采用生物酶法去除山羊絨膚皮屑

陳曉盟， 王樹根， 薛 晨

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122; 2. 新疆天山毛紡織股份有限公司， 新疆 烏魯木齊 830054)

采用生物酶法去除山羊絨膚皮屑

陳曉盟1， 王樹根1， 薛 晨2

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122; 2. 新疆天山毛紡織股份有限公司， 新疆 烏魯木齊 830054)

采用生物酶法去除羊絨染色中多年未根本解決的羊絨膚皮點的問題，分別選用角質酶、胃蛋白酶和蛋白酶3種類型的酶處理了山羊絨膚皮屑，考察去屑效果，研究了生物酶處理的工藝條件，同時考察了處理前后山羊絨損傷情況。結果表明：T.fusca角質酶在角質酶用量8 mL/g，pH=8.0，60 ℃，5 h，浴比1∶50條件下，膚皮屑去除率29%。胃蛋白酶在胃蛋白酶用量6%(o.w.f)，pH=2.2，4 ℃，6 h，浴比1∶50條件下，膚皮屑去除率為17%。蛋白酶Savinase 16 L在蛋白酶用量1 mL/g，pH=8.5，45 ℃，4 h，浴比1∶50條件下，膚皮屑去除率為46%。角質酶和胃蛋白酶處理對羊絨有輕微的損傷，可以做為一種新的去除羊絨膚皮點的方法，蛋白酶對羊絨的損傷較嚴重，不能采用。生物酶法能部分去除山羊絨膚皮屑，有必要進一步研究。

山羊絨； 膚皮屑； 角質酶； 胃蛋白酶； 蛋白酶

羊絨是珍貴的動物纖維資源，抓絨得到的山羊原絨中含有粗毛、兩型毛、皮屑、沙土和汗脂等雜質，經過洗毛、分梳、精梳等加工后可去除大部分雜質，但不能完全去除膚皮屑，在染色時皮屑的存在會造成羊絨染色產品出現深色膚皮點，嚴重影響羊絨制品的外觀質量。這個問題困擾羊絨行業多年，鮮有這方面的研究報道，一般是利用勻染劑的緩染作用消除羊絨和膚皮屑的色差，但是這種方法有一定的局限性，當緩染作用過強時出現膚皮淺色點，當緩染作用不夠時，仍有膚皮深色點存在，只不過比不緩染略淺而已，而且這種方法對染料品種也有選擇，應用范圍受限。本文從溶解膚皮的角度出發，在分析山羊絨和山羊膚皮屑結構組成差異的基礎上，設計采用3種生物酶：角質酶、胃蛋白酶和蛋白酶來處理山羊絨膚皮屑，考核去屑效果，并分別研究3種生物酶去除羊絨膚皮屑的工藝條件。通過測定處理前后羊絨的部分物理力學性能和形態結構，探討了生物酶處理對羊絨的損傷情況。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料：山羊絨膚皮屑及山羊絨洗凈絨(新疆天山毛紡織股份有限公司)，T.fusca角質酶(230 U/mL)(江南大學生物科學與工程國家重點實驗室)，蛋白酶Savinase 16 L(16 000 U/mL)(諾維信公司)，胃蛋白酶(分析純，1 200 U/g)(國藥集團化學試劑有限公司)，蒸餾水，三(羥甲基)氨基甲烷、鹽酸、氫氧化鈉、乙酸均為分析純(國藥集團化學試劑有限公司)。

儀器：YG001N型電子單纖維強力儀(南通宏大實驗儀器有限公司)，恒溫恒濕室，HITACHT SU1510型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)，HH-6型數顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 山羊絨膚皮屑原材料的預處理

分別在60、4、45 ℃條件下，先用去離子水處理山羊絨膚皮屑，6 h后，真空抽濾分離，將分離后的膚皮屑放在45 ℃干燥箱中烘干17 h，至質量恒定。將烘干后的山羊絨膚皮屑包裝起來，密封保存，以供后續實驗使用。

1.2.2 膚皮屑及洗凈絨的生物酶處理

角質酶：稱取1 g(m1,稱量精度±0.000 1 g)水洗后的山羊絨膚皮屑m1在xmL/g的T.fusca角質酶反應溶液中恒溫處理，pH=8.0[1](Tris-HCl緩沖溶液)，溫度為60 ℃，浴比為1∶50。幾小時后升溫至90 ℃進行滅酶處理5 min，抽濾后于45 ℃烘干17 h至質量恒定后稱質量為m2。按式(1)計算去屑率。研究合適條件下用角質酶處理山羊絨洗凈絨的受損情況。

