（应用化学专业论文）纺织用果胶酶制剂的优化及其应用研究.pdf

摘要 本课题以山东康地恩生物科技有限公司的碱性果胶酶k d n t 0 1 为研究 对象，研究了该碱性果胶酶的酶学性质和应用条件，并与工厂的实际生产工 艺相结合，对该碱性果胶酶制剂的优化及其在棉针织物和机织物上的精练工 艺优化做了较为深入的研究，此研究成果对促进国产碱性果胶酶的应用，进 一步推动国内酶制剂的商品化，具有十分重要的意义。 针织物在酶精练前进行热水预处理是很有必要的。通过单因素实验优化 的碱性果胶酶的最佳工艺条件为：果胶酶用量2 o g t , 、p h 值9 、温度5 0 。c 5 5 、时间6 0 m i n 。与碱精练相比较，毛效和白度较差，但织物强力损失小， 优于传统碱精练。棉针织物经精练、漂白、染色后，针织物的润湿性、白度 和k s 值与常规碱精练效果相当，强力损失较小。 通过单因素实验优化的棉机织物退浆一精练分步处理的酶精练最佳工 艺条件为：碱性果胶酶用量1 5 9 , l ，p h 值为7 0 ，处理温度5 0 ，处理时间 6 0 m i n 。处理后的棉机织物的毛效、强力均能达到传统生产工艺指标。 常温冷轧堆的退浆精练一步法的最佳工艺条件为：0 【淀粉酶用量1 l ， 碱性果胶酶用量1 l ，p h 值为7 0 ，处理时间6 h 。经酶处理后的织物布面 光洁，手感柔软。满足精练后的工艺要求；而且撕破强力下降减少了1 4 7 。 关键词：果胶酶；棉织物；精练；最佳工艺 a b s t r a c t t h es t u d yo ns h a n d o n gc o n t i n e n tb i o t e c hc o ，l t d a l k a l i n ep e c t i n a s e ， r e s e a r c hi nt h eb a s i cp r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o nc o n d i t i o n so ft h ea l k a l i n e p e c t i n a s e t h eo p t i m i z a t i o no fb a s ea l k a l i n ep e c t i n a s ep r e p a r a t i o na n ds c o u r i n g p r o c e s si nc o t t o nw o v e nf a b r i c si sd o n e ，c o m b i n e db yt h ea c t u a lp r o c e s so ft h e f a c t o r y t h er e s u l to ft h i ss t u d yi sam o r ei n - d e p t hs t u d ya n dh e l p f u lt op r o m o t e t h e a p p l i c a t i o n o fd o m e s t i ca l k a l i n e p e c t i n a s ea n d f u r t h e rp r o m o t et h e c o m m e r c i a l i z a t i o no fd o m e s t i ce n z y m e ，w h i c hi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e c o t t o nk n i t t e df a b r i c si nh o tw a t e rb e f o r es c o u r i n gi s n e c e s s a r yt o p r e t r e a t m e n t t h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o no fs i n g l e f a c t o rt e s to fb a s i ca l k a l i n e p e c t i n a s e ，t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w s ：a l k a l i n ep e c t i n a s ea m o u n to f 2 0e g l ，p hv a l u eo f9 ，t e m p e r a t u r e5 0 5 5 ，t i m e6 0m i n c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a la l k a l is c o u r i n g ，a l k a l i n ep e c t i n a s ec a ni m p a c tc o n t t o nf a b r i c sl e s s s t r e n g t hl o s sa n dl o w e rw h i t e n e s sa n dc a p i l l a r ye f f e c t b