（纺织工程专业论文）反相胶束中角质酶蛋白酶处理对羊毛性能影响的研究.pdf

摘要 摘要 羊毛是一种结构复杂的天然纤维，纤维鳞片由含硫量较高的半胱氨酸残基高度交联 肽链结构组成，鳞片表层还由一层厚约0 9 n m 的类脂层，使得蛋白酶分子对羊毛鳞片的 水解较为困难。到目前为止羊毛的生物防毡缩加工多通过氧化、还原预处理与蛋白酶处 理相结合的方法来进行，以提高羊毛表面鳞片层的去除效果。 传统的羊毛纤维酶法处理织物都是在水相条件下进行，由于纤维鳞片表层疏水性较 强，因此蛋白酶处理中均匀度不易控制。本文采用一种新型的介质体系一反胶束，就羊 毛在不同反胶束体系中的酶处理效果进行了研究，分别考察了羊毛经反胶束角质酶、反 胶束蛋白酶以及反胶束角质酶+ 反胶束蛋白酶二浴法处理后性能的影响，通过润湿性能、 减量率、染色性能、碱溶解度等评定指标，a l l w 6 r d e n 反应、扫描电镜s e m 、红外光谱 分析以及氨基酸分析等手段，从宏观上、微观上进行了详细研究，试分析反胶束角质酶、 蛋白酶对羊毛处理的影响。 试验结果表明：在反胶束角质酶体系中，v ( 环己烷) ：v ( 正丁醇) ：v ( 吐温一8 0 ) = 5 ：1 ：1 ， w o = 2 6 时，温度5 0 ，处理时间为6 h 时角质酶对羊毛具有较好的润湿性能、减量效果 及染色性能。在反胶束蛋白酶体系中，吐温一8 0 形成的反胶束体系中，当v ( 环己烷) ：v ( 正丁醇) ：v ( 吐温一8 0 ) = 5 ：l ：1 ，w o = 1 8 时，温度5 5 ，处理时间为4 h 时蛋白酶对羊毛 具有较好的减量效果。经反胶束角质酶预处理后羊毛织物的性能有所改善，且反胶束角 质酶+ 水相蛋白酶处理后织物的润湿性能、减量率及染色性能最好。 a l l w 6 r d e n 和s e m 测试结果表明，反胶束体系中角质酶+ 蛋白酶处理羊毛后纤维四 周没有囊泡，羊毛鳞片受到剥离，表面变光滑，羊毛织物经反胶束角质酶预处理后织物 的碱溶解度有所下降。红外光谱和氨基酸分析可知，反胶束角质酶对羊毛鳞片层中角蛋 白影响较少，而蛋白酶处理对纤维鳞片层中二硫键( 一s - s 一) 产生影响，结合角质酶与 蛋白酶处理可获得稍好的鳞片角蛋白酶解效果。 关键词：羊毛织物；反胶束；角质酶；蛋白酶；染色性能；减量率 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r ea n dt h ec o m p a c tc u t i c l eo fw o o lm a k ei td i f f e r e n tf o rs o l o p r o t e a s et r e a t m e n tt oe x e r tag o o de f f e c t ，i ti sa l s op l a g u e dw o o l r e s e a r c h e r st h a tt h e r ei sal i p i d l a y e ro ft h i c k n e s s0 9 n mc o v e r i n gt h es c a l e s ，t h i sl a y e ro fl i p i dc o m p o u n d s i n c r e a s e dd i f f c u l t y o fp r o t e a s ed e g r a d a t i o no fs c a l e s ，s of a r , t h ee n h a n c m e n to fw o o lh y d r o p h i l i c i t ya r ea l l t h r o u g ho x i d a t i o no rr e d u c t i o n b e i n go fg e n t l ew o r k i n gc o n d i t i o n , h i g he f f i c i e n c ya n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，e n z y m eh a sb e e nw i d e l yu s e da sb i o l o g i cc a t a l y z e ri n t e x t i l e i n d u s t r y t h et r a d i t i o n a le n z y m et r e a t m e n to ff a b r i c w e r ec a r r i e do u tu n d e r a q u e o u s c o n d i t i o n s ，t h i sp a p e ru s i n gan e wk i n do fm e d i as y s t e m r e v e r s em i c e l l e s ，t h r o u g he v a l u a t i o n i n d i c a t o r s ，s u c ha sw e t t i n gp e r f o r