（材料学专业论文）纤维素酶对靛蓝染色棉织物的作用及反沾色机理的研究.pdf

摘要 摘要 有关纤维素酶对纤维素织物的吸附和水解作用的研究，大多基于未经染色的纤 维素织物。在实际应用中，纤维素酶的加工对象往往是已经染色纺织品，织物上存 在的染料对酶作用的影响不容忽视。到目前为止，还少有针对靛蓝染色织物的系统 研究。本文研究了一种酸性纤维素酶对靛蓝染色棉织物的作用，并对靛蓝反沾色问 题进行探讨。通过研究纤维素酶对织物吸附性能发现，纤维素酶蛋白对靛蓝染色织 物有更高的亲和力和吸附速率，吸附平衡常数和吸附速率常数分别为2 4 7 m l m g 和 0 2 6 0 m i n 1 ，而对未染色织物分别为1 6 5 m l m g 和o 1 7 2m i n - 1 。通过研究发现，酶蛋 白之所以对靛蓝染色织物具有更高的直接性，一方面由于酶蛋白氨基酸结构中存在 靛蓝结合区，另一方面织物上的靛蓝能够改变纤维表面的z e t a 电位，使之与酶蛋白 间的静电斥力作用减弱。 通过研究纤维素酶对织物水解的催化性能发现，靛蓝的存在对水解产生一定抑 制作用，使酶水解速率常数有所降低。通过计算，酶对靛蓝染色织物水解的v m 小 v l 眦k , 分别为1 4 6 m g m lh 和3 2 4 ，而对未染色织物分别是1 9 5m g m lh 和3 8 2 ， 表明未染色织物更容易被水解。此外，研究了纤维素酶催化织物水解的最佳温度、 p h 等工艺条件。最后，研究了表面活性剂对水解的影响，结果发现，离子型表面活 性剂对水解有明显地抑制作用，而非离子表面活性剂在一定条件下对水解有促进作 用。 通过研究纤维素酶对靛蓝色织布水洗性能，探讨处理温度、时间、p h 值、酶浓 度等条件对石磨效果及靛蓝反沾色程度的影响，进一步提出了反沾色的机理：靛蓝 染色织物浸入到酶处理液后，酶蛋白在织物的表面迅速被吸附，在水解性酶蛋白的 催化水解作用下，纤维素大分子链被切断，而沉积于纤维素无定形区的部分靛蓝逐 渐从纤维上脱落进入到处理液中。吸附在纤维上的酶蛋白并没有随着水解的进行而 明显减少，其浓度的高低及结构中靛蓝结合区所占比例等因素都对脱落靛蓝的重新 沉积有影响。另一方面，吸附到靛蓝颗粒表面的游离酶蛋白，使靛蓝表面电荷性能 发生改变，由此提供的电荷斥力保证了靛蓝以较小颗粒的形态稳定存在，进一步加 剧了靛蓝重新向纤维表面沉积的程度。 最后，通过添加蛋白酶、漆酶以及表面活性剂等来降低靛蓝反沾色程度，并对 反沾色去除机理进行初步探讨。 关键词：纤维素酶；靛蓝；织物；吸附；水解；反沾色 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ec o m m e r c i a lu s e ，t h eo b j e c t so fc e l l u l a s et r e a t m e n ta r et h et e x t i l e sd y e db y d y e s o rp i g m e n t s b yf a r , l i t t l es y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h ec e l l u l a s ea c t i o no ni n d i g o - d y e d f a b r i c sh a sb e e nm a d e t h ee f f e c t so fa c i dc e l l u l a s eo nt h ei n d i g o - d y e df a b r i c sa n dt h e b a c k s t a i n i n go fi n d i g ow e r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r i ti ss h o w nt h a tt h ea d s o r p t i o n e q u i l i b r i u mc o n s t a n ta n dr a t ec o n s t a n tt ot h ei n d i g o d y e df a b r i c sa r e2 4 7 m l m ga n d 0 2 6 0 m i n 1r e s p e c t i v e l y , c o m p a r i n gw i t h1 6 5 m l m ga n d0 17 2m i n 1t ot h eu n d y e do n e s t h e i n d i g ob i n d i n gd o m a i n i nt h ec e l l u l a s ea m i n oa c i ds u b s e q u e n c ei so n eo ft h e r e a s o n sf o rt h eh i g h e rs u b s t a n t i v i t y i na d d i t i o n , t h ei n d i g oi nt h ef a b r i c sc a nc h