纖維素酶在纖維織物整理中的應(yīng)用

　　纖維素酶在纖維素纖維織物整理中的應(yīng)用，包括棉織物精練加工、纖維素纖維織物柔軟整理、拋光整理、牛仔織物返舊整理、Lyocell纖維去原纖化處理，指出纖維素酶在紡織加工應(yīng)用中存在的問(wèn)題。

　　作者：江南大學(xué)紡織服裝學(xué)院余圓圓王強(qiáng)范雪榮

　　纖維素酶介紹

　　生物酶制劑以其高效性、專一性、作用條件溫和以及環(huán)保的加工過(guò)程等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于紡織染整加工，其中纖維素酶是應(yīng)用最廣、最成功的一種酶制劑。

　　纖維素酶是一組催化水解纖維素，生成葡萄糖的酶系總稱。目前，商品化纖維素酶主要由木霉(Trichodermaspp)和黑曲霉(Aspergillusniger)2個(gè)屬的菌株發(fā)酵生產(chǎn)制得。

　　纖維素酶系各組分根據(jù)其性質(zhì)和功能，主要可以分為3大類：

　　(1)內(nèi)切葡聚糖酶(endo-l，4-D-vlucanase，EC3.2.1.4，來(lái)自真菌的簡(jiǎn)稱EG，來(lái)自細(xì)菌的簡(jiǎn)稱Cen)。該酶可以隨機(jī)水解纖維素大分子鏈中的p-l，4-糖苷鍵，形成新的還原末端；

　　(2)外切葡聚糖酶(exo-l，4-p-D-jucanase，EC3.2.1.91，來(lái)自真菌的簡(jiǎn)稱CBH，來(lái)自細(xì)菌的簡(jiǎn)稱Cex)。該酶沿纖維素鏈末端水解，依次釋放纖維二糖；

　　(3) p-葡萄糖苷酶(3-D-～lucosidase，EC3.2.1.2l，簡(jiǎn)稱BG)，又稱纖維二糖酶。該酶主要將由內(nèi)切葡聚糖酶和外切葡聚糖酶水解產(chǎn)生的纖維二糖、寡糖以及低聚糖繼續(xù)水解，生成葡萄糖。

　　20世紀(jì)80年代，美國(guó)科學(xué)家首先將纖維素酶應(yīng)用于棉織物整理，隨后各國(guó)的研究者對(duì)纖維素酶在紡織加工中的應(yīng)用進(jìn)行了許多研研。目前，纖維素酶已成功應(yīng)用于纖維素纖維織物的精練前處理、柔軟整理、拋光整理和牛仔織物返舊整理等。

　　纖維素酶在纖維素纖維織物整理中的應(yīng)用

　　1.纖維素酶在棉織物精練加工中的應(yīng)用

　　棉織物退漿后仍有大部分的天然雜質(zhì)(棉籽殼、果膠、蠟狀物質(zhì)、蛋白質(zhì)等)、漿料和油劑殘留，導(dǎo)致織物潤(rùn)濕性差、色澤發(fā)黃，影響了織物的外觀、手感和后續(xù)加工。因此，棉織物退漿后需要進(jìn)行精練加工，去除天然雜質(zhì)。棉織物的傳統(tǒng)堿精練工藝存在能耗高、廢水排放量大、纖維損傷嚴(yán)重等缺點(diǎn)，已經(jīng)不符合現(xiàn)代綠色紡織加工的要求。

　　利用纖維素酶進(jìn)行精練加工是各國(guó)科學(xué)家研究的一個(gè)重要方向。纖維素酶可以水解纖維素，使附著有雜質(zhì)的微小纖維水解弱化，在機(jī)械作用下從織物上脫落，達(dá)到去雜的目的，并且纖維素酶還可以降解棉纖維上的棉籽殼。

　　胡映清對(duì)纖維素酶降解棉籽殼進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，纖維素酶處理純的棉籽殼屑時(shí)，降解率高達(dá)80%，為纖維素酶去除棉織物中殘留棉籽殼提供了理論支持。Csiszfir等自1998年起開(kāi)始研究纖維素酶在棉織物精練中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)對(duì)棉織物進(jìn)行纖維素酶預(yù)處理可以提高堿精練的效果，聯(lián)合處理后，棉籽殼的失重率達(dá)到80%左右。該團(tuán)隊(duì)還對(duì)商品化的纖維素酶降解棉籽殼進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)商品化的纖維素酶可以直接降解棉織物表面的棉籽，還發(fā)現(xiàn)螯合劑EDTA可以增加纖維素酶降解棉籽殼的能力。

