基于角蛋白酶-蛋白酶協同增效的酶法羊毛防縮加工

2023-10-18 05:50:24駱堅城欒文輝余圓圓

毛紡科技 2023年9期

駱堅城,欒文輝,余圓圓 ,王平,王強

(1.生態紡織教育部重點實驗室(江南大學),江蘇無錫 214122;2.山東南山智尚科技股份有限公司,山東龍口 265700)

羊毛由于鱗片層結構的定向摩擦效應使其易出現氈縮現象。羊毛鱗片層結構由外向內依次為鱗片表層、鱗片外層和鱗片內層,其中鱗片表層由類脂物與蛋白質組成,疏水性強,含硫量較高;鱗片外層為厚實緊密的角質蛋白層,含硫量最高,結構穩定;鱗片內層為非角質蛋白,化學性質較活潑,易被化學試劑和蛋白酶等分解。上述結構中,含硫量較高的鱗片外層作為鱗片層的主體,對羊毛的氈縮性能影響較大[1]。

傳統化學法防縮整理是通過氯化、氧化和還原等處理對鱗片層中的二硫鍵進行破壞,處理過程中會對環境產生污染,也容易引起羊毛損傷和服用性能下降。生物酶法防縮是借助蛋白酶進行羊毛纖維鱗片水解或剝離,降低毛織物水洗中的氈縮現象,具有節能環保的生態優勢。目前,基于蛋白酶法進行羊毛防縮整理研究報道較多[2],但蛋白酶難以降解含硫量較高的鱗片外層,處理中極易發生基于“水解模式”的羊毛鱗片層間的羧甲基纖維素CMC組分和皮質蛋白結構破壞,造成較大的羊毛纖維損傷[2-4]。角蛋白酶是一種對角蛋白有特異性降解能力的酶類,研究認為角蛋白酶對含硫量較高的角蛋白有專一性,能催化角蛋白變性水解為多肽及游離氨基酸等[5]。Iglesias等[6]從不同菌株中分離羊毛角蛋白酶,對其性質進行研究并發現其對羊毛的防縮性能有所改善;Tu等[7]通過角蛋白酶和蛋白酶K對羊毛進行協同處理,發現其對鱗片層有明顯的降解作用;黃龐慧等[8]采用角質酶、角蛋白酶一浴法的方式處理羊毛織物,改善了織物的防縮性能且損傷較低,但處理時間較長。

本文采用商品化的角蛋白酶和諾維信公司Savinase蛋白酶進行二浴法處理羊毛織物,旨在先通過角蛋白酶對鱗片外層進行高效降解,在此基礎上再引入蛋白酶處理進一步均勻降解羊毛鱗片層,從而實現綠色高效的防氈縮整理。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

羊毛織物(面密度230 g/m2,市售羊毛華達呢白坯布);角蛋白酶B(100 000 U/g,江南大學);角蛋白酶S(10 000 U/g,江南大學);角蛋白酶Y(70 000 U/g,上海源葉生物科技有限公司);角蛋白酶W(24 000 U/g,天津科技大學);Savinase16L蛋白酶(20 000 U/g,諾維信公司);酪蛋白(上海阿拉丁生化科技股份有限公司);角蛋白(上海麥克林生化科技股份有限公司);其他試劑均為國產分析純。

1.2 實驗方法

1.2.1 角蛋白酶K/C值及還原性的測定

參照GB/T 23527—2009《蛋白酶制劑》,分別以角蛋白、酪蛋白為底物對酶活K、酶活C進行測定,二者的比值為角蛋白酶的K/C值,評價角蛋白酶對角蛋白的專一性;將50 μL Ellman試劑與2.5 mL磷酸鈉緩沖溶液混勻,加入50 μL酶液,混合均勻后在室溫放置15 min,以含Ellman試劑的緩沖液為空白樣,于波長412 nm處測定待測樣品的吸光度,通過L-半胱氨酸標準曲線計算其含量評價角蛋白酶對二硫鍵的還原能力。

