一種紙漿漂白復(fù)合酶及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及造紙用復(fù)合酶，具體涉及一種紙漿漂白復(fù)合酶及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)生產(chǎn)中，制漿過程是在堿性的條件下，用高溫蒸煮的方法除去木質(zhì)素，為使 溶解制漿纖維素純度達(dá)到98%，這就需要大量的氫氧化鈉處理紙漿，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污 染，為此許多學(xué)者轉(zhuǎn)而嘗試生物處理制漿，而用于制漿漂白的木聚糖酶應(yīng)是耐熱和耐堿的。 馮建良等（Kimura et al. 2000)用木聚糖酶預(yù)處理麥草與常規(guī)化學(xué)法制漿進(jìn)行了比較試 驗，木聚糖酶預(yù)處理提高了原料的脫木素程度，還可以降低制漿的卡伯值。木聚糖酶在輔 助漂白方面有較廣泛而深入的研究，且取得了很大成果。研究發(fā)現(xiàn)，無論是針葉木漿、闊葉 木漿或是竹漿、草漿，木聚糖酶均可以降解紙漿中殘余的木質(zhì)素，提高了白度（AL BALAA et al, 2006 ;Meek and Lipman, 1922)。用于紙楽漂白的木聚糖酶必須具有耐高溫特點(diǎn)，Khasin 等得到了一個來源于堿性菌株Bacillus sterarothermophilus T26木聚糖酶，該木聚糖酶 在pH 9. 0及65°C時對紙漿有最好的漂白效果（Khasin et al，1993)，很多木聚糖酶不具備 這樣的特點(diǎn)，限制了商業(yè)化應(yīng)用。全世界每年產(chǎn)生的廢紙數(shù)量是驚人的，廢紙回收后再利用 工作就變得尤為重要了，可以使在資源重復(fù)利用的同時也保護(hù)了環(huán)境。1991年，由韓國學(xué)者 首次報道了應(yīng)用木聚糖酶能將油墨從新聞廢紙漿中脫除。此后，人們開始研究利用木聚糖 酶進(jìn)行廢紙脫墨，以減輕或消除化學(xué)脫墨帶來的環(huán)境污染（曹軍衛(wèi)等，2004)。
[0003] 目前，以無元素氯和全無氯漂白工藝為代表的紙漿綠色清潔漂白已經(jīng)成為世界各 國造紙業(yè)紙漿漂白發(fā)展的必然趨勢，木聚糖酶酶法助漂新工藝已在歐洲和北美洲的30余 家大型紙廠得到應(yīng)用，成為生物技術(shù)在造紙工業(yè)應(yīng)用最成功的一例。其中加拿大有約10% 的硫酸鹽法紙漿廠采用了該項新工藝。丹麥諾維信公司和美國山道斯化學(xué)公司等多家酶制 劑廠商，紛紛推出了專門用于制漿處理的木聚糖酶和纖維素酶新產(chǎn)品，但到目前為止，工業(yè) 上應(yīng)用于紙漿漂白的木聚糖酶大多是中性偏酸的，最適反應(yīng)溫度大多在50°C左右，眾所周 知，紙漿蒸煮和漂白基本都是在高溫和強(qiáng)堿的條件下進(jìn)行的，使得現(xiàn)有的低溫酸性木聚糖 酶產(chǎn)品在此領(lǐng)域的應(yīng)用受到極大的限制。
[0004] 但是，由于木聚糖酶處理工藝是通過降解除去紙漿表面再沉積的半纖維素等方式 來幫助化學(xué)漂劑漂白的，木聚糖酶只能起到助漂的作用，不能真正替代化學(xué)漂劑。因此，生 物預(yù)漂白并不能完全替代化學(xué)漂白，能減少污染卻不能最終消除污染，要從根本上消除有 氯漂白液的污染，需最終實現(xiàn)生物漂白，即完全采用生物手段除去紙漿中殘留的木質(zhì)素，因 為木質(zhì)素的存在是紙漿返黃的根本原因，化學(xué)漂白可直接作用木質(zhì)素而破壞紙漿中的發(fā)色 基團(tuán)。