采用生物酶法去除山羊绒肤皮屑

陈晓盟， 王树根， 薛 晨

(1. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122; 2. 新疆天山毛纺织股份有限公司， 新疆 乌鲁木齐 830054)

采用生物酶法去除山羊绒肤皮屑

陈晓盟1， 王树根1， 薛 晨2

(1. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122; 2. 新疆天山毛纺织股份有限公司， 新疆 乌鲁木齐 830054)

采用生物酶法去除羊绒染色中多年未根本解决的羊绒肤皮点的问题，分别选用角质酶、胃蛋白酶和蛋白酶3种类型的酶处理了山羊绒肤皮屑，考察去屑效果，研究了生物酶处理的工艺条件，同时考察了处理前后山羊绒损伤情况。结果表明：T.fusca角质酶在角质酶用量8 mL/g，pH=8.0，60 ℃，5 h，浴比1∶50条件下，肤皮屑去除率29%。胃蛋白酶在胃蛋白酶用量6%(o.w.f)，pH=2.2，4 ℃，6 h，浴比1∶50条件下，肤皮屑去除率为17%。蛋白酶Savinase 16 L在蛋白酶用量1 mL/g，pH=8.5，45 ℃，4 h，浴比1∶50条件下，肤皮屑去除率为46%。角质酶和胃蛋白酶处理对羊绒有轻微的损伤，可以做为一种新的去除羊绒肤皮点的方法，蛋白酶对羊绒的损伤较严重，不能采用。生物酶法能部分去除山羊绒肤皮屑，有必要进一步研究。

山羊绒； 肤皮屑； 角质酶； 胃蛋白酶； 蛋白酶

羊绒是珍贵的动物纤维资源，抓绒得到的山羊原绒中含有粗毛、两型毛、皮屑、沙土和汗脂等杂质，经过洗毛、分梳、精梳等加工后可去除大部分杂质，但不能完全去除肤皮屑，在染色时皮屑的存在会造成羊绒染色产品出现深色肤皮点，严重影响羊绒制品的外观质量。这个问题困扰羊绒行业多年，鲜有这方面的研究报道，一般是利用匀染剂的缓染作用消除羊绒和肤皮屑的色差，但是这种方法有一定的局限性，当缓染作用过强时出现肤皮浅色点，当缓染作用不够时，仍有肤皮深色点存在，只不过比不缓染略浅而已，而且这种方法对染料品种也有选择，应用范围受限。本文从溶解肤皮的角度出发，在分析山羊绒和山羊肤皮屑结构组成差异的基础上，设计采用3种生物酶：角质酶、胃蛋白酶和蛋白酶来处理山羊绒肤皮屑，考核去屑效果，并分别研究3种生物酶去除羊绒肤皮屑的工艺条件。通过测定处理前后羊绒的部分物理力学性能和形态结构，探讨了生物酶处理对羊绒的损伤情况。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

材料：山羊绒肤皮屑及山羊绒洗净绒(新疆天山毛纺织股份有限公司)，T.fusca角质酶(230 U/mL)(江南大学生物科学与工程国家重点实验室)，蛋白酶Savinase 16 L(16 000 U/mL)(诺维信公司)，胃蛋白酶(分析纯，1 200 U/g)(国药集团化学试剂有限公司)，蒸馏水，三(羟甲基)氨基甲烷、盐酸、氢氧化钠、乙酸均为分析纯(国药集团化学试剂有限公司)。

仪器：YG001N型电子单纤维强力仪(南通宏大实验仪器有限公司)，恒温恒湿室，HITACHT SU1510型扫描电子显微镜(日本日立公司)，HH-6型数显恒温水浴锅(江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 山羊绒肤皮屑原材料的预处理

分别在60、4、45 ℃条件下，先用去离子水处理山羊绒肤皮屑，6 h后，真空抽滤分离，将分离后的肤皮屑放在45 ℃干燥箱中烘干17 h，至质量恒定。将烘干后的山羊绒肤皮屑包装起来，密封保存，以供后续实验使用。

