蛋白酶/活化剂一浴法用于羊毛防缩整理的可行性

2021-11-26余雪满钟少锋楼永平

毛纺科技 2021年11期

余雪满，钟少锋，楼永平

(浙江工业职业技术学院鉴湖学院，浙江绍兴 312000)

羊毛面料越来越受消费者喜爱，但其毡缩性使羊毛制品洗涤条件受限，使得消费者使用成本增加。目前，较成熟的羊毛防缩处理是氯化法[1-3]，这种方法可以大幅改善羊毛的毡缩性，但其生产过程中会排放含有大量的可吸附有机卤化物 (AOX)的废水，对环境污染严重，近年来很多国家开始通过立法限制AOX的排放[4]。因此，生物酶整理越来越被关注，但由于羊毛鳞片中二硫键的存在，使其具有稳定的网状结构，大大减少了蛋白酶的可及性，单独使用蛋白酶防缩整理效果不佳[5],生物酶处理法仍需要一定的预处理工艺。周雯等[6]利用 Bacillus Subtitles制作角蛋白酶，与蛋白酶同浴处理羊毛,浸泡1 h羊毛鳞片出现剥离现象，但纤维损失较大，整理时间较长。唐军等[7]对一种含有大量二硫键的植物环蛋白用生物酶活化剂预处理的方法对其进行研究，研究结果表明，生物酶活化剂对提取高硫蛋白有很好的效果。因此，可以用活化剂还原蛋白中的二硫键，为蛋白酶向鳞片内部渗透创造条件。本文通过酶活、氨基酸、减量率、羊毛毡缩性等测试，研究蛋白酶和生物酶活化剂共浴的可行性，为缩短整理时间提供实验依据。

1 实验

1.1 实验材料和仪器

材料：澳毛(14 tex，70支，江苏常新光毛条处理有限公司)；35%生物酶活化剂(天津联宽精细化工有限公司)；诺维信丝毛蛋白酶4.0 T(诺维信生物技术有限公司)；渗透剂JFC(工业级)、冰乙酸(分析纯)、碳酸钠(分析纯)(南通科辉化工科技有限公司)等。

仪器：HWS-24数显恒温水浴锅(上海一恒科学仪器有限公司)；DHG-9145A烘箱(上海一恒科学仪器有限公司)；UV-1800分光光度计(上海美谱达仪器有限公司)；ME104型电子分析天平(梅特勒托利多)；HITACHIL-880型氨基酸分析仪(日立高薪技术有限公司)；Y151型纤维摩擦系数仪(上海楚工实业有限公司)、JSM-6700型扫描电镜(日本电子株式会社)。

1.2 实验方法

1.2.1 空白样处理

羊毛纤维在质量浓度为1 g/L的JFC溶液中，浴比1∶100，温度45～50 ℃处理30 s。

1.2.2 生物酶活化剂/蛋白酶一浴法整理

实验方案：反复浸轧3次(轧余率95%以上)→水洗1 min→酶失活→烘干。

浸轧条件：活化剂质量浓度2.5 g/L，蛋白酶用量3%(owf), pH值8.0，温度50 ℃，浴比1∶100，时间30 s。

1.2.3 实验条件

蛋白酶处理：蛋白酶用量3%(owf)，pH值8.0，温度50 ℃，浴比1∶100。

生物酶活化剂处理：生物酶活化剂质量浓度2.5 g/L，温度50 ℃，浴比1∶100。

蛋白酶/活化剂一浴法处理：活化剂质量浓度2.5 g/L，蛋白酶用量3%(owf)，pH值8.0，温度50 ℃，浴比1∶100。

酶失活条件：冰醋酸调节pH值至3.5～4.0，浴比1∶40,温度80～85 ℃，时间5 min。

1.3 测试方法

1.3.1 酶活测试(福林法)

参照SB/T 10317—1999《蛋白酶活力测试法》制备试样，测定不同条件下的吸光度，按式(1)计算蛋白酶活力[8]。

(1)

式中:y为蛋白酶活力,U/mg;A为吸光度;N为稀释倍数。

1.3.2 氨基酸测试

采用氨基酸分析仪分别对未处理样、单纯活化剂处理及一浴法处理的羊毛试样的氨基酸种类与含量进行检测，观察氨基酸的变化。

1.3.3 减量率测试

处理前后的羊毛分别于105 ℃烘至恒质量，称量结果保留2位小数，由式(2)计算减量率。

(2)

1.3.4 定向摩擦效应测试

采用Y151型纤维摩擦系数仪测定羊毛的顺逆摩擦力，从每个羊毛试样中随机抽取50根进行测试，由式(3)计算顺逆摩擦因数μ。

μ=0.733×[lgT1-lg(T1-M)]

(3)

式中:T1为初始张力，0.2 cN;M为扭力天平读数，mg，定向摩擦效应[9]根据式(4)计算。

(4)

式中:δμ为定向摩擦效应；μa为逆鳞片摩擦因数；μs为顺鳞片摩擦因数。

1.3.5 扫描电镜测试

对处理前后的羊毛试样进行真空喷金，再用扫描电镜拍摄羊毛的表面形态[10]。

2 结果与讨论

2.1 蛋白酶在共同浴中的活性分析

生物酶活化剂作为一种有机试剂，可能会对蛋白酶活性造成影响，为证实蛋白酶在共同浴中的有效性，需对一浴法中酶的活性与单独蛋白酶活性进行测试对比，将单独蛋白酶和一浴法处理液分别在室温和 50 ℃放置一段时间，分别测试放置不同时间下蛋白酶的活力，测试结果如表1所示。

