Применение липазы для снижения гидрофобности технической целлюлозы

УДК 577.152.3

Е. В. Новожилов, М. В. Емельянова, А. В. Канарский ПРИМЕНЕНИЕ ЛИПАЗЫ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ГИДРОФОБНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Ключевые слова: липаза, техническая целлюлоза, гидрофобность.

Изучено влияние компонентов смолы на гидрофобность сульфатной и сульфитной целлюлозы. Использована методика оценки гидрофобности целлюлозы, основанная на определении адсорбции паров гексана. Показано изменение содержания и состава смолы при обработке целлюлозы липазой.

Keywords: lipase, pulp, hydrophobicity.

The influence of pitch constituents on lipophilic properties of kraft and sulphite pulp was evaluated. Hexane vapor sorption technique helped to elucidate changes in pitch content and composition during the enzymatic treatment of pulp.

Введение

В настоящее время липазы находят применение в различных областях промышленности, в том числе текстильной, пищевой, фармацевтической и химической. Уникальные свойства данного биокатализатора повышают интерес к изучению и определяют расширяющиеся области практического использования липаз [1,2,3]. Наряду с другими ферментами липазы успешно используются в целлюлозно-бумажной промышленности, например, для борьбы с отложениями компонентов древесной смолы на оборудовании возникающими при производстве целлюлозы, механической массы и бумаги [4,5,6].

Техническая целлюлоза содержит в небольшом количестве гидрофобные смолистые вещества. Наличие таких веществ придает определенные свойства самим целлюлозным волокнам. Было установлено [7], что при осаждении смолы уменьшаются прочностные показатели отливок сульфатной целлюлозы. Компоненты смолы снижают прочность бумаги за счет блокирования водородных связей при формировании бумаги [8], а также уменьшают скорость обезвоживания массы на сетке бумагоделательной машины и увеличивают потребление энергии при производстве бумаги.

Для обессмоливания и снижения смоляных затруднений в производстве механических масс за рубежом успешно используется ферментный препарат Resinasе А2Х компании Novozymes (Дания). Липаза Resinasе А2Х ^.С 3.1.1.3 триацил-глицерол-гидролаза) разрушает жиры, которые являются основными компонентами отложений вредной смолы.

Целью работы является изучение гидрофобных свойств технической целлюлозы, связанных с наличием в ней компонентов смолы, а также изменение свойств смолы при обработке липазой.

Экспериментальная часть

В работе использовали образцы сульфатной и сульфитной целлюлозы промышленной выработки. Небеленая сульфатная лиственная целлюлоза Архангельского ЦБК имела число Каппа 14, содержание смолы при экстракции этиловым спиртом 0,95% (здесь и далее по тексту относительная величина). Пробы лиственной

сульфатной целлюлозы филиала Группы «ИЛИМ» в Коряжме отбирали с вакуум-фильтров после варки, стадии кислородно-щелочной обработки (КЩО), стадий обработки диоксидом хлора Д1 и Д2, а также со стадии щелочной обработки Щ2. Содержание смолы (экстракция этиловым спиртом) после варки и стадии КЩО составляло 0,44-0,45 % , после стадий Дь Щ2, Д2 - 0,31-0,34 %.

Пробы хвойной сульфитной целлюлозы филиала Группы «ИЛИМ» в Коряжме отбирали с вакуум-фильтров после варки, стадий хлорирования (Х1 и Х2), нейтрализации первой и второй ступени (Н1 и Н2), стадии горячего облагораживания (ГО) и стадий обработки гипохлоритом натрия (Г1 и Г2).

Набор методик, позволяющих оценить эффективность действия липазы, ограничен, многие из них весьма трудоемки. В данной работе была выбрана методика проверки гидрофобных свойств целлюлозы, основанная на адсорбции паров гексана, которую оценивали весовым методом после выдерживания в эксикаторе в течение 24 часов [9]. Опыты проводили с двумя параллельными определениями, среднеквадратичное отклонение при сорбции гексана составило ± 2 мг/г абс. сухой целлюлозы.

