生物酶在麻紡印染的應用技術

　　隨著人類對紡織產品性能要求的不斷提高和環境意識的日益加強,綠色紡織品這一新的概念誕生了。開發和應用無污染的對人體有益無害的新型紡織品原料,采用不會帶來環境污染的生產工藝,發展綠色紡織品是今后進行國際貿易的重要前提[1],也是今后的發展趨勢。作為紡織行業重要組成部分的麻紡織業,尤其是以出口創匯為主的麻紡織品,找到與生物技術的交叉點是其可持續良好發展的保障。生物酶是由無毒微生物發酵、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、強酸、強堿、強氧化劑,易生物降解而不會帶來環境污染,以及其具有酶的專一性,這些獨特的優勢贏得了麻紡織行業中的一席之地,而且是今后行業發展的必然趨勢。

　　1、生物酶概述

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

　　1.1、影響酶反應的主要因素

　　1.1.1、抑制劑的影響

　　抑制劑是對酶反應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(側鏈氨基酸)基團反應的試劑;另一種是根據酶的作用機制修飾酶的特定位點的專一性試劑。

　　1.1.2、pH值的影響

　　酶反應是在一定的條件下進行的,酸、堿既能影響酶的穩定性,也能直接影響酶的催化活性。酶都有一定的酸堿穩定性范圍,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本身的速度,也能導致酶蛋白變性失效,酶反應速度隨溫度升高而增大,但超過最適溫度后,反應速度隨溫度升高而下降。而且,由于溫度使蛋白質變形是隨時間累加的,導致不同的反應時間測得的最適溫度往往不同。

　　1.2、酶的穩定型與保存

　　1.2.1、酶的劑型

　　酶制劑常以4種劑型供應,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定性,延長其有效期是各行業需解決的問題。

　　1.2.2、影響酶的穩定性因素

　　①溫度

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

　　②pH值和緩沖液

　　大多數酶僅在各自特定pH值范圍內穩定,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定性。

　　③酶蛋白濃度

　　酶的穩定性因酶性質和純度而異,一般情況下,酶蛋白在高濃度時較為穩定,而在低濃度時則易于解離、吸附,甚至易發生表面變形而失效。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等有助于增加穩定性。

　　1.2.3、穩定酶的方法

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

　　2、生物酶在麻紡織行業中的應用

　　2.1、應用歷史

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

　　到上世紀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次報道產生果膠酶的微生物或果膠酶制劑在脫膠工業中加以利用;1973年根據果膠酶的作用機理將果膠酶分為兩大類,即果膠酯酶和解聚酶;1990年,分離到一株產果膠裂解酶的芽孢桿菌,對苧麻脫膠作出了很大貢獻[1]。與此同時,隨著生物技術的不斷發展和人們對麻類織物性能的進一步追求,應運而生了麻類織物生物整理技術,如酶洗、酶退漿、精練、漂白、廢液處理、生物軟麻、改性。

　　2.2、可應用的酶

　　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(統稱膠質)含量高。膠質內又含有半纖維素、果膠、木質素等多種物質,紡織用麻纖維即是指從原麻中脫去部分或幾乎全部膠質而分離出纖維。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、木質素酶、過氧化氫酶、淀粉酶以及漆酶等。

　　2.3、應用領域

　　2.3.1、脫膠

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

　　①麻纖維生物酶脫膠將酶劑稀釋在水中,浸漬原麻進行脫膠。微生物脫膠與常規化學脫膠相比,脫膠制成率、強力得到提高,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,有利于環境保護。

　?、诼槔w維生物—化學聯合脫膠利用生物酶(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,然后輔以化學脫膠的部分工序脫去膠質后生產出精干麻,脫膠過程中堿煮前的生物酶處理可以使膠質和纖維之間的結合松動,有利于堿煮時膠質的去除。其優點是可大大減小環境污染、減少能源和化學藥品消耗,纖維損傷小,得到的精干麻品質優良,手感蓬松柔軟。

　?、勐槔w維化學—生物聯合脫膠利用化學前處理可以去除脂蠟質、部分果膠、半纖維素和木質素,從而有利于后道工序中酶對底物的進攻,進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。而且酶處理可以增加橫向膨化,使纖維細孔容積增加,并擴大木質素表面積,以利于后續過氧化物漂白過程中使氧化劑能容易地和膠質接觸而不損傷纖維。該脫膠方法除具有麻纖維生物—化學聯合脫膠的優點外,還具有類似生物酶改性麻纖維的特性。2.3.2、生物軟麻劑