1.2.2 角蛋白酶對羊毛鱗片層及羊毛纖維的降解率測定

取1 U角蛋白酶分別與10 mg羊毛鱗片層和羊毛纖維在1 mL (Tris-HCl三(羥甲基)氨基甲烷-鹽酸)緩沖液中反應30 min(50 ℃、pH值為9),加入三氯乙酸終止反應,8 000 r/min 離心處理10 min后取上清液,在275 nm處測量酶降解羊毛鱗片吸光度A1及酶降解羊毛纖維吸光度A2。參照吸光度與芳香氨基酸的濃度的標準曲線,按式(1)(2)計算角蛋白酶處理后鱗片降解率和纖維降解率。

(1)

(2)

式中:P1為鱗片層降解率,%;A1為酶解鱗片層殘液的吸光度;V1為酶解鱗片層的反應體積,mL;P2為纖維降解率,%;A2為酶解纖維殘液的吸光度;V2為酶解纖維的反應體積,mL。

1.2.3 羊毛織物的酶處理工藝

蛋白酶處理工藝(工藝1):羊毛織物經50 ℃熱水浴處理10 min后,以0.5 g/L Savinase16L蛋白酶在50 ℃、pH值為8的條件下處理90 min,浴比為1∶20,處理后試樣在90 ℃滅活5 min后洗凈烘干。

角蛋白酶處理工藝(工藝2):羊毛織物經60 ℃熱水浴處理10 min后,以20 U/g角蛋白酶在60 ℃,pH值為9的條件下處理90 min,浴比為1∶20,處理后試樣在90 ℃滅活5 min后洗凈烘干。

角蛋白酶-蛋白酶一浴法工藝(工藝3):羊毛織物經60 ℃熱水浴處理10 min后,以用量為20 U/(g織物)的角蛋白酶及0.5 g/L Savinase16L蛋白酶在50 ℃、pH值為8的條件下處理90 min,浴比為1∶20,處理后試樣在90 ℃滅活5 min后洗凈烘干。

角蛋白酶-蛋白酶二浴法工藝(工藝4):羊毛織物經60 ℃熱水浴處理10 min后,先以用量為20 U/(g織物)的角蛋白酶在60 ℃、pH值為9的條件下處理30 min,浴比為1∶20,高溫滅活后洗凈;隨后采用0.5 g/L Savinase16L蛋白酶在50 ℃、pH值為8的條件下處理60 min,浴比為1∶20,處理后試樣在90 ℃滅活5 min后洗凈烘干。

1.3 性能測試

1.3.1 羊毛織物的氈縮率測定

參照GB/T 8628—2013《紡織品測定尺寸變化的試驗中織物試樣和服裝的準備標記及測量》,選用 Y(B)089A 全自動縮水率試驗機(溫州大榮紡織儀器有限公司)洗滌羊毛織物,結果取3次測試的平均值。

1.3.2 羊毛織物的斷裂強力測定

參照 GB/T 3923.1—2013《紡織品織物拉伸性能第1部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》,選用測定羊毛織物斷裂強力,每組試樣測試3次,取平均值。

1.3.3 阿爾瓦登效應與潤濕性能測試

取若干根羊毛纖維置于載玻片,滴加2滴飽和溴水,加蓋玻片并反應2 min后置于光學顯微鏡下觀察纖維反應圖像;使用 JC2000D4 接觸角測試儀(上海中晨公司),記錄試樣滴加20 μL去離子水后的潤濕時間及圖像。

1.3.4 纖維表面形貌與表面元素分析

試樣噴金后以掃描電子顯微鏡SU1510 (日本Hitachi公司)觀察其表面形態;通過EX-250能量色散光譜分析儀(日本Horiba公司)記錄樣品表面的C、N、O和S 元素含量和分布。

1.3.5 著色法觀察羊毛酶解程度

將試樣置于冷凍包埋劑上冷凍,隨后將冷凍試樣用CM1950冰凍切片機(德國Leica公司)切成 10 μm 薄片,置于載玻片,滴加3 滴質量分數 0.005%的亞甲基藍溶液到羊毛纖維上,反應1 min后置于光學顯微鏡下觀察亞甲基藍溶液在纖維中的染色強度及分布。