ya l k a l i n ep e c t i n a s e s c o u r i n g ，b l e a c h i n ga n dd y e i n g ，t h ew h i t e n e s s 、c a p i l l a r ye f f e c ta n dk sv a l u eo f c o t t o nk n i t t e df a b r i c sa r ee q u i v a l e n tw i t ht h a to ft r a d i t i o n a lm e t h o d t h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o no ft h es i n g l ef a c t o ro fc o t t o nw o v e nf a b r i c s ，t h e o p t i m u mc o n d i t i o n si s t h a tb a s i ca l k a l i n ep e c t i n a s ea m o u n to f1 5 g l ，p h v a l u eo f7 0 ，t e m p e r a t u r e5 0 ，p r o c e s s i n gt i m eo f6 0m i n a f t e rd e a l i n gw i t h t h ec o t t o nw o v e nf a b r i c ，t h ec a p i l l a r ye f f e c ta n ds t r e n g t hc a na c h i e v et a r g e t s d e s i z i n ga n ds c o u r i n go fc o t t o nw o v e nf a b r i c sa tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h e o p t i m u mc o n d i t i o n si s t h a t0 【一a m y l a s ea m o u n to f1 g l ，a l k a l i n ep e c t i n a s e a m o u n to f1g l ，p hv a l u eo f7 0 ，t h ep r o c e s s i n gt i m e6h a f t e rt r e a t e d ，t h e f a b r i cf e e ls m o o t ha n ds o f ta n dt h es t r e n g t hh a sad e c r e a s eo f14 7 p e r c e n t d e c l i n e k e y w o r d s ：c o t t o nf a b r i c ；p e c t i n a s e ； s c o u r i n g ；o p t i m u mp r o c e s s 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均己做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：空，) 乃秘 日期：五寸留年f 月o 日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密 ( 请在以上方框内打“) 论文作者签名：备_ 锄芦 日期：2 j 勺万年f 月o 日 引言 引言 印染加工是纺织品加工过程中不可缺少的一个重要生产环节，它赋予纺 织品令人赏心悦目的色彩、更好的使用性能【l 】。但是，织物与排放废水的重 量比为1 ：1 0 0 - l ：2 0 0 ，废水量约为用水量的6 0 8 0 。据不完全统计，染 整行业的年耗水量超过1 0 0 亿吨【2 】。染整加工不仅耗水多，而且废水中含有 的大量污染物，它们来自各种纤维材料加工时的染料、助剂和纤维上所含的 杂质。这些污染物排入废水后，形成很深的色度、碱性大，难处理。另外， 印染的废水回收率仅为7 ，是所有行业中最低的，其废水排放量约占工业 总废水排放量的3 5 ，一般排放1 吨印染废水要污染2 0 吨水体【3 】。以棉织 物的染整加工为例，在退浆过程中要去除经纱上的浆料和织造时上的油剂， 需要使用大量的无机和有机化学品如烧碱、硫酸、盐酸、磷酸盐、染料、表 面活性剂、荧光增白剂、糊料、树脂、柔软剂等。这些物质和从纤维上脱落 下来的果胶、油蜡、色素和浆料等杂质是染整废水产生毒性的主要原因【4 】。 目前生物酶前处理的优越性性主要有三个方面【5 】： 一是全面提升纺织品的处理效果。无需碱煮、不损伤纤维，不影响纤维 强力，织物失重降低：并因处理过程中打通了纤维内部通道，使染色性能大 大改善，匀染性提高、得色量上升，染色次品率大幅下降；织物手感柔软、 丰满，布面亮泽，纹理清晰；若染色后再做生物光洁整理，织物色光不会改 变；对特殊敏感型纤维前处理更具安全性和可靠性，如天然彩棉、棉毛、棉 丝、棉麻等纤维。 二是缩短加工时间，降低综合成本。