木瓜蛋白酶對絲素的作用

師體海, 鄧一民

(西南大學 紡織服裝學院, 重慶 400715)

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木瓜蛋白酶對絲素的作用

師體海, 鄧一民

(西南大學 紡織服裝學院, 重慶 400715)

摘要:首先用Na2CO3反復脫膠將蠶絲絲膠全部去除,再用木瓜蛋白酶直接對脫膠后的絲素進行處理,以此研究木瓜蛋白酶對絲素的作用。進一步測試木瓜蛋白酶處理前后蠶絲斷裂強度,并進行掃描電鏡觀察和X射線衍射表征。實驗結果表明,木瓜蛋白酶對絲素的水解率很小,處理后絲素斷裂強力下降,表面微觀形貌有較大的損傷,酶處理不會改變絲素晶型,但破壞了絲素結晶結構,使結晶度下降。絲素強力損失隨處理時間延長、酶濃度增加而增大,隨溫度升高先增大后減小。

關鍵詞:木瓜蛋白酶; 絲素; 質量損失; 強力損失; 形態(tài)結構

隨著生物工程新技術在中國迅速發(fā)展,酶的制造與應用領域不斷擴大,酶在紡織工業(yè)中的應用逐漸成熟[1]。蛋白酶用于蠶絲脫膠的研究很多,較傳統(tǒng)的高溫堿法脫膠、蛋白酶脫膠不損傷絲素,并且具有脫膠均勻,光澤和手感好,能降低能源和助劑的消耗,降低生產(chǎn)成本的優(yōu)點[2-3]。因此,酶在蠶絲整理脫膠的應用引起了較多的關注,木瓜蛋白酶在蠶絲脫膠中的應用已有初步研究。由于蛋白酶具有反應專一性,酶用于蠶絲處理的對蠶絲損傷很小,有研究人員認為木瓜蛋白酶只能對絲膠中的球蛋白起作用,而不會對絲素中的線性蛋白造成影響[4-6],但木瓜蛋白酶是否對絲素造成損傷沒有明確的研究結果。酶還可用于蠶絲的整理,目前已有這方面的研究,如MTG酶用于真絲織物的抗皺整理[7],漆酶和酪氨酸酶用于提高真絲織物抗菌性、抗皺性[8],都獲得較好的效果。本文從力學性能和絲素微觀結構方面調查木瓜蛋白酶對絲素的作用,并對不同處理條件下木瓜蛋白酶對絲素的作用大小進行研究。同時,研究木瓜蛋白酶對絲素表面形態(tài)和結晶結構的影響,為木瓜蛋白酶用于蠶絲整理提供依據(jù)。

1　實　驗

1.1材料與儀器

材料：家蠶生絲(重慶金鳳絲綢有限公司),木瓜蛋白酶(活性≥50 萬U/g,北京奧博星生物技術責任有限公司),無水碳酸鈉(AR,成都市科龍化工試劑廠),氨水(AR,成都市科龍化工試劑廠),鹽酸(AR,成都市科龍化工試劑廠),氫氧化鈉(AR,成都市科龍化工試劑廠),苦味酸(AR,臺山市眾城化工有限公司),胭脂紅(AR,臺山市眾城化工有限公司)。

儀器：LLY-06電子單纖維強力儀(萊州市電子儀器有限公司),JA2003N電子天平(上海精天電子儀器廠),SHA-C恒溫振蕩器(國華企業(yè)),DHG-9245A電熱恒溫鼓風干燥箱(上海齊欣科學儀器有限公司),飛納PhenomTH全自動掃描電子顯微鏡(飛納中國上海復納科學儀器有限公司),DX-2000型X衍射儀(丹東方園儀器有限公司)。

1.2方法

1.2.1絲素制備

將生絲放入0.5 g/L Na2CO3溶液中煮沸30 min,用70 ℃水洗2次,重復以上過程3次,之后在烘箱中105 ℃烘干至恒重(重復烘干,稱量3次,3次質量差值小于0.5%視為恒質量)[9]。經(jīng)苦味酸胭脂紅試劑檢驗并保存待用。

1.2.2脫膠程度鑒定

采用苦味酸胭脂紅鑒別脫膠程度?？辔端犭僦t溶液：將1 g胭脂紅加入25%氨水10 mL和20 mL蒸餾水攪拌加溶解,加15 mL飽和苦味酸后,用水定容至100 mL,再用HCl調pH值至8.0～9.0[4]。鑒別流程：樣品+檢驗液(浸沒樣品)→沸水浴5 min→蒸餾水洗滌→觀察(絲膠紅、絲素黃)。

