生物酶在棉织物前处理中的应用研究

生物酶在棉织物前处理中的应用研究任花;刘建勇【摘要】介绍了棉纤维超分子结构及含有的天然杂质类别，阐述了传统棉织物前处理工艺中化学试剂及高温环境对纤维的损伤和环境污染问题.依据生物酶的特性，分析了生物酶在棉织物退浆煮练工艺中的作用机理，简单列举了目前棉织物退浆精练过程中使用较广泛的酶制剂.介绍了过氧化氢酶、葡萄糖氧化酶、漆酶等在棉织物漂白过程中的研究情况.通过对现阶段实际生产中所使用的生物酶法对棉织物前处理的工艺和现状分析指出了目前酶处理存在的问题.％Thesupramolecularstructureofcottonfiberanditsnaturalimpuritieswereintroduced.Thedamageofchemicalreagentandhightemperatureenvironmentinthetraditionalprocessofcottonfabrictofiberanditspollutiontotheenvironmentweredescribed.Accordingtocharacteristicsofbiologicalenzymes,themechanismofenzymesinthedesiccatingscouringprocesswasanalyzed,andtheextensivelyusedenzymepreparationsincottonpretreatmentwereintroduced.Theresearchstatusofcattail,glucoseoxidaseandlaccaseintheprocessoffabricbleachingwasintroduced.Basedonthepre-sentstageoftheactualproductionofenzymaticpretreatment,problemsexistinginenzymeprocessingwerepointedout.【期刊名称】《天津科技》【年(卷)，期】2016(043)001【总页数】4页(P17-20)【关键词】棉织物;生物酶;前处理【作者】任花浏建勇【作者单位】天津工业大学纺织学院天津300387沃津工业大学纺织学院天津300387【正文语种】中文【中图分类】TS190.2棉纤维的结构主要包含角质层、初生胞壁、次生胞壁和胞腔。棉纤维中的天然杂质主要集中在初生胞壁和角质层中，包括果胶、油蜡、蛋白质、多聚糖等。此外，在收割和纺织过程中也会产生棉籽壳和浆料等杂质，都会影响纯棉织物的吸水性和白度。［1-4］为去除棉织物的杂质，提高棉织物的加工性能，需要对棉织物进行前处理。传统的前处理过程需要使用大量的强碱、氧化剂等化学药剂，在高温下对织物进行长时间的处理。剧烈的加工条件不仅对纤维造成损伤，能源消耗大，环境也受到严重污染。［2，5-6］为此，早在20世纪90年代初，科学家开始研究采用生物酶对纯棉织物进行前处理的生产工艺。大量研究已表明，利用酶的高效性、专一性和温和的反应条件代替高温强碱的传统精练工艺是可行的。［7-9］特别是近年来采用淀粉酶、果胶酶、纤维素酶等对纯棉织物退浆和煮练效果显著，工艺也较为成熟。但是利用生物酶技术减少或取代过氧化氢漂白工艺仍在研究中，研究表明过氧化氢酶可催化过氧化氢分解，而葡萄糖氧化酶、漆酶以及木聚糖酶对棉织物漂白起主要或辅助作用。［10-12］生物酶是由活细胞产生的具有催化作用的有机物，棉织物前处理中所使用的生物酶都是由氨基酸长链所组成的蛋白质，氨基酸链通过螺旋、折叠等使酶分子具有特定的三维结构。因而酶催化反应需要常温、常压和温和的pH条件，不像一般催化剂能在高温、高压、强酸、强碱等剧烈条件进行，并且其催化效率是一般无机催化剂的103~106倍。