如采用酶退浆、酶煮练、酶抛光工 艺，缩短工艺时间，提高生产效率；织物失重减少、次品率下降；无需碱煮、 酸( 中和) 和水( 清洗) ；上染率提高，节省染料；减轻污水处理压力，降低污 水治理费用。 三是对环境、操作人员及设备无害。酶前处理条件温和，效率高，因此 能耗低、用水量少，废水中的c o d ( 化学需氧量) 、b o d ( 生物需氧量) 指数低， 青岛大学硕士学位论文 减少了环境污染，且作业环境安全，对设备损伤小。 中国的入世、国际上推行的环保标准i s 0 1 4 0 0 0 、纺织品生态标准 o e k o t e xs t a n d a r d1 0 0 以及发达国家的“绿色壁垒 政策已使纺织加工由仅 要求末端治理的观念转变为全程环保的观念【6 】。随着纺织绿色加工要求的提 高及酶生物技术的发展，酶工艺成为纺织加工的重要发展方向之一，同时更 加速了整个印染行业环保的发展步伐。绿色纺织品及生态染整加工已成为纺 织业可持续发展的重要基础【7 1 。在纺织工业中使用酶制剂可降低能源消耗， 提高生产效率，并能赋予纺织品全新的风格和性能。用酶制剂可取代强酸、 强碱、强氧化剂等有毒有害物质，为减少污染、保护生态环境提供了经济有 效的方法。酶制剂作为一种无毒、对环境友好、可自然降解的生物催化剂， 正在纺织印染加工中扮演着愈来愈重要的角色【8 】。它给现代纺织工业带来的 益处可归结为4 e 9 1 ，即效率e f f i c i e n c y 、效果e f f e c t i v e n e s s 、经济e c o n o m y 和生态e c o l o g y 。 酶的生产和应用，在国内外已具有8 0 多年历史，进入2 0 世纪8 0 年代，生 物工程作为一门新兴的高新技术在我国得到了迅速发展【1 0 】。根据棉纤维所含 的杂质组成，利用酶作用的专一性，果胶酶、纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶、 木聚糖酶及不同组合的复合酶对棉织物的精练效果已被各国研究人员广泛 研究。研究表明：果胶酶，特别是碱性果胶酶是棉织物酶法前处理工艺中最 有效、最重要的酶制剂【1 1 d 2 儿13 1 。 丹麦n o v o z y m e s 、美国g e n e n c o r 等公司陆续有纯碱性果胶酶和碱性果胶 复合酶问世，其生产菌株均为基因工程菌1 4 】【15 1 ，显示出良好的综合生产性 能，其酶制剂产品占据了国内外碱性果胶酶的主要市场，促进了此领域的发 展。但由于国外产品非常昂贵，同时，果胶酶内成份单一，导致使用效果欠 佳，未能得到很好地推广。而国内酶制剂的供应没有实现商品化。 本课题以青岛康地恩生物科技有限公司的碱性果胶酶为研究对象，研究 了该碱性果胶酶的酶学性质和应用条件，并于工厂的实际生产工艺相结合， 研发商业化的纺织用酶制剂。此研究成果对促进国产碱性果胶酶的应用，进 一步推动国内酶制剂的商品化，具有十分重要的意义。 2 第一章绪论 1 1 酶制剂 1 1 1 酶的特性1 6 1 1 7 m 8 1 1 9 埘0 1 第一章绪论 1 1 1 1 专一性 酶最大的特性是专一性，它对所用的底物有严格的选择性。酶的专一性 体现在一种酶只能作用于一种或一类结构相似的底物。但酶的专一性程度视 酶的种类不同而异。大多数酶呈现绝对或几乎绝对专性，只催化一种底物； 少数专一性程度低的酶，可作用多种底物。 1 1 1 2 高效性 酶催化反应的速率极高，一般可达几万倍。例如，过氧化氢酶在催化分 解双氧水漂白后剩余的过氧化氢反应中，一分子的过氧化氢酶在1 s 内可催 化分解5 0 0 万个双氧分子，可见其效率相当高。 1 1 1 3 温和性 酶催化反应的条件比较温和，一般在常温常压下进行，因而比较容易控 制。这一特点为生物酶在纺织处理中的应用展现了良好的前景，使一些产品 的生产可以不用高温高压耐腐蚀的设备，改善劳动环境和条件，减少污水排 放。 1 1 1 4 酶的活性 酶活是以国际单位( u ) 测量的。如一个国际单位的纤维素酶，定义为一 个规定的纤维素基质上，在规定的p h 值和温度下，l h 内释放出1 0 9 m o l 的 葡萄糖。例如一个国际单位的果胶酶，定义为从一个规定的聚半乳糖醛酸基 质上，在规定的p h 值和温下，l h 内释放出1 。0 1 a m o l 半乳糖醛酸。每种酶都 有一个优化的p h 值及其活化范围，其活化行为是由于酶蛋白质中支链上的 氨基酸残基的静电状态，改变了p h 值范围而产生的。在极端p h 值的状态 下，失去了催化作用。另外，酶的活性及其催化反应的速率是随温度变化的。 青岛大学硕士学位论文 酶催化反应的速率是随温度每增加l0 c 而加倍。这是由于温度提高后，增加 了酶与基质之间碰撞的机率，这种趋势随着温度增加一直达到最佳温度为 止。若高于此温度，将破坏酶，使酶失去活性和催化功能。因此，为充分发 挥酶的催化能力，必须找出它的最佳p h 值和最佳温度活性值。 1 1 1 5 酶失活 酶催化反应进行到一定程度后，要采取一定措施使酶失活，如不及时使 其失活，会造成纤维损坏，严重时织物完全损坏。通过改变温度或p h 值来 实现酶失活，有时亦可采用化学使其“中毒”而失活。 