m a n c e ，w e i g h tl o s s ，d y e i n gr a t ea n da l k a l i n es o l u b i l i t y , a s w e l la ss o m em e a n so fa l l w 6 r d e nr e s p o n s e 、s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ys e m 、i n f r a r e d s p e c t r o s c o p ya n d a m i n oa c i da n a l y s i s ，c a r r i e do u tad e t a i ls t u d yf r o m t h em a c r o l e v e l ，f u r t h m o r em a k eai n f l u e n c ea n a l y s i so f t h ew o o lt r e a t e di nr e v e r s em i c e l l ee n z y m e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f i c i e n c yo fc u t i n a s ee n z y m a t i cd e g r a d a t i o no f w o o lf a b r i c sr e a c h e dt h em a x i m u mu n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o na sf o l l o w s ：t h ev ( c y c l o h e x a n e ) ：v ( a l c o h 0 1 ) ：v ( t w e e n - 8 0 ) o f5 ：1 ：1 ，w 0o f2 6 ，i n c u b a t i n gt e m p e r a t u r eo f5 0 c a n dt i m eo f6 h ，w h i l ei nt h ep r o t e a s er e v e r s em i c e l l es y s t e m ，t h ee f f i c i e n c yo fe n z y m a t i c d e g r a d a t i o no fw o o lf a b r i c sr e a c h e dt h em a x i m u mu n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o na sf o l l o w s ： t h ev ( c y c l o h e x a n e ) ：v ( a l c o h 0 1 ) ：v ( t w e e n - 8 0 ) o f5 ：1 ：1 ，w 0o f18 ，i n c u b a t i n gt e m p e r a t u r eo f 5 5 。ca n dt i m eo f4 h a n dt h ea d v a n c e m e n to fw e t t i n gp e r f o r m a n c e 、w e i g h tl o s s 、d y e i n gr a t eo f w 0 0 1f a b r i ca f t e rp r e t r e a t m e n to fc u t i n a s er e v e r s em i c e l l e p r o t e a s ea q u e o u ss y s t e m a l l w 6 r d e na n ds e ms h o wt h ew o o lf i b e rt r e a t e db yc o m p o u n df i n i s h i n go fc u t i n a s ea n d p r o t e a s ei nr e v e r s em i c e l l eh a sb e c a m er a t h e rs m o o t h ，w h o s es c a l eh a s b e e np e e l e do b v i o u s l y a l k a l i n es o l u b i l i t yo fw o o lf i b e rw h i c hw a st r e a t e db yc u t i n a s er e v e r s e m i c e l l eh a sd e c r e a s e d i n f r a r e ds p e c t r u ma n da m i n oa c i da n a l y s i si n d i c a t et h a tc u t i n a s er e v e r s em i c e l l eh a sl e s s e f f e c to nk e r a