生物酶前處理應用

高　俊,王雪燕

(西安工程大學紡織與材料學院,陜西西安 710048)

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生物酶前處理應用

高俊,王雪燕

(西安工程大學紡織與材料學院,陜西西安 710048)

研究了淀粉酶和蛋白酶在棉織物和真絲織物前處理的應用，比較了淀粉酶在棉織物退漿中的使用對棉織物退漿率、白度、毛效、以及斷裂強力的影響；采用蛋白酶對蠶絲織物進行脫膠，同時為進一步提高蠶絲的脫膠效果，在酶精練前對織物進行了堿預處理。與傳統(tǒng)高溫高堿脫膠工藝效果相比，經蛋白酶處理的蠶絲織物，其織物的潤濕性、脫膠率以及織物的手感均好于傳統(tǒng)工藝，并且織物的纖維損傷明顯降低，但織物的白度略低于傳統(tǒng)工藝。

棉織物真絲織物淀粉酶蛋白酶脫膠退漿

0　前言

棉織物因其具有優(yōu)異的吸濕透氣、排汗的性能而深受廣大消費者的喜愛，然而天然棉纖維本身的伴生物以及織造過程的助劑等，影響其潤濕性以及后續(xù)的染色等加工工藝，因此必須對棉織物進行精練。傳統(tǒng)前處理工藝一般采用高溫高堿的條件，處理時間較長，能耗大，同時纖維損傷嚴重。

蠶絲織物具有飄逸、滑爽的質感，而作為高檔纖維使用。蠶絲中絲素約占 75%，絲膠約占25%[1-2]。絲膠在紡織過程中對蠶絲織物起到保護作用，但只有去除大部分絲膠，蠶絲織物才能顯現出其優(yōu)異的性能。

目前，傳統(tǒng)的蠶絲脫膠精練方法有堿脫膠、皂堿脫膠和合成洗滌劑脫膠等[3]，但都存在一定的缺陷。隨著生物酶的發(fā)展，其表現出的高效性和專一性，在較低的溫度下便可達到較為理想的效果。同時生物酶具有易生物降解性，符合節(jié)能減排的發(fā)展趨勢。

1　理論部分

1.1棉織物與淀粉酶

1.1.1上漿的目的

在棉纖維織造過程中，由于紗線受到較大的摩擦力以及張力，易發(fā)生纖維斷裂。因此為提高坯布質量，在織造前需要對經紗進行上漿處理，使紗線中的纖維黏著抱合起來，并在紗線表面形成一層牢度的漿膜，使紗線變得緊密和光滑，從而提高紗線的斷裂強力和耐磨擦性。

1.1.2漿料的種類

目前主要采用以淀粉、變性淀粉為主，并視織物經紗密度的不同，配以不同種類或不同比例的聚乙烯醇(PVA)漿料和其它輔助漿料如聚丙烯酸(PAA)等對織物的經紗進行上漿。

1.1.3淀粉酶退漿機理[4]

淀粉酶的種類較多，主要有α淀粉酶，它是以一種快速的“內切”方式作用于淀粉聚合物，其水解產物為α構型，屬細菌淀粉酶的一種；β淀粉酶是以一種“外切”的方式作用于淀粉聚合物的一端并逐段將麥芽糖切下；葡萄糖淀粉酶，也是一種以“外切”方式作用于淀粉1，4-甙鍵的水解反應;支鏈淀粉酶，是一種胱支酶，它水解支鏈淀粉分子的1，6甙鍵，常與其他的酶聯(lián)合使用。目前常用的淀粉酶為L40酶，是α耐高溫淀粉酶的一種，是枯草桿菌分泌出來的類似蛋白質的有機體，屬細菌淀粉酶。它能在較高溫度下對淀粉分子鏈中的α甙鍵起催化作用，而使淀粉糊化。