木素酶可直接作用于木質(zhì)素，對木質(zhì)素進(jìn)行降解，主要為白腐菌分泌的木素過氧化物 酶、錳過氧化物酶、漆酶和纖維二糖脫氫酶等，近幾年研究的熱點(diǎn)主要集中在漆酶的生物漂 白上，漆酶是一種多銅氧化酶，也稱多酚氧化酶，主要氧化含酚的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單位，但天然 木材木質(zhì)素只有少于20%的含酚結(jié)構(gòu)單位，另通常真菌漆酶分子量較大（約為70000Da)難 以穿入木頭中作用木質(zhì)素分子，要想充分發(fā)揮其酶活性，必須添加漆酶介質(zhì)，通常為紫尿 酸（VA)和1-羥基苯并三氮唑（HBT)，視不同漂白工藝而選用，并且漆酶的產(chǎn)量較小、穩(wěn)定性 較差。
[0005] 中國專利CN 102978986A公開了一種生物酶法制備紙漿的方法，所述生物酶制備 液中生物酶組分的質(zhì)量百分比含量為：纖維素酶20%，半纖維素酶10%，木素降解酶10%， 淀粉酶20 %，脂肪酶5 %，果膠酶和漆酶20 % ;其中的纖維素酶會降解紙漿中的有效成分纖 維素，不易控制，嚴(yán)重影響成紙的物理機(jī)械性能，同時，上述生物酶適用于制漿工藝，而非漂 白工藝，并且，單一使用漆酶，其酶活力很難發(fā)揮，不能很好作用于木質(zhì)素，紙漿返黃可能性 增大。中國專利CN 103555701A公開了一種紙漿漂白用復(fù)合酶液的生產(chǎn)方法，其特征是將 各組份酶經(jīng)稱量、復(fù)配罐混合配制、防腐、檢驗、包裝后存放于5°C庫房中，所述各組份酶為 堿性果膠酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶和木質(zhì)素酶；上述復(fù)合酶液酶種類和特性單一、木質(zhì)素 酶活力低且沒有公開木質(zhì)素酶的具體種類，工業(yè)化難于實現(xiàn)，還是不能從根本上徹底消除 木質(zhì)素，漂白效果仍不理想，并且不易保存、儲存穩(wěn)定性差，商品化應(yīng)用受限。
[0006] 綜上，制備一種酶系全、漂白效果好、易保存、儲存穩(wěn)定性好的紙漿漂白酶具有廣 闊的市場前景和巨大的市場潛在價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有紙漿漂白酶的缺陷，以耐高溫堿性木聚糖酶 為主要原料，科學(xué)復(fù)配嗜熱芽孢桿菌培養(yǎng)物、漆酶及其介質(zhì)、葡聚糖酶、m)TA、保護(hù)劑、激活 劑、甘露糖酶、脂肪酶、單寧酶、果膠酶、白度穩(wěn)定劑、非離子表面活性劑、抗氧化劑等，制備 一種酶系全、漂白效果好、易保存、儲存穩(wěn)定性好的紙漿漂白酶，在完全保留紙漿纖維素的 同時，最大限度地溶出木質(zhì)素并將其降解，從根本上降低紙漿中木質(zhì)素含量，增強(qiáng)脫木素效 果，同時適度復(fù)配白度穩(wěn)定劑，可彌補(bǔ)生物漂白的不足，力爭達(dá)到永久漂白，防止紙漿返黃， 提高成紙的產(chǎn)量和質(zhì)量，以推進(jìn)生物漂白在造紙工業(yè)的應(yīng)用進(jìn)程，最終達(dá)到降低成本和保 護(hù)環(huán)境的目的。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0009] -種紙漿漂白復(fù)合酶，由以下重量份數(shù)的原料制備：
[0010] 堿性木聚糖酶20-40份，嗜熱芽孢桿菌培養(yǎng)物10-30份，漆酶10-20份，葡聚糖酶 5-8份，1-羥基苯并三氮唑3-8份，EDTA 3-8份，保護(hù)劑4-7份，激活劑4-7份，甘露糖酶4-6 份，脂肪酶3-5份，單寧酶3-5份，果膠酶3-5份，白度穩(wěn)定劑2-5份，非離子表面活性劑2-4 份，抗氧化劑1 _3份。
