紡織濕加工中酶與底物作用的研究進展

紡織濕加工中酶與底物作用的研究進展

這在維持酶的三維結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮著重要作用。所以酶與底物的關(guān)系,不能簡單看成鎖和鑰匙的形狀和尺寸的相適關(guān)系。而且,酶分子和底物無論在結(jié)合和催化反應過程中,兩者的三維結(jié)構(gòu)都有一定程度的變化。后來又有人提出了‘誘導契合’和‘變構(gòu)模型’等。不過,這些模型也只能大致解釋酶的作用,因為酶的專一性反應是非常復雜的。1.2物理劑的制備酶和底物的作用機理和過程如下表示:酶與底物作用→形成酶和底物的復合物→生化作用→形成酶與底物過度態(tài)絡合物→酶和生成物分離而釋放反應生成物和原來的酶。這樣可使整個反應的活化能降低,從而加快了反應速度。生化反應完成后,酶和生成物分離,酶又可重新催化反應。1.3酶的固定化紡織加工所用的酶反應是在生物體外進行的,有許多因素影響酶的活力。為了提高酶活力或催化效率以及酶的穩(wěn)定性等性能,可將酶進行改性和固定在一定的載體上,這也是近年來研究的一個熱點。酶的固定化方法有吸附法、包埋法、共價鍵結(jié)合法、交聯(lián)法幾種。當然對于不同的纖維可采用不同的固定方法。目前,紡織濕加工中應用的酶制劑不少是為經(jīng)過改性和固定化的酶。但是可以預料,應用改性酶來加工,必定會獲得新的效果和更高的效率。2再生纖維素及合成纖維酶在紡織濕加工中的應用最先是用于淀粉退漿。進入90年代后,酶在織物濕加工中的應用非常廣泛,從退、煮、漂、染、后整理到廢物處理;應用的織物從天然纖維到Tencel等再生纖維素纖維及滌綸等合成纖維。近年來隨著生物工藝學的發(fā)展,許多新的酶制劑品種不斷涌現(xiàn),生物技術(shù)及應用的最新進展將對印染產(chǎn)品的開發(fā)和清潔工藝的采用帶來深遠的影響,著重介紹酶應用的新進展。2.1高溫細菌淀粉酶-淀粉酶傳統(tǒng)的工業(yè)退漿劑為堿、酸或氧化劑等,操作不當,易使織物強力受到嚴重損失,而且堿、酸和氧化劑對環(huán)境有污染。利用生物酶退漿,既可減輕對環(huán)境的污染,又不損傷纖維。使用的酶制劑開始是低溫細菌淀粉酶(α-淀粉酶)。后來開發(fā)了高溫細菌淀粉酶(在95℃～97℃下使用),如在用卷染機進行加工時,處理浴溫度較高,酶的活性較高,這樣酶劑量降低后也能達到退漿的目的,而且加工時間縮短。Lange等人發(fā)現(xiàn)將淀粉酶與脂肪酶混合組成退漿浴,對含有動物脂(潤滑劑)的棉織物進行退漿時,效果很明顯,并證實淀粉酶與脂肪酶之間存在協(xié)同作用,借助脂肪酶催化脂類水解為水溶性的甘油、脂肪酸鹽等,提高退漿效果,而且改善了后序的染色性能,織物也變得柔軟。2.2ik在一浴退漿中的應用最早的生物煮練是用纖維素酶。雖然煮練后織物的潤濕性和吸水性得到提高,但是織物強力和重量損失較大,因此可以認為纖維素酶有助于生物拋光,但不是前處理的合適選擇。后來日本坂井拓夫發(fā)現(xiàn)原果膠酶可用于棉織物精練。處理后棉的潤濕性和果膠質(zhì)的游離與化學精練相同。NovoNordik的科學家分離出一種堿性果膠酶,能快速催化初生胞壁基質(zhì)中聚半乳糖醛酸鹽的水解,既溶解掉果膠質(zhì),又使蠟質(zhì)充分乳化而除去,不會重新沾污。而且織物重量和強力的損失比堿煮或纖維素酶處理都小。又有發(fā)現(xiàn)蛋白酶可作為棉的煮練劑。用牙孢桿菌培植出的蛋白酶煮練棉織物后,與實驗室堿煮(100℃,60min)效果相似。而且水解蛋白酶處理的溫度和時間(25℃和45℃,10min～30min)比果膠降解酶低,給反應介質(zhì)提供較大的pH范圍(4～7),織物的重量損失也較小。為了縮短加工時間,節(jié)水節(jié)能,還有人設想將不同種類的酶拼用進行一浴退漿精練處理。研究發(fā)現(xiàn),將α-淀粉酶和BiotexN-25原果膠酶進行組合后,在pH8,53℃條件下進行一浴處理30min后,退漿率和果膠質(zhì)的去除都比較理想。對于退漿精練后的棉籽殼問題,Byrne提出用木聚糖酶處理,因木聚糖酶能部分降解棉籽殼木質(zhì)纖維素,故可使此問題得到一定程度的改善。2.3葡萄糖淀粉酶及葡萄糖氧化酶棉織物酶漂白可采用如下兩種方法:(1)直接破壞天然素進行漂白,如在H2O2和O2存在下過氧化酶與蟲漆酶對染料脫色有效。(2)將淀粉變?yōu)槠咸烟呛螽a(chǎn)生H2O2,再利用其間接氧化漂白,所用酶為葡萄糖淀粉酶及葡萄糖氧化酶。其作用機理是,淀粉在葡萄糖淀粉酶的作用下轉(zhuǎn)化為β-D葡萄糖,β-D葡萄糖再在葡萄糖氧化酶的作用下產(chǎn)生H2O2和葡萄糖酸,一方面H2O2對織物漂白,另一方面葡萄糖酸能和金屬離子螯合,使漂白浴穩(wěn)定,防止纖維脆化。