對(duì)堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶真絲坯綢精煉的研究

趙心雨，岳新霞，余遠(yuǎn)波，莫銳娟，馬藝華，林海濤

（1.廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.廣西絹麻紡織科學(xué)研究所有限公司，廣西 南寧 530031）

蠶絲纖維是一種天然蛋白質(zhì)纖維，由于其舒適性與獨(dú)特的絲鳴感，被廣泛運(yùn)用于高檔紡織品織造。蠶絲由兩根平行的絲素外包絲膠構(gòu)成，絲膠蛋白包裹在絲素纖維的表面，從而導(dǎo)致真絲坯綢后續(xù)的染料上染效果與手感較差[1]。蠶絲的脫膠是利用絲膠比絲素具有更好的吸水性和水溶性從而使兩者分開。常見的脫膠方式包括：堿性試劑脫膠、酸性試劑脫膠、高溫高壓脫膠、表面活性劑脫膠、蛋白酶脫膠等[2]。用生物酶精煉蠶絲的基本原理為：蠶絲在蛋白酶的作用下，其外層絲膠的肽鍵水解斷裂成氨基酸和多肽溶解在溶液中被除去。采用此法精煉的蠶絲，其纖維性能不受影響[3]。本文基于溫和脫膠，節(jié)能降耗的理念，使用堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶對(duì)真絲坯綢進(jìn)行脫膠工藝研究。實(shí)驗(yàn)通過單因素實(shí)驗(yàn)研究并優(yōu)化得到堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶脫膠的工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

真絲坯綢（廣西嘉聯(lián)絲綢股份有限公司產(chǎn)），堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶（北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司產(chǎn)），無水碳酸鈉、硅酸鈉、鹽酸、氫氧化鈉（西隴化工股份有限公司產(chǎn)）。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

YB71型旦尼爾電子天平（常州市幸運(yùn)電子設(shè)備有限公司產(chǎn)），BPG-9240A精密鼓風(fēng)干燥機(jī)（上海一恒科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)），SHA-C水浴恒溫振蕩器（鄭州生元儀器有限公司產(chǎn)），PHS-25CWpH計(jì)（上海般特儀器制造有限公司產(chǎn)），WSB-3A智能式數(shù)字白度儀（溫州大榮紡織儀器有限公司產(chǎn)），Phenomprox掃描電子顯微鏡（荷蘭復(fù)納科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)），LLY-06電子單纖維強(qiáng)力儀（萊州市電子儀器有限公司產(chǎn)）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 真絲坯綢前處理

脫膠前處理的主要目的是使真絲坯綢進(jìn)一步脫膠，使堿性蛋白酶更易于與絲膠反應(yīng)[4]。實(shí)驗(yàn)前將真絲坯綢剪成5cm×5cm的小塊，放置于105°C的恒溫烘箱中90min，稱量得到處理前真絲坯綢的干重。使用碳酸鈉脫膠作為對(duì)照組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首先使用2g/L的無水碳酸鈉溶液，以浴比1∶100進(jìn)行前處理實(shí)驗(yàn)，前處理的溫度設(shè)定60°C，反應(yīng)時(shí)間60min，使用去離子水對(duì)真絲坯綢進(jìn)行洗滌3次，再使用室溫的去離子水洗滌3次。隨后進(jìn)行自然晾干后放置于恒溫烘箱中于105°C烘90min，稱得脫膠后的干重。

1.3.2 真絲坯綢酶處理

實(shí)驗(yàn)方案采用單因素實(shí)驗(yàn)，研究堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶質(zhì)量濃度、精煉溫度、pH值、浴比及時(shí)間對(duì)精煉效果的影響，以脫膠率作為考察目標(biāo)，確定堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶質(zhì)量濃度、溫度、時(shí)間、pH值、浴比的精煉參數(shù)[5]。單因素實(shí)驗(yàn)酶用量設(shè)置為1、3、5、7、9g/L；溫度設(shè)置為30、40、50、60、70℃；pH值設(shè)置為4、6、8、10、12；浴比設(shè)置為1∶25、1∶50、1∶100、1∶150；時(shí)間設(shè)置為30、45、60、75、90min[6-7]。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 脫膠率計(jì)算

