·OCC 造纸强度·
果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系改善
OCC 造纸强度性能的研究
陈樱珈1
马邕文1
王祥槐2
许超峰3
张凤山4
许银川3
万金泉1，
*
（1.华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640；2.瑞辰星生物技术（广州）有限公司，广东广州，510530；3.郑州运达造纸设备有限公司，河南郑州，
451100；4.山东华泰纸业股份有限公司，山东东营，257335）
摘
要：研究了果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系预处理对废旧瓦楞箱纸板（OCC ）造纸强度性能的改善。
结果表明，采用果胶酶协同漆酶/谷氨酸预处理可以明显提高OCC 抄造纸张的强度性能。采用响应曲面法优化的最佳预处理工艺条件为：果胶酶用量3.5U/g ，漆酶用量12.2U/g ，果胶酶处理时间62min
、漆酶处理时间160min 。与未处理的空白纸张相比，最佳工艺条件下预处理的OCC 再造纸张的C1相对含量降低26.2%，C2相对含量增加15.0%，C3相对含量增加11.2%，O/C 增加27.9%；抄造纸张的抗张强度提高24.7%，耐破度提高33.7%，撕裂度提高25.5%，环压强度提高31.1%。果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系预处理可以降解木素，产生更多的羟基。关键词：果胶酶；漆酶/谷氨酸体系；强度性能；OCC 中图分类号：TS75
文献标识码：A
DOI ：10.11980/j.issn.0254-508X.2022.05.006
Study on Improving Strength Properties of OCC Reconstituted Paper with Pectinase and
Laccase/Glutamic Acid System
CHEN Yingjia 1
MA Yongwen 1
WANG Xianghuai 2
XU Chaofeng 3
ZHANG Fengshan 4
XU Yinchuan 3
WAN Jinquan 1，
*
（1.State Key Lab of Pulp and Paper Engineering ，South China University of Technology ，Guangzhou ，Guangdong Province ，510640；2.Guangzhou Rising Star Biotech Co ．，Ltd ．，Guangzhou ，Guangdong Province ，510530；3.Zhengzhou Yunda Paper Machinery Co.，Ltd.，
Zhengzhou ，He ’nan Province ，451100；4.Shandong Huatai Paper Co.，Ltd.，Dongying ，Shandong Province ，257335）
（*E -mail ：ppjqwan@scut.edu ）
Abstract ：The improvement of strength performance of old corrugated cardboard （OCC ）reconstituted paper by pectinase and laccase/glutam⁃
ic acid pretreatment system was studied.The results showed that pectinase and laccase/glutamate acid pretreatment could significantly im⁃prove the strength properties of OCC reconstituted paper.The optimized process conditions via response surface method were that pectinase dosage of 3.5U/g ，laccase dosage of 12.2U/g ，pectinase treatment time of 62min ，laccase treatment time of 160min.Compared with un⁃treated OCC reconstituted paper ，the relative content of C1of OCC reconstituted paper pretreated under the optimized process conditions was decreased by 26.2%，whereas the relative content of C2，C3and O/C increased by 15.0%，11.2%and 27.9%，respectively.The tensile
degradestrength ，burs strength ，tear strength and the ring compression strength of OCC reconstituted paper pretreated under the optimized process conditions were increased by 24.7%，33.7%，25.5%and 31.1%，respectively.The pectinase and laccase/glutamate acid pretreatment
could degrade lignin and produce more hydroxyl groups.