　　雖然纖維素酶處理棉織物可以在一定程度上達(dá)到去雜的目的，但效果并不十分理想。為了進(jìn)一步提高酶精練的效果，越來(lái)越多的研究利用纖維素酶與其他酶制劑(果膠酶、蛋白酶、脂肪酶、木聚糖酶、角質(zhì)酶等)復(fù)配，用于棉織物精練。在復(fù)合酶制劑中，各種酶組分之間協(xié)同作用，使雜質(zhì)能夠被更多、更快地水解。

　　目前，棉織物的酶法精練尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用，主要是因?yàn)槊妇氃谔幚硇Ч?，特別是在棉籽殼去除方面不能達(dá)到傳統(tǒng)堿精練的效果，從而無(wú)法替代堿精練。

　　造成酶法精練效果差的原因有很多，首先，棉織物上雜質(zhì)成分很復(fù)雜，這導(dǎo)致單一的酶組分很難將其降解，需要多種酶的協(xié)同作用；其次，在多酶協(xié)同作用時(shí)，由于各種酶催化反應(yīng)的最適條件不一致，很難保證各組分酶都能發(fā)揮較好的催化水解作用；最后，一些酶制劑尚未出現(xiàn)商品化產(chǎn)品，例如果膠酶、角質(zhì)酶等，實(shí)驗(yàn)室工程酶的酶活還不高，限制了酶法精練的研究?？傊阜ň氝€需要科學(xué)家進(jìn)一步的研究探索。

　　2.纖維素酶在纖維素纖維織物柔軟整理中的應(yīng)用

　　生物柔軟整理是利用纖維素酶對(duì)纖維素纖維的水解作用，使纖維剛度下降，提高織物柔軟性能。

　　Yanv等研究表明，利用纖維素酶處理耐久壓燙整理后的棉織物可以改善織物的手感，但是會(huì)造成織物強(qiáng)力和耐磨性下降。吳贊敏在其博士論文中研究采用生物-化學(xué)聯(lián)合的方法，實(shí)現(xiàn)棉織物的超柔軟整理。在該研究中，棉織物先經(jīng)過(guò)纖維素酶的減量處理，再用化學(xué)柔軟劑對(duì)其進(jìn)行增量整理。經(jīng)纖維素酶處理后的棉織物能吸附更多的化學(xué)柔軟劑，并且更多的柔軟劑可以從纖維素酶水解產(chǎn)生的孔隙中進(jìn)入纖維內(nèi)部，提高了柔軟效果的耐久性。CSlszaF等采用纖維素酶結(jié)合物理機(jī)械作用和有機(jī)硅柔軟劑對(duì)亞麻及含亞麻織物進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)酶整理能顯著削弱亞麻纖維的剛性，有效改善麻織物的手感。王革輝等對(duì)纖維素酶T225處理高支純苧麻織物的服用性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，經(jīng)纖維素酶T225處理后，織物抗皺性略有提高，手感更柔軟，刺癢感得到改善。

　　3.纖維素酶在纖維素纖維織物拋光整理中的應(yīng)用

　　纖維素纖維的表面有很多突出的微原纖，導(dǎo)致織物在受到外力和外界摩擦作用下很容易起毛起球，影響織物表面的光潔度和手感。生物拋光是一種利用纖維素酶改善纖維素纖維織物表面光潔度和柔軟性的整理，利用纖維素酶水解織物表面的絨毛和微原纖，使其變得脆弱，從而可以在織物與織物或者織物與設(shè)備之間的摩擦作用下從織物表面脫落。該整理可以應(yīng)用于機(jī)織和針織的纖維素纖維織物(棉、麻)，并可以在紡織品濕加工的任何一個(gè)階段進(jìn)行，大多數(shù)情況下在漂白后進(jìn)行。

