陳曉盟， 王樹根， 薛 晨

(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實驗室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122; 2. 新疆天山毛紡織股份有限公司， 新疆 烏魯木齊 830054)

采用生物酶法去除山羊絨膚皮屑

陳曉盟1， 王樹根1， 薛 晨2

(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實驗室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122; 2. 新疆天山毛紡織股份有限公司， 新疆 烏魯木齊 830054)

采用生物酶法去除羊絨染色中多年未根本解決的羊絨膚皮點(diǎn)的問題，分別選用角質(zhì)酶、胃蛋白酶和蛋白酶3種類型的酶處理了山羊絨膚皮屑，考察去屑效果，研究了生物酶處理的工藝條件，同時考察了處理前后山羊絨損傷情況。結(jié)果表明：T.fusca角質(zhì)酶在角質(zhì)酶用量8 mL/g，pH=8.0，60 ℃，5 h，浴比1∶50條件下，膚皮屑去除率29%。胃蛋白酶在胃蛋白酶用量6%(o.w.f)，pH=2.2，4 ℃，6 h，浴比1∶50條件下，膚皮屑去除率為17%。蛋白酶Savinase 16 L在蛋白酶用量1 mL/g，pH=8.5，45 ℃，4 h，浴比1∶50條件下，膚皮屑去除率為46%。角質(zhì)酶和胃蛋白酶處理對羊絨有輕微的損傷，可以做為一種新的去除羊絨膚皮點(diǎn)的方法，蛋白酶對羊絨的損傷較嚴(yán)重，不能采用。生物酶法能部分去除山羊絨膚皮屑，有必要進(jìn)一步研究。

山羊絨； 膚皮屑； 角質(zhì)酶； 胃蛋白酶； 蛋白酶

羊絨是珍貴的動物纖維資源，抓絨得到的山羊原絨中含有粗毛、兩型毛、皮屑、沙土和汗脂等雜質(zhì)，經(jīng)過洗毛、分梳、精梳等加工后可去除大部分雜質(zhì)，但不能完全去除膚皮屑，在染色時皮屑的存在會造成羊絨染色產(chǎn)品出現(xiàn)深色膚皮點(diǎn)，嚴(yán)重影響羊絨制品的外觀質(zhì)量。這個問題困擾羊絨行業(yè)多年，鮮有這方面的研究報道，一般是利用勻染劑的緩染作用消除羊絨和膚皮屑的色差，但是這種方法有一定的局限性，當(dāng)緩染作用過強(qiáng)時出現(xiàn)膚皮淺色點(diǎn)，當(dāng)緩染作用不夠時，仍有膚皮深色點(diǎn)存在，只不過比不緩染略淺而已，而且這種方法對染料品種也有選擇，應(yīng)用范圍受限。本文從溶解膚皮的角度出發(fā)，在分析山羊絨和山羊膚皮屑結(jié)構(gòu)組成差異的基礎(chǔ)上，設(shè)計采用3種生物酶：角質(zhì)酶、胃蛋白酶和蛋白酶來處理山羊絨膚皮屑，考核去屑效果，并分別研究3種生物酶去除羊絨膚皮屑的工藝條件。通過測定處理前后羊絨的部分物理力學(xué)性能和形態(tài)結(jié)構(gòu)，探討了生物酶處理對羊絨的損傷情況。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料：山羊絨膚皮屑及山羊絨洗凈絨(新疆天山毛紡織股份有限公司)，T.fusca角質(zhì)酶(230 U/mL)(江南大學(xué)生物科學(xué)與工程國家重點(diǎn)實驗室)，蛋白酶Savinase 16 L(16 000 U/mL)(諾維信公司)，胃蛋白酶(分析純，1 200 U/g)(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，蒸餾水，三(羥甲基)氨基甲烷、鹽酸、氫氧化鈉、乙酸均為分析純(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

儀器：YG001N型電子單纖維強(qiáng)力儀(南通宏大實驗儀器有限公司)，恒溫恒濕室，HITACHT SU1510型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)，HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 山羊絨膚皮屑原材料的預(yù)處理