(1)

胃蛋白酶：稱取1 g(m,稱量精度±0.000 1 g)水洗后的山羊絨膚皮屑在x%(o.w.f)的胃蛋白酶反應溶液中恒溫處理，pH=2.2[2](Tris-HCl緩沖溶液)，溫度為4 ℃，浴比1∶50。幾小時后升溫至60 ℃進行滅酶處理5 min，抽濾后于45 ℃烘干17 h至質量恒定后稱質量為m2。按式(1)計算去屑率。研究合適條件下用胃蛋白酶處理山羊絨洗凈絨的受損情況。

蛋白酶：稱取1 g(m1,稱量精度±0.000 1 g)水洗后的山羊絨膚皮屑在xmL/g的蛋白酶Savinase 16L反應溶液中恒溫處理，pH=8.5[3](Tris-HCl緩沖溶液)，溫度為45 ℃，浴比1∶50。幾小時后升溫至90 ℃進行滅酶處理5 min，抽濾后于45 ℃烘干17 h至質量恒定后稱質量為m2。按式(1)計算去屑率。研究合適條件下用蛋白酶處理山羊絨洗凈絨的受損情況。

1.2.3 強力測試

使用YG001N型電子單纖維強力儀測試經過不同生物酶處理后山羊絨單纖維的強力，溫度為(20±2)℃，相對濕度為(65±2)%，評價山羊絨纖維的質量。記錄紗線斷裂強力F，測試10次，取平均值[4]。

1.2.4 堿溶解度

分別稱取0.1 g試樣(±0.000 1g)，在溫度(20±2)℃，相對濕度(65±2)%條件下平衡處理24 h，稱量得到試樣質量M，計算試樣的含水率G。將試樣放入0.1 mol/L的100 mL氫氧化鈉溶液中，(65±0.5)℃處理1 h，山羊絨未溶解，然后用已恒重的玻璃漏斗過濾。過濾時，試樣盡可能先留在燒杯中，最后再移入漏斗內吸干。燒杯內試樣先用水洗滌6次，然后用10 mL/L冰醋酸溶液洗2次，再用水洗6次。每次水洗為50 mL，將試樣浸沒即可。將漏斗內的試樣放入烘箱，于105～110 ℃烘干至恒定質量W[5]。按式(2)計算堿溶解度。

(2)

1.2.5 掃描電鏡觀察

用HITACHT SU1510型電子掃描顯微鏡觀察不同生物酶處理后山羊絨纖維表面的形貌特征。

2 結果與討論

2.1 角質酶處理條件對山羊絨去屑率的影響

2.1.1 角質酶用量

角質酶可以催化水解不溶性多聚體角質的酯鍵。在最適溫度60 ℃和pH值8.0的條件下，用不同濃度的T.fusca角質酶處理山羊絨膚皮屑6 h，結果見圖1。由圖中曲線變化趨勢可知，隨著角質酶濃度的增加，山羊絨膚皮屑的去除率先提高然后降低，在角質酶濃度為8 mL/g時，去屑率達到最大值為29%。這可能是過低的酶用量不足以對底物的特定位點進行充分的水解，使得水解過程緩慢進行[2]。而過高的酶用量可能誘發某些酶促反應的競爭作用，反而使得水解程度受到抑制。這表明在本文的實驗條件下，8 mL/g的角質酶是最適宜的。

圖1 角質酶濃度對山羊絨膚皮屑去除率的影響Fig. 1 Effects of cutinase concentration on skin crumbs removal efficiency of cashmere

2.1.2 反應時間

在最適溫度60 ℃、pH值8.0、T.fusca角質酶濃度8 mL/g、經不同的反應時間處理山羊絨膚皮屑，考察反應時間對去屑率的影響，結果如圖2所示。由圖中曲線變化趨勢可知，在1～5 h的區間內，隨著時間的延長，山羊絨膚皮屑的去除率逐漸提高。而當時間超過5 h以后，去屑率基本保持不變。說明角質底物基本水解完畢，即使時間再延長，去屑率也不會再提高了。所以，對于一定量的山羊絨膚皮屑，使用角質酶去除5 h是最適宜的。使用T.fusca角質酶去除山羊絨膚皮屑的工藝條件為：角質酶用量8 mL/g，pH=8.0，60 ℃，5 h，浴比1∶50。此時膚皮屑的去除率達到了29%。