　　Pete等用Trichodermareesei纖維素酶處理棉纖維和紗線，發(fā)現(xiàn)處理后纖維變得光滑、紗線毛羽減少。Sreenath等采用纖維素酶、果膠酶和木聚糖酶單獨(dú)或協(xié)同作用處理黃麻／棉混紡織物，發(fā)現(xiàn)纖維素酶單獨(dú)處理可以去除織物上突起的黃麻和棉纖維，而果膠酶和木聚糖酶單獨(dú)作用時(shí)無(wú)法去除。纖維素酶、果膠酶和木聚糖酶聯(lián)合作用時(shí)，纖維素酶在較低用量時(shí)就能達(dá)到很好的拋光效果，說(shuō)明果膠酶和木聚糖酶的加入對(duì)纖維素酶的拋光整理具有一定的促進(jìn)作用。Fu等的研究表明，乙二胺可以提高纖維素酶的活力、熱穩(wěn)定性，酶最適溫度由50℃提高至65℃。將乙二胺加入到纖維素酶的拋光整理中，可以提高整理效果，并減少纖維素酶的用量。

　　4.纖維素酶在牛仔織物返舊整理中的應(yīng)用

　　牛仔織物一般是以靛藍(lán)染色的純棉紗線為經(jīng)紗，不染色的紗線為緯紗織造而成的粗支斜紋布。由于靛藍(lán)染料的耐濕摩擦色牢度差，牛仔織物可以通過(guò)特殊的水洗方法獲得“穿舊”時(shí)尚效果，深受消費(fèi)者喜愛(ài)，該整理又稱為牛仔織物返舊整理。在早期，牛仔織物采用石磨水洗的方法獲得“穿舊”效果。但是，石磨水洗整理中存在一些不可避免的缺點(diǎn)，如浮石在機(jī)械攪拌作用下會(huì)造成服裝脫線、織物強(qiáng)力損失過(guò)大、設(shè)備損壞，小的浮石顆粒會(huì)造成設(shè)備排水系統(tǒng)的堵塞，另外水洗過(guò)程易產(chǎn)生石灰粉塵，污染織物，影響織物色澤。

　　纖維素酶已經(jīng)成功應(yīng)用于牛仔織物的返舊整理。通過(guò)纖維素酶對(duì)牛仔織物表面棉纖維的水解作用，在機(jī)械外力的作用下，使得織物表面的靛藍(lán)染料隨著纖維一起從織物上去除，產(chǎn)生類似石磨水洗的效果。纖維素酶水洗基本可以避免石磨水洗中存在的問(wèn)題，并且可以獲得一些其他的優(yōu)點(diǎn)。例如，經(jīng)纖維素酶水洗后的牛仔織物可以獲得更加均一、立體感強(qiáng)的花紋，色澤鮮艷，還可以從本質(zhì)上改善織物的手感。但是，由于纖維素酶易與脫落下的靛藍(lán)染料結(jié)合，重新吸附到織物表面，在纖維素酶的牛仔織物返舊整理中會(huì)發(fā)生返沾色現(xiàn)象，使纖維素酶的水洗效果降低。

　　酸性纖維素酶和中性纖維素酶都可以應(yīng)用于牛仔織物返舊整理。酸性纖維素酶對(duì)纖維素纖維有更強(qiáng)的水解作用，水洗效率更高，但是織物強(qiáng)力損失大，整理重現(xiàn)性差，易返沾色。中性纖維素酶的活力較低，同酸性纖維素酶相比，達(dá)到同樣的整理效果需要更長(zhǎng)的整理時(shí)間或使用更多的酶。但是，中性纖維素酶處理對(duì)織物強(qiáng)力損失小，整理效果重現(xiàn)性好，很少發(fā)生返沾色現(xiàn)象。酸性纖維素酶和中性纖維素酶各有優(yōu)缺點(diǎn)，由于酸性纖維素酶的價(jià)格較中性纖維素酶低很多，在牛仔織物返舊整理實(shí)際生產(chǎn)中使用較多的是酸性纖維素酶，只有在一些高檔牛仔織物的返舊整理時(shí)才采用中性纖維素酶。

　　Mamma等研究發(fā)現(xiàn)，利用蛋白酶對(duì)纖維素酶進(jìn)行改性，可以有效減少牛仔織物纖維素酶處理中的返沾色現(xiàn)象。陳新琪等在超聲波條件下，用中性纖維素酶對(duì)牛仔織物進(jìn)行返舊整理，發(fā)現(xiàn)超聲波作用可以提高中性纖維素酶的活性，增強(qiáng)牛仔織物的褪色效果，褪色率提高。

