生物酶前处理应用

高　俊,王雪燕

(西安工程大学纺织与材料学院,陕西西安 710048)



生物酶前处理应用

高俊,王雪燕

(西安工程大学纺织与材料学院,陕西西安 710048)

研究了淀粉酶和蛋白酶在棉织物和真丝织物前处理的应用，比较了淀粉酶在棉织物退浆中的使用对棉织物退浆率、白度、毛效、以及断裂强力的影响；采用蛋白酶对蚕丝织物进行脱胶，同时为进一步提高蚕丝的脱胶效果，在酶精练前对织物进行了碱预处理。与传统高温高碱脱胶工艺效果相比，经蛋白酶处理的蚕丝织物，其织物的润湿性、脱胶率以及织物的手感均好于传统工艺，并且织物的纤维损伤明显降低，但织物的白度略低于传统工艺。

棉织物真丝织物淀粉酶蛋白酶脱胶退浆

0　前言

棉织物因其具有优异的吸湿透气、排汗的性能而深受广大消费者的喜爱，然而天然棉纤维本身的伴生物以及织造过程的助剂等，影响其润湿性以及后续的染色等加工工艺，因此必须对棉织物进行精练。传统前处理工艺一般采用高温高碱的条件，处理时间较长，能耗大，同时纤维损伤严重。

蚕丝织物具有飘逸、滑爽的质感，而作为高档纤维使用。蚕丝中丝素约占 75%，丝胶约占25%[1-2]。丝胶在纺织过程中对蚕丝织物起到保护作用，但只有去除大部分丝胶，蚕丝织物才能显现出其优异的性能。

目前，传统的蚕丝脱胶精练方法有碱脱胶、皂碱脱胶和合成洗涤剂脱胶等[3]，但都存在一定的缺陷。随着生物酶的发展，其表现出的高效性和专一性，在较低的温度下便可达到较为理想的效果。同时生物酶具有易生物降解性，符合节能减排的发展趋势。

1　理论部分

1.1棉织物与淀粉酶

1.1.1上浆的目的

在棉纤维织造过程中，由于纱线受到较大的摩擦力以及张力，易发生纤维断裂。因此为提高坯布质量，在织造前需要对经纱进行上浆处理，使纱线中的纤维黏着抱合起来，并在纱线表面形成一层牢度的浆膜，使纱线变得紧密和光滑，从而提高纱线的断裂强力和耐磨擦性。

1.1.2浆料的种类

目前主要采用以淀粉、变性淀粉为主，并视织物经纱密度的不同，配以不同种类或不同比例的聚乙烯醇(PVA)浆料和其它辅助浆料如聚丙烯酸(PAA)等对织物的经纱进行上浆。

1.1.3淀粉酶退浆机理[4]

淀粉酶的种类较多，主要有α淀粉酶，它是以一种快速的“内切”方式作用于淀粉聚合物，其水解产物为α构型，属细菌淀粉酶的一种；β淀粉酶是以一种“外切”的方式作用于淀粉聚合物的一端并逐段将麦芽糖切下；葡萄糖淀粉酶，也是一种以“外切”方式作用于淀粉1，4-甙键的水解反应;支链淀粉酶，是一种胱支酶，它水解支链淀粉分子的1，6甙键，常与其他的酶联合使用。目前常用的淀粉酶为L40酶，是α耐高温淀粉酶的一种，是枯草杆菌分泌出来的类似蛋白质的有机体，属细菌淀粉酶。它能在较高温度下对淀粉分子链中的α甙键起催化作用，而使淀粉糊化。

1.1.4碱退浆

碱退浆是目前最为常用的退浆方法。烧碱在适当的温度下，可以使浆料发生溶胀，从凝胶状态变为溶胶状态，与纤维的黏附变松，经机械作用，使得浆料易从织物上脱落下来。碱退浆对浆料没有降解作用，因此随着退浆过程的进行，浆槽中的浆料浓度将增大，出现浆料重新吸附到织物上而形成染色疵病。

