（应用化学专业论文）纤维素纤维织物高档化的生物助剂研究.pdf

纤维素纤维织物高档化的生物助剂研究 摘要 纤维素纤维包括天然纤维素纤维和再生纤维素纤维，是纺织品产 品的重要原料。近年来，纤维素纤维由于其良好的舒适性能，在服 装用纺织产品中的应用呈上升趋势。经过生物抛光整理的纤维素纤 维织物的表面光洁，抗起毛起球，同时织物能够达到柔软、蓬松等 独特性能，升级为高档产品。作为生物抛光的助剂纤维素酶已经被 国外厂家所垄断，而且不同的纺织企业，生产的品种、加工对象和 设备条件千变万化，对纺织用纤维素酶助剂的要求不尽相同。为了 满足特定工艺条件的需要以及纤维素纤维织物的高档化，我们通过 研究生物助剂一纤维素酶d i q 来达到目的，这样不仅利用优良的酶品 种，又开发了自己的独特产品。 本论文研究了金属离子、有机化合物和表面活性剂对纤维素酶活 力的影响，结果表明，n a + 、k + 、m f + 等离子在低浓度下有激活作 用，而些重金属离子如c u 2 + 、m n 2 + 等对纤维素酶有抑制作用；大 多数羟基化合物是抑制剂，但山梨醇、甘油等少数几种羟基化合物 贝j 对纤维素酶起活化作用；非离子表面活性剂促进了酶分子的扩散 和渗透，增加了酶在固体底物上的可移动性，使酶较容易地解吸并 移动到其他结合部位，从而增加酶的活性。 分别选取山梨醇、氯化钠、c 1 2 1 4 和苯甲酸钠作为纤维素酶的稳 定剂、抗菌剂和防腐剂，通过一系列单因素实验和正交实验，得到 了生物助剂纤维素酶d h 的最佳配方：山梨醇6 ，氯化钠1 0 ， c 1 2 1 42 ，苯甲酸钠1 5 ，同时发现几种稳定剂的配合使用有利于 助剂的稳定，延长了生物助剂的使用期。 本论文使用纤维素酶d h 对棉织物进行生物抛光整理，通过对织 物减量率的研究，确定了合适的机械作用条件和反应液相体系。同 时对棉织物的生物抛光工艺进行研究，获得了纤维素酶d h 的最佳处 理工艺条件：温度为4 5 0 - c 一5 5 。c ，p h 域在4 5 5 5 ，整理时间4 0 5 0 m i n ， 浴比1 ：1 5 1 ：2 0 。经过生物抛光整理的纤维素纤维织物，伴随纤维 的减量，织物的强力有所下降；织物的折皱回复角提高，弹性增加， 织物的悬垂系数和毛细效应都有一定的改善，这样就提高了纤维素 纤维的服用性能，使其升级为高档产品。我们还发现，在短时问处 理不同纤维素纤维织物的减量次序为：亚麻 棉 苎麻。 此外本论文还用纤维素酶d h 对牛仔布返旧整理进行研究，能够 获得均匀的返旧效果，其各项性能均有所改善。在返旧整理过程中， 出现返沾色现象，这与纤维素酶d h 是酸性关系密切。 关键词：纤维素纤维，纤维素酶，酶活，减量率，生物抛光 东华大学倾十学位论文 r e s e a r c ho nb i o l o g ya g e n tf o r t h e c e l l u l o s ef a b r i cu p g r a d i n g a b s t r a c t c e l l u l o s ef i b e r sa r ei m p o r t a n tm a t u r eo ft e x t i l e ，i n c l u d i n gn a t u r a l c e l l u l o s ef i b e ra n dr e g e n e r a t i v ec e l l u l o s ef i b e r t h e a p p l i c a t i o no f c e l l u l o s ef i b e r sa r e i n c r e a s i n ga m o n ga p p a r e l f a b r i cd u et ot h e i r c o m f o r t a b l ep e r f o r m a n c er e c e n t l y t h es u r f a c eo fc e l l u l o s ef i b e rb e c o m e s m o o t h l ya n df l u f f - r e s i s ta f t e rb i o p o l i s h i n g a n dt h ef a b r i cu pt ot h et o p g r a d ep r o d u c t sa st h er e s u l t so fs o f ta n df l e e c yc h a r a c t e r i s t i c s f o r e i g n f a c t o r i e sf o r e s t a l l e dt h ec e l l u l o s ew h i c hu s ea sb i o l o g ya g e n t sn o w a n d d i f f e r e n tc o m p a n i e sh a v ed i f f e r e n te q u i p m e n t sp r o d u c e dv a r i o u sp r o d u c t s ， s ot h e yh a v ed i f f