1 1 2 酶的催化机理 1 1 2 1 酶作用对降低反应活化能的影响【2 1 】【2 2 】【2 3 】 在任何化学反应中，反应物分子必须超过一定的能阈，成为活化的状态， 才能发生变化，形成产物。这种提高低能分子达到活化状态的能量，称为活 化能。催化剂的作用，主要是降低反应所需的活化能，以致相同的能量能使 更多的分子活化，从而加速反应的进行。 酶能显著地降低活化能，故能表现为高度的催化效率( 图1 1 ) 。如h 2 0 2 酶， 可以显著地看出，酶能降低反应活化能，使反应速度增高千百万倍以上。 4 第一章绪论 自 由 能 图1 1 非催化过程和催化过程自由能的变化 1 1 2 2 中间复合物学说 目前一般认为，酶催化某一反应时，酶先与底物形成酶一底物络合物， 改变底物的能量，使其易于发生转变；当反应结束后，酶催化剂与所有的催 化一样，被释放出来仍然保持原状，重新吸附到其它底物上，并连续催化这 些底物的反应。因只需要少量的酶便足以维持反应的进行。此过程可用下式 表示： e + s ；苎琶s ；苎e + p 上式中e 代表酶，s 代表底物，e s 代表酶中间产物，p 代表反应产物。由 于e s 的形成速度很快，且很不稳定，一般不易得到e s 复合物存在的直接证据。 但从溶菌酶结构的研究中，已制成它与底物形成复合物的结晶，并得到了x 线衍射图，证明了e s 复合物的存在。 e s 的形成，改变了原来反应的途径，可使底物的活化能大大降低，从而 使反应加速。 1 1 3 影响酶活和酶促反应速率的因素2 川2 5 m 6 m 7 1 增强酶活和酶促反应速率的物质称为激活剂，反之称为抑制剂。影响酶 s 青岛大学硕士学位论文 活和酶促反应速的因素较多，主要有如下几种： 1 1 。3 1p h 值 p h 值会影响酶蛋白质的构象和酶分子的解析状态，从而影响酶的活性。 在某一p h 值下，促反应速率达到最大值，称为该酶促反应的最佳p h 值。 经测试，不同种类酶最适合的p h 是不同的，如淀粉酶为5 9 5 ，果胶酶为 4 1 1 ，酸性纤维素酶为4 5 5 5 。 1 1 3 2 温度 温度对酶促反应速率的影响很大。随着反应温度的升高，一方面酶促反 应速率加快( 温度每升高10 。c ，反应速度增加1 2 倍) ，另一方面酶蛋白会 逐渐变性失活。实际应用的酶会有一个最合适酶促反应的推荐温度范围，它 不是一个独立的指标。 1 1 3 3 酶用量 增加酶的用量，酶促反应速率会不断增加，一般考虑到成本选择一个可 达到预期效果的最佳用量。 1 1 3 4 机械搅动 机械搅动可增加酶进入纤维微孔和裂隙的机会，从而也提高了酶促反应 速率。但是，搅剪切力过于剧烈，反而使酶的三维空间结构遭受破坏而使酶 失活。另据文献介绍，若将超声波引入到织物酶处理的反应中，可减少加工 时间，节约酶的用量，提高处理效果，降低成本。 1 1 3 5 金属离子或表面活性剂 一些金属离子和盐可以活化酶的反应。例如钙离子或钠离子等，食盐对 胰酶有活化作用，而对细菌酶无活化作用，c a c l 2 对胰酶和细菌酶都有活化 作用。所以退浆不必用软水或加入软水剂。不过用c a c l 2 作活化剂可能会带 来另一些不利的因素。c a c l 2 含有微量的铜、铁盐时，会对酶起抑制作用。 另外，它还会使一些阴离子表面活性剂发生沉淀。表面活性剂对酶活力的影 响也非常明显。如阴离子表面活性剂可与酶蛋白生成复合物，从而破坏其蛋 白结构；阳离子表面活性剂对酶蛋白的亲和力小，因而对酶失活的作用较小： 但在高浓度下，可与酶蛋白结合生成伸展的棒状复合体，从而破坏蛋白结构。 6 第一章绪论 只有非离子表面活性剂，通常不与酶蛋白结合，不干预酶的三维空间结构， 所以能保持酶本身的活性，但浓度也不能高于c m c ( i 临界胶束浓度) 。在c m c 浓度以下，非离子表面活性剂能帮助酶向基质渗透，提高酶促反应速率。 1 2 纺织用酶制剂 1 2 1 酶制剂的分类 1 2 1 1 淀粉酶【2 8 】【2 9 】 淀粉酶的种类很多，按照酶水解淀粉的方式不同，可以分为以下几类：0 【 淀粉酶、p 淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、支链淀粉酶、异淀粉酶、环式糊精生成 酶、葡萄糖基转移酶。q 淀粉酶可以快速的将淀粉分子链切断，降低淀粉的 粘度，常用于棉织物的退浆工艺中。 目前，在工业生产中应用最多的是枯草杆菌a 淀粉酶。0 【淀粉酶降解淀 粉较稳定，最适p h 为5 7 。a 淀粉酶的热稳定性和产酶的菌种关系密切， 芽胞杆菌a 淀粉酶的耐热性较强，嗜热菌的热稳性更好。一般枯草杆菌的0 【 淀粉酶可以在6 5 下稳定；嗜热脂肪芽胞杆菌的a 淀粉酶在8 5 处理2 0 m i n 后仍可以保持7 0 的酶活。纯化的0 【一淀粉酶在5 0 以上容易失活，但在大 量稳定剂如钙离子存在下，酶的热稳定性明显增加。因为0 【淀粉酶是一种金 属酶，钙离子能使酶分子保持适当的构象，从而维持最大的活性与稳定性。 因而在实际应用和储藏过程中，需要添加钙离子，来维持酶的活性和稳定性。 在纺织处理中，由于水中含有a 淀粉酶所需的活性成分，因此用a 淀粉酶进 行淀粉退浆处理的水不需要软化。