角质酶/角蛋白酶一浴法处理对羊毛性能的影响

黄庞慧， 王 强， 董爱学， 范雪荣， 王 平， 余圆圆， 章金芳

(1．江南大学 生态纺织教育部重点实验室， 江苏 无锡 214122； 2． 新天龙集团有限公司， 浙江 上虞 312369)

羊毛纤维主要由鳞片细胞、皮质细胞和细胞间复合物(CMC)3部分组成，其中，鳞片层对羊毛服用性能影响显著，所以其一直是羊毛研究的重点。鳞片层具有复杂的结构，包括鳞片表层、鳞片外层以及鳞片内层。鳞片表层由类脂物构成，具有较好的化学惰性，能耐碱、氧化还原剂和酶的作用；鳞片外层主要由角蛋白质构成，其中胱氨酸残基含量很高；鳞片内层位于鳞片层的最内侧，由非角质化的蛋白质构成，其化学性质活泼[1]。目前常见的蛋白酶防毡缩整理需要进行物理或化学预处理，导致蛋白酶极易作用于鳞片内层和CMC，使羊毛纤维内部受损，强力严重下降[2]。

角质酶可以破坏角质多聚体中的酯键，使其分解为小分子寡聚体和单体，因而可以使羊毛鳞片表层类脂结构中的酯键催化水解。王平等在运用角质酶对羊毛进行预处理的过程中发现其能对纤维表层类脂物产生水解作用，提高表面亲水性[3]。角蛋白酶对角蛋白具有专一降解性，对于其催化降解角蛋白的机理，研究者普遍认为是角蛋白酶能还原角蛋白二硫键，进而使其水解[4-5]。Ignatova等运用分离得到的一株嗜热放线菌对羊毛进行处理，发现羊毛经其产角蛋白酶作用一定的时间能被完全水解[6]。周雯等应用Bacillussubtilis产角蛋白酶配合蛋白酶处理羊毛，对羊毛鳞片有较好的去除作用，但织物强力损失严重[7]。

本文运用T.fusca产角质酶和Bacillussubtilis产角蛋白酶对羊毛进行一浴法处理。探讨了经处理后羊毛的毡缩率、断裂强力、染色性能及润湿性能，并运用氨基酸分析、XPS和SEM等考察了羊毛结构与性质的变化。

1 材料与方法

1.1 试验材料

纯毛华达呢(330 g/m2，无锡协新毛纺织有限公司提供)，采用甲醇/氯仿/ (13/87)于65℃对其回流萃取4 h，充分洗净、晾干;T.fusca产角质酶(酶活100 U/mL，江南大学食品科学国家重点实验室提供);Bacillussubtilis产角蛋白酶(酶活200 U/mL，江南大学生物工程学院提供); 弱酸性蓝3GN(上海德司达染料有限公司提供); 其他试剂均为分析纯。

1.2 试验仪器

全自动缩水率试验仪Y(B)089A (温州大荣纺织标准仪器厂)，电脑测配色系统Color-Eye 7000A (美国GretagMacbeth公司)，电子织物强力机YG(B)026D-250(温州大荣纺织标准仪器厂)，扫描型紫外/可见分光光度计UV-2802S (美国Unico公司)，恒温振荡水浴锅WHYF-2F (台湾瑞比公司)，接触角测试仪JC2000D4(上海中晨数字技术设备有限公司)，X射线光电子能谱仪PHI 5000C ESCA System(美国PHI公司)，氨基酸自动分析仪Agillent1100(美国Agillentt公司)，扫描电子显微镜U1510(日本日立株式会所)。

1.3 试验方法

1.3.1 处理工艺

角质酶处理：酶用量 6 U/(g织物)，pH值8.0，JFC 1 g/L，浴比 1∶50，50℃处理 18 h。处理后试样充分洗净，60℃烘干。

角蛋白酶处理：酶用量 400 U/(g织物)，pH值8.0，JFC 1 g/L，浴比 1∶50，50℃处理 18 h。处理后试样充分洗净，60℃烘干。

角质酶、角蛋白酶一浴法处理：采用角质酶6 U/(g织物)和角蛋白酶400 U/(g织物)对羊毛进行处理。处理条件为：pH值8.0，JFC 1 g/L，浴比 1∶50，温度50℃，处理时间18 h。处理后将试样用自来水充分洗净，60℃烘干。

