（轻工技术与工程专业论文）糖酶、蛋白酶脱毛技术及其机理研究.pdf

摘夏摘要制革行业足我国出口创汇的重要行业，但同时也是一个污染严重的行业，尤以脱毛工序为最。随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，对环境保护的要求越来越高，在某种意义上，环保问题是关系到皮革产业生死存亡的大问题。脱毛工序有许多清洁工艺，酶法脱毛无疑是解决问题的最有前景的途径。酶法脱毛技术上的困难是，脱毛条件难以控制，容易造成对皮的损伤。本研究旨在研究蛋白酶、糖酶的脱毛机理，希望在脱毛同时，减少对皮的损伤，以利于酶法脱毛的推广。蛋白酶在脱毛的同时会对皮造成损伤，国内普遍认为是其中的胶原酶的缘故，本研究首次对2 7 0 9 碱性蛋白酶进行分离、纯化，通过丙酮沉淀、s e p h a d e xg 1 0 0 柱层析、d e a e s 印h a d e xa 5 0 柱层析、s 印h a d e xg 7 5 柱层析等方法，分离、纯化了2 7 0 9 碱性蛋白酶中的胶原酶。s d s 一聚丙烯酰胺凝胶电泳测定其分子量为5 6 k d ，并为金属蛋白酶。该结果证明碱性蛋白酶2 7 0 9 中存在胶原酶，它可能是2 7 0 9 脱毛时，引起皮损伤的一个重要原因。脱毛液中总糖含量的分析，对研究脱毛机理有重要意义。比较了常用的多种测定糖含量的方法。脱毛液中含有羟基糖和氨基糖，两者各为一半，但常用的方法测定的仅仅是羟基糖，氨基糖部分被忽略了，结果是不完备的。为此，本研究选择对氨基糖选择性强的乙酰丙酮法进行了研究。结果表明，d n s 法在酶法脱毛液中测定结果明显偏高，该方法不适用本体系。而硫酸苯酚法和乙酰丙酮法结果相吻合，说明两种方法均可行。11 ci 口，硫酸苯酚法可测定总的羟基糖，该法简便、快捷，其结果旦；兰兰可以表示总糖含l ，量( 以硫酸皮肤素计) 。乙酰丙酮法测定氨基糖选择性好，但方法较烦琐。通过比较脱毛液h c l 水解前后的氨基糖含量，可以估算脱毛液中的糖链平均大小，该法结果和h p g f c 法接近，方法简单。因此，可以用乙酰丙酮法来估算脱毛液中糖链的大小，这为酶法脱毛机理的研究提供了新的思路。通过分析蛋白酶脱毛液中总蛋白质含量、总糖含量、胶原蛋白含量，表明蛋白酶脱毛效果好，但损伤大。脱毛液中溶出糖的糖链大小在1 7 8 2 2 7 ，说明脱落下来的多糖有断裂，但水解不够彻底。蛋白酶通过水解蛋白多糖中的核心蛋白来破坏粘蛋白( 类粘蛋白) ，从而降低其粘度，达到脱毛的目的，其对多糖的水解是间接的、效能不高的。由于2 7 0 9 为丝氨酸蛋白酶，而其中存在的胶原酶是金属蛋白酶，用e d t a 可抑制2 7 0 9 中的胶原酶活性，lo i 】 1 me d t a 可抑制约5 0 的胶原酶活性，而对普通蛋白酶活性影响不大。脱毛实验表明，加入1 0 m me d t a 不影响2 7 0 9 的脱毛效果，而胶原蛋白含量可减少1 5 2 0 。同时，也揭示2 7 0 9 并非损伤胶原纤维的唯一原因。探讨了蛋白酶脱毛机理及对皮损伤的原因，提出了新的见解。认为胶原酶和蛋白酶对皮的损伤有协同作用。蛋白酶作用于胶原蛋白的非螺旋区域，由于该区域羟脯氨酸含量较少，导致测定出来的胶原蛋白含量很少，但对皮的实际损伤较大。糖酶脱毛作用研究的很少，且对其作用认识不一。本研究重点研究了糖酶的脱毛作摘要用。通过分析脱毛液中的组成、氨基酸组成分析、f t i r 分析，探讨了糖酶( 淀粉酶、纤维素酶) 脱毛机理。总蛋白质含量和总糖含量表明糖酶对皮的作用是明显的，糖酶是通过水解粘蛋白( 蛋白多糖) 中的多糖链来起作用，其对糖的水解能力要强于蛋白酶。脱毛液中溶出糖的糖链大小在8 2 1 0 2 ，说明糖酶对脱落下来的多糖水解彻底。脱毛实验表明糖酶有较好的松散胶原作用，有一定的脱毛效果，但其脱毛效果明显弱于蛋白酶。其优点是对皮的损伤小，使用安全性好。氨基酸组成分析表明糖酶对皮的损伤很小。f t i r扫描说明糖酶对皮有作用。影响糖酶脱毛效果的重要因素是糖酶分子量大，酶在皮中渗透困难，影u 向了其脱毛效果。对碱膨胀和超声波作用对酶在皮中渗透速度的影响，进行了分析，验证了这一观点。对酶脱毛作用的贡献大小进行分析足一件困难的工作。本章将蛋白酶和糖酶混合后，以实际测得的酶活力作为变量，以脱毛效果( 用脱毛液中总蛋白质浓度表征) 作为因变量，进行回归分析，同时考虑交互作用( 即代表协同作用) 。这样可以定量考察糖酶、蛋白酶各自的脱毛能力，以及它们的协同作用大小。用回归分析方法，对糖酶和蛋白酶混合作用皮的情况进行了定量分析。结果表明糖酶和蛋白酶各自均起作用，并附加有明显的协同作用。尤以淀粉酶和蛋白酶的协同效应特别明显，其中协同作用的标准化系数为0 8 9 4 ，而蛋白酶活的标准化系数仅为0 1 8 3 。混合酶脱毛实验再次证明蛋白酶对皮有损伤，而蛋白酶中加入淀粉酶对皮的损伤影响不大。利用淀粉酶先作用于皮，再用蛋白酶作用，可以充分利用淀粉酶的作用和两种酶的协同作用，减少蛋白酶的作用强度，达到既较好脱毛，又减少对皮的损伤的目的。用响应面设计优化了混和脱毛的工艺条件，优化的工艺条件是：淀粉酶活4 0 u m l 、蛋白酶活4 0 0 u m l ，p h 值为6 9 5 7 3 9 。和普通蛋白酶脱毛方法进行了比较。