生物酶在麻紡印染的應(yīng)用技術(shù)

　　隨著人類對(duì)紡織產(chǎn)品性能要求的不斷提高和環(huán)境意識(shí)的日益加強(qiáng),綠色紡織品這一新的概念誕生了。開發(fā)和應(yīng)用無污染的對(duì)人體有益無害的新型紡織品原料,采用不會(huì)帶來環(huán)境污染的生產(chǎn)工藝,發(fā)展綠色紡織品是今后進(jìn)行國際貿(mào)易的重要前提[1],也是今后的發(fā)展趨勢(shì)。作為紡織行業(yè)重要組成部分的麻紡織業(yè),尤其是以出口創(chuàng)匯為主的麻紡織品,找到與生物技術(shù)的交叉點(diǎn)是其可持續(xù)良好發(fā)展的保障。生物酶是由無毒微生物發(fā)酵、提取、精制而成的生物催化劑,無任何毒副作用,在工藝上使用方便,不需高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑,易生物降解而不會(huì)帶來環(huán)境污染,以及其具有酶的專一性,這些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)贏得了麻紡織行業(yè)中的一席之地,而且是今后行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

　　1、生物酶概述

　　酶是生物體中活細(xì)胞產(chǎn)生的一種具有催化作用的物質(zhì),與酸、堿等無機(jī)或有機(jī)的催化劑相比,酶是具有高的專一性的高效催化劑,且其化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì),這說明酶是一種特殊的生命催化劑。

　　1.1、影響酶反應(yīng)的主要因素

　　1.1.1、抑制劑的影響

　　抑制劑是對(duì)酶反應(yīng)速度有十分重要的影響。抑制可分為不可逆抑制和可逆抑制。常用的抑制劑中不可逆抑制劑有2種,一種是專一地和特定(側(cè)鏈氨基酸)基團(tuán)反應(yīng)的試劑;另一種是根據(jù)酶的作用機(jī)制修飾酶的特定位點(diǎn)的專一性試劑。

　　1.1.2、pH值的影響

　　酶反應(yīng)是在一定的條件下進(jìn)行的,酸、堿既能影響酶的穩(wěn)定性,也能直接影響酶的催化活性。酶都有一定的酸堿穩(wěn)定性范圍,超出這個(gè)范圍后,酶就會(huì)變性失效。

　　1.1.3、溫度的影響

　　溫度既能改變酶反應(yīng)本身的速度,也能導(dǎo)致酶蛋白變性失效,酶反應(yīng)速度隨溫度升高而增大,但超過適溫度后,反應(yīng)速度隨溫度升高而下降。而且,由于溫度使蛋白質(zhì)變形是隨時(shí)間累加的,導(dǎo)致不同的反應(yīng)時(shí)間測(cè)得的適溫度往往不同。

　　1.2、酶的穩(wěn)定型與保存

　　1.2.1、酶的劑型

　　酶制劑常以4種劑型供應(yīng),即液體酶制劑、固體酶制劑、純酶制劑、固定化酶制劑。由于酶的特性使得如何提高酶的穩(wěn)定性,延長其有效期是各行業(yè)需解決的問題。

　　1.2.2、影響酶的穩(wěn)定性因素

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　　大多數(shù)酶可在低溫條件下(0～4℃)使用、處理和保存。但有些酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與疏水鍵有關(guān);許多酶可在液氮或-80℃中凍結(jié)保存;冰凍干燥也是一種好的有效方法。

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　　大多數(shù)酶僅在各自特定pH值范圍內(nèi)穩(wěn)定,超出此范圍則迅速失效,緩沖液的種類有時(shí)也會(huì)影響酶的穩(wěn)定性。

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　　酶的穩(wěn)定性因酶性質(zhì)和純度而異,一般情況下,酶蛋白在高濃度時(shí)較為穩(wěn)定,而在低濃度時(shí)則易于解離、吸附,甚至易發(fā)生表面變形而失效。④氧化

　　某些酶為巰基酶,可能由于巰基氧化而在空氣中逐漸失活,這種情況下加入1mmol/L的EDTA或DTT等有助于增加穩(wěn)定性。

　　1.2.3、穩(wěn)定酶的方法

　　目前,穩(wěn)定酶的方法有如下幾種:添加底物抑制劑和輔酶,添加—SH保護(hù)劑,添加表面活性劑,添加某些低分子無機(jī)離子,作成固定化酶。

　　2、生物酶在麻紡織行業(yè)中的應(yīng)用

　　2.1、應(yīng)用歷史

　　生物用于麻類脫膠可追溯到公元前6世紀(jì)“東門之池,可以漚麻”,也就是把苧麻直接浸入水中,利用水和麻皮上網(wǎng)絡(luò)的微生物大量生長繁殖的同時(shí),分解除去麻纖維上膠質(zhì)物以達(dá)到脫膠的目的。