酶对底物有严格的选择性，仅能催化一类物质的反应，酶的催化活性受多种因素（酶的浓度、底物浓度、温度、pH值等）影响，酶的种类不同，其催化活性最优时所需的反应条件也不同。酶制剂具有一定的稳定性，但容易失活，因而储存时比起其他助剂更容易失效。2.1淀粉酶退浆生物酶法退浆主要针对使用可降解淀粉浆料和可循环使用的合成PVA浆料，对于淀粉浆料而言，可用淀粉酶对其进行降解。应用于染整工业退浆的淀粉酶主要有a-淀粉酶和P-淀粉酶等，目前常用的是L40淀粉酶是a耐高温淀粉酶的一种，能在较高温度下对淀粉分子链中的a或键起催化作用，使淀粉糊化［3,13］。近年来用于退浆的淀粉酶主要向宽温幅、高效率方向发展。例如丹麦Novozymes公司的宽温幅退浆酶HousingDesiree2,000,L，温度使用范围为20~100,°C，且不会给织物造成负面影响。2.2PVA浆料退浆酶对于PVA合成浆料而言，PVA的退浆方法是将氧化剂系退浆剂和烧碱拼用或将高温型淀粉酶与表面活性剂拼用为主，但是工艺在高温下处理，能源消耗大、环境污染严重。近年来，除日本生命科学技术研究所开发PVA分解酶外，我国江南大学环境生物研究室也在致力于PVA降解成品酶的研究。3.1单一酶作用机理及处理效果角质酶属水解酶，对聚集紧密的角质有较高的酶促活性，破坏植物表皮中杂聚酯分子的酯键，使其分解为单体或小分子寡聚体，从而能较理想地去除棉纤维表皮层中不溶性甘油三酯、可溶性酯和角质类等疏水性聚酯。果胶酶是一类以果胶为底物，通过酶促水解或裂解反应，使果胶去除酯基和降解的多组分复合酶类的总称。用果胶酶精练，既能去除棉纤维初生胞壁中的果胶质，也能使其中半纤维素和糖蛋白等其他非纤维素类物质从果胶中解离出来，达到精练效果。纤维素酶也是一类多组分酶体系，能够分解初生胞壁中的纤维素大分子，去除部分初生胞壁和表面杂质，通常与果胶酶拼用，以发挥它们的协同效应。蛋白酶可将棉纤维中的蛋白质分解成肽，再经肽酶分解成氨基酸，然后去除。从表1可以直观得出这些生物酶单独作用于棉织物时对其性能的影响。3.2酶复配及处理效果虽然棉织物经过单一酶精炼后润湿性和白度都有所提高，但是与传统碱精练相比较效果并不理想。这是由于酶作用的专一性，任何一种酶单独作用，都不能达到去除棉纤维天然伴生杂质的目的。因此国内外一些研究者采用多种酶进行复配，利用各种酶制剂的专一性和协同效应来取得更好的精练效果。复配的结果使精练更迅速、更有效，去除纤维表面的杂质也比较干净。对比表1和表2可以明显看出采用酶复合方法处理织物效果要好于单一酶处理的效果。3.3现阶段使用较广泛的酶制剂目前各印染厂采用较多的酶制剂有Novozymes开发的碱性果胶酶Bioprep，上海永光化工贸易公司开发的SKD系列煮练酶［14］等。近年来由Novozymes推出的精练酶Scourzyme301L是以碱性果胶酶为主的多种酶制剂的复配产品，与传统碱精练相比，能全面提升棉制品的处理效果，缩短加工时间，降低成本。上海瑞鹰化有限公司生产的果胶酶LS是一种果胶生物酶技术和高活表面剂相结合的高科技环保产品，可替代前处理工艺中烧碱、精练剂、渗透剂、双氧水等各种助剂。用于纤维素纤维的煮练，能有效去除纤维素纤维上的果胶、蜡质、浆料等。保留了天然色素、棉籽壳，使纤维具有染深性，特别适合于深色产品的染前煮练。青岛康地恩生物科技有限公司最近研发的KDN精练酶，是一种包含多种果胶酶组分和半纤维素酶成分的复合酶。KDN精练酶应用于棉、麻等织物的前处理工序，能有效分解并部分去除果胶质、木质素及其他半纤维素类杂质，从而达到精练目的。在长车连续轧染工艺应用KDN精练酶前处理对织物处理后检测各项半成品物理指标见表3。