氯化处理：羊毛织物先经温水润湿，在25 ℃，pH值4.0的条件下用3% (o.w.f )的DCCA处理30 min，浴比1∶50，处理后试样用清水洗净，用3% (o.w.f.)的亚硫酸钠进行脱氯处理，后在pH值8.0的条件下用碳酸氢钠进行中和，最后充分水洗、晾干。

1.3.2 染色工艺

工艺流程：织物润湿→浸入染液→染色→水洗→室温晾干。

工艺处方及条件: 弱酸性蓝3GN 1.0% ( o.w.f)，pH值4.5，浴比1∶100，温度90℃，处理时间为1 h。

1.3.3 测试方法

毡缩率：参照标准 GB/T 8628—2001、GB /T 8629—2001及IWS TM No.31进行，结果取3次平行实验的平均值。面积收缩率按下列公式计算:

断裂强力：参照标准 GB/T 3923-1997进行，每个试样共测定 5 组数据，取其平均值。

碱溶解度：参照 IWTO 4-60进行。

上染率：用紫外-可见分光光度计扫描标准染液，得最大吸收波长。并于该波长下测定染液染色前后的吸光度A0和Ai，按下列公式计算上染百分率:

K/S值：采用Color-Eye 7000A测配色仪及Lab-eye软件，记录最大吸收波长下的K/S值。

接触角：采用JC2000D4 接触角测试仪，将2020 μL去离子水滴于测试织物上，测试10 s 时接触角的值。

XPS：在铝/镁靶，于14.0 kV、250 W的条件下分析样品表面各元素的相对含量。以RBD147数据采集卡和AugerScan 3.21软件采集样品0～1000 eV的全扫描谱(通能为 93.9 eV)。

氨基酸分析：在110℃、采用 6 mol/L HCl对100 mg羊毛于进行水解，水解24 h后于旋转蒸发仪内将其蒸干。再用0.1 mol/L HCl 将其溶解并将氨基酸浓度控制在0.4～10 mmol/L ，测定氨基酸质量分数。

SEM：羊毛纤维镀金后，采用SU1510扫描电子显微镜观察其表面形态。

2 结果与讨论

2.1 不同处理工艺对羊毛防毡缩效果的影响

毡缩率测试能直接反映羊毛织物生物酶防毡缩的作用效果，毡缩率越低说明处理的效果越好。本文考察了不同工艺处理后羊毛织物经3×5A洗涤程序的毡缩率，结果如图 1 所示。

图 1 不同工艺处理后羊毛织物的毡缩率

从图1看出，未处理样防毡缩性较差，毡缩率在15%以上。分别用角质酶和角蛋白酶处理18 h后，毡缩率分别降至12.29%和7.24%，但都未达到机可洗的要求。这是因为角质酶只能作用于羊毛鳞片表层类脂部分，对鳞片层本身的作用不明显；角蛋白酶能还原鳞片角蛋白中的二硫键并使其水解，导致部分鳞片的剥落，但其作用过程较缓慢，且鳞片表层的类脂物会对角蛋白酶起到阻碍作用。与单一酶处理相比，角质酶/角蛋白酶一浴法处理后羊毛毡缩率进一步下降至5.26%，达到机可洗要求。其原因是角质酶对类脂层的水解作用增加了角蛋白酶的作用可及度，增强了角蛋白酶对角质化蛋白质的还原水解作用，使羊毛鳞片降解更充分，进而可达到较低的毡缩率。经氯化处理后的羊毛织物，毡缩率最低，仅有4.21%。这是因为，作为目前毛纺工业最常用的防毡缩处理方法，氯化处理对羊毛的作用强烈，能迅速氧化二硫键及肽键，并使其断裂，羊毛表面鳞片能被迅速有效的剥离，最终获得良好的防毡缩效果。