a n g et h e z e t ap o t e n t i a lo ft h ef a b r i c ，w h i c hw o u l da l s of a c i l i t a t et h ea d s o r p t i o no fc e l l u l a s e t h e i n d i g oi nt h ef a b r i c sw o u l di n h i b i tt h eh y d r o l y s i se f f e c to nt h ef a b r i c s t h ev m a n dv 舳x l et ot h ei n d i g o d y e df a b r i c sa r e1 4 6 m g m lha n d3 2 4r e s p e c t i v e l y , c o m p a r i n gw i t l l1 9 5 m g m lha n d3 8 2t ot h eu n d y e do n e sr e s p e c t i v e l y t h eo p t i m a l t e m p e r a t u r ea n dp hv a l u eo fc e l l u l a s et r e a t m e n tw e r ed e t e r m i n e db yt h er e s e a r c h a tl a s t ， i ti sf o u n dt h a tt h ei o n i cs u r f a c t a n t sh a v ea d v e r s ee f f e c to nt h eh y d r o l y s i s ，b u tt h e n o n i o n i co n e sh a v ef a v o r e de f f e c to nt h eh y d r o l y s i si ns o m ec o n d i t i o n s t h ei n f l u e n c e so ft e m p e r a t u r e ，t i m e ，p hv a l u ea n dc e l l u l a s ec o n c e n t r a t i o n so nt h e s t o n e w a s h i n ge f f e c t a n d i n d i g ob a c k s t a i n i n g w e r ed i s c u s s e d t h em e c h a n i s mo f i n d i g ob a c k s t a i n i n gc o u l db ee x p l a i n e da sf o l l o w s ：w i t ht h eh y d r o l y s i sb yc e l l u l a s e ，t h e c e l l u l o s em o l e c u l a rc h a i n sa r ec u to f f , a n ds o m ei n d i g oi nt h ef a b r i c sw o u l dg oi n t ot h e w a t e r w i t ht h ei n d i g ob i n d i n gd o m a i n ，t h ec e l l u l a s ep r o t e i na d s o r b e do nt h ef a b r i c s w o u l da t t r a c tt h ef r e ei n d i g oa n dm a k et h eb a c k s t a i n i n go c c u r i nt h eo t h e rh a n d ，s o m e f r e ep r o t e i na r ea d s o r b e do n t ot h es u r f a c ei n d i g oi nt h es o l u t i o n ，w h i c hm a k e st h ei n d i g o s t a b l ed i s p e r s e di nt h ew a t e rw i ms m a l lp a r t i c l es i z ea n d b r i n g sm o r eb a c k s t a i n i n g s o m ep r o t e a s e ，l a c c a s eo rs u r f a c t a n t sw e r ea d d e di n t ot h es o l u t i o n st or e d u c et h e b a c k s t a i n i n g ，a n dt h em e c h a n i s mo f b a c k s t a i n i n gr e m o v a lw a st e n t a t i v e l yd i s c u s s e d k e yw o r d s ：c e i l u l a s e ； i n d i g o ；a d s o r p t i o n ；h y d r o l y s i s ；b a c k s t a i n i n g 青岛大学博士学位论文 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名日期：刀p 年白_ e l 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密 ( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：j 参砂踢 日期：弘目年月日 引帷轹例磊程八 嗍。