生物酶在羊毛纤维染整加工中的应用

2021-01-19李雪梅屠慕欣

辽宁丝绸 2020年4期

李雪梅马越屠慕欣孙悦

（辽东学院，辽宁丹东 118001）

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，比如众人皆知的上海垃圾分类，在这种保护环境的要求下，使需要耗费大量化学品和水资源，还会产生大量污染的印染行业面临巨大挑战。所以低能耗、低污染就是人们关注的焦点和我们奋斗的目标。羊毛纤维是天然的蛋白质纤维，常用于高档服装的面料，但是仍有许多不足，我们可以利用生物酶技术来改造和提升羊毛纤维的性能，以实现产品的高档化和生产的环保化，既可以提高生活质量又可以实现可持续发展。

一、生物酶的特点及催化机制

物酶是具有催化功能的蛋白质，具有特定的三角结构，在催化反应过程中酶的催化作用是通过降低体系中的活化能(即活波态与常态之间的能量差)来实现的。目前，对于酶如何使反应的活化能降低作出较为完美解释的是中间产物学说[1]，即设有一种反应：

酶在催化此反应时，酶首先要与底物结合，生成一个不稳定的中间产物ES，中间络合物再分解成产物和原来的酶，反应式如下：

由于酶催化反应（2）比（1）要低，所以反应速度加快

S——底物

P——产物

E——酶

二、蛋白酶与羊毛的作用原理

生物蛋白酶低温促染机理[2]：蛋白酶是生物催化剂，用蛋白酶处理羊毛时，酶首先作用于鳞片层和皮质层间，使鳞片层中角质化的蛋白质氨基酸中的肽键水解，使鳞片层局部龟裂呈现剥离之势，随着酶处理的进行鳞片逐步脱落，从而破坏疏水层，提高纤维的渗透性，使羊毛纤维上染料扩散的孔道扩大，染料能大量迅速地上染，在较低的温度80℃以下就能获得较高的上染率。

酶处理通常是在40-50℃时进行，经过酶处理一段时间，酶对羊毛的鳞片层进行水解。研究发现，同浴染色时，60-65℃之间的上染百分率比不经过酶处理的高出30%左右，温度升至80℃能获得较高的上染百分率，80℃保温一段时间后，上染百分率即可达到95%左右。这说明随着酶对羊毛鳞片水解的不断进行，染料逐渐上染，促染作用十分明显。

三、羊毛除杂

羊毛纤维的主要成分是蛋白质，而草的主要成分是纤维素，由于二者的化学成分完全不相同，在含有草杂的羊毛中加入纤维素酶，利用酶催化反应高度专一的特点，加入的酶只与草杂中的纤维素发生反应，对植物性杂质起作用，使植物性草杂理化性质发生变化从而除去草杂。纤维素酶对蛋白质羊毛不起作用，加之处理时温度较低，对羊毛不会造成损伤。再者，酶本身就是蛋白质，容易生物降解，可以减轻环境污染。用纤维素酶、果胶酶和木质素酶的混合物处理羊毛，不损伤羊毛纤维[3]。

四、羊毛漂白

羊毛纤维中的黑色素是一些氨基酸在一定条件下经过复杂的反应形成的，并组成羊毛蛋白质的一部分。羊毛纤维的漂白可利用丝氨酸蛋白酶对过氧化氢稳定的特点，在碱性条件下处理羊毛，达到改善羊毛织物白度的目的。白度的提高不仅可通过酶活化过氧化氢来漂白，还可以将这些色素从羊毛纤维中分离出来，也可能直接发生反应，将有色结构破坏，达到消色或漂白的作用[4]。

阎克路、王华林[5]以等人对过氧化氢漂白黑花羊毛的工艺进行了试验，通过用金属盐对黑花羊毛纤维进行漂白的3个变量，包括漂白温度、漂白时间、过氧化氢浓度的单独及协同作用进行了试验，采用中心旋转的组合设计试验，建立了和实际情况拟合度很高的两次回归模型，最终得到了在纤维损伤程度允许范围内所产生的最佳的羊毛纤维的漂白条件。