1.1.5酶退浆的优越性

酶退浆主要利用淀粉酶迅速切断淀粉分子中的苷键，降低其分子量以及粘度，使得浆料可迅速洗除。由于酶制剂的高效高度专一，可以在温和的条件下达到退浆的效果。同时浆料的去除所需的水量少，退浆率高，对纤维素纤维的损伤小。

1.2蚕丝及蛋白酶

1.2.1丝素与丝胶的区别[5]

丝素和丝胶虽然都由氨基酸组成，但因其结构有明显的区别，因此在性质上也有很大不同。丝素分子由两部分组成：排列整齐紧密的整列部分和排列松散的无定形部分。在整列部分，由于结构紧密，水分子不能进入其内，纤维不溶于水并对化学药剂有一定的稳定性，纤维具有一定的强度。在无定形区部分，由于结构疏松，支链中反应基团较多，在经化学处理时，化学药剂容易进入。这一区域分子排列比较紊乱，使纤维具有弹性和伸长能力。丝胶分子表面分布着容易与水结合的基团( 亲水性基团)，所以丝胶在水中容易溶解，它的存在使纤维的手感粗糙，处理时应将其大部分除去。

1.2.2蚕丝脱胶的原因

蚕丝中除了纤维的主体丝素外，还含有丝胶、脂蜡、色素、无机物和碳水化合物等天然杂质以及织造添加的浸渍助剂等人为杂质。这些杂质的存在不仅损失丝绸柔软、光亮和洁白等优良品质，而且还会使坯绸难以被水及染化料溶液润湿而妨碍染色、印花和整理等后加工。因此蚕丝织物一般都要经过前处理。

1.2.3蛋白酶脱胶机理

由于丝胶本身含有较多的极性氨基酸以及其在水中的溶胀作用，使得蛋白酶对丝胶具有较大的水解能力。而丝素结晶度较高，同时分子间易内部穿插，使得蛋白酶在丝素分子上的作用点较少。对其水解作用较小。因而蛋白酶脱胶可达到脱胶效率高，对丝素的损伤小的效果。

1.2.4蚕丝酶脱胶的优势及其局限性[6]

与化学法相比，酶精练具有以下优势：①酶的专一性强。不同的酶其作用的底物不同，通过选用合适的蛋白酶脱胶，选用合适的脂肪酶选择性地除油，且不影响丝的机械特性，处理后的纤维更光滑洁净。②酶精练条件温和。作为生物大分子，酶反应不需要高温高压、强酸强碱等条件，有利于节约能源。③酶精练环境污染少。精练时酶液可以循环使用，废水排放少，且酶及其酶解产物易于生物降解，所产废液易于处理。④酶精练易于控制。作为蛋白质分子，酶在一定条件下会失活，因此精练时通过控制酶的用量和反应条件可控制精练程度和产品质量，避免精练过度或不足。

酶脱胶的局限性，分析原因主要有以下几点：①适用于蚕丝精练的酶品种较少。目前能用于蚕丝精练的蛋白酶品种主要有 2709 等少数品种，尚未发现适合蚕丝精练的脂肪酶，因此有待开发更多适合蚕丝精练的酶制剂。②酶精练成本高。与化学精练相比，酶精练的成本高，这主要是因酶制剂的价格高，今后应通过基因工程技术改造微生物和改进酶的生产工艺降低酶的价格。③酶作用条件的复杂性。酶的活性受多种因素影响，如纤维的结构、位点的可及性、处理条件等。针对不同的蚕丝或其织物，所用酶的种类、工艺、操作参数可能不同，对某一原料必须选择相应的酶，采用适宜的精练工艺和条件才能达到较好的精练效果。

