ОСОБЕННОСТИ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ МОДИФИКАЦИИ СУЛЬФАТНОЙ
И СУЛЬФИТНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ДЛЯ БУМАГИ
, , (Северный (Арктический) федеральный университет им. , Архангельск)
(Московский государственный университет им. , Москва)
(Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологий» РАН, Институт биохимии им. , (ФНЦ «Биотехнологии» РАН), Москва)
(Федеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологий» РАН, Институт биохимии им. , (ФНЦ «Биотехнологии» РАН); Московский государственный университет им. , Москва)
Ферментные технологии обладают большим потенциалом для использования в различных технологических процессах производства бумаги. Широкое распространение получило использование ксиланаз в процессах отбелки технических целлюлоз. Перспективным является использование препаратов целлюлаз и ксиланаз для снижения расхода энергии на размол целлюлозы [1] и повышения прочностных показателей бумаги [2,3]. Наиболее важными факторами, влияющими на процесс ферментативной модификации являются: тип ферментного препарата, величина его активности, условия обработки и характеристики волокнистого субстрата. К характеристикам субстрата относят химический состав, макро и микроморфологические характеристики структуры материала.
Наибольшее число исследований в данной области сфокусированы на сульфатной целлюлозе для производства бумаги, как наиболее крупнотоннажном полуфабрикате. На сегодняшний день проведена большая работа по установлению основных закономерностей влияния традиционных процессов получения сульфатной целлюлозы на процесс ее биохимической модификации [4]. Оценено влияние отбелки, предварительного размола и высушивания сульфатной целлюлозы на эффективность такой обработки.
Сульфитная целлюлоза сравнительно редко используется как объект исследования, что связано со значительно меньшим уровнем ее производства и использования. Однако, существенные различия в структуре и химическом составе волокон предполагают наличие дифференциации подходов к ферментативной модификации. Сравнительный анализ ферментативной обработки сульфатной и сульфитной целлюлоз с использованием уже показавших высокую эффективность ферментативных препаратов имеет важное теоретическое и практической значение.
Цель работы – оценить влияние обработки сульфатной и сульфитной целлюлозы целлюлолитическим препарата B1 EG2 (Penicillium verruculosum) на ее размол и показатели механической прочности.
В работе использовалась небеленая сульфитная целлюлоза и беленая сульфатная лиственная целлюлоза промышленной выработки. Образцы не подвергались высушиванию, хранились и использовались во влажном состоянии.
В работе применяли ферментный препарат B1 EG2, полученный с использованием рекомбинантного штамма гриба Penicillium verruculosum. Этот фермент уже показал свою высокую эффективность в модификации волокон высушенной сульфатной беленой лиственной целлюлозы [5]. Характеристика активностей препарата представлена в таблице 1.
Таблица 1 – Активности целлюлазного препарата B1EG2 (Penicillium verruculosum), ед/г
КМЦ-активность | Авицелазная активность | Активность по фильтровальной бумаге (АФБ) | Ксиланазная активность |
11 980 | 86 | 108 | 3440 |
Условия обработки были приняты согласно [5]: температура обработки 50 °С, продолжительность 2 часа, рН 5,0 и концентрация массы 6 %. Расход препарата принимался в единицах активности по фильтровальной бумаге (АФБ) на грамм а. с. массы волокна в диапазоне 0,001…0,010 АФБ/г. Контрольный образец обрабатывался в тех же условиях, однако в него вносился инактивированный кипячением фермент. После обработки проводилось нагревание всех образцов до температуры 90 °С и термостатирование при данной температуре в течение 15 минут с целью предотвращения дальнейшей активности фермента в пробах.
После обработки образцы размалывали на мельнице Йокро. Определяли степень помола образцов, изготавливали лабораторные отливки плотностью 75 г/м2 и испытывали стандартными методами, определяя разрывную длину и индекс продавливания.
Данные по размолу образцов целлюлозы представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 – Влияние дозы ферментного препарата
на размол сульфатной и сульфитной целлюлозы
Обработка целлюлазным препаратом различных целлюлоз в равных условиях привела к ускорению их размола. Подобный эффект связан с модификацией поверхности, усиливающей гидратацию и набухание волокна размоле. Отмечено, что сульфатная целлюлоза, оказалась более восприимчивой к целлюлазной обработке в сравнении с сульфитной.
