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在造纸行业，热干燥耗能大且环境影响大。研究人员开展了无细胞酶预处理结合阳离子淀粉的研究，发现该处理可提升脱水效率、增强纸张强度，还能降低能耗和碳排放。这为造纸业可持续发展提供了新方向。
在造纸业蓬勃发展的当下，却面临着严峻的挑战。其中，能源消耗大以及对环境的负面影响成为了制约行业可持续发展的两大 “拦路虎”。造纸过程中，热干燥环节堪称 “耗能大户”，消耗了大量能源，同时也增加了碳排放，对生态环境造成不小的压力。此外，在水资源处理方面也存在诸多难题，如何高效脱水，减少纸张中不同形式水分的含量，成为了亟待解决的问题。在这样的背景下，开展相关研究，探索既能提升造纸效率，又能降低能耗和环境影响的方法，显得尤为迫切。
为了解决这些难题，来自北卡罗来纳州立大学（North Carolina State University）的研究人员展开了深入探究。他们聚焦于无细胞酶预处理技术，结合阳离子淀粉，对漂白硬木浆纤维进行处理，旨在提升造纸过程中的脱水效率，同时改善纸张强度。经过一系列严谨的实验和分析，研究取得了令人瞩目的成果。该技术不仅显著提高了脱水效率，减少了纸张中难以去除的水分，还增强了纸张的拉伸强度，并且在经济和环境效益方面表现出色，实现了降低能耗、成本和碳排放的目标。这一研究成果发表在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》上，为造纸业的可持续发展提供了新的思路和方向。
在研究方法上，研究人员采用了多种关键技术。首先，利用扫描电子显微镜（SEM）对纤维形态进行观察，直观地了解纤维在处理前后的结构变化。其次，通过纤维质量分析仪（FQA）精确测量纤维的长度、宽度等维度属性。再者，运用热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）等技术，对纤维中的水分，如难去除水（HRW）、结合水（BW）等进行定量分析。此外，还通过胶体滴定和流动电位测量来量化纤维表面电荷的变化。
增强脱水和纸张强度：通过对酶活性的量化分析发现，实验所用酶混合物中木聚糖酶活性较高，这有利于半纤维素的分解。在确定最佳酶剂量的实验中，发现 0.5 wt.% 的酶剂量（基于绝干浆）能有效降低纸张的平衡水分含量（EMC），同时提高纸张的抗张强度和滤水性。进一步研究发现，0.5 wt.% 的酶与 0.5 wt.% 的阳离子淀粉组合使用时效果最佳，能使 EMC 降至最低，抗张强度显著提高。
无细胞酶纤维改性增强脱水：在纤维尺寸方面，酶和阳离子淀粉处理对纤维长度和宽度影响较小，但显著降低了纤维的扭结和卷曲指数，增加了纤维柔韧性，同时减少了细小组分含量。在静电性质方面，研究发现纤维表面电荷的中和与脱水效率密切相关，酶预处理改变了纤维表面电荷，阳离子淀粉与纤维的相互作用增强了脱水效果。通过 SEM 观察纤维形态发现，酶处理使纤维表面粗糙度增加、原纤化和分层现象更明显，酶与阳离子淀粉结合处理还增加了纤维缠结。此外，酶处理能有效降低纤维中己烯糖醛酸（HexA）的含量，有助于提高纸张脱水性能。
机械脱水和热干燥：在水保留值（WRV）方面，研究发现酶预处理和阳离子淀粉的结合能显著降低 WRV，减少纤维对水的保留能力。对于难去除水，酶和阳离子淀粉的协同作用使其含量显著降低。在结合水方面，酶和淀粉单独处理能降低部分结合水含量，二者结合使用时，整体结合水含量降低约 27%。
经济和环境影响：从能源节约和排放减少来看，采用无细胞酶处理和阳离子淀粉添加后，纸张干燥机部分的蒸汽需求显著降低，进而减少了天然气消耗和二氧化碳排放，全球变暖潜势（GWP）降低了 12.3% ± 2.5%。在技术经济计算方面，虽然使用酶和淀粉会产生额外成本，但减少的燃料使用成本足以抵消这些费用，最终实现了每吨纸净节省 11.29 美元的经济效益。
研究结论表明，无细胞酶技术在提升造纸过程脱水效率和纸张机械性能方面具有巨大潜力。它不仅能降低纸张热干燥过程的能源强度，助力造纸业实现脱碳和净零排放目标，还在经济上具有可行性。然而，该技术在工业规模应用中仍面临一些挑战，如酶在不同纸浆配方中的稳定性、与现有工厂操作的整合以及潜在的监管和成本障碍等。尽管如此，这一研究为造纸业的可持续发展提供了重要的理论和实践依据，有望推动行业朝着更加绿色、高效的方向发展。