1.3.6 羊毛織物的染色性能測試

采用1%(owf)酸性普拉紅在pH 值4.5、溫度分別為80和98℃的條件下對羊毛織物進行染色,浴比1∶50。染后測定殘液吸光度值,計算上染百分率;試樣洗凈烘干后使用Datacolor 850測色儀 (美國Datacolor公司)在10°視場、D65光源條件下測量試樣K/S值。

1.3.7 羊毛織物服用性能測試

參照 GB/T 4802.1—2008《紡織品織物起毛起球性能的測定第1部分:圓軌跡法》,采用圓軌跡法測定酶處理前后羊毛織物的起毛起球性能;參照GB/T 17644—2008《紡織纖維白度色度試驗方法》,使用WSB-3A智能式數字白度儀(北京京儀康光公司)在10°視場、D65光源上測量試樣白度;采用豐寶儀(美國Nu Cybertek公司)測試織物風格手感。

2 結果與討論

2.1 不同角蛋白酶的K/C值及還原能力對比

K/C值能夠反應角蛋白酶對角蛋白的降解能力,K/C值越大,對角蛋白的降解能力越強;具有還原能力的角蛋白酶可使Ellman試劑(DTNB)中的二硫鍵斷裂,從而產生2-硝基-5-硫代苯甲酸(NTB2-),并在412 nm處出現吸收峰,因此可通過Ellman試劑檢測角蛋白酶的還原能力。實驗測定了4種不同角蛋白酶(角蛋白酶Y、B、W、S)的K/C值、還原性和對羊毛鱗片層及纖維中部分氨基酸的降解能力,結果如圖1所示。

圖1 不同商品角蛋白酶(Y、B、W、S)的K/C值、還原性及降解能力Fig.1 K/C value,reducibility and degradation ability of of different commercial keratinases (Y, B, W, S).(a) K/C values and reducibility of different keratinases;(b) Degradation ability of different keratinases on scale layer and fiber

從圖1(a)可看出,相對于其他3種角蛋白酶,角蛋白酶B的K/C值最高,說明其酶活性和降解角蛋白的能力最強,可以對富含角蛋白的鱗片層進行有效降解;4種角蛋白酶均有一定的還原能力,能夠對二硫鍵產生破壞作用,其中角蛋白酶B的還原能力最強。從圖1(b)發現角蛋白酶B對羊毛鱗片層和纖維的降解能力也最強,對羊毛鱗片層和纖維部分氨基酸的降解率可達73.3%和6.9%。相對于降解提取的鱗片層,角蛋白酶更難降解未經處理的羊毛纖維,這是由于角蛋白酶水解羊毛纖維需要依次通過類脂層、鱗片外層等組分,其與底物可及度有限。綜上可見,角蛋白酶B的K/C值及對羊毛纖維的降解能力較高,可作為優選角蛋白酶用于后續羊毛防縮整理。

2.2 不同酶處理工藝對羊毛氈縮率及斷裂強力的影響

氈縮率和斷裂強力能直觀表現酶法防氈縮的作用效果,氈縮率越低則防氈縮性越好,斷裂強力越大則纖維損傷程度越小。采用角蛋白酶B與蛋白酶Savinase16L對羊毛織物進行不同工藝處理,對處理后織物的氈縮率和斷裂強力進行測試,結果見圖2。從圖2(a)可知,未處理織物的氈縮率為22.6%,蛋白酶(工藝1)和角蛋白酶(工藝2)處理后織物的氈縮率明顯下降,分別為10.5%與9.8%。經角蛋白酶-蛋白酶一浴法(工藝3)處理后的氈縮率為9.5%,與角蛋白酶處理后的氈縮率接近,表明一浴法處理時蛋白酶可能由于位阻效應或同浴長時間處理中酶活下降等原因并未產生協同作用。角蛋白酶-蛋白酶二浴法(工藝4)處理時,先通過角蛋白酶對高含硫的鱗片外層進行降解,松解了鱗片外層的致密結構,促進了蛋白酶對鱗片內層蛋白結構的高效水解,獲得了較低的氈縮率和較高的強力保留率。相比于工藝1,工藝4具有更好的防縮效果,后續將主要對該法進行機制探究及性能測試。由圖2(b)可看出,在工藝4中,隨著角蛋白酶用量提升,羊毛鱗片層被逐漸酶解,織物氈縮率和強力呈持續下降的趨勢。因此,采用20 U/(g織物)的角蛋白酶進行二浴法防縮整理,該用量下織物的氈縮率達5.3%,斷裂強力為412 N,滿足國際羊毛局產品標準 W1(“可機洗”類產品面積尺寸變化率不大于 6%)要求。

