中国是纸类产品的生产和消费大国,传统的纸浆往往以木材为原料,给有限的森林资源带来严重压力;同时,制浆过程中化学试剂的大量使用,也带来了严重的环境问题。高得率浆以及非木材纸浆,可以较好的缓解木材资源的供需矛盾。然而,禾草类纸浆特别是高得率浆在光、热条件下的易返黄性质限制了它们的应用范围。在此类抑制返黄的研究中,通过对木素进行改性处理或往纸浆中添加返黄抑制剂、增白剂等方法研究的较为深入,但由于成本高、毒性大等缺点此类方法未能实现大规模的推广应用。生物技术在造纸工业中的应用,对于抑制纸浆的光热返黄、提高纸浆品质以及降低生产成本和污染物排放量等方面具有重要的意义。通过前期工作,本实验室筛选得到了一株对纸浆的热返黄有明显抑制作用的菌株Fusarium concolor X4。该菌株具有相对较低的纤维素酶酶活,经生物处理的纸浆具有较高的得率。本课题在实验室前期研究的基础上,具体研究了Fusarium concolor X4处理对高得率浆光返黄的影响,并探讨了其作用机制。在此基础上,结合该菌株在处理纸浆过程中的产酶规律,选择了可能对抑制返黄起关键作用的半纤维素酶、漆酶等酶类,深入研究了不同酶及不同酶协同作用体系对纸浆白度及光、热老化的抑制作用及机制,以期为抑制纸浆返黄的微生物酶系改造及复合酶制剂的生产提供参考。主要研究内容和结果如下:1、同色镰刀菌X4处理抑制高得率浆杨木CTMP光诱导返黄的效果和机制光老化过程中,纸浆白度的降低速度与所用光源、纸浆种类等因素均有关。杨木CTMP与化学浆相比,更容易导致光诱导返黄。在光老化24 h内,纸浆白度降低较为迅速,继续延长时间则返黄趋势放缓。相同的光强度下,随光源波长的减小,光老化后白度降低更为显著。鉴于干热老化在条件的控制及重现性方面具有独特的优势,论文选择在105℃下的干热老化作为热老化的方法,通过对杨木CTMP和麦草CP 105℃干热老化72 h过程中白度和返黄值(PCN)的分析,确定24 h、105℃作为纸浆进行干热老化时的实验条件。Fusarium cocolor X4处理可以提高杨木CTMP的白度且具有较好的抑制返黄效果。在生物处理的第2天和第6天纸浆白度分别提高5.0%和12.2%,PCN分别降低14.5%和16.8%。通过对酶活的分析发现,生物处理过程中,先后分泌出木素过氧化物酶、锰过氧化物酶、木聚糖酶,并检测到极少量的滤纸酶活、羧甲基纤维素酶活(CMCase)和β-木糖苷酶活等。不同酶的分泌时间有所差异,其中木素过氧化物酶和木聚糖酶在生物处理第2天时即被检测到,但锰过氧化物酶和漆酶则出现相对较晚,漆酶和锰过氧化物酶分别在生物处理的第8天和第10天时达到峰值。木素过氧化物酶虽然分泌较早,但在第14天时才达到酶活最大值。生物处理前后浆片的漫反射光谱、化学成分和红外光谱的分析证明,Fusarium concolor X4处理降低了杨木CTMP中的木质素、半纤维素及已烯糖醛酸的含量。其中生物处理后半纤维素含量降低幅度较大,木质素特别是紫丁香基木素含量有一定程度的降低。这些物质的减少使得纸浆对光的敏感性降低,从而减少了光老化后新的发色基团的形成,抑制了浆片光诱导返黄的程度。2、半纤维素酶处理对纸浆的返黄抑制效果和机制选择实验室异源表达、纯化后的木聚糖酶(Xyn)处理杨木CTMP和麦草CP,发现木聚糖酶处理具有一定的助漂和抑制返黄效果。木聚糖酶对麦草CP的白度改善效果和对返黄的抑制效果比对杨木CTMP明显。