Ферментативный метод определения крахмала в бумаге и картоне

УДК 539.233

И. А. Хадыко, Е. В. Новожилов, Я. А. Пригодич, А. В. Канарский

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРАХМАЛА В БУМАГЕ И КАРТОНЕ

Ключевые слова: крахмал, картон, амилолитические ферменты, щелочная экстракция.

Определено количество крахмала в гофрокартоне ферментативными методами: SCANP 91:09 и методикой, разработанной на кафедре биотехнологии и биотехнических систем Северного арктического федерального университета (методика САФУ). Определено, что методика САФУ позволяет обнаружить весь крахмал, израсходованный на склеивание слоев гофрокартона, в то время как методика SCAN только до 3/4 количества крахмала.

Keywords: starch, cardboard, amylolytic enzymes, alkaline extraction.

The quantity of starch was determined in the corrugated board by enzymatic methods: SCAN P 91:09 and NArFU-test method (methodology developed at the department of biology, ecology and biotechnology of the Northern Arctic Federal University). NArFU-test method allows detecting the whole amount of starch consumed to the bonding of layers of corrugated cardboard. The SCAN-test method allows detecting up to 3/4 of the amount of starch.

Введение

В технологии картонно-бумажного производства используются различные виды крахмалов: катионный крахмал как флокулянт и связующее вещество для повышения прочности; нативный крахмал для склейки слоев гофрокартона; окисленный крахмал для поверхностной проклейки и в качестве связующего в составе мелованного покрытия [1].

Макулатура из гофротары широко используется в качестве вторичного сырья на бумажных фабриках [2]. Для гофрокартона характерно высокое содержание крахмала из-за большего расхода крахмального связующего на склеивание плоских слоев картона с гофрированными слоями. При переработке макулатуры крахмалопродукты частично остаются на волокне, частично переходят в окружающую волокна жидкость, что приводит к их накоплению в массе и оборотной воде при повторных циклах использования [3]. Отработанный крахмал накапливается в основном в микроструктуре вторичных волокон. В процессе получения листа бумаги и картона происходит ороговение волокон, их усадка и сжатие.

Содержащиеся в макулатуре различные виды отработанных крахмалов оказывают отрицательное влияние на прочностные свойства бумажной продукции [1,4-7]. Показано, что полное удаление остаточного крахмала обеспечивает значительное улучшение показателей механической прочности бумажного листа [7].

В процессе роспуска макулатуры и размола макулатурной массы часть крахмалопродуктов переходит в оборотную воду. Компоненты отработанного крахмала, оказавшиеся в оборотной воде, постепенно набухают, разрушаются до более мелких фрагментов, участвуют в образовании анионных загрязнений, являются хорошей питательной средой для различных видов микроорганизмов, что приводит к серьезным затруднениям в производстве продукции. Способность крахмала к набуханию в водной среде

вызывает ухудшение обезвоживания

макулатурной массы [6,7]. Процесс переработки макулатуры в присутствии компонентов крахмала сопровождается технологическими трудностями: увеличивается расход пара на сушку и уменьшается производительность бумагоделательной машины.

Одной из задач подготовки макулатурной массы из гофротары является удаление примесей, в том числе крахмального связующего.

Для этого могут быть использованы амилолитические ферменты [4]. Чтобы разработать эффективные методы удаления крахмала из макулатуры, необходимо определить его количество. Для извлечения фрагментов крахмального связующего из вторичных волокон используют экстракцию различными реагентами [810]. Часть крахмала находится на поверхности картона и доступна для экстракции, например, это крахмал, который локализован в местах склейки слоев гофрокартона. Но основная часть крахмала с предыдущих циклов переработки макулатуры из-за усадки и сжатия при высушивании волокон глубоко упакована внутри их структуры [11].