式中：η為脫膠率；M1為未進(jìn)行酶脫膠處理真絲坯綢的干重；M2為進(jìn)行脫膠處理后真絲坯綢的干重[8]；

1.4.2 掃描電子顯微鏡

觀察真絲坯綢堿精煉處理、堿性蛋白酶精煉處理及木瓜蛋白酶精煉后蠶絲纖維的表面分別放大5000、20000倍電鏡圖，觀察絲纖維的表面形貌。

1.4.3 白度測(cè)試

使用WSB-3A智能式數(shù)字白度儀按規(guī)范操作流程測(cè)織物白度。將樣品折成四層，在不同部位測(cè)試5組數(shù)據(jù)，取5組數(shù)據(jù)的平均值作為該組數(shù)據(jù)的白度值。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)脫膠率的影響

固定堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶的質(zhì)量濃度均為4g/L，時(shí)間45min、浴比1∶100、pH為8，浴比1∶100。結(jié)果如圖1所示。

圖1 真絲坯綢脫膠率隨溫度變化曲線圖

對(duì)堿性蛋白酶而言，當(dāng)溫度到達(dá)60℃，真絲坯綢的脫膠率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。最高達(dá)到16.9%，隨著繼續(xù)上升，脫膠率反而出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。這是因?yàn)閴A性蛋白酶的適用溫度為40℃～60℃，當(dāng)超過堿性蛋白酶的最適溫度時(shí)酶的酶活性受到抑制且蛋白酶的結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)改變，從而導(dǎo)致酶的脫膠效果不明顯。對(duì)木瓜蛋白酶而言，其脫膠率逐漸增大，且當(dāng)溫度為70℃時(shí)脫膠率最大值為23.4%。說明在木瓜蛋白酶適用溫度范圍內(nèi)，酶活性隨著溫度的升高而增大，同時(shí)升高溫度絲膠蛋白也會(huì)發(fā)生水解，在酶解和水解同時(shí)作用下，脫膠率也會(huì)增大。

鑒于本實(shí)驗(yàn)所用的真絲坯綢含有20%左右的絲膠和漿料，為減少對(duì)絲素的損傷及避免織物強(qiáng)力的下降，脫膠率不宜過高。綜合考慮，后續(xù)實(shí)驗(yàn)堿性蛋白酶試驗(yàn)溫度選擇55℃，木瓜蛋白酶試驗(yàn)溫度選擇65℃作為精煉溫度。

2.2 浴比對(duì)脫膠率的影響

在工藝時(shí)間為30min、酶質(zhì)量濃度5g/L、堿性蛋白酶工藝溫度55℃和木瓜蛋白酶工藝溫度65℃、工藝時(shí)間為60min及工藝pH值為8條件下，進(jìn)一步探究浴比對(duì)脫膠率的影響。結(jié)果如圖2所示。

圖2 真絲坯綢脫膠率隨反應(yīng)浴比變化曲線圖

對(duì)堿性蛋白酶而言，浴比從1∶25上升到1∶150時(shí)，脫膠率先上升然后下降。在浴比達(dá)到1∶100時(shí)，脫膠率最大為18.6%，此時(shí)真絲坯綢能夠處于完全浸沒的狀態(tài)，使脫膠劑能與絲膠充分接觸，從而將絲膠去除。對(duì)木瓜蛋白酶而言，濃度不變時(shí)，增大浴比木瓜蛋白酶用量越多，作用于真絲織物底物的木瓜蛋白酶數(shù)量增多，脫膠率就增大，所以精煉浴比為1∶100。所以后續(xù)實(shí)驗(yàn)堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶選擇1∶100作為精煉浴比取值。

2.3 酶濃度對(duì)脫膠率的影響

在工藝pH值8、浴比1∶100條件下，堿性蛋白酶工藝溫度55℃和木瓜蛋白酶工藝溫度65℃，進(jìn)一步探究堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶質(zhì)量濃度對(duì)脫膠率的影響。結(jié)果如圖3所示。

