紡織精煉酶對蠶絲脫膠工藝條件優化及性能影響

馬忻狄 黃元元 全軍 梁紅嫻 劉云鶴 藍平 藍麗紅

摘要：為提高蠶繭脫膠率和蠶絲性能，實現綠色環保的蠶繭脫膠工藝，可對蠶繭進行酶法脫膠。文章采用堿性蛋白酶（NP-TEE）和紡織精煉酶（AP-TRE）對蠶繭進行脫膠處理，以脫膠率、單纖維拉伸斷裂強力及白度作為考察蠶絲性能的指標，并通過正交試驗確定蠶繭酶脫膠法的最佳工藝。試驗結果表明：兩種酶脫膠工藝對蠶繭脫膠效果均有影響，用紡織精煉酶法脫膠后的蠶絲性能與堿性蛋白酶法脫膠相比更好。紡織精煉酶對蠶繭的最佳脫膠工藝條件為酶解溫度55 ℃、酶解時間60 min、酶體積濃度5 mL/L，得到蠶繭脫膠率17.07%，單根蠶絲纖維平均斷裂強力12.20 cN/dtex，白度（66.04）高于原蠶繭（58.78）；紅外光譜表明，采用紡織精煉酶法脫膠后的蠶繭與原蠶繭結構無明顯差異；掃描電鏡下觀察到與原蠶絲相比，紡織精煉酶脫膠后蠶絲表面更加光滑平整；熱重分析顯示，紡織精煉酶脫膠后蠶絲的熱穩定性無明顯變化。

關鍵詞：蠶繭；蠶絲；紡織精煉酶；堿性蛋白酶；脫膠

中圖分類號：TS143.2；S886.7

文獻標志碼：A

文章編號：10017003（2024）02004407

DOI：10.3969/j.issn.1001-7003.2024.02.005

收稿日期：20230316;

修回日期：20231216

基金項目：廣西壯族自治區區級大學生創新訓練項目（202010608087）

作者簡介：馬忻狄（1997），女，碩士研究生，研究方向為生物化工。通信作者：藍麗紅，教授，lanlihong2004@163.com。

蠶絲作為一種天然蛋白質纖維，具有觸感柔和、色澤光鮮等特點。蠶絲纖維的主體為70%～80%的絲素，外層包裹20%～30%的絲膠對絲素起到保護作用，但絲膠存在過多會影響蠶絲的光澤度與柔軟度，不利于蠶絲制品的加工生產，所以蠶絲脫膠十分必要。目前蠶絲的脫膠方法主要有堿脫膠、皂脫膠、酸脫膠和酶脫膠法等。其中堿法脫膠后蠶絲白度好，但手感粗糙、力學性能差；皂脫膠后蠶絲力學性能好，但脫膠過程耗費時間長，且處理后的蠶絲易泛黃；酸脫膠成本較高，脫膠后蠶絲上殘留的化學物質有刺激氣味，影響蠶絲品質；酶脫膠法利用酶的生物學特性，使肽鍵水解斷裂成氨基酸和多肽溶解在溶液中被除去，從而達到脫膠效果，過程中無須添加其他化學助劑，處理后的蠶絲絲質好，有利于脫膠廢水中蠶絲蛋白的回收利用，達到節省資源、綠色環保的目的。

近年來，已研發出中性蛋白酶、堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶等蠶繭的酶脫膠工藝。魏子凱等采用堿性蛋白酶對木薯蠶繭進行脫膠處理，蠶絲脫膠效果明顯，且脫膠后蠶絲表面平滑，力學性能與傳統減法脫膠相比更好。譚曉慧分別采用風味蛋白酶、菠蘿蛋白酶、酸性蛋白酶、復合蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶和堿性蛋白酶對蠶繭進行脫膠處理，結果表明采用酶法脫膠的脫膠廢水中的蠶絲蛋白與堿法脫膠相比更易回收利用，但酶法的脫膠率要略低于堿法的脫膠率。采用酶制劑對蠶繭進行脫膠的原理主要是利用酶的生物特性，蠶絲蛋白經過蛋白酶水解，肽鍵斷裂，形成生物活性肽。因此，生物酶制劑（蛋白酶類）已越來越多地替代其他化學精煉劑應用于蠶絲的精煉加工，是一個富有前景的研究領域。