砌引肜日 膨训 月口 第一章前言 1 1 酶及其在纺织中的应用 第一章前言 酶是一类具有特殊催化能力的蛋白质，它几乎参与了所有的生命活动、生命过 程。同一般催化剂相比，其具有更高的催化效率，更高的反应专一性，以及更温和 的反应条件【1 1 。 现在通常认为已知的酶有3 0 0 0 多种。为了准确地识别某一种酶，避免发生混乱 和误解，在酶学研究和酶工程领域要求对每一种酶都要有准确的名称和分类。1 9 5 5 年，国际生物化学协会( i n t e r n a t i o n a lu n i o no fb i o c h e m i s t r y ，i u b ) 成立了酶分类 和命名法委员会即酶学委员会( e n z y m ec o m m i s s i o n ，e c ) 并于1 9 6 4 年提出了审 定报告，确定酶的命名应反映出底物和催化反应本质的原则，由此定义了6 个范围 较宽的反应类型。虽然这种分类方法带有一定的任意性，然而由于具有相当的实用 价值而被大家所接受。 根据国际酶学委员会的决定，区分酶专一性的基本依据是它们所催化的反应， 据此将已知酶的催化反应分为6 大类 2 1 ： ( 1 ) 氧化还原酶类： ( 2 ) 转移酶类 ( 3 ) 水解酶类 ( 4 ) 裂解酶类 ( 5 ) 异构酶类 ( 6 ) 合成酶类 目前，实际得到应用开发的酶制剂只有1 5 0 多种，得到工业化应用的仅有5 0 6 0 种，面在纺织加工中应用的酶制剂品种就更少了，主要为水解类酶制剂，常用的为 q 淀粉酶、纤维素酶、果胶酶、过氧化氢酶、脂肪酶、蛋白酶等，用于棉织物退浆、 苎麻脱胶、羊毛防毡缩、生物精炼、双氧水脱除、棉织物柔软及抛光等工艺。其中， 纤维素酶在纺织工业中的应用近年来得到了迅猛的发展，广泛用于纤维素纤维的柔 软加工，桃皮绒织物加工，l y o c e l l 纤维的去原纤化处理，纤维素织物生物抛光及靛 蓝牛仔织物的生物水洗等领域。目前，纤维素酶已经成为用量最大的纺织酶制剂， 对它的应用、开发和研究得到了广泛的关注f 蚴。 青岛大学博士学位论文 1 2 纤维素酶 1 。2 - 1 纤维素酶的组成 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。纤维素酶主要是由三种不同性质的酶组成，即内切葡聚糖酶( e g s ，e c 3 2 1 4 ) ， 外切葡聚糖酶( c b h s ，e c3 2 1 1 9 ) 和6 一葡萄糖苷酶( b g s 。e c3 2 1 2 1 ) ，三 者协同对纤维素起水解作用脚。纤维素内切酶可以沿纤维素分子链随机的水解b 一1 ， 4 一苷键，从而增加了纤维素分子链的末端数量，为外切酶的作用提供了位置；纤维 素外切酶则只能从纤维素分子链的一端切断纤维素分子，形成纤维二糖或葡萄糖， 同时可以暴露出更多的纤维素分子链供内切酶作用。纤维二糖酶的作用则是将纤维 二糖水解成葡萄糖。目前的研究结果表明，e g 酶实际上至少包括e g i 、e g i i 、e g i i i 、 e g i v 、e g v ，而c b h 至少包括c b h i 、c b h i i ，b g 也包括b g i 、b g i i 两种 4 1 。纤维素酶 各组分间的协同催化作用如下图所示： c e l l u l o s e c s 诌1 ) c e l l o b l a s e 1 8 啕l u c o s l d e l _ _ - i 一 c e l l u l o s e l e x o c e l l u l a e e c e t l o b i o s eo rc e d l o t e t r o s e 图1 1 纤维素酶的协同催化作用 第一章前言 1 2 2 纤维素酶的结构 纤维素酶蛋白和其它蛋白质一样，由2 0 种基本氨基酸按一定顺序排列，此即酶 蛋白的一级结构。具有一定一级结构的多肽链，又以一定规则的氢键形成q 螺旋、 e 折叠、1 3 转角和自由旋转等二级结构，这些二级结构单元进一步盘曲折叠，形 成球状分子，即三级结构。目前已经发现许多蛋白质具有四级结构，但对其研究还 较少。其中酶的一级结构，与酶的催化活性有密切的关系。纤维素酶的氨基酸组成 如下【5 】： 表1 1 纤维素酶的氨基酸组成 纤维素酶的催化过程，就是先由酶蛋白活性中心的结合部位与底物结合，再由 酶活性部位的催化基团作用，使底物发生转变的过程。