Сорбцию трибутирина, олеиновой кислоты, растительного жира на влажную небеленую сульфатную лиственную целлюлозу АЦБК проводили в условиях: концентрация массы 3%, температура 300С, продолжительность 60 мин, расход добавок 17 % от а.с.целлюлозы. Далее доводили рН среды до 7, добавляли липазу Resinase A2X и проводили обработку в тех же условиях еще 60 мин. Расход липазы составлял 1,7 KLU/г а.с.целлюлозы. Целлюлозу отделяли на фильтре, высушивали до воздушно сухого состояния и определяли сорбцию паров н-гексана.

Обсуждение результатов

Гидрофобность исходной небеленой сульфатной лиственной целлюлозы составила по гексану 14 мг/г. Ее гидрофобные свойства после обработки щелочью не изменились, а после обработки липазой сорбция гексана уменьшилась на 40 % (рис. 1).

В отдельных опытах было показано [9], что с увеличением добавки трибутирина и олеиновой кислоты гидрофобность целлюлозы возрастает

пропорционально их расходу, однако жир повышает ее в большей степени, чем жирная кислота.

200

я 160

обработка липазой

обработка №ОН "139

о

2 120

л л

и ? 80

40 "14

«

м—ш

контроль

трибутирин растительное масло

Рис. 1 - Влияние гидролитического распада жиров на гидрофобность небеленой сульфатной лиственной целлюлозы

Ферментативная деструкция жиров эффективна, после гидролиза осажденного трибутирина липазой гидрофобность целлюлозы снижается в 8 раз, в то время как при обработке щелочью в тех же условиях только в 1,4 раза. При сорбции растительного масла гидрофобность целлюлозы также резко возрастала, но после обработки липазой снижалась 2,8 раза (рис. 1). Таким образом, жиры существенно усиливают гидрофобные свойства целлюлозы, значительно меньшую гидрофобность придают волокнам образовавшиеся при гидролизе жирные кислоты.

При экстракционных способах выделения смолы определяется вся сумма смолистых веществ. Для сравнительного анализа эффективности действия липазы использовали пробы небеленой сульфитной целлюлозы с содержанием смолы 2,01 % и

гидрофобностью по гексану 40 мг/г. После обработки липазой содержание остаточной смолы, определенной экстракцией этанолом, составило 1,13%, что находится на одном уровне с контрольной пробой, выдержанной в тех же условиях с водой (1,19% ). При равном содержании смолы гидрофобность ферментативно обработанной целлюлозы составила 28 мг/г по сравнению с контролем 45 мг/г, т.е была ниже на 40%. Это объясняется уменьшением доли жиров в составе экстрактивных веществ в результате гидролитического действия липазы. При этом общее количество смолы практически не изменяется, так как после ферментативного гидролиза жиров пропорционально увеличивается доля жирных кислот. Примененный нами метод анализа позволил выявить качественные изменения компонентного состава смолы, которые оказывают сильное влияние на гидрофобность целлюлозы.

Для сравнения свойств сульфатной и сульфитной целлюлозы использовали производственные образцы, отобранные после варки и различных стадий отбелки. В процессе отбелки в результате действия химических реагентов происходит деструкция компонентов смолы, далее часть их удаляется при промывке массы. Это приводит к

уменьшению гидрофобности как сульфатной лиственной (рис. 2а), так и сульфитной хвойной целлюлозы (рис. 2б).