1.1.4堿退漿

堿退漿是目前最為常用的退漿方法。燒堿在適當的溫度下，可以使?jié){料發(fā)生溶脹，從凝膠狀態(tài)變?yōu)槿苣z狀態(tài)，與纖維的黏附變松，經機械作用，使得漿料易從織物上脫落下來。堿退漿對漿料沒有降解作用，因此隨著退漿過程的進行，漿槽中的漿料濃度將增大，出現漿料重新吸附到織物上而形成染色疵病。

1.1.5酶退漿的優(yōu)越性

酶退漿主要利用淀粉酶迅速切斷淀粉分子中的苷鍵，降低其分子量以及粘度，使得漿料可迅速洗除。由于酶制劑的高效高度專一，可以在溫和的條件下達到退漿的效果。同時漿料的去除所需的水量少，退漿率高，對纖維素纖維的損傷小。

1.2蠶絲及蛋白酶

1.2.1絲素與絲膠的區(qū)別[5]

絲素和絲膠雖然都由氨基酸組成，但因其結構有明顯的區(qū)別，因此在性質上也有很大不同。絲素分子由兩部分組成：排列整齊緊密的整列部分和排列松散的無定形部分。在整列部分，由于結構緊密，水分子不能進入其內，纖維不溶于水并對化學藥劑有一定的穩(wěn)定性，纖維具有一定的強度。在無定形區(qū)部分，由于結構疏松，支鏈中反應基團較多，在經化學處理時，化學藥劑容易進入。這一區(qū)域分子排列比較紊亂，使纖維具有彈性和伸長能力。絲膠分子表面分布著容易與水結合的基團( 親水性基團)，所以絲膠在水中容易溶解，它的存在使纖維的手感粗糙，處理時應將其大部分除去。

1.2.2蠶絲脫膠的原因

蠶絲中除了纖維的主體絲素外，還含有絲膠、脂蠟、色素、無機物和碳水化合物等天然雜質以及織造添加的浸漬助劑等人為雜質。這些雜質的存在不僅損失絲綢柔軟、光亮和潔白等優(yōu)良品質，而且還會使坯綢難以被水及染化料溶液潤濕而妨礙染色、印花和整理等后加工。因此蠶絲織物一般都要經過前處理。

1.2.3蛋白酶脫膠機理

由于絲膠本身含有較多的極性氨基酸以及其在水中的溶脹作用，使得蛋白酶對絲膠具有較大的水解能力。而絲素結晶度較高，同時分子間易內部穿插，使得蛋白酶在絲素分子上的作用點較少。對其水解作用較小。因而蛋白酶脫膠可達到脫膠效率高，對絲素的損傷小的效果。

1.2.4蠶絲酶脫膠的優(yōu)勢及其局限性[6]

與化學法相比，酶精練具有以下優(yōu)勢：①酶的專一性強。不同的酶其作用的底物不同，通過選用合適的蛋白酶脫膠，選用合適的脂肪酶選擇性地除油，且不影響絲的機械特性，處理后的纖維更光滑潔凈。②酶精練條件溫和。作為生物大分子，酶反應不需要高溫高壓、強酸強堿等條件，有利于節(jié)約能源。③酶精練環(huán)境污染少。精練時酶液可以循環(huán)使用，廢水排放少，且酶及其酶解產物易于生物降解，所產廢液易于處理。④酶精練易于控制。作為蛋白質分子，酶在一定條件下會失活，因此精練時通過控制酶的用量和反應條件可控制精練程度和產品質量，避免精練過度或不足。

酶脫膠的局限性，分析原因主要有以下幾點：①適用于蠶絲精練的酶品種較少。目前能用于蠶絲精練的蛋白酶品種主要有 2709 等少數品種，尚未發(fā)現適合蠶絲精練的脂肪酶，因此有待開發(fā)更多適合蠶絲精練的酶制劑。②酶精練成本高。與化學精練相比，酶精練的成本高，這主要是因酶制劑的價格高，今后應通過基因工程技術改造微生物和改進酶的生產工藝降低酶的價格。③酶作用條件的復雜性。酶的活性受多種因素影響，如纖維的結構、位點的可及性、處理條件等。針對不同的蠶絲或其織物，所用酶的種類、工藝、操作參數可能不同，對某一原料必須選擇相應的酶，采用適宜的精練工藝和條件才能達到較好的精練效果。