2　实验

2.1实验材料

纯棉坯布、真丝坯布；淀粉酶，蛋白酶；其他试剂：渗透剂JFC、无水碳酸钠、硅酸钠、氢氧化钠(均为分析纯)。

实验仪器：BS110S电子天平(北京多利斯天平有限公司)，HHS-24电子恒温振荡水浴锅(上海东星建材实验设备有限公司)，HS高温电脑程控染色机(江苏南通宏大仪器厂),，WHL-25A电热恒温干燥箱(天津市泰斯特仪器公司有限公司)，HD026N 型电子织物强力仪(江苏南通宏大仪器厂)，X-Rite Colori7 分光测色仪(上海嘉恩科技有限公司)。

2.2棉织物退浆工艺

工艺流程：退浆处理→热水洗→冷水洗→效果测试。

2.2.1传统碱退浆工艺

NaOH 10g/L，渗透剂JFC2g/L，浴比：30:1，沸煮60min。

2.2.2酶退浆工艺

淀粉酶1g/L，Na2SiO31g/L，Na2CO31g/L，pH：9-10，渗透剂JFC1g/L，浴比：30:1，55℃保温处理40min。

2.3真丝脱胶工艺

工艺过程：预处理→脱胶处理→热水洗→冷水洗→烘干→效果测试。

2.3.1传统碱脱胶工艺

预处理工艺：Na2CO31g/L，pH：9-10，浴比：30∶1。

碱练工艺：Na2CO30.5g/L，NaHCO30.5g/L，pH：9-10，渗透剂JFC1g/L，浴比：30∶1，95℃处理50min。

2.3.2蛋白酶脱胶工艺

预处理工艺：Na2SiO31g/L，Na2CO31g/L，pH：9-10，渗透剂JFC1g/L，浴比：30:1。

酶练工艺：蛋白酶1g/L，Na2CO31g/L，pH：10，50℃处理40min。

2.4测试方法

2.4.1断裂强力

使用 HD026N 电子织物强力仪，根据GB/T3923.1-1997《纺织品 织物断裂强力和断裂伸长率的测定条样法》进行测定。

2.4.2白度测试

使用 X-Rite Colori7 分光测色仪，根据 GB/T8424.2—2001《纺织品色牢度试验相对白度的仪器评定方法》，将待测织物折叠成4层，进行测试。测定4次取平均值。

2.4.3毛效测定

按照FZ/T 01071—2008《纺织品毛细效应试验方法》测定。将烘干后的试样在恒温恒湿箱内平衡24h后，取25 cm×5 cm大小的布条，以重铬酸钾溶液作为测试液，测定30 min时重铬酸钾稀溶液沿织物上升的最低高度。平行实验进行三次取平均值(cm/30 min)。

2.4.4脱胶率

以蚕丝织物脱胶前后的失重率作为脱胶率。

(1)

2.4.5失重率

称取一定量待测织物，准确测定其处理前干重。另称准确称取处理后的棉织物干重，根据以下公式计算织物的失重率。

(2)

W1-织物处理前干重； W2-织物处理后干重。

3　结果与讨论

3.1碱退浆与酶退浆效果

分别按照2.2.1与2.2.2工艺对棉坯布进行碱退浆和酶退浆，退浆后的织物与棉坯布分别测定其失重率、白度、毛效以及断裂强度和断裂伸长率，实验结果表1所示。

从表1中可以看出，经酶退浆的织物退浆率、润湿性以及白度均小于传统碱退浆工艺，但差异不大。这是由于生物酶具有专一性，只对淀粉具有降解作用，而对合成浆料没有降解作用，因而退浆率低；而在热碱液中，天然浆料和合成浆料都会发生溶胀，从而从纤维上脱落下来。同时由表1也可以看出，经淀粉酶退浆的织物的断裂强力要高于碱退浆，这是因为酶具有专一性，并且作用条件温和，在降解淀粉浆料的同时，不与纤维素纤维发生作用，因此酶退浆后织物的强力保留率较高，织物手感柔软，提高了织物的档次，而碱退浆在高温、空气存在下，纤维素大分子上的轻基易被氧化为醛基、羧基，对碱敏感，引起聚合度下降，造成棉纤维脆损、强力下降。同时仅使淀粉浆料疏松膨化，没有将其分解成小分子物质，且需耗用大量的水，若工艺控制不当，浆料会重新凝结聚集，沾污布面，形成浆斑等质量问题。此外，传统碱退浆一般都是在高温煮沸条件下进行，而酶退浆工艺温度在50-60℃之间，因此酶退浆工艺可节约大量能源。

