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纖維素酶在纖維素纖維織物整理中的應用

2020-01-20江南大學紡織服裝學院 余圓圓 王 強 范雪榮

?? 摘要綜述了纖維素酶在纖維素纖維織物整理中的應用,包括棉織物精練加工、纖維素纖維織物柔軟整理、拋光整理、牛仔織物返舊整理、Lyocell纖維去原纖化處理,指出纖維素酶在紡織加工應用中存在的問題。

? ??關鍵詞:纖維素酶? 纖維素纖維織物? 整理? 應用

?? ?1 前言

隨著人類社會的發展,環境污染問題日益突出,污染大、能耗高的紡織染整行業面臨嚴峻的挑戰。生物酶制劑以其高效性、專一性、作用條件溫和以及環保的加工過程等特點被廣泛應用于紡織染整加工,其中纖維素酶是應用最廣、最成功的一種酶制劑。

纖維素酶是一組催化水解纖維素,生成葡萄糖的酶系總稱。目前,商品化纖維素酶主要由木霉(Trichodermaspp)和黑曲霉(Aspergillusniger2個屬的菌株發酵生產制得。纖維素酶系各組分根據其性質和功能,主要可以分為3大類:?

(1) 內切葡聚糖酶(endo-l,4-D-vlucanase,EC3.2.1.4,來自真菌的簡稱EG,來自細菌的簡稱Cen)。該酶可以隨機水解纖維素大分子鏈中的p-l,4-糖苷鍵,形成新的還原末端;

?(2) 外切葡聚糖酶(exo-l,4-p-D-jucanase,EC3.2.1.91,來自真菌的簡稱CBH,來自細菌的簡Cex)。該酶沿纖維素鏈末端水解,依次釋放纖維二糖;

(3) p-葡萄糖苷酶(3-D-lucosidase,EC3.2.1.2l,簡稱BG),又稱纖維二糖酶。該酶主要將由內切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶水解產生的纖維二糖、寡糖以及低聚糖繼續水解,生成葡萄糖。

20世紀80年代,美國科學家首先將纖維素酶應用于棉織物整理,隨后各國的研究者對纖維素酶在紡織加工中的應用進行了許多研研。目前,纖維素酶已成功應用于纖維素纖維織物的精練前處理、柔軟整理、拋光整理和牛仔織物返舊整理等。

2 纖維素酶在纖維素纖維織物整理中的應用

2.1 纖維素酶在棉織物精練加工中的應用

?? ?棉織物退漿后仍有大部分的天然雜質(棉籽殼、果膠、蠟狀物質、蛋白質等)、漿料和油劑殘留,導致織物潤濕性差、色澤發黃,影響了織物的外觀、手感和后續加工。因此,棉織物退漿后需要進行精練加工,去除天然雜質。棉織物的傳統堿精練工藝存在能耗高、廢水排放量大、纖維損傷嚴重等缺點,已經不符合現代綠色紡織加工的要求。

??? 利用纖維素酶進行精練加工是各國科學家研究的一個重要方向。纖維素酶可以水解纖維素,使附著有雜質的微小纖維水解弱化,在機械作用下從織物上脫落,達到去雜的目的,并且纖維素酶還可以降解棉纖維上的棉籽殼[12]。

胡映清對纖維素酶降解棉籽殼進行研究發現,纖維素酶處理純的棉籽殼屑時,降解率高達80%,為纖維素酶去除棉織物中殘留棉籽殼提供了理論支持。Csiszfir等自1998年起開始研究纖維素酶在棉織物精練中的應用,發現對棉織物進行纖維素酶預處理可以提高堿精練的效果,聯合處理后,棉籽殼的失重率達到80%左右。該團隊還對商品化的纖維素酶降解棉籽殼進行了研究,發現商品化的纖維素酶可以直接降解棉織物表面的棉籽,還發現螯合劑EDTA可以增加纖維素酶降解棉籽殼的能力。?? ?

雖然纖維素酶處理棉織物可以在一定程度上達到去雜的目的,但效果并不十分理想。為了進一步提高酶精練的效果,越來越多的研究利用纖維素酶與其他酶制劑(果膠酶、蛋白酶、脂肪酶、木聚糖酶、角質酶等)復配,用于棉織物精練。在復合酶制劑中,各種酶組分之間協同作用,使雜質能夠被更多、更快地水解。

