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东华大学硕士研究生学位论文转谷氨酰胺酶在羊毛生物改性中的应用及研究 转谷氨酰胺酶在羊毛生物改性中的应用及研究 摘要 传统的羊毛改性常常使用氯化剂及其衍生物，但氯化过程所产生的a o x 会造成 严重的环境污染，因此受到严格的限制。于是纺织工作者研究开发采用氧化，生物 等方法对羊毛进行改性，达到防缩，细化和丝光等效果。但羊毛的减法改性工艺往 往会对羊毛纤维本身造成不同程度的损伤，特别是目前正被广泛研究和开发的蛋白 酶技术，由于蛋白酶分子常常先水解纤维内部易水解部分，造成羊毛结构的严重破 坏，强力下降显著，成为蛋白酶技术不能应用于生产的重要原因之一。 转谷氨酰胺酶( t r a n s g l u t a m i n a s e ，简称t o ) 是一类催化蛋白质中赖氨酸残基上的 _ 氨基和谷氨酰胺残基上的r 羟酰胺基之间结合的聚合性酶，使蛋白质形成交联。 羊毛蛋白中含有较为丰富的赖氨酸和谷氨酰胺，利用转谷氨酰胺酶可以催化羊毛蛋 白内部形成共价交联，修复蛋白酶对羊毛的损伤。 本课题，首先用转谷氨酰胺酶修复羊毛的化学损伤，生物损伤，化学生物多重 损伤，通过比较其对三种损伤的修复效果，探讨转谷氨酰胺酶修复羊毛损伤的作用 机理。p h 值，温度，处理浓度及时间是影响转谷氨酰胺酶作用效果的四个主要因素， 本文分析了这四个因素对转谷氨酰胺酶修复作用的影响，并优化工艺过程，确定了 转谷氨酰胺酶作用羊毛纱线及织物的最佳工艺条件。 本文还探讨了转谷氨酰胺酶结合蛋白酶工艺对羊毛的毡缩，染色，热学等性能 的影响。实验证明，经h 2 0 2 预处理并经蛋白酶与转谷氨酰胺酶两步处理的织物与 经h 2 0 2 预处理，蛋白酶一步处理的织物相比，不仅强力显著提高，而且面积毡缩率 进一步下降，润湿性能，染色速率及k s 值明显提高，并且热稳定性也进一步提高。 关键词：转谷氨酰胺酶；蛋白酶；强力：面积毡缩率 东华大学硕士研究生学位论文转谷氨酰胺酶在羊毛生物改性中的应用及研究 t h es t u d yo ft r a n s g l u t 久m i n a s ea _ p p l i e do nw o o l b i o m o d r i c a t i o n a b s t r a c t c h l o r i n eo ri t sd e r i v a t i v e si so f t e nu s e di nt r a d i t i o n a lm o d i f i c a t i o no fw 0 0 1 a o x ( a b s o r b a b l eo r g a n i ch a l o g e n ) i nc h l o r i n a t i n gp r o c e s s e sc a u s e ss e r i o u s l ye n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n t h e ns o m em e t h o d sa r ed e v e l o p e di nw o o lm o d i f i c a t i o n , l i k eo x i d a t i v e t r e a t m e n ta n db i o t e c h n o l o g y , i no r d e rt oo b t a i nd e s i r a b l ep r o p e r t i e s ，s u c h 弱i m p r o v i n g h a n d l ep r o p e r t i e sa n da n t i - f e l t i n g , h o w e v e r , t h ew o o lf i b e ra n df a b r i c sw o u l db e u n a v o i d a b l yd a m a g e da n dp e r f o r m a n c ed e c l i n e di nt h e s et r e a t m e n t s e s p e c i a l l yp r o t e a s e s t r e a t m e n ti sd i f f i c u l tt oc o n t r o li ni n d u s t r i a ls c a l ea n dc a l ll c a dt ot h er e s u l t st h a ta r en o t s u f f i c i e n t l yp r e d i c t a b l ea n dr e p r o d u c i b l e s u c ht r e a t m e n tc a l lc a u s ee x c e s s i v ed a m a g et o t h ef i b e rc u t i c l ew i t hc o n s e q u e n th i g hl e v e lo fw e i g h ta n ds t r e n