　　到上世紀(jì)50年代,對(duì)麻類浸解作用的研究主要集中在分離具有脫膠能力的微生物及其酶。1958年AE.M.M提出利用果膠酶進(jìn)行麻類(如亞麻、大麻、苧麻)的脫膠;60年代以后,對(duì)于果膠酶的研究逐漸深入;1972年第1次報(bào)道產(chǎn)生果膠酶的微生物或果膠酶制劑在脫膠工業(yè)中加以利用;1973年根據(jù)果膠酶的作用機(jī)理將果膠酶分為兩大類,即果膠酯酶和解聚酶;1990年,分離到一株產(chǎn)果膠裂解酶的芽孢桿菌,對(duì)苧麻脫膠作出了很大貢獻(xiàn)[1]。與此同時(shí),隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對(duì)麻類織物性能的進(jìn)一步追求,應(yīng)運(yùn)而生了麻類織物生物整理技術(shù),如酶洗、酶退漿、精練、漂白、廢液處理、生物軟麻、改性。

　　2.2、可應(yīng)用的酶

　　麻類纖維主要成分為纖維素,與棉纖維同屬于天然纖維素纖維,所不同的是麻纖維的非纖維素成分(統(tǒng)稱膠質(zhì))含量高。膠質(zhì)內(nèi)又含有半纖維素、果膠、木質(zhì)素等多種物質(zhì),紡織用麻纖維即是指從原麻中脫去部分或幾乎全部膠質(zhì)而分離出纖維。因此,決定在麻紡織品加工過程中目前可以利用的生物酶有果膠酶、半纖維素酶、纖維素酶、木質(zhì)素酶、過氧化氫酶、淀粉酶以及漆酶等。

　　2.3、應(yīng)用領(lǐng)域

　　2.3.1、脫膠

　　目前,麻纖維的脫膠方法有化學(xué)脫膠、微生物脫膠以及生物與化學(xué)聯(lián)合脫膠。脫膠中生物酶的利用主要是依據(jù)酶的高度專一性,其脫膠原理如下。

　　①麻纖維生物酶脫膠將酶劑稀釋在水中,浸漬原麻進(jìn)行脫膠。微生物脫膠與常規(guī)化學(xué)脫膠相比,脫膠制成率、強(qiáng)力得到提高,殘膠減少,所得精干麻手感松散、柔軟,大大改善了麻纖維的可紡性能,其制成的紗麻粒、毛羽明顯減少,條干均勻。此外,該脫膠加工中能耗減小,成本降低,有利于環(huán)境保護(hù)。

　　②麻纖維生物—化學(xué)聯(lián)合脫膠利用生物酶(主要是果膠酶和半纖維素酶)的作用分解原麻中的大部分膠質(zhì),然后輔以化學(xué)脫膠的部分工序脫去膠質(zhì)后生產(chǎn)出精干麻,脫膠過程中堿煮前的生物酶處理可以使膠質(zhì)和纖維之間的結(jié)合松動(dòng),有利于堿煮時(shí)膠質(zhì)的去除。其優(yōu)點(diǎn)是可大大減小環(huán)境污染、減少能源和化學(xué)藥品消耗,纖維損傷小,得到的精干麻品質(zhì)優(yōu)良,手感蓬松柔軟。

　　③麻纖維化學(xué)—生物聯(lián)合脫膠利用化學(xué)前處理可以去除脂蠟質(zhì)、部分果膠、半纖維素和木質(zhì)素,從而有利于后道工序中酶對(duì)底物的進(jìn)攻,進(jìn)而充分利用生物酶的專一性去除堿煮中難以去除而留下的膠質(zhì)。而且酶處理可以增加橫向膨化,使纖維細(xì)孔容積增加,并擴(kuò)大木質(zhì)素表面積,以利于后續(xù)過氧化物漂白過程中使氧化劑能容易地和膠質(zhì)接觸而不損傷纖維。該脫膠方法除具有麻纖維生物—化學(xué)聯(lián)合脫膠的優(yōu)點(diǎn)外,還具有類似生物酶改性麻纖維的特性。2.3.2、生物軟麻劑