e r e n tr e q u i r e st ot h eb i o l o g ya g e n t s w es t u d yd ho f b i o l o g ya g e n t sf o rm e e tt h o s es p e c i a lt e c h n i c a lc o n d i t i o n sa n dm a k et h e f a b r i co fc e l l u l o s ef i b e ru pt ot h et o pg r a d e t h i sm e t h o di sn o to n l y m a d eu s i n go fa d v a n c e dv a r i e t yo fe n z y m e ，b u ta l s od e v e l o p e do u ro w n u n i q u ep r o d u c t i nt h i s p a p e r ，t h e e f f e c t so fm e t a li o n 、o r g a n i c c o m p o u n da n d s u r f a c t a n tt ot h ea c t i v i t yo fe n z y m ea r ed i s c u s s e d w ec a nc o n c l u d e dt h a t 东毕大学硕上学位论文 s o m em e t a li o na sn a + 、k + 、m 9 2 + h a v ea c t i v a t i o na tl o wc o n c e n t r a t i o n b u ts o m eh e a v ym e t a li o nh a v er e s t r a i ne f f e c t m o s to ft h eh y d r o x i d e a r ei n h i b i t o r ，b u ts e v e r a lh y d r o x i d es u c ha ss o r b i t o la n dg l y c e r o lh a v e a c t i v a t i o nt oc e l l u l o s e n o n i o n i cs u r f a c t a n t sa c c e l e r a t e dt h ep e r m e a t i o n a n dd i f f u s i o no fe n z y m em o l e c u l e ，a n df a v o rt h es e p a r a t i o no ns o l i d m a t t e r ，s oe n z y m em o l e c u l ec a nd e s o r p t i o ne a s i l ya n dm o v e dt h a ti ti s a c t i v i t yw a si m p r o v e d w es e l e c t e ds o r b i t o l ，t h es o d i u mc h l o r i d e ，c12 14a n dt h es o d i u m b e n z o a t ea st h es t a b i l i z e r ，a n t i m i c r o b i a la n da n t i s e p t i co fc e l l u l a s e t h r o u g h as e r i e so f s i n g l e f a c t o r s e x p e r i m e n t s a n do r t h o g o n a l e x p e r i m e n t s ，t h e b e s tt e c h n i co ft h eb i o l o g ya g e n t s - - c e l l u l o s ed h f o r m u l aa r eo b t m n e d ：s o r b i t o l6g l ，s o d i u mc h l o r i d e1 0g l ，c 1 2 1 42 g l ，s o d i u mb e n z o m e1 5g l s i m u l t a n e o u s l yd i s c o v e r ss e v e r a lk i n do f s t a b i l i z e r st h ec o o r d i n a t eu s e sa r ea d v a n t a g e o u sb i o l o g ya g e n t st h e s t a b i l i t y , p r o l o n gt h el i f e t i m eo fb i o l o g ya g e n t s i n t h i st h e s i s ，w eu s ec e l l u l o s ed ht ob i o p o l i s ho nc o t t o nf a b r i c a f t e rr e s e a r c ht h er a t eo fw e i g h tl o s so fc o t t o nf a b r i c ，w eh a v ec o n f i r m e d t h er i g h tm e c h a n i c a l 。