g t hl o s s e s t h eu s eo f p r o t e a s e sa l o n ei st h e r e f o r en o ty e tw i d e l yu s e di n d u s t r i a l l y t r a n s g l u t a m i n a s e ( t g ) i sa ne n z y m ec a p a b l eo f c a t a l y z i n ga c y lt r a n s f e rr e a c t i o n sb y i n t r o d u c i n gc o v a l e n tc r o s s i n g - l i n k sa m o n gp r o t e i n s a 8w e l la sp e p t i d e sa n dv a r i o u s p r i m a r ya m i n e s t h ew o o lf i b e r sm a i n l yc o n s i go fp r o t e i na n d 钏旺l i i l 0a c i d , l i k eg l u t a m i c a c i da n dl y s i n e w i t ht h et r a n s g l u t a m i n a s e ，t h ec r o s s l i n ko f p r o t e i n si nw o o lf i b e r sc a nb e f o r m e d i nr e s p 雕h c h , t h ea b i l i t yo fd a m a g e r e s i s t a n c eo a y d r o l y z e - - r e s i s t a n c e ) t of i b e r sa n d f a b r i st r e a t e d 诵mm i c r o b i a lt r a n s g l u t a m i n a s ew 弱s t u d i e d c h e m i c a ld a m a g e ， b o d a m a g e , c h e m i c a ld a m a g e a n db i o d a m a g ec o m b i n e dw e r er e c o v e r e da f t e r t r a n s g u l t a m i n a s et r e a t m e n t c o m p a r e dt h et h r e er e c o v e r i e sa n dp r o b et h er e m e d i a l m e c h a n i s mo ft r a n s g l u t a m i n a s eo nt h ew 0 0 1 c o n c e n t r a t i o n , t i m e ，p hv a l u ea n d t e m p e r a t u r e , t h e f o u rm a j o rf a c t o r sw e r ed i s c u s s e di n t h er e m e d i a la c t i o no f t r a n s g l u t a m i n a s e t h r o u g he x p e r i m e n ta n dm a t ha n a l y s i s ，w eg o tt h eo p t i m a lt r e a t i n g c o n d i t i o no ft gt ot h ew o o ly a r na n df a b r i c a n dt h e n , t h es h r i n k a g e ，d y e i n g ，t h e r m a lp r o p e r t ya n do t h e r sw e r ei n v e s t i g a t e d n 东华大学硕士研究生学位论文转谷氮酰胺酶在羊毛生物改毪中的应用及研究 i n d u c e db yt g b a s e do nt h ee x p e r i m e n t , i tw a sf o u n dt h a tt h ey a ma f t e rp r c t r e a 恤龇 w i t hp r o t e a s e s ，t h e nf o l l o w e db yt g , n o to n l yt h es t r e n g t h , b u ta l s ot h ef e l t i n gs h r i n k a g e ， k sv a l u ea n do t h e rp r o p e r ti e sw e r ei m p r o v e do b v i o u s l yc o m p a r e dw i 也t h a to n l yt r e a t e d w i 也a l z y m e h u a y i n