а

«Г 20,0

К 16,0 -И

° 3

а я

Й о

3 §12,0 "

я I

«3 щ & Э

12,8

-10,»-11,0

:,0 --

и

А

ч

и

ч

4,0 0,0

н/б КЩО До ЩОП Д1 Щ2

Д2

б 120,0

102

ц 100,0 -¡2

1 ^ 80,0 --§ §

2 2

§ 60,0

о I*

Ц Ц 40,0 в 20,0 0,0

производственная ц-за  проэкстрагированная ц-за

н/б

ГО

Рис. 2 - Гидрофобность небеленой целлюлозы и целлюлозы в процессе отбелки: а) лиственная сульфатная; б) хвойная сульфитная

Гидрофобность сульфитной целлюлозы до отбелки и на первых ступенях отбелки в 8.. .10 раз превышает таковую для сульфатной лиственной целлюлозы, что объясняется не только более высоким содержанием смолы, но главным образом наличием в ее составе значительной доли жиров. Сорбция паров гексана сульфатной лиственной целлюлозой ниже, так как характерные для смолы этого вида волокнистого полуфабриката этерифицированные стерины и воски менее гидрофобны, чем жиры сульфитной хвойной целлюлозы.

Для оценки влияния на гидрофобность технической целлюлозы остаточного лигнина анализировали пробы после удаления смолы экстракцией этанолом. Гидрофобность

проэкстрагированных образцов хвойной

сульфитной целлюлозы оказалась примерно на одном уровне вне зависимости от содержания лигнина и стадии отбелки (рис. 2б).

Проведенные исследования позволяют предполагать, что гидрофобность по отношению к гексану характеризует свойства целлюлозы, связанные с содержанием в ней компонентов смолы. Основной вклад вносят жиры, их химическая или ферментативная деструкция уменьшает

гидрофобность целлюлозы и снижает липкость смолы.

0

К

Таким образом, для определения гидрофобности целлюлозы успешно использован метод, основанный на сорбции паров гексана. Выбранная методика дает возможность проследить изменение свойств смолы, что в определенной степени связано с характеристикой липкости смолы. Установлена связь гидрофобных свойств целлюлозы с содержанием таких компонентов смолы как жиры. Их ферментативная деструкция снижает липкость смолы и уменьшает гидрофобность целлюлозы.

Работа выполнена по заданию Минобрнауки РФ по базовой части проекта «Биотехнология возобновляемых ресурсов растительного происхождения» (САФУ имени М.В. Ломоносова, 2015).

Литература

1. А.М. Безбородов, Н.А. Загустина, Прикладная биохимия и микробиология, 50, 4, 347-373 (2014).

2. В.С. Гамаюрова, М.Е. Зиновьева, К.Л. Шнайдер, Вестник Казанского технологического университета, 15, 22, 106-107 (2012).

3. М.Е. Зиновьева, В.С. Гамаюрова, К.Л. Шнайдер, Вестник Казанского технологического университета, 6, 211-218 (2011).

4. Е.В. Новожилов, Применение ферментных технологий в целлюлозно-бумажной промышленности: монография. САФУ, Архангельск, 2013. 364 с.

5. A. Gutierrez, J. del Rio, M. Martinez, A. Martinez Trends in Biotechnology, 19, 340-347 (2001).

6. М.В. Емельянова, Е.В. Новожилов, Д.Г. Чухчин, Лесной журнал, 1, 110-118 (2007).

7. Е.В. Новожилов, Г.П. Суханова, Лесной журнал, 327, 3, 107-114 (2012).

8. A. Sundberg, B. Holmbom, S. Willfor, A. Pranovich . Nordic Pulp and Paper Research Journal. 15, 46-53 ( 2000).

9. М.В. Емельянова. Автореф. дисс. канд. техн. наук. АГТУ, Архангельск. 2007. 20 с.

© Е. В. Новожилов, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой биотехнологии и биотехнических систем, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, noev50@gmail.ru; М. В. Емельянова, кандидат технических наук, доцент кафедры биотехнологии и биотехнических систем, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова,Ью1есЬ@паг1и.ги; А. В. Канарский, профессор каф. Пищ. БТ КНИТУ, д.т.н., alb46@mail.ru.

© Е. Novozhilov, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Biotechnology, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, e.novozhilov@narfu.ru; М. Emelyanova, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Biotechnology, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, biotech@narfu.ru; А. Kanarskiy, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Department of food engineering in small enterprises, KNRTU, alb46@mail.ru.