造纸工业的“酶”好未来

近年来随着生物技术的发展，生物酶制剂的生产水平不断提高，不仅促进了酶制剂在生物制浆、生物漂白、废纸生物脱墨、酶法纸浆改善性能及树脂生物控制等方面的应用，还体现出酶技术在减轻制浆造纸工业环境污染、改善纸浆性能等方面的潜力。

传统工业化学品消耗严重

造纸工业中的制浆工段是通过机械或化学方法破坏植物细胞壁，去除木质纤维素原料中缠绕着纤维素的木质素及半纤维素等，使纤维素得到分离和利用。因此，造纸制浆工段需要消耗大量能量和化学品，同时可能对纤维素产生损害。

以木材纤维为原料的制浆造纸工业为例，为了溶解除去木质素和半纤维素，释放纤维素，利用化学法制浆时需要在木屑蒸煮制浆过程中大量使用氢氧化钠、硫化钠、亚硫酸钠等化学品;使用废纸为原料的制浆和脱墨过程，则主要使用氢氧化钠、硅酸钠和表面活性剂等;在制浆漂白工段则主要使用含氯化合物、过氧化氢、臭氧等氧化剂。

为了改善造纸工艺及纸浆性能，造纸过程还使用各种化学助剂、增强剂、浆纱助剂及涂布胶黏剂等化学品，使得制浆造纸工业成为化学品使用及排放的主要轻工业之一。

酶制剂助力绿色发展

随着工业生物技术的不断发展，新的酶分子逐步被挖掘，高效的酶制剂发酵生产及应用水平的不断提升，如何提高酶制剂在制浆造纸工业的应用效率、降低生产成本成为科学家与工业界关注的热点。

近十年来，通过生物科学家与制浆造纸工程人员的协同，酶制剂应用于制浆造纸，并在生物制浆中减少能耗及有害物质的使用等方面取得显著性成果。

生物制浆是指通过产酶微生物或酶制剂对木质纤维的预处理，破坏木质素或半纤维素的结构，促进其在机械或化学制浆过程中的脱落速度，有利于纤维素的分离，同时达到减少能量和碱的消耗，缩短制浆时间，改善制浆质量的目的。

例如，白腐菌就已被广泛应用于生物制浆的研究。白腐菌含有丰富的漆酶，可以有效分解木质纤维中的木质素，更重要的是白腐菌作为担子菌纲丝状真菌，在木材等原材料混合培养预处理中能穿透木质原材料释放胞外酶，促进木质素分解。

随着人们环保意识的增强，为了减少造纸工业中氯排放对环境的影响，开发无氯漂白工艺也是制浆造纸工业的重点，纸浆生物酶漂白是具有开发前景的无氯漂白途径之一。木聚糖酶和漆酶就是造纸工业中应用于生物漂白主要酶种。

另外，以木材或非木材的一年生草本纤维原料的制浆造纸工艺中存在一些脂溶性抽提物，这些物质脱落后，不能溶于水被除去，若沉积于纸浆带进纸张中将形成“纸病”，若沉积于纸机上会引起机械故障，需要耗时进行清理。

而利用变色菌、白腐菌等微生物对木屑进行预处理，可以明显达到树脂控制的目的。与其相比较，酶制剂主要是通过作用纸浆达到除掉制浆的脂溶性抽提物的目的，利用酶制剂进行树脂控制具有作用时间短、专一性好等特点。

不仅如此，利用酶制剂进行废纸脱墨的应用，还可以减少废水排放、节约水和能源的耗费。

另外，酶还对造纸纤维性能具有改善作用。在制浆工艺中有一个精炼工段，即制浆纤维素的疏解和整理，主要目的是提高纤维素的抄纸性和强度，截断过长纤维提高抄纸的均一性，改善抄纸的吸收率、孔隙率和白度。传统方法主要通过机械作用或化学物质的作用达到要求的目标，而利用微生物酶的作用进行纸浆纤维的生物修饰有利于节省能源和减少化学试剂对纤维的破坏。

继续推动生物技术的应用

在造纸工业中化学制浆的粗浆洗涤、机械浆漂白、废纸打浆及脱墨等工段中已经有造纸酶工业规模使用的案例，主要包括纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶、锰过氧化物酶和漆酶。

另外，一些商业化的纤维素酶，如fibercare、fiberzymlbr和celluclast1.5l也已在造纸工业中应用。

此外，在具有商业开发潜力的细菌纤维素酶中，大部分生产的内切葡聚糖酶主要水解非结晶纤维素，少数的芽胞杆菌和类芽胞杆菌产生的内切葡聚糖酶可以水解微晶纤维素，坎皮纳斯类芽胞杆菌生产的耐热中性纤维素酶已被开发应用于制浆修饰和打浆酶，取得了很好的效果。

可以说，酶在制浆造纸工业的高效应用不仅可以提升生产效率，还可提高纸浆质量、减少能耗和水耗。但是，酶制剂在造纸工业的应用仍然存在成本高、稳定性不足、不易混合、驻留时间不够及成浆质量不稳定等问题。

不过，随着分子进化及基因重组技术的提高，将有利于提升酶的稳定性及生产水平。此外，生物科学家与造纸工程师的协同攻关也是推动生物技术在纸浆造纸专业应用的另一关键。

(作者系华南理工大学生物科学与工程学院教授)