2　實驗

2.1實驗材料

純棉坯布、真絲坯布；淀粉酶，蛋白酶；其他試劑：滲透劑JFC、無水碳酸鈉、硅酸鈉、氫氧化鈉(均為分析純)。

實驗儀器：BS110S電子天平(北京多利斯天平有限公司)，HHS-24電子恒溫振蕩水浴鍋(上海東星建材實驗設備有限公司)，HS高溫電腦程控染色機(江蘇南通宏大儀器廠),，WHL-25A電熱恒溫干燥箱(天津市泰斯特儀器公司有限公司)，HD026N 型電子織物強力儀(江蘇南通宏大儀器廠)，X-Rite Colori7 分光測色儀(上海嘉恩科技有限公司)。

2.2棉織物退漿工藝

工藝流程：退漿處理→熱水洗→冷水洗→效果測試。

2.2.1傳統(tǒng)堿退漿工藝

NaOH 10g/L，滲透劑JFC2g/L，浴比：30:1，沸煮60min。

2.2.2酶退漿工藝

淀粉酶1g/L，Na2SiO31g/L，Na2CO31g/L，pH：9-10，滲透劑JFC1g/L，浴比：30:1，55℃保溫處理40min。

2.3真絲脫膠工藝

工藝過程：預處理→脫膠處理→熱水洗→冷水洗→烘干→效果測試。

2.3.1傳統(tǒng)堿脫膠工藝

預處理工藝：Na2CO31g/L，pH：9-10，浴比：30∶1。

堿練工藝：Na2CO30.5g/L，NaHCO30.5g/L，pH：9-10，滲透劑JFC1g/L，浴比：30∶1，95℃處理50min。

2.3.2蛋白酶脫膠工藝

預處理工藝：Na2SiO31g/L，Na2CO31g/L，pH：9-10，滲透劑JFC1g/L，浴比：30:1。

酶練工藝：蛋白酶1g/L，Na2CO31g/L，pH：10，50℃處理40min。

2.4測試方法

2.4.1斷裂強力

使用 HD026N 電子織物強力儀，根據GB/T3923.1-1997《紡織品 織物斷裂強力和斷裂伸長率的測定條樣法》進行測定。

2.4.2白度測試

使用 X-Rite Colori7 分光測色儀，根據 GB/T8424.2—2001《紡織品色牢度試驗相對白度的儀器評定方法》，將待測織物折疊成4層，進行測試。測定4次取平均值。

2.4.3毛效測定

按照FZ/T 01071—2008《紡織品毛細效應試驗方法》測定。將烘干后的試樣在恒溫恒濕箱內平衡24h后，取25 cm×5 cm大小的布條，以重鉻酸鉀溶液作為測試液，測定30 min時重鉻酸鉀稀溶液沿織物上升的最低高度。平行實驗進行三次取平均值(cm/30 min)。

2.4.4脫膠率

以蠶絲織物脫膠前后的失重率作為脫膠率。

(1)

2.4.5失重率

稱取一定量待測織物，準確測定其處理前干重。另稱準確稱取處理后的棉織物干重，根據以下公式計算織物的失重率。

(2)