圖2 不同工藝條件對氈縮率及斷裂強力的影響Fig.2 Effect of different process conditions on shrinkage percentage and breaking strength.(a) Effect of different treatment processes on felt shrinkage and breaking strength;(b) Effect of keratinase dosage on felt shrinkage and fracture strength in treatment 4

2.3 角蛋白酶-蛋白酶協同處理后羊毛表面的阿爾瓦登效應及親水性

阿爾瓦登效應是溴水氧化羊毛鱗片層的二硫鍵,使鱗片層內外產生滲透壓形成囊泡的一種現象,因此可以由表面形成囊泡的大小和數量來判斷羊毛鱗片層完整程度?？疾觳煌嚇拥谋砻姘柾叩切?結果見圖3。從圖3可以看到,未處理的羊毛纖維表面鱗片層完整,布滿了大且密的囊泡;經蛋白酶處理后,纖維表面囊泡明顯變小,鱗片層受到了一定程度的破壞;經角蛋白酶處理后,纖維表面囊泡基本消失,并能看到部分破壞后翹起的鱗片,表明角蛋白酶對鱗片層的破壞程度加深;經角蛋白酶-蛋白酶二浴法(工藝4)處理后纖維表面的囊泡消失且表面相對更加平整,驗證了角蛋白酶和蛋白酶協同處理對鱗片層破壞的增效作用。

圖3 不同酶處理工藝后羊毛的阿爾瓦登效應圖像Fig.3 Images of the Allw?rden effect of untreated(a),treatment 1(b),treatment 2(c) and treatment 4(d)wool

羊毛鱗片層外覆蓋著疏水性類脂層結構,通過織物的潤濕性能表征羊毛類脂層與鱗片結構的破壞程度,測試結果見表1。未處理的羊毛織物因存在類脂層結構,表面幾乎不潤濕;經蛋白酶或者角蛋白酶處理后織物的潤濕性能得到了改善,而經角蛋白酶-蛋白酶二浴法處理后的潤濕性得到顯著提升,這與上述阿爾瓦登效應所示結果一致,驗證了復合酶二浴法處理可有效破壞鱗片層,提高纖維潤濕性。

表1 不同酶處理工藝對羊毛織物潤濕性能的影響Tab.1 Effect of different treatment on the wetting properties of wool

2.4 角蛋白酶-蛋白酶二浴法處理對羊毛表面形貌及元素組成的影響

采用SEM觀察了酶處理后羊毛的表面形貌變化,結果見圖4?？梢娊浀鞍酌柑幚砗?鱗片層受到一定的破壞,有較多未完全脫離的的鱗片殘渣附著于纖維表面;經角蛋白酶處理后,鱗片降解程度增加,表面附著物少;經角蛋白酶-蛋白酶二浴法處理纖維的鱗片受到較均勻的破壞,表面呈磨砂狀,相對更加平整,說明二浴法能組合應用2種蛋白降解酶的特性,實現高效均勻地降解鱗片層而對纖維內皮質層結構破壞較少。從SEM圖像上觀察到了酶處理后纖維表面的形貌明顯發生了改變,這同時也說明酶處理后表面的元素和構成可能都發生了變化。

圖4 不同酶處理工藝后羊毛纖維的SEM照片Fig.4 SEM images of wool fibres of untreated (a),treatment 1(b),treatment 2(c) and treatment 4(d)wool