gz ha n g ( t e x t i l ec h e m i s t r ya n dd y e i n g & f i n i s h i n ge n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yz a i s h e n gc a i k e y w o r d s ：t r a n s g h t a m ih a s e ；p r o t e a s e s ；s t r e n g t h ；p e r c e n t a g ea r e as h r i n k a g e 东华大学硕士研究生学位论文转谷氨酰胺酶在羊毛生物改性中的应用及研究 附录一： 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 文中已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 所写的内容负责，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：癣蕾 日期：蛔8 年1 月华日 东华大学硕士研究生学位论文转谷氨酰胺酶在羊毛生物改性中的应用及研究 附录二： 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、使用学位论文的规定，同 意学校保留并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。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 ， 不保密瓯 学位论文作者签名：旅牛鼋 日期：瑚年，月4 - 日 指导教师签名： 日期：年月日 东华大学硕士研究生学位论文转谷氮酰胺酶在羊毛生物改性中的应用及研究 1 1 引言 第一章绪论 羊毛是纺织工业的重要原料，具有弹性好，吸湿性强，保暖性好，不易沾污， 光泽柔和等许多优良特性。但由于表面结构的特殊性，导致羊毛纤维具有毡缩性， 刺痒感等缺点，严重影响毛织物的风格和尺寸稳定性。现行的羊毛改性整理工艺 多采用氯化加树脂整理工艺，从而使羊毛织物具有较好的防毡缩等性能。然而氯 化过程中所产生的有机卤化物a o x 会严重污染环境，与私生态纺织概念相违 背，因此研究开发羊毛无氯生态改性技术成为众多纺织工作者的目标之一，蛋白 酶，等离子等各种新型改性技术应运而生。 蛋白酶改性整理工艺是一种有望替代氯化法的整理工艺，符合“绿色纺织一 的要求，具有较好的防缩效果，并且对羊毛的低温染色，抗起毛起球，柔软性和 生物抛光等方面都起着良好的作用。但是蛋白酶的处理过程难以控制，易使羊毛 纤维造成过度损伤而使织物减量率高，强力损失严重，因此，需开发和研究新的 酶制剂及工艺，以弥补蛋白酶工艺所造成的缺陷。 转谷氨酰胺酶是一种催化酰基转移反应的转移酶，可以催化蛋白质发生交 联，蛋白质和氨基酸之间的连接以及蛋白质分子内谷氨酰胺的水解反应，从而改 善蛋白质的功能，目前广泛应用于食品，医药等领域i l 】，而该酶对蛋白质纤维的 改性作用，如对丝蛋白，羊毛蛋白的改性，正慢慢地被各国学者所关注和研究。 1 2 酶及其在纺织加工中的应用 酶是一种由活细胞产生的生物催化剂。酶催化一定化学反应的能力称为酶的 活性或活力。酶的本质是由氨基酸组成的高分子，因此，它具有两性电解质的性 质，也受某些物理因素( 加热，紫外线照射等) 及化学因素( 酸、碱、有机溶剂 等) 的作用而变性或沉淀，丧失其活性。 酶作为催化剂，具有三个共性，专一性，高效性，温和性。专一性体现为酶 只能作用于一种或一类结构相似的底物，并催化某种类型的反应；高效性是指酶 催化反应的速率极高；温和性指大多数酶催化反应均可在常温常压的温和条件下 进行，因而较易控制，操作环境较安全。 根据国际酶学委员会的决定，将抑制酶的催化反应分为6 大类，分别为氧化 还原酶，转移酶，水解酶，裂解酶，异构酶，合成酶。 2 1 东华大学硕士研究生学位论文 转谷氨酰胺酶在羊毛生物改性中的应用及研究 酶的催化机理：酶催化某一特定的化学反应是通过降低该反应的活化能实现 的。它与底物的作用方式被喻为。钥匙锁刀原理，先与底物形成酶底物络合物， 改变底物的能量，使其易于发生转变。而反应结束后，酶催化剂与其他所有的催 化剂一样，仍保持原状，并可进行其它更进一步的转化，因而只需要少量的酶便 足以维持反应的进行。影响酶催化反应的因素有酶的浓度，反应物浓度，反应时 间，温度，p h 值以及活化剂和抑制剂。 酶在纺织中的应用已经有很久的历史，淀粉酶退浆，纤维素酶生物抛光等， 用于羊毛工业的主要为蛋白酶。蛋白酶可改善羊毛织物毡缩、手感、白度、起毛 起球等性能。 用酶作为纺织加工中的助剂可解决污染及能源问题，且酶是天然化合物，反 应专一，副产品少，有利于环保，因此日益为人们所重视。 1 3 转谷氨酰胺酶介绍及其性能 1 3 1 转谷氨酰胺酶介绍 转谷氨酰胺酶( 蛋白酶谷氨酸吖谷氨酰胺转移酶，t r a n s g l u t a m i n a s ee c 2 3 2 1 3 ，简称t g ) ，是一类催化蛋白质中赖氨酸残基上的s 氨基和谷氨酰胺残基 上的y 羟酰胺基之间结合的聚合性酶。