a c t i o na n dr e a c t i o nl i q u i dp h a s es y s t e m m o r e o v e r ， b yr e s e a r c ho nt e c h n i q u eo fb i o p o l i s h i n go fc o t t o nf a b r i c ，t h eo p t i m a l b i o - p o l i s h i n gt e c h n o l o g yw a so b t a i n e d ：t h et e m p e r a t u r ei s4 5 。c - - 5 5 。c t h ep hv a l u ei s4 5 5 5 ，f i n i s h i n gt i m e4 0 5 0 m i n ，b a t hr a t i o1 ：1 5 1 ：2 0 a f t e rb i o p o l i s h i n g ，t h es t r e n g t ho fc o t t o nf a b r i ci sd r o p p e dr e s u l tf i o m 东华大学硕 学位论文 t h ef i b e rb e i n gd e w e i g h t e d ，b u tc r e a s e r e c o v e r ya n g l eo ff a b r i c i s i m p r o v e d ，a n d e l a s t i co ff a b r i ci s e n h a n c e d ，d r a p ep e r f o r m a n c ea n d c a p i l l a r ye f f e c to ff a b r i ci sa l s oi m p r o v e d t h u sc l o t h i n gp r o p e r t i e si s i n c r e a s e da n dt h e yb e c o m et o pg r a d ep r o d u c t s w eh a v en o t i c e dt h a tt h e r a t eo fw e i g h tl o s so fd i f f e r e n tc e l l u l o s ef a b r i ci sd i f f e r e n ti ns h o r tt i m e t h e i ro r d e ri sf l a x c o t t o n r a m i e m o r e o v e r ，w e u s e dc e l l u l o s ed ht or e s e a r c h o n p r o c e s s i n g e n z y m a t i c sw a s h i n go fd e n i m ，u n i f o r me n z y m a t i c sw a s h i n ge f f e c tc a n b eg a i n e d ，a n dm o s to ft h e i r p e r f o r m a n c e s a r e i m p r o v e d d u r i n g p r o c e s s i n gd e n i mf i n i s h i n g ，p h e n o m e n o no fb a c k s t a i n i n gc a nb ef o u n d i ti sv e r yr e l a t i v et oa c i d i t yo fc e l l u l o s ed h w e n f e i ( a p p l i e dc h e m i s t r y ) s u p e r v i s e db yc h e nd e - z h a o , z h a n gx i n g - q u n k e yw o r d s ：c e l l u l o s ef i b e r , c e l l u l a s e ，a c t i v i t yo fe n z y m e ，r a t e o f w e i g h tl o s s ，b i o p o l i s h i n g 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写， 我对所写的内窬负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 艾孚 日期：辞1 月妒日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使刖学位论文的规定，同意学校保留爿i 向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权尔华人学可 以将本学侥论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采h j 影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适川本版权 本学位论文属丁 不保密口。 