圖2 反應時間對山羊絨膚皮屑去除率的影響Fig. 2 Effects of reaction time on skin crumbs removal effiency of cashmere

2.2 胃蛋白酶處理條件對羊絨去屑率的影響

2.2.1 胃蛋白酶用量

在最適溫度4 ℃和pH值2.2的條件下，用不同濃度的胃蛋白酶處理山羊絨膚皮屑6 h，考察胃蛋白酶用量對去屑率的影響，結果如圖3所示。由圖中曲線變化趨勢可知，隨著胃蛋白酶用量的增加，山羊絨膚皮屑的去除率先提高然后降低，在胃蛋白酶用量為6%(o.w.f)時，去屑率達到最大值為17%。胃蛋白酶對膠原具有較好的溶解作用，可以水解膠原α-肽鍵的末端區[6]。這可能是過低的酶用量不足以對底物的特定位點進行充分的水解，使得水解過程緩慢進行。而過高的酶用量可能誘發某些酶促反應的競爭作用，反而使得水解程度受到抑制。在本文的實驗條件下胃蛋白酶用量為6%(o.w.f)是最適宜的。

圖3 胃蛋白酶用量對山羊絨膚皮屑去除率的影響Fig. 3 Effects of pepsin concentration on skin crumbs removal efficiency of cashmere

2.2.2 反應時間

在最適溫度4 ℃、pH值為2.2、胃蛋白酶用量為6%(o.w.f)、不同的反應時間下處理山羊絨膚皮屑，考察反應時間對去屑率的影響，結果如圖4所示。由圖中曲線變化趨勢可知，在1～6 h的區間內，隨著時間的延長，山羊絨膚皮屑的去除率逐漸升高。而當時間超過6 h以后，去屑率不再升高，基本保持不變。說明此時胃蛋白酶已將膠原底物水解，即使時間再延長，去屑率也不會再提高了。所以，對于一定量的膚皮屑，使用胃蛋白酶去除6 h最適宜。使用胃蛋白酶去除山羊絨膚皮屑的工藝條件為：胃蛋白酶用量6%(o.w.f)，pH=2.2，4 ℃，6 h，浴比1∶50。此時膚皮屑的去除率達到了17%。

2.3 蛋白酶處理條件對山羊絨去屑率的影響

2.3.1 蛋白酶用量

在最適溫度45 ℃和pH值8.5的條件下，用不同濃度的蛋白酶Savinase 16 L處理山羊絨膚皮屑6 h，考察蛋白酶濃度對去屑率的影響，結果如圖5所示。

圖5 蛋白酶濃度對山羊絨膚皮屑去除率的影響Fig. 5 Effects of protease concentration on skin crumbs removal efficiency of cashmere

由圖中曲線變化趨勢可知，隨著蛋白酶濃度的增加，山羊絨膚皮屑去除率是先升高，然后保持恒定，最后降低。當蛋白酶濃度為1 mL/g時，去屑率達到最大值為46%。在蛋白酶濃度為1～3 mL/g的區間內，去屑率保持不變，當超過3 mL/g時，去屑率陡然降低。蛋白酶是水解肽鍵的一類酶，蛋白質在蛋白酶的作用下，能迅速水解為胨、肽等，最后成為氨基酸，溶解在水中[7]。在蛋白酶濃度較低時，對底物特定位點的水解作用不充分，因而去屑率低，而當濃度過高時，可能誘發某些酶促反應的競爭作用，反而使水解程度受到抑制，蛋白酶作用引起的抑制很顯著，因而會陡降。表明在本文的實驗條件下，使用蛋白酶去除時1 mL/g的用量是最適宜的。

2.3.2 反應時間

在最適溫度45 ℃和pH值8.5的條件下、蛋白酶Savinase 16 L濃度為1 mL/g、不同的反應時間處理山羊絨膚皮屑，考察反應時間對去屑率的影響，結果如圖6所示。

圖6 反應時間對山羊絨膚皮屑去除率的影響Fig. 6 Effects of reaction time on skin crumbs removal efficiency of cashmere

