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纖維素酶在棉織物生物拋光中的應(yīng)用

2011-08-15 00:53陸必泰
關(guān)鍵詞:染整紗線紡織品

劉 磊,陸必泰

(武漢紡織大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,湖北 武漢 430073)

纖維素酶在棉織物生物拋光中的應(yīng)用

劉 磊,陸必泰*

(武漢紡織大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,湖北 武漢 430073)

闡述纖維素酶的作用機(jī)理,并簡(jiǎn)述纖維素酶對(duì)棉織物的拋光整理工藝;分析影響纖維素酶拋光效果的各種因素,包括酶用量、溫度、pH值、處理時(shí)間等對(duì)織物失重率、起毛氣球外觀的影響;指出纖維素酶在綠色染整工藝中的重要性。

纖維素酶;棉織物;拋光

纖維素酶首先于 1906年在蝸牛的消化道中被發(fā)現(xiàn),后來(lái)在細(xì)菌、真菌,以及少數(shù)的酵母等微生物中都有證明它的存在。然而,經(jīng)研究表明,由低級(jí)動(dòng)物所提取出來(lái)的纖維素酶是沒(méi)有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的,繼而發(fā)現(xiàn)由微生物在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量培養(yǎng)提取的纖維素酶,能有效地應(yīng)用于紡織品的濕處理中。纖維素酶生物整理是近十幾年來(lái)紡織品后整理加工中的一項(xiàng)新技術(shù),由于它能賦予織物光潔的外觀、柔軟的手感等優(yōu)良的服用性能,同時(shí)不增加環(huán)保的負(fù)擔(dān),在紡織品的濕加工中有著廣泛的應(yīng)用前景。因此已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視。

1 纖維素酶簡(jiǎn)況

1.1 什么是纖維素酶

纖維素酶是生物產(chǎn)生的一種多組分的混合蛋白質(zhì),在適當(dāng)?shù)臈l件下,能使不溶性纖維素材料水解成可溶性糖的生物催化劑的總稱。纖維素酶主要來(lái)源于霉菌、細(xì)菌、擔(dān)子菌等微生物,其中霉菌產(chǎn)生酸性和中性纖維素酶,細(xì)菌產(chǎn)生堿性纖維素酶。通常用于紡織品染整加工的是酸性和中性纖維素酶。酸性纖維素酶在酸性條件下較穩(wěn)定,其反應(yīng)適宜的pH范圍在3~6之間,而以pH=4~5最佳;中性纖維素酶在中性條件下較穩(wěn)定,其反應(yīng)最佳的pH在6~7之間。

1.2 纖維素酶的組成和性質(zhì)

纖維素酶是一種復(fù)合酶,是催化水解纖維素、生成葡萄糖的酶的總稱,是由多組分酶組成的酶系。它可以從多種微生物、植物和動(dòng)物中制取。目前對(duì)于纖維素酶的研究不深,但就已知的情況來(lái)說(shuō),纖維素酶至少含有三種成分的酶,即可任意切斷纖維素分子中β-1,4-糖苷鍵的內(nèi)切β-葡聚糖酶(EG);從沒(méi)有還原基末端開(kāi)始切斷β-1,4-糖苷鍵成纖維二糖?;耐馇笑?葡聚糖酶(CHB)和將纖維素二糖分解成葡萄糖的β-葡萄糖苷酶(BG)。

另外,還有一種說(shuō)法是,將可以催化水解 CMC那樣水溶性底物的纖維素衍生物,但很難單獨(dú)作用于結(jié)晶纖維素的酶稱為CX酶,也就是上述的EG酶。將從纖維素的非還原端開(kāi)始分解成纖維素二糖、與CX酶共存時(shí)能破壞纖維素結(jié)晶部分的酶稱為C1酶,也就是上述的CBH酶。將可以使纖維素二糖分解成葡萄糖的酶稱為纖維素二糖酶,也即BG酶。

1.3 纖維素酶的作用機(jī)制

纖維素酶的作用機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜,到目前為止還沒(méi)有完全弄清。除了各個(gè)組分對(duì)纖維素分子的分解作用外,現(xiàn)在越來(lái)越多的研究表明纖維素酶的各種組分之間存在著協(xié)同作用。不過(guò),纖維素酶的水解作用,大體上可以分為以下幾步:(1)酶分子從水相轉(zhuǎn)移到纖維的表面;(2)酶分子與纖維表面結(jié)合,形成E+S的復(fù)合物;(3)把水分子轉(zhuǎn)移到酶與底物復(fù)合物的激活位點(diǎn);(4)在酶與底物的復(fù)合物催化下,水與纖維的接觸表面發(fā)生反應(yīng);(5)產(chǎn)生的產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到水相中。

