生物酶在棉織物前處理中的應(yīng)用研究

生物酶在棉織物前處理中的應(yīng)用研究任花;劉建勇【摘要】介紹了棉纖維超分子結(jié)構(gòu)及含有的天然雜質(zhì)類別，闡述了傳統(tǒng)棉織物前處理工藝中化學(xué)試劑及高溫環(huán)境對(duì)纖維的損傷和環(huán)境污染問題.依據(jù)生物酶的特性，分析了生物酶在棉織物退漿煮練工藝中的作用機(jī)理，簡(jiǎn)單列舉了目前棉織物退漿精練過(guò)程中使用較廣泛的酶制劑.介紹了過(guò)氧化氫酶、葡萄糖氧化酶、漆酶等在棉織物漂白過(guò)程中的研究情況.通過(guò)對(duì)現(xiàn)階段實(shí)際生產(chǎn)中所使用的生物酶法對(duì)棉織物前處理的工藝和現(xiàn)狀分析指出了目前酶處理存在的問題.％Thesupramolecularstructureofcottonfiberanditsnaturalimpuritieswereintroduced.Thedamageofchemicalreagentandhightemperatureenvironmentinthetraditionalprocessofcottonfabrictofiberanditspollutiontotheenvironmentweredescribed.Accordingtocharacteristicsofbiologicalenzymes,themechanismofenzymesinthedesiccatingscouringprocesswasanalyzed,andtheextensivelyusedenzymepreparationsincottonpretreatmentwereintroduced.Theresearchstatusofcattail,glucoseoxidaseandlaccaseintheprocessoffabricbleachingwasintroduced.Basedonthepre-sentstageoftheactualproductionofenzymaticpretreatment,problemsexistinginenzymeprocessingwerepointedout.【期刊名稱】《天津科技》【年(卷)，期】2016(043)001【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P17-20)【關(guān)鍵詞】棉織物;生物酶;前處理【作者】任花瀏建勇【作者單位】天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院天津300387沃津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院天津300387【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TS190.2棉纖維的結(jié)構(gòu)主要包含角質(zhì)層、初生胞壁、次生胞壁和胞腔。棉纖維中的天然雜質(zhì)主要集中在初生胞壁和角質(zhì)層中，包括果膠、油蠟、蛋白質(zhì)、多聚糖等。此外，在收割和紡織過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生棉籽殼和漿料等雜質(zhì)，都會(huì)影響純棉織物的吸水性和白度。［1-4］為去除棉織物的雜質(zhì)，提高棉織物的加工性能，需要對(duì)棉織物進(jìn)行前處理。傳統(tǒng)的前處理過(guò)程需要使用大量的強(qiáng)堿、氧化劑等化學(xué)藥劑，在高溫下對(duì)織物進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的處理。劇烈的加工條件不僅對(duì)纖維造成損傷，能源消耗大，環(huán)境也受到嚴(yán)重污染。