Key words ：pectinase ；laccase/glutamic acid system ；strength properties ；OCC
1t 废纸可生产约0.8
t 再生浆，可代替约3～4m 3
的木材，同时减少了有毒废物的排放，减少75%的空气污染和35%的水污染[1]。但是再生纤维利用也存在着成纸滤水性能差、纤维润胀性能差、纤维强度低
作者简介：陈樱珈女士，在读硕士研究生；研究方向：二次纤维高效清洁化利用。
收稿日期：2021-11-22（修改稿）
基金项目：国家重点研发计划（No.2021YFC2100400）。
*通信作者：万金泉，教授，博士生导师；主要从事植物资源高值化利用及污染控制等方面的研究。
等问题[2]，其被称为“纤维性能的衰变”，因此需要采取一些方法来提高再生纤维的质量。
生物酶具有修复效果好、反应条件温和、对纤维损伤小、对环境无二次污染等优点，被广泛应用于制浆造纸工业中[3-6]。漆酶可以去除木素，从而提高纸浆漂白性能，增强纤维强度性能，陈国政等人[7]用羧甲基壳聚糖协同漆酶预处理废旧瓦楞箱纸板（OCC），结果表明，经过协同体系处理后纸浆的白度和强度得到提高，纤维间排列紧密，酸不溶木素含量下降。有研究表明，氨基酸在漆酶氧化后可以与木素发生迈克尔加成反应，从而将羧基嫁接到纸浆纤维上，增加纤维的溶胀性能，从而提高纸张的强度性能[8]。
纤维表面存在着大量木素和抽出物，这些物质对纤维的覆盖不利于纤维的润胀，对后续纤维与其他药品反应有一定的影响[9]。果胶酶可以部分去除纤维表面的木素和提取物，暴露出更多的碳水化合物和木素，从而提高后续加工的效率[10]。张向东[11]通过漆酶/介体和果胶酶的协同处理杨木碱性过氧化氢机械浆（APMP），研究表明，漆酶/介体和果胶酶的协同处理可以增加APMP纤维之间的结合力，提高纸张的物理强度。
本研究以OCC为原料，研究了果胶酶协同漆酶/谷氨酸的复合酶体系预处理对OCC纸张强度性能的改善，并用响应曲面法优化了酶预处理工艺条件，通过X射线光电子能谱仪（XPS）、原子力显微镜（AFM）和傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）分析酶预处理对纤维表面物质和分子结构的影响。
1实验
1.1原料与试剂
废旧瓦楞箱纸板（OCC），瑞辰星生物技术（广州）有限公司；漆酶（酶活110×104U/L）、果胶酶（3×104U/g），上海麦克林生化科技有限公司；谷氨酸，上海伯奥生物科技有限公司；碳酸氢二钠，分析纯，福晨（天津）化学试剂有限公司；碳酸二氢钠，分析纯，国药集团化学有限公司。
1.2实验仪器
HH-4数显恒温水浴锅（常州澳华仪器有限公司）；JB90-SH恒速电动搅拌机（上海标本模型厂）；RK3AKWT凯赛法自动抄纸器（奥地利PTI公司）；CE062抗张强度仪、CE180耐破度测定仪、248压溃测试仪、009撕裂度测试仪（瑞典L&W公司）；Nano⁃scopeIIIa原子力显微镜（美国）；Axis Ultra DLD光电子能谱仪（英国Krates公司）；Vector33傅里叶变换红外光谱仪（德国Thermo Fisher Scientific公司）。1.3实验方法
1.3.1OCC浆板的处理
将OCC浆板用手撕成合适尺寸的小片，于室温下在水中浸泡24h，将泡好的废纸调节浆浓约10%，在50℃、300r/min的碎浆机中碎浆25min。碎浆完成后用浆袋过滤收集浆料，平衡水分24h以上备用。1.3.2OCC浆料预处理
称取20g绝干OCC浆料配成浆浓2%的纸浆，用磷酸氢二钠-磷酸二氢钠（Na2HPO4/NaH2PO4）缓冲溶液调节pH值为6.0，在45℃的恒温水浴锅中搅拌（转速200r/min），添加果胶酶预处理一段时间后，再添加漆酶和1%的谷氨酸（相对于绝干浆料）进行反应。反应结束后在沸水浴中灭活5min。采用响应曲面法，利用Design Expert软件设计4因素3水平实验确定最佳果胶酶用量、漆酶用量、果胶酶反应时间和漆酶反应时间。
1.4抄纸及性能检测
利用凯赛法自动抄纸器抄造定量80g/m2的手抄片，然后在105℃下干燥10min。将手抄片在恒温恒湿实验室（温度（23±1）℃、相对湿度(50±2)%）放置12h后，分别按照GB/T12914—2008、GB/T454—2002、TAPPI T810om-98、TAPPI T414om-12测定纸张的抗张强度、耐破度、环压强度和撕裂度。
