活性生物酶在染整加工中的应用1活性生物酶的发展背景及其特性1.1 活性生物酶的发展背景当今社会,保护人类生存环境的呼声日益高涨,各国制定的环境政策和法规日益严格,使需要耗费大量化学品和水资源,且会产生大量污染的印染行业面临巨大挑战。

全球的纺织化学和染整工作者不断地寻求、尝试环保型的新产品、新技术和新设备。

酶制剂作为一种生物制剂,无毒无害,它的开发应用顺应了绿色生产加工和可持续发展的要求,因而为越来越多的染整工作者所认可,并替代传统的一些强酸、强碱等化学品用于染整加工中。

现代生物工程技术的发展亦为酶的进一步应用提供了可能。

酶整理工艺代表了纺织工业发展的趋势,其在纺织品整理中的应用正不断向扩大领域和纵深发展。

1.2 酶的特性酶是一类天然的高分子量蛋白质,可催化化学反应的进程,被誉为“生物催化剂”。

作为催化剂,酶具有以下特性[1、2] :1.2.1 专一性酶的专一性体现为一种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。

然而酶的专一性程度视酶的种类不同而有所差异。

大多数酶呈绝对或几乎绝对专一性,只催化一种底物反应;少数专一性程度低的酶,可作用多种底物。

1.2.2 高效性酶催化反应的速率极高,一般可达几百万倍。

例如,过氧化氢酶在催化分解双氧水漂白后剩余的过氧化氢反应中,一分子的过氧化氢酶在1 s 可催化分解500 万个双氧水分子,可见其效率相当高。

1.2.3 低反应条件酶催化反应不像一般催化剂需要高温、高压、强酸、强碱等剧烈条件，而可在较温和的常温、常压下进行。

1.2.4 易变性失活在受到紫外线、热、射线、表面活性剂、金属盐、强酸、强碱及其它化学试剂如氧化剂、还原剂等因素影响时，酶蛋白的二级、三级结构有所改变从而使酶丧失催化反应活性。

1.3 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。

酶催化反应的进程可表示为[3]:A + E — A-E — E + B式中:A ———底物;B ———产物;E ———酶。

酶先与底物形成酶-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,并可进行其他更进一步的转化。

因此只需要少量的酶便足以维持反应的进行。

1.4 酶失活酶催化反应进行到一定程度后,要采取一定措施使酶失活,如不及时使其失活,会造成纤维损坏,严重时织物完全毁坏。

通常通过改变温度或pH 值来实现酶失活,有时亦可采用化学品使其“中毒”而失活。

1.5 酶处理的应用优势随着生物酶技术的不断发展,酶在纺织品染整加工中的应用可涵盖大部分工序。

酶在染整加工中的应用之所以不断扩大,得益于酶处理所具有的下列优势:①由于酶的生物降解性，酶技术是一种绿色环保的技术；②废水排出量少，其中盐含量和其他有害环境的药剂量也减少；③酶可重复利用；④反应条件温和，能够降低能源的消耗；⑤在加工需求的选择上可以实现多样化。

2 活性生物酶的分类和活性2.1 酶的分类根据酶的来源分：动物酶、植物酶、微生物酶。

前两者是从动物或植物体提取出来的，来源有限，生产周期长，且造价较高，而微生物酶主要是由微生物发酵得到，来源广泛，种类齐全，生产周期短，比较廉价，故工业用一般是后者。

根据生物在细胞外形成酶分：胞外酶、胞酶。

纺织染整加工中应用的酶基本上都属胞外酶。

而胞酶种类最多,过氧化氢酶是典型的胞酶1961年国际酶学委员会根据酶催化作用类型，把酶分成6大类：氧化还原酶：催化物质进行氧化还原反应。

有570种。

转移酶：能够催化除氢以外的各种化学官能团从一种底物转移到另一种底物的酶类。

有490种。

水解酶：催化水解反应的一类酶的总称。

有560种。

裂解酶：催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。

有240种。

异构酶：催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子基团或原子的重排过程。

有85种。

合成酶：又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。

有80种。

2.2 酶活性的测定方法活性测量法有比色法、分光光度法、放射测量法、量气法、滴定法、酶偶联分析等，常用的为前三种：2.2.1 比色法是通过比较或测量有色物质溶液颜色深度来确定待测组分含量的方法，如果酶反应的产物可与特定的化学试剂反应而生成稳定的有色溶液，且生成颜色的深浅与产物的浓度在一定的围有线性关系可用此法。