2 纖維素酶在生物拋光整理中的應(yīng)用

2.1 原理

酶洗時(shí),纖維素酶首先接觸織物或紗線表面的纖維,還有織物運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生較大位移的紗線交織處的纖維以及突出在織物或紗線上的茸毛,然后才進(jìn)入到紗線內(nèi)部的纖維。也就是說(shuō)纖維素酶的分子在這些突出于織物或紗線表面的茸毛根部和紗線交織處的纖維根部擴(kuò)散得最快,受酶的作用最強(qiáng),這些部位在織物運(yùn)動(dòng)中的受力也最強(qiáng),因而此處的纖維也最容易發(fā)生斷裂。

棉織物經(jīng)前處理后,纖維發(fā)生一定程度上的膨化,從而有利于纖維素酶的擴(kuò)散及作用,酶對(duì)纖維表面接觸產(chǎn)生的剝蝕作用,也侵蝕到纖維的孔隙和毛細(xì)管中,經(jīng)水解使得微纖之間的連結(jié)松懈,無(wú)定形區(qū)域增加,纖維變得疏松,因而酶處理時(shí),除了要達(dá)到改善織物的外觀風(fēng)格和手感的效果外,還要注意保持織物或紗線的強(qiáng)力。

生物酶拋光的實(shí)現(xiàn),不僅需要纖維素酶對(duì)纖維素進(jìn)行水解,而且一般都還需要外加機(jī)械作用力。一是為了促進(jìn)酶分子與纖維的吸附和解吸的速度;二是使酶水解產(chǎn)生的產(chǎn)物盡快分散到液相中。因?yàn)闄C(jī)械攪動(dòng)有助于被酶水解的茸毛易于從織物表面脫落,使織物表面變得光潔,這是纖維素酶工業(yè)化應(yīng)用中不可或缺的條件。除此,機(jī)械攪動(dòng)還增加了酶分子與織物接觸的頻率,從而達(dá)到理想的處理效果。

2.2 工藝

現(xiàn)階段的生物酶拋光工藝應(yīng)用較為成熟,一般是在退漿后和染色前進(jìn)行。為了使織物的化學(xué)減量降低,強(qiáng)度損傷減小,用內(nèi)切酶水解纖維素的無(wú)定形分子鏈,使纖維形成微隙。在拋光過(guò)程中,根據(jù)不同的織物對(duì)于設(shè)備、浴比、酶用量、pH值、溫度和處理時(shí)間等條件的要求不同,進(jìn)行相應(yīng)的選擇,使織物的處理效果達(dá)到最佳,同時(shí)還需注意,酶處理后必須進(jìn)行滅活處理,以避免造成織物強(qiáng)力損失過(guò)多。

在生物酶拋光過(guò)程中,應(yīng)合理控制酶的水解程度。監(jiān)控纖維素水解程度的方法,一是以織物的失重率作為度量酶處理效果的尺度,二是測(cè)定水解生成物之一的葡萄糖來(lái)控制酶的水解程度。但前者是否包括被去除的茸毛量,后者是否包括去除茸毛時(shí)產(chǎn)生的葡萄糖,這些問(wèn)題尚無(wú)法說(shuō)清。并且以酶處理前后紡織品重量的損失來(lái)表示失重率,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,不能及時(shí)反饋并用于實(shí)際生產(chǎn)控制,目前,用測(cè)定酶處理液中生成葡萄糖含量的分析法可以較快捷地測(cè)得紡織品的失重率。

3 影響纖維素酶生物拋光效果的主要因素

(1)酶用量對(duì)酶處理效果的影響。由于各種纖維素酶的酶活是不一樣的,所以在確定用量時(shí),要考慮其酶活以及待處理織物的種類和具體工藝要求。酶活高的,其用量相對(duì)少些,酶活低的,其用量則相對(duì)多點(diǎn)。

(2)溫度對(duì)酶處理效果的影響。處理液的溫度對(duì)纖維素酶的酶活也有很大的影響。溫度太低,會(huì)使酶的活性無(wú)法充分發(fā)揮出來(lái);溫度過(guò)高,同樣也會(huì)導(dǎo)致酶失去其活性,從而達(dá)不到預(yù)想中的處理效果。處理液的溫度一般控制在45~55℃。