分別在60、4、45 ℃條件下，先用去離子水處理山羊絨膚皮屑，6 h后，真空抽濾分離，將分離后的膚皮屑放在45 ℃干燥箱中烘干17 h，至質(zhì)量恒定。將烘干后的山羊絨膚皮屑包裝起來，密封保存，以供后續(xù)實驗使用。

1.2.2 膚皮屑及洗凈絨的生物酶處理

角質(zhì)酶：稱取1 g(m1,稱量精度±0.000 1 g)水洗后的山羊絨膚皮屑m1在xmL/g的T.fusca角質(zhì)酶反應(yīng)溶液中恒溫處理，pH=8.0[1](Tris-HCl緩沖溶液)，溫度為60 ℃，浴比為1∶50。幾小時后升溫至90 ℃進(jìn)行滅酶處理5 min，抽濾后于45 ℃烘干17 h至質(zhì)量恒定后稱質(zhì)量為m2。按式(1)計算去屑率。研究合適條件下用角質(zhì)酶處理山羊絨洗凈絨的受損情況。

(1)

胃蛋白酶：稱取1 g(m,稱量精度±0.000 1 g)水洗后的山羊絨膚皮屑在x%(o.w.f)的胃蛋白酶反應(yīng)溶液中恒溫處理，pH=2.2[2](Tris-HCl緩沖溶液)，溫度為4 ℃，浴比1∶50。幾小時后升溫至60 ℃進(jìn)行滅酶處理5 min，抽濾后于45 ℃烘干17 h至質(zhì)量恒定后稱質(zhì)量為m2。按式(1)計算去屑率。研究合適條件下用胃蛋白酶處理山羊絨洗凈絨的受損情況。

蛋白酶：稱取1 g(m1,稱量精度±0.000 1 g)水洗后的山羊絨膚皮屑在xmL/g的蛋白酶Savinase 16L反應(yīng)溶液中恒溫處理，pH=8.5[3](Tris-HCl緩沖溶液)，溫度為45 ℃，浴比1∶50。幾小時后升溫至90 ℃進(jìn)行滅酶處理5 min，抽濾后于45 ℃烘干17 h至質(zhì)量恒定后稱質(zhì)量為m2。按式(1)計算去屑率。研究合適條件下用蛋白酶處理山羊絨洗凈絨的受損情況。

1.2.3 強(qiáng)力測試

使用YG001N型電子單纖維強(qiáng)力儀測試經(jīng)過不同生物酶處理后山羊絨單纖維的強(qiáng)力，溫度為(20±2)℃，相對濕度為(65±2)%，評價山羊絨纖維的質(zhì)量。記錄紗線斷裂強(qiáng)力F，測試10次，取平均值[4]。

1.2.4 堿溶解度

分別稱取0.1 g試樣(±0.000 1g)，在溫度(20±2)℃，相對濕度(65±2)%條件下平衡處理24 h，稱量得到試樣質(zhì)量M，計算試樣的含水率G。將試樣放入0.1 mol/L的100 mL氫氧化鈉溶液中，(65±0.5)℃處理1 h，山羊絨未溶解，然后用已恒重的玻璃漏斗過濾。過濾時，試樣盡可能先留在燒杯中，最后再移入漏斗內(nèi)吸干。燒杯內(nèi)試樣先用水洗滌6次，然后用10 mL/L冰醋酸溶液洗2次，再用水洗6次。每次水洗為50 mL，將試樣浸沒即可。將漏斗內(nèi)的試樣放入烘箱，于105～110 ℃烘干至恒定質(zhì)量W[5]。按式(2)計算堿溶解度。

(2)

1.2.5 掃描電鏡觀察

用HITACHT SU1510型電子掃描顯微鏡觀察不同生物酶處理后山羊絨纖維表面的形貌特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 角質(zhì)酶處理條件對山羊絨去屑率的影響