1.2.2 肤皮屑及洗净绒的生物酶处理

角质酶：称取1 g(m1,称量精度±0.000 1 g)水洗后的山羊绒肤皮屑m1在xmL/g的T.fusca角质酶反应溶液中恒温处理，pH=8.0[1](Tris-HCl缓冲溶液)，温度为60 ℃，浴比为1∶50。几小时后升温至90 ℃进行灭酶处理5 min，抽滤后于45 ℃烘干17 h至质量恒定后称质量为m2。按式(1)计算去屑率。研究合适条件下用角质酶处理山羊绒洗净绒的受损情况。

(1)

胃蛋白酶：称取1 g(m,称量精度±0.000 1 g)水洗后的山羊绒肤皮屑在x%(o.w.f)的胃蛋白酶反应溶液中恒温处理，pH=2.2[2](Tris-HCl缓冲溶液)，温度为4 ℃，浴比1∶50。几小时后升温至60 ℃进行灭酶处理5 min，抽滤后于45 ℃烘干17 h至质量恒定后称质量为m2。按式(1)计算去屑率。研究合适条件下用胃蛋白酶处理山羊绒洗净绒的受损情况。

蛋白酶：称取1 g(m1,称量精度±0.000 1 g)水洗后的山羊绒肤皮屑在xmL/g的蛋白酶Savinase 16L反应溶液中恒温处理，pH=8.5[3](Tris-HCl缓冲溶液)，温度为45 ℃，浴比1∶50。几小时后升温至90 ℃进行灭酶处理5 min，抽滤后于45 ℃烘干17 h至质量恒定后称质量为m2。按式(1)计算去屑率。研究合适条件下用蛋白酶处理山羊绒洗净绒的受损情况。

1.2.3 强力测试

使用YG001N型电子单纤维强力仪测试经过不同生物酶处理后山羊绒单纤维的强力，温度为(20±2)℃，相对湿度为(65±2)%，评价山羊绒纤维的质量。记录纱线断裂强力F，测试10次，取平均值[4]。

1.2.4 碱溶解度

分别称取0.1 g试样(±0.000 1g)，在温度(20±2)℃，相对湿度(65±2)%条件下平衡处理24 h，称量得到试样质量M，计算试样的含水率G。将试样放入0.1 mol/L的100 mL氢氧化钠溶液中，(65±0.5)℃处理1 h，山羊绒未溶解，然后用已恒重的玻璃漏斗过滤。过滤时，试样尽可能先留在烧杯中，最后再移入漏斗内吸干。烧杯内试样先用水洗涤6次，然后用10 mL/L冰醋酸溶液洗2次，再用水洗6次。每次水洗为50 mL，将试样浸没即可。将漏斗内的试样放入烘箱，于105～110 ℃烘干至恒定质量W[5]。按式(2)计算碱溶解度。

(2)

1.2.5 扫描电镜观察

用HITACHT SU1510型电子扫描显微镜观察不同生物酶处理后山羊绒纤维表面的形貌特征。

2 结果与讨论

2.1 角质酶处理条件对山羊绒去屑率的影响

2.1.1 角质酶用量

角质酶可以催化水解不溶性多聚体角质的酯键。在最适温度60 ℃和pH值8.0的条件下，用不同浓度的T.fusca角质酶处理山羊绒肤皮屑6 h，结果见图1。由图中曲线变化趋势可知，随着角质酶浓度的增加，山羊绒肤皮屑的去除率先提高然后降低，在角质酶浓度为8 mL/g时，去屑率达到最大值为29%。这可能是过低的酶用量不足以对底物的特定位点进行充分的水解，使得水解过程缓慢进行[2]。而过高的酶用量可能诱发某些酶促反应的竞争作用，反而使得水解程度受到抑制。这表明在本文的实验条件下，8 mL/g的角质酶是最适宜的。

图1 角质酶浓度对山羊绒肤皮屑去除率的影响Fig. 1 Effects of cutinase concentration on skin crumbs removal efficiency of cashmere

2.1.2 反应时间

在最适温度60 ℃、pH值8.0、T.fusca角质酶浓度8 mL/g、经不同的反应时间处理山羊绒肤皮屑，考察反应时间对去屑率的影响，结果如图2所示。由图中曲线变化趋势可知，在1～5 h的区间内，随着时间的延长，山羊绒肤皮屑的去除率逐渐提高。而当时间超过5 h以后，去屑率基本保持不变。说明角质底物基本水解完毕，即使时间再延长，去屑率也不会再提高了。所以，对于一定量的山羊绒肤皮屑，使用角质酶去除5 h是最适宜的。使用T.fusca角质酶去除山羊绒肤皮屑的工艺条件为：角质酶用量8 mL/g，pH=8.0，60 ℃，5 h，浴比1∶50。此时肤皮屑的去除率达到了29%。