由圖中曲線變化趨勢可知，在1～4 h內，隨著時間的延長，山羊絨膚皮屑的去除率逐漸升高。而當時間超過4 h，去屑率不再升高，基本保持不變。說明此時蛋白酶已將含有肽鍵的底物水解完畢，即使再延長時間，去屑率也不會提高。所以，在本文的實驗條件下，使用蛋白酶去除時4 h的時間是最適宜的。使用蛋白酶處理山羊絨膚皮屑的工藝條件為：蛋白酶用量1 mL/g，pH=8.5，45 ℃，4 h，浴比1∶50。此時膚皮屑的去除率達到了46%。

2.4 山羊絨處理前后部分性能的變化

上述實驗得到的是使用生物酶去除山羊絨膚皮屑的工藝條件，適用于單獨處理膚皮屑，而在工廠實際生產中，膚皮屑和山羊絨是摻雜在一起的，所以，有必要在上述工藝條件下處理山羊絨洗凈絨，并通過強力、堿溶解度和微觀結構來考核其受損傷的情況。

2.4.1 強 力

將山羊絨洗凈絨在上述最佳處理條件下分別經過T.fusca角質酶、胃蛋白酶和蛋白酶Savinase 16 L作用，使用電子單纖維強力儀測定處理前后試樣的單纖維強力，結果列于表1。

表1 不同種生物酶處理后山羊絨洗凈絨的強力Tab.1 Strength of washed cashmere treated with different enzymes

經過角質酶、胃蛋白酶和蛋白酶處理后試樣的單纖維強力比山羊絨洗凈絨原樣分別降低了18.8%、19.5%和33.2%。山羊絨纖維是α-角朊纖維，具有二相結構，一相是棒狀結晶區即雙股α-螺旋鏈組成的基原纖區，由低硫蛋白質組成，水分子難以滲進；另一相是球狀基質區，主要由高硫蛋白質組成，易被水增塑。纖維斷裂時，在預屈服區，主要是穩定的α-螺旋鏈構象的氫鍵、二硫鍵產生應變；當纖維伸長率達到屈服點時，一部分氫鍵斷裂，α-螺旋鏈開始伸展，逐漸轉變為β-伸展鏈[8]。經過生物酶處理后，山羊絨纖維的基質區被增塑，α-螺旋鏈構象的穩定性可能被破壞，使得山羊絨纖維的斷裂強力有所降低。根據強力測試數據結果知，經過蛋白酶處理后的試樣損傷較嚴重，而經過角質酶和胃蛋白酶處理后的試樣損傷較輕。

2.4.2 堿溶解度

將山羊絨洗凈絨分別經過T.fusca角質酶、胃蛋白酶和蛋白酶Savinase 16L處理，測定處理前后試樣的堿溶解度，結果見表2。

表2 不同種生物酶處理后山羊絨洗凈絨的堿溶解度Tab.2 Alkali solubility of washed cashmere treated with different enzymes

堿對蛋白質纖維有明顯的破壞作用，堿能使蛋白質纖維大分子中的鹽式鍵斷開(與羥基起化合作用)，并使胱氨酸發生水解。形成的硫醇基(亞磺酸)對堿性介質不穩定，分解成醛和硫化鈉，纖維部分溶于堿而使質量變輕[9]。經過角質酶、胃蛋白酶和蛋白酶處理后試樣的堿溶解度分別為2.91%、4.00%和41.8%。根據堿溶解度數據可知，經過蛋白酶處理后的試樣損傷較嚴重，而經過角質酶和胃蛋白酶處理后的試樣損傷較輕。

2.4.3 SEM分析

圖7 生物酶處理前后山羊絨洗凈絨纖維的SEM照片(× 2 000)Fig. 7 SEM images of washed cashmere treated with different enzymes(×2 000).(a) Washed cashmere sample without treatment； (b) Cashmere sample treated with T.fusca cutinase；(c) Cashmere sample treated with pepsin； (d) Cashmere sample treated with protease Savinase 16 L