学位论文作者签名 艾番 日期：跏1 年1 月妒日 指导教师签名 日蛳j ：冲年，爿毕口 东毕大学坝一 学位论史 第一章绪论 1 1 引言 纤维素酶是催化水解纤维素、生成葡萄糖的酶的总称，是由多组分酶组成 的酶系。在催化反应中，各组分酶各司其职。完成整个反应过程，即具有协同 作用。纤维素酶是发现比较早的一个酶品种，1 9 0 6 年s e i l l i e r e 首先发现蜗牛的 消化液中有一种能够分解纤维素的物质，即纤维素酶。1 9 3 3 年g r a s s m a n 等研究 了一种真菌的纤维素酶系，并首次分辨出其中至少含有2 种组分，确认了纤维 素酶的多组分酶体系。由于纤维素酶可以将自然界最丰富的资源一纤维素转化 为葡萄糖，诱人的应用前景使科学家对它进行了系统深入的研究，是最早进行 系统研究的酶品种之一。2 0 世纪4 0 一5 0 年代科学家就对产生纤维素酶的微生物 进行了筛选工作，建立了较为完整的分离筛选方法。1 9 5 0 年r e e s e i 等提出了纤 维素酶作用的c i c 。假说，使人们对纤维素酶的作用方式有了形象的了解，并 由此促进了对纤维素酶的基础研究。1 9 6 0 年以后，随着分离技术的发展，对纤 维素酶各组分的研究进一步深入，实现了纤维素酶制剂的工业化生产，在应用 上也取得了一定的进展。目前纤维素酶已经在食品加工、制酒、饲料、培养菌 体蛋白和纤维素糖化等方面得到了广泛的应用。1 9 9 0 年以后随着基因改性技术 的发展，纤维素酶的催化效率得到了很大的提高，在纺织工业中的应用日益广 泛，在纤维素纤维织物的石磨水洗、生物抛光、柔软整理，特别是l y o c e l l 织物 的后整理中的应用都非常成功1 1 【2 】1 3 1 。近年随着生物工艺学的进展，使酶制剂品 种不断扩大，酶的培养、生产和纯化技术不断改进和提高，酶在纺织品上的应 用也揭开了新的页，对服装的高档化意义深远。 生物抛光是一种用纤维素酶改善纤维素纤维织物表面的整理工艺，以达到 持久的抗起毛起球并增加织物的光洁度和柔软度。天然纤维素的结构复杂，结 晶度高，在一定酶浓度和时间条件下很难把纤维素完全水解成葡萄糖单体，仅 对织物表面或伸出织物表面的茸毛状短小纤维作用。生物抛光也就是去除从纤 维表面伸出的细微纤维，经纤维素酶处理后稍经机械加工就可以得到表面平滑 东华火学项十学位论文 而茸毛少的织物。生物抛光的主要功效是使服装和面料长久保持光鲜、手感更 柔软。与传统的加工方法比，生物抛光有如下优点：织物表面更光洁无茸毛， 织物表面显得更加均匀，减少起毛起球的趋向，增加悬垂性并具滑爽手感，处 理的织物更具有环保意义 2 1 1 3 1 1 4 1 。生物抛光是给予织物持久性的整理效果，这里 使用的酶制剂是天然蛋白质，可完全生物降解，使用量也相对较低。因此，酶 制剂对排污的负担是很轻微的，这使得生物光洁整理，较相应的化学品整理更 具吸引力。 1 2 纤维素的结构 纤维素是世界上蕴藏最丰富的天然高分子化合物，绝大多数由绿色植物通 过光合作用合成，在植物体中构成细胞壁网络。世界上森林资源丰富的国家， 纤维素主要来源于木材；我国主要来源于非木材原料，包括棉花、麦草、芦苇、 麻、甘蔗渣等。纤维素类物质是地球上最丰富、廉价的再生资源。纤维素是由 很多d 吡喃葡萄糖彼此以1 3 ( 1 ，4 ) 苷键连接而成的线型巨分子，其化学结构的 分子式为( c 6 h l 0 0 5 ) 。( n 为聚合度) 。分子量约6 0 0 ，o o o 一1 5 0 0 ，0 0 0 ，聚合度从几 百至1 5 0 0 左右。它以直链式结构存在，链与链之间有一定的晶状结构和排列次 序较差的无定形结构。其结构式如下： 图1 - 1 纤维素分子结构式 最早研究纤维素的科学家之一法国的a 帕扬在1 8 3 7 1 8 4 2 年发现纤维素是 一种由葡萄糖组成的物质。2 0 世纪2 0 年代h s t a u d i n g e r 提出高分子化合物概念 之后，在测定纤维素铜氨溶液粘度的基础上，首次确定纤维素属于高分子化合 物，并测出纤维素是由d 一吡喃型葡萄糖彼此以l ，4 - 1 3 苷键连接而成的，分子 内氢键赋予分子链刚性。而当在一定空间范围内，分子间氢键多到引起分子的 有序排列时，就形成纤维素的结晶区，否则为非晶区。纤维素是由无数微晶体 与非晶区交织在一起形成的多晶，其结晶程度视纤维品种而异，天然纤维素如 苎麻的结晶度略高于7 0 ，而再生纤维素如粘胶纤维的结晶度在4 5 左右【l 】【5 1 。 东华大学硕：r 学位论文 1 3 纤维素纤维的组成和结构 纤维素纤维包括天然纤维素纤维( 主要包括棉、麻纤维等) 和再生纤维素 纤维( 主要包括粘胶纤维，l y o c e l l 纤维等) 。 