图2 反应时间对山羊绒肤皮屑去除率的影响Fig. 2 Effects of reaction time on skin crumbs removal effiency of cashmere

2.2 胃蛋白酶处理条件对羊绒去屑率的影响

2.2.1 胃蛋白酶用量

在最适温度4 ℃和pH值2.2的条件下，用不同浓度的胃蛋白酶处理山羊绒肤皮屑6 h，考察胃蛋白酶用量对去屑率的影响，结果如图3所示。由图中曲线变化趋势可知，随着胃蛋白酶用量的增加，山羊绒肤皮屑的去除率先提高然后降低，在胃蛋白酶用量为6%(o.w.f)时，去屑率达到最大值为17%。胃蛋白酶对胶原具有较好的溶解作用，可以水解胶原α-肽键的末端区[6]。这可能是过低的酶用量不足以对底物的特定位点进行充分的水解，使得水解过程缓慢进行。而过高的酶用量可能诱发某些酶促反应的竞争作用，反而使得水解程度受到抑制。在本文的实验条件下胃蛋白酶用量为6%(o.w.f)是最适宜的。

图3 胃蛋白酶用量对山羊绒肤皮屑去除率的影响Fig. 3 Effects of pepsin concentration on skin crumbs removal efficiency of cashmere

2.2.2 反应时间

在最适温度4 ℃、pH值为2.2、胃蛋白酶用量为6%(o.w.f)、不同的反应时间下处理山羊绒肤皮屑，考察反应时间对去屑率的影响，结果如图4所示。由图中曲线变化趋势可知，在1～6 h的区间内，随着时间的延长，山羊绒肤皮屑的去除率逐渐升高。而当时间超过6 h以后，去屑率不再升高，基本保持不变。说明此时胃蛋白酶已将胶原底物水解，即使时间再延长，去屑率也不会再提高了。所以，对于一定量的肤皮屑，使用胃蛋白酶去除6 h最适宜。使用胃蛋白酶去除山羊绒肤皮屑的工艺条件为：胃蛋白酶用量6%(o.w.f)，pH=2.2，4 ℃，6 h，浴比1∶50。此时肤皮屑的去除率达到了17%。

2.3 蛋白酶处理条件对山羊绒去屑率的影响

2.3.1 蛋白酶用量

在最适温度45 ℃和pH值8.5的条件下，用不同浓度的蛋白酶Savinase 16 L处理山羊绒肤皮屑6 h，考察蛋白酶浓度对去屑率的影响，结果如图5所示。

图5 蛋白酶浓度对山羊绒肤皮屑去除率的影响Fig. 5 Effects of protease concentration on skin crumbs removal efficiency of cashmere

由图中曲线变化趋势可知，随着蛋白酶浓度的增加，山羊绒肤皮屑去除率是先升高，然后保持恒定，最后降低。当蛋白酶浓度为1 mL/g时，去屑率达到最大值为46%。在蛋白酶浓度为1～3 mL/g的区间内，去屑率保持不变，当超过3 mL/g时，去屑率陡然降低。蛋白酶是水解肽键的一类酶，蛋白质在蛋白酶的作用下，能迅速水解为胨、肽等，最后成为氨基酸，溶解在水中[7]。在蛋白酶浓度较低时，对底物特定位点的水解作用不充分，因而去屑率低，而当浓度过高时，可能诱发某些酶促反应的竞争作用，反而使水解程度受到抑制，蛋白酶作用引起的抑制很显著，因而会陡降。表明在本文的实验条件下，使用蛋白酶去除时1 mL/g的用量是最适宜的。

2.3.2 反应时间

在最适温度45 ℃和pH值8.5的条件下、蛋白酶Savinase 16 L浓度为1 mL/g、不同的反应时间处理山羊绒肤皮屑，考察反应时间对去屑率的影响，结果如图6所示。