1.5X射线光电子能谱仪（XPS）分析
利用凯赛法自动抄纸器抄造定量80g/m2的手抄片，将纸样放在干净的金属板表面上，于室温下风干。剪下一小块长宽不超过1cm的样品附着在平坦的玻璃表面上，用XPS检测纸张表面C、O元素的相对含量。测试条件：X射线源采用铝靶，工作电压125kV，电流20mA，真空度3.1×107Pa。样品数据从C1s峰进行曲线拟合，线形为高斯线形。
1.6原子力显微镜（AFM）分析
采用AFM分析纸浆纤维表面。称取约0.5g湿纸浆充分分散于200mL去离子水中，用胶头滴管吸取少量纸浆悬浮液，滴在刚劈开的云母片一面上，云母片另一面用双面胶粘于导电铁片上，室温风干后使用。每种纸浆做3个样品，并确保每个样品上有几根分散且完整的纤维。使用原子力显微镜在空气中采用轻敲模式成像。扫描速度为1.0Hz，图像分辨率为512×512像素，同时记录高度图像和相位图像，采用Nanoscope analysis1.8软件分析图像。
1.7傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析
将绝干浆料样品与预先干燥的KBr粉末混合在玛
瑙研磨机中研磨成粉末状，在压片模具中压成全透明的薄片进行分析。扫描频率范围400～4000cm-1，分辨率4cm-1，信噪比30000∶1（峰/峰值）。
2结果与讨论
2.1响应面优化分析
2.1.1实验设计
在单因素实验的基础上，采用响应曲面法对预处理OCC的工艺条件进行优化。利用Design Expert软件中的Box-Behnken模型，以果胶酶用量（A，2～4U/g）、漆酶用量（B，11～13U/g）、果胶酶处理时间（C，
50～70min）、漆酶处理时间（D，140～160min）为影响因子，抗张强度（Y）为响应值，设计实验方案，实验因素水平表见表1，实验方案和结果分析如表2~表3所示。
2.1.2响应曲面分析
在45℃、pH值6.0、谷氨酸添加量1%（相对于绝干浆料）的条件下进行实验，实验结果用于多元回归拟合[12]。抗张强度的二阶多项式回归模型如式（1）所示。
Y=2.43+0.1167A+0.0942B+0.0258C+
0.0650D+0.0175AB+0.0850AC+ 0.0225AD+0.0250BC-0.0350BD-0.0375CD-0.1539A2-0.1527B2-0.1227C2+0.0111D2（1）
表3为回归模型方差分析表。由表3可知，回归
模型的F值（效应项与误差项比值）为19.87，F值越大表示处理效果越明显。回归模型的P值<
0.0001，表示回归模型的回归性好；且回归模型相关系数的平方R2=0.9521，调整确定系数的平方R2Adj= 0.9042，表示回归模型拟合程度好，能够解释90%以上的响应值；失拟项P=0.6086>0.05，无显著性差异，说明回归模型拟合度良好。因此，用该回归模型可以对果胶酶协同漆酶/谷氨酸体系预处理OCC的强度性能进行分析。
图1显示了回归模型计算得出的抗张强度预测值与实验中纸张抗张强度实际值之间的关系。从图1可以看出，实际值和预测值大部分分布在直线y=x 上，说明该回归模型的预测性能良好，进一步说明了回归模型的有效性。以上分析表明该回归模型可以较准确地说明各个变量和抗张强度之间的关系，同时
可以对OCC预处理的最佳条件进行较为精准地预测。
2.2漆酶、果胶酶用量对纸张抗张强度的影响
图2为漆酶、果胶酶用量对纸张抗张强度影响的
表1实验因素水平表
Table1Table of experimental variables
水平
-1 0 1果胶酶用量
（A）/U·g-1
2
3
4
漆酶用量
（B）/U·g-1
11
12
13
果胶酶处理
时间（C）/min
50
60
70
漆酶处理
时间（D）/min
140
150
160
表2实验方案和结果
Table2Results of experimental design
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
A/U·g-1
2
4
2
4
3
3
3
3
2
4
2
4
3
3
3
3
2
4
2
4
3
3
3
3
3
3
3
3
3
B/U·g-1
11
11
13
13
12
12
12
12
12
12
12
12
11
13
11
13
12
12
12
12
11
13
11
13
12
12
12
12
12