??? 目前,棉織物的酶法精練尚未實現大規模推廣應用,主要是因為酶精練在處理效果上,特別是在棉籽殼去除方面不能達到傳統堿精練的效果,從而無法替代堿精練。造成酶法精練效果差的原因有很多,首先,棉織物上雜質成分很復雜,這導致單一的酶組分很難將其降解,需要多種酶的協同作用;其次,在多酶協同作用時,由于各種酶催化反應的最適條件不一致,很難保證各組分酶都能發揮較好的催化水解作用;最后,一些酶制劑尚未出現商品化產品,例如果膠酶、角質酶等,實驗室工程酶的酶活還不高,限制了酶法精練的研究??傊?,酶法精練還需要科學家進一步的研究探索。

2.2 纖維素酶在纖維素纖維織物柔軟整理中的應用

??? 生物柔軟整理是利用纖維素酶對纖維素纖維的水解作用,使纖維剛度下降,提高織物柔軟性能。

??? Yanv等研究表明,利用纖維素酶處理耐久壓燙整理后的棉織物可以改善織物的手感,但是會造成織物強力和耐磨性下降。吳贊敏在其博士論文中研究采用生物-化學聯合的方法,實現棉織物的超柔軟整理。在該研究中,棉織物先經過纖維素酶的減量處理,再用化學柔軟劑對其進行增量整理。經纖維素酶處理后的棉織物能吸附更多的化學柔軟劑,并且更多的柔軟劑可以從纖維素酶水解產生的孔隙中進入纖維內部,提高了柔軟效果的耐久性。CSlszaF等采用纖維素酶結合物理機械作用和有機硅柔軟劑對亞麻及含亞麻織物進行整理,發現酶整理能顯著削弱亞麻纖維的剛性,有效改善麻織物的手感。王革輝等對纖維素酶T225處理高支純苧麻織物的服用性能進行了研究,結果表明,經纖維素酶T225處理后,織物抗皺性略有提高,手感更柔軟,刺癢感得到改善。

2.3 纖維素酶在纖維素纖維織物拋光整理中的應用

??? 纖維素纖維的表面有很多突出的微原纖,導致織物在受到外力和外界摩擦作用下很容易起毛起球,影響織物表面的光潔度和手感。生物拋光是一種利用纖維素酶改善纖維素纖維織物表面光潔度和柔軟性的整理,利用纖維素酶水解織物表面的絨毛和微原纖,使其變得脆弱,從而可以在織物與織物或者織物與設備之間的摩擦作用下從織物表面脫落。該整理可以應用于機織和針織的纖維素纖維織物(棉、麻),并可以在紡織品濕加工的任何一個階段進行,大多數情況下在漂白后進行。

??? Pete等用Trichodermareesei纖維素酶處理棉纖維和紗線,發現處理后纖維變得光滑、紗線毛羽減少。Sreenath等采用纖維素酶、果膠酶和木聚糖酶單獨或協同作用處理黃麻/棉混紡織物,發現纖維素酶單獨處理可以去除織物上突起的黃麻和棉纖維,而果膠酶和木聚糖酶單獨作用時無法去除。纖維素酶、果膠酶和木聚糖酶聯合作用時,纖維素酶在較低用量時就能達到很好的拋光效果,說明果膠酶和木聚糖酶的加入對纖維素酶的拋光整理具有一定的促進作用。Fu等的研究表明,乙二胺可以提高纖維素酶的活力、熱穩定性,酶最適溫度由50℃提高至65℃。將乙二胺加入到纖維素酶的拋光整理中,可以提高整理效果,并減少纖維素酶的用量。

2.4 纖維素酶在牛仔織物返舊整理中的應用

??? 牛仔織物一般是以靛藍染色的純棉紗線為經紗,不染色的紗線為緯紗織造而成的粗支斜紋布。由于靛藍染料的耐濕摩擦色牢度差,牛仔織物可以通過特殊的水洗方法獲得“穿舊”時尚效果,深受消費者喜愛,該整理又稱為牛仔織物返舊整理。在早期,牛仔織物采用石磨水洗的方法獲得“穿”效果。但是,石磨水洗整理中存在一些不可避免的缺點,如浮石在機械攪拌作用下會造成服裝脫線、織物強力損失過大、設備損壞,小的浮石顆粒會造成設備排水系統的堵塞,另外水洗過程易產生石灰粉塵,污染織物,影響織物色澤。

纖維素酶已經成功應用于牛仔織物的返舊整理。通過纖維素酶對牛仔織物表面棉纖維的水解作用,機械外力的作用下,使得織物表面的靛藍染料隨著纖維一起從織物上去除,產生類似石磨水洗的效果。維素酶水洗基本可以避免石磨水洗中存在的問題,并且可以獲得一些其他的優點。例如,經纖維素酶水洗后的牛仔織物可以獲得更加均一、立體感強的花紋,色澤鮮艷,還可以從本質上改善織物的手感。但是,由于纖維素酶易與脫落下的靛藍染料結合,重新吸附到織物表面,在纖維素酶的牛仔織物返舊整理中會發生返沾色現象,使纖維素酶的水洗效果降低。