所以，纤维素酶分子的底物 结合部位和催化部位，构成了酶的活性中心。就体积而言，活性部位仅占酶分子的 1 2 ，活性部位所占面积，一般不到酶分子表面积的5 。也就是说，酶蛋白中只 有少数特定的氨基酸残基对催化活性具有决定性作用，这些残基一般并不集中在肽 链的某一区域，也不一定互相比邻，往往分散在相距较远的氨基酸序列中，但通过 盘曲折叠，组成一个比较集中的与酶活相关的区域。一般来说，纤维素酶的活性部 位处于球状分子的凹陷( 或裂缝部位) ，相比其他部位对变性剂也更加敏感。 1 2 2 1 催化部位 纤维素酶的催化部位( c a t a l y t i cs i t e ) 是在催化反应中直接参与电子接受关系的 部位，一般包括几个氨基酸残基的侧链基团，并且其催化部位可能不只一个。纤维 素酶的催化部位有7 0 种之多，每一种在结构上都有显著差异。例如，由t r e e s e i 制 得的c e l 6 a ( c b hi i ) 的催化部位包括5 个q 螺旋和7 个1 3 带状( s t r a n d s ) 结构， 青岛大学博士学位论文 形成一个长度大约为2 n m 左右的隧道活性中心( t u n n e l ) 。而处于活性中心入口位置 附近的w 2 7 2 色氨酸对于结晶性纤维素的催化降解起到至关重要的作用【6 1 。 1 2 2 2 底物结合部位 图1 2c e i 6 a 活性中心示意图 酶活性部位中与底物结合的氨基酸残基所构成的空间部位，称为底物结合部位 ( b i n d i n gs i t e ) 。只有结合部位正确的结合底物，提供催化基团起作用的最优构象， 才能有效地发挥作用。这就是说，构成底物结合部位的氨基酸残基，其空间位置必 须既适合结合底物，也适合催化底物。底物结合部位对于纤维素酶的作用专一性起 至关重要的作用，首先，酶的活性中心是酶表现作用专一性的基础，不仅要求结合 基团与催化基团的存在，而且要求它们有特定的构象分布；此外，酶要表现作用专 一性必须通过它和底物结合才能完成。关于这方面，有不同的理论，早在1 8 9 0 年， e f i s h e r 就提出了“锁和钥匙”学说来解释酶作用专一性，认为酶和底物间存在互补 的结构特征，只有那些符合这种特征要求的物质才是底物，才能和酶结合并被催化， 类似“一把钥匙开一把锁”。k o s h a n d 在解释酶的作用专一性机制时提出了诱导楔合 学说，他认为酶和底物在接触以前，二者并不是完全楔合的，只有由于底物和酶的 结合部位结合以后，产生了相互诱导，酶的构象发生了微妙的变化，结合基团和催 化基团转入了有效的作用位置，酶与底物才完全楔合，酶才能高速的催化反应的进 行。p a u l i n g 提出的过渡态学说认为，酶的高度作用专一性不仅寓于底物的静态结构 之中，也寓于底物的动态变化之中，酶分子和底物结合时，除了底物能诱导它的催 化基团正确取位外，由于酶也有一定的刚性，在楔合的同时能引起底物分子的扭曲， 导致底物向过渡态转变，使反应得到加速l l # j 。 第一章前言 对于纤维素酶来讲，在其分子结构的非活性部位，还可能存在其它的纤维素结 合部位( c e l l u l o s eb i n d i n gd o m a i n s ) 。现在已知的纤维素酶各组分大多是糖蛋白，不 同纤维素酶的含糖比例很不相同，而且糖和蛋白质结合方式也不相同，有的是通过 共价键结合，有的是可解离的复合物，纤维素酶中的糖链可能是形成纤维素结合区 ( c b d ) 的重要结构。 纤维素酶的c b d s 在水解纤维素的过程中起重要作用，可以促进纤维素酶在纤 维素表面的吸附，提高局部酶浓度，优化酶在纤维素表面的排布。此外，c b d s 的 存在有利于单个的纤维素大分子链从结晶态中解放出来，使酶对纤维的可及度增大 而引发催化反应的进行。c b d s 的尺寸对其作用的发挥也有一定程度的影响。如t r e c s c i 的c b h i 的大概尺寸为3 3x4 5 r i m , 可以同时吸附于三个纤维素分子链，导 致纤维素分子链间氢键的断裂。根据氨基酸的组成，纤维素酶的c b d s 可分为几类， 来自于不同的真菌或细菌中，如下表所示【，】。 表1 2 主要c b d s 分类 1 2 2 3 催化部位与结合部位的连接 催化部位与结合部位，并不是各自独立存在于酶分子中的区域，而是通过肽链 相互关联的整体，处于连接位置的肽链对水解作用往往非常敏感。连接肽链一般由 3 0 4 0 个氨基酸残基组成，并且以脯氨酸、苏氨酸、丝氨酸等氨基酸残基居多【1 1 。纤 维素结合区与催化区的关系如下图所示 7 1 ： 青岛大学博士学位论文 c b d s c a t a l y t i cd o m a i n s 图1 3 纤维素酶蛋白中c b d s 与c 1 ) s 示意图 1 3 纤维素酶在纺织印染行业的应用 纤维素酶处理可以明显改善棉、麻等纤维素纺织品的服用性能，提高其附加值， 近年来引起了纺织印染界的广泛关注。美国学者最早提出利用纤维素酶对棉织物进 行改性的设想，随后各国纺织化学家们开始对其进行了广泛的研究8 m 】。 