t i no fw o o ls c a l e w h i l ep r o t e a s eh a se f f e c to n s - s i nw o o ls c a l e t h ec o m b i n a t i o no f c u t i n a s ea n dp r o t e a s eo b t a i nb e t t e re f f e c to nk e r a t i ne n z y m o l y s i s k e y w o r d s ：w o o lf a b r i c ；r e v e r s em i c e l l e s ；c u t i n a s e ；p r o t e a s e ；d y e i n gp r o p e r t i e s ；w e i g h tl o s s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名： 马，、五 日 期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 勺i 沙趴导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 反胶束及其在纤维加工中应用 1 1 1 反胶束概述 反胶束是表面活性剂分子在非极性有机溶剂中超过临界胶团浓度( c m c ) 时自发形 成的具有热力学稳定、光学透明的球状或圆柱状纳米级聚集体【l 】。表面活性剂的疏水的 非极性尾部指向有机溶剂，亲水的极性头部指向聚集体内部形成一个极性腔。此极性腔 容纳一定量的水，其内部接近细胞内环境，不仅能溶解亲水性分子如氨基酸、多肽和蛋白 质等，而且能保持它们的活性。反胶束是最简单的模仿生物膜且有生物催化性能的有机 介质，含有生物酶的反胶束就像一个微型反应器，其中的酶由于胶束的保护可避免与有 机相接触而失活【2 ，3 ，4 】。 通常，形成反胶束体系的两亲类物质根据其极性头基性质不同可分为非离子型( 如 脂肪醇聚氧乙烯醚类) 、阴离子型( 如二( 2 一乙基己基) 琥珀酸酯磺酸钠) 、阳离子型 ( 如二辛基二甲基氯化铵) 和两性离子型( 如卵磷脂) 。有些反胶束体系则需要加入一 定量的表面活性剂助剂才能形成稳定的反胶束体系岭】。 1 1 2 反肢束酶体系 随着反相胶束技术发展和酶催化反应研究不断深入，一个新的研究领域胶束酶 学开始产生和兴起【6 】。自1 9 9 7 年l u i s i 7 等报道q 一胰凝乳蛋白酶在二( 2 一乙基己基) 琥 珀酸酯磺酸钠( a o t ) 异辛烷反胶束体系下活性以来，在反胶束体系下进行酶催化反 应这一技术引起人们广泛关注。图1 为反胶束酶体系示意图，般认为酶溶解于反胶束 与酶表面电荷和表面活性剂表面电荷的静电作用以及反胶束尺寸大小有关。因此，任何 增强这种静电作用或导致反胶束增大的因素，都有利于酶在反胶束体系中的溶解。 玄 图l - 1 反胶束酶体系示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f e n z y r n es y s t e mo f r e v e r s em i c e l l e s 反胶束体系具有三种溶解环境：连续有机相、胶束界面和胶束水池。有机溶剂参与 的酶催化反应常用于该体系，酶增溶于反相胶束体系方法主要有：注入法、液体萃取法 和固体萃取法等【5 】。 ( 1 ) 注入法：这是将含有酶的缓冲溶液注入到表面活性剂有机溶剂中，然后搅拌至形 成透明溶液而形成胶束酶体系一种常用方法；该方法可很好控制反相胶束的水含量。 ( 2 ) 液体萃取法：这是将酶从主体水溶液中转移到含有表面活性剂反相胶束溶液中而 形成反相相胶束酶体系另一种方法；通常，该法制得反相胶束酶的浓度较高。 ( 3 ) 固体萃取法：它是将反相胶束溶液和固体酶直接混合搅拌，使酶进入反相胶束体 江南大学硕士学位论文 系一种方法。该法使酶失活严重，一般很少使用。有关酶增溶于反胶束中机理有三种不 同结构模型： a b c + 囝一 + 囝一 + 囝一 图l - 2 酶溶解反胶束体系模型图 f i g 1 2d i s s o l v e de n z y m em o d e li nr e v e r s em i c c l l es y s t e m ( a ) l u i s i 水壳模型( w a t e r - s h e l lm o d e ) 认为酶分子的溶解伴随着胶束尺寸的增加。 填充胶束( f i l l c d - m i c e l l e s ) 比未填充胶束( u n f i l l e d m i e e l l e s ) 含有更多的水分子和表面活性 剂分子，这是胶束各组分在两种胶束之间重新分配的结果。 ( b ) m a r t i n e k 诱导适合模型( i n d u c e d f i t m o d e l ) 认为酶分子尺寸大于未填充胶束的 水池尺寸时，胶束尺寸增大，酶分子的溶解增加表面活性剂水合度和聚集数。 ( c ) 固定尺寸模型( f i x e d s i z em o d e l ) 认为酶分子大小略等于或小于水池尺寸时， 酶的溶解不会导致胶束尺寸增加。 酶溶解在反胶束中形成水合胶束。酶在反胶束中的定位与酶的亲水疏水特性有 关。亲水性的酶定位在极性水腔中，周围是一个水层和一个表面活性剂层，酶可因不与 有机溶剂直接接触而避免失活。相对疏水的酶定位在水池与表面活性剂之间的界面上， 因为界面的疏水性小于水池。酶与反胶束的界面存在相互作用。酶分子可一定程度地附 着于反胶束膜上，有时甚至部分地伸出膜外【8 1 ，在胶束中酶分子的构象受到反胶束微粒的 限制，结构运动的自由度相对较d , t 9 1 ，酶在反胶束体系中的活性由以下三方面因素决定 1 1 0 ：核心水团的大小，即含水量多少，表面活性剂的种类与反胶束微粒的浓度。 含水量是反胶束体系中一个重要的参数，其值的大小决定了反胶束水池尺寸的大小 i n ，与普通的水相比，反胶束中的水具有不同的酸度、粘度、极性和介电常数。因此， 含水量的变化影响着反胶束的结构及物理性质，并导致酶活力的变化。与酶分子紧密结 合的水分子对酶的催化活性至关重要，称之为“必需水 ，不同体系中酶与必需水结合 的紧密程度及所结合的必需水数量是不同的【1 2 1 。反胶束体系中的水包括自由水和结合 水，随着含水量w 0 的增加，自由水逐渐增加，反胶束中水的微环境逐渐接近于水溶液。 反胶束中，酶活性与含水量的关系有四种情况【1 3 】。( a ) 饱和曲线，酶为了达到最高 活性，要求胶束中有自由水( f r e ew a t e r ) 存在，较高的含水量对酶活无影响；( b ) 钟形曲 线，对应于酶的最高活性，有一个最佳含水量，此时胶束中水池的直径与酶的尺寸相当； ( c ) 酶活性随含水量的增大逐渐降低，低含水量下酶活性较高，( d ) 超活性效应，某 些酶在反相胶束中的催化常数( k c a t ) 比在水中大得多，即所谓超活性效应。 2 撩撩搽瓣辩臻 第一章绪论 反胶束作为酶催化的反应介质，具有如下优点：( 1 ) 当表面活性剂、水与有机溶剂 比例适当时，可自发形成均一、稳定的反胶束体系，即反胶束微粒具有“自我组装 ( s e l f - a s s e m b l e ) 能力f 1 4 】，( 2 ) 具有很高的比表面积，( 3 ) 可拓宽酶的作用对象，可进行 水不溶性化合物的催化反应；( 4 ) 产物可通过相变调节进行回收；( 5 ) 稳定的热力学性 质；( 6 ) 减少由水引起的副产物。水含量w o ( w o 为反胶束体系中水和表面活性剂s 的 摩尔比w o = h 2 0 s 1 5 】) 是反胶束体系中一个重要的参数，它不仅影响反胶束的大小、 结构和酶活性，而且许多酶的催化反应都伴随着水的产生和消耗。反胶束中水有两种存一 在形式：自由水和结合水。结合水受到两亲分子束缚，且与主体水( 普通水) 有着不同 的物化性质，例如粘性增大，介电常数减小，氢键形成网络结构遭到破坏等 1 6 , z 7 】。 i i 3 反胶束酶体系在纺织纤维加工和应用 目前，反胶束酶体系常用于高分子物的合成和萃取，在纺织方面的应用还停留在实 验室研究阶段，工业上尚未应用。传统的纺织纤维酶处理都在水相体系下进行，反胶束 作为一种新型的介质体系，由于其独特的优点，人们已有报道指出，在此体系下经过酶 处理的织物能获得和水溶液中一样的处理效果，k a z u y as a w a d a 等人研究了在反胶束体 系中羊毛织物的染色和酶处理，棉织物、丝织物在此体系下低温染色能够得到较好的上 染效果；涤棉混纺织物在此体系下可进行活性染料和分散染料的同浴染色【l 飘，此外，还 研究了在反胶束体系中棉织物的生物煮练f 1 9 1 。到目前为止，反胶束体系中酶催化还不是 工业上成熟的技术，它仍处于研究开发的阶段，这方面的工作还在不断的深入，从已获 得的成果来看，这是一个极有前途的新型领域。 1 2 羊毛结构与生物酶处理 1 2 1 羊毛的基本结构 细羊毛纤维由三部分组成，即鳞片细胞、皮质细胞和细胞膜复合物( c e l lm e m b r a n e c o m p l e x ，c m c ) 其每一部分都有其复杂的细微结构。其中，羊毛纤维的主要成分是皮 质细胞，皮质细胞约占整个纤维的9 0 。鳞片层位于纤维的外层并包覆着整个皮质层， 构成纤维的表面。而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 个羊毛结构中成网状分布，是羊毛细胞连接的桥梁。如图2 1 所示羊毛的横断面的结构， 三股右手a 螺旋向左缠绕，拧成一根称为原纤维的结构，直径为2 r i m ；原纤维再排列成 “9 + 2 的电缆式结构，即微原纤，直径为7 n m ；成百根微原纤包埋在硫含量很高的无 定形基质中，结合成一不规则的纤维束，称巨原纤，其直径为2 0 0 r i m ，其截面近似圆型 或椭圆形i z u j 。 3 江南人学颈l + 学位论文 图1 - 3 羊毛纤堆的横截面结构 f i g i 一3 c t 0 6 s c c i i o n d i a g r a mo f a w o o l f i b e rs h o w i n g 血es 呲他 1 2 2 羊毛的鳞片结构 羊毛的鳞片层约占羊毛总量的1 0 。