在脱毛效果相仿的情况下，混合酶法损伤小，成革物理性能较优。超声波和酶在皮革中的联合应用尚未见诸报道。研究了超声波对蛋白酶活力的影响，发现2 7 0 9 所受影响极小。研究发现，淀粉酶、蛋白酶脱毛时，使用超声波照射，可以明显缩短脱毛所需时间，原因在于超声波能促进酶在皮中的渗透，尤以淀粉酶为最。因为淀粉酶分子量大，较难渗透，故超声波的促进渗透作用反而较大。该实验同时也验证了淀粉酶对胶原蛋白的水解极弱，使用淀粉酶脱毛安全性优势明显。超声波在淀粉酶体系中只起促进渗透作用，而不能促进淀粉酶对胶原的水解。当用蛋白酶酶法处理未铬鞣的废皮时，采用超声波照射，可以提高反应速率。通过l i n e w e a v e r - b u r k e 公式可计算出动力学参数，k a 增加，说明反应速率增加；k m 几乎不变，说明酶和底物的亲和力没有改变。不加超声波的最终转化率为5 4 7 6 2 2 ，而加超声波则为8 1 7 8 8 4 。这说明加超声波，酶水解废皮的回收率提高了4 6 ，效果是很明显的。关键词：蛋白酶，淀粉酶，纤维素酶，脱毛，胶原酶，损伤，协同作用，超声波，未铬鞣废皮a b s n _ a c ta b s t r a c tl e a t l l e ri n d u s 仃yi sa ni m p o r t a n ti n d u s t 巧f o rc h i n a ，w l l i c he a 订l sal o to fm o n e yf r o mi n t e m a t i o n a lm 缸k e t a tt h es 锄et i m e ，i t sah e a v yp 0 1 1 u t i o ni n d u s t r y e s p e c i a n y ，u n h a i r i n gp r o c e s sp r o d u c e st h eh e a v i e s tp o l l u t i o n锄o n gt h ew h 0 1 el e a t h e ri n d u s t r yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n a ，t h ee n v i r o i l i n e n t a lp r e s s u r ei si n c r e a s i n g t os o m ed e g r e e ，e n v i r o n m e n t a lp r o b l e mi saf a t a lp r o b l e mt ot h e1 e a t h e ri n d u s t r y e n z y m a t i cu n h a i r i n gi sap r o m i s i n gs o l u t i o na m o n gm a n yc l e a nt e c h n i q u e s t h em a i nd i 筒c u l t yi sm a tp r o t e 0 1 y s i sc a nn o tb ec o n t r o l l e da n dt 1 1 u st h ee x t e n s i o no ft h ee n z y m ea c t i v i t yt o w a r d st h ed e s i r e dr c 晒c u l a rs t r u c t u r eo ft h ed e n i l i sc a nn o tb ea v o j d e d ，n o t a b l yi m p a i r i n gm ep r o p e n i e so ft h ee l a b o r a t e d1 e a m 瓯r h i sr e s e a r c ha i m sa tr e d u c i n gt h ei m p a i 珊e n t i ti sb e l i e v e dt h a tm ec 0 1 l a g e n a s e sw h i c he x i s ti np r o t e a s e sr e s u l ti nt h ei m p a i r n l e n t o n ec o l l a g e n a s ew a ss e p a r a t e d 劬m2 7 0 9a l k a l i n ep r o t e a s ea n dp 谢矗e d t h em o l e c u l a rw e i g h ti s5 6 k d ，a 1 1 dt h ec 0 1 l a g e n a s ew a sf o u n dt ob eam e t a l l o p r o t e a s e t h er e s u l ti m p l i e st h a tc o l l a g e n a s em a yc o m r i b u t et ot h ei m p a i m e n t t i h ea n a l y s i so fc a r b o h y d r a t e si ne n z y m a t i cu n h