纖維素酶在棉織物生物拋光中的應用

劉 磊，陸必泰

(武漢紡織大學 化學與化工學院，湖北 武漢 430073)

纖維素酶在棉織物生物拋光中的應用

劉 磊，陸必泰*

(武漢紡織大學 化學與化工學院，湖北 武漢 430073)

闡述纖維素酶的作用機理，并簡述纖維素酶對棉織物的拋光整理工藝；分析影響纖維素酶拋光效果的各種因素，包括酶用量、溫度、pH值、處理時間等對織物失重率、起毛氣球外觀的影響；指出纖維素酶在綠色染整工藝中的重要性。

纖維素酶；棉織物；拋光

纖維素酶首先于 1906年在蝸牛的消化道中被發(fā)現(xiàn)，后來在細菌、真菌，以及少數(shù)的酵母等微生物中都有證明它的存在。然而，經(jīng)研究表明，由低級動物所提取出來的纖維素酶是沒有工業(yè)應用價值的，繼而發(fā)現(xiàn)由微生物在較短時間內(nèi)進行大量培養(yǎng)提取的纖維素酶，能有效地應用于紡織品的濕處理中。纖維素酶生物整理是近十幾年來紡織品后整理加工中的一項新技術，由于它能賦予織物光潔的外觀、柔軟的手感等優(yōu)良的服用性能，同時不增加環(huán)保的負擔，在紡織品的濕加工中有著廣泛的應用前景。因此已經(jīng)越來越受到人們的重視。

1 纖維素酶簡況

1.1 什么是纖維素酶

纖維素酶是生物產(chǎn)生的一種多組分的混合蛋白質(zhì)，在適當?shù)臈l件下，能使不溶性纖維素材料水解成可溶性糖的生物催化劑的總稱。纖維素酶主要來源于霉菌、細菌、擔子菌等微生物，其中霉菌產(chǎn)生酸性和中性纖維素酶，細菌產(chǎn)生堿性纖維素酶。通常用于紡織品染整加工的是酸性和中性纖維素酶。酸性纖維素酶在酸性條件下較穩(wěn)定，其反應適宜的pH范圍在3～6之間，而以pH=4～5最佳；中性纖維素酶在中性條件下較穩(wěn)定，其反應最佳的pH在6～7之間。

1.2 纖維素酶的組成和性質(zhì)

纖維素酶是一種復合酶，是催化水解纖維素、生成葡萄糖的酶的總稱，是由多組分酶組成的酶系。它可以從多種微生物、植物和動物中制取。目前對于纖維素酶的研究不深，但就已知的情況來說，纖維素酶至少含有三種成分的酶，即可任意切斷纖維素分子中β-1,4-糖苷鍵的內(nèi)切β-葡聚糖酶（EG）；從沒有還原基末端開始切斷β-1,4-糖苷鍵成纖維二糖?；耐馇笑?葡聚糖酶（CHB）和將纖維素二糖分解成葡萄糖的β-葡萄糖苷酶（BG）。

另外，還有一種說法是，將可以催化水解 CMC那樣水溶性底物的纖維素衍生物，但很難單獨作用于結晶纖維素的酶稱為CX酶，也就是上述的EG酶。將從纖維素的非還原端開始分解成纖維素二糖、與CX酶共存時能破壞纖維素結晶部分的酶稱為C1酶，也就是上述的CBH酶。將可以使纖維素二糖分解成葡萄糖的酶稱為纖維素二糖酶，也即BG酶。

1.3 纖維素酶的作用機制

纖維素酶的作用機制錯綜復雜，到目前為止還沒有完全弄清。除了各個組分對纖維素分子的分解作用外，現(xiàn)在越來越多的研究表明纖維素酶的各種組分之間存在著協(xié)同作用。不過，纖維素酶的水解作用，大體上可以分為以下幾步：（1）酶分子從水相轉(zhuǎn)移到纖維的表面；（2）酶分子與纖維表面結合，形成E+S的復合物；（3）把水分子轉(zhuǎn)移到酶與底物復合物的激活位點；（4）在酶與底物的復合物催化下，水與纖維的接觸表面發(fā)生反應；（5）產(chǎn)生的產(chǎn)物轉(zhuǎn)移到水相中。

2 纖維素酶在生物拋光整理中的應用

2.1 原理

酶洗時，纖維素酶首先接觸織物或紗線表面的纖維，還有織物運轉(zhuǎn)時發(fā)生較大位移的紗線交織處的纖維以及突出在織物或紗線上的茸毛，然后才進入到紗線內(nèi)部的纖維。也就是說纖維素酶的分子在這些突出于織物或紗線表面的茸毛根部和紗線交織處的纖維根部擴散得最快，受酶的作用最強，這些部位在織物運動中的受力也最強，因而此處的纖維也最容易發(fā)生斷裂。

棉織物經(jīng)前處理后，纖維發(fā)生一定程度上的膨化，從而有利于纖維素酶的擴散及作用，酶對纖維表面接觸產(chǎn)生的剝蝕作用，也侵蝕到纖維的孔隙和毛細管中，經(jīng)水解使得微纖之間的連結松懈，無定形區(qū)域增加，纖維變得疏松，因而酶處理時，除了要達到改善織物的外觀風格和手感的效果外，還要注意保持織物或紗線的強力。

生物酶拋光的實現(xiàn)，不僅需要纖維素酶對纖維素進行水解，而且一般都還需要外加機械作用力。一是為了促進酶分子與纖維的吸附和解吸的速度；二是使酶水解產(chǎn)生的產(chǎn)物盡快分散到液相中。因為機械攪動有助于被酶水解的茸毛易于從織物表面脫落，使織物表面變得光潔，這是纖維素酶工業(yè)化應用中不可或缺的條件。除此，機械攪動還增加了酶分子與織物接觸的頻率，從而達到理想的處理效果。