Для определения крахмала в бумаге используют стандартный метод TAPPI T 419 om-11. Методика основана на получении волокнистой суспензии из образца бумаги, экстракции крахмала сначала водой на кипящей водяной бане, затем раствором 6 N соляной кислоты при 20 оС. Перешедший в раствор крахмал определяют по реакции с йодом [8]. Поскольку лигнин и продукты его деструкции также могут реагировать с йодом с образованием цветного комплекса, данный метод применим только для бумаги, изготовленной из беленой целлюлозы. Кроме того, методика позволяет определять только природный крахмал и крахмал, модифицированный окислением или обработкой ферментами.

Более совершенными являются ферментативные методы определения крахмала, основанные на селективном действии амилолитических ферментов на крахмал. При обработке крахмала альфа-амилазой образуются преимущественно

водорастворимые низкомолекулярные декстрины, которые затем гидролизуются глюкоамилазой до

глюкозы, которую определяют различными методами. В работе использовали 2 ферментативных метода: стандартная методика SCAN-P 91:09 SCAN-W 13:09 [9] (далее обозначенная, как методика SCAN) и методика, разработанная на кафедре биотехнологии и биотехнических систем Северного арктического федерального университета, далее обозначенная как методика САФУ [10].

Цель настоящей работы - сравнение методик с использованием амилолитических ферментов и оценка их эффективности для определения крахмала в образцах гофрокартона.

Материалы и методы

Материалы. Для испытаний был выбран трехслойный гофрокартон производства ОАО «Архангельский ЦБК» марки Т-23 (Кабардинский) массой 450 г/м2 Для выработки этого картона используют бумагу для гофрирования и картон крафт-лайнер, которые изготовляют из небеленой сульфатной хвойной целлюлозы и лиственной нейтрально-сульфитной полуцеллюлоза. Оба вида картонно-бумажной продукции были изготовлены без добавления крахмала.

Образцы картона разрезали на квадратные кусочки размером 5 мм, которые использовали для первой серии экспериментов. Для второй серии экспериментов проводили разволокнение картона. Полученные кусочки картона замачивали в дистиллированной воде при концентрации 2 % в течение 60 мин, температуре 20 оС и периодическом перемешивании. Далее полученную смесь диспергировали трехкратно по 1 мин. на миксере фирмы Scarlett мощностью 500 Вт. Полученную волокнистую массу обезвоживали на воронке Бюхнера с тканым хлопчатобумажным фильтром.

Ферменты. В работе использовали амилолитические ферментные препараты компании Novozymes (Дания): альфа-амилазу BAN 480L (активность 480 KNU/g) и глюкоамилазу Saczyme (активность 750 AGU/g).

Определение содержания крахмала в картоне. По методике SCAN [9] разволокнение образцов картона и бумаги не проводят. Мы проводили испытания как с неразволокненным, так и с разволокненным картоном. Принципиальная схема методики SCAN представлена на рис. 1 А.

Для определения по методике SCAN навески материала массой 1 г по абсолютно сухому веществу вносили в колбу, заливали 50 см3 горячей воды и прибавляли 5 см3 раствора KOH концентрацией 5 моль/дм3. Нагревали смесь при 95 оС на водяной бане в течение 5 мин., периодически перемешивая. Температура 95 оС в методике SCAN необходима для ускорения процесса экстракции, за счет чего возможно резко сократить продолжительность обработки, и для эффективного удаления крахмала из некоторых композитов [12].

А. Методика SCAN Р 91:09 Б Методика САФУ

Щелочная обработка: 2,5 % раствор КОН: температура - 95 °С; продолжительность -5 млн Щелочная обра ботка: 5 % раствор NaOH; температура - 20 "С, продолжительность - 2 часа

i i

Нейтрали зация до рН 5 0 Фильтрация

Ферментативный гндролт: альфа-аштаза + глкжоамплачп Нейтрашпациядо рН 5.0

+

Ферментативный гидролнч: альфа-амилаза + ппокоамплаза

Фильтращи

j, j,

Определение глюкозы Определение глюкозы

Рис. 1 - Схемы ферментативных методик определения крахмала в картоне

Далее подкисляли фильтрат 5М уксусной кислотой до pH 5. В колбу вносили 0,1 см3 а-амилазы BAN 480L, затем смесь нагревали на водяной бане в течение 60 мин. при температуре 60 0С. Далее вносили 0,1 см3 глюкоамилазы Saczyme и продолжали тепловую обработку в течении 60 мин. периодически перемешивая. Затем смесь охлаждали и фильтровали под вакуумом. Фильтрат количественно переносили в мерную колбу на 200 см3 и разбавляли водой до метки.

