic characterization[C]. International Conference on Biotechnology in Pulp and Paper Industry. Vancouver, Canada, 1998. [23] 许开绍，郭华清 . 生物酶漂白技术的 研究进展 [J]. 西南造纸，2002（4）： 21-23. [24] 周学飞，陈嘉翔 . 硫酸盐浆木素过氧 化物酶 - 过氧化氢协同作用漂白 [J]. 中国造纸，1999（5）：39-42 . [25] Bermek H, Li K, Eriksson K-EL. Pulp bleaching with manganese peroxidase and xylanase: a synergistic effect[J]. Tappi, 2000, 83(10): 6-9. [26] More I, Feijoo G, Siwrra R, et al. Reevaluation of the manganese requirement for the biobleaching of kraft pulp by white rot fungi[J]. Bioresource Technology, 1999,70 (3) ：255-260. [27] Timofeevsk I, Nie G, Reading N S, et al. Substrate specificity of lignin peroxidase and a S168W variant of manganese perxidase[J]. Arch Biochem Biophys, 2000, 373(1) ：147-153. [28] 黄峰，方靖，卢雪梅，等 . 纤维二糖脱 氢酶对锰过氧化物酶降解木质素的 促进作用 [J]. 科 学 通 报， 2001，46 (18) ：1523-1528. [29] Bermk H, Li K, Eriksson K. Studies on mediators of manganese peroxidase for bleaching of wood pulps[J]. Bioresource Technology, 2002, 85(3): 249-252. [30] Levl I K P, Wang W, Tamminen T, et al. Effect of Laccase HBT Treatment on Pulp and Lignin Structure[J]. Pulp Paper Sci., 1999, 25 (3) ：90-94. [31] 付时雨，詹怀宇，余惠生 . 漆酶 / 介体 系统漂白尾叶桉硫酸盐浆的初步研 究 [J]. 中国造纸，2000(2) ：8-12 . [32] 冯文英，常清荣，李振岩 . 麦草浆的木 聚糖酶和漆酶 / 介体体系协同生物 漂白研究 [J]. 中国造纸学报，2003， 18(2) ：60-63 . [33] 季立才，胡培植 . 漆酶催化氧化反应 研究进展 [J]. 林产化学与工业，1997， 17(1):79-83. [34] 李光日，余惠生，付时雨，等 . 漆酶催化 活性中心结构及应用的研究进展 [J]. 纤维素科学与技术，2000，8(2) ：42-48. Current Situation and Development of Biological Bleaching in Paper Industry MA Shu-jie, JIN Xiao-juan (Beijing Forestry University, Beijing, 100083 China) Abstract: With the development of biological sciences, biotechnology has been more widely used in the pulping and papermaking industry, bio-bleaching technique is a green-type bleaching method can improve the bleach ability of pulp and reduce the amount of chemicals to decrease the chemical pollution to the environment. This paper discussed the aim of biological bleaching, the bleaching mechanism and current research situation of microorganisms and enzymes including xylanase, mannanase, lignin peroxidase, manganese peroxidase and laccase. Key words: biobleaching ; xylanase ;Lignin-degrading enzyme 收稿日期 ( 修改稿 ) ：2010-08-28