从表3可以看出，精练酶前处理工艺较传统工艺，除毛效略差，其余各项指标都优于传统工艺。现阶段漂白最常用的方法是过氧化氢法，过氧化氢漂白可以达到理想的漂白效果，但漂白后需经过若干次大量水洗或还原剂如重硫酸盐处理，因此仍存在能耗和污染问题。目前生物酶漂白仍处在研究开发阶段，研究较为集中有以下几方面：4.1过氧化氢酶的应用利用过氧化氢酶对过氧化氢的催化分解作用可以有效去除漂白后残留的过氧化氢，提高染色的重现性［16］，可以大量节约能源，由于其水解产物为水和氧气，还可以减少环境负荷，缩短漂白与染色之间的冲洗时间，且对染色无影响。这类产品有Novozymes公司的terminoxUltra，Genencor公司的catalasef-100和oxy-gone400。4.2葡萄糖氧化酶的生物漂白许多研究表明：用葡萄糖氧化酶代替化学漂白剂来实现对棉织物的生物漂白处理应用前景极好。［17-18］葡萄糖氧化酶可以催化葡萄糖反应生成葡萄糖酸和过氧化氢，采用产物过氧化氢进行漂白，且漂白过程无需添加稳定剂，而漂白所用葡萄糖可以从酶退浆的废液中获得，使资源得以充分利用，还有利于酶法对棉织物退浆漂白连续处理。4.3漆酶和木聚糖酶的研究漆酶是氧化反应的催化剂，通过电子转移，使漆酶中的铜与氨基酸等物质所形成的活性中心发生催化作用，而使底物氧化成过氧化氢中间体，产生的过氧化氢或游基作为漂白剂使棉纤维漂白。［19］漆酶/介体体系已在纸浆漂白和牛仔服装的洗旧整理方面得到应用。木聚糖酶对棉织物进行退浆和煮练，对织物中的杂质有特殊效果，纤维变得更加柔软光滑，吸水性提高。使棉子壳发生部分水解，从而有利于漂白剂进入纤维内部，减少漂白剂用量。［20］实验表明：在棉织物生物酶法前处理工艺中，浴比、pH值、温度、复合酶用量及组分酶浓度、处理时间、化学助剂、过氧化氢用量等都会影响处理织物的强力、吸湿性、白度等，［21-23］因而前处理工艺中需要综合考虑这些影响因素，优选出最佳工艺条件。5.1生物酶冷堆工艺［24］工艺流程：烧毛一轧酶处理液（温度50：C,pH值7~8）一堆置-（室温条件下16,h）-热水洗（95,。。-温水洗（60,C）f令水洗-烘干-轧氧漂液（轧余率100%,,pH值10-11）-汽蒸（100,C,60,min）-热水洗（95,。）-温水洗（60,。）-冷水洗-烘干。处方：酶处理液（淀粉酶、果胶酶、纤维素酶、渗透剂、WZ）、氧漂液（过氧化氢、水玻璃、渗透剂、WZ）。5.2先退浆后煮练工艺［3］工艺流程：烧毛-轧退浆液（40,C,pH值7-8）-汽蒸（90,C,60,min）-热水洗（95,。）-温水洗（60,。）-冷水洗-烘干-轧酶练液（70,C,pH值8-9）-堆置（室温4,h）-热水洗（95,。）-温水洗（60,。）-冷水洗-烘干-轧氧漂液-汽蒸（100,。，60,min,pH值10-11）-热水洗（95,。）-温水洗（60,。）-令水洗-烘干。处方：退浆液（淀粉酶、渗透剂、WZ）、酶练液（果胶酶、纤维素酶、渗透剂、WZ）、氧漂液（过氧化氢、水玻璃、渗透剂）。5.3退浆后酶煮漂一浴工艺［3,24］工艺流程：轧高温退浆酶液（带液量100%-110%）-汽蒸（100,。，3后崩-热水洗（95,。）-烘干-轧复合酶，双氧水混合液（带液量90%-100%）-汽蒸（100,。，50,min）-热水洗（95,。）-酸洗（HCD-冷水洗-烘干。处方：退浆液（高温退浆酶、精练剂）、煮漂液（复合酶、过氧化氢、助剂）。冷堆工艺处理效果基本能达到传统工艺水平，纤维强力损伤较小，但堆置时间比较长，由于酶与渗透剂的用量增多，加大了成本，退浆效果也不是十分理想。先退浆后煮练工艺处理与冷堆工艺相比，退浆效果更好，堆置时间较短，酶和渗透剂用量减少，从而更节约成本，但是能量消耗较高，纤维损伤也较大。