本文所用的紡織精煉酶是采用優良菌株經液體發酵混合精制而成的一種含有角蛋白酶、絲蛋白酶和堿性蛋白酶的復合蛋白酶，專為蠶絲絲綿脫膠工藝定制的生物酶制劑，具有無毒、作用條件溫和、催化效率高、易降解、專一性強等優點。本文從探究蠶繭的酶法脫膠最佳工藝條件出發，對酶法脫膠后蠶絲的形態、力學性質、白度、結構特征和熱穩定性進行表征，研究酶脫膠法在蠶繭脫膠中的優缺點。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 試 劑

分析純無水碳酸鈉、亞硫酸氫鈉、溴化鉀（KBr）、食品級酶活力為20 Wu/g的堿性蛋白酶（NP-TEE）和酶活力為

20 Wu/g的紡織精煉酶（AP-TRE）（南寧雄普生物科技有限公司）；工業級白色干蠶繭（鹿寨縣貴盛繭絲工貿有限公司）。

1.1.2 儀器

QL2241-18CN型電子天平（賽多利斯科學儀器有限公司），PHSJ-3F型酸度計（上海雷磁儀器廠），DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（上海力辰邦西儀器科技有限公司），HD012+電子復絲強力儀（南通宏大實驗儀器有限公司），Nicolet is10型傅里葉變換紅外光譜儀（美國賽默飛世爾科技公司），SUPRA55 Sapphire型場發射掃描電子顯微鏡（德國卡爾蔡司公司），HP-WSB-3Y型白度儀（濟南恒品機電技術有限公司），TG209-F3型熱重分析儀（德國NETZSCH公司），DZF-6020A型真空干燥箱（上海力辰儀器科技公司有限）。

1.2 試驗方法

1.2.1 酶脫膠方法

取5 g蠶繭，加入到質量比為1∶1的亞硫酸氫鈉與碳酸鈉（用量為蠶繭用量的1%）混合溶液，采用碳酸鈉和碳酸氫鈉調節酶液pH值至10，保持浴比25∶1、溫度80 ℃條件下，處理30 min，使絲膠蛋白膨潤軟化；將軟化后的蠶繭取出，加入到酶液中對蠶繭進行脫膠處理；脫膠后的蠶繭用40 ℃蒸餾水洗滌3次，放入60 ℃真空干燥箱中烘干至恒重后取出，冷卻至室溫并稱重。

1.2.2 正交試驗設計

單一酶影響蠶繭脫膠率的三個主要因素為酶質量濃度、酶解時間和酶解溫度。設計3因素3水平正交試驗，包含9個水平組合，以脫膠率為指標探究單一酶在蠶繭脫膠過程中的最佳工藝條件。

1.3 測試方法

1.3.1 脫膠率計算

取脫膠后的蠶繭置于真空干燥箱中，60 ℃下干燥至恒重，取出后冷卻至室溫，稱重計算脫膠率（R）。計算公式如下：

式中：m為蠶繭原干質量；m為脫膠后蠶繭干質量。

1.3.2 力學性能測試

蠶絲的力學性質采用HD012+電子復絲強力儀進行測試。測試條件：蠶絲初始長度10 mm，拉伸速度200 mm/min，相對濕度65%，預加張力0.1 cN。采用定速拉伸方式在室溫環境下每組樣品測試3次。

1.3.3 紅外光譜測定

取原蠶繭、堿性蛋白酶和紡織精煉酶脫膠后的3種蠶絲樣品，用切片器切成粉末，用KBr壓片制樣，放入Nicolet is 10型傅里葉變換紅外光譜儀中測定，測定條件：掃描范圍500～4 000 cm，掃描次數64次，分辨率4 cm。每種樣品重復測定3次，對比結果。

1.3.4 蠶絲形態觀測

采用SUPRA55 Sapphire型場發射掃描電子顯微鏡對脫膠前后的蠶絲表面形態進行觀測，取每種干燥后的蠶絲500 mg，切成5 mm長固定于導電膠，噴鉑后放入掃面電子顯微鏡下觀察。