　　由于麻纖維結(jié)晶度普遍較高,故剛性較大,柔軟性較差,導(dǎo)致其成紗抱合力差,而且在紡紗工藝中,纖維的轉(zhuǎn)移頻率低,纖維脫膠后,還殘存少量膠質(zhì),如果膠、木質(zhì)素等,從而導(dǎo)致纖維不易梳理,相互纏結(jié),產(chǎn)生并絲和硬條。為此,在精干麻紡紗之前,要采用乳化油劑進(jìn)行二次給油和堆倉,以降低纖維剛性,增加纖維的柔軟性,達(dá)到改善和提高可紡性之目的。但是由于乳化油劑多經(jīng)皂化而成,不耐硬水,若乳化條件控制不當(dāng),還會(huì)使乳化液破乳分層降低纖維的可紡性。而采用以生物酶CDF為主的復(fù)合生物軟麻劑(CDF纖維素酶與表面活性劑A和B復(fù)配),取代乳化油劑對(duì)精干麻進(jìn)行紡前處理,既能借助纖維素酶對(duì)麻纖維的剝蝕來降低纖維的結(jié)晶度與剛性,從而避免或減少紡紗過程中常見的毛羽斷頭等疵病。

　　2.3.3、生物酶整理

　　生物酶在紡織整理上的應(yīng)用非常廣,如牛仔布砂洗、生物拋光、羊毛的防氈縮處理等,其目的主要是改善織物的表面性能及手感,增進(jìn)織物的吸水性,改善織物與染料的親和力、給色率和色光[6]。

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　　生物拋光整理(又稱生物光潔)是一種新型的酶催化整理技術(shù),主要用于含有纖維素的布料以及成衣的后整理。酶制劑使織物表面纖維絨毛發(fā)生有控制的部分水解,大大減少了織物表面的絨毛,從而改善了織物表面性能[7]。

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　　生物酶洗在苧麻后整理技術(shù)上的應(yīng)用是上世紀(jì)90年代才得到我國同行認(rèn)識(shí)的新領(lǐng)域,由于麻纖維在穿著過程中與皮膚接觸時(shí),易產(chǎn)生刺癢感,在消除苧麻刺癢感方面,基于纖維素酶對(duì)纖維的水解催化的酶洗是一門新技術(shù),酶洗可改變纖維素纖維的微觀結(jié)構(gòu),使麻纖維縱向裂痕加深加寬,孔隙增多增大,利于柔軟劑分子滲入[8],經(jīng)酶洗后麻纖維的彎曲剛性降低,懸垂性提高,手感柔軟,而且消除了刺癢感[9]。從而使織物的手感得以明顯改善,且光澤柔和,有良好的懸垂性和抗折皺性[10]。

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　　傳統(tǒng)的退漿為堿、酸或氧化劑等,操作不當(dāng),易使織物強(qiáng)力受到嚴(yán)重?fù)p失,而且酸堿和氧化劑對(duì)環(huán)境有污染。利用生物酶如淀粉酶退漿,不僅能節(jié)省化工原料,縮短工藝時(shí)間,還可減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,提高產(chǎn)品質(zhì)量[6]。

　　④漂白

　　纖維素纖維織物酶漂白可采用2種方法:一是直接破壞天然纖維素進(jìn)行漂白,如在H2O2和O2存在下,過氧化酶與漆酶對(duì)染料脫色;二是將淀粉變?yōu)槠咸烟呛螽a(chǎn)生H2O2,再利用其間接氧化漂白,所用酶為葡萄糖淀粉酶及葡萄糖氧化酶。其作用機(jī)理是,淀粉在葡萄糖淀粉酶的作用下轉(zhuǎn)化為β-D葡萄糖,β-D葡萄糖再在葡萄糖氧化酶的作用下產(chǎn)生H2O2和葡萄糖酸,一方面H2O2對(duì)織物漂白,另一方面葡萄糖酸能和金屬離子螯合,使漂白浴穩(wěn)定,防止纖維脆化,雖然酶漂白的織物白度較常規(guī)相同濃度H2O2堿性漂白的稍差,但其漂白后織物手感柔軟且厚實(shí)[6]。

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　　纖維織物經(jīng)過酶前處理、整理或生物酶參與的脫膠后染色,由于纖維素酶處理后,纖維或織物變得多孔疏松,提高了染色速率,但又溶解了無定性區(qū),造成染料對(duì)基質(zhì)物的親和性下降,對(duì)染料分子吸附的有效體積降低,使平衡上染率下降[6]。