淀粉酶主要应用在纤维素纤维( 棉、粘胶 等) 、棉织物的退浆。 1 2 1 2 果胶酶 果胶酶是指能够催化果胶质分解的多种酶的总称【30 1 。果胶酶最初是由 m a c d o n n e l l 从桔子里提取得到的。果胶酶根据降解底物的性质可以分为3 大 类：果胶水解酶、果胶裂解酶和果胶酯酶。果胶酶按其作用的最适p h 分为酸 性果胶酶和碱性果胶酶。碱性果胶酶是在碱性范围内具有较高活性的果胶酶 7 青岛大学硕十学位论文 【3 l 儿32 l 。 h a r d i n 等人通过研究棉纤维胞壁结构得出果胶酶尤其是偏碱性的果胶 酶在棉织物精练方面是有效的33 1 。果胶酶对棉纤维的精练主要针对棉纤维的 初生胞壁。纤维表面的果胶质和蜡质是相互附生的，果胶质将蜡质粘附在纤 维上，因而去除果胶质可以使纤维上的蜡质松动。在生物酶前处理工艺中采 用的果胶酶常常辅配有少量的纤维素酶，有助于更彻底地除杂。此外，果胶 酶的精练过程中常添加表面活性剂，可以增加处理后棉织物的吸水性，减少 残留的果胶物质和蜡质。其精练效果相等或优于常规碱精练，作为常规碱精 练的实用替代方法具有巨大的潜力34 1 。 1 2 1 3 纤维素酶 纤维素酶是一种有相互协同作用的多组分的复合酶，主要由c l 酶、c x 酶及p 葡萄糖苷酶组成【35 1 。纺织工业中应用的纤维素酶大多数是由木酶属真 菌制造的。对棉织物进行有控制的纤维素酶处理，可使强力适当下降的同时， 使织物外观光洁、手感柔软厚实，增加悬垂感，同时增大纤维素的无定形区 【3 6 】【37 1 ，给后道染色、印花提供了良好的条件。 1 2 1 4 复合酶 尽管部分研究表明果胶酶、纤维素酶、蛋白酶单独应用时具有一定效果， 但目前总体上认为果胶酶更适合于棉织物酶精练3 引。为了进一步提高果胶酶 精练效果，近年来许多研究重点放在考察果胶酶与其它酶制剂组成的复合酶 的精练效果。酸性果胶酶和酸性纤维素酶联合精练时存在协同作用：果胶酶 水解表皮层，果胶质将为纤维素酶产生更多作用位点，而纤维素酶水解也会 使更多表皮层中的果胶质暴露给果胶酶【39 1 。 普通脂肪酶仅能水解甘油三酸酯，而甘油三酸酯在棉蜡中含量极少，因 此在提高棉织物润湿性方面不如果胶酶或纤维素酶的效果好。但一些研究表 明脂肪酶与果胶酶、脂肪酶与纤维素酶组成的复合酶可获得较好的精练效 果。此外，研究表明，果胶酶与木聚糖酶、果胶酶与纤维素酶和蛋白酶组成 的复合酶在改善棉织物润湿性方面较单用果胶酶好【4 0 】【4 1 1 。针对棉纤维杂质 组成的多样性和分布的不均匀性，采用以碱性果胶酶为主、其它酶制剂为辅 r 第一章绪论 的复合酶精练具有较好的应用前景【43 1 。但是复合酶一浴精练必须解决各种酶 制剂最适作用范围一致性的问题，以实现一浴一步法加工，否则难以得到推 广应用。 酶精练的机理是利用原果胶酶与不溶性果胶之间的反应，不仅使果胶成 游离状态，还可以使表面其他杂质脱落达到精练的目的【4 4 】【45 1 。在精练过程 中，保护初生胞壁中的纤维素成分达到手感丰满的效果。但是，棉纤维的初 生胞壁中的纤维素分子占有很高的比例，同时果胶并不是连续的成膜地分布 在纤维表面，而是分布在纤维素大分子之间。如果单纯使用果胶酶所需时间 长，并且精练后的织物还需要在纤维素酶的作用下进一步进行减量加工，以 使纤维表面的初生胞壁得以去除。因此在通常情况下，利用纤维素酶和果胶 酶复配进行精练。使纤维表面的纤维素大分子分解，同时果胶呈游离状态， 达到棉纤维表面杂质去除的效果。在纤维素酶和果胶酶共同作用时，由于不 溶性果胶在纤维表面存在，纤维素酶难以进入纤维内部，反应只局限于表面， 从而保护了纤维主体不受破坏，强力没有明显的下降。由于表面果胶分子与 纤维分子同时受到分解作用比单纯果胶分子的分解会更迅速、更有效，去除 纤维表面的杂质也比较干净。 将果胶酶代替烧碱用于棉织物精练时，通过去除初生胞壁和表皮中所含 的蜡质，就能提高作为精练目的织物吸水性。对于精练来说，虽然脂肪酶也 有效果，但其攻击性不及果胶酶和纤维素酶，蛋白酶也不及纤维素和果胶酶 有效，果胶酶及果胶酶与纤维素酶的复合物是所用酶中最有效的。 1 2 2 各种酶的作用机理 1 2 2 1 淀粉酶的作用机理 淀粉酶的种类较多，主要有0 【淀粉酶和1 3 一淀粉酶。0 c 淀粉酶是以一种 快速的“内切”方式作用于淀粉聚合物，属细菌淀粉酶的一种。水解淀粉时， 首先将直链淀粉任意分解成小分子糊精、麦芽糖和麦芽三糖，然后慢慢地将 第一步生成的糊精水解成葡萄糖、麦芽糖及低聚糖。对于支链淀粉，其水解 特性有所不同。因为0 【淀粉酶不能水解分支点的q 1 ，6 糖苷键，也不能水 o 青岛大学硕士学位论文 解0 【1 ，6 糖苷键附近的a 1 ，4 糖苷键，但能绕过分支点而水解内部的a 1 ， 4 糖苷键，因此水解产物中除了葡萄糖、麦芽糖及低聚糖以外，还残留一系 列的极限糊精46 1 。 1 3 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，是一各胱支酶，它水解支链淀粉分子的l ，6 甙 键，常与其他的酶联合使用。