Концентрацию глюкозы определяли с помощью ВЭЖХ системы LC-20 Prominence с постколоночной дериватизацией сахаров аргинином и флуориметрическим детектированием продуктов. Разделение проводили на колонке Shim-packISA-07/S2504 (Shimadzu) 250 х 4 мм. На результат определения оказывает влияние наличие примесей в ферментных препаратах, поэтому в каждой серии опытов делали контрольную пробу, содержащую только ферментные препараты.

Принципиальная схема методики САФУ представлена на рис. 1 Б. В соответствие с методикой [10] брали навеску материала массой около 1 г по абсолютно сухому веществу, вносили в колбу, заливали 30 см3 5 % раствора NaOH. Выдерживали при 20 оС, при периодическом перемешивании, в течение двух часов. Полученную реакционную смесь фильтровали (для промывки использовали 100 см3 дистиллированной воды). Далее фильтрат подкисляли уксусной кислотой (5М раствор) до рН 5. В колбу вносили 0,1 см3 а-амилазы BAN 480L, ставили на водяную баню на 1 час при температуре 60 С. Спустя час вносили 0,1 см3 глюкоамилазы Saczyme и снова оставляли на 1 час, периодически перемешивая. Полученный раствор количественно переносили в мерную колбу на 200 см3 и разбавляли водой до метки. Образовавшуюся глюкозу определяли так же, как в методике SCAN.

Определение содержания крахмала в растворе. Для определения содержания крахмала в растворе использовали также две методики: методику SCA№ методику САФУ.

Определение крахмала в воде по методике SCAN проводят так же, как и для картона: пробу объемом

50 см3 нагревали до температуры 95 оС, прибавляли 5 см3 раствора KOH (5 моль/ дм3), нагревали смесь при 95 оС на водяной бане в течение 5 минут, периодически перемешивая. Ферментативную обработку и определение глюкозы проводили так же, как и по методике SCAN для картона.

По методике САФУ пробу объемом 50 см3 выдерживали на кипящей водяной бане без добавления химикатов при исходном значении рН воды в течении 60 минут. Далее добавляли 2,5 см3 1М ацетатного буфера с рН 5.0. Ферментативную обработку и определение глюкозы проводили так же, как и по методике САФУ для картона.

Результаты и обсуждение

Согласно применяемой в промышленности технологии отдельные слои гофрокартона склеивают крахмальным связующим, содержащим в своем составе зерна крахмала и крахмальный клейстер в примерном соотношении 4:1 [13]. Склейку слоев гофрокартона проводят в нагретом состоянии, что усиливает смачивание слоев гофрокартона и проникновение крахмального клейстера внутрь структуры волокон как гофробумаги, так и крафт-лайнера. Гранулы нативного крахмала при нагревании набухают, частично разрываются, образуется структура крахмального геля, которая вместе с клейстером склеивает листы гофрокартона.

Образец картона, выбранный для исследований, содержит только крахмал, добавленный в состав крахмального связующего для склеивания слоев гофрокартона. Расход крахмального связующего, взятого для проклейки, был известен по данным производства. Потери крахмала отсутствуют, он полностью сохраняется в составе готовой продукции - гофрокартона. Расчетное количество крахмала на основании общего расхода клея составило 22,5 кг на 1 т гофрокартона. По технологии изготовления взятого образца гофорокартона расход буры в композиции связующего составлял 0,6 кг/т крахмала. В дальнейшем содержание крахмала 22,5 кг/т будет условно принято за 100 % его исходного содержания.