1.3.5 白度測定

將蠶絲樣品用切片器制成粉末狀樣品，然后壓制成結構致密表面平整的樣品，使用HP-WSB-3Y型白度儀進行白度測定。每種樣品連續測定3次，取平均值。

1.3.6 熱重分析

將蠶絲樣品切成粉末狀，樣品質量保持在20 mg左右，均勻分布在坩堝底部，采用TG209-F3型熱重分析儀進行測試。測試條件：N環境，升溫速率20 ℃/min，溫度35～850 ℃，載氣流速30 mL/min。在DTA/TG模式下，采用測試類型為“樣品+修正”，每種樣品測試3次。

2 結果與分析

2.1 堿性蛋白酶脫膠工藝條件

為了得到堿性蛋白酶對蠶繭進行脫膠的最佳工藝條件，本文以酶解溫度（A）、酶解時間（B）、酶質量濃度（C）（表1）做3因素3水平的正交試驗設計，試驗結果如表2所示。對脫膠結果采用極差分析法，研究了三種因素對蠶繭脫膠率的影響程度大小，得出了三種因素對蠶繭脫膠率的影響順序，結果如表3所示。

由表2中蠶繭脫膠率結果可知，3種因素在不同水平組合下，蠶繭的脫膠率有大幅度波動，最低脫膠率為10.6%，最大脫膠率為18.00%。

在極差分析法中，極差R代表某因素的水平發生變化會對整個試驗產生影響的顯著程度，R值越大，該因素對整個試驗的影響越顯著。表3中的試驗號I、II、III值是各因素的各水平脫膠率平均值，反映同因素的不同水平對試驗結果的影響大小，數值越大，則該水平條件下的試驗效果最優。通過表3中極差分析數據可以看出，R值最大的是時間因素，各個因素對蠶繭脫膠率影響大小依次為B＞A＞C，即酶解時間＞酶解溫度＞酶質量濃度。此試驗結果可得到一個較優的水解工藝ABC，即酶解時間60 min、酶質量濃度6 g/L、酶解溫度35℃。說明堿性蛋白酶可能由于作用時間的推移有逐漸失活傾向。因此時間（B）為主要影響因素，B條件下脫膠率平均值為15.00%。

2.2 紡織精煉酶脫膠工藝條件

為了得到紡織精煉酶對蠶繭的最佳水解工藝條件，本文以酶解溫度（A）、酶解時間（B）、酶體積濃度（C）為試驗因素，每個因素采用3個水平做正交試驗，其中正交試驗設計表如表4所示，試驗結果如表5所示。采用極差法對正交試驗結果進行分析，結果如表6所示。

經紡織精煉酶對蠶絲進行脫膠后，可以發現脫膠率受上述3種因素影響較大，在最低11.00%到最高17.60%范圍內波動。通過極差分析發現，酶解溫度對紡織精煉酶脫膠結果的影響最大，說明這種酶在使用過程中對溫度較為敏感。通過對比R值得出各個因素對蠶繭脫膠率影響的大小，依次為A＞C＞B，即酶解溫度＞酶體積濃度＞酶解時間。此試驗結果可得到一個較優的水解工藝ABC，即酶解時間60 min、酶體積濃度5 mL/L、酶解溫度55 ℃。說明紡織精煉酶在溫度為55 ℃時有較高的酶活性，此時溫度雖然高于堿性蛋白酶處理溫度，但仍然在可實施范圍內。以溫度為主要影響因素，選取平均脫膠率最大的一組，得到絲膠脫膠率為17.07%，與堿性蛋白酶相比增加了2.07%。在提高蠶繭脫膠率的同時將蠶絲脫膠率有效控制在20%以下，滿足脫膠要求并保護了內層絲素不受損害，有利于保證后續加工過程中蠶絲的質量。

