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纤维素酶在纤维素纤维织物整理中的应用

2020-01-20江南大学纺织服装学院 余圆圆 王 强 范雪荣

   摘要综述了纤维素酶在纤维素纤维织物整理中的应用包括棉织物精练加工纤维素纤维织物柔软整理抛光整理、牛仔织物返旧整理、Lyocell纤维去原纤化处理,指出纤维素酶在纺织加工应用中存在的问题。

    关键词:纤维素酶  纤维素纤维织物  整理  应用

    1 前言

随着人类社会的发展,环境污染问题日益突出,污染大、能耗高的纺织染整行业面临严峻的挑战。生物酶制剂以其高效性、专一性、作用条件温和以及环保的加工过程等特点被广泛应用于纺织染整加工,其中纤维素酶是应用最广、最成功的一种酶制剂。

纤维素酶是一组催化水解纤维素,生成葡萄糖的酶系总称。目前,商品化纤维素酶主要由木霉(Trichodermaspp)和黑曲霉(Aspergillusniger2个属的菌株发酵生产制得。纤维素酶系各组分根据其性质和功能,主要可以分为3大类: 

(1) 内切葡聚糖酶(endo-l4-D-vlucanaseEC3.2.1.4来自真菌的简称EG,来自细菌的简称Cen)。该酶可以随机水解纤维素大分子链中的p-l4-糖苷键,形成新的还原末端;

 (2) 外切葡聚糖酶(exo-l4-p-D-jucanaseEC3.2.1.91,来自真菌的简称CBH,来自细菌的简Cex)。该酶沿纤维素链末端水解,依次释放纤维二糖;

(3) p-葡萄糖苷酶(3-D-lucosidaseEC3.2.1.2l,简称BG),又称纤维二糖酶。该酶主要将由内切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶水解产生的纤维二糖、寡糖以及低聚糖继续水解,生成葡萄糖。

20世纪80年代,美国科学家首先将纤维素酶应用于棉织物整理,随后各国的研究者对纤维素酶在纺织加工中的应用进行了许多研研。目前,纤维素酶已成功应用于纤维素纤维织物的精练前处理、柔软整理、抛光整理和牛仔织物返旧整理等。

2 纤维素酶在纤维素纤维织物整理中的应用

2.1 纤维素酶在棉织物精练加工中的应用

    棉织物退浆后仍有大部分的天然杂质(棉籽壳、果胶、蜡状物质、蛋白质等)、浆料和油剂残留,导致织物润湿性差、色泽发黄,影响了织物的外观、手感和后续加工。因此,棉织物退浆后需要进行精练加工,去除天然杂质。棉织物的传统碱精练工艺存在能耗高、废水排放量大、纤维损伤严重等缺点,已经不符合现代绿色纺织加工的要求

    利用纤维素酶进行精练加工是各国科学家研究的一个重要方向。纤维素酶可以水解纤维素,使附着有杂质的微小纤维水解弱化,在机械作用下从织物上脱落,达到去杂的目的,并且纤维素酶还可以降解棉纤维上的棉籽壳[12]

胡映清对纤维素酶降解棉籽壳进行研究发现,纤维素酶处理纯的棉籽壳屑时,降解率高达80%,为纤维素酶去除棉织物中残留棉籽壳提供了理论支持。Csiszfir等自1998年起开始研究纤维素酶在棉织物精练中的应用,发现对棉织物进行纤维素酶预处理可以提高碱精练的效果,联合处理后,棉籽壳的失重率达到80%左右。该团队还对商品化的纤维素酶降解棉籽壳进行了研究,发现商品化的纤维素酶可以直接降解棉织物表面的棉籽,还发现螯合剂EDTA可以增加纤维素酶降解棉籽壳的能力。    

虽然纤维素酶处理棉织物可以在一定程度上达到去杂的目的但效果并不十分理想为了进一步提高酶精练的效果越来越多的研究利用纤维素酶与其他酶制剂(果胶酶蛋白酶脂肪酶木聚糖酶角质酶等)复配,用于棉织物精练。在复合酶制剂中,各种酶组分之间协同作用,使杂质能够被更多、更快地水解。