2.1.1 角質(zhì)酶用量

角質(zhì)酶可以催化水解不溶性多聚體角質(zhì)的酯鍵。在最適溫度60 ℃和pH值8.0的條件下，用不同濃度的T.fusca角質(zhì)酶處理山羊絨膚皮屑6 h，結(jié)果見圖1。由圖中曲線變化趨勢可知，隨著角質(zhì)酶濃度的增加，山羊絨膚皮屑的去除率先提高然后降低，在角質(zhì)酶濃度為8 mL/g時，去屑率達(dá)到最大值為29%。這可能是過低的酶用量不足以對底物的特定位點(diǎn)進(jìn)行充分的水解，使得水解過程緩慢進(jìn)行[2]。而過高的酶用量可能誘發(fā)某些酶促反應(yīng)的競爭作用，反而使得水解程度受到抑制。這表明在本文的實驗條件下，8 mL/g的角質(zhì)酶是最適宜的。

圖1 角質(zhì)酶濃度對山羊絨膚皮屑去除率的影響Fig. 1 Effects of cutinase concentration on skin crumbs removal efficiency of cashmere

2.1.2 反應(yīng)時間

在最適溫度60 ℃、pH值8.0、T.fusca角質(zhì)酶濃度8 mL/g、經(jīng)不同的反應(yīng)時間處理山羊絨膚皮屑，考察反應(yīng)時間對去屑率的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖中曲線變化趨勢可知，在1～5 h的區(qū)間內(nèi)，隨著時間的延長，山羊絨膚皮屑的去除率逐漸提高。而當(dāng)時間超過5 h以后，去屑率基本保持不變。說明角質(zhì)底物基本水解完畢，即使時間再延長，去屑率也不會再提高了。所以，對于一定量的山羊絨膚皮屑，使用角質(zhì)酶去除5 h是最適宜的。使用T.fusca角質(zhì)酶去除山羊絨膚皮屑的工藝條件為：角質(zhì)酶用量8 mL/g，pH=8.0，60 ℃，5 h，浴比1∶50。此時膚皮屑的去除率達(dá)到了29%。

圖2 反應(yīng)時間對山羊絨膚皮屑去除率的影響Fig. 2 Effects of reaction time on skin crumbs removal effiency of cashmere

2.2 胃蛋白酶處理條件對羊絨去屑率的影響

2.2.1 胃蛋白酶用量

在最適溫度4 ℃和pH值2.2的條件下，用不同濃度的胃蛋白酶處理山羊絨膚皮屑6 h，考察胃蛋白酶用量對去屑率的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖中曲線變化趨勢可知，隨著胃蛋白酶用量的增加，山羊絨膚皮屑的去除率先提高然后降低，在胃蛋白酶用量為6%(o.w.f)時，去屑率達(dá)到最大值為17%。胃蛋白酶對膠原具有較好的溶解作用，可以水解膠原α-肽鍵的末端區(qū)[6]。這可能是過低的酶用量不足以對底物的特定位點(diǎn)進(jìn)行充分的水解，使得水解過程緩慢進(jìn)行。而過高的酶用量可能誘發(fā)某些酶促反應(yīng)的競爭作用，反而使得水解程度受到抑制。在本文的實驗條件下胃蛋白酶用量為6%(o.w.f)是最適宜的。

圖3 胃蛋白酶用量對山羊絨膚皮屑去除率的影響Fig. 3 Effects of pepsin concentration on skin crumbs removal efficiency of cashmere

2.2.2 反應(yīng)時間

在最適溫度4 ℃、pH值為2.2、胃蛋白酶用量為6%(o.w.f)、不同的反應(yīng)時間下處理山羊絨膚皮屑，考察反應(yīng)時間對去屑率的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖中曲線變化趨勢可知，在1～6 h的區(qū)間內(nèi)，隨著時間的延長，山羊絨膚皮屑的去除率逐漸升高。而當(dāng)時間超過6 h以后，去屑率不再升高，基本保持不變。說明此時胃蛋白酶已將膠原底物水解，即使時間再延長，去屑率也不會再提高了。所以，對于一定量的膚皮屑，使用胃蛋白酶去除6 h最適宜。使用胃蛋白酶去除山羊絨膚皮屑的工藝條件為：胃蛋白酶用量6%(o.w.f)，pH=2.2，4 ℃，6 h，浴比1∶50。此時膚皮屑的去除率達(dá)到了17%。