　　由于麻纖維結晶度普遍較高,故剛性較大,柔軟性較差,導致其成紗抱合力差,而且在紡紗工藝中,纖維的轉移頻率低,纖維脫膠后,還殘存少量膠質,如果膠、木質素等,從而導致纖維不易梳理,相互纏結,產生并絲和硬條。為此,在精干麻紡紗之前,要采用乳化油劑進行二次給油和堆倉,以降低纖維剛性,增加纖維的柔軟性,達到改善和提高可紡性之目的。但是由于乳化油劑多經皂化而成,不耐硬水,若乳化條件控制不當,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為主的復合生物軟麻劑(CDF纖維素酶與表面活性劑A和B復配),取代乳化油劑對精干麻進行紡前處理,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,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上的應用是上世紀90年代才得到我國同行認識的新領域,由于麻纖維在穿著過程中與皮膚接觸時,易產生刺癢感,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,酶洗可改變纖維素纖維的微觀結構,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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　　傳統的退漿為堿、酸或氧化劑等,操作不當,易使織物強力受到嚴重損失,而且酸堿和氧化劑對環境有污染。利用生物酶如淀粉酶退漿,不僅能節省化工原料,縮短工藝時間,還可減輕勞動強度,提高產品質量[6]。

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　　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;二是將淀粉變為葡萄糖后產生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。其作用機理是,淀粉在葡萄糖淀粉酶的作用下轉化為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,使漂白浴穩定,防止纖維脆化,雖然酶漂白的織物白度較常規相同濃度H2O2堿性漂白的稍差,但其漂白后織物手感柔軟且厚實[6]。

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　　纖維織物經過酶前處理、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,造成染料對基質物的親和性下降,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境帶來負擔———廢液和廢物處理[6]。實踐證明,酶制劑也能在三廢處理上發揮很大作用,現在的趨勢是應用固定化酶或固定化微生物處理法代替傳統采用的微生物爆氣法[2]。2.4、生物酶在麻紡行業中應用優勢

　　酶是一種作為代替傳統化學催化劑的生物催化劑,具有生物降解性和重復利用性的特點,符合生態要求。采用生物酶對紡織品進行濕加工,不但服用性能得到提高,不損傷皮膚,而且生產能耗低,廢液易生物降解,符合生態紡織品的要求。如利用無氯漂白,開發過氯化無酶進行H2O2漂白,即能減少紡織漂染過程中產生的氯氣,減少對環境的破壞,改善車間工作環境,又可避免含磷類、含硅類穩定劑在織物上殘留;利用一種復合生物酶對麻纖維進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牛仔服的浮石,意味著對衣服造成的損傷減少了,對機器的磨損減少了,浮石灰塵也減少了[9]。

　　3、酶在應用中可能出現的問題與對策

　　3.1、可能出現的問題

　　天然酶具有高效而且高度專一的催化特性,并已廣泛應用于各個領域,但它并非完善無缺,這主要體現在如下幾方面:①酶的活性專一性和作用最適條件常不能適應生產工藝的要求[2];②酶是蛋白質,容易變性失效,一般經不起高溫、強堿、強酸、有機溶劑以及時間等的考驗[2];③酶的生產成本高,不易運輸和保存;④酶制劑生產廠家和具體應用領域嚴重脫節,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中得到充分發展,開發麻專用酶制劑以及復合酶制劑是麻紡行業和生物技術的交叉點之一。

　　3.2、對策

　　為滿足生產實踐的需要,提高酶的應用價值,通常進行酶的改造。酶的改造最直接的方法是從酶分子的化學結構水平上進行改造,即酶分子工程。其包括調整酶的活性結構,改變酶的作用微環境,引入氫鍵、疏水鍵、鹽橋,加固酶的活性結構的剛性和強度;建立選擇性屏障,避免直接和免疫系統、蛋白水解酶系統接觸等。其中,目前用于酶分子改造的方法有3種:①化學修飾法;②變形誘導構象重建法或稱解鍵復性構象重建法;③蛋白質工程,即建筑在基因工程基礎上的基因定位突變法。

　　4、展望

　　麻紡行業中生物酶的應用無論在纖維的前處理、原料可紡性能的提高、產品性能的改善還是環境保護,都決定麻紡行業與生物技術的結合將會為麻紡行業可持續、快速發展提供有利條件。而且它們的結合符合國際發展趨勢,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,降低酶的生產成本,制成安全、有效的劑型和建立優化的高產工藝條件[2],并將2個領域充分交叉結合,即可充分發揮各自的價值。