1.2.3木瓜蛋白酶處理

木瓜蛋白酶對絲素的處理：將脫膠后的絲素直接浸沒在3 g/L的木瓜蛋白酶溶液中,然后放入恒溫震蕩器中處理,處理條件為浴比1︰100、溫度70 ℃、時間60 min,pH=7[10]。處理后用70 ℃水洗兩次,冷水水洗2次再放入恒溫烘箱中(105 ℃)烘干至恒重。為研究不同處理條件對酶作用的影響,分別改變處理時間、溫度、濃度處理條件。保持其他條件不變,酶質量濃度設置為1、2、3、4、5 g/L,溫度設置為30、40、50、60、70、80 ℃,時間設置為30、60、90、120、150、180 min[11]。

1.2.4質量損失率測定

將酶處理前后的絲素放入恒溫干燥箱中烘干至恒重,取3次測量平均值為酶處理前后的絲素干質量,由下式計算出絲素質量損失率。

(1)

式中：W0為酶處理前干重,W1為酶處理后干重。

1.2.5斷裂強力測定

采用LLY-06電子單纖維強力儀測定試樣的斷裂強力,每種試樣測10次取平均值,強力損失率由下式計算。

(2)

式中：bf0為酶處理前絲素的斷裂強力；bf1為酶處理后的斷裂強力。

1.2.6掃描電鏡觀察

采用全自動掃描電子顯微鏡對絲素纖維表面形態(tài)進行觀察,加速電壓15 kV,試樣直接放置于掃描電子顯微鏡置物臺上,抽真空后即可開始觀察。

1.2.7X衍射測定

采用丹東方園儀器有限公司的DX-2000型X衍射儀,將所測樣品剪成粉末狀,在X射線粉末衍射儀(Cu靶,管壓36 kV,管流50 mA,λ=1.5406)上測試,角度衍射掃描范圍為5°～50°,掃描步長為0.02°/s,掃描速度為2°/min。

2　結果與討論

2.1木瓜蛋白酶處理對絲素形態(tài)結構的影響

絲素經(jīng)3 g/L木瓜蛋白酶處理后(浴比1︰100,溫度70 ℃,時間60 min,pH=7),絲素質量損失2.13%,強力損失62.24%。在相同條件下,與之對照的水對絲素的作用較小,質量損失1.71%,強力損失13.1%,由此可知木瓜蛋白酶對絲素有較大的損傷作用。木瓜蛋白酶對絲素的溶解能力較小[12],但對強力的損害較大。

為進一步從微觀上觀察木瓜蛋白酶對絲素的作用,本文對木瓜蛋白酶處理前后的絲素進行了掃描電鏡觀察,掃描電鏡如圖1所示。絲素在酶處理前后表面形貌顯示了巨大的差異,進一步證實酶對蠶絲絲素有很大的損傷作用。生絲用Na2CO3脫膠后,表面光滑細膩；再經(jīng)酶處理之后,表面變得粗糙、凹凸不平,在酶的作用下絲素部分溶解,成塊狀的脫落,形成溝槽,部分地方溝槽較深,證明酶對絲素表面具有較大的侵蝕作用。酶對絲素表面形貌的損傷造成表面缺陷,推測這是絲素力學性能下降的一個原因。

圖1　處理前后絲素電子掃描圖像Fig.1　SEM image of untreated and treated fibroin

為了分析木瓜蛋白酶對絲素內部結構的影響,對酶處理前后絲素纖維進行了X射線衍射(XRD)表征,酶處理前后的絲素X射線衍射圖如圖2所示。圖2中，衍射主峰位置分別在20.58°和20.04°,強度分別為257.21和123.93,酶處理前后衍射主峰位置大致不變,但衍射峰的強度下降,表明酶處理不會改變絲素纖維晶型,絲素結晶區(qū)主要是β折疊結構[14]。而酶處理后蠶絲纖維結晶度有降低,說明酶的水解作用已經(jīng)侵入到絲素蛋白結晶區(qū),破壞了結晶結構,使結構趨于無規(guī)則化。纖維結晶結構的破壞,結晶度的下降都會造成力學性能的下降,推測這是造成蠶絲力學性能下降的另一個原因。另外,木瓜蛋白酶處理后,絲素表面結晶度降低,出現(xiàn)大量缺陷,增大了絲素表面面積,兩者都將增大絲素反應性能。綜上,酶可以用于清潔絲織物改性[7]和前處理[8]。