l - 3 1 棉和麻纤维的组成和结构 棉纤维属于种子纤维，是将棉花胚珠的表皮细胞经过伸长和加厚形成的。 正常成熟的棉纤维是呈不同组成的轴层微结构，是由较薄的初生胞壁、较厚的 次生胞壁和中空的胞腔所组成。纵向具有许多天然扭曲，纤维中部转曲最多， 梢部次之，根部最少。组成棉纤维的物质主要是纤维素9 4 ，其他物质占6 ， 其中果胶物质占o 9 、蜡状物质o 6 、含氮物质1 3 、灰分1 2 、有机酸和 多糖1 1 、其它o 9 【1 l 【5 】旧。 麻的种类很多，作为衣用纺织纤维主要是苎麻和亚麻。苎麻和亚麻是生长 在韧皮植物上的纤维，也称韧皮纤维。单根麻纤维是个厚壁、两端封闭、内 有狭窄腔胞的长细胞。麻纤维的截面呈椭圆形或长角形，胞壁通常有裂缝，使 胞腔和外面相通。麻纤维的结晶度和取向度均高于棉纤维，从而使麻纤维具有 高强度和低伸长。麻类纤维也主要由纤维素组成，但其它组分比棉纤维高得多， 组分也复杂得多1 5 胴，见表1 1 。 表1 1 苎麻货物亚麻纤维的化学组成单位： 1 3 2 粘胶纤维的组成和结构 粘胶纤维是再生纤维的一个主要品种。它以天然纤维素( 棉短绒、木材和 芦苇等) 为原料，首先经过碱化处理生成碱纤维素，再与二氧化硫作用生成纤 维素磺酸酯，溶解于稀碱中，获得粘稠的纺丝溶液，经湿法纺丝即可获得粘胶 纤维。粘胶纤维纵向呈平直的圆柱体，截面呈不规则的锯齿状，其截面结构不 均一，皮层的密度高于芯层。粘胶纤维的纤维素聚合度比天然纤维素要低得多， 仅为几百，结晶度和取向度也比天然纤维要低【8 】。 东华大学硕一i - 学位论文 1 4 纤维素酶 纤维素酶是一组能降解纤维素生成葡萄糖的酶的总称，在食品加工、制酒、 饲料、纺织和造纸等众多的工业领域具有广泛的应用价值。纤维素酶是一个多 组分酶体系，根据对8 1 ，4 糖苷键的作用方式，主要分为以下三种： ( 1 ) b l ，4 内切葡聚糖酶( e n d o - - 1 3 - - g l u c a n a s e ，e g ，c 、) e g 酶随机水解切断无定型区的纤维素分子链，主要产物为纤维糊精，纤维 多聚糖等。 ( 2 ) 3 - 1 ，4 外切葡聚糖酶( c e u o b i o h y d r o l a s e ，c b h ，c j ) 其主要作用从纤维素大分子的非还原性末端水解生成纤维二糖。 ( 3 ) b 一葡萄糖苷酶( 3 - - g l u c o s i d a s e ，b g ) 主要将纤维二糖水解成葡萄糖。 各种e g 、c b h 、b g 中还有性质不同的酶。目前的研究表明，e g 酶实际上 至少包括e g i 、e g i i 、e g i i i 和e g v 四种，c b h 至少包括c b h i 和c b h i i 两 种。各亚种酶制剂除了具有每类的共性外，在催化效率、对聚集结构作用的特 性方砸均有一定的差别【1 1 1 9 。 1 5 纤维素酶对纤维素的作用机理 目前认为纤维素酶水解纤维素是p - 1 ，4 - 内切葡聚糖酶( e g ) ，9 1 ，4 - 夕 切葡 聚糖酶( c b h ) 和b 葡萄糖苷酶( b g ) 协同作用下进行的。首先，e g 酶随机 水解切断无定型区的纤维素分子链，使结晶纤维素出现更多的纤维素分子基端， 为c b h 酶水解纤维素创造了条件，c b h 酶的水解产物纤维二糖则由b g 酶水解 成葡萄糖，因而纤维素酶水解纤维素的过程可以简单表示为：e g c b h b g ， e g 酶的水解作用增加c b h 的水解作用点，因而，起着c b h 酶水解纤维素的活 化作用。在适当条件下，它们协同作用，将天然纤维素分解成葡萄糖( 如图1 2 ) 。 另外一种理论认为：纤维素酶是由葡聚糖内切酶( c x 酶) 、葡聚糖外切酶( c l 酶) 、1 3 - 葡萄糖苷酶三个主要成分所组成的诱导型复合酶系。其中c i 酶起水化作 用，它作用于不溶性的固体表面，使形成结晶结构的纤维素链开裂，长链分子 的末端部分游离，从而使纤维素链易于水化。c x 酶随机水解非结晶纤维素、可 溶性纤维素衍生物和葡萄糖的b 1 ，4 一寡聚物，葡萄糖苷酶将纤维二糖水解成葡萄 糖( 女图1 3 ) 【1 0 】【1 1 】【1 2 】。 4 东华大学硕十学位论文 c 缩a l l g _ + 垂手臻寒嗨 先定形区 、，一一 = 兰翼薰薰黧窒至耋耋言要髦蓍鼍塞罨= ：= = = a肉一弱聚塘耨( e g s 鼍兰兰三当盎警錾霉誉兰善兰兰翻融鼍兰兰兰：童兰笺葺誉善暮兰兰釜肉j 5 毛量飘 一，一一，i ，一 缸 野绻素二糖衣袈翦( c b h s ) c 图1 2 纤维素酶与纤维索的作用模式 c r - ?g j 一缉0 一恼一二 ，j 蔚自 c x b - 1 ，4 葡萄糖苷酶 图卜3 纤维索的酶分解 该假说的基本降解模式如下： c c 、b 葡萄糖苷酶 结晶纤维素一无定形纤维素一纤维二糖，葡萄糖 此外，c o u g l l l a i l 认为结晶纤维素的降解是一个多步骤过程，并认为原初反 应即无序反映( a m o r p h o g e n e s i s ) 使纤维素的结晶状态发生改变，便于随后的纤 素维 断1 0 糕 q 东牛大学硕 。