2.2 不同处理工艺对羊毛断裂强力和碱溶解度的影响

织物的断裂强力和碱溶解度能直观反映出织物在酶处理过程中的受损伤程度。实验测试了不同工艺处理后羊毛织物的断裂强力和碱溶解度，结果如表1所示。

从表1可看出，同未处理样相比，经单一角质酶处理后，羊毛织物的断裂强力几乎没有变化，碱溶解度的变化也不明显。角质酶仅作用于羊毛纤维鳞片表层，而鳞片表层含量很少，厚度也仅约为3 nm[1]，所以经角质酶处理后羊毛织物的损伤不大。经角蛋白酶单独处理后，织物的断裂强力明显降低，强力下降百分率达到6.26%，碱溶解度也增加到7.83%。说明经18 h的角蛋白酶处理后，角蛋白被水解，鳞片层已遭到破坏。两种酶一浴法处理后羊毛较角蛋白单独处理后羊毛损伤严重，其强力下降率达到7.54%，碱溶解度达到8.46%。这表明，随着鳞片表层类脂层被水解，角蛋白酶对鳞片外层的可及度大大提高，其催化分解效率也得到提高，所以，在相同处理时间下，一浴法处理羊毛损伤更大。但此损伤程度在可接受范围之内，且远低于氯化处理对羊毛织物的损伤。传统的氯化处理后，羊毛织物的断裂强力急剧下降，强力下降百分率高达15.89%，碱溶解度也增大至9.86%。这是由于氯化处理不仅能够破坏纤维的鳞片层，而且还可能会使鳞片层下面的皮质层产生水解，所以羊毛损伤要大大高于酶法处理。因此，角质酶/角蛋白酶一浴法处理羊毛，不但可以使织物获得较好的防毡缩效果，且对羊毛损伤也较小。

表1不同工艺处理后羊毛织物的断裂强力和碱溶解度

2.3 不同处理工艺对羊毛染色性能的影响

羊毛染色时，鳞片层对染料上染有一定的阻碍作用，因而羊毛的染色性能可以说明鳞片结构的紧密程度，也能反映出鳞片层的破坏程度。本文采用弱酸性蓝3GE对羊毛进行染色，考察经不同工艺处理后羊毛试样的染色性能，结果见表2。

表 2 不同工艺处理后羊毛织物的染色性能

羊毛纤维表面紧紧包裹着一层疏水性鳞片，所以染料对纤维的上染并不是由表及里的，而是先通过鳞片细胞间隙渗入到 CMC 中，再沿 CMC 向纤维内部其他方向扩散，最终完成上染[8]。由表2可看出，由于未经处理的羊毛纤维鳞片完整，上染率较低，K/S值仅3.284。分别经角质酶和角蛋白酶单独处理后，上染率和K/S值均有不同程度的提高。其原因是角质酶破坏了具有良好化学惰性的鳞片表面类脂层，使得染料能相对较容易的进入；角蛋白酶能催化羊毛鳞片外层中的角蛋白水解，剥离部分鳞片，增加染料的上染途径(从 CMC 和纤维表面同时进入纤维内部)，提高上染百分率和K/S值。一浴法处理则结合了两种酶的作用优势，羊毛鳞片被剥离得更充分，其上染率和K/S值分别达到了36.67%和6.007。氯化处理试样的染色性能相对最好，表明其对羊毛鳞片产生的作用与两种酶一浴法处理相比更明显，羊毛鳞片层剥落的程度更高，使染料更容易扩散进入纤维内部。

2.4 不同处理工艺对羊毛润湿性能的影响

羊毛是唯一一种既具有极强疏水性又具有良好吸湿性的天然纤维，其疏水性是由表面性质决定的，而吸湿性则主要是与内部分子结构有关。测定羊毛织物表面润湿性的变化可了解羊毛纤维类脂层及鳞片结构破坏的程度，结果见图2。

图 2 不同工艺处理后水在羊毛织物表面的接触角变化

a—未处理样 ; b—角质酶处理样; c—角蛋白酶处理样; d— 两种酶一浴法处理样 ; e—氯化处理样 (下同)。

2.5 羊毛纤维表面元素分析

由于羊毛润湿性能的改善主要是由亲水性基团的变化所引起，对纤维进行表面元素分析可以对润湿性能的改善的原因做进一步的探讨。不同条件处理后羊毛纤维XPS全谱及各元素含量的变化见图3和表3。

图 3 不同工艺处理后羊毛纤维的XPS全谱

表3 不同工艺处理后羊毛纤维表面各元素含量的变化(%)

