基于复合酶体系的牛仔服装低温一步法生物整理

姚继明，李倩，魏赛男（河北科技大学 纺织服装学院，石家庄 050018）



基于复合酶体系的牛仔服装低温一步法生物整理

姚继明，李倩，魏赛男
（河北科技大学 纺织服装学院，石家庄 050018）

采用中心复合实验法设计，以淀粉酶、纤维素酶、漆酶及pH值为影响因子，在25℃条件对靛蓝牛仔织物进行一步法生物整理，测试织物的颜色、强力、毛细效应、浆料去除率及绒毛率指标并进行数据分析和优化.实验结果表明：对织物褪色、绒毛率和强力影响显著的因子主要为纤维素酶，漆酶对织物亮度和褪色影响显著，淀粉酶对淀粉去除率和毛效影响显著.在优化条件下，低温一步法处理后织物的各项指标与传统两步法接近.

复合酶；牛仔布；低温一步处理法；漆酶；纤维素酶；淀粉酶

传统牛仔服装必须经过后续的水洗加工，去除面料上的浆料，清除织物表面的绒毛，产生“仿旧”的外观，改善手感和穿着的舒适性和美观性.水洗过程主要包括退浆、纤维素酶洗、柔软三道工序，目前退浆和酶洗处理大多分两步进行，温度在45～55℃之间，加工时间60～120 min［1］.水洗过程的升温和保温靠通入蒸汽来完成，此过程耗费大量的蒸汽，同时造成退浆和酶洗过程中脱落的染料重新沾污到织物表面，必须经过多次水洗才能清除干净，两步法处理和反复的清洗消耗大量的水、电、蒸汽，同时产生大量废水，因此国内外对退浆、酶洗一步法整理工艺的研究受到了广泛的关注.如Maryan等［2］使用淀粉酶、纤维素酶和漆酶在50～60℃、pH为5～7条件下一浴法对牛仔织物进行处理，发现处理效果与两步法相当.陈新琪［3］也采用淀粉酶、纤维素酶和漆酶在80℃、pH为6条件下一浴法对牛仔织物进行处理，取得了预期的效果.由于目前常见的纤维素酶、淀粉酶和漆酶通常的作用温度都在50℃左右，实现复合酶低温一步法处理还需要在酶的选择和改性及体系的优化组合方面进行研究和实践，本文使用石家庄美施达生物化工有限公司提供的复合淀粉酶、低温纤维素酶和河北省微生物研究所提供的漆酶，采用中心复合实验设计方案，以纤维素酶（A）、漆酶（B）、淀粉酶（C）的用量和pH值（D）为变量因子，通过对处理后织物的颜色、强力、吸水性，织物表面绒毛率以及织物的淀粉浆料去除率的测试与分析，找出影响织物处理效果的显著性因子，优化各组分的用量，并与两步法的处理效果进行对比，探讨低温一步法实施的可能性.

1　实验部分

1.1材料及仪器

材料：靛蓝牛仔织物，经纬向纱线支数10s×10s，经密105根/5 cm，纬密90根/5 cm，布克重450 g/m2，河北新大东纺织有限公司提供；低温纤维素酶CS，滤纸酶活力（FPU）≥220，复合淀粉酶DL（2 000 u/mL），石家庄美施达生物化工有限公司提供；漆酶GV（100 u/mL），河北省微生物研究所提供；高氯酸，酚酞，氢氧化钠，醋酸，碘化钾，碘酸钾等为分析纯级试剂，市售.

仪器：YG026B型电子织物强力仪，南通三思机电科技有限公司产品；织物毛细效应测试仪，山东省纺织科学研究院仪器研究所产品；高温染色机，上海一派印染设备有限公司产品；Color i5-D测色配色仪，美国Datacolor公司产品；JH756紫外可见分光光度计，上海菁华科技有限公司产品；绒毛测试仪，自制；电子天平，容量瓶，烧杯，剪刀等，市售.

1.2试验方法

根据实验方案设计，控制浴比1∶20，将织物在不同用量的纤维素酶、漆酶、淀粉酶和pH值下，在染色机中25℃处理60 min，加NaOH（2 g/L）进行灭活，清水洗涤2次，晾干.