目前常用的淀粉酶为l 柚酶，是耐高温淀粉酶 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【4 7 1 。它 能在较高温度下对淀粉分子链中的甙键起催化作用，而使淀粉糊化。 传统的棉织物退浆工业应用氧化剂、酸等退浆剂，这就产生了一个缺点： 退浆剂在与淀粉作用的同时，也会与纤维素发生作用，并降低棉织物的强力。 如果控制不当，甚至会引起棉织物全部降解。淀粉酶在退浆过程中能够发生 选择性反应，并把淀粉转化成可溶状态，在完全破坏淀粉的同时又不损伤纤 维素，这是淀粉酶退浆的一个非常突出的优点【4 8 1 。经淀粉酶退浆后的棉织物 退浆率高，退浆时间短，且布面柔软。 1 2 2 2 果胶酶的作用机理 在果胶精练过程中，棉纤维初生胞壁中的纤维素分子占有很高的比例， 同时果胶膜并不是连续地分布在纤维表面，而是分布在纤维素大分子之间呈 互穿网状。果胶酶精练是利用果胶酶与棉纤维初生胞壁中的不溶性果胶发生 生化反应，促使果胶成游离状态，同时使网状果胶结构中的棉蜡、棉蛋白等 非亲水性物质脱落，从而达到精练目的【4 9 】【50 1 。果胶酶精练原理可用图1 2 表 示。 l o 第一章绪论 黔- 搦羔 蘸l + 瀚! 墓蓬罄i 氆强移7 - - - 。：；i 誊+ i 誊+ 筋q o i 瓴，? “。 一酗鹪酶始物 一。眨 娑豢+ 缀 亲水性物质 果胶酶 改变的初生胞壁 图1 2 果胶酶精练原理示意图 1 2 2 3 纤维素酶的作用机理 纤维素酶主要通过c l 酶、c x 酶及p 葡萄糖苷酶这三种组分来完成。c l 酶作用于纤维的结晶部分，主要去除棉籽壳；c x 酶主要作用于纤维的无定 形区和纤维素的衍生物，并最终生成可溶性产物，同时膨化纤维；1 3 - 葡萄糖 苷酶则作用于纤维素二糖、三糖类物质，最终分解为单糖【5 1 1 。纺织品的天然 纤维结构复杂，结晶度高，很难被酶完全分解成葡萄糖，但在产生可测出的 还原糖以前，其物理性质发生变化，横向断裂，强力降低，聚合下降，吸湿 能力增加，裂解成短的可分离的纤维碎片等。 1 2 2 4 复合酶作用机理 在酶精练过程中，棉纤维初生胞壁中的纤维素分子占有很高的比例，同 时果胶膜并不是连续地分布在纤维表面，而是分布在纤维素大分子之间呈互 穿网状。单纯使用果胶酶所需作用时问往往比较长，并且精练后的织物还需 要在纤维素酶的作用下进一步进行减量加工，才能去除纤维表面的初生胞壁 中的杂质【52 1 。因此，利用复合果胶酶精练，使纤维表面的纤维素大分子分解， 同时果胶质呈游离亲水状态，更易达到去除棉纤维表面初生胞壁层中杂质的 效果。 青岛大学硕十学位论文 1 3浆料 在织造时，经纱由于开口和投梭作用受到较大的张力和摩擦，常有断裂 现象发生。为了减少断经，使织造得以顺利进行。织造前，经纱一般都要经 过上浆处理，以便将纱中的纤维粘着抱合起来，并在纱线表面形成一层坚韧 薄膜，从而增强经纱强力和耐磨性【53 1 。经纱经过上浆，对织造来说是有利的， 但给染整生产带来一定麻烦，因为浆料的存在不仅会污染工作液、耗费染化 料，甚至会阻碍染化料与纤维的接触，使加工过程的进行发生困难。为此， 棉织物在进行染整加工之初，一般都要进行退浆处理，尽可能的除去浆料 5 4 5 5 1 。 经纱上浆常用的浆料有天然浆料和化学浆料两大类。前者包括淀粉和一 些天然胶类；后者则有聚乙烯醇( p v a ) 、羧甲基纤维素( c m c ) 、聚丙烯酸 酯类( p a ) 等。 淀粉浆料的化学结构中含有大量的羟基，能够吸收空气中的水分，对亲 水纤维具有良好的粘着性和成膜性。淀粉对碱比较稳定，在稀碱溶液中容易 发生溶胀；对酸不稳定，易发生水解，形成分子量小、粘度低的可溶性淀粉 和糊精等中间产物，最后水解成葡萄糖。直链淀粉遇碘成蓝色，支链淀粉成 紫红色，可溶性淀粉及分子量较大的糊精成蓝色或紫色，与分子量较低的糊 精成纯色或不显色。直链淀粉微溶于水，支链淀粉难溶于水5 6 1 。 聚乙烯醇( p v a ) 是一种亲水性的高分子化合物，能溶于水，溶解度随分 子量增大而降低；对酸、碱都较稳定；能被氧化剂氧化而降解，最终产物 c 0 2 和比h 2 0 2 。在醋酸、丙酸、乙二醇或苯酚中，p v a 加热后会溶解，冷 却后又生成沉淀。聚合度5 0 0 的p v a 在室温下可溶解，聚合度1 7 0 0 的p v a 在8 0 以上才能溶解。 1 4 棉纤维及其共生物 棉纤维主要由纤维素组成。整个纤维中纤维素约为9 4 ，果胶质、蜡质、 蛋白质、灰份等杂质的含量依次为o 9 ，o 6 ，1 3 ，0 2 。棉纤维组织 1 2 第章绪论 层次比较复杂。如下图1 3 所示： 夺藏 图1 3 棉纤维组织层次 由内到外，依次为中腔、次生胞壁、初生胞壁、角质层。角质层是棉纤 维的最外层，主要由蜡质、果胶质和蛋白质组成。角质层是棉花生长过程中 表面油状物质硬化形成，因而具有疏水性。初生胞壁主要为纤维素的网状结 构，也包含一定量的果胶质。次生胞壁是纤维的主体，约占纤维总量的9 0 以上。次生胞壁纤维素含量很高，杂质含量低【5 7 】【5 8 1 。 1 4 1 棉纤维素 棉纤维素分子是由很多d 六环葡萄糖残基以1 4 苷键连接而成。棉纤维 的微细结构是由定向整齐排列的结晶区和松散的无定形区组成。