［2，5-6］為此，早在20世紀(jì)90年代初，科學(xué)家開始研究采用生物酶對(duì)純棉織物進(jìn)行前處理的生產(chǎn)工藝。大量研究已表明，利用酶的高效性、專一性和溫和的反應(yīng)條件代替高溫強(qiáng)堿的傳統(tǒng)精練工藝是可行的。［7-9］特別是近年來(lái)采用淀粉酶、果膠酶、纖維素酶等對(duì)純棉織物退漿和煮練效果顯著，工藝也較為成熟。但是利用生物酶技術(shù)減少或取代過(guò)氧化氫漂白工藝仍在研究中，研究表明過(guò)氧化氫酶可催化過(guò)氧化氫分解，而葡萄糖氧化酶、漆酶以及木聚糖酶對(duì)棉織物漂白起主要或輔助作用。［10-12］生物酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化作用的有機(jī)物，棉織物前處理中所使用的生物酶都是由氨基酸長(zhǎng)鏈所組成的蛋白質(zhì)，氨基酸鏈通過(guò)螺旋、折疊等使酶分子具有特定的三維結(jié)構(gòu)。因而酶催化反應(yīng)需要常溫、常壓和溫和的pH條件，不像一般催化劑能在高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等劇烈條件進(jìn)行，并且其催化效率是一般無(wú)機(jī)催化劑的103~106倍。酶對(duì)底物有嚴(yán)格的選擇性，僅能催化一類物質(zhì)的反應(yīng)，酶的催化活性受多種因素（酶的濃度、底物濃度、溫度、pH值等）影響，酶的種類不同，其催化活性最優(yōu)時(shí)所需的反應(yīng)條件也不同。酶制劑具有一定的穩(wěn)定性，但容易失活，因而儲(chǔ)存時(shí)比起其他助劑更容易失效。2.1淀粉酶退漿生物酶法退漿主要針對(duì)使用可降解淀粉漿料和可循環(huán)使用的合成PVA漿料，對(duì)于淀粉漿料而言，可用淀粉酶對(duì)其進(jìn)行降解。應(yīng)用于染整工業(yè)退漿的淀粉酶主要有a-淀粉酶和P-淀粉酶等，目前常用的是L40淀粉酶是a耐高溫淀粉酶的一種，能在較高溫度下對(duì)淀粉分子鏈中的a或鍵起催化作用，使淀粉糊化［3,13］。近年來(lái)用于退漿的淀粉酶主要向?qū)挏胤?、高效率方向發(fā)展。例如丹麥Novozymes公司的寬溫幅退漿酶HousingDesiree2,000,L，溫度使用范圍為20~100,°C，且不會(huì)給織物造成負(fù)面影響。2.2PVA漿料退漿酶對(duì)于PVA合成漿料而言，PVA的退漿方法是將氧化劑系退漿劑和燒堿拼用或?qū)⒏邷匦偷矸勖概c表面活性劑拼用為主，但是工藝在高溫下處理，能源消耗大、環(huán)境污染嚴(yán)重。近年來(lái)，除日本生命科學(xué)技術(shù)研究所開發(fā)PVA分解酶外，我國(guó)江南大學(xué)環(huán)境生物研究室也在致力于PVA降解成品酶的研究。3.1單一酶作用機(jī)理及處理效果角質(zhì)酶屬水解酶，對(duì)聚集緊密的角質(zhì)有較高的酶促活性，破壞植物表皮中雜聚酯分子的酯鍵，使其分解為單體或小分子寡聚體，從而能較理想地去除棉纖維表皮層中不溶性甘油三酯、可溶性酯和角質(zhì)類等疏水性聚酯。果膠酶是一類以果膠為底物，通過(guò)酶促水解或裂解反應(yīng)，使果膠去除酯基和降解的多組分復(fù)合酶類的總稱。用果膠酶精練，既能去除棉纖維初生胞壁中的果膠質(zhì)，也能使其中半纖維素和糖蛋白等其他非纖維素類物質(zhì)從果膠中解離出來(lái)，達(dá)到精練效果。纖維素酶也是一類多組分酶體系，能夠分解初生胞壁中的纖維素大分子，去除部分初生胞壁和表面雜質(zhì)，通常與果膠酶拼用，以發(fā)揮它們的協(xié)同效應(yīng)。蛋白酶可將棉纖維中的蛋白質(zhì)分解成肽，再經(jīng)肽酶分解成氨基酸，然后去除。從表1可以直觀得出這些生物酶單獨(dú)作用于棉織物時(shí)對(duì)其性能的影響。