[0011] 所述堿性木聚糖酶和嗜熱芽孢桿菌培養(yǎng)物是由產(chǎn)耐高溫堿性木聚糖酶的嗜熱芽 孢桿菌（Bacillus thermophilus) 701 (保藏編號為CCTCC Μ 2013537)為出發(fā)菌株，并通過 優(yōu)化培養(yǎng)基組成和發(fā)酵工藝而制備；
[0012] 所述堿性木聚糖酶耐高溫、耐堿性強(qiáng)、作用條件寬泛、不具有纖維素酶活性，更加 適合紙漿的生物漂白和化學(xué)助漂；
[0013] 所述耐高溫堿性木聚糖酶的酶學(xué)性質(zhì)如下：
[0014] (1)溫度：該酶溫度適應(yīng)范圍較寬，適用溫度范圍為40-75°C，最適反應(yīng)溫度65°C， 在75 °C酶活完全穩(wěn)定；
[0015] (2)pH:該酶適用反應(yīng)pH值范圍為5. 0-11.0,在pH值為11.0時酶活完全穩(wěn)定，最 適反應(yīng)pH值為10. Ο ;
[0016] (3)酶活性：發(fā)酵液堿性木聚糖酶酶比活力較高，為350-420IU/ml ;
[0017] (4)熱穩(wěn)定性：該酶在70°C條件下保存lh后仍能保持80%以上酶活，75°C條件下 保存lh后保持70%以上酶活；
[0018] (5)存儲穩(wěn)定性：該酶在室溫下保存12個月后酶活損失小于3. 0%。
[0019] 優(yōu)選地，所述耐高溫堿性木聚糖酶的制備方法如下：將保存完好的嗜熱芽孢桿 菌CCTCC Μ 2013537的斜面菌種經(jīng)活化和逐級擴(kuò)大培養(yǎng)（包括一、二、三級種子培養(yǎng)以及 一級種子罐培養(yǎng)）得到種子液，以6 %接種量接入發(fā)酵罐，培養(yǎng)溫度37-45°C，攪拌速度 200-700rpm，通風(fēng)量（V/V)l:l-3,培養(yǎng)時間25-30h ;然后以1-2°C /h降溫速率緩慢降溫至 15-20°C，恒溫培養(yǎng)10_12h ;繼續(xù)以1-2°C /h降溫速率緩慢降溫至8-KTC，此時，將一級種 子罐發(fā)酵液以4%接種量追加接入發(fā)酵罐，恒溫培養(yǎng)7-12h ;最后以1-2°C /h升溫速率緩慢 升溫至15-20°C，恒溫培養(yǎng)10_12h ;繼續(xù)以1-2°C /h升溫速率緩慢升溫至37-45°C，恒溫培 養(yǎng)20-30h ;發(fā)酵液經(jīng)過濾、濃縮、調(diào)配、精濾、干燥得耐高溫堿性木聚糖酶，所述調(diào)配過程加 入濃縮酶液總重量〇. 5-5%中草藥粉劑；
[0020] 所述斜面培養(yǎng)基組成為：牛肉膏3-10g，氯化鈉5_12g，蛋白胨10_20g，葡萄糖 2_5g，瓊脂 15-20g，中草藥粉劑 5-10g，蒸餾水 lOOOmL，pH 值 5-11，121°C滅菌 20min ;
[0021] 所述中草藥粉劑的制備方法如下：以重量份數(shù)計，稱取黃芪20-30份，黨參10-18 份，柴胡10-15份，黃芩10-15份，魚腥草8-12份，當(dāng)歸8-10份；分別將上述中草藥粉碎至 粒徑為2毫米以下，然后于容器中均勻混合并添加3-6倍重量的水，控制溫度70°C~90°C 保持2~4h，然后降溫至45-60°C，加入混合酶進(jìn)行酶解，用乳酸調(diào)節(jié)pH值為5. 5-6. 8,酶解 2-4h，最后添加混合物料0. 5-3倍重量乙醇和丙醇的混合物，控制溫度至60°C~78°C保持 3~4h，過濾；濾液真空濃縮后冷凍干燥獲得中草藥粉劑；
[0022] 所述混合酶添加量為混合物料總重量的5-10% ;
[0023] 所述混合酶的重量份數(shù)組成為：內(nèi)β -葡聚糖酶10-20份，外β -葡聚糖酶10-20 份，β -葡萄糖苷酶10-15份，木聚糖酶15-20份