纤维内部存 在结晶区和无定形区，不同的试剂在不同的介质中能深入到纤维的某种侧序 度以下的区域，而不能达到更高的区域，这样就造成了纤维各部分化学性质 的不均一。棉纤维结晶区的孔径仅为o 5 n m - - - 1n m ，因此对直径为几纳米到 几十纳米的纤维素酶来说，进入这样紧密的结构是很困难的。不过，部分纤 维素酶分子能够进入孔径约为2 0 n m 的非结晶区，使棉纤维的微细结构发生 变化，从而对棉纤维进行改性。 青岛大学硕士学位论文 1 4 2 果胶质 果胶质是由半乳糖醛酸、乙酯化的果胶酸化合物和以原果胶质为主要成 分的异聚糖化合物组成5 9 1 。棉织物中果胶质的含量随着棉纤维成熟度提高而 降低。成熟的棉纤维中果胶质的含量低于0 9 1 ，在不成熟的棉纤维中 可高达6 。同时，随着棉花纤维品种的不同，果胶质的含量也有所差异。 果胶不是连续成膜地分布在纤维表面，而是分布在纤维素大分子中间 【6 0 1 。存在于初生胞壁和原生质纤维的中空腔管内 6 1 】。原棉中的果胶是不溶 解的，形成原果胶的主要机理：( 1 ) 果胶分子间通过钙、镁及铁等多价金属离 子形成交联；( 2 ) 纤维素和半纤维素等细胞壁多糖和果胶分子形成共价键；( 3 ) 果胶分子中的羧基和细胞壁中的组分形成离子键；( 4 ) 果胶分子彼此间或和其 它成分形成物理纠缠，即果胶起到了生物胶作用，把初生胞壁中的各种非纤 维素成分粘合起来，形成以果胶质为骨架的庞大的疏水性网状层6 2 】【6 3 1 。 果胶是影响渗透的主要物质6 4 1 。将果胶从植物组织中游离出来，消除其 粘合蜡质等非纤维素物质的能力，有利于将这些非纤维素物质与植物组织分 离，可提高织物的润湿性。 1 4 3 蜡状物质 棉纤维中不溶于水，但能溶于有机溶剂的杂质，称为蜡状物质或油脂物 质，含量大约为o 5 o 6 。蜡状物质和果胶质是造成天然棉纤维润湿性 能差的主要原因【65 1 。蜡状物质和脂肪存在于棉纤维的最外层，对内部的棉纤 维素起到了保护作用，同时也阻止了前处理时生物酶对基质的可及性。在棉 织物的染整加工中，蜡状物质的去除借助于皂化和乳化作用实现的。 1 4 4 含氮物质 棉纤维中的含氮物质主要以蛋白质和简单的含氮无机盐( 如硝酸盐、亚 硝酸盐) 存在于纤维的胞壁中，也有一部分存在于初生胞壁和次生胞壁中。 含氮无机盐可溶于6 0 c 温水或常温弱酸、弱碱溶液中，蛋白质即使在氢氧化 钠溶液中长时间沸煮也不能完全除净。次氯酸钠可使蛋白质大分子中的酰胺 1 4 第一章绪论 键断裂，生成一系列可溶于水的氯氨基酸钠盐而除去。若有含氮物质存在， 则棉织物在服用过程中，经过漂洗，与有效氯接触，纤维上很容易形成氯胺， 引起棉织物泛黄。所以，在棉织物前处理过程中，应尽可能将它除去。 1 4 5 其它杂质 棉花纤维中的灰分由硅酸、碳酸、盐酸、硫酸、磷酸的钾、钠、钙、锰 盐以及氧化铁和氧化铝组成。其中钾盐和钠盐占灰分总量的9 5 。棉纤维中 的灰分能溶于酸中，可通过练漂中的酸洗来降低其含量【66 1 。 棉纤维中的有色物质为天然色素，有乳酪色、褐色、灰绿色等。目前， 对天然色素的结构研究还不充分。部分色素能溶于沸水。氯漂可使色素破坏 而被去除。 棉籽壳是棉纤维所附着的种籽皮，是剥制纤维时带入的杂质。它的颜色 很深，质地较硬，对织物表面的光洁度和染整加工十分不利。它的组成也很 复杂，主要由木质素、纤维素、单糖、多糖类以及少量蛋白质、矿物质等组 成。棉织物在烧碱、高温、较长时间下进行煮练，木质素中的多种醚键断裂， 木质素大分子降解，棉籽壳变得松软，基本解体，再经充分挤轧、水洗而去 除。在漂白中，木质素还会发生氯化作用而溶解在碱中。 1 5国内外发展现状 棉织物生物酶前处理研究始于上世纪9 0 年代初。早在1 9 9 2 年日本学者 就开始对原果胶酶在棉精练中的应用进行了大量研究6 7 儿6 8 】 69 1 ，探讨了采用 生物酶去除棉纤维上果胶质、提高纤维润湿性的可行性。s a k a i 等发现，原 果胶可通过原果胶酶的严格水解后成为可溶于水的高聚合度的果胶分子。通 过研究原果胶酶中分离出的c 、n 及r 三种类型酶的协同作用，他们开发了 一种针对棉织物精练的生物化学工艺，首次提出了生物精练( b i o s c o u r i n g ) 【7 们。同时也发现酸性果胶酶因在酸性条件下起作用，对棉纤维有一定损伤， 且最适温度普遍不高，总体来看效果不及传统工艺，尚未见有工业化应用报 道，因此不应是酶精练的发展方向。以后各国研究者陆续考察了果胶酶、纤 青岛大学硕七学位论文 维素酶、蛋白酶、脂肪酶及其复合酶对棉织物的精练效果。 1 9 9 8 年，丹麦n o v o z y m e s 公司的科学家成功地分离出用于棉精练的碱性 果胶酶。1 9 9 9 年商品名为b i o p r e p3 0 0 0l 果胶酶问世，该酶可在p h 7 9 ，温 度5 0 。c 6 0 的条件下，并配以非离子型表面活性剂与金属离子螯合剂一起 使用7 1 】。通过这种方式处理后的织物对后续工艺起到了促进作用，同时由于 减少了由化学法处理所带来的不良品质，使织物的白度及强度大为改善。 2 0 0 3 年又推出基因改性的微生物深层发酵产品一碱性果胶裂解酶s c o u r z y m e l 。