對堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶真絲坯綢精煉的研究

趙心雨，岳新霞，余遠波，莫銳娟，馬藝華，林海濤

（1.廣西科技大學 生物與化學工程學院，廣西 柳州 545006；2.廣西絹麻紡織科學研究所有限公司，廣西 南寧 530031）

蠶絲纖維是一種天然蛋白質纖維，由于其舒適性與獨特的絲鳴感，被廣泛運用于高檔紡織品織造。蠶絲由兩根平行的絲素外包絲膠構成，絲膠蛋白包裹在絲素纖維的表面，從而導致真絲坯綢后續的染料上染效果與手感較差[1]。蠶絲的脫膠是利用絲膠比絲素具有更好的吸水性和水溶性從而使兩者分開。常見的脫膠方式包括：堿性試劑脫膠、酸性試劑脫膠、高溫高壓脫膠、表面活性劑脫膠、蛋白酶脫膠等[2]。用生物酶精煉蠶絲的基本原理為：蠶絲在蛋白酶的作用下，其外層絲膠的肽鍵水解斷裂成氨基酸和多肽溶解在溶液中被除去。采用此法精煉的蠶絲，其纖維性能不受影響[3]。本文基于溫和脫膠，節能降耗的理念，使用堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶對真絲坯綢進行脫膠工藝研究。實驗通過單因素實驗研究并優化得到堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶脫膠的工藝參數。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

真絲坯綢（廣西嘉聯絲綢股份有限公司產），堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶（北京奧博星生物技術有限責任公司產），無水碳酸鈉、硅酸鈉、鹽酸、氫氧化鈉（西隴化工股份有限公司產）。

1.2 實驗儀器

YB71型旦尼爾電子天平（常州市幸運電子設備有限公司產），BPG-9240A精密鼓風干燥機（上海一恒科學儀器有限公司產），SHA-C水浴恒溫振蕩器（鄭州生元儀器有限公司產），PHS-25CWpH計（上海般特儀器制造有限公司產），WSB-3A智能式數字白度儀（溫州大榮紡織儀器有限公司產），Phenomprox掃描電子顯微鏡（荷蘭復納科學儀器有限公司產），LLY-06電子單纖維強力儀（萊州市電子儀器有限公司產）。

1.3 實驗方法

1.3.1 真絲坯綢前處理

脫膠前處理的主要目的是使真絲坯綢進一步脫膠，使堿性蛋白酶更易于與絲膠反應[4]。實驗前將真絲坯綢剪成5cm×5cm的小塊，放置于105°C的恒溫烘箱中90min，稱量得到處理前真絲坯綢的干重。使用碳酸鈉脫膠作為對照組進行實驗，首先使用2g/L的無水碳酸鈉溶液，以浴比1∶100進行前處理實驗，前處理的溫度設定60°C，反應時間60min，使用去離子水對真絲坯綢進行洗滌3次，再使用室溫的去離子水洗滌3次。隨后進行自然晾干后放置于恒溫烘箱中于105°C烘90min，稱得脫膠后的干重。

1.3.2 真絲坯綢酶處理

實驗方案采用單因素實驗，研究堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶質量濃度、精煉溫度、pH值、浴比及時間對精煉效果的影響，以脫膠率作為考察目標，確定堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶質量濃度、溫度、時間、pH值、浴比的精煉參數[5]。單因素實驗酶用量設置為1、3、5、7、9g/L；溫度設置為30、40、50、60、70℃；pH值設置為4、6、8、10、12；浴比設置為1∶25、1∶50、1∶100、1∶150；時間設置為30、45、60、75、90min[6-7]。

1.4 測試方法

1.4.1 脫膠率計算

式中：η為脫膠率；M1為未進行酶脫膠處理真絲坯綢的干重；M2為進行脫膠處理后真絲坯綢的干重[8]；

1.4.2 掃描電子顯微鏡

觀察真絲坯綢堿精煉處理、堿性蛋白酶精煉處理及木瓜蛋白酶精煉后蠶絲纖維的表面分別放大5000、20000倍電鏡圖，觀察絲纖維的表面形貌。

1.4.3 白度測試

使用WSB-3A智能式數字白度儀按規范操作流程測織物白度。將樣品折成四層，在不同部位測試5組數據，取5組數據的平均值作為該組數據的白度值。

2 結果與分析

2.1 溫度對脫膠率的影響

固定堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶的質量濃度均為4g/L，時間45min、浴比1∶100、pH為8，浴比1∶100。結果如圖1所示。