a i 订n gb a t hi si m p o r t a n tt ot h es t u d yo fu n l l a i r i n gm e c h a n i s m t 1 1 e r ea r e5 0 o fh y d r o x ) ，p o l y s a c c h 撕d ea n d5 0 o fa m i n o p 0 1 y s a c c h a r i d ei nt h eb a t h b u tm ep r e v i o u sm e t h o d sa r e0 1 1 1 ye 日e c t i v ef o rh y d r o x ) ，p 0 1 y s a c c h 撕d e t h e r e f o r e ，a c e t y la c e t o n em e t h o dw a sc h o s e nt od e t e r n l i n e锄i n o p o l y s a c c h a r i d e a c c o r d i n gt oo u rr e s e a r c h ，p h e n 0 1 一s u l 如r i ca c i dm e t h o di ss i m p l e ，r a p i da n ds u i t a b l e s i n c ep h e n 0 1 一s u l 如r i ca c i di so n l ye 艉c t i v ef o r2 - h y d r o x y p 0 1 y s a c c h 撕d e ，t h er e s u l t so b t a i n e df b mm i sm e t h o ds h o u l db ec o r r e c t e d m o r e o v e r ，a c e t y la c e t o n em e t h o dc a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h em 0 1 e c u l a rm a s so ft h ec a r b o h y d r a t e si nm eb a t h i ti sh e l p 如lf o rm em e c h a i l i s ms t u d yo fe n z 弘n a t i cu n h a i r i n g b ya n a l y s i so fp r o t e i n ，c a r b o h y d r a t ea n dc o l l a g e ni nt h ee n z y m a t i cb a t h ，i tw a sf o u n dm a tp r o t e a s eh a sg o o du n h a i d n gc 印a c i t y ，b u ti ta l s oi m p a i r sp e l t 铲e a t l y b ya t t a c k i n gt h ec o r ep r o t e i ni nt h em u c o i d ，p r o t e a s e 如1 f i l l sm ed e p i l a t i o n t h eh y d r o l y s i so fc a r b o h y d r a t e si si n d i r e c ta n di n e 衔c i e n t 2 7 0 9a l k a l i n ep r o t e a s ei sas 嘶n ep r o t e a s e ，a n dt h ep r e s e n c eo fc o l l a g e n a s ei sam e t a l l o p r o t e a s e 。t h e r e f o r e ，1o m me d l ac a ni n h a b i th a l fo fc 0 1 1 a g e n a s ea c t i v i t y ，w h i l ei th a u sl i t t l ee f r e c to no r d i n a 叫p r o t e a s ea c t i v i t y i tw a sf o u n dt h a tm eu n h a i r i n gc 印a c i t yw a su n a 仟e c t e d ，w h i l e 也ei m p a i m e n tw 2 l sr e d u c e db y15 2 0 t h i sp h e n o m e n o na l s oi m p l i e st h a tc 0 1 l a g e n a s ei sn o tt h eo n l yr e a s o nf o r t h ei m p a i r m e n t a tl a s t ，s o m en e we x p l a n a t i o n sa b o u tt h ec a u s e so fi m p a i r n l e n tw e r ep u tf o r w a r d t h en la