从表3可看出，由于类脂层的存在，未处理样羊毛纤维表面的C含量为85.05%，远高于羊毛主体的C含量(约为50%)[10]。经角质酶/角蛋白酶一浴法处理后，C含量减少了2.20%，S含量降低了50.41%，而O含量增加了3.66%，N含量则增加了6.97%，O/C百分比从原先的11.5%上升到了12.3%。其主要原因是角质酶能去除鳞片表层部分类脂物，所以C含量有所降低；角蛋白酶使角质化蛋白中的二硫键发生断裂，鳞片被进一步水解去除，S含量明显降低。而鳞片表层的破坏致使羟基、氨基、羧基等亲水性基团大量暴露在表面，增加了O和N的含量，也就进一步提高了纤维的润湿性能。

2.6 羊毛纤维氨基酸分析

羊毛鳞片层的含量很少，只占总量的10%，但其胱氨酸含量很高，尤其是鳞片外层中的胱氨酸，含量高达35% (摩尔分数 )[11]。本文考察了不同条件处理后羊毛纤维中各种氨基酸含量的变化，间接的评价酶对羊毛纤维作用的效果。表4列出了不同条件处理后羊毛纤维酸水解产物中氨基酸的质量分数。

表4 不同工艺处理后羊毛纤维的氨基酸质量分数

由表4可知，经角质酶处理后，胱氨酸含量有所下降，但变化不明显，可能是由于角质酶在水解鳞片表层类脂的过程中对其他交联键产生了一些影响，从而使胱氨酸的含量发生了变化。经角蛋白酶处理后胱氨酸含量下降了6.70%，表明角蛋白酶能够还原二硫键，对羊毛鳞片外层的胱氨酸产生了水解作用。角质酶和角蛋白酶一浴法处理羊毛后，胱氨酸的含量明显降低，降了11.06%，说明这两种酶复合使用能使角蛋白酶对胱氨酸的水解效率提高。而存在于羊毛微原纤中的蛋氨酸(含硫氨基酸)质量分数基本没有变化，则说明角蛋白酶并不能作用到纤维内部，仅对羊毛鳞片层中的含硫氨基酸进行降解。相比较而言，氯化处理对羊毛鳞片中二硫键的作用就强烈的多，胱氨酸的含量下降了24.89%，且酪氨酸的含量也有所降低，这说明氯化处理不仅能对角蛋白产生作用，还能作用于非角蛋白。因此，其对羊毛纤维的损伤较为严重。

2.7 羊毛纤维表面形态分析

将未处理样、角质酶处理样、角蛋白酶处理样、两种酶一浴法处理样和氯化处理样进行电镜扫描，观察羊毛的表面形态，结果如图 4所示。

图4 羊毛纤维电镜照片

从图4可看出，羊毛原样表面的鳞片轮廓完整清晰，且排列整齐紧密。使用角质酶处理后，羊毛鳞片能看出一些损伤，但依然能较清晰的看出鳞片外形，只是边缘变得凹凸不平。其原因在于角质酶对鳞片外层交联程度较高的角蛋白层影响较小，只作用于鳞片表层。当使用角蛋白酶处理后，羊毛纤维表面的侵蚀破坏较明显，鳞片外形模糊，且有部分鳞片被剥落，这表明角蛋白酶从鳞片外层的角蛋白开始逐渐向里水解，使鳞片遭到破坏。而经过两种酶一浴法处理后，鳞片结构变得疏松，鳞片层大部分被剥落，部分纤维表面变得光滑，但效果还不是很均匀。而氯化处理后的鳞片层全部被剥落，羊毛纤维变得十分光滑，可见其对羊毛纤维的损伤相当严重。

3 结论

1)T.fusca产角质酶以及Bacillussubtilis产角蛋白酶一浴法处理能明显的改善羊毛织物的表面性能。经处理，羊毛织物的防毡缩性有较大提高，毡缩率达到“机可洗”的要求，断裂强力损伤不大，碱溶解度较传统氯化处理要低，且染色性能和润湿性能都有所提高。

2)XPS和氨基酸分析证实两种酶一浴法处理对羊毛鳞片有明显的降解效果，SEM结果可以直观地看出一浴法处理后羊毛表面的鳞片大部分已降解去除。

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