Были проведены испытания картона по методикам SCAN и САФУ (табл. 1). В первой серии экспериментов использовали исходный картон, разволокнение не проводили.

Как видно из таблицы 1 (первая серия опытов), по обеим методикам было определено меньше крахмала, чем было его добавлено в картон на стадии производства.

Таблица 1 - Определение крахмала в гофрокартоне

Серия опытов Количество крахмала, определенного по методике SCAN, мг/г Количество крахмала, определенного по методике САФУ, мг/г

1 13,3 ± 0,5 15,2 ± 0,7

2 16,8 ± 0,6 21,7± 0,9

Было определено больше половины крахмала, 59% по методике SCAN и 67 % по методике САФУ, но некоторая часть крахмала не была извлечена из картона на стадии щелочной обработки. Это свидетельствует о том, что уже после первого цикла производства на стадии склейки листов гофрокартона, часть крахмального связующего глубоко проникает в микроструктуру волокон. Компоненты клейстера обладают высокой способностью к впитыванию в пористую структуру бумажного листа, а их удержанию способствует усадка, сжатие волокон и ороговение в процессе сушки гофрокартона. Несомненно, имеет место неравномерность распределения крахмала по самим волокнам. Проникновение крахмального клейстера происходило преимущественно только в те волокна, которые находились в зоне склеивания листов гофрокартона. Кроме того, наличие буры дополнительно затрудняет процесс удаления крахмала, так как набухание сшитого крахмала происходит очень медленно.

Во второй серии опытов в методики определения крахмала была добавлена вторая стадия щелочной обработки, то есть проводили две последовательные щелочные обработки по соответствующим методикам (вторая серия опытов в таблице 1).

При двух стадиях щелочной обработки было извлечено больше крахмала: 75 и 96% соответственно для методик SCAN и САФУ. Более низкое содержание крахмала, определенного по методике SCAN можно объяснить очень коротким временем щелочной обработки, в результате которой структура листа гофрокартона в значительной степени сохраняется, что препятствует доступу щелочного реагента к волокнам, расположенным не на поверхности образца картона.

Для того, чтобы обеспечить доступ щелочного реагента ко всем волокнам образца картона, проводили предварительное разволокнение гофрокартона. Часть крахмала при разволокнении перешла в оборотную воду, поэтому крахмал определяли и в воде (табл. 2). Определение крахмала, перешедшего в воду, проводили также по методикам SCAN и САФУ. После определения крахмала в волокнистой массе (табл. 2, I цикл экстракции), в этой же массе повторно определяли количество крахмала по соответствующим методикам (табл. 2, II цикл экстракции). Как видно из таблицы 2, значительная часть крахмала переходит в воду при разволокнении.

Таблица 2 - Определение крахмала в гофрокартоне после разволокнения

Стадия определения Крахмал, кг/т

Методика SCAN Методика САФУ

Крахмал в волокне I цикл экстракции 9,5 ± 0,5 15,8 ± 0,7

II цикл экстракции 0,7 ± 0,2 0,2 ± 0,1

Крахмал в воде 6,2 ± 0,3 6,8 ± 0,3

Суммарное содержание крахмала 16,4 ± 0,6 22,8 ± 0,6

В воде по методике САФУ и SCAN удалось определить, соответственно, 30 и 27% крахмала от его исходного количества в гофрокартоне.

В волокне по методике САФУ удалось определить 70 % крахмала от его исходного содержания. По методике SCAN удалось обнаружить значительно меньшее количество крахмала в волокне (42% от исходного содержания). Один цикл щелочной экстракции не позволяет полностью удалить крахмал из волокна. При определении крахмала в остатке после первого определения было извлечено еще 1 - 3% от его исходного содержания. В картоне из вторичного волокна на второй стадии определяется больше крахмала - 20% [14]. Суммарное содержание крахмала в волокне и в воде составило по методике САФУ 22,8 кг/т, т.е. данная методика позволяет определить весь крахмал, добавленный в состав крахмального связующего для склеивания слоев гофрокартона.