C/min
60
60
60
60
50
70
50
70
60
60
60
60
50
50
70
70
50
50
70
70
60
60
60
60
60
60
60
60
60
D/min
150
150
150
150
140
140
160
160
140
140
160
160
150
150
150
150
150
150
150
150
140
140
160
160
150
150
150
150
150
Y/kN·m-1
1.90
2.14
2.09
2.40
2.19
2.35
2.38
2.39
2.17
2.27
2.24
2.43
2.06
2.15
2.09
2.28
2.11
2.22
1.93
2.38
2.08
2.35
2.31
2.44
2.46
2.43
2.41
2.36
2.50
响应曲面图。由图2可知，在相同果胶酶用量下，随着漆酶用量的增加，纸张抗张强度呈先增大后减小的趋势。原因是因为漆酶去除了部分木素，促进了微细纤维的暴露，增大了纤维间的结合力，从而使纸张的抗张强度增大。同时氨基酸的加入增加了纤维的羧基
含量[8]，羧基含量的增加可以提高纤维的润胀性能和柔韧性。当漆酶用量增加到12.235U/g 时，随着漆酶用量继续增加，纸张抗张强度呈现降低的趋势，因为谷氨酸在漆酶的作用下通过迈克尔加成反应将羧基嫁接在纤维上，从而增加纤维的羧基含量，因此谷氨酸含量不变时，羧基含量不变，继续增大漆酶用量对纸张强度的提升并未有明显的作用，故漆酶最佳用量为
12.235U/g 。在相同漆酶用量下，随着果胶酶用量的
增加，纸张强度呈先增大后减小的趋势。果胶酶可以去除部分纤维表面的抽出物和木素，使纤维内部的碳水化合物和木素暴露出来[10]，从而可以使漆酶更好地催化氧化木素，使细小纤维更好地暴露出来，促进纤维间的结合，表现为纸张抗张强度的增加。当果胶酶用量增加到3.508U/g 时，继续增大果胶酶用量，纸张抗张强度呈现降低的趋势，过量的果胶酶加入会使纤维受到损伤，从而造成纤维强度降低，表现为纸张抗张强度降低，由此可以得出果胶酶最佳用量为3.508U/g 。2.3
酶预处理时间与酶用量对纸张抗张强度的影响
图3为果胶酶预处理时间与漆酶、果胶酶用量对纸张抗张强度的响应曲面图。由图3可知，随着果胶酶预处理时间的增加，纸张抗张强度增加。当反应时间较短时，果胶酶对再生纤维的改性不充分，反应时间超过61.521min 后，再延长反应时间，预处理效果不明显，纸张抗张强度甚至表现出下降趋势，果胶酶预处理时间过长可能会损伤纤维，从而降低纸张抗张强度。
图4为漆酶预处理时间与漆酶、果胶酶用量对纸张抗张强度的响应曲面图。由图4可以看出，漆酶预处理时间对纸张抗张强度的影响不太明显，因为响应
2.52.42.32.22.12.01.91.8
13.0
12.512.0
11.5
112
2.5
3.0
3.5
4.0漆酶用量
/U ·g −1果胶酶
用
量/U ·g −1抗张强度/k N ·m −1
图2漆酶、果胶酶用量对纸张抗张强度影响的响应曲面图Fig.2
Response surface of the effect of laccase dosage and
pectinase dosage on the tensile strength of paper 表3回归模型方差分析表
Table 3
Analysis of variance (ANOVA)for regression model
回归模型A /U·g -1B /U·g -1C /min D /min AB AC AD BC BD CD A 2B 2C 2D 2残差失拟项纯误差总离差
R 2=0.9521，R 2Adj =0.9042
平方和
0.70210.16330.10640.00800.05070.00120.02890.00200.00250.00490.00560.15370.15120.09760.00080.03530.02430.01110.7375
自由度1411111111111111
1410428均方0.05020.16330.10640.00800.05070.00120.0289
0.00200.00250.00490.00560.15370.15120.09760.00080.00250.00240.0028
F 值19.87
64.71
42.163.17
20.09
0.485311.45