2.2 工藝

現(xiàn)階段的生物酶拋光工藝應用較為成熟，一般是在退漿后和染色前進行。為了使織物的化學減量降低，強度損傷減小，用內(nèi)切酶水解纖維素的無定形分子鏈，使纖維形成微隙。在拋光過程中，根據(jù)不同的織物對于設備、浴比、酶用量、pH值、溫度和處理時間等條件的要求不同，進行相應的選擇，使織物的處理效果達到最佳，同時還需注意，酶處理后必須進行滅活處理，以避免造成織物強力損失過多。

在生物酶拋光過程中，應合理控制酶的水解程度。監(jiān)控纖維素水解程度的方法，一是以織物的失重率作為度量酶處理效果的尺度，二是測定水解生成物之一的葡萄糖來控制酶的水解程度。但前者是否包括被去除的茸毛量，后者是否包括去除茸毛時產(chǎn)生的葡萄糖，這些問題尚無法說清。并且以酶處理前后紡織品重量的損失來表示失重率，費時費力，不能及時反饋并用于實際生產(chǎn)控制，目前，用測定酶處理液中生成葡萄糖含量的分析法可以較快捷地測得紡織品的失重率。

3 影響纖維素酶生物拋光效果的主要因素

（1）酶用量對酶處理效果的影響。由于各種纖維素酶的酶活是不一樣的，所以在確定用量時，要考慮其酶活以及待處理織物的種類和具體工藝要求。酶活高的，其用量相對少些，酶活低的，其用量則相對多點。

（2）溫度對酶處理效果的影響。處理液的溫度對纖維素酶的酶活也有很大的影響。溫度太低，會使酶的活性無法充分發(fā)揮出來；溫度過高，同樣也會導致酶失去其活性，從而達不到預想中的處理效果。處理液的溫度一般控制在45～55℃。

（3）pH值對酶處理效果的影響。酸性酶、中性酶都各有其適宜的pH值范圍。若pH值過低，則酶的理化性質(zhì)過于穩(wěn)定，從而發(fā)揮不了其有效的催化作用。但同樣，pH值過高，也會導致酶“失活”，也即失去了自身的催化作用。對于酸性纖維素酶而言，pH值應在4.4～5.5為佳，而中性纖維素酶的pH值，則應該在6～7范圍內(nèi)最適。

（4）時間對酶處理效果的影響。酶對織物的處理時間越長，織物的失重率就越大，而失重率同時又與處理時的攪拌條件有關。在能夠充分攪拌的設備中，對織物的酶處理時間就可以較短些；在攪拌條件不夠充分的設備中，處理時間就可以相對長一點。以耐洗色牢度試驗機為例，酶處理的時間一般控制在40～60min。

（5）添加劑對酶處理效果的影響。處理液中的某些添加劑能成為酶的激活物，如非離子表面活性劑AEO，它與酶的結合弱，對酶的構象影響較小，使酶可以保持活性；并且它還能促進酶分子的擴散和滲透，增加酶在固體底物上的可移動性，使酶較容易地解吸并移動到其他結合部位，從而增加酶的活性。而有些添加劑則可能成為酶的抑制物。當纖維素酶受到這些抑制物的作用，導致其酶活消失并且無法恢復時，成為酶中毒。如單寧酸、甲醛、多酚固色劑等都可能造成酶中毒現(xiàn)象。

（6）染色對酶處理效果的影響?？椢锝?jīng)染色后進行酶處理，其失重率較染色前進行酶處理的失重率要低。這可能是因為染色后，纖維表面吸附了大量的染料，導致其難以受到酶的侵蝕作用。所以經(jīng)不同染料處理后的織物，其失重率所受到的影響也是不一致的。

4 纖維素酶的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

纖維素酶經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)在紡織行業(yè)得到了廣泛的應用。它的高效性，專一性，以及處理條件的溫和性和無毒性等特點，在染整加工中對于節(jié)約能源，提高紡織品的加工效率和加工品質(zhì)，保護生態(tài)環(huán)境等方面具有極其重要的意義，是紡織品加工的一種理想方法。

雖然纖維素酶染整加工工藝日趨成熟，但其成本依舊比傳統(tǒng)工藝高出許多。另外，纖維素酶在使用過程中有一定的不可控性。因為纖維素酶是混合酶，并且酶制劑的敏感程度較高，很容易受到外界環(huán)境條件影響。因此，生產(chǎn)價廉易得且穩(wěn)定高效的酶是今后發(fā)展的一個方向。除此之外，目前生產(chǎn)的酶尚不能重復利用，提高酶的利用率，將酶固定化，對酶加以復配修飾并將其制成微膠囊，也是今后研究方向的熱點。

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Application on the Bio-polishing for Cotton Fabric with Cellulase

LIU Lei，LU Bi-tai
(College of Chemistry and Chemical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

This paper expounds the function mechanism of cellulase, and introduces the cellulase to finish the polishing finishing technologies. Each factor that produces effects on cellulase polishing was analyzed. The tests of effect fabric deweighting rate and fuzzing and pilling appearance were carried out, such as quantity of enzyme, temperature, pH value, processing time, etc. These are a further indication the importance of the green cellulase dyeing processes.

Cellulase; Cotton Gabric; Polish

TS195

A

1009－5160(2011)06－0034－03

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陸必泰（1958-），男，教授，研究方向：功能紡織品的研究與開發(fā)、染整新工藝及新助劑.