p 】 一般食品加工所采用的酶，如淀粉酶和蛋白酶等，其作用原理在于把食品中 较粗糙的成分分解成较微小的微粒。但转谷氨酰胺酶的作用却相反，它利用蛋白 质与蛋白质之间会相互形成共价键的特性，催化食品中蛋白质的聚合作用和交联 作用。可以催化蛋白质分子内的交联、分子间的交联、蛋白质和氨基酸之间的连 接以及蛋白质分子内谷氨酰胺基的水解，从而可以改善蛋白质功能性质，提高蛋 白质的营养价值。因此，转谷氨酰胺酶被认为是一种可生产出满足人们需要的新 型蛋白质产品的酶制剂。 1 3 2 转谷氨酰胺酶的来源及制备 转谷氨酰胺酶( t g ) 是w a e l s c h 及其合作者在1 9 5 9 年首次发现的 4 1 。多年以 来，人们都是从动物组织中提取转谷氨酰胺酶，由于来源稀少，分离提纯工艺很 复杂，因此该酶的价格十分昂贵。 直到f o l k 于1 9 8 0 年总结了来自哺乳动物的转谷氨酰胺酶的研究成果，指出转 谷氨酰胺酶存在于大量生物体中，只要生物体中含有廿谷氨酰胺) 赖氨酸，该 酶也就存在。这一理论被应用到筛选产转谷氨酰胺酶的微生物中，对转谷氨酰胺 酶的工业化生产起了极大的推动作用【5 j 。1 9 8 9 年日本的味之素公司和天野制药公 2 东华大学硕士研究生学位论文 转谷氮酰胺酶在羊毛生物改性中的应甩及研究 司开始研究用微生物发酵法工业化生产转谷氨酰胺酶，并于1 9 9 3 年向市场推出了 商品转谷氨酰胺酶制剂，目前已推出t g - b 、t g f 、t g - s 等不同用途的转谷氨酰 胺酶。 1 3 3 转谷氨酰胺酶的特性 转谷氨酰胺酶广泛存在于动物、植物、微生物体内，尽管有着类似的催化特 性，但由于来源不同，因此在酶的氨基酸组成、理化特性等方面都存在着较大的 差异，具体性能差异见表1 1 。 表1 1 转谷氨酰胺酶的来源及理化特性旧 酶微生物转谷氨酰胺酶动物性转谷氨酰胺酶 来源 s t r e p t o v e r t i c i l l i u m 肝脏，毛囊，表皮，红细胞等 摩尔分子量( 1 0 3 ) 4 0 5 4 - 3 5 0 最适温度 5 0 5 0 5 5 最适p h 值 6 0 7 。o依来源而不同 等电点 8 94 5 是否需c a 2 + 激活 否 是 3 7 处理后l o m i n 7 4 4 0 后残余活力 1 妇3 3 1 个氨基酸构成，单核苷酸 分为i ，两型，单聚链，由4 6 8 - 4 7 9 肽链，活性中心的氨基酸序列为个氮基酸组成，活性中心的氨基酸序 t y r - g l y - g i n - c y s - t r p ，含有c y 3列为t y r - g l y - g l n - c y s - t r p ，含c y s 残 残基，二级结构中a 螺旋占 基，两型均含有c a 2 + 结合位点，但其 分子基本特点 2 1 ，肛片层占3 1 。三级结构活性中心均依赖于c a 2 + 序列。 为球形，整个分子为亲水性，无 c a 2 + 结合位点，对z n 2 + 有强的抑 制作用，e d t a 无影响。 ( 1 ) 对各种食品蛋白质进行改 除了和微生物转谷氨酰胺酶一样的 性，保护蛋白质中的赖氨酸，避催化特性外，还有如下生理功能； 免其发生化学反应。( 1 ) 促进血液凝固和伤口愈合。 ( 2 ) 提高蛋白质的营养价值。( 2 ) 表皮角质化，保护细胞组织作用。 作用 ( 3 ) 包埋脂类和脂溶性物质。形( 3 ) 参与调节细胞生长、分化和增生。 成抗热和抗水薄膜。 ( 4 ) 其它：毛囊蛋白的架桥，胰岛素 ( 4 ) 提高食品的弹性，持水能力，分泌的促进，精子细胞的保护及癌变 发泡性，乳化性。细胞的识别。 3 东华大学硕士研究生学位论文转谷氮酸胺酶在羊毛生物改性中的应用及研究 1 3 4 影响转谷氨酰胺酶活性的因素再i o l 1 3 4 1 转谷氨酰胺酶的来源 d ej o n g 等采用d 酪蛋白交联的定量分析方法对食品工业中不同来源的转谷 氨酰胺酶的活性进行了比较，研究表明来源于哺乳动物血浆和血红球中的转谷氨 酰胺酶与来源于微生物的转谷氨酰胺酶相比，后者能催化更多底物的蛋白质反 应，活力更高。 1 3 4 2 金属离子 微生物转谷氨酰胺酶的活性不依赖c a 2 + ，而动物性转谷氨酰胺酶对c a 2 + 具有 依赖性。由于食品中蛋白质如酪蛋白、大豆球蛋白、肌蛋白对c a 2 + 敏感，在c a p 存在下易沉淀，会使动物性转谷氨酰胺酶的反应活性降低，因此微生物转谷氨酰 胺酶对c a 2 + 的不依赖性使其应用起来更加方便。而重金属离子c u 2 + 、z n 2 + 、p b 2 + 等可与酶活性部位的半胱氨酸残基上巯基结合，因而对动物性和微生物转谷氨酰 胺酶的活性均有明显的抑制作用。 1 3 4 3 蛋白质底物的结构 转谷氨酰胺酶催化蛋白质发生交联的一个先决条件是蛋白质底物需要具有 足够的能相互作用的赖氨酸和谷氨酰胺。一些蛋白质，如酪蛋白和明胶，在t g 的作用下非常容易发生交联，因为它们含有大量赖氨酸和谷氨酰胺，且能相互作 用，而一些食品中的蛋白质，如a 乳蛋白较难被t g 作用交联，是因为它们的结 构更具有刚性，从而阻止了交联的进行。