    目前,棉织物的酶法精练尚未实现大规模推广应用,主要是因为酶精练在处理效果上,特别是在棉籽壳去除方面不能达到传统碱精练的效果,从而无法替代碱精练。造成酶法精练效果差的原因有很多,首先,棉织物上杂质成分很复杂,这导致单一的酶组分很难将其降解,需要多种酶的协同作用;其次,在多酶协同作用时,由于各种酶催化反应的最适条件不一致,很难保证各组分酶都能发挥较好的催化水解作用;最后,一些酶制剂尚未出现商品化产品,例如果胶酶、角质酶等,实验室工程酶的酶活还不高,限制了酶法精练的研究。总之,酶法精练还需要科学家进一步的研究探索。

2.2 纤维素酶在纤维素纤维织物柔软整理中的应用

    生物柔软整理是利用纤维素酶对纤维素纤维的水解作用,使纤维刚度下降,提高织物柔软性能。

    Yanv等研究表明,利用纤维素酶处理耐久压烫整理后的棉织物可以改善织物的手感,但是会造成织物强力和耐磨性下降。吴赞敏在其博士论文中研究采用生物-化学联合的方法,实现棉织物的超柔软整理。在该研究中,棉织物先经过纤维素酶的减量处理,再用化学柔软剂对其进行增量整理。经纤维素酶处理后的棉织物能吸附更多的化学柔软剂,并且更多的柔软剂可以从纤维素酶水解产生的孔隙中进入纤维内部,提高了柔软效果的耐久性。CSlszaF等采用纤维素酶结合物理机械作用和有机硅柔软剂对亚麻及含亚麻织物进行整理,发现酶整理能显著削弱亚麻纤维的刚性,有效改善麻织物的手感。王革辉等对纤维素酶T225处理高支纯苎麻织物的服用性能进行了研究,结果表明,经纤维素酶T225处理后,织物抗皱性略有提高,手感更柔软,刺痒感得到改善。

2.3 纤维素酶在纤维素纤维织物抛光整理中的应用

    纤维素纤维的表面有很多突出的微原纤,导致织物在受到外力和外界摩擦作用下很容易起毛起球,影响织物表面的光洁度和手感。生物抛光是一种利用纤维素酶改善纤维素纤维织物表面光洁度和柔软性的整理,利用纤维素酶水解织物表面的绒毛和微原纤,使其变得脆弱,从而可以在织物与织物或者织物与设备之间的摩擦作用下从织物表面脱落。该整理可以应用于机织和针织的纤维素纤维织物(棉、麻),并可以在纺织品湿加工的任何一个阶段进行,大多数情况下在漂白后进行。

    Pete等用Trichodermareesei纤维素酶处理棉纤维和纱线,发现处理后纤维变得光滑、纱线毛羽减少。Sreenath等采用纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶单独或协同作用处理黄麻/棉混纺织物,发现纤维素酶单独处理可以去除织物上突起的黄麻和棉纤维,而果胶酶和木聚糖酶单独作用时无法去除。纤维素酶、果胶酶和木聚糖酶联合作用时,纤维素酶在较低用量时就能达到很好的抛光效果,说明果胶酶和木聚糖酶的加入对纤维素酶的抛光整理具有一定的促进作用。Fu等的研究表明,乙二胺可以提高纤维素酶的活力、热稳定性,酶最适温度由50℃提高至65℃。将乙二胺加入到纤维素酶的抛光整理中,可以提高整理效果,并减少纤维素酶的用量。

2.4 纤维素酶在牛仔织物返旧整理中的应用

    牛仔织物一般是以靛蓝染色的纯棉纱线为经纱,不染色的纱线为纬纱织造而成的粗支斜纹布。由于靛蓝染料的耐湿摩擦色牢度差,牛仔织物可以通过特殊的水洗方法获得“穿旧”时尚效果,深受消费者喜爱,该整理又称为牛仔织物返旧整理。在早期,牛仔织物采用石磨水洗的方法获得“穿”效果。但是,石磨水洗整理中存在一些不可避免的缺点,如浮石在机械搅拌作用下会造成服装脱线、织物强力损失过大、设备损坏,小的浮石颗粒会造成设备排水系统的堵塞,另外水洗过程易产生石灰粉尘,污染织物,影响织物色泽。

纤维素酶已经成功应用于牛仔织物的返旧整理通过纤维素酶对牛仔织物表面棉纤维的水解作用机械外力的作用下使得织物表面的靛蓝染料随着纤维一起从织物上去除产生类似石磨水洗的效果维素酶水洗基本可以避免石磨水洗中存在的问题并且可以获得一些其他的优点例如经纤维素酶水洗后的牛仔织物可以获得更加均一、立体感强的花纹,色泽鲜艳还可以从本质上改善织物的手感但是由于纤维素酶易与脱落下的靛蓝染料结合重新吸附到织物表面,在纤维素酶的牛仔织物返旧整理中会发生返沾色现象使纤维素酶的水洗效果降低。