2.3 繭絲表面形貌

將脫膠前后的蠶繭絲置于掃描電子顯微鏡下觀察，如圖1所示。由圖1可見，原蠶絲表面粗糙，絲膠包裹不均勻，有卷曲破損等痕跡，且除絲膠外，還有其他顆粒狀雜質在蠶絲纖維表面附著。經過脫膠處理的蠶絲表面均比原蠶繭平整光滑，雜質均有減少。采用堿性蛋白酶脫膠后，蠶絲表面的雜質幾乎全部清除，由于絲膠不均勻分布導致的表面不平滑也因絲膠的脫除而有所改善。傳統堿法脫膠后，蠶絲表面絲膠雖會被除去，但絲素也有破損情況，說明與傳統堿法相比，酶脫膠法是更加溫和的蠶繭脫膠方式，在去除絲膠和雜質的過程中對蠶絲纖維的傷害較小。

2.4 蠶絲機械性能

表7為脫膠前后蠶絲的機械性能和脫膠率。由表7可知，原蠶繭單根纖維拉伸斷裂強力為12.25 cN/dtex，通過酶法脫膠處理后，蠶絲單纖維拉伸斷裂強力有所下降，與堿性蛋白酶相比，紡織精煉酶效果最佳，為12.20 cN/dtex。這說明單一與復合酶制劑用于蠶繭脫膠，都基本保留了蠶絲原有的力學性能。與堿性蛋白酶相比，紡織精煉酶會使蠶繭脫膠率有所提高，但其不能對內層絲素造成影響，從而不會影響到蠶絲的拉伸性能。分析認為這是由于紡織精煉酶中堿性蛋白酶含量較少，對蠶絲內層含有的可被堿性蛋白酶專一水解的蛋白質傷害減弱導致。

2.5 白度測定

由表8中蠶繭白度變化趨勢可知，紡織精煉酶脫膠處理后蠶絲白度達到最大值66.04，與原蠶繭白度58.78相比有顯著提升。這是由于經過酶處理后，蠶繭表層的雜質與氧化物從蠶絲上成功脫除，但與堿性蛋白酶相比，白度相差不大，說明經兩種蛋白酶處理均能明顯提高蠶絲的白度。

2.6 脫膠前后蠶絲的紅外光譜圖

圖2為原蠶繭、堿性蛋白酶脫膠及紡織精煉酶脫膠后蠶絲樣品在600～1 800 cm的紅外光譜圖。

由圖2可見，未經處理蠶絲的紅外光譜特征峰為：無規則卷曲為1 646 cm（酰胺I），β-折疊為1 635 cm（酰胺I）、1 618 cm（酰胺I）、1 522 cm（酰胺II）、1 223 cm（酰胺III），α-螺旋為1 539 cm（酰胺II）、894 cm（酰胺II）。可見天然蠶絲以β-折疊為主要二級結構，同時含有少量的α-螺旋和無規則卷曲。經堿性蛋白酶處理后蠶絲在894 cm處的峰值減弱，位置未見偏移，仍屬于α-螺旋結構。經紡織精煉酶處理后的蠶絲紅外光譜圖與原蠶繭的基本一致。這說明經過兩種酶的脫膠處理，并未使蠶絲的化學結構發生明顯變化。

2.7 熱重分析

圖3為原蠶繭和兩種酶脫膠后蠶絲的熱性能曲線。

由圖3可知，3種蠶絲樣品的熱重分析曲線變化規律基本保持一致，隨溫度升高，其熱分解速率在起始（300～500℃）階段逐漸增大，隨后逐漸減小。開始失重時的溫度幾乎相同，其中經過紡織精煉酶處理后的蠶絲與原蠶絲熱穩定性更為接近。分析認為這是由于紡織精煉酶對雜質及外層絲膠作用較為強烈，但對內層絲膠并不會完全破壞，可以保留蠶絲主要結構，從而保證其原有的彈性性能。