b s 仃a c tc o l l a g e n a s ea n dp r o t e a s eh a v eas y n e r 舀s t i ce 毹c to nt h ei m p a i 衄e n to fp e l t t h ep r o t e a s ec a na t t a c km en o n - h e l i c a lr e g i o n so fc o l l a g e n s i n c em ec o n t e n t so fh y d r o x y p r 0 1 i n ea r e1 0 wi nt h i sr e 百o n ，m ed a t ao fc 0 1 1 a g e nc a l c u l a t e d 台o mh y d r o x y p r o l i n ew e r el o w i nf a c t ，t h ei m p a i m l e n ti sh e a v y l i t t l ew a sk n o w na b o u tt h ed e p i l a t i o nb yc a r b o h y d r a s e s ，a n dt h e如n c t i o no fc a r b o h y d r a s e sw a sd i s p u t e d t h em a i ns u b je c to ft h i sp a p e rw a st h ed e p i l a t i o nb yc a r b o h y d r a s e s b ya n a l y s i so ft h ec o m p o s i t i o no fm eb a t hf r o me n z y m a t i cu n h a i 订n g ，a m i n oa c i da j l a l y s i sa n df t i ra n a l y s i s ，t h em e c h a n i s mo fc a r b o h y d r a s e ( 锄y l a s ea n dc e l l u l a s e ) w a si n v e s t i g a t e d c a r b o h y d r a s ec a i lh y d r o l y s em u c o i d s( p r o t e o 西y c a l l s )b ya t t a c k i n gt h ec a r b o h y d r a t ec h a i n si nm u c o i d s t h ea c t i o no fc a r b o h y d r a s e so nt h ec a r b o h y d r a t ec h a i n si nm u c o i d si ss t r o n g e rm a l lt h a to fp r o t e a s e s i tw a sf o u n dt h a tc a r b o h y d r a s e sc a no p e nu pm es k i nf i b r i la n dh a v es o m eu n h a i r i n ga c t i v i t y b u tt h e i ru n h a i r i n gc a p a c i t yi si n f e d o rt op r o t e a s e s d u et ot h e i r1 a r g ev o l u m e ，i t sd 商c u l tf o rt h e mt op e n e t r a t et h es k i n t h ed i 觚s i o nd i m c u l t yl e a d st ot b e i r1 0 w e ru n h a i r i n ga c t i v i t y o nt h eo m e rh a n d ，t h e yd ol i t t l ei m p a i n n e n tt op e l t t h ec o m p o s i t i o no fa m i n oa c i dp r o v e dt h a tc a r b o h y d r a s e sd o1 i t t l eh a r n lo nm ec o l l a g e n ，a n df t i ra g a i nt e s t i ：e i e dm a tt h ea c t i o no fc a r b o h y d r a s e si so b v i o u s i ti sd i 确c u l tt oa s s e s st h ec o n 们b u t i o no fe 1 1 z y m et od e p i l a t i o n 1 1 1t h i sp a p e r ，p r o t e a s ea n dc a r b o h y d r a s e sw e r em i x e d ，a n dt h ea c t u a la c t i v i