3.2酶復(fù)配及處理效果雖然棉織物經(jīng)過(guò)單一酶精煉后潤(rùn)濕性和白度都有所提高，但是與傳統(tǒng)堿精練相比較效果并不理想。這是由于酶作用的專一性，任何一種酶單獨(dú)作用，都不能達(dá)到去除棉纖維天然伴生雜質(zhì)的目的。因此國(guó)內(nèi)外一些研究者采用多種酶進(jìn)行復(fù)配，利用各種酶制劑的專一性和協(xié)同效應(yīng)來(lái)取得更好的精練效果。復(fù)配的結(jié)果使精練更迅速、更有效，去除纖維表面的雜質(zhì)也比較干凈。對(duì)比表1和表2可以明顯看出采用酶復(fù)合方法處理織物效果要好于單一酶處理的效果。3.3現(xiàn)階段使用較廣泛的酶制劑目前各印染廠采用較多的酶制劑有Novozymes開發(fā)的堿性果膠酶Bioprep，上海永光化工貿(mào)易公司開發(fā)的SKD系列煮練酶［14］等。近年來(lái)由Novozymes推出的精練酶Scourzyme301L是以堿性果膠酶為主的多種酶制劑的復(fù)配產(chǎn)品，與傳統(tǒng)堿精練相比，能全面提升棉制品的處理效果，縮短加工時(shí)間，降低成本。上海瑞鷹化有限公司生產(chǎn)的果膠酶LS是一種果膠生物酶技術(shù)和高活表面劑相結(jié)合的高科技環(huán)保產(chǎn)品，可替代前處理工藝中燒堿、精練劑、滲透劑、雙氧水等各種助劑。用于纖維素纖維的煮練，能有效去除纖維素纖維上的果膠、蠟質(zhì)、漿料等。保留了天然色素、棉籽殼，使纖維具有染深性，特別適合于深色產(chǎn)品的染前煮練。青島康地恩生物科技有限公司最近研發(fā)的KDN精練酶，是一種包含多種果膠酶組分和半纖維素酶成分的復(fù)合酶。KDN精練酶應(yīng)用于棉、麻等織物的前處理工序，能有效分解并部分去除果膠質(zhì)、木質(zhì)素及其他半纖維素類雜質(zhì)，從而達(dá)到精練目的。在長(zhǎng)車連續(xù)軋染工藝應(yīng)用KDN精練酶前處理對(duì)織物處理后檢測(cè)各項(xiàng)半成品物理指標(biāo)見表3。從表3可以看出，精練酶前處理工藝較傳統(tǒng)工藝，除毛效略差，其余各項(xiàng)指標(biāo)都優(yōu)于傳統(tǒng)工藝?，F(xiàn)階段漂白最常用的方法是過(guò)氧化氫法，過(guò)氧化氫漂白可以達(dá)到理想的漂白效果，但漂白后需經(jīng)過(guò)若干次大量水洗或還原劑如重硫酸鹽處理，因此仍存在能耗和污染問題。目前生物酶漂白仍處在研究開發(fā)階段，研究較為集中有以下幾方面：4.1過(guò)氧化氫酶的應(yīng)用利用過(guò)氧化氫酶對(duì)過(guò)氧化氫的催化分解作用可以有效去除漂白后殘留的過(guò)氧化氫，提高染色的重現(xiàn)性［16］，可以大量節(jié)約能源，由于其水解產(chǎn)物為水和氧氣，還可以減少環(huán)境負(fù)荷，縮短漂白與染色之間的沖洗時(shí)間，且對(duì)染色無(wú)影響。這類產(chǎn)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許多研究表明：用葡萄糖氧化酶代替化學(xué)漂白劑來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)棉織物的生物漂白處理應(yīng)用前景極好。［17-18］葡萄糖氧化酶可以催化葡萄糖反應(yīng)生成葡萄糖酸和過(guò)氧化氫，采用產(chǎn)物過(guò)氧化氫進(jìn)行漂白，且漂白過(guò)程無(wú)需添加穩(wěn)定劑，而漂白所用葡萄糖可以從酶退漿的廢液中獲得，使資源得以充分利用，還有利于酶法對(duì)棉織物退漿漂白連續(xù)處理。4.3漆酶和木聚糖酶的研究漆酶是氧化反應(yīng)的催化劑，通過(guò)電子轉(zhuǎn)移，使漆酶中的銅與氨基酸等物質(zhì)所形成的活性中心發(fā)生催化作用，而使底物氧化成過(guò)氧化氫中間體，產(chǎn)生的過(guò)氧化氫或游基作為漂白劑使棉纖維漂白。