将一些具有还原性质的物质添加入t g 反应体系中，可通过改变蛋白质底物的结构而促进交联反应的进行。如在二硫苏 糖醇( d t t ) 的作用下，破坏蛋白质的二硫键，使蛋白质暴露出更多的可反应基团， 发生蛋白质交联。如a 乳蛋白和1 3 乳球蛋白加入d t t 后，均能在t g 作用下发生交 联。 1 3 4 a 其他环境因素 改变温度和p h 值都将对t g 反应产生抑制作用。但在食品工业中，高温会改 变蛋白质的结构及功能性质，低p h 值会使蛋白质沉淀，因此这两种方法都不可 行。为了寻找一种方法，既可控制t g 的反应速度，又不改变交联蛋白质的理化 性质，迄今为止只有少数几种合成的t g 抑制剂能起到这样的作用，如n 乙基一 顺丁烯二酰亚胺，二氯乙酰胺和对汞苯甲酸。 1 3 5 转谷氨酰胺酶在食品领域内的应用 目前转谷氨酰胺酶已开始批量生产，由于其特殊的催化作用使得其在食品工 业中得到迅速而广泛的应用，并取得了非常明显的效果，具有广泛的应用前景。 4 东华大学硕士研究生学位论文转谷氨酰胺酶在羊毛生物改性中的应用及研究 1 3 5 1 在畜肉制品加工中的应用 肉制品一直是人们获得蛋白质的重要来源，人们总是利用好的原料做成肉 脯，肉干等产品，并总希望能改善其外观，结构，风味，以提高其营养价值和市 场价值。转谷氨酰胺酶能催化蛋白质形成交联结构的特性，可被广泛用于各种肉 制品的加工和重组中，制得不同风味和形态的食品【l 。并且在肉制品中添加转 谷氨酰胺酶可以改进产品的质地结构，提高产品的质量，增强保水性，提高产品 得率，提高原料的利用率等。 传统的肉制品加工中，常使用磷酸盐等食品添加剂，改善肉质的粘着力，弹 性等，但对人体有害。转谷氨酰胺酶可以取代磷酸盐等常规的化学添加剂，达到 同样的处理效果，且对人体无害。 1 3 5 2 在水产品j j u r 中的应用 我国渔业资源丰富，水产品中含有大量的蛋白质，满足了转谷氨酰胺酶进行 反应的条件，因此在水产品中应用转谷氨酰胺酶可取得非常明显的效果。目前， 转谷氨酰胺酶在水产品中的应用主要在于增强鱼糜制品的弹性和凝胶强度等方 面【1 2 1 。此外，转谷氨酰胺酶的另一用途就是作为一种新型的蛋白质改良剂来重 组低值鱼虾，提高产品的外观，风味，质地及利用率。从而提高产品附加值和市 场价值。 1 3 5 3 在乳制品的加工中的应用 转谷氨酰胺酶在- 孚l s j j 品工业中也有较高的使用价值。乳制品中的0 【酪蛋白、 p 酪蛋白、k 酪蛋白以及q 一乳清蛋白、p 乳球蛋白等都是转谷氨酰胺酶的良好底 物，转谷氨酰胺酶可在较宽的p h 值范围内q h = 6 。5 8 0 ) 对乳品蛋白质进行交联， 改善其溶解性，起泡性，乳化性等功能特性。【1 3 1 4 】 1 3 5 4 在植物蛋白制品加工中的应用 使用转谷氨酰胺酶可以对植物蛋白，如面筋蛋白、酪蛋白、大豆蛋白进行交 联改性。倪新华应用转谷氨酰胺酶对面粉进行了品质改良研究，结果表明转谷氨 酰胺酶可以催化面筋蛋白形成“谷氨酰基) 赖氨酸共价键，从而明显改善面团 的粉质特性，使面团的形成时间、稳定时间、断裂时间增加，面团的弱化度降低 【1 5 1 。此外，加酶面团的持水性增加，面团的表面粘性下降。而大豆蛋白经转谷 氨酰胺酶改性后，其溶解性、对酸稳定性、乳化性、乳化稳定性、凝胶性都得到 提高。 1 3 6 转谷氨酰胺酶在食品领域内的作用 1 3 6 1 改善蛋白质凝胶的特性 蛋白质经转谷氨酰胺酶催化作用，可引入了新的共价键，蛋白质分子内或分 5 东华大学硕士研究生学位论文转谷氨酰胺酶在羊毛生物改性中的应用及研究 子间的网络结构增强，使不能形成凝胶的乳蛋白形成凝胶，或使凝胶特性发生很 大改变0 6 。蛋白质凝胶性能的变化表现在凝胶的强度提高、凝胶的耐热性和耐 酸性增强、凝胶的水合作用增强，使凝胶网络中的水分不易析出等。 1 3 6 2 提高蛋白质的乳化稳定性 转谷氨酰胺酶能提高蛋白质的乳化稳定性。以p 酪蛋白为例，p 酪蛋白是转 谷氨酰胺酶的良好底物。经t g 作用，b 酪蛋白可形成二聚物、三聚物或多聚物， 所形成的乳化体系的稳定性明显提高，乳化的稳定性随着聚合程度增加而增加 【i 丌。分析天然b 酪蛋白和b 酪蛋白聚合物混合液的乳化稳定性，发现随着混合液 中聚合物比例增大，该混合液的乳化稳定性增加。乳化稳定性提高的原因在于， 多聚物p 酪蛋白分子的粘弹性比单体1 3 酪蛋白分子要高。p 酪蛋白形成多聚物后， 会产生许多支链基团，使蛋白质颗粒的空间排斥力增加，界面蛋白质不易聚集。 1 3 6 3 提高蛋白质的热稳定性 加热处理易使蛋白质变性，降低其功能性质。在奶粉生产中，如何防止奶粉 在贮藏、销售过程中受热结块是个急需解决的问题。t g 可降低奶粉结块现象， 这是因为奶粉结块与其玻璃化温度紧密相联，玻璃化温度越低，其越易结块。奶 粉经t g 处理后，其主要成分酪蛋白在t g 催化作用下发生分子间共价交联，形成 网络结构，蛋白质的分子键能增大，其玻璃化温度明显提高，从而其热稳定性能 也明显提高。l 埽】 1 3 6 4 提高蛋白质的营养价值 t g 可将某些限制性氨基酸交联到某种蛋白质上，以提高此种蛋白质的营养 价值，这种方法与添加游离的氨基酸相比有两个优点：一是可以提高氨基酸的稳 定性，增强蛋白质的功能性；二是赖氨酸与蛋白质交联后，可以避免发生美拉德 反应，防止营养成分损失。