t i e sw e r eu s e da si n d e p e n d e n t s t h e锄o u n to fp r o t e i nr e l e a s e d 矗o mt h es k i nt i s s u ew a sd e t e r m i n e da n du s e da sa ni n d i c a t o ro fd e p i l a t o 巧a c t i v i t y a tt h es a m et i m e ，t h es y n e 画s t i ce a b c tw a sc o n c e m e d b ym a t h e m a t i c a la n a l y s i so ft h ed e p i l a t i o nb yc o m b i n a t i o n so fc a 而o h y d r a s ea n dp r o t e a s e ，i tw a sf o u n dm a tb o t hc a r b o h y d r a s ea n dp r o t e a s ep la ya ni m p o r t a n tr o l ei nu n h a i m g ，a n dt h e 铆ok i n d so fe n z y m e sh a v eas i g l l i f i c a n ts y n e 四s t i ce 丘e c t e s p e c i a l l y ，i nt h ed u a ls y s t e mo f 锄y l a s ea n dp r o t e a s e ，t h es t a n d a f d i z e dc o e h i c i e n to fs y n e 哂s t i ce 行e c tw a s0 8 9 4 ，w h i l et h a to fp r o t e a s ew a so 18 3 t h ed e p i l a t i o nb yc o m b i n a t i o n so fc a r b o h y d r a s ea n dp r o t e a s ea g a i np r o v e dm a ti ti sp r o t e a s et h a ti m p a i r st h ep e l t ，n o tc a r b o h y d r a s e a tl a s t ，锄y l a s ea n dn e u t r a lp r o t e a s ew e r eu s e dt ou n h a i rj o i n t ly t h ep e l tw a st r e a t e dw i t ha m y l a s ef o rf o u rh o u r s ，t h e np r o t e a s ew a sa d d e d ，a n dt h ep r o c e s sc o n t i n u e df o ra n o t h e rt w oh o u r s t h eo p t i m a lc o n d i t i o ni s ：锄y 1 0 1 如ca c t i v i t y4 0 u m 1 ；p r o t e 0 1 如ca c t i v i t y4 0 0 u m l ；p h6 9 5 - 7 3 9 c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lp r o t e a s ed 印i l a t i o n ，m el e a t h e rp r o d u c e db yt h i sm e t h o dh a sb e t t e rp h y s i c a lp r o p e r t i e s u 1 t r a s o 吼di sa n o t h e rc l e a l lt e c h n o l o g y t h ej o i n t 印p l i c a t i o no fe n z y m ea n du l t r a s o u n dh a sn o tb e e nr e p o r t e d a c c o r d i n gt oo u re x p e r i m e n t s ，u l t r a s o u n dh a sl i t t l ee 丘e c to nt h ee n z y m ea c t i v i t yo f 2 7 0 9a l k a l i n ep r o t e a s e u l t r a s o u n dc 锄a c c e l e r a t et h ee 1 1 z y m a t i cu n l l a i r i n gb ye n h a n c i n gm ee n z y m a t i cd i 丘i u s i o nt h r o u g hs k i n s m o r e o v e r ，t h ee 日e c to fa c c e l e r a t i o ni sl