表1 不同条件下蛋白酶活力

实验条件：单独蛋白酶浴蛋白酶用量为3%(owf)；蛋白酶/活化剂共同浴：活化剂质量浓度2.5 g/L，蛋白酶用量3%(owf)。

由表1示出，在蛋白酶/活化剂一浴法溶液中，蛋白酶活性无论是室温还是50 ℃温度下，放置相同时间，都与单独蛋白酶时的活力差异不大，说明生物酶活化剂对蛋白酶的活性没有抑制作用，证实了蛋白酶/活化剂一浴法是可行的；室温下的酶活仅为50 ℃时酶活的75%左右，说明蛋白酶活力受温度的影响，故在防缩整理过程中要考虑温度的影响；还可以看出，随着放置时间的延长，蛋白酶活力变化不大，说明了蛋白酶在同浴中的稳定性，同时也证实了一浴法连续化生产的可能性。

2.2 氨基酸含量分析

将原毛、单独活化剂处理和蛋白酶/活化剂一浴法整理的羊毛进行氨基酸测试分析，羊毛纤维化学含量的变化，推断活化剂对二硫键攻击的专一性，测试结果如表2所示。其中脯氨酸、苯丙氨酸等其他氨基酸含量基本不变，故没有列出。

表2 不同工艺氨基酸含量测试结果 %

由表2示出，经单独活化剂处理和共同浴处理后的羊毛氨基酸结果与原毛相比，胱氨酸含量由原来的9.43%分别下降到3.32%和3.28%，超出了常规含量范围，其他氨基酸含量变化不大，都在常规含量波动范围之内，说明2种处理工艺只对胱氨酸有明显效果；还可以看出，单独活化剂处理和共同浴处理后胱氨酸含量基本不变，说明活化剂在整理过程中对二硫键的攻击是专一的，可以有效打开胱氨酸中的二硫键，为蛋白酶的进入创造条件。

2.3 蛋白酶/活化剂整理对羊毛减量率的影响

对比经单独蛋白酶整理、单独活化剂整理和蛋白酶/活化剂同浴整理的羊毛的减量率，分析不同工艺对羊毛防缩整理的影响。在不同处理时间下羊毛减量率如表3所示。

表3 不同处理条件下羊毛纤维减量率 %

由表3示出，随着时间的延长，羊毛纤维的减量率不断增加。单独蛋白酶和单独活化剂处理2种工艺的减量率差异不大，都只有共同浴整理时减量率的30%～40%。原因在于，羊毛纤维表面的鳞片层含有大量的二硫键，导致表面结构紧密，蛋白酶很难进入鳞片内部，所以质量损失率不大；而活化剂虽然可以打开二硫键使鳞片结构变得疏松，但不能将鳞片剥除，所以质量损失率也不大；当活化剂和蛋白酶共同作用时，活化剂可以通过拆开二硫键使鳞片变得疏松，从而为蛋白酶进入鳞片内部创造了条件，因此，蛋白酶可以快速水解蛋白质，使得减量率明显下降。

2.4 摩擦缩绒性

对单独蛋白酶处理、单独活化剂整理和蛋白酶/活化剂一浴法整理的羊毛进行摩擦性能测试，分析蛋白酶/活化剂同浴整理对羊毛防缩性有效性的影响，测试结果见表4。

表4 不同处理条件下羊毛摩擦性能

由表4可知，原毛摩擦效应为9.70%，经3种工艺处理后摩擦效应都有所下降，其中蛋白酶/活化剂一浴法整理摩擦效应最小，防毡缩效果最好，单独蛋白酶处理，摩擦效应只下降了2.5%左右，说明蛋白酶单独处理，对羊毛鳞片层的攻击有限，蛋白酶/活化剂一浴法整理时，活化剂打开了鳞片层中的二硫键，增加了蛋白酶向鳞片渗透的可能性，所以摩擦效应显著下降，可以有效提高羊毛的防毡缩性能。

2.5 纤维表面形貌分析

对不同工艺处理的羊毛纤维进行电镜扫描，观察处理前后羊毛表面鳞片层的形态变化，分析蛋白酶/活化剂一浴法整理对羊毛处理效果的影响。扫描电镜照片如图1所示。

由图1(a)可以明显看出原毛纤维表面鱗片完整，尖角突出，边缘清晰。图1(b)为单独蛋白酶处理后的羊毛表面形态，可以看出，鳞片形态较原毛变化不大，鳞片尖角有稍微翘起的现象，但整体鳞片依然保存完整。说明单独使用蛋白酶不能有效剥离鳞片，所以防缩效果有限；而图1(c)经过蛋白酶/活化剂一浴法整理后，羊毛表面鳞片尖角消失，边缘被磨平，纤维表面变得平滑，这样就大大缩小了顺逆摩擦因数的差异，有效降低了羊毛的表面摩擦效应，因此，可以大大提高羊毛的防毡缩性能。