此后，h a r d i n 等人研究发现【72 1 ，非离子表面活性剂的加入以及适当的机 械搅拌作用会提高碱性果胶酶的活性和处理效率。h a r d i n 和h s i e h 等人均证实 碱性果胶酶与纤维素酶具有很明显的协同作。目前世界各国多采用碱性果胶 酶进行棉织物精练研究73 1 。研究发现，果胶酶精练后棉织物的毛细管效应值 稍高于传统碱精练，精练织物染色后与传统碱煮练具有相近的染色k s 值。 有文献认为表面活性剂在酶精练中起到重要作用，精练的关键在于水洗时有 效去除因果胶酶降解果胶导致的与纤维结合变得不牢固的表皮层杂质 【7 4 】【75 1 。碱性果胶酶对于深色染色棉织物可省去酶精练后的漂白工序，并可 用于常规的轧堆、轧蒸工艺。果胶酶b i o p r e pl 可与a 淀粉酶进行棉机织物一 浴退煮前处理。此外，果胶酶精练还可与染色同浴进行一浴三步法或与生物 抛光整理同浴完成，实现短流程加工。 自l9 9 2 年日本学者开始研究果胶酶至今，国内各大机构以及科研院所 对果胶酶的研究主要是以进口果胶酶为研究对象，研究仍然停留在基础理论 阶段，并未真正走出实验室，和工厂实际生产相结合。这使得研究者在实验 模拟应用中往往存在较大的盲目性，酶制剂特别是碱性果胶酶的开发过程缺 乏更为明确的方向性和针对性，致使研究成果不能最终实现商品化。因此开 发本国的商品化碱性果胶酶势在必行。 1 6 本课题的内容 研究山东康地恩生物科技有限公司产碱性果胶酶k d n t 0 1 的酶学特性， 包括其适合的p h 值、温度、耐热性以及与各种纺织常用助剂混合时，酶活力 1 6 第一章绪论 的变化。为k d n t 0 1 在棉针织物和机织物的精练工艺中的应用研究提供理论 支持。 采用单因素实验优化棉针织物的k d n t 0 1 精练工艺，并在此工艺条件的 基础上研究了其他酶对k d n 。t 0 1 的协同作用。 采用单因素分析法优化了棉机织物k d n t 0 1 的退浆、精练两步工艺和一 步工艺，同时初步研究了其他酶与k d n t 0 1 复合的精练效果。 1 7 青岛大学硕士学位论文 2 1实验材料 2 1 1 试样 棉针织物、棉机织物 2 1 2 酶制剂的种类 第二章实验 弟一早头垭 表2 1 生物酶制剂的种类 2 1 3 化学试剂 分析纯：3 0 h 2 0 z 、n a o h 、n a 2 s i 0 3 、n a 2 s 0 4 、n a 2 c 0 3 、n a c i 、n a 2 h p 0 4 柠檬酸缓冲体系。 工业品：t x - 1 0 、n p 1 0 、a e s 、e l 2 0 、十二烷基磺酸钠、渗透剂j f c 、 精练剂。 2 2 实验仪器 p l3 0 3 型电子天平梅特勒一托利多仪器( 上海) 有限公司 9 8 1 电热恒温水浴锅天津泰斯特仪器有限公司 l f y - 2 1 5 型织物毛细效应仪 山东省纺织科学研究所 s c - 8 0 c 型全自动白度仪 莱州市电子仪器有限公司 1 r 第二章实验 p h s 2 f 数字p h 计 上海精密科学仪器有限公司 l f y 2 0 3 落锤式织物撕破强力机山东省纺织科学研究院 1 0 1 一o 型电热鼓风干燥箱天津市泰斯特仪器有限公司 2 3 实验工艺及实验方法 参见以后各章。 2 4 测试指标与测试方法 2 4 1 高氯酸法测退浆率 绘制工作曲线： 精确称取2 5 m g 淀粉，置t 5 0 m l f l 向烧杯中，加入1 o 12 m l 4 2 的高氯酸 水溶液，搅拌，室温下保持约3 0 m i n ，使淀粉完全溶解。滴加酚酞指示剂2 滴， 边搅拌边加入6 m o l l 氢氧化钠至溶液呈淡粉色，滴加2 m o l l 的醋酸至淡粉色 消失。将溶液转移到2 5 0 m l 的容量瓶中，用蒸馏水冲洗烧杯两次，将冲洗液 转移至容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度。分别吸取该溶液0 m l 、l m l 、3 m l 、 6 m l 、9 m l 、12 m l 于5 0 m l 容量瓶中，加入2 m o l l 的醋酸2 5 m l ，10 的碘化 钾0 5 m l ，o 0 5 m o l l 的碘酸钾溶液2 m l ，再用蒸馏水稀释至刻度，配制成浓 度为2 m g l 、6 m g l 、1 2 m g l 、18 m g l 、2 4 m g l 的溶液( 以淀粉计) 。在避光 处放置显色5 m i n 。在入m a x = 6 2 0 n m 处以空白溶液( 不加淀粉) 作参比，测定吸 光度。以淀粉浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标绘制工作曲线。 退浆率的测定： 分别取退浆前后棉织物各约2 9 ，按“重量法 称量，精确称量棉织物的 干重w 。将棉织物剪成5 m m x 5 m m 左右的小块，放入2 0 0 m l 烧杯中，加入约 3 0 m l 4 2 的高氯酸水溶液，搅拌，室温下保持约3 0 m i n ，使棉织物上淀粉充 分溶解，加入1 0 0 m l 蒸馏水，酚酞指示剂2 滴，边搅拌