　　5.纖維素酶在Lyocell纖維去原纖化處理中的應(yīng)用

　　Lyocell纖維，又稱Tencel纖維，是以一種叔胺氧化物NMMO為溶劑溶解纖維素制得紡絲液，然后紡絲成形，因溶劑可以回收對(duì)環(huán)境無(wú)污染，被稱為新世紀(jì)的綠色纖維。另外，Lyocell纖維還具有手感柔軟、吸濕性好、強(qiáng)度好等優(yōu)點(diǎn)。

　　纖維的原纖化是指纖維與纖維或與其他物體發(fā)生濕摩擦后，纖維表面的一些巨原纖從纖維主體上剝離，進(jìn)而分裂成細(xì)小的微原纖的過(guò)程。纖維素纖維普遍存在原纖化的問(wèn)題，其中Lyocell纖維在使用過(guò)程中產(chǎn)生原纖化的程度是最嚴(yán)重的?？椢镏械睦w維原纖化后，織物易起毛起球、染色光澤差，嚴(yán)重影響織物的品質(zhì)和服用性能。

　　利用纖維素酶水解Lyocell纖維表面的微原纖，使其逐步弱化，在機(jī)械的協(xié)同作用下，可以將其斷裂去除，達(dá)到纖維去原纖化的目的。Morgado等研究發(fā)現(xiàn)，纖維素酶短時(shí)間處理Lyocell織物不能去除織物上纖維表面的微原纖和絨毛，反而有加重原纖化的趨勢(shì)。但是延長(zhǎng)纖維素酶的處理時(shí)間后，纖維表面的微原纖和絨毛又都會(huì)被去掉。另外，研究證實(shí)機(jī)械作用在該整理過(guò)程中起到非常重要的作用。Kumar等口日利用纖維素酶處理Lyocell織物，發(fā)現(xiàn)處理后織物的手感、懸垂性以及表面光澤等方面得到改善。Younsook等的研究表明，稀堿預(yù)處理可以進(jìn)一步提高纖維素酶處理Lyocell纖維去原纖化的效果。

　　6.纖維素酶在紡織加工應(yīng)用中存在的問(wèn)題

　　雖然纖維素酶在紡織加工應(yīng)用中具有很多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一些問(wèn)題，制約了其進(jìn)一步大規(guī)模的應(yīng)用。

　　1.處理后織物強(qiáng)力損失大

　　纖維素酶中含有三種不同的酶組分，內(nèi)切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶、纖維二糖酶。在三種酶組分的協(xié)同作用下，纖維素纖維的無(wú)定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)可以被水解。當(dāng)三種酶組分同時(shí)存在時(shí)，三者習(xí)慣聚集在一起作用于纖維上同一位置。因此，纖維經(jīng)纖維素酶水解后，纖維上局部區(qū)域會(huì)出現(xiàn)“坑洞”、部分開(kāi)裂。另外，纖維素酶分子可以擴(kuò)散到纖維內(nèi)部，對(duì)纖維內(nèi)部造成損傷。由于纖維素酶水解作用會(huì)不受限制的破壞組成織物的纖維素纖維，導(dǎo)致酶處理后織物強(qiáng)力損失過(guò)大。

　　2.酶制劑成本高

　　與傳統(tǒng)化學(xué)處理的成本相比較，酶制劑的價(jià)格相對(duì)過(guò)高。紡織行業(yè)利潤(rùn)本就不高，酶制劑的高價(jià)格影響了其廣泛應(yīng)用。

　　3.酶的穩(wěn)定性差、工藝重現(xiàn)性差

　　由于纖維素酶酶活很難保持穩(wěn)定，儲(chǔ)存條件的變化、儲(chǔ)存時(shí)間的長(zhǎng)短等都會(huì)對(duì)其造成影響。另外，纖維素酶酶活對(duì)處理溫度和pH很敏感，稍微的波動(dòng)都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。在紡織加工中，雖保持每批次酶處理加工的條件一樣，但是加工后織物的品質(zhì)卻很難保持一致。

　　總結(jié)：盡管纖維素酶在紡織加工應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題，但隨著商品化纖維素酶的不斷發(fā)展以及技術(shù)與工藝的不斷進(jìn)步，其在纖維素纖維織物整理中的應(yīng)用范圍將擴(kuò)大，在紡織加工中具有較大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景。