【1 9 】 1 3 6 5 改善肉制品口感、风味等特性 转谷氨酰胺酶可使肉中的许多蛋白质交联，故在肉制品重组过程中转谷氨酰 胺酶可以发挥重要作用。在重组肉制品中将各种非肉蛋白质交联到肉蛋白上。可 提高肉制品的口感、风味、组织结构和营养性。交联的蛋白质还可以作为脂肪的 替代物，生产低脂肉制品。n o v o 公司使用交联酪蛋白凝胶作为脂肪替代物，应 用到色拉米肠中替代5 0 的脂肪。用转谷氨酰胺酶处理还可提高肉制品的颜色。 1 3 6 6 提高蛋白质的成膜性能 由于t g 可在一些蛋白质之间形成共价交联，产生自我支持的网络结构，是 制备可食性膜的良好材料。可食性膜用于食品包装，可控制水分、氧气、二氧化 碳转移，防止脂肪氧化和挥发性风味物质损失，防止食品表面污染。 6 东华大学硕士研究生学位论文转谷氮酰胺酶在羊毛生物改性中的应用及研究 1 4 羊毛纤维的组成、结构及性能 1 4 1 羊毛纤维的化学组成 羊毛纤维不同于合成纤维，从化学的角度来说，本质是一类复杂的蛋白质化 合物。羊毛纤维的9 0 的重量为角质蛋白所占有，角质蛋白( 角朊) 属于高分子 化合物，角质蛋白中共含有十八种氨基酸，每种氨基酸的含量如表1 2 ，各种蛋 白质中都含有碳，氢，氧，氮四种元素。羊毛的角朊和其他朊类的主要区别就在 于角朊含有较多的硫。硫在羊毛中主要存在于胱氨酸和蛋氨酸中。从分子上来看， 在十八种氨基酸中，含量最高的有胱氨酸，谷氨酸，精氨酸，亮氨酸，苏氨酸和 和酪氨酸。【2 u j 表l - 2 羊毛蛋白中的氨基酸含囊 氯基酸名嚣氯茎醺端墓 含量( p m i l s ) 天冬氯馥( 雄)c 珏广伽h 2 答氯酸o h )t a 毽广。吨辨 戗抡 天冬酰胺( a j b )c 强广0 n h 2姗 各氯蕞基c g h j )住墨也广c o n 班 4 5 0 藕氟馥a 1 3 ) 一鼢州 知 n h 赣氮蠢( 伽) 位呦广n l l i 2 6 0 组氮馥( h 血) 勺 8 0 色氮盈( 1 印) 邗 4 0 丝氢馥s 玎)c h 棚b 养氨酸( 1 k ) c | l ( a l 卜叼h 5 加 矗霭瞳t 1 弦) 一。一 翟国 事冼氮跫( c 孤嘲问 l o 魔氮酸( c 弦)h 广s 卜蛋a l 广 4 硫氟陵( 【强)a k _ s 喵s 爱氮酸( m d )氓k s 喝5 0 苫氟馥( o 移)卅 7 粥氟瞳( a “) l b 4 7 0 缫氮曩( v m d c h 【c 嚣沩伽 氯奠( h 曲5 2 0 弛 一a 亮氯馥( 1 i a g u )a l l a 瞬皤 髓o 异亮氮to h ) a 硼曙q r a 嘞喝 娜 苯丙氯奠p 妊) 一。 盈吣 7 东华大学硕士研究生学位论文转谷氮酰胺酶在羊毛生物改性中的应用及研究 1 4 2 羊毛纤维的结构 从形态和结构上看，羊毛纤维主要由鳞片层，皮质层和髓质层组成。他们的 细胞有细胞间质c m c 相互隔离，并把细胞粘连在一起，其中鳞片层由片状角质 细胞组成，是羊毛纤维的外壳。鳞片如鱼鳞相互重叠覆盖，其根部附着于毛干， 稍部则伸出毛干表面，并指向毛尖，它对羊毛的物理性质，化学性质，加工性质 起着重要的作用。【2 l j 鳞片层( 约占1 0 ) 在纤维皮质层外面，有片状角质细胞组成，并通过细胞 间质c m c 相连，是纤维的保护性外壳。早有研究表明鳞片层细胞由性质不同的 三部分构成：鳞片表层，鳞片外层和鳞片内层。鳞片表层( e x i c u t i c l e ) 位于鳞片 层的最外面，其性质与一般细胞膜相似，但又非双酯层结构，主要含有磷脂化合 物，角质化蛋白质以及少量的碳水化合物，具有极好的化学惰性，耐化学药品。 鳞片外层( e x o c u t i c l e ) 是典型的角质化蛋白，氨基酸残基( c y s ) 含量相当丰富， 是羊毛结构中含硫量最高的部位，其结构紧密难以膨化，有保护毛干的作用。鳞 片内层( e n d c u t i c l e ) 属于非角质蛋白，其极性基团如c o o h ，- n h 2 含量相当丰富， 化学性质活泼，膨润性极高。鳞片层仅占羊毛总量的1 0 左右，有表层，外层和 内层构成，表层和外层含丰富的角质蛋白，难以降解。由于鳞片层的特殊结构， 使其在羊毛的性质中扮演非常重要的角色。 皮质层由纺锤型细胞组成，是羊毛的主干部分，是决定羊毛物理、机械和化 学性能的主要部分。羊毛纤维的皮质细胞，主要有o ( o r t h o ) 和p ( p a r a ) 两种，他们 在化学组成上有一定的差异。o 皮质细胞含硫量较p 皮质细胞低，易于染色，对 酶和一些化学药剂的反应活泼性也较高。在优良品种的细羊毛中，两种皮质细胞 分别聚集在毛干的两边，并且沿纤维轴向相互缠绕成为双边异构现象。 细胞间质是由细胞膜复合物( c e l lm c m b r a a c 洽c o m p l e x ) c m c 组成，每一部分 又有极其复杂的微细结构。c m c 结构存在于羊毛细胞( 包括鳞片细胞和皮质细胞) 之间，在整个羊毛结构中呈网状分布，是羊毛细胞联接的桥梁，因而对羊毛的物 理机械性能起着至关重要的作用。