1 3 1 生物柔软及抛光整理 随着人们消费水平的提高，消费理念也在变化，人们开始要求织物具有柔软的 手感和舒适的性能。传统工艺中，人们采用化学柔软剂来改善织物的手感和柔软性， 在改善织物性能、提高附加值的同时，对人类和社会环境也造成了一定影响。织物 生物柔软整理主要采用纤维素酶进行纤维素纤维的减量处理，以使整理后织物有舒 适的外观，硬挺度变小，而滑爽性、柔软度、丰满度等有较大的增强。此外，在进 行生物柔软处理的同时，对粗支织物则可去掉纱节，使织物光洁，提高产品档次。 对麻织物则可大大改善其服用性能，既挺括又舒适，减少刺痒感，使产品的附加值 大大提高。当然，织物的柔软性或者手感是一种对触觉的综合概括，传统上采用手 摸口述的主观评定法，然而该方法存在人为的局限性，评价结果受评价者个人的素 养、情绪、喜好、年龄以及环境、气候等影响，缺乏客观性及标准性，很难进行交 流和对比。现在，人们采用一种基于模糊数学理论的专家系统来对织物柔软度、风 格、手感等进行评判，取得了一定进展一j 。 织物表面若存在较多绒毛会影响其外观，如图1 4 所示【l3 1 。牛物抛光是用纤维 第一章前言 素酶去除织物表面的绒毛，达到表面光洁的整理手段。生物抛光的概念最初来自于 日本，并以机织物为主要处理对象，目前生物抛光整理已经延伸到针织制品、毛巾、 服装的加工。生物抛光需要纤维素酶对纤维素的水解作用及机械搅动力配合来实现， 如果仅仅有纤维素酶作用，生物抛光效果非常有限，即使达到了生物抛光的要求， 由于很高的减量，织物的强度损伤过大而影响其使用价值，如图1 5 所示f n 】。 图1 4 纤维表面绒毛放大图 图1 5 抛光后受损伤纤维放大图 通过与机械搅动力的有效配合，水解作用仅需要对绒毛或纤维弱化，就可以将 绒毛去除，达到生物抛光的目的。生物抛光整理的效果具有持久性，这也优于其它 化学整理。对生物抛光整理持久性的原因虽然还有不同的看法，但一般认为是纤维 素酶的表面作用，使纤维表面原纤弱化，即使洗涤使纤维表面再形成绒毛，也会很 快脱离织物表面，使织物表面不会形成持久的绒毛，更不可能形成绒球【1 3 1 4 1 。 青岛大学博士学位论文 1 3 。2 纤维素酶生物水洗 将纤维素酶用于靛蓝牛仔服装的生物水洗中，已成为纤维素酶在纺织印染中应 用的一个非常成功的领域。传统的牛仔布，是指用纯棉靛蓝染色纱作经纱，本色纱 作纬纱，采用三上一下右斜纹组织交织而成的粗支斜纹布【1 5 】。可以利用靛蓝染料的 环染及湿摩擦牢度差的特点，通过特殊的水洗方法使之非均匀脱色或局部褪色而获 得“石磨蓝”及“穿旧感刀的外观效果。早期多采用石磨水洗的方式使靛蓝牛仔织 物产生不均匀的褪色以达到“穿旧感 的效果。然而，石磨水洗易产生石灰粉尘， 并对织物造成污染而色泽萎暗，石块与织物的剧烈摩擦作用会造成服装脱线、下摆 开裂、局部破损等疵点，同时还对设备内部造成磨损。利用纤维素酶对靛蓝牛仔织 物进行水洗以获得陈1 1 3 # 1 , 观效果的工艺越来越受到重视，它通过对纤维素大分子链 的水解作用，使织物表面被侵蚀、磨损，染料被剥离，产生水洗石磨的外观，同时 基本解决了浮石水洗整理中存在的问题，加工质量好【l 田。 j j 7 j ：；：。、， 。：? ，! 二妻? 二j 。，jf ，+ 、 水解、靛蓝脱落 图1 6 纤维素酶生物水洗示意图 与石磨水洗工艺相比，纤维素酶生物水洗具有以下优点： 1 纤维素酶水洗后的牛仔服装，花纹比石磨更加细腻均一，雪花点多、立体感 强，织物表面光洁，色泽鲜艳，如图1 7 所示【1 7 1 。 2 通过纤维素酶水洗，从本质上改善织物的手感，提高织物的染色性能，有利 于套染。 3 在纤维素酶水洗过程中，不产生“白石痕，不易“碎边 ，可杜绝脱线现 象，并且整理后的织物不需再修理磨损的饰物配件。 4 纤维素酶整理后毋需在布上清除碎石屑粒，可以免去浮石对设备的磨损，减 低噪音，提高废水的质量，并可避免石块贮运及废石处理等问题，改善劳动 环境，有利于环境保护。 第一章前言 5 很少剂量的酶可替代数公斤的浮石，使生产效率大大提高。 石磨洗低浓度酶洗高浓度酶洗 图1 7 不同工艺水洗后效果图 与石磨工艺相比，纤维素酶水洗也有缺点，其中最为突出的就是在生物水洗过 程中靛蓝反沾色程度更高，使织物表面的蓝白对比度相对降低。 石磨水洗 生物水洗 图1 8 不同工艺水洗后靛蓝反沾色 纤维素酶分为酸性、中性和弱碱性等，一般常用的为酸性和中性纤维素酶，它 们各有特点，性能互补。酸性纤维素酶一般来源于t r i c h o d e r m ar e e s e i ，其最适p h 值为4 5 - - , 5 5 ，活力较高，对纤维素纤维有高度的侵蚀作用，在短时间内即能完成 有效的磨损，处理效率高，但织物强力损失大，酶洗质量不易控制，重现性较差， 并且易沾色，处理时应加防沾色剂或酶洗后进行漂白处理。由于酸性纤维素酶价格 较低，在牛仔织物的返旧整理中应用较多。a v g u s a k o v 等人认为，酸性纤维素酶 之所以具有较高的生物水洗效能，是因为其分子表面具有较多的疏水性氨基酸残基 【1 8 】。