W1-織物處理前干重； W2-織物處理后干重。

3　結果與討論

3.1堿退漿與酶退漿效果

分別按照2.2.1與2.2.2工藝對棉坯布進行堿退漿和酶退漿，退漿后的織物與棉坯布分別測定其失重率、白度、毛效以及斷裂強度和斷裂伸長率，實驗結果表1所示。

從表1中可以看出，經酶退漿的織物退漿率、潤濕性以及白度均小于傳統(tǒng)堿退漿工藝，但差異不大。這是由于生物酶具有專一性，只對淀粉具有降解作用，而對合成漿料沒有降解作用，因而退漿率低；而在熱堿液中，天然漿料和合成漿料都會發(fā)生溶脹，從而從纖維上脫落下來。同時由表1也可以看出，經淀粉酶退漿的織物的斷裂強力要高于堿退漿，這是因為酶具有專一性，并且作用條件溫和，在降解淀粉漿料的同時，不與纖維素纖維發(fā)生作用，因此酶退漿后織物的強力保留率較高，織物手感柔軟，提高了織物的檔次，而堿退漿在高溫、空氣存在下，纖維素大分子上的輕基易被氧化為醛基、羧基，對堿敏感，引起聚合度下降，造成棉纖維脆損、強力下降。同時僅使淀粉漿料疏松膨化，沒有將其分解成小分子物質，且需耗用大量的水，若工藝控制不當，漿料會重新凝結聚集，沾污布面，形成漿斑等質量問題。此外，傳統(tǒng)堿退漿一般都是在高溫煮沸條件下進行，而酶退漿工藝溫度在50-60℃之間，因此酶退漿工藝可節(jié)約大量能源。

生物酶退漿主要利用淀粉酶對淀粉漿料的分解作用，快速切斷分子內苷鍵，降低分子量，從而降低退漿液的粘度，使得漿料能夠迅速洗除。因此漿料的去除較堿退漿而言，無需要劇烈的機械作用，耗水量較少，可以在溫和的條件下便可達到退漿的效果。同時經酶退漿后的織物，纖維損傷較小，手感、光澤都較好。

表1　退漿效果

3.2蠶絲的脫膠效果

采用不經過經預處理的單酶練脫膠工藝、傳統(tǒng)堿法脫膠工藝以及經預處理的脫膠工藝對蠶絲織物進行脫膠，測定脫膠后織物的脫膠率、白度、毛效等指標，其結果如表 2 所示。

從表2中可以看出，經過脫膠處理的織物，其潤濕性、白度、手感均有明顯的改善，這是因為未經脫膠處理的真絲表面存在大量絲膠，對潤濕性不利，同時纖維表面很粗糙，凹凸不平， 且沒有光澤。而經脫膠處理后的蠶絲表面的大部分絲膠已被去除，變得光滑平整，且有一定的光澤。

表2　不同工藝的脫膠效果

(a)坯綢(b)只經酶處理(c)只預處理

(d)預處理+酶精練(e)傳統(tǒng)皂堿脫膠

圖1經不同工藝脫膠后的效果

從表2也可看出，經蛋白酶脫膠的織物，其脫膠率、毛效和手感都優(yōu)于傳統(tǒng)堿法脫膠，只是白度稍差。此外，未進行預處理的單獨酶脫膠，織物的脫膠率、潤濕性以及白度都比傳統(tǒng)堿脫膠和經預處理酶脫膠的效果差。這主要是因為：蛋白酶脫膠的作用條件遠比皂堿法低，不利于絲膠的溶脹，不利于蛋白酶對絲膠的水解，因此在酶脫膠工藝中增加預處理步驟是非常必要的，蛋白酶脫膠前進行預處理，使絲膠膨潤、軟化，從而使酶容易發(fā)生作用，有利于提高酶脫膠的效果。同時，經酶脫膠的蠶絲織物柔軟度和光澤都較傳統(tǒng)堿脫膠效果好，這主要是因為蛋白酶的專一性，對絲素損傷較小，而堿法脫膠，條件劇烈，對絲素損傷嚴重。經蛋白酶脫膠后的織物，絲素表面光滑，而堿脫膠后的織物，纖維表面有不規(guī)則絨毛存在，使得光澤度下降。

4　結論

(1)棉織物酶退漿白度、毛效均低于傳統(tǒng)堿退漿工藝，纖維損傷小于堿退漿。

(2)與未經預處理而直接酶處理的蠶絲織物相比，預處理后織物上的脫膠率明顯增大，說明預處理在蠶絲織物的退漿工藝中是必不可少的一步。

(3)蠶絲酶脫膠的效果與傳統(tǒng)皂堿效果相當。

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1008-5580(2016)03-0085-04

2016-03-08

高俊(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織品染色理論及工藝研究。

王雪燕(1963-)，女，教授，碩士生導師。

TS193

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