Заключение

Установлено, что на стадии склеивания гофрокартона часть крахмального связующего в виде клейстера глубоко проникает в структуру волокон.

Условия щелочной экстракции методики SCAN не позволяют извлечь весь крахмал, содержащийся в гофрокартоне.

Для определения крахмала в гофрокартоне рекомендуется методика САФУ с предварительным разволокнением двумя стадиями щелочной экстракции из разволокненной массы и определением растворенного крахмала, что позволяет извлечь большую часть крахмала, содержащегося в гофрокартоне.

Литература

1. Е.В. Дьякова, Д.А. Дулькин, В.И. Комаров, Переработка макулатуры. АГТУ, Архангельск, 2009. 172 с.

2. Д.А.Дулькин, В.А.Спиридонов, В.И.Комаров, Современное состояние и перспективы использования вторичного волокна из макулатуры в мировой и отечественной индустрии бумаги. АГТУ, 2007. 1118 с.

3. A. Hemadi, , I. Lele, Papiripar, 48, 3, 97-106 (2004).

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

5. О.С. Михайлова, Е.В. Крякунова, А.В. Канарский, Я.В. Казаков, Д.А. Дулькин, Вестник Казанского технологического университета, 4, 203-207 (2015).

6. В.В. Лапин, А.И. Смоляков, Н.Д. Кудрина, Целлюлоза. Бумага. Картон. 7-8, 32-34 (2001).

7. А.В. Кулешов, А.С. Смолин, Е.В. Новожилов, А.В. Кондаков, Известия высших учебных заведений. Лесной журнал, 2, 115-120 (2009).

8. Method TAPPI T 419. Starch in paper. - Revised 2011. -6 p.

9. SCAN-P 91:09 SCAN-W 13:09. Paper, board and process waters. Starchcontent. - Accepted 2008. - 10 p.

10. Е.В. Новожилов, Е.В. Смирнов, И.В. Тышкунова, II Международная научно-техническая конференция: «Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов» (Архангельск, Россия, 2013). САФУ, Архангельск, 2013. С.139-144.

11. И.А. Хадыко, В.А. Лукина, 7-я Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» (Бийск, Россия, 2014). Бийск, 2014. С. 213-216.

12. И.А. Хадыко, Я.В. Казаков, Е.В. Новожилов, А.В. Канарский, Вестник Казанского технологического университета, 13, 277-280 (2014).

13. А.М. Идиатуллин, Н.А. Баранова, Н.Н. Дереза, Н.Л. Полканова, Ю.В. Ефременко, С.Г. Грачев, VI научно-техническая конференция «Технология переработки макулатуры» (Караваево, Россия, 2005). Правда, Караваево, 2005. С. 37-40.

14. Е.В. Новожилов, И.А. Хадыко, В.А. Лукина, Международная научная конференция «Биотехнологии в химико-лесном комплексе» (Архангельск, Россия, 1112 сентября 2014 года) ИД САФУ, Архангельск, 2014. С. 235-238.

©И. А. Хадыко - аспирант, кафедра биологии, экологии и биотехнологии, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, i.hadiko@narfu.ru; Е. В. Новожилов - доктор технических наук, профессор, кафедра биологии, экологии и биотехнологии, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, noev50@gmail.ru; Я. А. Пригодич - аспирант, кафедра биологии, экологии и биотехнологии, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, yaninap@yandex.ru.; А. В. Канарский, д.т.н., профессор, каф. пищевой биотехнологии, КНИТУ, alb46@mail.ru.

© 1 A. Khadyko - postgraduate student of the department of biology, ecology, and biotechnology, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, i.hadiko@narfu.ru; E. V. Novozhilov - Doctor of technical sciences, Professor, Department of biology, ecology, and biotechnology, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, noev50@gmail.ru; Y. A. Prigodich - postgraduate student of the department of biology, ecology, and biotechnology, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, yaninap@yandex.ru.; A. V. Kanarskiy, Dr. Tech. Sci., professor, Department of Food Biotechnology, Kazan National Research Technological University, alb46@mail.ru.