中性纤维素酶主要来源于h u m i c o l ai n s o l e n s ，其最适p h 值为5 5 - 8 0 ，温度为 5 0 - 6 0 ，处理时间一般在3 0 - - 6 0 m i n 。中性纤维素酶活力较低，对纤维素纤维的 侵蚀作用较酸性纤维素酶弱，要达到同等的返旧整理效果，需用较长的处理时间或 较高的酶浓度，但对织物强力损失小，对工艺参数波动敏感性小，酶洗质量易控制， 重现性好，对靛蓝牛仔布有很好的酵磨度，并且很少甚至没有沾色现象，蓝白纱对 比度高，仅需少量的防沾色剂，洗后不需漂白。中性纤维素酶价格较高，通常用于 高档牛仔服装的处理【l 引。 青岛大学博士学位论文 1 4 本课题的意义及创新点 有关纤维素酶对纤维素织物的吸附和水解作用的研究，大多基于未经染色的纤 维素织物。但在实际应用中，纤维素酶的加工对象往往是已经染色纺织品，织物上 存在的染料对酶作用的影响不容忽视。人们研究了纤维素酶对诸如直接、活性等染 料染色织物的作用，并得出了一定结论，提出一些影响机理。但是，到目前为止， 还少有针对靛蓝染色织物的系统研究，靛蓝是现今使用量最大的一支染料，用靛蓝 染色纱织成的牛仔织物风靡全球，该织物又必须经过纤维素酶的生物水洗作用才能 体现出风格特征。所以，研究纤维素酶对靛蓝染色织物的作用，或者织物上存在的 靛蓝对纤维素酶作用的影响，总结影响规律，提出影响机理，具有十分重要的意义。 纤维素酶处理靛蓝色织物的过程中，靛蓝反沾色问题也不容忽视，深入研究反沾色 问题的成因，探究反沾色的机理，不但具有重要理论价值，而且对于如何在实际生 产加工过程中降低或消除反沾色的不利影响具有重要的现实意义。 本论文通过研究纤维素酶对靛蓝染色棉织物的吸附和水解作用，探讨p h 值、 时间、温度、离子强度、表面活性剂、靛蓝浓度、机械搅动条件等因素对纤维素酶 蛋白吸附和水解性能的影响。通过实验，分别求出了纤维素酶蛋自在未染色及靛蓝 染色织物上的吸附平衡常数、吸附速率常数、标准亲和力及水解速率常数等能够反 映吸附及水解进程的各项热力学及动力学指标，并从酶蛋白结构、纤维素结构、z e t a 电位等角度阐述产生差异的原因。 本研究系统探讨了靛蓝反沾色的原因，从靛蓝粒径、表面z e t a 电位、酶蛋白结 构等角度入手，进一步阐述了影响酶洗过程中靛蓝反沾色程度的各种因素，并提出 了新的靛蓝反沾色机理。最后，通过采用添加蛋白酶、漆酶、表面活性剂的方式来 降低靛蓝反沾色的程度，并对靛蓝去除机理进行了初步探索。 l o 参考文献 参考文献 【l 】周文龙酶在纺织中的应用 m 北京：中国纺织出版社 【2 】陈石根，周润琦酶学 m 】上海：复旦大学出版社 【3 】y ue a o ，h u i m i nt a n e f f e c t so fc e l l u l a s e0 1 1t h em o d i f i c a t i o no fc e l l u l o s e j c a r b o h y d r a t e r e s e a r c h ，2 0 0 2 ，3 3 7 ：1 2 9 1 1 2 9 6 【4 】a r t u rc a v a c o - p a u l o m e c h a n i s mo fc e l l u l a s ea c t i o ni nt e x t i l ep r o c e s s 叨c a r b o h y d r a t ep o l y m e r s ， 19 9 8 ，3 7 ：2 7 3 - 2 7 7 【5 】r a k e s hl 乙b a n k a , s a r o jm i s h r a a d s o r p t i o np r o p e r t i e so ft h ef i b r i l f o r m i n gp r o t e i nf i o m t r i c h o d e r m ar e e s e i j e n z y m ea n dm i c r o b i a lt e c h n o l o g y , 2 0 0 2 ，31 ：7 8 4 - 7 9 3 【6 】a n uk o i v u l a , t t i n ak i n n a r i ，v e s ah a r j u n p a a ，e ta 1 t r y p t o p h a n2 7 2 ：a ne s s e n t i a ld e t e r m i n a n to f c r y s t a l l i n ec e l l u l o s ed e g r a d a t i o nb yt r i c h o d e r m ar e e s e ic e l l o b i o h y d r o l a s ec e l 6 a j f e b sl e t t e r s ， 1 9 9 8 ，4 2 9 ：3 4 1 - 3 4 6 【7 】m a r k u sl i n d e r , t u u l at t e e d t h er o l e sa n df u n c t i o no fc e l l u l o s e - b i n