(3)pH值對(duì)酶處理效果的影響。酸性酶、中性酶都各有其適宜的pH值范圍。若pH值過(guò)低,則酶的理化性質(zhì)過(guò)于穩(wěn)定,從而發(fā)揮不了其有效的催化作用。但同樣,pH值過(guò)高,也會(huì)導(dǎo)致酶“失活”,也即失去了自身的催化作用。對(duì)于酸性纖維素酶而言,pH值應(yīng)在4.4~5.5為佳,而中性纖維素酶的pH值,則應(yīng)該在6~7范圍內(nèi)最適。

(4)時(shí)間對(duì)酶處理效果的影響。酶對(duì)織物的處理時(shí)間越長(zhǎng),織物的失重率就越大,而失重率同時(shí)又與處理時(shí)的攪拌條件有關(guān)。在能夠充分?jǐn)嚢璧脑O(shè)備中,對(duì)織物的酶處理時(shí)間就可以較短些;在攪拌條件不夠充分的設(shè)備中,處理時(shí)間就可以相對(duì)長(zhǎng)一點(diǎn)。以耐洗色牢度試驗(yàn)機(jī)為例,酶處理的時(shí)間一般控制在40~60min。

(5)添加劑對(duì)酶處理效果的影響。處理液中的某些添加劑能成為酶的激活物,如非離子表面活性劑AEO,它與酶的結(jié)合弱,對(duì)酶的構(gòu)象影響較小,使酶可以保持活性;并且它還能促進(jìn)酶分子的擴(kuò)散和滲透,增加酶在固體底物上的可移動(dòng)性,使酶較容易地解吸并移動(dòng)到其他結(jié)合部位,從而增加酶的活性。而有些添加劑則可能成為酶的抑制物。當(dāng)纖維素酶受到這些抑制物的作用,導(dǎo)致其酶活消失并且無(wú)法恢復(fù)時(shí),成為酶中毒。如單寧酸、甲醛、多酚固色劑等都可能造成酶中毒現(xiàn)象。

(6)染色對(duì)酶處理效果的影響??椢锝?jīng)染色后進(jìn)行酶處理,其失重率較染色前進(jìn)行酶處理的失重率要低。這可能是因?yàn)槿旧?,纖維表面吸附了大量的染料,導(dǎo)致其難以受到酶的侵蝕作用。所以經(jīng)不同染料處理后的織物,其失重率所受到的影響也是不一致的。

4 纖維素酶的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

纖維素酶經(jīng)過(guò)多年的研究,已經(jīng)在紡織行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。它的高效性,專一性,以及處理?xiàng)l件的溫和性和無(wú)毒性等特點(diǎn),在染整加工中對(duì)于節(jié)約能源,提高紡織品的加工效率和加工品質(zhì),保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面具有極其重要的意義,是紡織品加工的一種理想方法。

雖然纖維素酶染整加工工藝日趨成熟,但其成本依舊比傳統(tǒng)工藝高出許多。另外,纖維素酶在使用過(guò)程中有一定的不可控性。因?yàn)槔w維素酶是混合酶,并且酶制劑的敏感程度較高,很容易受到外界環(huán)境條件影響。因此,生產(chǎn)價(jià)廉易得且穩(wěn)定高效的酶是今后發(fā)展的一個(gè)方向。除此之外,目前生產(chǎn)的酶尚不能重復(fù)利用,提高酶的利用率,將酶固定化,對(duì)酶加以復(fù)配修飾并將其制成微膠囊,也是今后研究方向的熱點(diǎn)。

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Application on the Bio-polishing for Cotton Fabric with Cellulase

LIU Lei,LU Bi-tai
(College of Chemistry and Chemical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

This paper expounds the function mechanism of cellulase, and introduces the cellulase to finish the polishing finishing technologies. Each factor that produces effects on cellulase polishing was analyzed. The tests of effect fabric deweighting rate and fuzzing and pilling appearance were carried out, such as quantity of enzyme, temperature, pH value, processing time, etc. These are a further indication the importance of the green cellulase dyeing processes.

Cellulase; Cotton Gabric; Polish

TS195

A

1009-5160(2011)06-0034-03

*

陸必泰(1958-),男,教授,研究方向:功能紡織品的研究與開(kāi)發(fā)、染整新工藝及新助劑.

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