2.2.2 分光光度法是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长围光的吸收度，对该物质进行定性和定量分析的方法。

利用底物和产物光吸收性质的不同，可直接测定反应混合物中底物的减少量或产物的增加量。

几乎所有的氧化还原酶都使用该法测2.2.3 放射测量法是酶活力测定中较常用的一种方法。

一般用放射性同位素标记底物，在反应进行到一定程度时，分离带放射性同位素标记的产物并进行测定，就可测知反应进行的速度2.3 酶活性单位1963年国际生化协会酶学委员会推荐采用国际单位（IU）来统一表示酶活性的大小。

1976年对酶活性单位定义为：在特定的条件下，1 min能转化1μmol底物的酶量，即1IU=1μmol/min。

目前国外大多数实验室常省略国际二字，即将IU 简写为U。

为了更直观地反映酶含量的变化，很多实验室不局限传统的报告方式（U），而开始使用正常上限升高倍数（upper limits of normal, ULN）这一表示方法作为酶活性浓度的表示法。

所谓ULN是指把酶测定值转换为正常上限值的倍数。

简单地说，就是用测得的酶活性结果除以参考围的上限值。

由于酶学测定中，一般以酶增加的异常较多，故不取正常下限值作为倍数指数。

3 生物酶在棉织物染整加工中的应用3.1 退浆酶退浆作为最早应用的生物酶技术, 工艺比较成熟。

酶退浆工艺可以分为三个阶段: 浸渍、保温处理和水洗。

酶退浆常采用间歇式、半连续式( 轧卷或轧堆)和连续式( J型箱或轧蒸) 方法。

用于退浆的酶主要是淀粉酶。

如果淀粉浆料中含有甘油酸酯类物质, 退浆时则在淀粉酶中再加入脂肪酶, 以提高退浆效率。

用葡萄糖淀粉酶退浆时, 同时加入葡糖氧化酶可显著提高织物的光泽度, 使织物手感柔软。

故棉纤维退浆时一般用含酶的复合退浆剂。

工艺举例如下:轧蒸法: 织物先在含表面活性剂的热水中浸渍, 使淀粉膜溶胀。

然后将织物以60～70 m/min的速度浸轧酶液, 浸轧液中酶的用量为6～12 g/L, 用醋酸将pH 调到6.2～6.4, 最后汽蒸3～5 min, 随后用热水洗涤。

这种方法处理的织物退浆轧堆法: 如织物在含2 g/L Kemylase酶的溶液中浸轧后, 60 ℃时堆置60 min, Kemylase酶可将淀粉水解为糊精和葡萄糖, 然后热水洗去淀粉水解的产物。