［19］漆酶/介體體系已在紙漿漂白和牛仔服裝的洗舊整理方面得到應(yīng)用。木聚糖酶對(duì)棉織物進(jìn)行退漿和煮練，對(duì)織物中的雜質(zhì)有特殊效果，纖維變得更加柔軟光滑，吸水性提高。使棉子殼發(fā)生部分水解，從而有利于漂白劑進(jìn)入纖維內(nèi)部，減少漂白劑用量。［20］實(shí)驗(yàn)表明：在棉織物生物酶法前處理工藝中，浴比、pH值、溫度、復(fù)合酶用量及組分酶濃度、處理時(shí)間、化學(xué)助劑、過(guò)氧化氫用量等都會(huì)影響處理織物的強(qiáng)力、吸濕性、白度等，［21-23］因而前處理工藝中需要綜合考慮這些影響因素，優(yōu)選出最佳工藝條件。5.1生物酶冷堆工藝［24］工藝流程：燒毛一軋酶處理液（溫度50：C,pH值7~8）一堆置-（室溫條件下16,h）-熱水洗（95,。。-溫水洗（60,C）f令水洗-烘干-軋氧漂液（軋余率100%,,pH值10-11）-汽蒸（100,C,60,min）-熱水洗（95,。）-溫水洗（60,。）-冷水洗-烘干。處方：酶處理液（淀粉酶、果膠酶、纖維素酶、滲透劑、WZ）、氧漂液（過(guò)氧化氫、水玻璃、滲透劑、WZ）。5.2先退漿后煮練工藝［3］工藝流程：燒毛-軋退漿液（40,C,pH值7-8）-汽蒸（90,C,60,min）-熱水洗（95,。）-溫水洗（60,。）-冷水洗-烘干-軋酶練液（70,C,pH值8-9）-堆置（室溫4,h）-熱水洗（95,。）-溫水洗（60,。）-冷水洗-烘干-軋氧漂液-汽蒸（100,。，60,min,pH值10-11）-熱水洗（95,。）-溫水洗（60,。）-令水洗-烘干。處方：退漿液（淀粉酶、滲透劑、WZ）、酶練液（果膠酶、纖維素酶、滲透劑、WZ）、氧漂液（過(guò)氧化氫、水玻璃、滲透劑）。5.3退漿后酶煮漂一浴工藝［3,24］工藝流程：軋高溫退漿酶液（帶液量100%-110%）-汽蒸（100,。，3后崩-熱水洗（95,。）-烘干-軋復(fù)合酶，雙氧水混合液（帶液量90%-100%）-汽蒸（100,。，50,min）-熱水洗（95,。）-酸洗（HCD-冷水洗-烘干。處方：退漿液（高溫退漿酶、精練劑）、煮漂液（復(fù)合酶、過(guò)氧化氫、助劑）。冷堆工藝處理效果基本能達(dá)到傳統(tǒng)工藝水平，纖維強(qiáng)力損傷較小，但堆置時(shí)間比較長(zhǎng)，由于酶與滲透劑的用量增多，加大了成本，退漿效果也不是十分理想。先退漿后煮練工藝處理與冷堆工藝相比，退漿效果更好，堆置時(shí)間較短，酶和滲透劑用量減少，從而更節(jié)約成本，但是能量消耗較高，纖維損傷也較大。酶煮漂一浴工藝能迅速使?jié){料降解或變得疏松后溶于水，其中部分未去除漿料可在煮漂中去除，復(fù)合酶和雙氧水的協(xié)同作用能使果膠質(zhì)、棉籽殼、蛋白質(zhì)降解，并溶于熱水，棉蠟等雜質(zhì)也一并去除，退漿較為徹底，纖維強(qiáng)力損傷小，產(chǎn)品手感柔軟，但是白度稍差，成本比傳統(tǒng)工藝要低。與傳統(tǒng)棉織物的高溫強(qiáng)堿前處理工藝相比，采用生物酶制劑進(jìn)行前處理，對(duì)纖維的損傷低，處理廢水的pH值接近中性，且COD和BOD值大幅度降低，顯著減輕了環(huán)境負(fù)擔(dān)，操作環(huán)境安全易控制，能源消耗低。因而，棉的生物酶前處理是綠色紡織染整加工技術(shù)，更是染整工業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。但就現(xiàn)有的生物酶對(duì)棉織物前處理工藝技術(shù)而言，還存在棉纖維的共生物去除不凈，漂白白度較低，毛效不高，棉籽殼去除不凈等問題。此外，由于優(yōu)質(zhì)的前處理酶生產(chǎn)技術(shù)主要由國(guó)外幾家大公司所壟斷，導(dǎo)致使用進(jìn)口酶制劑的成本較高，且生物酶制劑的工藝條件要求較高，體系相容性較差。