蛋白酶/活化劑一浴法用于羊毛防縮整理的可行性

余雪滿，鐘少鋒，樓永平

(浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鑒湖學(xué)院，浙江 紹興 312000)

羊毛面料越來越受消費(fèi)者喜愛，但其氈縮性使羊毛制品洗滌條件受限，使得消費(fèi)者使用成本增加。目前，較成熟的羊毛防縮處理是氯化法[1-3]，這種方法可以大幅改善羊毛的氈縮性，但其生產(chǎn)過程中會(huì)排放含有大量的可吸附有機(jī)鹵化物 (AOX)的廢水，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，近年來很多國家開始通過立法限制AOX的排放[4]。因此，生物酶整理越來越被關(guān)注，但由于羊毛鱗片中二硫鍵的存在，使其具有穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，大大減少了蛋白酶的可及性，單獨(dú)使用蛋白酶防縮整理效果不佳[5],生物酶處理法仍需要一定的預(yù)處理工藝。周雯等[6]利用 Bacillus Subtitles制作角蛋白酶，與蛋白酶同浴處理羊毛,浸泡1 h羊毛鱗片出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，但纖維損失較大，整理時(shí)間較長。唐軍等[7]對(duì)一種含有大量二硫鍵的植物環(huán)蛋白用生物酶活化劑預(yù)處理的方法對(duì)其進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，生物酶活化劑對(duì)提取高硫蛋白有很好的效果。因此，可以用活化劑還原蛋白中的二硫鍵，為蛋白酶向鱗片內(nèi)部滲透創(chuàng)造條件。本文通過酶活、氨基酸、減量率、羊毛氈縮性等測(cè)試，研究蛋白酶和生物酶活化劑共浴的可行性，為縮短整理時(shí)間提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

材料：澳毛(14 tex，70支，江蘇常新光毛條處理有限公司)；35%生物酶活化劑(天津聯(lián)寬精細(xì)化工有限公司)；諾維信絲毛蛋白酶4.0 T(諾維信生物技術(shù)有限公司)；滲透劑JFC(工業(yè)級(jí))、冰乙酸(分析純)、碳酸鈉(分析純)(南通科輝化工科技有限公司)等。

儀器：HWS-24數(shù)顯恒溫水浴鍋(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)；DHG-9145A烘箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)；UV-1800分光光度計(jì)(上海美譜達(dá)儀器有限公司)；ME104型電子分析天平(梅特勒托利多)；HITACHIL-880型氨基酸分析儀(日立高薪技術(shù)有限公司)；Y151型纖維摩擦系數(shù)儀(上海楚工實(shí)業(yè)有限公司)、JSM-6700型掃描電鏡(日本電子株式會(huì)社)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 空白樣處理

羊毛纖維在質(zhì)量濃度為1 g/L的JFC溶液中，浴比1∶100，溫度45～50 ℃處理30 s。

1.2.2 生物酶活化劑/蛋白酶一浴法整理

實(shí)驗(yàn)方案：反復(fù)浸軋3次(軋余率95%以上)→水洗1 min→酶失活→烘干。

浸軋條件：活化劑質(zhì)量濃度2.5 g/L，蛋白酶用量3%(owf), pH值8.0，溫度50 ℃，浴比1∶100，時(shí)間30 s。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)條件

蛋白酶處理：蛋白酶用量3%(owf)，pH值8.0，溫度50 ℃，浴比1∶100。

生物酶活化劑處理：生物酶活化劑質(zhì)量濃度2.5 g/L，溫度50 ℃，浴比1∶100。

蛋白酶/活化劑一浴法處理：活化劑質(zhì)量濃度2.5 g/L，蛋白酶用量3%(owf)，pH值8.0，溫度50 ℃，浴比1∶100。

酶失活條件：冰醋酸調(diào)節(jié)pH值至3.5～4.0，浴比1∶40,溫度80～85 ℃，時(shí)間5 min。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 酶活測(cè)試(福林法)

參照SB/T 10317—1999《蛋白酶活力測(cè)試法》制備試樣，測(cè)定不同條件下的吸光度，按式(1)計(jì)算蛋白酶活力[8]。

(1)

式中:y為蛋白酶活力,U/mg;A為吸光度;N為稀釋倍數(shù)。

1.3.2 氨基酸測(cè)試

采用氨基酸分析儀分別對(duì)未處理樣、單純活化劑處理及一浴法處理的羊毛試樣的氨基酸種類與含量進(jìn)行檢測(cè)，觀察氨基酸的變化。

1.3.3 減量率測(cè)試

處理前后的羊毛分別于105 ℃烘至恒質(zhì)量，稱量結(jié)果保留2位小數(shù)，由式(2)計(jì)算減量率。

(2)