它的存在与纤维耐磨性关系很大，其主要成分 是角质化蛋白质。染料和其他助剂一般都通过该层进入到羊毛皮质层中，进而对 羊毛纤维发生作用。羊毛细胞在羊毛的改性过程中，为了保持羊毛的机械性能达 到一定的水平，必须对羊毛细胞中的c m c 给予保护。 髓质层是由结构疏松并且内部充有空气的薄膜细胞所组成。细胞之间的联系 很弱，因而，含髓质多的羊毛弹性和强力皆较弱。 1 4 3 羊毛的特性 羊毛是一种天然蛋白质纤维，是纺织工业的重要原料，具有许多优良的特性， 如弹性好、吸湿性强、保暖性好、不易沾污、光泽柔和。这些性能使毛织物具有 s 东华大学硕士研究生学位论文转谷氨酰胺酶在羊毛生物改性中的应用及研究 各种独特风格。用羊毛可以织制各种高级衣用织物，如薄毛昵等；有手感滑腻、 丰厚且有身骨、弹性好、呢面洁净、光泽自然的春秋织物，如中厚花呢；有质地 丰厚、手感丰满、保暖性强的冬季织物，如各类大衣呢等。羊毛也可以织制工业 用昵绒、昵毡、毛毯、衬垫等材料。此外，用羊毛织制的各种装饰品，如垫毯， 地毯等，都十分名贵华丽。但羊毛也存在着许多先天的不足，如：羊毛特有的鳞 片层结构易使毛织物在洗涤时由于定向摩擦效应而发生毡缩变形，导致织物尺寸 发生明显变化，织纹模糊不清。同时，羊毛纤维特有的鳞片层结构也是染色过程 中的主要阻碍。 1 4 3 1 羊毛纤维的缩绒性1 2 2 l 羊毛在湿热及化学试剂作用下，经机械外力反复挤压，纤维集合体逐渐收缩 紧密，并相互穿插纠缠，交编毡化，这一特性，称为缩绒性。羊毛的缩绒性可使 织物外观优美，手感丰厚柔软，保暖性能良好。但同时在穿着过程中织物容易产 生尺寸收缩，变形，毡合，起毛起球等现象。因此羊毛的很多整理工艺都是以改 善其缩绒性而展开的。 1 4 3 2 羊毛的染色性能 羊毛染色主要使用酸性染料和酸性媒染染料。今年来羊毛专用活性染料的应 用日益普遍，但由于羊毛表面的鳞片层以及鳞片最外层的疏水层存在，使得染料 难以上染，对染料的吸附上染起了阻碍作用。因此羊毛染色时一般采用较高温度， 较长时间染色，但能耗高，对纤维损伤大，尤其在羊毛等电点之外染色时，羊毛 纤维损伤更大，导致羊毛纤维强力下降，手感粗糙，色泽泛黄，在纺织成纱过程 中断头率升高 2 3 】。目前有几种羊毛低温染色的方法，如：甲酸法、尿素法、溶 剂法、前处理及表面活性剂法等，这些方法有一定成效，但存在对纤维特性的破 坏、成本高，公害严重等弊端。因此研究对环境友好，对羊毛特性无不良影响的 低温染色方法是研究羊毛染色的发展趋势之一。 1 5 羊毛改性技术及其发展 羊毛改性技术是针对羊毛易毡缩，易起毛起球，有刺痒感等缺点而开发的。 传统的改性技术有氯化法，树脂法。新型的改性技术有生物酶，等离子技术等。 1 5 1 传统的羊毛改性技术f 2 4 j 氯化法。氯化处理是最早的羊毛改性方法，目前用于工业生产的大都采用氯 化h e r c o s e t t i 艺，羊毛鳞片层与h o c i 或o c i 反应而被破坏降解，氯化法能有效 提高羊毛的防毡缩性能及服用性能，但同时氯化荆会渗入纤维皮质层，造成纤维 9 东华大学硕士研究生学位论文 转谷氦酰胺酶在羊毛生物改性中的应用及研究 的机械性能受损，织物泛黄，手感粗糙等问题。同时其所产生的有机卤化物a o x 可致癌，且会严重污染环境，因此研究可替代氯化法的环保改性技术正是纺织工 作者的研究方向之一。 树脂法也称聚合物沉积法或加法。高分子聚合物沉积于纤维表面，阻止纤维 鳞片之间的相互齿合，从而减小顺，逆鳞片的有效摩擦系数差。目前工业化上应 用的树脂整理一般都需先经过氯化预处理，羊毛才能获得良好的防缩效果，羊毛 的硬挺度、强度和耐磨性也都获得提高。而其中的氯化过程依然会严重污染环境。 1 5 2 新型生态防缩技术 羊毛的等离子体改性。羊毛织物经氮气或氧气等离子体处理后，由于极性基 团的引入和物理刻蚀作用，能有效地提高羊毛织物的防毡缩性能，同时羊毛的强 力，染料上染速率，染色牢度也都得到提高，可以实现低温染色。若选用一些树 脂和柔软剂对经等离子体处理的羊毛进行后处理，那么可以进一步提高羊毛织物 的防毡缩性能和手感。【z 5 ，2 6 j 羊毛的蛋白酶改性整理。蛋白酶能水解部分羊毛鳞片蛋白，减小定向摩擦效 应，提高羊毛的防毡缩性能，同时还能提高羊毛自度，手感，染色性能等。蛋白 酶改性整理适应生态纺织的发展要求，但蛋白酶处理羊毛，会导致作用不匀，蛋 白酶会直接通过细胞间质进入皮质层，从而使羊毛强力下降较大。t 2 7 , 2 s l 1 6 蛋白酶改性整理对羊毛织物性能的影响 1 6 1 蛋白酶处理后对羊毛毡缩性能的影响 蛋白酶防缩整理是一种有望代替氯防缩的绿色环保整理技术，一直是科研人 员的研究热点。从目前的研究来看，酶对羊毛的单独作用对其防缩性影响不大， 而以氧化为前处理的酶法防缩整理则具有较好的效果。1 2 9 3 l 】 不同种类的蛋白酶，其剥离鳞片的方式也是不同的 3 2 1 。但酶处理往往会对 羊毛产生过度损伤，原因在于鳞片表层的类脂层和胱氨酸具有很强的耐化学性， 蛋白酶难以分解，因而往往会先水解鳞片内部的皮质层，造成羊毛强力过度下降。 酶处理对羊毛机械性能影响较大是一个有待解决的问题，也是这一领域没有 取得重大突破的原因所在，正是目前研究的重点。 