2.3 蛋白酶處理條件對山羊絨去屑率的影響

2.3.1 蛋白酶用量

在最適溫度45 ℃和pH值8.5的條件下，用不同濃度的蛋白酶Savinase 16 L處理山羊絨膚皮屑6 h，考察蛋白酶濃度對去屑率的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 蛋白酶濃度對山羊絨膚皮屑去除率的影響Fig. 5 Effects of protease concentration on skin crumbs removal efficiency of cashmere

由圖中曲線變化趨勢可知，隨著蛋白酶濃度的增加，山羊絨膚皮屑去除率是先升高，然后保持恒定，最后降低。當(dāng)?shù)鞍酌笣舛葹? mL/g時，去屑率達(dá)到最大值為46%。在蛋白酶濃度為1～3 mL/g的區(qū)間內(nèi)，去屑率保持不變，當(dāng)超過3 mL/g時，去屑率陡然降低。蛋白酶是水解肽鍵的一類酶，蛋白質(zhì)在蛋白酶的作用下，能迅速水解為胨、肽等，最后成為氨基酸，溶解在水中[7]。在蛋白酶濃度較低時，對底物特定位點(diǎn)的水解作用不充分，因而去屑率低，而當(dāng)濃度過高時，可能誘發(fā)某些酶促反應(yīng)的競爭作用，反而使水解程度受到抑制，蛋白酶作用引起的抑制很顯著，因而會陡降。表明在本文的實驗條件下，使用蛋白酶去除時1 mL/g的用量是最適宜的。

2.3.2 反應(yīng)時間

在最適溫度45 ℃和pH值8.5的條件下、蛋白酶Savinase 16 L濃度為1 mL/g、不同的反應(yīng)時間處理山羊絨膚皮屑，考察反應(yīng)時間對去屑率的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 反應(yīng)時間對山羊絨膚皮屑去除率的影響Fig. 6 Effects of reaction time on skin crumbs removal efficiency of cashmere

由圖中曲線變化趨勢可知，在1～4 h內(nèi)，隨著時間的延長，山羊絨膚皮屑的去除率逐漸升高。而當(dāng)時間超過4 h，去屑率不再升高，基本保持不變。說明此時蛋白酶已將含有肽鍵的底物水解完畢，即使再延長時間，去屑率也不會提高。所以，在本文的實驗條件下，使用蛋白酶去除時4 h的時間是最適宜的。使用蛋白酶處理山羊絨膚皮屑的工藝條件為：蛋白酶用量1 mL/g，pH=8.5，45 ℃，4 h，浴比1∶50。此時膚皮屑的去除率達(dá)到了46%。

2.4 山羊絨處理前后部分性能的變化

上述實驗得到的是使用生物酶去除山羊絨膚皮屑的工藝條件，適用于單獨(dú)處理膚皮屑，而在工廠實際生產(chǎn)中，膚皮屑和山羊絨是摻雜在一起的，所以，有必要在上述工藝條件下處理山羊絨洗凈絨，并通過強(qiáng)力、堿溶解度和微觀結(jié)構(gòu)來考核其受損傷的情況。

2.4.1 強(qiáng) 力

將山羊絨洗凈絨在上述最佳處理條件下分別經(jīng)過T.fusca角質(zhì)酶、胃蛋白酶和蛋白酶Savinase 16 L作用，使用電子單纖維強(qiáng)力儀測定處理前后試樣的單纖維強(qiáng)力，結(jié)果列于表1。

表1 不同種生物酶處理后山羊絨洗凈絨的強(qiáng)力Tab.1 Strength of washed cashmere treated with different enzymes