目前，酶處理法加工工藝一般都是在間歇式設(shè)備上進(jìn)行，存在生產(chǎn)效率低，半制品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，生物酶前處理中所使用的助劑還未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。因此，生物酶法對(duì)棉織物的前處理工藝還需要大量的工作去不斷完善和加強(qiáng)?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】[1]奚道榮，何鷹.果膠酶在棉織物前處理中的應(yīng)用[C].全國(guó)染整行業(yè)節(jié)能減排新技術(shù)研討會(huì)論文集，2009:59-61.[2]糅邵行洲，楊棟.棉纖維伴生物和棉紡織品的酶精練[C].第九屆全國(guó)染整前處理學(xué)術(shù)研討會(huì)論文，2012:61-69.[3]徐谷倉(cāng).棉織物采用生物酶前處理工藝有關(guān)問題的探討[C],第八屆陳維稷優(yōu)秀論文獎(jiǎng)?wù)撐膮R編，2005:277-288.[4]閆克路.染整工藝教程[M].第一分冊(cè)，北京：中國(guó)紡織出版社，2005:55-58.[5]HoondalG,TiwariR,TewariR,etal.Microbialalkalinepectinasesandtheirindustrialapplications:areview[J].ApplMicrobiolBio-technol,2002(59):409-418.[6]房寬峻.棉織物高效節(jié)能環(huán)保前處理研究與開發(fā)[C].康地恩杯第八屆全國(guó)染整前處理學(xué)術(shù)研討會(huì)議論文集，2009:280-282.[7]王強(qiáng)，范雪榮，高衛(wèi)東，等.棉針織物復(fù)合生物酶精練加H[C].傳化杯第七屆全國(guó)染整前處理學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2007:237-238.[8]湯克明，王強(qiáng)，范雪榮，等.芽孢桿菌產(chǎn)堿性果膠酶的棉散纖維精練[J].印染，2009,35(9):14-16.[9]萬(wàn)清余，范雪榮.純棉針織物軋蒸-生物酶前處理[J].印染，2005,31(22):19-21.[10]王石磊，張建波，張建英，等.生物酶在天然纖維素纖維紡織品漂白中的應(yīng)用研究進(jìn)展[C]."亞伯”杯第五屆全國(guó)紡織印染助劑學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2011:249-255.[11]許益.生物酶在印染加工上的應(yīng)用[N].紡織導(dǎo)報(bào)，2006(增):355,357-358.[12]Buchle-DillerG,YangXD.Enzymaticbleachingofcottonfabricwithglucoseoxidase[J].TextileRes.J,2001,71(5):388-394.[13]劉理璋，趙瑩，武慧敏，等.生物酶在棉織物前處理中的應(yīng)用[J].染整技術(shù)，2012(11):10-12.[14]倉(cāng)文.精煉用酶制劑：清潔生產(chǎn)的幫手[N].中國(guó)紡織報(bào)，2005:007版.[15]宋愛國(guó)，劉魯民，呂家華.生物精練酶的前處理應(yīng)用[C].康地恩杯第八屆全國(guó)染整前處理學(xué)術(shù)研討會(huì)議論文集，2009:33-37.[16]張瑞萍.過(guò)氧化氫酶在棉針織物漂染工藝中的應(yīng)用研究[J].印染，2000(8):12-14.[17]TzanovT,CalafellM,G