Изменения показателей прочности технических целлюлоз после обработки ферментом свидетельствуют о различиях во влиянии обработки. Одними из основных факторов, которые влияют на прочностные показатели, изменяющиеся после ферментативной обработки, являются усиление межволоконных сил связи в листе бумаги и снижение собственной прочности волокна [5]. Развитие межволоконных сил связи обусловлено разработкой поверхности волокон, усиливающей их гидратацию, набухание, повышающей гибкость. Снижение собственной прочности волокна также может происходить при чрезмерной деструкции клеточной стенки в результате действия целлюлолитических препаратов. Баланс между этими показателями во многом и определяет прочность получаемого образца целлюлозы после ферментативной модификации. Данные о влиянии ферментативной обработки представлены на рисунке 2.
Рисунок 2 - Влияние дозы ферментного препарата
на показатели прочности сульфатной и сульфитной целлюлозы
Работы, ранее проведенные на волокнах сульфатной целлюлозы, выявили негативное влияние наличия лигнина на активность целлюлолитических ферментов [6]. Показано, что лигнин препятствует образованию фермент-субстратных комплексов, а также вызывает неспецифическую сорбцию фермента. Сульфатная беленая целлюлоза, несмотря на практически полное отсутствие лигнина, оказалась более устойчивой к ферментативному воздействию. Была отмечена тенденция к снижению показателей разрывной длины и индекса продавливания сульфитной целлюлозы при увеличении дозировки фермента. Относительное снижение показателей прочности для сульфитной целлюлозы было более существенным, чем для сульфатной (по разрывной длине 7,5 и 3,7 %; по индексу продавливания 15,6 и 11,0 % соответственно). Стоит отметить, что при дозировках препарата от 0,002 до 0,005 АФБ/г наблюдался рост индекса продавливания для образцов сульфатной целлюлозы. Одной из вероятных причин этих различий может служить наличие сорбированного на поверхности сульфатного волокна ксилана [7], оказывающего протекторное действие на целлюлозные фибриллы, препятствующее чрезмерной деструкции целлюлозных фибрилл волокна при целлюлазной обработке.
Таким образом, в ходе работы было установлено, что ферментативная обработка сульфатной и сульфитной технической целлюлозы улучшает их способность к размолу. Оценка влияния обработки на прочностные показатели выявила значительно более выраженное деструктирующее действие целлюлазы B1 EG2 (Penicillium verruculosum) на сульфитную небеленую целлюлозу в сравнении с сульфатной беленой целлюлозой. Отмечено, что существенные различия в структуре и химическом составе волокон требуют дифференциации подходов к ферментативной модификации сульфатной и сульфитной целлюлозы для производства бумаги.
Список литературы:
[1] Gil N., Gil C., Amaral M. E., Costa A. P., Duarte A. P. Use of enzymes to improve the refining of bleached Eucalyptus globulus kraft pulp, Biochemical engineering journal, vol. 46, pp. 89-95, 2009.
[2] Lecourt M., Sigoillot J.-C., Petit-Conil M. Cellulase-assisted refining of chemical pulps: Impact of enzymatic charge and refining intensity on energy consumption and pulp quality, Process Biochemistry, vol. 45, pp. 1247-1278, 2010.
[3] Cui L., Meddeb-Mouelhi F., Laframboise F., Beauregard M. Effect of commercial cellulases and refining on kraft pulp properties: Correlation between treatment impacts and enzymatic activity components, Carbohydrate Polymers, vol. 115, pp. 193-199, 2015.
[4] Новожилов, ферментных технологий в целлюлозно-бумажной промышленности, Архангельск: Изд-во Северного (Арктического) федерального университета, 2012, 385 с.
[5] Sinitsyn A. P., Rozhkova A. M., Sinitsyna O. A., Kholmova M. A., Terent’ev K. Yu., Kazakov Ya. V., Chukhchin D. G., Novozhilov E. V. Preparing catalyst based on recombinant cellulolytic enzyme specimen Penicillium verruculosum and its use in the paper industry, Catalysis in industry, vol. 8 (2), pp. 194-198, 2016.
[6] Mussatto S. I., Fernandes M., Milagres A. M.F., Roberto I. C. Effect of hemicelluloses and lignin on enzymatic hydrolysis of cellulose from brewer’s spent grain, Enzyme and microbial technology, vol.43, pp.124-129, 2008.
[7] Dahlman O., Jacobs A., Sjöberg J. Molecular properties of hemicelluloses located in surface and inner layers of hardwood and softwood pulps, Cellulose, № 10, pp. 325-334, 2003.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (проект № 000 базовой части государственного задания) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант 14-04-98825) и с использованием оборудования ИТЦ «Современные технологии переработки биоресурсов Севера» (Северный (Арктический) федеральный университет имени ).