酶煮漂一浴工艺能迅速使浆料降解或变得疏松后溶于水，其中部分未去除浆料可在煮漂中去除，复合酶和双氧水的协同作用能使果胶质、棉籽壳、蛋白质降解，并溶于热水，棉蜡等杂质也一并去除，退浆较为彻底，纤维强力损伤小，产品手感柔软，但是白度稍差，成本比传统工艺要低。与传统棉织物的高温强碱前处理工艺相比，采用生物酶制剂进行前处理，对纤维的损伤低，处理废水的pH值接近中性，且COD和BOD值大幅度降低，显著减轻了环境负担，操作环境安全易控制，能源消耗低。因而，棉的生物酶前处理是绿色纺织染整加工技术，更是染整工业的一个重要发展方向。但就现有的生物酶对棉织物前处理工艺技术而言，还存在棉纤维的共生物去除不净，漂白白度较低，毛效不高，棉籽壳去除不净等问题。此外，由于优质的前处理酶生产技术主要由国外几家大公司所垄断，导致使用进口酶制剂的成本较高，且生物酶制剂的工艺条件要求较高，体系相容性较差。目前，酶处理法加工工艺一般都是在间歇式设备上进行，存在生产效率低，半制品质量不稳定等问题，生物酶前处理中所使用的助剂还未达到标准化和系列化。因此，生物酶法对棉织物的前处理工艺还需要大量的工作去不断完善和加强。【相关文献】[1]奚道荣，何鹰.果胶酶在棉织物前处理中的应用[C].全国染整行业节能减排新技术研讨会论文集，2009:59-61.[2]糅邵行洲，杨栋.棉纤维伴生物和棉纺织品的酶精练[C].第九届全国染整前处理学术研讨会论文，2012:61-69.[3]徐谷仓.棉织物采用生物酶前处理工艺有关问题的探讨[C],第八届陈维稷优秀论文奖论文汇编，2005:277-288.[4]闫克路.染整工艺教程[M].第一分册，北京：中国纺织出版社，2005:55-58.[5]HoondalG,TiwariR,TewariR,etal.Microbialalkalinepectinasesandtheirindustrialapplications:areview[J].ApplMicrobiolBio-technol,2002(59):409-418.[6]房宽峻.棉织物高效节能环保前处理研究与开发[C].康地恩杯第八届全国染整前处理学术研讨会议论文集，2009:280-282.[7]王强，范雪荣，高卫东，等.棉针织物复合生物酶精练加H[C].传化杯第七届全国染整前处理学术研讨会论文集，2007:237-238.[8]汤克明，王强，范雪荣，等.芽孢杆菌产碱性果胶酶的棉散纤维精练[J].印染，2009,35(9):14-16.[9]万清余，范雪荣.纯棉针织物轧蒸-生物酶前处理[J].印染，2005,31(22):19-21.[10]王石磊，张建波，张建英，等.生物酶在天然纤维素纤维纺织品漂白中的应用研究进展[C]."亚伯”杯第五届全国纺织印染助剂学术交流会论文集，2011:249-255.[11]许益.生物酶在印染加工上的应用[N].纺织导报，2006(增):355,357-358.[12]Buchle-DillerG,YangXD.Enzymaticbleachingofcottonfabricwithglucoseoxidase[J].TextileRes.J,2001,71(5):388-394.[13]刘理璋，赵莹，武慧敏，等.生物酶在棉织物前处理中的应用[J].染整技术，2012(11):10-12.[14]仓文.精炼用酶制剂：清洁生产的帮手[N].中国纺织报，2005:007版.[15]宋爱国，刘鲁民，吕家华.生物精练酶的前处理应用[C].康地恩杯第八届全国染整前处理学术研讨会议论文集，2009:33-37.[16]张瑞萍.过氧化氢酶在棉针织物漂染工艺中的应用研究[J].印染，2000(8):12-14.[17]TzanovT,CalafellM,G