va b s t r a c tm o r eo b v i o u st o 锄y l a s et h a nt op r o t e a s e t h er e a s o ni st 1 1 a tt 1 1 ev 0 1 u m eo fa m y l a s ei s1 鹕e r a n dt h ed i 日h s i o no f 锄y l a s ei sm o r ed i 衔c u l t i nt h e s ee x p e r i m e m s ，t h el e s si m p a i 砷e n tc a u s e db ya m y 】a s ew a st e s t i f i e da g a i n u 1 t m s o u n da l s oc a na c c e l e r a t et h eh y d r o l y s i so ft h eu n t a 皿e dl e a t h e rw a s t e a c c o r d i n gt ol i n e w e a v e r - b u r k ee q u a t i o n ，t h ek i n e t i cp a r 锄e t e r sw e r eo b t a i n e d t h ei n c r e 2 l s i n go fk ap r o v e dt h ea c c e l e r a t i o no fu l t r a s o u n d ，w l l i l ek mw h i c hr e m a i n e dc o n s t a n ti m p l i e dt h a tm ea 衔n i t yo fe n z y m et ot h es u b s t r a t ew a su n c h a n g e d t h eu l t i m a t ec o n v e r s i o nr a t i ow i t l l o u tu l 舰s o u n dw a s5 4 7 - 6 2 2 ，w h e r e a s ，w i t hu 1 臼a s o u n d ，w a s81 7 8 8 4 i ti n d i c a t e dt h a tt h ee n z y m a t i ch y d r 0 1 y s i so fs k i nw i mu l t r a s o u n d 百v e sa b o u t4 6 i n c r e a s ei nt h eu l t i m a t ec o n v e r s i o nr a t i o k e y w o r d s ：p r o t e a s e ，砌y l a s e ，c e l l u l a s e ，u 1 1 1 1 a i r i n g ( d 印i l a t i o n ) ，c o l l a g e n a s e ，i m p a i r m e n t ，u l t r a s o u n d ，u n t a 彻e d1 e a t h e rw a s t ev独创l 生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：尔使日期：删j 2 工石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：导师签名：日期：幽哆脯妨第一章绪论1 1 我国皮革工业的污染问题第一章绪论改革丌放以来，我国的皮革工业得到飞速发展。其原因不仅在于我国改革丌放的新经济政策，而且与以下原因密切相关：发达国家，环保压力巨大，环境治理成本昂贵，有向发展中国家转移的需求，如：中国、印度、肯尼亚等。皮革工业由于原料千差万别，导致生产自动化程度低，属于劳动密集性产业。我国劳动力丰富，且成本较低。我国自然资源丰富。2 0 0 1 年，我国皮革工业出口已达1 2 l 亿美元，成为轻工业出口创汇大户。进入新世纪以来，继续大幅增长，目前已稳居世界第一，遥遥领先于世界第二的印度。但是，皮革工业对环境的污染问题一直是一个严重的问题，而且随着我国皮革工业越做越大，如果没有有效的措施，问题会越来越严重。其实，皮革工业的污染问题，在世界范围内都是一个难题，发达国家之所以向外转移皮革产业，这是最重要的原因之一，从长远看，这是关系到皮革产业生死存亡的大问题【1 翻。换一个角度看，实际上，皮革产业是把畜牧业的废弃物加工成有用产品的过程，其本身就是一个清洁生产过程。但生产过程中，所产生的污染物却是巨大的。主要有以下三个方面：皮革废料。制革工业国外只有3 0 左右的原料皮转化为最终的成品，利用率不高，其余废弃物必须另外处理。每生产一吨原料皮要产生5 1 0 公斤的固体废弃物【h 】。化工材料。制革过程必须使用大量的化工材料，而其中只有一部分被皮或革吸收【5 】，其余进入废水。废水。制革过程需要大量的水，每吨原料皮产生5 万升废水。废水成份复杂，有蛋白质、油脂、糖份、无机盐、染料、铬和硫化物等。废水处理难度大 6 】。特别是硫化物和铬有毒性。总之，皮革工业是名副其实的污染大户。