    酸性纤维素酶和中性纤维素酶都可以应用于牛仔织物返旧整理酸性纤维素酶对纤维素纤维有更强的水解作水洗效率更高但是织物强力损失大整理重现性差易返沾色中性纤维素酶的活力较低同酸性纤维素酶相比达到同样的整理效果需要更长的整理时间或使用更多的酶但是中性纤素酶处理对织物强力损失小整理效果重现性好很少发生返沾色现象酸性纤维素酶和中性纤维素酶各有优缺点由于酸性纤维素酶的价格较中性纤维素酶低很多在牛仔织物返旧整理实际生产中使用较多的是酸性纤维素酶,只有在一些高档牛仔织物的返旧整理时才采用中性纤维素酶。

    Mamma等研究发现,利用蛋白酶对纤维素酶进行改性,可以有效减少牛仔织物纤维素酶处理中返沾色现象陈新琪等在超声波条件下用中性纤维素酶对牛仔织物进行返旧整理发现超声波作用可以提高中性纤维素酶的活性,增强牛仔织物的褪色效果,褪色率提高。

2.5 纤维素酶在Lyocell纤维去原纤化处理中的应用

    Lyocell纤维,又称Tencel纤维,是以一种叔胺氧化物NMMO为溶剂溶解纤维素制得纺丝液,然后纺丝成形因溶剂可以回收对环境无污染被称为新世纪的绿色纤维另外Lyocell纤维还具有手感柔软、吸湿性好、强度好等优点。

    纤维的原纤化是指纤维与纤维或与其他物体发生湿摩擦后纤维表面的一些巨原纤从纤维主体上剥离,进而分裂成细小的微原纤的过程。纤维素纤维普遍存在原纤化的问题,其中Lyocell纤维在使用过程中产生原纤化的程度是最严重的织物中的纤维原纤化后织物易起毛起球染色光泽差严重影响织物的品质和服用性能。

    利用纤维素酶水解Lyocell纤维表面的微原纤,使其逐步弱化,在机械的协同作用下,可以将其断裂去除,达到纤维去原纤化的目的。Morgado等研究发现,纤维素酶短时间处理Lyocell物不能去除织物上纤维表面的微原纤和绒毛反而有加重原纤化的趋势但是延长纤维素酶的处理时间后纤维表面的微原纤和绒毛又都会被去掉。另外,研究证实机械作用在该整理过程中起到非常重要的作用。Kumar等口日利用纤维素酶处理Lyocell织物,发现处理后织物的手感悬垂性以及表面光泽等方面得到改善Younsook等的研究表明稀碱预处理可以进一步提高纤维素酶处理Lyocell纤维去原纤化的效果。

2.6 纤维素酶在纺织加工应用中存在的问题

虽然纤维素酶在纺织加工应用中具有很多优点但仍存在一些问题制约了其进一步大规模的应用

2.6.1 处理后织物强力损失大

纤维素酶中含有三种不同的酶组分,内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、纤维二糖酶。在三种酶组分的协同作用下,纤维素纤维的无定形区和结晶区可以被水解。当三种酶组分同时存在时,三者习惯聚集在一起作用于纤维上同一位置因此纤维经纤维素酶水解后纤维上局部区域会出“坑洞”、部分开裂。另外,纤维素酶分子可以扩散到纤维内部,对纤维内部造成损伤由于纤维素酶水解作用会不受限制的破坏组成织物的纤维素纤维导致酶处理后织物强力损失过大。

2.6.2 酶制剂成本高

    与传统化学处理的成本相比较酶制剂的价格相对过高纺织行业利润本就不高酶制剂的高价格影响了其广泛应用。

2.6.3 酶的稳定性差、工艺重现性差

    由于纤维素酶酶活很难保持稳定储存条件的变化储存时间的长短等都会对其造成影响另外纤维素酶酶活对处理温度和pH很敏感,稍微的波动都会对其产生影响。在纺织加工中,虽保持每批次酶处理加工的条件一样,但是加工后织物的品质却很难保持一致。

3 结束语

    尽管纤维素酶在纺织加工应用中仍存在一些问题但随着商品化纤维素酶的不断发展以及技术与工艺的不断进步其在纤维素纤维织物整理中的应用范围将扩大在纺织加工中具有较大的发展潜力和广泛的应用前景。

参考文献:

 

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