当木聚糖酶添加量为40 IU/g绝干浆时,酶处理后的麦草CP经漂白后白度比对照提高3.0%、杨木CTMP提高0.6%;光热老化后麦草CP的PCN比对照降低14.3%和34.1%,而杨木CTMP的PCN无明显变化。通过对木聚糖酶处理液及浆片化学组分的分析发现,木聚糖酶对不同纸浆中半纤维素、木素及HexA含量有不同的影响。与CTMP相比,木聚糖酶处理对麦草CP中相关组分的降解程度最大。漫反射光谱及红外光谱表明,木聚糖酶处理,降低了纸浆中半纤维素及部分木质素含量,有效减少了麦草CP在光、热老化中发色物质的生成。酸性木糖苷酶Abf和中性木糖苷酶Xyl与木聚糖酶Xyn协同处理,有利于提高麦草CP的白度及光、热老化稳定性,但对杨木CTMP的协同作用较弱。通过对协同处理后酶解液组分及酶处理前后纸浆的红外光谱分析发现,木聚糖酶、木糖苷酶协同处理促进了纸浆中半纤维素的降解和木质素的溶出,其中对麦草CP的作用更为明显。3、漆酶、漆酶/介体对杨木CTMP和麦草化学浆返黄的抑制效果和机制漆酶对杨木CTMP具有一定的漂白及抑制返黄作用,添加介体可以较大幅度提高杨木CTMP的白度稳定性,但对漂白浆白度有不利影响。与介体ABTS、乙酰丁香酮及丁香醛相比,HBT(1-羟基苯并三咗)对杨木PCN的降低程度最大,且未明显影响漂白浆的白度。当HBT添加量为2%时,添加30 IU/g(绝干浆)的漆酶在45 ℃条件下处理2 h后,杨木CTMP光老化和热老化后的PCN分别比对照样下降21.2%和17.8%。漆酶(Lac)及漆酶/介体(LMS)处理有利于麦草CP漂白浆白度及稳定性的提高,且LMS处理后白度的提高幅度大于Lac处理浆。Lac及LMS处理后麦草CP的光老化PCN均比对照降低15%,LMS处理的杨木CTMP热老化PCN比对照降低14.3%,而Lac处理未改善麦草CP的热老化稳定性。通过对杨木CTMP及麦草CP酶解液组分及漫反射、红外光谱分析发现,LMS处理对纸浆半纤维素及木质素的溶出量高于Lac处理,LMS对易返黄组分的降解作用大于Lac处理;Lac及LMS处理对麦草CP组分的降解作用大于对杨木CTMP的作用。酶处理前后麦草CP的X射线光电子能谱(XPS)分析表明,Lac、LMS均能在不同程度上降低纸浆表面木素含量,且LMS处理优于Lac处理。Lac以及LMS处理前后杨木CTMP磨木木素以及麦草磨木木素的红外光谱分析表明,Lac及LMS处理可降低杨木木素光、热老化过程中芳香羰基、醚等结构的生成,有效抑制麦草木素光老化过程中芳香羰基、醚等结构的产生。对木素酶处理液的紫外可见光谱分析表明,漆酶及LMS可以降解杨木CTMP以及麦草中的木素,相同条件下对麦草木素的作用更大,且LMS体系对木素的降解作用大于漆酶体系。4、Lac与半纤维素酶协同处理对杨木CTMP和麦草化学浆返黄的抑制效果和机制Lac与半纤维素酶、LMS与半纤维素酶组合处理,可以明显提高杨木CTMP及麦草CP的白度及白度稳定性。其中Xyn/Abf-LMS体系对纸浆白度及其稳定性的影响最大,且对麦草CP的作用优于杨木CTMP。通过对杨木CTMP及麦草CP酶解液成分及浆片的漫反射及红外光谱分析发现,半纤维素酶以及组合酶协同处理均可导致半纤维素以及木质的溶出。Xyn/Abf-LMS以及Xyn/Xyl-LMS体系处理效果最为明显,且对麦草CP组分的降解作用大于对杨木CTMP的作用。酶处理前后麦草CP的XPS分析表明Xyn/Abf-LMS体系处理可降低纸浆表面木素含量,使纸浆表面的醛、酮基团含量增加,羧基含量降低。