??? 酸性纖維素酶和中性纖維素酶都可以應用于牛仔織物返舊整理。酸性纖維素酶對纖維素纖維有更強的水解作,水洗效率更高,但是織物強力損失大,整理重現性差,易返沾色。中性纖維素酶的活力較低,同酸性纖維素酶相比,達到同樣的整理效果需要更長的整理時間或使用更多的酶。但是,中性纖素酶處理對織物強力損失小,整理效果重現性好,很少發生返沾色現象。酸性纖維素酶和中性纖維素酶各有優缺點,由于酸性纖維素酶的價格較中性纖維素酶低很多,在牛仔織物返舊整理實際生產中使用較多的是酸性纖維素酶,只有在一些高檔牛仔織物的返舊整理時才采用中性纖維素酶。

??? Mamma等研究發現,利用蛋白酶對纖維素酶進行改性,可以有效減少牛仔織物纖維素酶處理中返沾色現象。陳新琪等在超聲波條件下,用中性纖維素酶對牛仔織物進行返舊整理,發現超聲波作用可以提高中性纖維素酶的活性,增強牛仔織物的褪色效果,褪色率提高。

2.5 纖維素酶在Lyocell纖維去原纖化處理中的應用

??? Lyocell纖維,又稱Tencel纖維,是以一種叔胺氧化物NMMO為溶劑溶解纖維素制得紡絲液,然后紡絲成形,因溶劑可以回收對環境無污染,被稱為新世紀的綠色纖維。另外,Lyocell纖維還具有手感柔軟、吸濕性好、強度好等優點。

??? 纖維的原纖化是指纖維與纖維或與其他物體發生濕摩擦后,纖維表面的一些巨原纖從纖維主體上剝離,進而分裂成細小的微原纖的過程。纖維素纖維普遍存在原纖化的問題,其中Lyocell纖維在使用過程中產生原纖化的程度是最嚴重的。織物中的纖維原纖化后,織物易起毛起球、染色光澤差,嚴重影響織物的品質和服用性能。

??? 利用纖維素酶水解Lyocell纖維表面的微原纖,使其逐步弱化,在機械的協同作用下,可以將其斷裂去除,達到纖維去原纖化的目的。Morgado等研究發現,纖維素酶短時間處理Lyocell物不能去除織物上纖維表面的微原纖和絨毛,反而有加重原纖化的趨勢。但是延長纖維素酶的處理時間后,纖維表面的微原纖和絨毛又都會被去掉。另外,研究證實機械作用在該整理過程中起到非常重要的作用。Kumar等口日利用纖維素酶處理Lyocell織物,發現處理后織物的手感、懸垂性以及表面光澤等方面得到改善。Younsook等的研究表明,稀堿預處理可以進一步提高纖維素酶處理Lyocell纖維去原纖化的效果。

2.6 纖維素酶在紡織加工應用中存在的問題

雖然纖維素酶在紡織加工應用中具有很多優點,但仍存在一些問題,制約了其進一步大規模的應用。

2.6.1 處理后織物強力損失大

纖維素酶中含有三種不同的酶組分,內切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、纖維二糖酶。在三種酶組分的協同作用下,纖維素纖維的無定形區和結晶區可以被水解。當三種酶組分同時存在時,三者習慣聚集在一起作用于纖維上同一位置。因此,纖維經纖維素酶水解后,纖維上局部區域會出“坑洞”、部分開裂。另外,纖維素酶分子可以擴散到纖維內部,對纖維內部造成損傷。由于纖維素酶水解作用會不受限制的破壞組成織物的纖維素纖維,導致酶處理后織物強力損失過大。

2.6.2 酶制劑成本高

??? 與傳統化學處理的成本相比較,酶制劑的價格相對過高。紡織行業利潤本就不高,酶制劑的高價格影響了其廣泛應用。

2.6.3 酶的穩定性差、工藝重現性差

??? 由于纖維素酶酶活很難保持穩定,儲存條件的變化、儲存時間的長短等都會對其造成影響。另外,纖維素酶酶活對處理溫度和pH很敏感,稍微的波動都會對其產生影響。在紡織加工中,雖保持每批次酶處理加工的條件一樣,但是加工后織物的品質卻很難保持一致。

3 結束語

??? 盡管纖維素酶在紡織加工應用中仍存在一些問題,但隨著商品化纖維素酶的不斷發展以及技術與工藝的不斷進步,其在纖維素纖維織物整理中的應用范圍將擴大,在紡織加工中具有較大的發展潛力和廣泛的應用前景。

參考文獻:

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