羊毛的鳞片层由鳞片表层，鳞片外层和 鳞片内层组成，鳞片外层根据含硫量的不同又可分为鳞片外a 层和鳞片外b 层， 鳞片内层组成如图4 所示。 鳞h 表层( 1 2 半胱氨酸) 鳞片外a 层 细胞问质( 1 半胱氨酸) 田1 4 革毛鳞片屡的结构 f i 9 1 - 4s t m c m s eo f c u t i c l e l a y e r o f w o o l f i b e r 鳞片表层完整的包覆着整个鳞片细胞，并且具有耐碱、氧化剂、还原剂和蛋 白酶的作用，它化学性质之所以如此稳定，和其独特的化学结构有关，如图5 所示 第一章绪论 、 图1 5 羊毛鳞片表层结构 f i g u r e 1 - 5w o o ls t r u c t u r eo fs c a l es u r f a c e 鳞片表层主要由类脂和其下的蛋白层组成。类脂的厚度约为0 9 n m ，主要结构是1 8 甲基二十酸和二十酸，和其下的蛋白层主要以酯键和硫酯键结合。其蛋白层在肤链间除 了有二硫交联外，还存在酰胺交联，该交联由谷氨酸和赖氨酸残基反应形成，由于酰胺 交联的链长约为二硫交联的2 倍，因此当二硫键断裂后，胶链将具有更大的伸缩空间 2 1 ，2 2 1 o 尽管类脂物在整个羊毛纤维中仅占约2 ，但它却使羊毛具有十分重要的物理和化 学特性，去除羊毛表面层的类脂物，能够减小纤维的疏水性，增加纤维对染料的吸附性 和聚合物的粘合性。 1 2 3 羊毛的c 蹴结构 羊毛的c m c 在羊毛的毛囊中形成，由活性细胞的细胞膜和细胞间质演化而来，其 化学结构和活性细胞膜相类似。c m c 是由类脂双分子层，球状蛋白层和处于球状蛋白 和类脂层之间的耐化学性质的纤状蛋白层组成。实际上，鳞片表层的类脂结构和c m c 中的双分子类脂结构相当，只是为双分子结构的一半；鳞片表层中的蛋白层和c m c 结 构中的纤状蛋白类似，具有较强的耐化学性，由此可见，其实羊毛的c m c 结构可以看 成是由4 个鳞片表层结构单元通过球状蛋白粘合而成的复合物。由于羊毛c m c 结构充 斥在整个羊毛结构中，所以在羊毛改性过程中，为了保持羊毛的机械性能在一定的水平 必须对c m c 予以保护。尤其是在羊毛用酶的防毡缩整理中，如何对羊毛外部鳞片进行 合理改性，又对羊毛内部c m c 予以适当的保护，已成为一个需要调和的主要矛盾。 1 2 4 角质酶在纺织品上的应用 角质酶属于丝氨酸酯酶的一种1 2 3 l ，是一种可以降解植物角质的水解酶，也可以作 5 江南大学硕士学位论文 用于其他脂肪酸脂，甘油三脂等。作为一种通用裂解酶，在纺织工业、食品工业以及化 工工业等诸多领域都有着广泛的用途。 在传统的纺织工业中，棉织物的前处理采用强碱高温处理工艺，这种工艺有流程复 杂冗长，设备庞大，严重损伤纤维；棉织物前处理耗水耗能大等不足之处。用酶对棉织 物进行前处理是国内外公认的2 l 世纪的环保型染整技术，棉花的角质层直接影响棉花 的可纺性，2 0 0 2 年首次报道假单胞菌所产生角质酶用于棉纤维角质层生物煮练的研究 【2 4 】，研究表明它可有效提高原棉表层的润湿性。在生物煮练过程中，角质酶与果胶裂解 酶具有良好的协同效应，亦可用于去除织物表面的聚酯类污点，提高织物的质量【2 5 1 。人 们尝试用角质酶来提高涤纶的亲水性，期望角质酶能作用在合成聚酯上使得酯键断开后 在纤维表面上形成羟基和羧基，从而赋予涤纶亲水基团【2 6 1 。角质酶处理羊毛织物的研究 报道鲜见，由于羊毛鳞片表层的类脂物的主要成分为脂肪酸混合物，或许角质酶也可将 其降解，从而提高羊毛织物的亲水性。 1 2 5 蛋白酶纺织品上的应用 蛋白酶是对蛋白质的水解起催化作用的酶，它由氨基酸链组成。广泛存在于动物内 脏、植物茎叶、植物果实和微生物中，蛋白酶在洗涤、制革、纺织、医药、环保等工业 都有广泛的应用。在纺织品生产中，蛋白质基物质有羊毛、丝和毛皮。将蛋白酶用于处 理这些纺织品，已有不少文献作过报道【2 7 】。如：蛋白酶的羊毛防缩处理、蛋白酶的羊毛 针织品染色、日本仓纺公司的氧化酶技术、蛋白酶的羊毛增强漂白、蛋白酶的真丝脱胶、 超柔软丝光整理、抗起毛起球整理等等。蛋白酶对羊毛的这些处理是羊毛制品加工高档 化、高附加值的有效途径之一，正在进一步研究中，特别是研究取代羊毛氯化，以解决 工艺生产中产生严重影响的a o x ( 可吸附有机氯化物) 问题，该指标已受到所有工业 化国家限制。国内也有用蛋白酶处理羊毛的报告，如采用蛋白酶9 7 0 9 或1 3 9 8 ，结合双 氧水前处理，减重在6 8 时，织物柔软爽滑，如果再结合高分子化合物后整理，防毡 缩效果好【2 引。 1 3 研究的内容和意义 1 3 1 反胶束的制备 形成含有蛋白质的反胶束体系的方法有3 种，( 1 ) 相转移法：将含有蛋白质的水溶 液与含有表面活性剂的有机相接触，在缓慢搅拌下，部分蛋白质移入有机相中，最后到 达萃取平衡状态；( 2 ) 溶解法：对于不溶性蛋白质，将不溶性蛋白质粉末与含有微量水 的反胶束有机溶剂一起搅拌，最后形成含有蛋白质的反胶束；( 3 ) 注入法：向含有表面 活性剂的有机相中注入含有蛋白质的水溶液【2 9 1 。