經(jīng)過角質(zhì)酶、胃蛋白酶和蛋白酶處理后試樣的單纖維強(qiáng)力比山羊絨洗凈絨原樣分別降低了18.8%、19.5%和33.2%。山羊絨纖維是α-角朊纖維，具有二相結(jié)構(gòu)，一相是棒狀結(jié)晶區(qū)即雙股α-螺旋鏈組成的基原纖區(qū)，由低硫蛋白質(zhì)組成，水分子難以滲進(jìn)；另一相是球狀基質(zhì)區(qū)，主要由高硫蛋白質(zhì)組成，易被水增塑。纖維斷裂時，在預(yù)屈服區(qū)，主要是穩(wěn)定的α-螺旋鏈構(gòu)象的氫鍵、二硫鍵產(chǎn)生應(yīng)變；當(dāng)纖維伸長率達(dá)到屈服點(diǎn)時，一部分氫鍵斷裂，α-螺旋鏈開始伸展，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?伸展鏈[8]。經(jīng)過生物酶處理后，山羊絨纖維的基質(zhì)區(qū)被增塑，α-螺旋鏈構(gòu)象的穩(wěn)定性可能被破壞，使得山羊絨纖維的斷裂強(qiáng)力有所降低。根據(jù)強(qiáng)力測試數(shù)據(jù)結(jié)果知，經(jīng)過蛋白酶處理后的試樣損傷較嚴(yán)重，而經(jīng)過角質(zhì)酶和胃蛋白酶處理后的試樣損傷較輕。

2.4.2 堿溶解度

將山羊絨洗凈絨分別經(jīng)過T.fusca角質(zhì)酶、胃蛋白酶和蛋白酶Savinase 16L處理，測定處理前后試樣的堿溶解度，結(jié)果見表2。

表2 不同種生物酶處理后山羊絨洗凈絨的堿溶解度Tab.2 Alkali solubility of washed cashmere treated with different enzymes

堿對蛋白質(zhì)纖維有明顯的破壞作用，堿能使蛋白質(zhì)纖維大分子中的鹽式鍵斷開(與羥基起化合作用)，并使胱氨酸發(fā)生水解。形成的硫醇基(亞磺酸)對堿性介質(zhì)不穩(wěn)定，分解成醛和硫化鈉，纖維部分溶于堿而使質(zhì)量變輕[9]。經(jīng)過角質(zhì)酶、胃蛋白酶和蛋白酶處理后試樣的堿溶解度分別為2.91%、4.00%和41.8%。根據(jù)堿溶解度數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過蛋白酶處理后的試樣損傷較嚴(yán)重，而經(jīng)過角質(zhì)酶和胃蛋白酶處理后的試樣損傷較輕。

2.4.3 SEM分析

圖7 生物酶處理前后山羊絨洗凈絨纖維的SEM照片(× 2 000)Fig. 7 SEM images of washed cashmere treated with different enzymes(×2 000).(a) Washed cashmere sample without treatment； (b) Cashmere sample treated with T.fusca cutinase；(c) Cashmere sample treated with pepsin； (d) Cashmere sample treated with protease Savinase 16 L

圖7示出不同處理條件下山羊絨洗凈絨的掃描電鏡照片。圖7(a)中山羊絨的鱗片結(jié)構(gòu)相似，多數(shù)呈環(huán)狀、斜環(huán)狀，排列較均勻、規(guī)則，邊緣翹起程度不明顯。 圖7(b)經(jīng)過角質(zhì)酶處理后山羊絨洗凈絨纖維表面被輕微破壞，某些部位的鱗片斷裂，但總體與原樣差異較小，其原因在于角質(zhì)酶主要作用于鱗片表層厚度很小的類脂層，對交聯(lián)程度較高的鱗片外層以下角蛋白層影響較少[10]。圖7(c)經(jīng)過胃蛋白酶處理后山羊絨洗凈絨纖維表面局部被破壞，鱗片缺失的部分很不規(guī)則，原因可能是角蛋白在酸性較強(qiáng)的條件下被動物胃蛋白酶所消化，雖然一般條件下，角蛋白是不溶性蛋白質(zhì)，它既不溶于水、稀的酸和堿，也不為普通動物的胃蛋白酶所消化，但是本文實驗使用胃蛋白酶處理時pH值較低，酸性較強(qiáng)，可能會有影響。圖7(d)經(jīng)過蛋白酶處理后試樣表面鱗片層得到部分去除，但鱗片層去除效果并不均勻，部分鱗片層呈剝離狀，表明蛋白酶水相處理中部分酶分子水解了鱗片層間的羧甲基纖維素并擴(kuò)散進(jìn)入纖維內(nèi)部，使得部分鱗片從纖維表面剝離或脫落[10]。