0.80220.99041.942.2360.88
59.89
38.67
0.31570.8758
P 值<0.0001<0.0001<0.00010.09660.00050.49760.00450.38560.33650.18530.1577
<0.0001<0.0001<0.00010.58310.6086显著性显著显著显著不显著显著不显著显著不显著不显著不显著不显著显著显著显著不显著
不显著
2.5  2.5
2.4
2.4
2.3  2.3
2.2  2.22.1  2.12.0  2.0
1.9  1.9
1.8
预测值/k N ·m −1
实际值/kN·m −1
图1纸张抗张强度的预测值与实际值对比Fig.1
Comparison of observation and forecast of
paper tensile strength
曲面分析选取的漆酶预处理时间是在单因素实验的基础上选取的，因此漆酶预处理时间已经处于最优值范围内，取模型预测值160min 为漆酶最佳预处理时间，由此可以得出最佳果胶酶预处理时间为61.521min 、最佳漆酶预处理时间为160min 。2.4
最优处理条件
通过Design Expert 软件及实验数据分析得出OCC 预处理的最优工艺条件为：果胶酶用量3.508U/g 、漆酶用量12.235U/g 、果胶酶预处理时间61.521min ，漆酶预处理时间160min ，结合实际操作考虑，最优组采用果胶酶用量3.5U/g 、漆酶用量12.2U/g 、果胶酶预处理时间62min ，漆酶预处理时间160min 。通过回归模型预测在此最优处理条件下抄造纸张抗张强度为2.55kN/m ；在最优条件下进行实验，抄造纸张
的实际抗张强度为2.27kN/m ，由于处理条件与模型预测的处理条件不完全一致，因此最优条件下的实际纸张抗张强度值和预测抗张强度值有所偏差。
在最优条件下对OCC 分别进行果胶酶和漆酶/谷氨酸协同预处理（P -Lac/Glu ，果胶酶用量3.5U/g 、漆酶用量12.2U/g 、果胶酶预处理时间62min ，漆酶预处理时间160min ），单独果胶酶预处理（Pectin⁃ase ，果胶酶用量3.5U/g ，不添加漆酶和谷氨酸，其他反应条件与最优组相同），单独漆酶/谷氨酸预处理（Lac/Glu ，漆酶用量12.2U/g ，不添加果胶酶，其他反应条件与最优组相同），对照组（Control ，不加任何试剂，其他处理条件和最优组相同）。预处理后抄造纸张与对照组纸张的性能对比如表4所示。
由表4可知，与对照组相比，预处理OCC 后抄造
2.62.42.22.01.8
抗张强度/k N ·m −1
果胶酶
用量/U ·g −1漆酶处理时间/m i n
160155
150
145
1402.0  2.5  3.0  3.5  4.0
(a) 漆酶预处理时间与果胶酶用量  2.6
2.42.22.01.8
抗张强度/k N ·m −1
漆酶用量/
U ·g
−1
漆酶处理时间/m i n
160
155
150
145
14011.011.512.012.5
13.0
(b) 漆酶预处理时间与漆酶用量
图4
漆酶预处理时间与酶用量对纸张抗张强度影响的响应曲面图
Fig.4
Response surface of the effect of laccase pretreatment time and enzyme dosage on tensile strength
2.6
2.42.22.01.8
4.0  3.5  3.0  2.52.07065605550
果胶
酶处
理时间/m i n 果胶酶用量/U ·g −1抗张强度/k N ·m −1
(a) 果胶酶用量与果胶酶预处理时间
2.62.42.22.01.8
11.0
抗张强度/k N ·m −1
果
胶酶处理时间/m i n 漆酶用量
/U ·g −111.512.0
12.513.050
55606570(b)  漆酶用量与果胶酶预处理时间
图3
果胶酶预处理时间与酶用量对纸张抗张强度影响的响应曲面图
Fig.3
Response surface of the effect of pectinase pretreatment time and enzyme dosage on tensile strength

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