学位论文 维素水解。还有学者认为纤维素的降解中存在短纤维形成现象，他们认为天然 纤维素首先在一种非水解性质的解链因子或解氢键酶作用下，使纤维素链内或 链间的氢键打开，从而形成短纤维。 纤维素酶分子是由球状的催化结构域( c d ) 通过一个富含脯氨酸或羟基氨 基酸的连接桥( l i n k e r ) 和纤维素结合结构域( c b d ) 三部分组成。连接桥的作 用可能是保持c d 和c b d 之间的距离。纤维素结合结构域执行着调节酶对可溶 和非可溶性底物专一性活力的作用，对酶的催化活力是非常必需的。催化作用 域的三维结构极其复杂，对酶的催化活力起决定作用。 在酶的基础理论领域，许多人在研究分子水平上的纤维素酶立体构象。对 纤维素酶进行蛋白质序列分析和x 射线扫描，并用蛋白酶切割t r e e s e i 外切酶 i ，得到它有一个酶的活性中心和一个缺少酶活性但能紧紧结合到纤维素上的 尾巴。这一领域最尖端的研究是关于纤维素酶的结晶以及对晶体的晶象研究， 认为t r e e s e i 的c b hi 的c b d ( 纤维素吸附区) 是p 折叠片形成的楔形结构， 一面疏水，一面亲水。其他如n p a t r i c i a r u m 纤维素酶c e l d 的三个催化部位的核 苷酸完整序列业已被测出，这三个部位富含氨基酸，并由两个富含脯氨酸( p r o ) 苏氨酸( t h r ) 谷氨酸( g l u ) 的连接序列隔开，第三个连接序列后紧跟有一个 可能的与纤维素类似的n p a t r i c i a r u m 的蛋白质停泊部位，在大肠杆菌菌体内这 三个催化部位分别作为融合蛋白表达，并表现出纤维素酶、内葡聚糖酶及木聚 糖酶的活性1 2 1 【1 3 】【1 4 1 15 1 。 1 6 影响纤维素酶作用的因素 1 6 1 纤维素酶来源的影响 纤维素酶的来源非常广泛，昆虫、原生动物、软体动物、细菌、真菌和放 线菌等都能产生纤维素酶。但从生产纤维素酶的角度看，利用微生物以外的生 物生产没有现实意义。目前研究生产纤维素酶的微生物大多属于真菌，研究得 较多的是木霉属、曲霉属、青霉属和根霉属等。木霉( t r i c h o d e r m a ) 产生的纤 维素酶活力最高，且含有目前已知的所有纤维素酶组分，因而研究和应用最广， 其中最著名的是一种为t r i c h o d e r m ar e e s e i 的菌种【1 1 【坫】。我国生产中应用的菌种 大多属于木霉。在生产过程中，人们可以通过生化技术，如菌种的诱变、基因 改性的等实现纤维素酶的定向生产，开发高效、能满足某种功能需要的酶制剂。 6 东华人学碗 学位论文 1 6 2 纤维素纤维超分子结构的影响 纤维素纤维的超分子结构主要包括结晶度、取向度、原纤堆砌结构等。从 纤维素酶各组分对纤维素纤维作用的协同性来看，纤维素中无定型区越大，e g 酶的作用点越多，可形成的纤维素端基的量就越大，使c b h 酶有更多的作用点。 因而在同等条件下，结晶度越高( 无定型区比例越低) ，纤维素酶的作用效果越 低【i 】1 6 】。 1 6 3 温度的影响 温度对纤维素酶催化反应速度影响可以用a r r h e n i u s 方程进行描述，即反应 速度随温度的升高而增大。但酶会高温失活，酶催化反应速度和温度的关系并 不是一个简单的函数，酶催化反应都有一个最适温度。只有在最适温度下，酶 催化反应才表现出最大的反应速度。因而，温度对纤维素酶催化反应的影响包 含两方面的影响，即温度对酶失活的影响和对反应速度提高的影响【 1 6 1 1 7 】。 1 6 4 p h 的影响 p h 值对酶的催化反应速度有很大的影响，在一定的p h 值条件下，酶反应 有最大的速度，高于或低于此值，反应速度下降。一般把反应速度最大的口h 值 称为“最适p h ”。p h 值对酶及其反应系统产生两种影响，一是破坏酶的空间构象， 使酶变性失活。二是改变了反应系统的组成成分，从而影响酶催化反应的速度 纤维素酶按最适p h 值不同可分为酸性、中性和碱性纤维素酶，特别是酸性和中 性纤维素酶应用较多蝌17 1 。 1 6 5 抑制剂和活化剂的影响 一些化学试剂对纤维素酶酶活力会有影响，有的起激活作用，有的起抑制 作用，这些试剂称为活化剂或抑制剂。活化剂和抑制剂是对酶反应速度有十分 重要影响的因素，它们都是与酶的活性有关部位结合后，改变了酶活性中心的 结构与性质，从而引起酶活力改变的一种效应。纤维素酶的抑制剂和活化剂包 括金属离子、有机溶剂、表面活性剂、底物类似物、染料以及一些植物体内的 附生物( 如酚、单宁等) 。因而对一种物质是否对纤维素酶具有活化或者抑制作 用，有一定的规律，但需要具体分析【1 】| 1 7 1 1 8 】i 】9 】。 1 6 6 机械作用的影响 外界的机械搅拌作用是影响纤维素酶处理效果的一个重要因素。增加机械 东华人学硕j 学位论文 搅拌程度可明显的提高酶处理效率，表现为在相同的酶浓度和处理时间内，织 物能够获得更大的失重和性能的改善。但同时，织物的强力损伤的危险性也增 加了【1 1 1 2 0 。酶处理过程中的机械作用，包括机械与织物的摩擦，织物之间的相互 摩擦、水流与织物之间的摩擦，在酶处理过程中有利于酶对纤维素的接触和渗 入。