圖1 真絲坯綢脫膠率隨溫度變化曲線圖

對堿性蛋白酶而言，當溫度到達60℃，真絲坯綢的脫膠率呈現上升趨勢。最高達到16.9%，隨著繼續上升，脫膠率反而出現下降的現象。這是因為堿性蛋白酶的適用溫度為40℃～60℃，當超過堿性蛋白酶的最適溫度時酶的酶活性受到抑制且蛋白酶的結構會出現改變，從而導致酶的脫膠效果不明顯。對木瓜蛋白酶而言，其脫膠率逐漸增大，且當溫度為70℃時脫膠率最大值為23.4%。說明在木瓜蛋白酶適用溫度范圍內，酶活性隨著溫度的升高而增大，同時升高溫度絲膠蛋白也會發生水解，在酶解和水解同時作用下，脫膠率也會增大。

鑒于本實驗所用的真絲坯綢含有20%左右的絲膠和漿料，為減少對絲素的損傷及避免織物強力的下降，脫膠率不宜過高。綜合考慮，后續實驗堿性蛋白酶試驗溫度選擇55℃，木瓜蛋白酶試驗溫度選擇65℃作為精煉溫度。

2.2 浴比對脫膠率的影響

在工藝時間為30min、酶質量濃度5g/L、堿性蛋白酶工藝溫度55℃和木瓜蛋白酶工藝溫度65℃、工藝時間為60min及工藝pH值為8條件下，進一步探究浴比對脫膠率的影響。結果如圖2所示。

圖2 真絲坯綢脫膠率隨反應浴比變化曲線圖

對堿性蛋白酶而言，浴比從1∶25上升到1∶150時，脫膠率先上升然后下降。在浴比達到1∶100時，脫膠率最大為18.6%，此時真絲坯綢能夠處于完全浸沒的狀態，使脫膠劑能與絲膠充分接觸，從而將絲膠去除。對木瓜蛋白酶而言，濃度不變時，增大浴比木瓜蛋白酶用量越多，作用于真絲織物底物的木瓜蛋白酶數量增多，脫膠率就增大，所以精煉浴比為1∶100。所以后續實驗堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶選擇1∶100作為精煉浴比取值。

2.3 酶濃度對脫膠率的影響

在工藝pH值8、浴比1∶100條件下，堿性蛋白酶工藝溫度55℃和木瓜蛋白酶工藝溫度65℃，進一步探究堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶質量濃度對脫膠率的影響。結果如圖3所示。

圖3 真絲坯綢脫膠率隨酶濃度變化曲線圖

當堿性蛋白酶質量濃度增加時，脫膠率呈現逐漸上升的趨勢，當酶的質量濃度在7g/L時，脫膠率的增長率最高為19.7%，繼續增加酶的質量濃度脫膠率逐漸降低。木瓜蛋白酶其脫膠率先上升后下降，并當木瓜蛋白酶質量濃度為5g/L時，脫膠率達到最大值24.1%，繼續升高木瓜蛋白酶質量濃度，脫膠率反而下降。這是由于酶已經充分與底物反應，繼續增加木瓜蛋白酶質量濃度反而影響了酶與底物的結合，從而導致脫膠率的下降。后續實驗選擇堿性蛋白酶濃度為質量分數7g/L、木瓜蛋白酶濃度5g/L。

2.4 pH值對脫膠率的影響

在工藝時間為30min、浴比1∶100條件下，堿性蛋白酶的質量濃度7g/L及工藝溫度55℃，木瓜蛋白酶的質量濃度5g/L及工藝溫度65℃，進一步探究工藝pH值對脫膠率的影響。結果如圖4所示。

圖4 真絲坯綢脫膠率隨溶液pH值變化曲線圖

對堿性蛋白酶脫膠率而言，當溶液的pH值為10時，脫膠率最大為20%，繼續增加pH值，脫膠率出現大幅度下降。因為堿性蛋白酶，指在堿性條件下能夠水解蛋白質肽鍵的酶，最適pH在9～11范圍內。對木瓜蛋白酶脫膠率而言，隨著pH值的升高，脫膠率先增大后逐漸減小，當pH＝6時，其脫膠率達到最大值23.4%，繼續增大pH值，脫膠率反而不斷減小。這是因為木瓜蛋白酶在最適值pH＝6時其活性最大，而當pH值高于或低于最適pH值范圍都會使木瓜蛋白酶活性降低，導致其脫膠率下降。所以后續實驗選擇堿性蛋白酶溶液pH為10，木瓜蛋白酶溶液pH為6。