而其中脱毛浸灰工序，约占了整个准备阶段8 4 b o d 、7 5 c o d 和大部分的t d s ，是污染最严重的工序，尤其需要清洁工艺【1 7 1 。为了减少污染，近年来发展了许多清洁工艺。见表1 1 。酶作为一种生物催化剂，可以和皮中的许多成份作用，除去许多对制革多余的成份。由于酶本身无毒，作用过程也不会产生有害成份，用其取代污染重的化学材料，是一种公认的清洁工艺【1 2 】。随着生物技术的发展，酶在皮革清洁生产中有着广阔的前景【”。6 1 。江南人学博i ：学位论丈酶在皮革中的j 托用表l 一1 皮革清洁工艺( 不包括脱毛工序) 【8 】t a b l e1 1c l e a nt e c h n i q u e si nl e a t h e ri n d u s 仃y1 2 酶在皮革工业制革过程中的应用1 2 1 酶对皮上污物的清洁作用原料皮常常沾着粪等污染物，必须清除。其主要组成是木质素、纤维素、半纤维素等。t o z a n 等用纤维素酶、木质素酶、l a c c a s e 等混合使用，取得较好的清除效果【1 7 - 19 1 。1 2 2 酶在浸水中的应用酶浸水的主要目的是让皮恢复到鲜皮状念，除去盐、粪、血等，恢复到原来的柔软状况。传统的方法是借助于酸、碱、盐和表面活性剂，以促进渗透作用，缩短浸水时间。而加入酶制剂可以除去皮内的纤维问质，使皮纤维之间粘接性降低，有利于水的渗透，缩短浸水时间，同时浸水过程也更为均匀。另一方面，纤维间质的去除，松散了胶原纤维，使成革的柔软性和丰满性增加，减少粒面皱纹，为后续工艺创造良好的条件【2 u 。2 4 j 。浸水用的酶制剂主要是蛋白酶，通过蛋白酶来水解皮中的白蛋白、球蛋白和蛋白多糖。国外公司有专门的浸水酶，如n o v o 公司的n o w 0 1 a s es g 、德瑞公司的e r h a z mc等，其主要成份足碱性蛋白酶。德国r 6 h m 公司的p e l l v i t 、意大利l 锄b e n ig r o u ps p a公司的l e d e r z i m ，其应用的p h 值接近中性1 1 5 j 。也有报道使用脂肪酶和糖酶的。n o v o 的g r e a s e x 碱性脂肪酶用于浸水可水解脂肪，促进水的渗透，由于脂肪酶不水解胶原，使用比较安全【l4 1 。糖酶用于浸水，主要利用糖酶水解蛋白多糖，即去除纤维问质，从而加速水的渗透。并且由于糖酶不直接水解胶原蛋白，所以，安全性好。2第一章绪论1 2 3 酶在脱毛中的应用酶在脱毛中的应用，是酶在皮革产业中最早、也是最重要的应用之一。常规的灰碱法脱毛效率高、成本低，但污染严重。而酶法脱毛无疑是最有希望的清洁工艺。后面将详细论述。1 2 4 酶在浸灰中的应用浸灰的主要作用是除去对制革无用的成份，如：白蛋白、球蛋白、类粘蛋白等，并适当分散胶原纤维。传统方法是用硫化钠和石灰浸泡，该法时间长，石灰用量大，废液污染严重。浸灰液中加入碱性蛋白酶，则可以利用蛋白酶对蛋白多糖中核心蛋白的水解能力，破坏蛋白多糖的结构，从而促进对蛋白多糖的去除速度和效率【2 5 2 8 1 。李彦春等将碱性蛋白酶用于浸灰过程，发现其对蛋白多糖( 硫酸皮肤素) 的去除有明显的促进作用，分散纤维效果好，浸灰时间缩短一半，大大降低了松面的可能性，成革丰满柔软，粒面平整，成功地解决了鲁西黄牛皮粒面发紧的问题【2 9 1 。n o v o 公司的n u e 是一种耐碱性的蛋白酶，可用于浸灰和复灰。对粗大厚重的水牛皮、部位差较大的猪皮、纤维编织疏松的绵羊皮的应用表明，可以促进纤维的分散，减少皱纹，提高成革的柔软性、丰满性，提高得革率。还可减少化料的用量，加强坯革对鞣剂、染料的吸收【3 0 】。四川大学研制的加酶浸灰助剂e a ，也有类似的理想效果【3 1 1 。1 2 5 酶在脱脂中的应用脱脂旨在除去皮中过多的脂肪，以免妨碍化学材料的渗透，影响鞣制、染色和涂饰等工艺，特别是猪皮和绵羊皮等含脂肪含量高的原料皮。传统的方法是皂化法、乳化法和溶剂法【3 2 。35 1 。用脂肪酶脱脂是利用脂肪酶水解脂肪成为脂肪酸和甘油，从而去除。但由于脂肪主要存在于细胞膜中，单独的脂肪酶对细胞膜几乎无作用，所以，脱脂效率并不高。整个脱脂过程可以分解为三个阶段：含脂肪细胞膜的破坏，脂肪的去除，脂肪在水中的乳化。只要其中一个步骤处理不当，效果即不理想。一般需要蛋白酶、脂肪酶和表面活性剂配合使用。用蛋白酶破坏细胞膜，再用脂肪酶水解脂肪，表面活性剂进行乳化，从而除去脂肪【3 6 1 。n o v o 公司的g r e a s e x 是由遗传改性的微生物生产而来的脂肪酶，其p h 适用范围广，酶活高，用于脱脂，可以减少表面活性剂的用量；脱脂更均匀；促进染料吸收，染色更均匀；可改善绒面革的质量【37 1 。酸性脂肪酶s a n d o b a t ew d ，则可用于蓝湿皮或浸酸皮的脱脂【l6 1 。江南大学博：f ：学位论文酶订：皮革中的j 衄用1 2 6 酶在软化中的应用酶软化是制革过程中唯一不能被化学过程所代替的湿工序，其主要作用是除去皮垢、非纤维蛋白、水解弹性蛋白、肌肉纤维、分散胶原纤维，使皮柔软【3 蹦。胰酶是常用的软化剂。其存在的主要问题是标准不够统一，质量不稳定，对粒面作用较猛烈，由于分子量大，渗透困难，对深层作用较弱。控制不当，易软化过度而导致松面。