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酶去除棉织物中非纤维素杂质的作用机制及应用策略

阎贺静  
【摘要】: 棉织物的酶精练工艺是利用酶制剂的催化专一性来降解棉纤维中的非纤维素杂质以达到去除它们的目的的。该工艺作用条件温和、节能省耗和环境友好,是目前公认的棉织物碱煮练工艺的理想替代工艺。然而,酶精练工艺对棉织物中的非纤维素杂质如蜡质和果胶质特别是棉籽壳的去除效果较碱煮练工艺低,这已成为棉织物酶精练工艺大规模工业化应用的最大障碍之一。本论文以提高棉织物酶精练工艺中非纤维素杂质尤其是棉籽壳的去除率为目标,详细分析了棉籽壳的结构和化学组成,研究了角质酶对棉籽壳的降解作用及其与其它酶制剂的协同作用机制,发现了在棉织物酶精练工艺中影响酶制剂催化效率的重要因素,并对其影响机制进行了探讨;在此基础上提出了对棉织物进行酶精练和漂白一浴处理的新策略,得到了棉织物非纤维素杂质特别是棉籽壳的理想去除效果。主要研究结果如下: 1.应用傅立叶变换红外显微扫描技术对棉籽壳的结构、化学成分及其分布进行分析,在此基础上筛选出对棉籽壳有显著降解作用的四种酶制剂—碱性纤维素酶、碱性木聚糖酶、真菌角质酶和碱性果胶酶。将四种酶制剂应用于棉织物的酶精练工艺,在它们的最佳用量下对棉织物进行处理得到的棉籽壳去除率为10.66%。与目前两种商品精练酶制剂处理获得的4.72%和8.67%的棉籽壳去除率相比有所提高,但远低于碱煮练40.33%的棉籽壳去除率。 2.角质酶对棉籽壳外表皮层中的角质有降解作用。角质酶降解角质的同时也去除了棉籽壳表皮层的脂类物质,扫除了酶蛋白向棉籽壳内部渗透的障碍,提高了棉籽壳对酶制剂的吸附容量。经角质酶处理后,棉籽壳对碱性木聚糖酶的吸附量提高了1.28倍。因此促进了其它酶制剂对棉籽壳的降解作用,体现了角质酶与其它酶制剂在降解棉籽壳时的协同作用。与角质酶共同对棉籽壳进行处理,碱性木聚糖酶和碱性果胶酶处理液中产生的还原糖的量分别增加了800μg和1270μg,样品的失重率分别增加了7.18%和6.29%。 3.温度对碱性木聚糖酶降解棉籽壳的影响很大,是影响酶催化效率的重要因素。经分析,与碱性木聚糖酶降解棉籽壳的过程曲线拟合最好的方程为。由此方程可以得出不同温度时不同转化率下碱性木聚糖酶对棉籽壳的催化速率。结果表明在较高温度时(55-65℃)碱性木聚糖酶对棉籽壳的催化速率远高于低温时(30-45℃)的催化速率。同时在一定温度范围内,温度对角质酶去除织物中的蜡质、碱性果胶酶去除果胶质及碱性纤维素酶去除棉籽壳具有相同的影响,即酶处理时的温度越高棉织物中非纤维素杂质的去除率越高。 4.酶的催化效率与蜡质的去除密切相关。温度越高,覆盖在棉纤维最外层的蜡质(游离蜡质)溶解和流失的越多,样品中酶制剂作用位点暴露的也越多,因此增加了吸附到棉织物中的酶蛋白的量,这可能是酶制剂催化效率在较高温度下提高的重要原因。根据以上的研究,应用温度控制策略提高了棉织物酶精练工艺中蜡质及其它非纤维素杂质的去除效果。温度控制策略中(与55℃酶精练工艺相比)蜡质、果胶质及棉籽壳的去除率分别为75.37%(59.83%)、85.33%(79.80%)和14.87%(10.66%)。 5.应用低温激活剂(TAED)对棉织物实行酶精练和漂白一浴处理(H_2O_2/TAED体系)的策略能够有效提高棉织物中非纤维素杂质特别是棉籽壳的去除率。在酶精练时加入H_2O_2对棉织物进行处理后,低温时H_2O_2的氧化作用有利于蜡质、果胶质和棉籽壳的去除,特别是对棉籽壳的氧化、漂白作用,使酶精练阶段棉籽壳的去除率大大提高,较常规酶精练提高了25.13%。将H_2O_2/TAED练漂一浴体系应用于棉织物的酶精练和漂白,其中蜡质、果胶质和棉籽壳的去除率分别为92.27%、87.35%和88.06%,与碱煮练和传统漂白后相应的95.66%、89.57%和90.33%的去除效果相当。


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