圖2　處理前后絲素的X射線衍射圖Fig.2　XRD curves of untreated and treated fibroin

2.2木瓜蛋白酶處理條件對絲素的影響

2.2.1木瓜蛋白酶質量濃度的影響

當酶質量濃度為1、2、3、4、5 g/L,浴比為1︰100,溫度70 ℃,處理時間60 min時,試樣的強力損失率和質量損失率如圖3所示。圖3顯示,絲素質量損失率很小,最大為2.13%,隨著酶質量濃度的增加絲素質量損失量沒有明顯的變化規(guī)律,說明酶質量濃度的變化對絲素溶解量影響不大。絲素的強力損失隨著酶質量濃度的增加呈明顯的上升趨勢,隨著酶質量濃度的增加絲素強力迅速降低,用1 g/L木瓜蛋白酶處理后其強力降低了45.3%,當質量濃度升高至5 g/L強力降低73.11%。在加熱條件下水對絲素的作用較小,強力損失13.1%。綜上,木瓜蛋白酶對絲素有很大的損傷作用,并且隨酶質量濃度的增加而增加。

圖3　木瓜蛋白酶質量濃度對絲素的影響Fig.3　The effect of papain’s mass concentration on fibroin

2.2.2木瓜蛋白酶處理時間的影響

當處理時間分別為30、60、90、120、150、180 min,酶質量濃度為3 g/L,溫度為70 ℃,浴比為1︰100時,處理結果如圖4所示。圖4顯示,絲素質量損失率很小,最大1.74%,可以看出酶處理時間對絲素質量損失率沒有明顯的影響。絲素的強力隨著酶處理時間的延長呈下降趨勢,處理30 min絲素強力損失率為48.07%,延長時間至60 min時絲素強力損失率為69.34%,再延長時間絲素強力損失較慢,處理3 h時強力損失率為79.76%。綜上,木瓜蛋白酶對絲素的損傷隨處理時間的延長而增大。

圖4　木瓜蛋白酶處理時間對絲素的影響Fig.4　The effect of papain treating time on fibroin

2.2.3木瓜蛋白酶處理溫度的影響

當處理溫度分別為30、40、50、60、70、80 ℃,浴比為1︰100,酶質量濃度為3 g/L,處理時間為60 min時,處理結果如圖5所示。圖5顯示,隨著溫度升高,絲素的質量損失率先升高后減小,溫度太高與溫度太低絲素的質量損失率都很小。絲素的強力損失率也是先增大后減小,當處理溫度為30 ℃時,絲素強力損失率40.83%,溫度上升到70 ℃時,強力損失率62.03%,溫度繼續(xù)升高至80 ℃,強力損失率減小為56.04%,這是由于在較低溫度下酶的活性較低,對絲素的作用較小,而溫度超過70 ℃,酶遭到破壞活性降低。木瓜蛋白酶對絲素的損傷隨溫度的升高先增大后減小。

圖5　木瓜蛋白酶處理溫度對絲素的影響Fig.5　The effect of papain treating temperature on fibroin

3　結　論

1)木瓜蛋白酶處理對絲素的溶解較小,但是對絲素強力的損失影響較大。

2)木瓜蛋白酶處理對絲素表面形態(tài)有很大的損傷,酶處理后絲素結晶類型沒有改變,但絲素的結晶度略有下降。由此推測木瓜蛋白酶對絲素表面形貌的損傷和結晶結構的破壞共同造成了絲素強力的損失。

3)隨著木瓜蛋白酶處理時間的延長,質量濃度的增加,木瓜蛋白酶對絲素的損傷增大,隨著處理溫度的增加絲素損傷先增大后減小。酶處理時間、酶濃度、處理溫度控制在較低范圍時,損傷較小。

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DOI:10.3969/j.issn.1001-7003.2016.03.005

收稿日期:2015-07-30; 修回日期:2016-01-13

基金項目:國家高技術發(fā)展計劃(863)課題資助項目(2013AAI02507)；國家繭絲綢生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術平臺資助項目(07021441 CITC5Y10)

作者簡介:師體海(1991),男,碩士研究生,研究方向為紡織品整理及生物整理。通信作者：鄧一民,副教授,496689548@qq.com。

中圖分類號:TS143.321

文獻標志碼:A

文章編號:1001-7003(2016)03-0027-05引用頁碼:031105

The effect of papain treatment on fibroin

SHI Tihai, DENG Yimin

(College of Textile and Clothing, Southwest University, Chongqing 400715, China)

Abstract:In this paper, silk sericin was degummed repeatedly with Na2CO3.Then, papain was used to treat degummed fibroin so as to study the effect of papain on fibroin.The breaking strength before and after papain treatment was further tested.Meanwhile, SEM observation and X ray diffraction characterization were conducted.The experimental result shows that the hydrolysis rate of fibroin is small, but the breaking strength of fibroin declines and the microscopic surface damages greatly.Papain treatment will not change crystal form of fibroin, but destroys crystalline structure of fibroin.Besides, the degree of crystallinity declines.The strength loss of fibroin rises as treatment time extends and enzyme concentration increases, but it first increases and then decreases with the rise in the temperature.

Key words:papain; fibroin; mass loss; strength loss; morphological structure