山羊絨洗凈絨經(jīng)過3種生物酶處理后，單纖維強(qiáng)力都比原樣低，其中角質(zhì)酶、胃蛋白酶和蛋白酶處理后試樣的強(qiáng)力分別降低了18.8%、19.5%和33.2%，可見，角質(zhì)酶和胃蛋白酶處理對山羊絨有輕微的損傷，而蛋白酶處理對山羊絨損傷較嚴(yán)重。山羊絨洗凈絨經(jīng)過3種生物酶處理后，堿溶解度比原樣都變大了，其中角質(zhì)酶、胃蛋白酶和蛋白酶處理后試樣的堿溶解度分別增大了2.91%、4.00%和41.8%，這個結(jié)果與強(qiáng)力測試反映的結(jié)果一致。而山羊絨洗凈絨經(jīng)過3種生物酶處理后的SEM照片也再次印證了這個結(jié)論。

3 結(jié) 論

1)T.fusca角質(zhì)酶、胃蛋白酶和蛋白酶Savinase 16L可以去除部分山羊絨膚皮屑。其最大去除率分別為 29%、 17% 和46%。角質(zhì)酶和胃蛋白酶對羊絨都有輕微的損傷，蛋白酶對羊絨的損傷較嚴(yán)重，不能選用。

2)采用生物酶法去除山羊絨膚皮屑是一條有效的途徑，有必要進(jìn)一步研究篩選酶的品種和工藝，研究不同生物酶的協(xié)同作用，提高膚皮屑的去除率。

FZXB

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Enzymatic removal of skin crumbs from cashmere

CHEN Xiaomeng1， WANG Shugen1, XUE Chen2

(1.KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China;
2.XinjiangTianshanWoolTexStockCo.Ltd.,Urumqi,Xinjiang830054,China)

This paper attempts to adopt enzymatic approach to remove the skin crumbs from cashmere, since the skin crumb is a long-standing problem not fundamentally solved over the years in cashmere dyeing. Three biological enzymes-cutinase, pepsin and protease were selected and applied to the treatment of skin crumbs separately. The effect of skin crumbs removal was investigated and the individual process conditions were examined. The fiber damages of the cashmere before and after treatment were compared. The results showed that the skin crumbs removal rate reached 29% when T.fuscacutinase was used in the treatment of skin crumbs under the conditions: amount of T.fuscacutinase 8 mL/g, pH=8.0, temperature 60 ℃, time 5 h, and liquor ratio 1∶50, The removal rate was 17% in the case of pepsin under the conditions: pH=2.2, temperature 4 ℃, amount of pepsin 6%(o.w.f), time 6 h, and liquor ratio 1∶50. And the removal rate was up to 46% in the case of protease Savinase 16 L under the conditions: amount of Savinase 16 L, 1 mL/g, pH=8.5, temperature 45 ℃, time 4 h, and liquor ratio 1∶50. The experimental results revealed that cutinase and pepsin caused only slight damage to the treated fiber whereas protease led to serious fiber damage. Therefore, the former two kinds of enzymes may be used in the treatment of cashmere for removing skin crumbs. The enzymatic method can partially remove the cashmere skin crumbs, so it is necessary to make further study.

cashmere; skin crumbs; cutinase; pepsin; protease

0253- 9721(2013)09- 0021- 06

2012-09-13

2013-03-25

陳曉盟(1990—)，女，碩士生。主要研究方向為新型染整技術(shù)。王樹根，通信作者，E-mail:wangshugen@163.com。

TS 192.5

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