d i n gd o m a i n s j j o u r n a lo f b i o t e e h n o l o g y , 1 9 9 7 ，5 7 ：1 5 - 2 8 【8 】i d al e e , b a r b a r ai le v a n s ，j o n a t h a nw o o d w a r d t h em e c h a n i s mo fc e l l u l a s ea c t i o no nc o t t o n f i b e r s ：e v i d e n c ef r o ma t o m i cf o r c em i c r o s c o p y j u l t r a m i c r o s e o p y , 2 0 0 0 ，8 2 ：2 1 3 - 2 2 1 【9 】吴赞敏，吕彤棉织物的超级柔软整理【j 】印染，2 0 0 1 ，2 7 ( 2 ) ：3 0 - 3 1 1 1 0 】n a i b r a b i n l ，h m f a h m y , z e m o h a m e d , e ta 1 e f f e c to fc e l h l a s et r e a t m e n to nt h ee x t e n to f p o s t - f i n i s h i n ga n dd y e i n go fc o t t o nf a b r i c s j j o u r n a lo fm a t e r i a l sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , 2 0 0 5 ， 1 6 0 ：9 9 1 0 6 【l l 】薛广洲，王玲纤维素酶整理织物效果评价田印染，2 0 0 4 ，3 0 ( 1 1 ) ：3 3 - 3 4 f 1 2 】王晓明，谭正德纤维素酶处理方式对棉织物性能的影响f j 】印染助剂， 2 0 0 4 ，2 1 ( 6 ) ：4 3 - 4 4 【1 3 】j a a k k op e r e , 甸ap u o l a k k ap e r t t in o u s i a i n e n ，e ta 1 a c t i o no fp u r i f i e dt r i c h o d e r m ar e e s e i c e l l u l a s e so nc o t t o nf i b e r sa n dy a m j j o u r n a lo f b i o t e c h n o l o g y , 2 0 0 1 ，8 9 ：2 4 7 - 2 5 5 【1 4 】rm i c h a e lt y n d a l l i m p r o v i n gt h es o f t n e s sa n ds u r f a c ea p p e a r a n c eo f c o t t o nf a b r i c sa n dg a r m e n t s b yt r e a t m e n tw i t hc e l l u l a s ee n z y m e s j 】a a t c cr e v m w , 1 9 9 2 ，2 4 ( 6 ) ：2 3 2 6 【1 5 】王美琴纯棉牛仔布的生物酶洗工艺实践【j 】江苏丝绸，2 0 0 4 ，2 ：9 1 0 【1 6 】m e ey o u n gy o o n d e n i mf i n i s h i n gw i t he n z y m e s j i n t e r n a t i o n a ld y e r , 2 0 0 4 ，6 ：1 6 - 2 0 【17 】h a f e d hb e l g h i t h ，s e l l l i ae l l o u z - c h a a b o u n i ，a l ig a r g o u r i b i o s t o n i n go fd e n i m sb yp e n i c i l l i u m o c c i t a n i sc e l l u l a s e s j j o u r n a lo fb i o t e c h n o l o g y ，2 0 01 ，8 9 ：2 5 7 - 2 6 2 【18 a l e x a n d e rv g u s a k o v ，a r k a d yp s i n i t s y n ，a l e j a n d r og b e r l i n ，e ta 1 s u r f a c eh y d r o p h o b i c a m i n oa c i d r e s i d u e si nc e l l u l a s em o l e c u l e sa s as t r u c t u r a lf a c t o rr e s p o n s i b l ef o rt h e i r h i g h 1 1 参考文献 d e n i m - w a s h i n gp e r f o r m a n c e j e n z y m ea n dm i c r o b i a lt e c h n o l o g y , 2 0 0 0 ，2 7 ：6 6 4 - 6 7 1 【19 a r i am i e t t i n e n - o i n o n e n ，j o h nl o n d e s b o r o u g h ，v e s aj o u t s j o k i ，e ta 1 t h r e ee e l l u l a s e sf r o m m e l a n o e a r p u sa l b o m y e e sf o rt e x t i l e t r e a t m e n ta tn e u t r a lp h 忉e n z y m ea n dm i c r o b i a l t e c h n o l o g y , 2 0 0 4 ，3 4 ：3 3 2 3 4 1 2 第二章纤维素酶对棉织物的吸附性能 2 1 概述 第二章纤维素酶对棉织物的吸附性能 纤维素酶蛋白对织物发生吸附是产生催化水解作用的先决条件，影响吸附性能 的内部因素主要是酶蛋白的c b d ，其结构的变化会引起酶蛋白在织物表面有效浓度 的显著变化，从而影响催化的效果。实验中所采用的酸性纤维素酶产自于t r e e s e i ， 其c b d 结构属于c b di ，主要由3 3 - 4 0 个氨基酸残基组成【l 】。除此之外，底物的结 构、性质、浓度等因素也会对纤维素酶的吸附产生显著影响。沈勇等人提出了纤维 素酶对纤维素纤维的吸附等温式，在酶浓度 p o 摊 定条件下，若酶浓度大大低于纤维 浓度，则纤维平衡吸附酶i e s - 与纤维浓度 s o 】问存在下列关系式【2 】： i p 丽o i s , , ：i f at q + s o q e s 】 。 公式2 一( 1 ) 其中，q 为纤维素酶制剂中能与纤维结合的最大酶蛋白分数： k 1 为纤维的半饱和吸附常数( g 纤维l ) 。 而在纤维浓度一定时，吸附酶i e s - 与游离酶蛋白浓度 p i n i 勺g g t 附等温方程为 【s o l 【p 】- 【p o 】( 1 - q ) ) f e s 】 = 抽+ 掣 黼地) 其中，k 2 = km e ，为纤维素酶的半饱和吸附常数( g 酶l ) ； 1 1 1 = m dm s ，表征纤维对酶的吸附能力，其物理意义为l g 纤维素纤维能 够最大程度吸附酶蛋白的克数。 此外，a r t u rc a v a c o p a u l o 等人从l a n g m u i r 吸附着手，得下式【3 巧】： b = 黼 公式2 一( 3 ) 其中：e b 为平衡吸附酶量( r a g g ) ； e b i l l 为饱和吸附酶量( m g g ) ； e f 为平衡吸附时溶液中游离酶浓度( m g m 1 ) ； k a 为吸附平衡常数，反应亲和力的大d , ( m l m g ) 。 通过回归方法得出纤维素酶蛋白在纤维上的吸附平衡常数和酶蛋白在织物上的 饱和吸附量，迸一步可以求出酶蛋白吸附的热力学参数值。对于上式，有如下三种 青岛大学博士学位论文 线形变换方式l 4 j ： 11 11 、 一= 霉一= 一+ 一i i 玩 毛m 。岛脚瓦岛 公式2 ( 4 ) 孚=击+_1i 一= ”一i 一，i e b瓦m 墨岫、” 公式2 ( 5 ) 墨一击 6 ， m k b o t h w e l l 等人证明，进行2 ( 5 ) 式即h a n e s w o o l f 变换所求的吸附参数 与非线性拟和所得结果最为接近【4 】。 影响纤维素酶蛋白对织物吸附性能的其他因素则包括处理时间、温度、p h 值 等，当然，对于靛蓝染色织物而言，还会受织物上靛蓝浓度的影响。 2 2 实验 2 2 1 实验材料、药品及仪器 纯棉斜纹机织坯布( 2 6 0 耐，滨州) 酸性纤维素酶( 2 0 0 m g m i ) 高温淀粉酶( 2 0 0 0 0 u m 1 ) p a - 8 1 0 0 ( 工业品) 靛蓝( b a s f ) 净 i h0 0 第二章纤维素酶对棉织物的吸附性能 表2 1 实验用试剂 表2 2 实验用仪器 仪器名称生产厂家 r a p i d s 小型染色机 s w - 1 2 耐洗色牢度试验机 y 1 7 2 型纤维切片器 7 2 2 s 分光光度计 d k - 9 8 1 型电热恒温水浴锅 k d m 型控温电热套 s h a - b 型恒温振荡器 c s l 0 1 a b 型电热鼓风干燥箱 p l 3 0 l 电子天平 奥立龙8 6 8 型p h 计 z s 9 0 型纳米粒度及z e t a 电位分析仪 j s m 6 3 9 0 l v 扫描电镜 厦门瑞比印染设备公司 莱州市电子仪器有限公司 常州纺织仪器厂 上海精密科学仪器有限公司 天津市泰斯特仪器有限公司 山东鄄城华鲁仪器公司 常州国华电器有限公司 中华人民共和国重庆试验设备厂 m e t t l e r - t o l e d og r