c a v a e o p a u l o 和a l m e i d a t 2 1 1 的研究表明，增加搅拌程度会减少纤维素酶在织 物上的吸附，使更多的自由酶可以进攻织物上更多的自由位置。那样使得纤维 表面的小茸毛与主体纤维之间的结合力减弱，直至小茸毛脱落下来。对于不同 的纤维素纤维以及不同组织结构的织物，应选择不同的机械搅拌速度。 除此之外，在纤维素酶处理纤维素纤维时，纤维素材料的种类、反应液相 体系，处n e i 日q 以及浴比都会影响酶处理效果【1 】【6 】1 2 2 2 3 1 。 1 7 液体纤维素酶的复配【9 】 1 7 1 液体酶制剂的特点 在酶制剂的复配产品中，液体酶制剂保存期短、包装运费高。但随着对酶 在液体中稳定规律的不断认识，通过正确的配制技术，液体酶制剂的稳定性能 够得到改善。尤其重要的是，由于液体酶制剂生产过程短、设备投资少，易于 复配的特点，使其特别适用于在纺织工业中使用。用来复配的纤维素酶制剂和 直接用于纺织加工的纤维素酶制剂主要区别是浓度较高，因而稀释是酶制剂复 配的主要特点，可通过加入稳定剂、抗菌剂和其他的化学助剂，开发独特的纺 织用纤维素酶制剂。 1 7 2 液体酶制剂的复配 ( 1 ) 稀释：在液体酶制剂复配时，需要加入的不仅是水( 要求不要含有效 氯) ，还有其它稳定剂，以控制水的活度，对纤维素酶，加入的稳定剂有：糖 和糖醇：常用的有蔗糖和山梨醇；盐：常用的有氯化钠和硫酸钠等：防腐 剂：常用的有苯甲酸钠和山梨酸钾等。除非有特殊用途和发现，一般要求复配 前后的p h 值一致。 ( 2 ) 加入化学助剂：化学化学助剂的加入量相对较少，但对酶性能影响很 大，在加入时要避免阳离子和阴离子表面活性剂，并要注意液体是否有分层现 象，在加入原酶后，要确定它们之间是否相容。因为即使是非离子表面活性剂， 由于疏水端的存在也有可能影响酶的疏水键而使酶的活性下降。常用的方法是 东华大学硕士学位论文 测定配制酶制剂的内切葡聚糖酶( e g 酶) 的活力是否下降或丧失。 1 8 纤维素酶在纺织工业中的应用。 1 8 1 牛仔布的返旧整理 牛仔布的返旧整理通常是在加工成衣后进行的。最初是用氧化剂漂白，随 后又出现了金刚砂进行部分磨白的整理工艺。但最常用的返旧整理是石磨水洗， 即将服装与浮石等磨料一起用转鼓洗衣机进行洗涤。浮石洗涤整理对织物损伤 大，易造成断纱甚至破洞现象，浮石和沙粒会残留在服装布料内，同时也易损 伤洗涤设备。用纤维素酶进行返旧整理，基本上解决浮石水洗整理中存在的问 题，同时还赋予了织物独特的风格。戴飞等口5 埔纤维素酶对牛仔服进行整理， 在加搅拌等机械物和添加物下，结果使牛仔服褪色均匀，褪色后色泽明快，纹 路清晰。纤维素酶代替( 部分) 浮石进行水洗整理的原理是：通过纤维素酶对 纤维表面的剥蚀作用，使纤维表面被磨损、染料被剥离，产生水洗返旧的外观。 用于返旧整理的纤维素酶可分为酸性、中性和弱碱性等，其中常用的为酸性和 中性纤维素酶。纤维素酶处理除了返旧外观，在接缝、折边、衣袋等处要具有 高对比的外观以及柔软的手感，现在还存在一些问题有待解决，主要是易产生 非均匀的印痕、折痕，易沾色和强度损失以及返沾色现象等啦4 】【2 日鲫。 1 8 - 2 纤维素纤维的生物抛光整理【1 】【6 】f 2 8 】。 1 8 2 1 棉织物的生物抛光整理 棉织物以吸水、透气、柔软舒适为人们所喜爱，可衣服穿久了，易起毛起 球，严重影响外观和舒适度。用纤维素酶处理棉织物，是使棉织物向高档化、 高附加值化的一个重大的突破。对棉纤维进行生物抛光的目的，是利用纤维素酶 去除棉纤维表面的原纤。这一过程包括纤维素纤维的适当水解，促进纤维表面原 纤化，原纤从纤维表面脱落，织物外观改善。通过抛光整理，可除掉织物表面 的绒毛，使织物纹路光洁清晰，织物起毛起球也大大减少，更为重要的是这种 效果十分持久。同时织物内在质量也得到提升，纤维的弯曲滞后现象得以消除， 悬垂性和柔软性增加，织物的吸湿也得到提高，从而使织物达到柔软、蓬松等 独特性能 2 9 3 0 1 1 3 1 】。 “ 1 8 2 2 麻类织物的生物抛光整理 苎麻和亚麻织物，由于其光泽好、质地挺括，透气性好、吸湿散热，穿着 9 东华大学硕士学位论文 凉爽舒适等优良性能，受到广大消费者的青睐。但是在服用时手感粗糙，有刺 痒感，在一定程度上影响了麻类织物的服用性能和产品的开发。造成这些缺陷 的原因是麻类纤维结晶度高、取向度大、定型区小，单根纤维的弯曲刚性指数 和最大抗弯力都很大，织物表面毛羽多。当与皮肤接触时，表面毛羽会刺激人 体皮肤神经末梢，形成刺痒感【1 】f 扪。经过纤维素酶整理后，结晶区部分水解，结 晶区和非结晶区空隙增大，当受外力作用时，结晶区容易产生相对运动，纤维 刚度下降，变得柔软，使之与皮肤接触面积增大，从而改善其对皮肤的刺痒感。 这样就大大提高了麻类织物的服用性能【3 2 】【3 3 】。 1 8 2 3l y o c c l l 纤维的生物抛光 l y o c e l l 纤维是b i s f a ( 国际人造丝及合成纤维标准局) 对有机溶剂纺丝工艺 制备的再生纤维定义的学名。