1.3.4 定向摩擦效應(yīng)測(cè)試

采用Y151型纖維摩擦系數(shù)儀測(cè)定羊毛的順逆摩擦力，從每個(gè)羊毛試樣中隨機(jī)抽取50根進(jìn)行測(cè)試，由式(3)計(jì)算順逆摩擦因數(shù)μ。

μ=0.733×[lgT1-lg(T1-M)]

(3)

式中:T1為初始張力，0.2 cN;M為扭力天平讀數(shù)，mg，定向摩擦效應(yīng)[9]根據(jù)式(4)計(jì)算。

(4)

式中:δμ為定向摩擦效應(yīng)；μa為逆鱗片摩擦因數(shù)；μs為順鱗片摩擦因數(shù)。

1.3.5 掃描電鏡測(cè)試

對(duì)處理前后的羊毛試樣進(jìn)行真空噴金，再用掃描電鏡拍攝羊毛的表面形態(tài)[10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 蛋白酶在共同浴中的活性分析

生物酶活化劑作為一種有機(jī)試劑，可能會(huì)對(duì)蛋白酶活性造成影響，為證實(shí)蛋白酶在共同浴中的有效性，需對(duì)一浴法中酶的活性與單獨(dú)蛋白酶活性進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，將單獨(dú)蛋白酶和一浴法處理液分別在室溫和 50 ℃放置一段時(shí)間，分別測(cè)試放置不同時(shí)間下蛋白酶的活力，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同條件下蛋白酶活力

實(shí)驗(yàn)條件：單獨(dú)蛋白酶浴蛋白酶用量為3%(owf)；蛋白酶/活化劑共同浴：活化劑質(zhì)量濃度2.5 g/L，蛋白酶用量3%(owf)。

由表1示出，在蛋白酶/活化劑一浴法溶液中，蛋白酶活性無論是室溫還是50 ℃溫度下，放置相同時(shí)間，都與單獨(dú)蛋白酶時(shí)的活力差異不大，說明生物酶活化劑對(duì)蛋白酶的活性沒有抑制作用，證實(shí)了蛋白酶/活化劑一浴法是可行的；室溫下的酶活僅為50 ℃時(shí)酶活的75%左右，說明蛋白酶活力受溫度的影響，故在防縮整理過程中要考慮溫度的影響；還可以看出，隨著放置時(shí)間的延長，蛋白酶活力變化不大，說明了蛋白酶在同浴中的穩(wěn)定性，同時(shí)也證實(shí)了一浴法連續(xù)化生產(chǎn)的可能性。

2.2 氨基酸含量分析

將原毛、單獨(dú)活化劑處理和蛋白酶/活化劑一浴法整理的羊毛進(jìn)行氨基酸測(cè)試分析，羊毛纖維化學(xué)含量的變化，推斷活化劑對(duì)二硫鍵攻擊的專一性，測(cè)試結(jié)果如表2所示。其中脯氨酸、苯丙氨酸等其他氨基酸含量基本不變，故沒有列出。

表2 不同工藝氨基酸含量測(cè)試結(jié)果 %

由表2示出，經(jīng)單獨(dú)活化劑處理和共同浴處理后的羊毛氨基酸結(jié)果與原毛相比，胱氨酸含量由原來的9.43%分別下降到3.32%和3.28%，超出了常規(guī)含量范圍，其他氨基酸含量變化不大，都在常規(guī)含量波動(dòng)范圍之內(nèi)，說明2種處理工藝只對(duì)胱氨酸有明顯效果；還可以看出，單獨(dú)活化劑處理和共同浴處理后胱氨酸含量基本不變，說明活化劑在整理過程中對(duì)二硫鍵的攻擊是專一的，可以有效打開胱氨酸中的二硫鍵，為蛋白酶的進(jìn)入創(chuàng)造條件。

2.3 蛋白酶/活化劑整理對(duì)羊毛減量率的影響

對(duì)比經(jīng)單獨(dú)蛋白酶整理、單獨(dú)活化劑整理和蛋白酶/活化劑同浴整理的羊毛的減量率，分析不同工藝對(duì)羊毛防縮整理的影響。在不同處理時(shí)間下羊毛減量率如表3所示。