通過EDS對羊毛表面的C、N、O、S含量進行了測試,結果如表2所示。不同試樣的C、N、O的含量變化較小,S元素的變化則較明顯。與未處理羊毛纖維相比,酶處理后S含量明顯下降,角蛋白酶-蛋白酶二浴法處理后S含量變化最大(下降47.5%)。羊毛纖維鱗片表層與鱗片外層中富含硫元素,酶處理對羊毛鱗片層具有明顯的降解作用。與此同時,角蛋白酶處理樣品的硫元素下降更明顯,驗證了角蛋白酶對富含二硫鍵鱗片角蛋白結構的酶解和去除效果。

表2 不同酶處理工藝后織物的表面元素分析Tab.2 Surface elemental analysis of fabrics after different treatment

2.5 羊毛的酶解深度及染色性能評價

羊毛中酰胺鍵酶解后會產生負電性羧基,易與亞甲基藍等陽離子染料形成離子鍵合,通過纖維截面中染料的分布和深度來判斷酶解程度。實驗測試了不同條件下處理后束纖維的截面圖像,結果見圖5。

圖5 不同酶處理工藝對羊毛纖維的酶解程度Fig.5 Degree of enzymatic digestion of untreated (a),treatment 1(b),treatment 2(c) and treatment 4(d)wool

未處理羊毛纖維截面不呈現藍色,表明其未被酶解破壞;蛋白酶處理后的羊毛截面整體呈現深藍色,說明該酶處理作用深度已達羊毛內部(易造成纖維內部皮質層結構水解)。經角蛋白酶處理后,截面邊緣和部分位置呈現深藍色,說明其酶作用更集中于鱗片層;角蛋白酶-蛋白酶二浴法處理后,截面中藍色大都出現在外層部位,顏色變淺,表明角蛋白酶和蛋白酶復合處理能實現纖維鱗片層由表及里的酶解加工。

采用酸性普拉紅對不同酶處理工藝的織物進行染色,考察其染色性能變化,結果見圖6。

圖6 不同酶處理工藝對羊毛織物染色性能的影響Fig.6 Effect of different treatment on the dyeing performance of wool fabrics.(a) Low temperature dyeing rate curves of different specimens;(b) High temperature dyeing rate curves of different specimens;(c)Comparison of the dyeing rate of different specimens at 60 min;(d) Comparison of K/S values of different specimens stained for 60 min

圖6(a)(b)分別為低溫(80 ℃)和高溫(98 ℃)上染織物的上染速率曲線,結果表明酶處理均可以有效提高織物的上染速率,且低溫染色時效果更明顯;圖6(c)表明酶處理后織物的上染百分率也得到了明顯提升,經角蛋白酶-蛋白酶二浴法處理后使織物的低溫上染百分率和高溫上染百分率分別由40.0%和63.6%提升到68.6%和69.9%,通過該處理工藝,在低溫狀態下就可以達到普通織物在高溫上染時的上染百分率。圖6(d)中低溫染色下織物K/S值變化也與上染百分率的變化規律基本一致,高溫二浴法處理織物的K/S值略有下降,這可能與試樣染色后水洗中掉色略多有關。

2.6 角蛋白酶-蛋白酶二浴法處理對羊毛服用性能的影響

實驗考察了不同酶處理織物的起毛起球性、白度、相對手感等服用性能,結果如表3所示。未處理的羊毛織物經測試后表面起毛起球現象嚴重,而經過酶處理后織物的起毛起球現象得到改善,特別是經過角蛋白酶-蛋白酶二活法處理后的織物,起毛起球等級可以達到4.5級,具有較好的抗起毛起球能力。這是由于酶處理對羊毛的鱗片層產生了破壞,使表面的摩擦因數下降,表面更加平滑,毛羽間的相對滑移減少,抗起毛起球性能得到提升;同時從表3中也能看出,酶處理后織物的白度及相對手感值均略有上升,說明酶處理并不會對織物產生嚴重破壞而不會對原有的服用性能產生不良影響。