在本试验中，采用注入法，在锥形瓶中 加入一定体积的环己烷、正丁醇，其中v ( 烷烃) v ( 正丁醇) - - 5 - l 按所需表面活性 剂的浓度称量表面活性剂于锥形瓶中，然后在恒温磁力加热搅拌器上边搅拌边向该体系 中注入一定体积酶溶液，使之最终形成均一、透明、澄清、稳定的反胶束体系。 6 第一章绪论 1 3 2 研究的主要内容及其意义 反胶束酶体系大多数见于高分子物的合成和降解，在纺织方面的应用较少，k a z u y a s a w a d a t 3 0 1 等人研究了蛋白酶反胶束体系处理羊毛织物的情况，其结果表明，在反胶束体 系中，蛋白酶仍保持其活性，对羊毛织物有降解作用，且与水相体系下两种酶作用羊毛 织物相比，有较高的撕破强力；另外，e p m e l o 3 1 】等人考察了在a o t 异辛烷反胶束体 系中角质酶对甘油三酯的降解，考虑到羊毛鳞片层表面的类脂物与甘油三酯有同样化学 的性质。 本文基于前人研究的基础，制备了t w e e n 8 0 环己烷形成的反胶束体系，对蛋白酶 反胶束体系处理羊毛进行进一步研究和探讨，并且利用角质酶反胶束处理羊毛织物，这 在目前尚无报道，考察反胶束中角质酶对羊毛鳞片表层的类脂层的降解情况，考察不同 因素，例如表面活性剂用量、含水量、及p h 值等等对反胶束体系生物酶作用羊毛的影 响，观察处理后羊毛织物的各种性能变化，例如织物润湿性、染色性能、织物减量率等 等，通过a l l w 6 r d e n 反应、扫描电镜s e m 、红外光谱分析等手段，试分析了反胶束角质 酶、反胶束蛋白酶对羊毛处理的影响。 由于人们环保及节能意识的加强，很多生产领域都提倡节能节水，尤其在纺织染整 行业，大量水资源的浪费更与节水的观念不符合，现在已经有生物酶代替化学试剂来处。 理织物，但是都在水溶液中进行，反胶束体系作为一种新型的介质体系，它的优点除了 节水之外，还具有最简单的模仿生物酶的天然环境，在这种体系下有些生物酶会出现超 活性，正因为其独特的性质，引起很多介质工作者的兴趣，不过反胶束体系酶处理才刚 刚起步，目前的这个体系对羊毛酶处理的工业应用是不可能的，除非今后建立一套完整 的溶剂回收体系。 7 第二章试验材料、仪器和方法 第二章试验材料、仪器和方法 2 1 试验材料和药品 2 1 1 试验材料 纯毛华达呢( 3 3 t e x 3 3 t e x ，3 2 5 9 m 2 ) ；单纱，无锡协新毛纺厂 2 1 2 试验试剂 表2 - 1 试验试剂 t a b l e 2 1r e a g e n t so f c x l 础c n t a f i o n 2 2 试验仪器与设备 表2 - 2 试验仪器 t a b l e 2 1a p p a r a t u so f e x p e r i m e n t a t i o n 9 江南大学硕士学位论文 2 3 试验方法及工艺 2 3 1 反胶束体系中角质酶处理羊毛 工艺流程：( c c l 3 十c h 3 0 h ) 萃取6 h 一反胶束处理一冲洗，烘干，待用。 工艺处方：环己烷7 0 m l 正丁醇 1 4 m l 吐温一8 0 xm l 角质酶 x ( o w f ) p h 6 1 0 温度 2 0 - - 6 0 时间1 6 h 2 3 2 反胶束体系中羊毛蛋白酶处理 工艺流程：9 5 热水中处理2 0 1 1 1 i n 一反胶束处理一冲洗，烘干，待用。 工艺处方：环己烷5 0 m l 正丁醇1 0 m l 吐温8 0 x m l 蛋白酶x ( o w f ) p h 8 5 温度2 5 - 6 5 时间l 5 h 2 3 3 水相羊毛蛋白酶处理 工艺流程：9 5 。( 2 热水中处理2 0 m i n 一水相处理一冲洗，烘干，待用。 工艺处方：蛋白酶x ( o w f ) p h 8 5 温度5 5 时间4h 2 3 4 反胶柬体系中角质酶、蛋白酶二浴法羊毛处理 工艺流程：( c c l 3 + c h 3 0 h ) 萃取6 h 一反胶束角质酶处理一反胶束蛋白酶处理一冲 洗，烘干，待用。 工艺处方：同2 3 1 和2 3 2 2 3 5 染色工艺 工艺流程：试样浸入染液一恒温处理一多次水洗一烘干。 工艺处方：弱酸性蓝r a w2 ( o w d 温度9 0 浴比1 ：5 0 l o 第二章试验材料、仪器和方法 p h 2 4 性能测定 2 4 1 织物润湿性能的测定 织物润湿性能的测定采用了织物接触角与润湿时间相结合的方法。 接触角：使用d a s l 0 0 液滴形状分析仪测定织物接触角。将处理后的羊毛织物平整 放置于液滴形状分析仪的平台上，在一定的垂直高度上将水滴滴在羊毛织物上，并开始 计时，2 0 秒后使用液滴形状分析仪测试出水滴与织物之间所形成的接触角。测定数个 水滴的接触角，求平均值。 润湿时间：将羊毛试样水平放置，并将其两端固定，保持试样表面平整，水滴由试 样垂直上方l c m 处滴下，记录水滴消失所需要的时间( 超过半小时计为： 3 0 m i n ) ，在 试样上取8 个不同的点测试，最后取平均值。 