　?、迯U液和廢物處理

　　紡織濕加工在一定程度上會(huì)給環(huán)境帶來負(fù)擔(dān)———廢液和廢物處理[6]。實(shí)踐證明,酶制劑也能在三廢處理上發(fā)揮很大作用,現(xiàn)在的趨勢(shì)是應(yīng)用固定化酶或固定化微生物處理法代替?zhèn)鹘y(tǒng)采用的微生物爆氣法[2]。2.4、生物酶在麻紡行業(yè)中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

　　酶是一種作為代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)催化劑的生物催化劑,具有生物降解性和重復(fù)利用性的特點(diǎn),符合生態(tài)要求。采用生物酶對(duì)紡織品進(jìn)行濕加工,不但服用性能得到提高,不損傷皮膚,而且生產(chǎn)能耗低,廢液易生物降解,符合生態(tài)紡織品的要求。如利用無氯漂白,開發(fā)過氯化無酶進(jìn)行H2O2漂白,即能減少紡織漂染過程中產(chǎn)生的氯氣,減少對(duì)環(huán)境的破壞,改善車間工作環(huán)境,又可避免含磷類、含硅類穩(wěn)定劑在織物上殘留;利用一種復(fù)合生物酶對(duì)麻纖維進(jìn)行生物處理使纖維分裂度大大提高,纖維柔軟度、整齊度和可紡性也大大提高;一種生物酶可以代替石磨洗靛藍(lán)牛仔服的浮石,意味著對(duì)衣服造成的損傷減少了,對(duì)機(jī)器的磨損減少了,浮石灰塵也減少了[9]。

　　3、酶在應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題與對(duì)策

　　3.1、可能出現(xiàn)的問題

　　天然酶具有高效而且高度專一的催化特性,并已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,但它并非完善無缺,這主要體現(xiàn)在如下幾方面:①酶的活性專一性和作用適條件常不能適應(yīng)生產(chǎn)工藝的要求[2];②酶是蛋白質(zhì),容易變性失效,一般經(jīng)不起高溫、強(qiáng)堿、強(qiáng)酸、有機(jī)溶劑以及時(shí)間等的考驗(yàn)[2];③酶的生產(chǎn)成本高,不易運(yùn)輸和保存;④酶制劑生產(chǎn)廠家和具體應(yīng)用領(lǐng)域嚴(yán)重脫節(jié),如目前麻纖維生物酶處理中利用的生物酶主要來源于食品加工用酶,活力低,成分單一,而要使生物酶在麻紡行業(yè)中得到充分發(fā)展,開發(fā)麻專用酶制劑以及復(fù)合酶制劑是麻紡行業(yè)和生物技術(shù)的交叉點(diǎn)之一。

　　3.2、對(duì)策

　　為滿足生產(chǎn)實(shí)踐的需要,提高酶的應(yīng)用價(jià)值,通常進(jìn)行酶的改造。酶的改造直接的方法是從酶分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)水平上進(jìn)行改造,即酶分子工程。其包括調(diào)整酶的活性結(jié)構(gòu),改變酶的作用微環(huán)境,引入氫鍵、疏水鍵、鹽橋,加固酶的活性結(jié)構(gòu)的剛性和強(qiáng)度;建立選擇性屏障,避免直接和免疫系統(tǒng)、蛋白水解酶系統(tǒng)接觸等。其中,目前用于酶分子改造的方法有3種:①化學(xué)修飾法;②變形誘導(dǎo)構(gòu)象重建法或稱解鍵復(fù)性構(gòu)象重建法;③蛋白質(zhì)工程,即建筑在基因工程基礎(chǔ)上的基因定位突變法。

　　4、展望

　　麻紡行業(yè)中生物酶的應(yīng)用無論在纖維的前處理、原料可紡性能的提高、產(chǎn)品性能的改善還是環(huán)境保護(hù),都決定麻紡行業(yè)與生物技術(shù)的結(jié)合將會(huì)為麻紡行業(yè)可持續(xù)、快速發(fā)展提供有利條件。而且它們的結(jié)合符合國際發(fā)展趨勢(shì),將會(huì)誕生真正意義上的“綠色紡織品”。今后,只要能尋找更合適的酶源,降低酶的生產(chǎn)成本,制成安全、有效的劑型和建立優(yōu)化的高產(chǎn)工藝條件[2],并將2個(gè)領(lǐng)域充分交叉結(jié)合,即可充分發(fā)揮各自的價(jià)值。

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