五、羊毛柔软改性

1.羊毛结构

羊毛的鳞片层由片状鳞片细胞组成，鳞片细胞又分为性质不同的外表皮层、次表皮层和内表皮层。

2.改性方法

（1）剥鳞片减量法

羊毛剥鳞片减量法的基本原理是将羊毛表面鳞片层全部或部分腐蚀去除，露出内部的皮质层，使纤维由原来鳞片包覆结构变为杆状结构。这对羊毛的力学性能有一定的损害，但手感、吸湿性、抗毡缩性等服用性能会得到改善。采用不同的化学改性方法对羊毛纤维的损伤程度以及对环境的污染程度也有所不同。

（2）高锰酸钾法

高锰酸钾与羊毛的鳞片部位进行氧化反应，使鳞片得到适度降解。羊毛经高锰酸钾处理后，白度、吸湿性、柔软度增加，抗毡缩性好，但由于高锰酸钾的氧化能力强，如加工工艺不当，极易造成纤维的损伤，目前高锰酸钾剥鳞片加工方法应用较少。

（3）生物酶处理法

酶作为一种具有高催化效率和专一性的生物催化剂，具有对纺织基质损伤最小、不污染环境的特点。早在1941年Middebrook和Philips就首先报道了采用蛋白酶进行羊毛防毡缩处理的研究结果。由于当时生物技术的局限，酶处理技术未能获得进一步的研究和推广。随着生态环境问题日益受到关注，生物酶在羊毛改性中得到了日益广泛的应用。近年来国内外对羊毛酶处理的工艺条件、影响因素以及处理后羊毛各项性能的改变报道较多。

以上的几种处理方法，每一种都有自己的优点和不足，其中生物酶处理法具有对纺织基质损伤最小、不污染环境的特点。被人们广泛关注，具有不错的发展前景和空间。

六、羊毛起球处理

羊毛织物在使用的过程中，一定会遭受到不同程度的摩擦和揉搓，就会产生羊毛织物起毛起球的现象，从而影响使用并降低消费者购物的欲望。为此，必须对羊毛织物进行抗起球的处理。

1.氯化法

氯化法又称氯氧化法，利用氯气和次氯酸钠和二氯异氰尿酸盐等的氯化和氧化反应的共同作用来改变纤维之间的摩擦系数和抱合力，从而改变羊毛织物的抗静电抗起球性能。

氧化法处理羊毛后，产生大量的有机卤化物，严重污染环境，并且在织物纤维中残留污染物会影响人体健康。近年来，国内外纷纷以立法的形式限制有机卤化物的排放，因此氯化法逐渐被其他方法取代。

2.蛋白酶处理法

由于羊毛的毡缩性，在生物抛光过程中，不能使用机械搅拌蛋白酶处理法，而是主要通过蛋白酶的分解作用，对羊毛织物进行生物抛光，改善织物的抗起毛起球性能。

近年来蛋白酶被不断应用在羊毛的抗起毛起球研究中，其作用机理是利用蛋白酶的催化作用，对羊毛纤维的肽键进行水解，达到破坏羊毛纤维表面鳞片层的目的，进而降低纤维的定向摩擦效应，起到改善织物抗起毛起球性能的目的。蛋白酶处理羊毛织物要想获得良好的效果，仍然需要化学试剂的预处理。李发洲等就研究发现，还原酶处理可以有效地提高羊毛织物的抗起毛起球性能，而且基本不会对织物的耐洗色牢度以及耐摩擦色牢度造成影响，虽然整理后织物的手感会变得僵硬、粗糙，但可以通过柔软剂的整理来改善织物手感。

常用的蛋白酶多为碱性蛋白酶，用其处理毛织物存在缺点。蛋白酶是大分子物质，理论上是无法进入纤维内部的，只能对纤维表面的鳞片层进行降解，不会对其力学性能造成很大影响。然而事实上碱性蛋白酶可以通过结构疏松的细胞间质进入皮质层，使得羊毛纤维的断裂强力等性能受到影响，对羊毛主体造成较严重的损伤。

但是由于蛋白酶所具有的生物降解性以及重复利用性的特点，使其更符合当下纺织品绿色、生态、环保的发展要求，应是今后研究的方向。