2 4 2 减量率的测定 羊毛减量率的计算公式【3 2 1 ： 减量率户壁笮鬻蒜笋6 。 羊毛处理后的干重用烘干称重法测定：羊毛经处理完毕后，在清水中漂洗干净， 然后将处理后的羊毛在1 0 1 a - 1 型烘箱中( 1 0 5 士3 ) * c 的温度下烘至恒重，最后用电子天 平称得羊毛的干重即为羊毛处理后的干重。 羊毛处理前的干重则不能用烘干称重法测定。因为羊毛在1 0 5 c 温度下长时间焙 烘，羊毛蛋白有变性的可能，从而影响到羊毛的化学处理特别是酶处理的性能。在本 文的试验中，为了获得羊毛处理前的干重，首先要测定处理前羊毛的回潮率，然后根 据下式计算羊毛处理前的干重。 羊毛处理前的干重2i 毛撼蒜 2 4 3 碱溶解度测试【3 3 1 与测织物减量率类似，为了获取羊毛处理前干重，首先要测处理前羊毛的回潮率， 然后计算羊毛处理前的干重。回潮率测试同上。 分别将空白羊毛试样、反胶束及水相条件下蛋白酶处理试样、反胶束空白+ 反胶束 蛋白酶、反胶束角质酶+ 反胶束蛋白酶及反胶束角质酶+ 水相蛋白酶处理试样置于c ( n a o h ) = o 1 m o l l ，v = 1 0 0 m l 的氢氧化钠的溶液中，在6 5 c 下浸泡1 h 后，水洗6 次， 酸洗2 次，水洗6 次，最后放入烘箱，于1 0 5 1 1 0 * c 烘至恒重。羊毛溶解度测试方法如 下： 碱溶解度户壁墨丝里摹差差看盖幸掣灯o o 江南大学硕士学位论文 通过羊毛碱溶解度来评价蛋白酶处理中纤维的损伤。 2 4 4 羊毛上染速率曲线的测定 首先测定标准染液的最大吸收波长，然后在此最大吸收波长下测定染色后残液的吸 光度值a i 和染前染液的吸光度值a 0 ，计算上染百分率。以上染百分率为纵坐标，时间 为横坐标，作出上染速率曲线。 上染百分率( ) 丝与l o o 2 4 5l i j s 值的测定 采用c o l o r - e y e 7 0 0 0 a 测配色仪，选用l a b e y e 软件测试。开机预热3 0 m i n 后，首先 进行黑白板校正；然后设定测试环境：1 0 0 视场、d 6 5 光源、测色次数：2 次。将织物折 叠成四层( 不透光) 后放在测色孔上，开始测试。记录最大吸收波长处的i f j s 值。 2 4 6a l1 w s r d e n 反应 取羊毛数根置于载玻片上并加盖玻片，在视频纤维镜下调焦观察直到纤维清晰可见， 从盖玻片边缘滴入饱和溴水，并开始计时，1 5 r a i n 后拍摄照片，显微镜放大倍数是 1 2 5 0 1 4 0 0 倍。 2 4 7s e m 羊毛纤维经不同体系蛋白酶处理后，采用q u a n t a - 2 0 0 进行测试，电压1 0 k v ，放大 倍数1 6 0 0 倍。 2 4 8f r - i r 采用a t r g e 反射法对试验进行红外光谱分析。扫描次数：6 4 次，分辨率：4 伽- 1 。 2 4 9 羊毛角蛋白氨基酸分析【3 4 1 将不同羊毛纤维处理试样，用6 m o l l 的h c i 在1 1 0 下水解2 4 h 。将水解液全部移 至旋转蒸发仪内蒸干，用o 1 m o l l 的h c l 溶解并调节氨基酸浓度在o 4 1 0 n m o l l 。采用 氨基酸自动分析仪进行氨基酸组分分析。 1 2 第三章基于反胶束体系角质酶预处理的羊毛水相蛋白酶研究 第三章基于反胶束体系角质酶预处理的羊毛水相蛋白酶研究 在羊毛的外表皮层中含有约1 4 的类脂层，其中主要为脂肪酸混合物，这类类脂物 可在角质酶的催化作用下裂解成极性较强的羧基和羟基。从而使得羊毛表面的性能得到 改善【3 5 】( 图3 1 ) 。本章通过纤维的润湿性能、减量率和染色性能来研究反胶束体系中 角质酶对羊毛纤维表面类脂层的水解作用，得出反胶束体系角质酶处理羊毛纤维的最佳 工艺条件。 r 。 r l il r o 一( c h 2 ) 6 一c h 一( c h 2 ) b c o a k r - 奢- r o o h i h o 一( c h 2 ) b c h 一( c h 2 ) 8 c o o r 图3 - 1 角质酶的水解机制 f i g u r e 3 - 1h y d r o l y s i sm e c h a n i s mo fc u t i n a s e 3 1 反胶束角质酶处理对羊毛润湿性能的影响 羊毛鳞片表层的类脂结构( 简称f 1 a y e r ) ，可能和蛋白质通过胱氨酸残基形成共价 键结合。f 层的存在为用亲水性测定方法评定羊毛表面类脂结构是否得到有效的改性及 间接判定鳞片表层是否完整提供了可能，因为若f 层完整，羊毛将表现为疏水性，反之 若f 层消除或鳞片表层的去除，蛋白质的暴露，羊毛将表现为亲水性【3 6 1 。 测量润湿性能的方法主要有接触角测试、芯吸高度测试等手段【3 7 - 3 引，本小节采用接 触角及润湿时间测试来分析织物的润湿性能。 接触角是一个表示亲水性的概念，也是测定润湿性的指标。水在面料上，水面的切 线同面料表面的浸润夹角形成了一个接触角，接触角越大，浸润性越差，水珠形状越圆g 反之，接触角越小，水面越平，越接近水膜，浸润性越好。 