表3 不同處理?xiàng)l件下羊毛纖維減量率 %

由表3示出，隨著時(shí)間的延長，羊毛纖維的減量率不斷增加。單獨(dú)蛋白酶和單獨(dú)活化劑處理2種工藝的減量率差異不大，都只有共同浴整理時(shí)減量率的30%～40%。原因在于，羊毛纖維表面的鱗片層含有大量的二硫鍵，導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)緊密，蛋白酶很難進(jìn)入鱗片內(nèi)部，所以質(zhì)量損失率不大；而活化劑雖然可以打開二硫鍵使鱗片結(jié)構(gòu)變得疏松，但不能將鱗片剝除，所以質(zhì)量損失率也不大；當(dāng)活化劑和蛋白酶共同作用時(shí)，活化劑可以通過拆開二硫鍵使鱗片變得疏松，從而為蛋白酶進(jìn)入鱗片內(nèi)部創(chuàng)造了條件，因此，蛋白酶可以快速水解蛋白質(zhì)，使得減量率明顯下降。

2.4 摩擦縮絨性

對(duì)單獨(dú)蛋白酶處理、單獨(dú)活化劑整理和蛋白酶/活化劑一浴法整理的羊毛進(jìn)行摩擦性能測(cè)試，分析蛋白酶/活化劑同浴整理對(duì)羊毛防縮性有效性的影響，測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 不同處理?xiàng)l件下羊毛摩擦性能

由表4可知，原毛摩擦效應(yīng)為9.70%，經(jīng)3種工藝處理后摩擦效應(yīng)都有所下降，其中蛋白酶/活化劑一浴法整理摩擦效應(yīng)最小，防氈縮效果最好，單獨(dú)蛋白酶處理，摩擦效應(yīng)只下降了2.5%左右，說明蛋白酶單獨(dú)處理，對(duì)羊毛鱗片層的攻擊有限，蛋白酶/活化劑一浴法整理時(shí)，活化劑打開了鱗片層中的二硫鍵，增加了蛋白酶向鱗片滲透的可能性，所以摩擦效應(yīng)顯著下降，可以有效提高羊毛的防氈縮性能。

2.5 纖維表面形貌分析

對(duì)不同工藝處理的羊毛纖維進(jìn)行電鏡掃描，觀察處理前后羊毛表面鱗片層的形態(tài)變化，分析蛋白酶/活化劑一浴法整理對(duì)羊毛處理效果的影響。掃描電鏡照片如圖1所示。

由圖1(a)可以明顯看出原毛纖維表面鱗片完整，尖角突出，邊緣清晰。圖1(b)為單獨(dú)蛋白酶處理后的羊毛表面形態(tài)，可以看出，鱗片形態(tài)較原毛變化不大，鱗片尖角有稍微翹起的現(xiàn)象，但整體鱗片依然保存完整。說明單獨(dú)使用蛋白酶不能有效剝離鱗片，所以防縮效果有限；而圖1(c)經(jīng)過蛋白酶/活化劑一浴法整理后，羊毛表面鱗片尖角消失，邊緣被磨平，纖維表面變得平滑，這樣就大大縮小了順逆摩擦因數(shù)的差異，有效降低了羊毛的表面摩擦效應(yīng)，因此，可以大大提高羊毛的防氈縮性能。

圖1 不同工藝處理后掃描電鏡照片(×1 000)

3 結(jié) 論

①通過不同條件下蛋白酶活性的測(cè)定，說明了活化劑在蛋白酶/活化劑一浴法整理中對(duì)蛋白酶的活性沒有抑制作用，證實(shí)了蛋白酶/活化劑一浴法的可行性；同時(shí)探究了溫度和時(shí)間對(duì)蛋白酶活性的影響，得出蛋白酶在適應(yīng)溫度才會(huì)發(fā)揮最大活性，隨著時(shí)間的延長，蛋白酶活性保持穩(wěn)定，證實(shí)了連續(xù)化生產(chǎn)的可能性。

②通過羊毛不同工藝處理后羊毛纖維氨基酸含量測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)只有胱氨酸含量明顯下降，說明活化劑在整理過程中可以有效打開胱氨酸中的二硫鍵，為蛋白酶向鱗片內(nèi)部滲透提供條件。此外，單獨(dú)活化劑處理和共同浴處理后胱氨酸含量基本不變，說明蛋白酶對(duì)活化劑也沒有抑制作用。

③通過羊毛減量率、摩擦性能測(cè)試和掃描電鏡分析可知，蛋白酶/活化劑一浴法處理可以有效降低羊毛減量率和摩擦效應(yīng)，掃描電鏡表明一浴法可以有效去除羊毛表面鱗片，證明了一浴法對(duì)羊毛防氈縮的有效性。

由以上分析可知，活化劑可以有效作用于二硫鍵使鱗片變得疏松，生物酶可以水解酰胺鍵使蛋白大分子；蛋白酶、活化劑同浴時(shí)，不會(huì)發(fā)生相互抑制作用，可以相互促進(jìn)，最終達(dá)到防氈縮的效果。