3.2 煮练适用于棉织物煮练的酶是纤维素酶、果胶酶、蛋白酶和脂肪酶等。

煮练效果最好的是纤维素酶,因为它容易接近纤维素, 因而对纤维中疏水性的杂质容易去除。

其次是果胶酶、蛋白酶和脂肪酶。

纤维素酶主要有3种: 切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β- 葡萄糖苷酶。

这些纤维素酶可同时作用,相互间也可发生协同作用。

常用的纤维素酶是CellusoftL( 纤柔酶L)[4], 它可去除纤维素纤维中杂质, 使纤维光洁、柔软。

这种酶最佳使用条件是: 酶用量3 %( owf) , 作用温度50 ℃, pH=5, 时间60 min。

胰蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶及胰凝乳蛋白酶直接用于棉坯布煮练。

这三种酶在温和条件下( 45～55 ℃, pH=7) 煮练效果与碱煮练的效果相当。

果胶酶在棉织物的煮练过程中起着重要的作用。

碱性果胶酶比酸性果胶酶煮练效果更好, 主要体现在处理后棉织物的润湿性和白度更佳。

碱性果胶酶Bio- prip在60 ℃, pH=5, 时间60 min, 用量为3%时, 煮练棉织物可获得最佳效果。

3.3 漂白棉织物可用Denilite酶加上Denilite Plus进行漂白[5]。

Denilite酶的最佳使用条件为: 用量2 %( owf) ,温度60 ℃, pH=6, 漂白时间45 min。

酶漂白的织物白度指数没有用双氧水漂白的白度指数高, 但Denilite酶漂白后织物保留更好的拉伸强力、硬挺度及质量。

无论是化学方法漂白还是用酶进行漂白, 最终织物的染色深度相同。

过氧化氢漂白后, 织物要经过水洗才能进行染色, 否则残余的过氧化氢将会使染料变色, 如果有金属离子存在, 还会使织物产生破洞。

如果漂后在漂液中加入过氧化氢酶, 这样可直接在漂液中加入染料进行染色, 而无需漂后的水洗。

过氧化氢酶能使残余的过氧化氢迅速而完全分解, 这样可节省前处理用水和时间, 降低成本。

3.4 整理酸性和中性的纤维素酶广泛用于牛仔布的整理以产生砂洗效果和更好的手感, 还可用于纺织品生物抛光。

酸性纤维素酶砂洗, 用于深色牛仔布, 可有效节约成本; 中性纤维素酶砂洗, 不损伤纤维的强力。

用于牛仔布剥色主要是漆酶[6]。

漆酶本身对靛蓝类染料的剥色性能并不好, 但当它与低分子量的有机化合物同时使用时, 剥色迅速进行。

低分子的有机化合物可使不溶于水的靛蓝类染料溶解, 漆酶则破坏染料结构中的羰基共轭双键, 使染料褪色。

这种酶性能稳定, 剥色性能再现性好, 对织物损伤小, 且使用方便, 织物经喷射或浸染后在空气中干燥或酸化处理即可。

4 活性生物酶在麻织物加工中的应用4.1 麻织物煮练麻织物前处理时, 过去常用化学方法。

先对粗纱进行酸化, 去除矿物质; 水洗后再碱煮, 使非纤维素的杂质降解; 最后再漂白。

化学方法处理存在许多缺点,如: 它可引起纤维降解, 使纤维强力下降; 反复水洗消耗大量的水; 95 ℃高温处理, 消耗大量的能源; 污水处理成本高。

麻煮练时, 可用酶法代替化学方法。

酶处理时, 必须用软水, 否则水中钙离子会使酶的活性下降, 所以酶煮练的同时应加入螯合剂[7]。

果胶酶使用时, 最佳的pH在7～8之间, 温度50～60 ℃。

一般与表面活性剂(Biorol OW/60) 和螯合剂ChelamNex同时使用, 螯合剂Chelam Nex主要成分是葡萄糖酸钠、聚丙烯酸酯和聚膦酸脂。

木聚糖酶和半乳糖甘露聚糖酶使用的最佳pH为8、温度为50～60 ℃。

它们的活性都不受表面活性剂及螯合剂的影响。

酶可在温和的条件下对麻纤维进行脱胶, 不同的酶, 其脱胶效果不一样[7]。

下列是不同的酶煮练时酶效顺序: 果胶酶>木聚糖酶>半乳糖甘露聚糖酶=蛋白酶>脂肪酶≥虫漆酶。

纱线经酶煮练比用化学方法处理的纱支性能好, 酶法煮练后的麻纤维纱线的强力好, 且加工的再现性好。

5 活性生物酶在丝织物处理中的应用5.1 脱胶由于组成丝素和丝胶分子的氨基酸种类和含量不等，所以它们的性质存在很大差异。

丝胶可溶于水，对化学药品及蛋白水解酶较敏感；丝素不溶于水，对化学药品及蛋白水解酶显示一定的稳定性。