用此方法漂白(95℃,120min)的織物白度達到88.9,雖比常規(guī)相同濃度H2O2堿性漂白(白度為92.1)稍差,但織物手感柔軟且厚實。2.4蛋白酶的吸附染色方面主要研究織物經(jīng)過酶前處理或整理后染色性能的改變。一般纖維毒酶處理棉后,織物變得多孔疏松,提高了染色速率,但又溶解了無定形區(qū),造成染料對基質(zhì)物的親和性降低,對染料分子吸附的有效體積降低,使平衡上染率下降。最近有研究報導,在溫和的條件下蛋白酶可作為羊毛染色的助劑。試驗了不同蛋白酶在耐縮絨酸性染料染羊毛中的影響。發(fā)現(xiàn)NovoNordisk公司制造的Alcalase2.0T(水解蛋白質(zhì)的絲氨酸蛋白酶)能明顯提高染料的上染率,而且低溫染色(85℃)70min后就可達到常規(guī)無酶染色(100℃)140min時的上染率,從而降低了染色溫度,減少了染色時間,而且織物的染色牢度不受影響,耐光牢度還有所提高(0.5級左右)。這表明酶不但能提高染料的吸附,而且還促進染料在纖維中的擴散。2.5洗、拋光生物酶在織物整理上的應用非常廣,如牛仔布砂洗、生物拋光、羊毛的防氈縮處理等。其目的主要是改善織物的表面性能及手感、增進織物的吸水性、改善織物與染料的親和力,給色率和色光。2.5.1預防次級原纖化Tencel類纖維在濕處理過程中由于物理摩擦容易產(chǎn)生原纖化,影響織物外觀。通過酶處理后,可去除原纖茸毛,產(chǎn)生次級原纖化。即軸向最上部的纖維被切斷,在其末端形成比較短而均勻的微原纖,產(chǎn)生桃皮絨效果。所用的酶大多為弱酸性纖維素酶,如CellusoftPlusL,最佳pH6,浴比1:20的轉(zhuǎn)籠水洗機中,85℃處理30min～90min。2.5.2酶解羊毛纖維常用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶作用機理為,酶作用于角質(zhì)層的異二肽鍵[ε-(γ-谷氨酸)賴氨酸]上,使谷氨酸上的-CONH2與賴氨酸上的-NH2之間產(chǎn)生異肽鏈交聯(lián)的反應,并放出氨。由此使羊毛纖維表面的外層薄膜和內(nèi)部角質(zhì)化部分疏水化而產(chǎn)生拒水效果。而且酶在拒水整理的用量只需0.5%～1.0%(o.w.f),是常規(guī)拒水劑用量的1/100～1/200。據(jù)報導生物酶用于滌綸和含酯共聚物及其混紡織物降解,有效地改善滌綸的吸水性和潤濕性,效果較常規(guī)堿水解好;酶還可用于棉纖維柔軟整理,如Clariant公司推出Telluric加工技術(shù),將酶處理與SirrixLuna漿進行組合整理,使織物更加柔軟,具有真絲的風格等。2.6蟲漆酶染色法紡織濕加工給人類制造產(chǎn)品的同時,也給環(huán)境帶來了負擔—廢液和廢物。生物技術(shù)用于廢液處理,最典型的是活性污泥法,還有臭氧氧化法等。最近研究發(fā)現(xiàn),在纖維上染色的300多種染料中,有178種(56.3%)可被蟲漆酶脫色,或色澤變得相當淺。酶處理條件:pH值為5～6,溫度T為40℃～70℃,酶濃度1g/L不用強制供氧,30min內(nèi)可將染料脫色到100ppm～200ppm。因此,可認為蟲漆酶在染料工廠廢液處理上有利用的可能性。對于棉、毛、蠶絲等天然纖維,因容易生物降解,可作為肥料或土壤調(diào)節(jié)劑。合成纖維可利用尼綸酶、聚酯酶、烯烴酶等分解菌使其降解。3酶制劑的應用綜合上述酶在紡織印染工業(yè)的應用情況,表明在當今全球普遍重視生態(tài)環(huán)保的形勢下,紡織品酶處理已成為重點關(guān)注的技術(shù)。但還存在成本、織物強力損失和酶品種等問題。因此,當前還應作如下工作:1)進一步和生物技術(shù)相結(jié)合,開發(fā)出適合各種工藝的新品種。而且酶的用量越來越多,要求生產(chǎn)制造方法更加簡單,成本更低廉。2)對現(xiàn)有的酶制劑應用工藝參數(shù)如pH、T等進行深入探討,充分發(fā)揮酶的活性。3)在織物的前處理上,利用酶的協(xié)同作用,對退、煮、漂一浴工藝進行優(yōu)化,盡快使之產(chǎn)業(yè)化。4)提高酶制劑的穩(wěn)定性。因酶是蛋白質(zhì),往往會因熱、化學試劑等各種因素而失活,故應尋求合適的方法改善酶的穩(wěn)定性。酶分子的催化作用只發(fā)生在酶分子一定的小部位上，這個部位稱為活性部位或活性中心?；钚圆课皇翘幵诿阜肿颖砻娴囊粋€裂槽內(nèi)，而且有其特定的裂槽形狀和尺寸，因此酶對底物存在選擇性。最早有人提出‘鎖鑰’模型來解釋此關(guān)系。應該指出的是，上述活性部位也不能完全與整個酶分子分割開來，酶分子其他部位對催化作用和活力的調(diào)節(jié)作用1.1結(jié)構(gòu)的特性對酶活性的影響酶是生物體中活細胞產(chǎn)生的一種具有催化作用的物質(zhì)，是由氨基酸分子組成的