2.5 時間對脫膠率的影響

在堿性蛋白酶的質量濃度7g/L、工藝pH值10、工藝溫度55℃、浴比1∶100，木瓜蛋白酶工藝濃度5g/L、工藝pH值6、工藝溫度65℃、浴比1∶100條件下，進一步探究工藝時間對脫膠率的影響。結果如圖5所示。

圖5 真絲坯綢脫膠率隨溶液時間變化曲線圖

對堿性蛋白酶而言，隨著工藝時間的增加，脫膠率呈現上升趨勢，但是時間達到60min時脫膠率趨于高位，脫膠率達到22%，后續下降較平緩。表明當脫膠進行60min時，外層已經膨潤的絲膠已經基本被去除，繼續增加工藝時間時，內層難溶性絲膠開始逐漸溶解。由于內層絲膠的結構、組成與絲素蛋白基本一致，因此繼續增加反應時間雖然能夠使脫膠率上升，但脫膠率的增長率較低。對木瓜蛋白酶而言，脫膠率逐漸增大，且當時間在60min時，脫膠率已達到25.4%，而繼續增加精煉時間脫膠率變化并不明顯；雖然時間在80min時脫膠率達到最大值26.9%，但本實驗所用的真絲坯綢含有20%左右的絲膠和漿料，所以為減少對絲素的損傷及避免織物強力的下降，脫膠率不宜過高。綜合考慮，后續實驗選擇堿性蛋白酶50min，木瓜蛋白酶70min作為最適精煉時間。

2.6 真絲坯綢形貌分析

2.6.1 電子顯微鏡分析

通過上述工藝探究后，對得出的真絲坯綢進行電子顯微鏡測試。

從圖6～7可以清晰看到只進行碳酸鈉前處理后，絲素纖維表面緊密抱合，其表面仍然存在部分絲膠蛋白。從圖8～9和圖10～11看出，進行堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶優選工藝處理后的真絲坯綢的絲素纖維呈現分散狀態,能夠直觀地觀察到絲素纖維表面的絲膠去除完全，且此時的絲素纖維表面光滑、色澤均勻。將圖8～9和圖5～6進行對比可知，圖10～11木瓜蛋白酶的去除效果更佳。這說明經酶精煉后，蠶絲纖維分散，表面光滑，說明絲素纖維表面的絲膠去除完全。

圖6 堿處理放大5000倍

圖7 堿處理放大20000倍

圖8 堿性蛋白酶處理放大5000倍

圖9 堿性蛋白酶處理放大20000倍

圖10 木瓜蛋白酶處理放大5000倍

圖11 木瓜蛋白酶處理放大20000倍

2.6.2 白度分析

由表1可知，經過最優工藝酶處理后真絲坯綢的白度效果優于碳酸鈉堿處理的，且明顯優于未處理的真絲坯綢。

表1 真絲坯綢不同處理方式白度結果

從數據分析可知，木瓜酶處理后相對于未處理的真絲坯綢白度提高35.9%，相比于碳酸鈉堿處理提高19.6%。使用酶處理后真絲坯綢的白度增加的主要原因是酶處理后絲膠被去除的同時能夠使絲素保持原有的光澤，且表面光滑。使用堿進行脫膠處理后真絲坯綢的白度低于酶處理后的真絲坯綢白度，原因在于堿脫膠過程中不僅對絲膠蛋白起作用，而且堿對絲素蛋白也具有損傷作用。通過顯微鏡觀察可明顯看到堿處理后的真絲坯綢中的絲素纖維表面出現一些分布不均勻的溝壑，這些位于絲素纖維表面的坑洼在進行白度測試時會出現漫反射效果，從而降低絲素原有的白度。

3 結 語

通過單因素實驗，研究了堿性蛋白酶和木瓜蛋白酶精煉真絲坯綢的工藝參數。實驗結果表明，堿性蛋白酶脫膠條件為酶濃度7g/L，溫度55℃，浴比1∶100，pH值10，時間50min；木瓜蛋白酶脫膠條件為酶濃度5g/L，溫度65℃，浴比1∶100，pH值6，時間70min。酶制劑用于真絲精煉處理中具有使用安全、對人體和環境危害很小、使用條件溫和、廢液無害化處理較簡單等優點，且生物酶脫膠處理方法的效果優于傳統的脫膠處理。此外，生物酶脫膠技術正在逐步取代強酸、強堿等化學品大量應用于紡織品精煉加工中。此研究對紡織品加工以及紡織工業清潔生產發展具有現實意義。