3 結 論

蠶絲作為天然纖維之一，由于其絲滑柔和的觸感已被廣泛應用于各類絲織物品中，進而對于蠶絲表面的處理問題也成為行業關鍵話題。本文選用堿性蛋白酶和紡織精煉酶對蠶繭進行脫膠處理，并從蠶絲的脫膠率、表面形態、力學性能、白度、化學結構等方面探究脫膠后的蠶絲性能。首先采用正交試驗及方差分析對紡織精煉酶的最優脫膠工藝進行探究，認為在酶解時間60 min、酶體積濃度5 mL/L、酶解溫度55 ℃時，紡織精煉酶對蠶繭的脫膠處理達到一個較好的效果，此時蠶繭的脫膠率為17.07%。隨后對經過此次處理的蠶絲進行力學性能測試，發現原蠶繭單根纖維拉伸斷裂強力為12.25 cN/dtex，紡織精煉酶處理后為12.20 cN/dtex。這說明紡織精煉酶復合酶制劑用于蠶繭脫膠，基本保留了蠶絲原有的力學性能。采用掃描電子顯微鏡觀察了經過紡織精煉酶脫膠后蠶絲纖維表面狀態，可見其表面光滑平整，原蠶繭表面雜質幾乎被完全去除，形狀不規則的絲膠也被脫除。從紅外光譜測試及熱重分析結果來看，經過紡織精煉酶處理的蠶絲樣品與原蠶繭熱穩定性相比沒有明顯改變。

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Effects of textile refining enzymes on the process conditions and performance of silk degumming

MA Xindi， HUANG Yuanyuan， QUAN Jun， LIANG Hongxian， LIU Yunhe， LAN Ping， LAN Lihong

（1a.School of Chemistry and Chemical Engineering; 1b.Guangxi Key Laboratory of Polysaccharide Materials and Modification; 1c.Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of New Chemical and Biological Transformation Process Technology， Guangxi Minzu University， Nanning 530006， China; 2.Laibin Science and Technology Development Center， Laibin 546100， China）

Abstract：Silk， as a natural protein fiber， has a soft touch and bright color. The main body of silk fibers is fibroin， with a proportion of from 70% to 80%， and the outer layer is wrapped with sericin with a proportion of from 20% to 30%， which plays a protective role for the fibroin. Nevertheless， an excessive presence of sericin will affect the luster and softness of the silk， which is detrimental to the processing and production of silk products. Therefore， it is essential to perform degumming treatment on the silkworm cocoons.Traditional methods for degumming silk primarily include alkaline degumming， soap degumming， and acid degumming. However， these degumming methods commonly result in issues such as a rough texture， poor mechanical properties， susceptibility to yellowing， and the presence of residual chemical substances with irritating odors in the silk after degumming.

In recent years， a new type of silkworm cocoon degumming method—enzyme degumming， has been widely applied in the field of silk degumming due to its advantages such as environmental friendliness， non-toxicity， mild reaction conditions， high catalytic efficiency， easy degradation， and strong specificity.The use of enzyme preparations for the degumming of silkworm cocoons primarily relies on the biological characteristics of enzymes. Silk proteins undergo hydrolysis by proteolytic enzymes， causing the cleavage of peptide bonds and the formation of bioactive peptides.Therefore， biological enzyme preparations （proteases） have been increasingly used to replace other chemical refining agents in the refining and processing of silk. This represents a promising and prospective research area.

In this paper， alkaline protease （NP-TEE） and textile refining enzyme （AP-TRE） were used to degum silkworm cocoons. The degumming rate， single-fiber tensile breaking strength， and whiteness were used as the indexes to examine silk properties. An orthogonal test was conducted to determine the optimal process for the enzymatic degumming of cocoons. The experimental results show that the two enzyme degumming processes have an effect on the degumming effect of cocoons， and the performance of silk after degumming with textile refining enzyme is better compared with that of alkaline protease degumming. The optimal degumming process conditions of cocoons by textile refining enzyme are as follows： a degumming temperature of 55 ℃， a degumming time of 60 min， and an enzyme concentration of 5 mL/L. The degumming rate of cocoons is 17.07%， with an average breaking strength of single silk fiber of 12.20 cN/dtex， and whiteness of cocoons of 66.04% which is higher than the original cocoons of 58.78%.The infrared spectra show that there is no significant difference in the structure between cocoons treated with the textile refining enzyme method and the original silkworm cocoons. Under scanning electron microscopy， it is observed that the surface of silk fibers treated with textile refining enzyme appears smoother and more even compared to the original silk fibers. TGA analysis shows that there is no significant change in the thermal stability of silk fibers after degumming with textile refining enzymes. This approach provides a new choice for cocoon degumming process， and it will contribute to subsequent industrial production.

Key words：cocoon; silk; textile refining enzyme; alkaline protease; degumming