在整个制浆造纸工业,环境友好工艺的应用越来越普及,使生物技术日益成为研究与开发的前沿。生物技术的吸引力在于它具有提高反应的特异性、提供更环保的工艺、节约能源并最终降低成本的潜力。近年来,纤维素酶在制浆造纸工业中应用研究不断增多,纤维素酶改性纸浆纤维可以获得其他方法难以达到的效果。利用纤维素酶改善纸浆纤维具有很高的应用价值,如,改善回收纸浆的滤水性能,提高车速；降低打浆能耗；改善纸页的某些强度性质；增加填料的使用,节约原料和自然资源；促进废纸浆的脱墨和漂白。本论文以杨木碱性过氧氢机械浆(APMP)、漂白针叶木硫酸盐浆(NBKP)和混合办公废纸浆(MOW)为研究对象,首先采用不同类型的生物酶对浆料进行预处理,以筛选出对不同种浆料纤维进行改性适用的生物酶,然后对生物酶改性纸浆纤维的工艺条件进行单因素实验,最后再使用响应曲面法对各个工艺条件进行优化和分析,以研究纤维素酶在降低打浆能耗、改善浆料滤水性能和成纸性能中所起的作用。通过水解分离纤维素酶分子结构,研究了纤维素酶分子结构中纤维素酶结合域(CBD)在纤维素酶改性纤维素纤维中所起的作用。最后,通过等温吸附实验、扫描电镜分析、X-射线衍射和热重分析等手段对纤维素酶改性不同纤维的机理进行了研究。杨木APMP酶促打浆适用酶为纤维素酶Nov476,其酶促打浆优化条件为：酶用量为30u/g,温度55℃,浆浓3%,酶预处理时间1.5h。在优化条件下使用Nov476对APMP进行酶促打浆,可以显著改善浆料打浆性能,从而降低打浆能耗。在相同打浆条件下(PFI转数),Nov476预处理过的浆料打浆后打浆度比对照浆样提高9个打浆度单位；当浆料打浆至相同打浆度时,Nov476预处理过的浆样其打浆能耗(以打浆时间计)降低约22%,且成纸物理性能基本不受影响。使用光学显微镜和扫描电子显微镜以及纤维形态分析仪对浆料纤维进行分析表明,酶促打浆后纤维表面出现明显的起毛帚化现象,纤维润胀变得粗且宽,且酶促打浆后浆料中纤维碎片或细小组分含量明显增多。实验筛选出适用于NBKP酶促打浆的两种纤维素酶分别为Refinase M和NS51101,其中Refinase M中含有CBD。通过对影响NBKP酶促打浆的主要因素进行单因素实验和RSM优化分析得出NBKP酶促打浆优化条件为：NS51101酶用量0.03%,预处理时间97min;Refinase M酶用量0.02%,预处理时间100min。 RSM优化预测打浆度与相同条件下实际检测结果相接近。两种纤维素酶预处理过的浆料,PFI磨解到相同或相近打浆度时,Refinase M和NS51101预处理过的试样磨浆能耗分别降低18.5%和15.8%；纤维素酶预处理后浆料在相同磨浆条件下进行磨浆,Refinase M预处理过的试样其磨浆能耗比NS51101预处理过的试样磨浆能耗更低。SEM和纤维形态分析表明酶促打浆后纤维细胞腔发生塌陷,纤维变得扁平,纤维表面变得粗糙且分离出部分微细纤维,纤维平均长度降低,扭结指数和细小纤维含量明显降低,平均宽度和形态参数增加。动态接触角分析酶促打浆对成纸抗水性影响的结果表明酶促打浆后成纸抗水性显著提高,且Refinase M预处理过的浆样成纸抗水性比对照试样和NS51101预处理试样好。纤维素酶Refinase S和NS51101能有效改善MOW浆料滤水性能和纤维角质化程度。通过对影响纤维素酶改善MOW滤水性能的主要因素进行单因素实验和RSM优化分析得出纤维素酶预处理优化条件为：NS51101酶用量为0.01%,浆浓为4.90%,预处理时间为34.6mmin,预测打浆度为41.30SR; Refinase S酶用量为0.02%,浆浓为3.00%,预处理时间为40.0mmin,预测打浆度为39.2°SR。两种纤维素酶在优化预处理条件下处理浆料后打浆度由51°SR降至40-41°SR,静态滤水性能提高约20%,纤维角质化程度明显降低；纤维平均长度增加,细小纤维含量降低；成纸抗张指数基本保持不变。NS51101和Refinase S两种纤维素酶预处理后浆料动态滤水(DDA)时间由23.2s降低至17.4s和15.6s,动态滤水性能提高25%和32.8%。比较两种纤维素酶预处理效果发现,纤维素酶Refinase S改善纤维角质化程度较明显。通过SEM分析纤维表面形态发现,未经处理的MOW纸浆纤维表面光滑挺硬,有一层坚硬的外壳,纤维素酶预处理活化和还原了纤维原本粗糙、帚化的表面。纤维素酶在纤维表面的等温吸附实验表明,在吸附初期(10mmin以内)纤维素酶迅速吸附到纤维表面,30mmin.后吸附达到平衡。通过公式推导和对纤维素酶在纤维表面吸附量与底物浓度的关系进行拟合计算得出,含有CBD的纤维素酶Refinase M和不含CBD的纤维素酶NS51101吸附参数a值分别为0.4279和0.2972。实验通过水解含有CBD的纤维素酶Refinase M分离制备了CBD溶液和不含CBD的纤维素酶,并计算出了完整的纤维素酶、CBD溶液和不含CBD的纤维素酶的吸附参数分别为0.3381,0.6569和0.2199。酶学性质分析表明CBD溶液基本没有水解活性,但是纤维素酶中的CBD被除去后纤维素酶对不溶性底物的水解活性显著降低,而对可溶性底物水解活性基本不受影响。不含CBD的纤维素酶在纤维素纤维表面的吸附比完整的纤维素酶和CBD需要更长的时间才能达到吸附平衡。纤维素酶在纤维上的等温吸附实验和X-RD检测分析纤维素结晶度实验结果表明,纤维素酶对纤维进行改性时CBD所起作用主要有：①提高纤维素酶在纤维上的有效吸附,为纤维素酶对纤维素的催化水解提供稳定的环境；②分裂结晶纤维素,提高纤维素酶水解的可及度,增加可催化水解的位点。使用热重分析仪分析MOW浆纤维角质化程度表明,纤维素酶预处理后纸浆纤维的难去除(HR)水含量(2.41g水/g绝干样)比未经处理的对照浆样纤维HR水分含量(1.42g水/g绝干样)高,证明了纤维素酶具有降低纸浆纤维角质化,增大细胞壁润胀程度的能力。