生物酶的優(yōu)勢性能及在麻紡印染在的應(yīng)用技術(shù)

　　隨著人類對紡織產(chǎn)品性能要求的不斷提高和環(huán)境意識的日益加強(qiáng),綠色紡織品這一新的概念誕生了。開發(fā)和應(yīng)用無污染的對人體有益無害的新型紡織品原料,采用不會帶來環(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。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,易生物降解而不會帶來環(huán)境污染,以及其具有酶的專一性,這些獨特的優(yōu)勢贏得了麻紡織行業(yè)中的一席之地,而且是今后行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

　　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,超出這個范圍后,酶就會變性失效。

　　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,但超過最適溫度后,反應(yīng)速度隨溫度升高而下降。而且,由于溫度使蛋白質(zhì)變形是隨時間累加的,導(dǎo)致不同的反應(yīng)時間測得的最適溫度往往不同。

　　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

　?、贉囟?/strong>

　　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。

　?、趐H值和緩沖液

　　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,緩沖液的種類有時也會影響酶的穩(wěn)定性。

　　③酶蛋白濃度

　　酶的穩(wěn)定性因酶性質(zhì)和純度而異,一般情況下,酶蛋白在高濃度時較為穩(wěn)定,而在低濃度時則易于解離、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,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,對于果膠酶的研究逐漸深入;1972年第1次報道產(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,對苧麻脫膠作出了很大貢獻(xiàn)[1]。與此同時,隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對麻類織物性能的進(jìn)一步追求,應(yīng)運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)。

　?、诼槔w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,有利于堿煮時膠質(zhì)的去除。其優(yōu)點是可大大減小環(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,取代乳化油劑對精干麻進(jìn)行紡前處理,既能借助纖維素酶對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]。

　　①生物拋光整理

　　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]。

　?、诿赶?/strong>

　　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)識的新領(lǐng)域,由于麻纖維在穿著過程中與皮膚接觸時,易產(chǎn)生刺癢感,在消除苧麻刺癢感方面,基于纖維素酶對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]。

　　③退漿

　　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,縮短工藝時間,還可減輕勞動強(qiáng)度,提高產(chǎn)品質(zhì)量[6]。

　?、芷?/strong>

　　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[6]。

　?、萑旧?/strong>

　　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),造成染料對基質(zhì)物的親和性下降,對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給環(huán)境帶來負(fù)擔(dān)———廢液和廢物處理[6]。實踐證明,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

　　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,符合生態(tài)要求。采用生物酶對紡織品進(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,意味著對衣服造成的損傷減少了,對機(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最適條件常不能適應(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)溶劑以及時間等的考驗[2];③酶的生產(chǎn)成本高,不易運輸和保存;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)的交叉點之一。

　　3.2、對策

　　為滿足生產(chǎn)實踐的需要,提高酶的應(yīng)用價值,通常進(jìn)行酶的改造。酶的改造最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,將會誕生真正意義上的“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個領(lǐng)域充分交叉結(jié)合,即可充分發(fā)揮各自的價值。


來源:印染在線

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