3 1 1 表面活性剂用量对润湿性能的影响 羊毛织物经反胶束角质酶处理后，纤维的润湿性能随着表面活性剂用量变化趋势如 表3 1 所示。 表3 1 表面活性剂用量对羊毛润湿性能的影响 t l b l e 3 一lt h ee f f e c to fs u r f a c t a n ta m o u n to nw o o lw e t t a b i l i t y 由表3 1 可知，随着表面活性剂用量的增加，接触角和润湿时间都在减小，表面活 性剂用量为1 8 m l ，接触角和润湿时间最小，这表明表面活性剂用量增加，羊毛织物的 润湿性能得到改善，羊毛纤维表面类脂层在反胶束体系下角质酶水解作用加强，这是因 为形成反胶束的表面活性剂用量增加，能够形成的反胶束粒子数量增多，增加了角质酶 与类脂层的作用机会，同时胶束的粒径也可能随之增大，从而增溶更多的水，增加了角 质酶与羊毛表面的可及度，使得羊毛润湿性能得以改善，综合考虑，选取表面活性剂用 量为1 4 m l 。 1 3 江南大学硕士学位论文 3 1 2 含水量对润湿性能的影响 羊毛织物经反胶束角质酶处理后，纤维的润湿性能随着含水量变化趋势如表3 3 和 表3 2 所示。 表3 2 含水量对羊毛润湿性能的影响 t a b l e 3 - 2t h ee f f e c to fw 0o nw o o lw e t t a b i l i t y 由表3 2 可知，在含水量较低时，接触角和润湿时间都随含水量的增大而减小，当 胶束中含水量达到2 6 ，接触角和润湿时间最小，含水量大于2 6 的接触角和润湿时间反 而变大。这是因为在含水量较低时，胶束内部水核不能容纳酶分子使其直接与有机相接 触而使部分酶失活，酶活力较低，从而羊毛织物表面类脂物降解不是很充分。随着含水 量的增加，自由水逐渐增加，容纳更多的角质酶分子，w 0 - - 2 6 时润湿性能最好，酶的 活力最大，这种高活性是由于胶束中所增溶的角质酶分子被坚硬的表面活性剂膜所包 围，限制了酶构象变化，因此保持了较高的酶活力f 5 】。当含水量继续增大时，由于胶束 液滴中的水量增大，酶的构象可以自由变化，可能导致酶的活力下降【1 3 】，同样影响反 胶束体系中角质酶对类脂物的降解，最终使织物的润湿性能下降，选取含水量为2 6 。 3 1 3 反应温度与时间对润湿性能的影响 羊毛织物经反胶束角质酶处理后，纤维的润湿性能随着反应温度和时间变化趋势如 表3 3 和表3 - 4 所示。 表3 - 3 温度对羊毛润湿性能的影响 t a b l e 3 3t h ee f f e c to f t e m p e r a t u r eo nw o o lw e t t a b i l i t y 由表3 3 可知，在低温下，接触角基本没减小，并且在3 0 m i n 之内不被润湿，这说 明在低温下，胶束中的酶活低，不能够充分的降解类脂层，润湿效果不明显，当温度升 高到5 0 c 时，接触角和润湿时间最小，润湿性最好，在6 0 c 时二者又都变大，这是因 为高温易使角质酶分子空间构型发生不可逆变化，导致催化活性显著下降，羊毛表面类 脂层酯键的水解由此减小。表现为润湿效果较差。说明反胶束中角质酶最适宜的温度为 5 0 。 表3 _ 4 时间对羊毛润湿性能的影响 t a b l e 3 4t h ee f f e c to ft i m eo nw o o lw e t t a b i l i t y 由表3 4 可知，随着时问的增加，接触角和润湿时间都在减小。当酶作用时间达到 2 4 h 时，羊毛织物很快被润湿。综合考虑，选取反应时间为6 h 。 1 4 第三章基于反胶束体系角质酶预处理的羊毛水相蛋白酶研究 3 1 4p h 值对润湿性能的影响 羊毛织物经反胶束角质酶处理后，纤维的润湿性能随着p h 值变化趋势如表3 - 5 所示。 表3 - 5p h 对羊毛润湿性能的影响 t a b l e 3 5t h ee f f e c to f p ho nw o o lw e t t a b i l i t y 由表3 - 5 可知，接触角和润湿时间随p h 值的增大先减小后增大，在p h 为6 和1 0 时，接触角较大，羊毛织物在3 0 m i n 之内不被润湿，润湿性差，这表明在弱酸性或强碱 性条件下，羊毛鳞片层表面的类脂物几乎不被反胶束中角质酶催化水解，当p h 为8 时， 接触角和润湿时间达到最小值，润湿性能较好，这是因为反胶束中角质酶对鳞片层表面 类脂物产生了比较强烈的催化水解作用。因此，选取p h 为8 。 3 1 5 角质酶浓度对润湿性能的影响 羊毛织物经反胶束角质酶处理后，纤维的润湿性能随着反胶束中角质酶浓度的变化 趋势如表3 - 6 所示。 表3 - 6 角质酶浓度对羊毛润湿性能的影响 t a b l e 3 6t h ee f f e c to fc u t i n a s ec o n c e n t r a t i o n0 1 1w o o lw e t t a b i l i t y 由表3 - 6 可知，经反胶束空白体系处理后羊毛织物与原样相比接触角几乎没变