图6 反应时间对山羊绒肤皮屑去除率的影响Fig. 6 Effects of reaction time on skin crumbs removal efficiency of cashmere

由图中曲线变化趋势可知，在1～4 h内，随着时间的延长，山羊绒肤皮屑的去除率逐渐升高。而当时间超过4 h，去屑率不再升高，基本保持不变。说明此时蛋白酶已将含有肽键的底物水解完毕，即使再延长时间，去屑率也不会提高。所以，在本文的实验条件下，使用蛋白酶去除时4 h的时间是最适宜的。使用蛋白酶处理山羊绒肤皮屑的工艺条件为：蛋白酶用量1 mL/g，pH=8.5，45 ℃，4 h，浴比1∶50。此时肤皮屑的去除率达到了46%。

2.4 山羊绒处理前后部分性能的变化

上述实验得到的是使用生物酶去除山羊绒肤皮屑的工艺条件，适用于单独处理肤皮屑，而在工厂实际生产中，肤皮屑和山羊绒是掺杂在一起的，所以，有必要在上述工艺条件下处理山羊绒洗净绒，并通过强力、碱溶解度和微观结构来考核其受损伤的情况。

2.4.1 强 力

将山羊绒洗净绒在上述最佳处理条件下分别经过T.fusca角质酶、胃蛋白酶和蛋白酶Savinase 16 L作用，使用电子单纤维强力仪测定处理前后试样的单纤维强力，结果列于表1。

表1 不同种生物酶处理后山羊绒洗净绒的强力Tab.1 Strength of washed cashmere treated with different enzymes

经过角质酶、胃蛋白酶和蛋白酶处理后试样的单纤维强力比山羊绒洗净绒原样分别降低了18.8%、19.5%和33.2%。山羊绒纤维是α-角朊纤维，具有二相结构，一相是棒状结晶区即双股α-螺旋链组成的基原纤区，由低硫蛋白质组成，水分子难以渗进；另一相是球状基质区，主要由高硫蛋白质组成，易被水增塑。纤维断裂时，在预屈服区，主要是稳定的α-螺旋链构象的氢键、二硫键产生应变；当纤维伸长率达到屈服点时，一部分氢键断裂，α-螺旋链开始伸展，逐渐转变为β-伸展链[8]。经过生物酶处理后，山羊绒纤维的基质区被增塑，α-螺旋链构象的稳定性可能被破坏，使得山羊绒纤维的断裂强力有所降低。根据强力测试数据结果知，经过蛋白酶处理后的试样损伤较严重，而经过角质酶和胃蛋白酶处理后的试样损伤较轻。

2.4.2 碱溶解度

将山羊绒洗净绒分别经过T.fusca角质酶、胃蛋白酶和蛋白酶Savinase 16L处理，测定处理前后试样的碱溶解度，结果见表2。

表2 不同种生物酶处理后山羊绒洗净绒的碱溶解度Tab.2 Alkali solubility of washed cashmere treated with different enzymes

碱对蛋白质纤维有明显的破坏作用，碱能使蛋白质纤维大分子中的盐式键断开(与羟基起化合作用)，并使胱氨酸发生水解。形成的硫醇基(亚磺酸)对碱性介质不稳定，分解成醛和硫化钠，纤维部分溶于碱而使质量变轻[9]。经过角质酶、胃蛋白酶和蛋白酶处理后试样的碱溶解度分别为2.91%、4.00%和41.8%。根据碱溶解度数据可知，经过蛋白酶处理后的试样损伤较严重，而经过角质酶和胃蛋白酶处理后的试样损伤较轻。

2.4.3 SEM分析

图7 生物酶处理前后山羊绒洗净绒纤维的SEM照片(× 2 000)Fig. 7 SEM images of washed cashmere treated with different enzymes(×2 000).(a) Washed cashmere sample without treatment； (b) Cashmere sample treated with T.fusca cutinase；(c) Cashmere sample treated with pepsin； (d) Cashmere sample treated with protease Savinase 16 L