1 6 2 蛋白酶处理对羊毛白度的影响 蛋白酶处理能提高羊毛的白度。处理时间延长，白度提高显著。主要原因是 蛋白酶本身与羊毛中的色素或与这些色素分子相结合的蛋白质发生了作用，因而 1 0 东华大学硕士研究生学位论文转谷氨酰胺酶在羊毛生物改性中的应用及研究 蛋白酶发生了一定程度的消色作用。也就是说，蛋白酶对羊毛具有一定程度的漂 白作用。 1 6 3 蛋白酶处理对羊毛光泽的影响 目前生产中大多都是采用氧化、主要是高浓度氯化处理，剥除鳞片从而获得 高光泽的羊毛纤维。结合氧化前处理，羊毛用蛋白酶处理也能剥除鳞片，增加光 泽。随着酶处理时间的延长，毛织物的光泽能进一步提高。【3 3 】 1 6 4 蛋白酶处理对羊毛强力的影响 羊毛经蛋白酶处理后，部分蛋白质大分子链段降解。必然引起纤维损伤，强 力下降。用蛋白酶处理一段时间后，羊毛的失重率和碱溶度显著下降。随着处理 时间的延长，强力损失则更大，羊毛织物的撕破强力和断裂强力损失可达到2 0 以上。0 4 1 1 6 5 蛋白酶处理对羊毛细度的影响 羊毛细度是衡量纤维品质的一项重要指标。它对毛织物的手感、风格等性能 均有重要的影响。经蛋白酶处理后羊毛细度减小。氧化前处理对酶处理后的羊毛 细度有显著的影响。羊毛纤维细度减小的原因可能是纤维内部部分蛋白质降解溶 出的结果。 1 6 6 蛋白酶处理对毛织物手感的影响 织物的手感是织物某些物理机械性能对人的手掌所引起的刺激的综合反应， 织物的弯曲，表面摩擦及压缩性能是其重要的组成部分。单独用蛋白酶处理，织 物的手感与未处理的手感相差不大。但若用氧化和蛋白酶联合处理后，毛织物的 弯曲刚性降低，柔软度增加，蓬松性和丰满性能降低。【3 5 】 1 6 7 蛋白酶处理对毛织物抗起球性能的影响 织物在服用过程中因摩擦等机械作用会产生起毛起球现象。影响织物风格和 美感。因此，有时需要对织物进行抗起毛球整理，采用化学处理降低纤维的强力 是其中方法之一。由于经氧化和蛋白酶处理后羊毛纤维的拉伸强度下降，机械性 能受到一定的损伤。在机械摩擦作用下，毛绒容易脱落，表现为织物获得了较好 的抗起毛起球性能。一般的蛋白酶处理后，均可提高羊毛的抗起毛起球性能。通 过酶种选择和工艺优化，抗起毛起球等级可从3 级提高到4 5 级。 东华大学硕士研究生学位论文转谷氨酰胺醇在羊毛生物改性中的应用及研究 1 6 8 蛋白酶处理对羊毛染色性能的影响3 6 - 3 8 1 经蛋白酶处理后的羊毛上染速率提高，特别是初染速率提高显著，但其平衡 上染百分率却有下降，并且皂洗牢度也稍有下降，摩擦牢度变化不大。羊毛的常 规染色工艺都采用较高的温度。其主要原因是鳞片层的致密结构所造成对染料大 分子向纤维内部扩散阻力。在高温时，染料分子动能增加，染料与纤维之间接触 机会增加，同时，纤维湿膨胀加剧，鳞片张开，染料分子向纤维内部扩散阻力减 小以及染料分子的聚合度降低，从而使鳞片层屏障作用减小。丽在低温时，这种 阻力很大，故正常毛纤维在温度较低的初染期，上染速率很小。织物经酶处理后， 鳞片层遭到一定的损伤破坏甚至脱落，有利于染料的扩散。同时，氧化处理还会 破坏角质细胞大分子中的二硫键，使之转化成为磺酸基团，提高了毛纤维的吸湿 膨胀性能，有助于染料在毛纤维中的扩散。另外，还可能由于表面鳞片层的脱落， 纤维细度有所下降，缩短了染料在纤维截面扩散的行程，这些都有助于上染速率 的提高。所以染色初期，酶处理后的织物，其上染速率较大，随着温度的提高， 染料的上染速率增加很快，但染色超过一定对间后，其上染百分率反而比未处理 的羊毛低。这一方面是因为酶处理后羊毛纤维的亲水性增加，水分子与纤维的作 用增强，减弱了染料与纤维之间的范德华力；另一方面由于鳞片层的部分及全部 剥离，而鳞片外层中胱氨酸占羊毛纤维胱氨酸总含量的3 3 ，占整个鳞片层胱氨 酸含量的9 1 ，故意味着鳞片层的剥离大幅度降低了羊毛纤维胱氨酸的含量，从 而氨基数量必然相应减少，造成了虽然初染率高，总的吸色量却减少了。所以酶 处理羊毛纤维的染料上染率反而比未处理原样的有所下降。处理后色牢度的变化 也是由于毛纤维结构及性质的变化，同上所述，酶处理后，毛纤维结构松弛，亲 水性增强，染料分子易于脱落。 1 7 转谷氨酰胺酶在羊毛染整工业中的研究现状及发展0 3 9 4 6 1 目前国内外有关转谷氨酰胺酶在纺织上研究报道并不多。英国诺丁汉大学的 j o a oc o r t e z 教授等利用转谷氨酰胺酶处理羊毛织物，认为转谷氨酰胺酶可以降低 蛋白酶及碱性洗涤剂对羊毛的损伤，同时还具有一定的防缩效果。s h i r l e y v g e m b e h 利用转谷氨酰胺酶催化交联的特性，把磷酸乙醇处理到羊毛纤维上，磷 酸乙醇胺和羊毛纤维的蛋白质形成了共价键。这为进一步利用转谷氨酰胺酶进行 羊毛织物的阻燃研究奠定了基础。目前国内也有一些学者开始研究转谷氨酰胺酶 对羊毛性能的影响。江南大学的崔莉利用转谷氨酰胺酶修复高锰酸钾和蛋白酶对 羊毛的损伤。实验结果表明，经过高锰酸钾和蛋白酶处理后再用t g 处理的织物， 与只经高锰酸钾和蛋白酶相比，织物强力提高了3 0 ，面积毡缩率下降至2 3 0 ， 并且处理液中的c o d 值只有树脂整理的l 3 。江南大学的卢雨正等用m t g 处理羊 1 2 东华大学硕士研究生学位论文转谷氨酰胺酶在羊毛生物改性中