圖3 真絲坯綢脫膠率隨酶濃度變化曲線圖

當(dāng)堿性蛋白酶質(zhì)量濃度增加時(shí)，脫膠率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，當(dāng)酶的質(zhì)量濃度在7g/L時(shí)，脫膠率的增長(zhǎng)率最高為19.7%，繼續(xù)增加酶的質(zhì)量濃度脫膠率逐漸降低。木瓜蛋白酶其脫膠率先上升后下降，并當(dāng)木瓜蛋白酶質(zhì)量濃度為5g/L時(shí)，脫膠率達(dá)到最大值24.1%，繼續(xù)升高木瓜蛋白酶質(zhì)量濃度，脫膠率反而下降。這是由于酶已經(jīng)充分與底物反應(yīng)，繼續(xù)增加木瓜蛋白酶質(zhì)量濃度反而影響了酶與底物的結(jié)合，從而導(dǎo)致脫膠率的下降。后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇堿性蛋白酶濃度為質(zhì)量分?jǐn)?shù)7g/L、木瓜蛋白酶濃度5g/L。

2.4 pH值對(duì)脫膠率的影響

在工藝時(shí)間為30min、浴比1∶100條件下，堿性蛋白酶的質(zhì)量濃度7g/L及工藝溫度55℃，木瓜蛋白酶的質(zhì)量濃度5g/L及工藝溫度65℃，進(jìn)一步探究工藝pH值對(duì)脫膠率的影響。結(jié)果如圖4所示。

圖4 真絲坯綢脫膠率隨溶液pH值變化曲線圖

對(duì)堿性蛋白酶脫膠率而言，當(dāng)溶液的pH值為10時(shí)，脫膠率最大為20%，繼續(xù)增加pH值，脫膠率出現(xiàn)大幅度下降。因?yàn)閴A性蛋白酶，指在堿性條件下能夠水解蛋白質(zhì)肽鍵的酶，最適pH在9～11范圍內(nèi)。對(duì)木瓜蛋白酶脫膠率而言，隨著pH值的升高，脫膠率先增大后逐漸減小，當(dāng)pH＝6時(shí)，其脫膠率達(dá)到最大值23.4%，繼續(xù)增大pH值，脫膠率反而不斷減小。這是因?yàn)槟竟系鞍酌冈谧钸m值pH＝6時(shí)其活性最大，而當(dāng)pH值高于或低于最適pH值范圍都會(huì)使木瓜蛋白酶活性降低，導(dǎo)致其脫膠率下降。所以后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇堿性蛋白酶溶液pH為10，木瓜蛋白酶溶液pH為6。

2.5 時(shí)間對(duì)脫膠率的影響

在堿性蛋白酶的質(zhì)量濃度7g/L、工藝pH值10、工藝溫度55℃、浴比1∶100，木瓜蛋白酶工藝濃度5g/L、工藝pH值6、工藝溫度65℃、浴比1∶100條件下，進(jìn)一步探究工藝時(shí)間對(duì)脫膠率的影響。結(jié)果如圖5所示。

圖5 真絲坯綢脫膠率隨溶液時(shí)間變化曲線圖

對(duì)堿性蛋白酶而言，隨著工藝時(shí)間的增加，脫膠率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但是時(shí)間達(dá)到60min時(shí)脫膠率趨于高位，脫膠率達(dá)到22%，后續(xù)下降較平緩。表明當(dāng)脫膠進(jìn)行60min時(shí)，外層已經(jīng)膨潤的絲膠已經(jīng)基本被去除，繼續(xù)增加工藝時(shí)間時(shí)，內(nèi)層難溶性絲膠開始逐漸溶解。由于內(nèi)層絲膠的結(jié)構(gòu)、組成與絲素蛋白基本一致，因此繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間雖然能夠使脫膠率上升，但脫膠率的增長(zhǎng)率較低。對(duì)木瓜蛋白酶而言，脫膠率逐漸增大，且當(dāng)時(shí)間在60min時(shí)，脫膠率已達(dá)到25.4%，而繼續(xù)增加精煉時(shí)間脫膠率變化并不明顯；雖然時(shí)間在80min時(shí)脫膠率達(dá)到最大值26.9%，但本實(shí)驗(yàn)所用的真絲坯綢含有20%左右的絲膠和漿料，所以為減少對(duì)絲素的損傷及避免織物強(qiáng)力的下降，脫膠率不宜過高。綜合考慮，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇堿性蛋白酶50min，木瓜蛋白酶70min作為最適精煉時(shí)間。