图7示出不同处理条件下山羊绒洗净绒的扫描电镜照片。图7(a)中山羊绒的鳞片结构相似，多数呈环状、斜环状，排列较均匀、规则，边缘翘起程度不明显。 图7(b)经过角质酶处理后山羊绒洗净绒纤维表面被轻微破坏，某些部位的鳞片断裂，但总体与原样差异较小，其原因在于角质酶主要作用于鳞片表层厚度很小的类脂层，对交联程度较高的鳞片外层以下角蛋白层影响较少[10]。图7(c)经过胃蛋白酶处理后山羊绒洗净绒纤维表面局部被破坏，鳞片缺失的部分很不规则，原因可能是角蛋白在酸性较强的条件下被动物胃蛋白酶所消化，虽然一般条件下，角蛋白是不溶性蛋白质，它既不溶于水、稀的酸和碱，也不为普通动物的胃蛋白酶所消化，但是本文实验使用胃蛋白酶处理时pH值较低，酸性较强，可能会有影响。图7(d)经过蛋白酶处理后试样表面鳞片层得到部分去除，但鳞片层去除效果并不均匀，部分鳞片层呈剥离状，表明蛋白酶水相处理中部分酶分子水解了鳞片层间的羧甲基纤维素并扩散进入纤维内部，使得部分鳞片从纤维表面剥离或脱落[10]。

山羊绒洗净绒经过3种生物酶处理后，单纤维强力都比原样低，其中角质酶、胃蛋白酶和蛋白酶处理后试样的强力分别降低了18.8%、19.5%和33.2%，可见，角质酶和胃蛋白酶处理对山羊绒有轻微的损伤，而蛋白酶处理对山羊绒损伤较严重。山羊绒洗净绒经过3种生物酶处理后，碱溶解度比原样都变大了，其中角质酶、胃蛋白酶和蛋白酶处理后试样的碱溶解度分别增大了2.91%、4.00%和41.8%，这个结果与强力测试反映的结果一致。而山羊绒洗净绒经过3种生物酶处理后的SEM照片也再次印证了这个结论。

3 结 论

1)T.fusca角质酶、胃蛋白酶和蛋白酶Savinase 16L可以去除部分山羊绒肤皮屑。其最大去除率分别为 29%、 17% 和46%。角质酶和胃蛋白酶对羊绒都有轻微的损伤，蛋白酶对羊绒的损伤较严重，不能选用。

2)采用生物酶法去除山羊绒肤皮屑是一条有效的途径，有必要进一步研究筛选酶的品种和工艺，研究不同生物酶的协同作用，提高肤皮屑的去除率。

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Enzymatic removal of skin crumbs from cashmere

CHEN Xiaomeng1， WANG Shugen1, XUE Chen2

(1.KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China;
2.XinjiangTianshanWoolTexStockCo.Ltd.,Urumqi,Xinjiang830054,China)

This paper attempts to adopt enzymatic approach to remove the skin crumbs from cashmere, since the skin crumb is a long-standing problem not fundamentally solved over the years in cashmere dyeing. Three biological enzymes-cutinase, pepsin and protease were selected and applied to the treatment of skin crumbs separately. The effect of skin crumbs removal was investigated and the individual process conditions were examined. The fiber damages of the cashmere before and after treatment were compared. The results showed that the skin crumbs removal rate reached 29% when T.fuscacutinase was used in the treatment of skin crumbs under the conditions: amount of T.fuscacutinase 8 mL/g, pH=8.0, temperature 60 ℃, time 5 h, and liquor ratio 1∶50, The removal rate was 17% in the case of pepsin under the conditions: pH=2.2, temperature 4 ℃, amount of pepsin 6%(o.w.f), time 6 h, and liquor ratio 1∶50. And the removal rate was up to 46% in the case of protease Savinase 16 L under the conditions: amount of Savinase 16 L, 1 mL/g, pH=8.5, temperature 45 ℃, time 4 h, and liquor ratio 1∶50. The experimental results revealed that cutinase and pepsin caused only slight damage to the treated fiber whereas protease led to serious fiber damage. Therefore, the former two kinds of enzymes may be used in the treatment of cashmere for removing skin crumbs. The enzymatic method can partially remove the cashmere skin crumbs, so it is necessary to make further study.

cashmere; skin crumbs; cutinase; pepsin; protease

0253- 9721(2013)09- 0021- 06

2012-09-13

2013-03-25

陈晓盟(1990—)，女，硕士生。主要研究方向为新型染整技术。王树根，通信作者，E-mail:wangshugen@163.com。

TS 192.5

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