生物酶退浆主要利用淀粉酶对淀粉浆料的分解作用，快速切断分子内苷键，降低分子量，从而降低退浆液的粘度，使得浆料能够迅速洗除。因此浆料的去除较碱退浆而言，无需要剧烈的机械作用，耗水量较少，可以在温和的条件下便可达到退浆的效果。同时经酶退浆后的织物，纤维损伤较小，手感、光泽都较好。

表1　退浆效果

3.2蚕丝的脱胶效果

采用不经过经预处理的单酶练脱胶工艺、传统碱法脱胶工艺以及经预处理的脱胶工艺对蚕丝织物进行脱胶，测定脱胶后织物的脱胶率、白度、毛效等指标，其结果如表 2 所示。

从表2中可以看出，经过脱胶处理的织物，其润湿性、白度、手感均有明显的改善，这是因为未经脱胶处理的真丝表面存在大量丝胶，对润湿性不利，同时纤维表面很粗糙，凹凸不平， 且没有光泽。而经脱胶处理后的蚕丝表面的大部分丝胶已被去除，变得光滑平整，且有一定的光泽。

表2　不同工艺的脱胶效果

(a)坯绸(b)只经酶处理(c)只预处理

(d)预处理+酶精练(e)传统皂碱脱胶

图1经不同工艺脱胶后的效果

从表2也可看出，经蛋白酶脱胶的织物，其脱胶率、毛效和手感都优于传统碱法脱胶，只是白度稍差。此外，未进行预处理的单独酶脱胶，织物的脱胶率、润湿性以及白度都比传统碱脱胶和经预处理酶脱胶的效果差。这主要是因为：蛋白酶脱胶的作用条件远比皂碱法低，不利于丝胶的溶胀，不利于蛋白酶对丝胶的水解，因此在酶脱胶工艺中增加预处理步骤是非常必要的，蛋白酶脱胶前进行预处理，使丝胶膨润、软化，从而使酶容易发生作用，有利于提高酶脱胶的效果。同时，经酶脱胶的蚕丝织物柔软度和光泽都较传统碱脱胶效果好，这主要是因为蛋白酶的专一性，对丝素损伤较小，而碱法脱胶，条件剧烈，对丝素损伤严重。经蛋白酶脱胶后的织物，丝素表面光滑，而碱脱胶后的织物，纤维表面有不规则绒毛存在，使得光泽度下降。

4　结论

(1)棉织物酶退浆白度、毛效均低于传统碱退浆工艺，纤维损伤小于碱退浆。

(2)与未经预处理而直接酶处理的蚕丝织物相比，预处理后织物上的脱胶率明显增大，说明预处理在蚕丝织物的退浆工艺中是必不可少的一步。

(3)蚕丝酶脱胶的效果与传统皂碱效果相当。

[1]杨雪霞，劳继红.蚕丝酶精练研究进展[J].丝绸，2007(8) ：66-75．

[2]董炳荣．绢纺织[M]． 北京: 纺织工业出版社，1991: 15.

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[4]徐谷仓，棉织物生物酶前处理工艺[J].印染，2002(12).39-40.

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[6]李志忠，将少军. 蚕丝蛋白酶精练工艺的理论与实践.染整技术，2006，28(4)：13-15.

1008-5580(2016)03-0085-04

2016-03-08

高俊(1992-)，女，硕士研究生，研究方向：纺织品染色理论及工艺研究。

王雪燕(1963-)，女，教授，硕士生导师。

TS193

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