2.6 真絲坯綢形貌分析

2.6.1 電子顯微鏡分析

通過上述工藝探究后，對(duì)得出的真絲坯綢進(jìn)行電子顯微鏡測(cè)試。

從圖6～7可以清晰看到只進(jìn)行碳酸鈉前處理后，絲素纖維表面緊密抱合，其表面仍然存在部分絲膠蛋白。從圖8～9和圖10～11看出，進(jìn)行堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶優(yōu)選工藝處理后的真絲坯綢的絲素纖維呈現(xiàn)分散狀態(tài),能夠直觀地觀察到絲素纖維表面的絲膠去除完全，且此時(shí)的絲素纖維表面光滑、色澤均勻。將圖8～9和圖5～6進(jìn)行對(duì)比可知，圖10～11木瓜蛋白酶的去除效果更佳。這說明經(jīng)酶精煉后，蠶絲纖維分散，表面光滑，說明絲素纖維表面的絲膠去除完全。

圖6 堿處理放大5000倍

圖7 堿處理放大20000倍

圖8 堿性蛋白酶處理放大5000倍

圖9 堿性蛋白酶處理放大20000倍

圖10 木瓜蛋白酶處理放大5000倍

圖11 木瓜蛋白酶處理放大20000倍

2.6.2 白度分析

由表1可知，經(jīng)過最優(yōu)工藝酶處理后真絲坯綢的白度效果優(yōu)于碳酸鈉堿處理的，且明顯優(yōu)于未處理的真絲坯綢。

表1 真絲坯綢不同處理方式白度結(jié)果

從數(shù)據(jù)分析可知，木瓜酶處理后相對(duì)于未處理的真絲坯綢白度提高35.9%，相比于碳酸鈉堿處理提高19.6%。使用酶處理后真絲坯綢的白度增加的主要原因是酶處理后絲膠被去除的同時(shí)能夠使絲素保持原有的光澤，且表面光滑。使用堿進(jìn)行脫膠處理后真絲坯綢的白度低于酶處理后的真絲坯綢白度，原因在于堿脫膠過程中不僅對(duì)絲膠蛋白起作用，而且堿對(duì)絲素蛋白也具有損傷作用。通過顯微鏡觀察可明顯看到堿處理后的真絲坯綢中的絲素纖維表面出現(xiàn)一些分布不均勻的溝壑，這些位于絲素纖維表面的坑洼在進(jìn)行白度測(cè)試時(shí)會(huì)出現(xiàn)漫反射效果，從而降低絲素原有的白度。

3 結(jié) 語

通過單因素實(shí)驗(yàn)，研究了堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶精煉真絲坯綢的工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，堿性蛋白酶脫膠條件為酶濃度7g/L，溫度55℃，浴比1∶100，pH值10，時(shí)間50min；木瓜蛋白酶脫膠條件為酶濃度5g/L，溫度65℃，浴比1∶100，pH值6，時(shí)間70min。酶制劑用于真絲精煉處理中具有使用安全、對(duì)人體和環(huán)境危害很小、使用條件溫和、廢液無害化處理較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，且生物酶脫膠處理方法的效果優(yōu)于傳統(tǒng)的脫膠處理。此外，生物酶脫膠技術(shù)正在逐步取代強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等化學(xué)品大量應(yīng)用于紡織品精煉加工中。此研究對(duì)紡織品加工以及紡織工業(yè)清潔生產(chǎn)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。