普通型l y o c e l l 纤维由于结晶取向度高、原纤之间 结合力弱，纤维在湿处理状态下易湿膨胀，织物在经纬向纱线之间能够保持较 大的空隙，使织物具有蓬松的手感，悬垂性好，但这种性能又使织物在湿态时 变得僵硬，易形成不易消除的折痕，形成不均一的原纤化。经过纤维素酶的生 物抛光整理，l y o c e l l 纤维表面的原纤被剥离脱落，使织物纹路光洁清晰，同时 也抑制了织物起毛起球。l y o c e l l 织物的纤维素酶整理加工主要分为桃皮绒( 砂 洗) 风格和表面光洁风格，用于l y o c e l l 纤维去除原纤整理的是酸性纤维素酶。 经过纤维素酶的生物抛光整理，l y o c e l l 纤维表面的原纤被剥离脱落，使织物纹 路光洁清晰，有显著降低表面起球起毛的趋向，织物洗涤后压缩性能降低了， 手感更加柔软，悬垂性也得到提古【1 1 【8 】阴l 。 1 8 3 棉织物的生物精练 棉精练的目的是除去天然杂质( 蜡状物质、果胶物质、含氮物质、棉籽壳 等) 和残留的浆料、油剂，进一步降低织物上的含杂量，以利后续加工进行。 传统的棉精练是使用大量的碱和表面活性剂进行高温处理，这不仅需要消耗大 量的能源和洗涤用水，而且对环境污染严重。随着酶制剂性能的改善和对环保 的日益重视，人们开始尝试用生物酶精练棉布。m m i c h e l l e 和y o u - l o h s i e h 宅e 实 验中分别利用果胶酶和纤维素酶以及这两种酶的组合对原酶织物进行整理，结 果表明：当果胶酶和纤维素酶结合用于一步法处理时，能够发挥它们的协同效 应，即果胶酶使棉纤维中的果胶分解，纤维素酶使初生胞壁中的纤维素大分子 1 0 东华大学硕士学位论文 分解，将棉纤维表面杂质及部分初生胞壁去除，达到精练目的。生物精练的织 物手感柔软且厚实，织物的强力比化学纤维高，润湿性能以及染色的均匀性方 面与常规精练无差别。另外，他们还发现，在碱精练后，再用纤维索酶对织物 处理，可提高织物的白度【3 5 】【3 6 】。 1 9 本文研究的目的和主要内容 酶处理己被公认为一种符合环保要求的印染加工方法，当今全球普遍重视 生态环保，纺织品酶处理己成为重点关注的技术，今后必将继续开发研究，不 断扩大应用，以便实现“绿色纺织”、“绿色染整”等。 我国对纤维素酶的研究虽然有几十年的历史，在纤维素纤维织物的减量处 理、石磨水洗以及生物抛光已经取得一些成就。但是酶的品种不足、加工成本 高和织物强力损失大等因素，还在某些方面制约酶在纺织染整工业的进一步应 用和发展。要使纤维素酶得以充分分解和利用，主要考虑两个方面：一方面是 提高酶的活力和组成特性；另一方面是添加不同的化学试剂，充分发挥它们之 间的协同作用，达到理想的处理效果。因此降低酶制剂的成本和优化酶的处理 效果，使纤维素纤维织物向高档化方向发展是目前研究的重要任务。 “本课题主要研究金属离子，有机化合物以及表面活性剂等化学试剂对纤维 素酶性能的影响，并初步探索作用机理，以提高酶的活力和稳定性，得到复配 纤维素酶助剂产品；研究温度、p i i 值、处理时间、浴比等因素对纤维素酶抛光 工艺的影响，优化酶整理工艺，提高生物抛光效果，对酶在纺织上的应用提供 指导：同时用复配纤维素酶对棉、苎麻、亚麻等纤维素纤维织物进行整理，测 试织物各种性能的变化，提高产品的质量，得到高档化的织物，提高纺织品的 附加值。 基于以上目的，本文在以下三个方面进行了的研究和探讨： ( 1 ) 复配纤维素酶生物助剂，发挥纤维素酶和化学试剂的协同作用，提高酶 的活力，减少原酶的用量，降低纤维素纤维整理成本。 ( 2 ) 优化生物抛光工艺，获得纤维索酶生物助剂的最佳整理条件，为其在纺 织上的应用提供指导。 ( 3 ) 对不同的纤维素纤维织物进行纤维素酶整理，以提高织物手感、光洁度、 悬垂性和服用性能，使其升级成为高档产品。 东华大学硕士学位论文 2 1 实验材料 第二章实验部分 2 2 实验试剂 1 2 东华大学硕士学位论文 2 3 实验仪器 仪器 厂家 h h s 型电熟恒温水浴锅上海博迅实业有限公司医疗设备厂 f a 一2 0 0 4 电子天平上海精科天平厂 东华大学硕士学位论文 u v - 7 5 0 4 紫外可见分光光度计 d z f - 6 0 5 0 型真空干燥箱 b c d _ 2 1 6 f 海尔冰箱 v g p 水洗机 w k y 微量移液器 p h s j - - 3 f 型p h 计 z b w 0 4 0 1 9 毛效测试仪 上海欣茂仪器有限公司 上海博迅实业有限公司医疗设备厂 青岛海尔集团 广州番禺艺龙洗染设备厂 上海求精生化试剂有限公司 上海精密仪器厂 上海罗众科技研究所 d a t a c o l o r 电脑测色配色仪美国1 ) a t a c o l o r 公司 2 4 实验方法 2 4 1d n s 显色剂的配制 称取3 , 5 二硝基水杨酸( d n s ) 6 0 9 , n a o h l1 2 9 ，溶解在5 0 0 m l 蒸馏水中，再 加酒石酸钾钠1 7 3 9 ，苯酚4 3 m l ，亚硫酸钠4 6 9 9 ，搅拌溶解后定容至1 0 0 0 m l ， 放置于棕色瓶中，7 天后使用。 2 4 2 醋酸醋酸钠缓冲液配制 称取一定量的醋酸和醋酸钠，分别配制成0 2