由胰酶改进制成的低温软化酶，如：r 6 h i i l 公司的o r o p o n 可以在较低的温度下软化，其渗透作用好，作用缓和、均匀、深透，纤维分散好，且不必担心软化过度，效果理想。四川大学廖隆理等研制的低温软化酶e b 则是另一种理想的产品【4 2 1 。酶软化也可以使用酸性蛋白酶，其效果和碱性蛋白酶相当，甚至更好。李彦春等的研究表明，酸性酶软化作用均匀、缓和、渗透好，纤维分散效果好，胶原蛋白损伤小，无过度软化的危险。李彦春等的研究同时也证明酸性蛋白酶可以作用于蓝湿革，作为软化的补充手段，经过处理的革坯粒纹放开度好，粒面更加平整，且面积得率增加【4 3 1 。刘彦等使用木瓜蛋白酶进行软化，粒面增白、变细效果明显【4 4 1 。1 2 7 酶在鞣后工艺的应用d e s e l n c i u 等用来自牛和猪的胃蛋白酶，用于浸酸处理或者鞣后处理，可以提高得革率，革更柔软，在工业规模的生产中，可以提高得革率4 5 4 5 舶】。并且可以提高染色时，染料的渗透率。据报道，酸性脂肪酶和酸性蛋白酶混合使用，可以清除蓝湿革表面的油脂、肥纹和其它脏痕，使粒面均匀【4 7 】。1 2 8 在皮革固体废弃物处理的应用据报道，生皮制成革，只利用了本身重量的3 0 4 0 ，其余6 0 7 0 成了废弃物。这些废弃物除了用于生产再生革外，还有其它许多应用，如：制化妆品、制胶、肥料、饲料。这些应用都需要将废弃物水解。传统的方法足用强酸、强碱水解，能耗大、二次污染严重，且产品利用价值不高。而酶法可以减轻这些问题，如果控制得当，甚至可以得到分子量不同的水解产物，提高水解产物的使用价值【4 弘5 6 】。b 旬z a 之等对蛋白酶水解未铬鞣废皮的动力学进行了详细地研究，并对得到的蛋白粉进行了分析【57 。5 引。四川大学的研究项目“利用制革边角余料制造胶原蛋白、多聚肽”，就是用酶将皮的边角余料进行水解，制取高纯度的蛋白粉，可用于食品、化妆品、饲料等。陈武勇等则用氧化镁和碱性蛋白酶处理废铬革屑，得到符合标准的明胶和可用作饲料的水解蛋白质【5 9 1 。1 2 9 酶在制革工业中的前景展望到目前为止，制革工业仍是一个主要用化学试剂将生物质( 皮) 加工成产品的工业。4第一章绪论传统的制革工业是一个“作用反向作用”的反复过程，例如：盐腌和浸水( 脱水和复水) 、灰化和脱灰( 膨胀和脱膨胀) 、浸酸和碱化( 酸化和脱酸) 。这些反复过程消耗了大量的酸和碱，产生了大量的盐，增加了c o d 、t d s ，并且还会产生氨气和硫化氢等有害气体。极大地影响了工作效率，并且加大了环境污染。如果能够仅仅单向操作，则可以极大地提高效率。这就要求工艺控制非常精确，而随着生物技术的不断发展，对酶的性能和作用机制的深入了解，是有可能在这方面取得进展的。除了上述的应用外，另外一些应用也受到关注( 见表1 2 )表卜2可能的生物应用及实现的可能性t a b l e1 2p o s s i b l eb i o t e c l l l l 0 1 0 西e sa n dp r o b a b i l i 锣o fs u c c e s s工艺过程可能性生皮的生物方法保存完全无硫的酶法脱毛【6 0 】不依赖渗透压松散胶原【6 1 】斑痕和皱纹的去除【6 2 删酶法去肉酶法脱脂【6 5 。6 6 】生物鞣剂鞣制，生产可降解皮革【6 7 】酶法鞣后处理，提高得革率和化料的吸收率+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + ：j 常可能；+ + + ：司能；+ + ：可能性较小。酶在皮革工业上的应用，可以减少污染，改善皮革的质量，但酶的选择性( 仍不够专一) 和昂贵的价格，无疑阻碍了酶的应用。随着生物技术的飞速发展，生产出适合各种工序、选择性好的酶，并降低成本，这些将使得酶在皮革工业中有着广阔的前景。1 3 酶在皮革工业脱毛过程中的应用1 3 1 传统脱毛方法及清洁工艺措施制革工艺中的脱毛是通过物理、化学或者生物处理的方法使毛和表皮脱离真皮的过程。同时，生皮的胶原纤维问含有很多的可溶性蛋白和纤维间质，干燥后，它们把纤维粘在一起，使生皮板硬，不耐弯折，因此，脱毛过程中还要去除这些纤维间质，松散胶原纤维，为后续工艺创造良好条件。传统的灰碱法脱毛，脱毛干净、操作简便、容易控制、质量稳定，且成本较低。但污染严重，脱毛是制革准备阶段的主要污染源，约占整个准备阶段的8 4 b o d 、7 5 c o d 、8 5 t d s ，还有有毒的硫化物产生。其主要危害有三个方面：硫化物：废水中存在大量的硫离子，当p h 值小于8时，有硫化氢逸出，对人体造成伤害。而废水中的硫化物排入江河，可使水质发臭发黑，江南人学博i j 学位论文酶在皮革中的心用浓度大于1 0 m l l 时，鱼将死亡。硫化物渗入土壤会使植物的根系发黑腐烂，农作物枯萎【4 1 。尤其麻烦的是，处理制革废水时，由于硫化物能抑制微生物的生长，浓度过高时，甚至破坏整个菌群，造成废水处理困难【6 蹦9 1 。有机物：脱毛时大量毛和表皮被降解，浪费了资源，大量增加c o d 、b o d ，造成水质的富营养化，影响水生物的生长。固体石灰：大量石灰处于未溶解状态，并未得到充分利用，直接排放，会提高碱度和t d s ，石灰和毛渣甚至可能堵塞管道【7 】。为了减少灰碱法的污染，