圖7示出不同處理條件下山羊絨洗凈絨的掃描電鏡照片。圖7(a)中山羊絨的鱗片結構相似，多數呈環狀、斜環狀，排列較均勻、規則，邊緣翹起程度不明顯。 圖7(b)經過角質酶處理后山羊絨洗凈絨纖維表面被輕微破壞，某些部位的鱗片斷裂，但總體與原樣差異較小，其原因在于角質酶主要作用于鱗片表層厚度很小的類脂層，對交聯程度較高的鱗片外層以下角蛋白層影響較少[10]。圖7(c)經過胃蛋白酶處理后山羊絨洗凈絨纖維表面局部被破壞，鱗片缺失的部分很不規則，原因可能是角蛋白在酸性較強的條件下被動物胃蛋白酶所消化，雖然一般條件下，角蛋白是不溶性蛋白質，它既不溶于水、稀的酸和堿，也不為普通動物的胃蛋白酶所消化，但是本文實驗使用胃蛋白酶處理時pH值較低，酸性較強，可能會有影響。圖7(d)經過蛋白酶處理后試樣表面鱗片層得到部分去除，但鱗片層去除效果并不均勻，部分鱗片層呈剝離狀，表明蛋白酶水相處理中部分酶分子水解了鱗片層間的羧甲基纖維素并擴散進入纖維內部，使得部分鱗片從纖維表面剝離或脫落[10]。

山羊絨洗凈絨經過3種生物酶處理后，單纖維強力都比原樣低，其中角質酶、胃蛋白酶和蛋白酶處理后試樣的強力分別降低了18.8%、19.5%和33.2%，可見，角質酶和胃蛋白酶處理對山羊絨有輕微的損傷，而蛋白酶處理對山羊絨損傷較嚴重。山羊絨洗凈絨經過3種生物酶處理后，堿溶解度比原樣都變大了，其中角質酶、胃蛋白酶和蛋白酶處理后試樣的堿溶解度分別增大了2.91%、4.00%和41.8%，這個結果與強力測試反映的結果一致。而山羊絨洗凈絨經過3種生物酶處理后的SEM照片也再次印證了這個結論。

3 結 論

1)T.fusca角質酶、胃蛋白酶和蛋白酶Savinase 16L可以去除部分山羊絨膚皮屑。其最大去除率分別為 29%、 17% 和46%。角質酶和胃蛋白酶對羊絨都有輕微的損傷，蛋白酶對羊絨的損傷較嚴重，不能選用。

2)采用生物酶法去除山羊絨膚皮屑是一條有效的途徑，有必要進一步研究篩選酶的品種和工藝，研究不同生物酶的協同作用，提高膚皮屑的去除率。

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Enzymatic removal of skin crumbs from cashmere

CHEN Xiaomeng1， WANG Shugen1, XUE Chen2

(1.KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China;
2.XinjiangTianshanWoolTexStockCo.Ltd.,Urumqi,Xinjiang830054,China)

This paper attempts to adopt enzymatic approach to remove the skin crumbs from cashmere, since the skin crumb is a long-standing problem not fundamentally solved over the years in cashmere dyeing. Three biological enzymes-cutinase, pepsin and protease were selected and applied to the treatment of skin crumbs separately. The effect of skin crumbs removal was investigated and the individual process conditions were examined. The fiber damages of the cashmere before and after treatment were compared. The results showed that the skin crumbs removal rate reached 29% when T.fuscacutinase was used in the treatment of skin crumbs under the conditions: amount of T.fuscacutinase 8 mL/g, pH=8.0, temperature 60 ℃, time 5 h, and liquor ratio 1∶50, The removal rate was 17% in the case of pepsin under the conditions: pH=2.2, temperature 4 ℃, amount of pepsin 6%(o.w.f), time 6 h, and liquor ratio 1∶50. And the removal rate was up to 46% in the case of protease Savinase 16 L under the conditions: amount of Savinase 16 L, 1 mL/g, pH=8.5, temperature 45 ℃, time 4 h, and liquor ratio 1∶50. The experimental results revealed that cutinase and pepsin caused only slight damage to the treated fiber whereas protease led to serious fiber damage. Therefore, the former two kinds of enzymes may be used in the treatment of cashmere for removing skin crumbs. The enzymatic method can partially remove the cashmere skin crumbs, so it is necessary to make further study.

cashmere; skin crumbs; cutinase; pepsin; protease

0253- 9721(2013)09- 0021- 06

2012-09-13

2013-03-25

陳曉盟(1990—)，女，碩士生。主要研究方向為新型染整技術。王樹根，通信作者，E-mail:wangshugen@163.com。

TS 192.5

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