1.3测试方法

1.3.1颜色指标

利用Color i5测色配色仪，10°视场、D65光源，将处理后织物折叠成4层（不透光）放在测色孔上，测试织物的L*，a*，b*，K/S值，每块织物测试5个不同的点，取平均值.

1.3.2织物拉伸强力（TS）

参照GB/T 3923.1-2013《纺织品织物拉伸性能第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定（条样法）》测定织物拉伸断裂强力，测量3次，求取平均值.

1.3.3织物毛细效应（WB）

参照FZ/T 01071-1999《纺织品毛细效应试验方法》，利用织物毛细效应测试仪，测试织物的毛细效应. 以30 min内织物的吸湿高度（cm）作为毛细效应的指标，WB值越高，织物的吸湿性能越好.

1.3.4织物淀粉浆料去除率（SR）

取织物2 g（精确至0.1 mg），将棉织物剪成5 mm× 5 mm左右的小块，加入约30 mL高氯酸溶液（42%），室温下搅拌30 min，加入100 mL蒸馏水、2滴酚酞指示剂，6 mol/L氢氧化钠至溶液呈淡粉色，滴加2 mol/L醋酸至淡粉色消失.过滤，将滤液转移至250 mL容量瓶中，用蒸馏水冲洗织物并抽滤2次，将冲洗液转移至容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度.吸取该溶液5 mL，置于50 mL容量瓶中，加入2 mol/L醋酸溶液25 mL、10%碘化钾溶液0.5 mL、0.05 mol/L碘酸钾溶液2 mL，再用蒸馏水稀释至刻度，在避光处放置显色5 min，以含2 mol/L醋酸溶液25 mL、10%碘化钾溶液0.5 mL、0.05 mol/L碘酸钾溶液2 mL的空白处理溶液作参比，在620 nm处测定吸光度.织物上淀粉浆料去除率（SR）按下式计算：

式中：B1、B2分别为织物处理前、后测试液的吸光度［4］.

1.3.5织物表面绒毛率（PR）

在绒毛测试仪上沿横向和纵向各3个位置获取织物边缘图像，在1 cm×0.1 cm图像内，绒毛所占的图像面积与整个图像面积的百分率定义为绒毛率，计算平均值.绒毛率越低，表明织物表面的光洁度越好，织物的生物处理效果越好.

2　结果与讨论

2.1实验设计方案及处理后织物性能指标

目前牛仔织物的经纱上浆的浆料主要为淀粉或变性淀粉浆料，以α-淀粉酶为主要组分的复合淀粉酶DL对淀粉浆料具有去除率高，温度范围宽的特点［5-7］.纤维素酶是一种多组分的复合酶，外切酶（C1）首先作用于纤维素的结晶区，破坏其结晶结构，再由内切酶（Cx）深入内部将纤维长链切割成短链的低聚糖，最后由β-葡萄糖苷酶将这些中间产物降解为葡萄糖.纤维素酶作用于牛仔织物表面，可以去除织物表面的绒毛，褪色产生仿旧效果.纤维素酶CS是一种低温酶，在pH=6.0的条件下，活力在20～35℃有一个比较宽泛平稳的温度作用区间，能够用于低温酶洗［8］.漆酶（EC1.10.3.2）是多铜氧化酶中的一种含铜的糖蛋白氧化酶［9］，可催化氧化酚类和芳香胺类化合物，同时将氧分子还原成水；另一方面漆酶催化底物氧化和通过4个铜离子协同传递电子和价态变化来实现对O2的还原［10］.将漆酶用于靛蓝牛仔布的返旧水洗整理，整理后的织物手感厚实，表面光洁，色泽明快淡雅.利用漆酶水洗不但可减少水洗废水中的靛蓝含量、降低环境污染，有效地减轻靛蓝返染程度，且不会对织物强力造成影响，提高服装的质量档次.从环保和处理效果方面而言，漆酶的牛仔布水洗具有很好的应用前景［11］.

以淀粉酶DL（A）、纤维素酶CS（B）、漆酶GV（C）以及pH值（D）为变量，通过采用响应曲面法中的中心复合实验法设计确定体系中各种酶的用量及pH值.响应曲面法是一种优化工艺条件的有效方法，可以建立连续变量曲面模型［12-13］，确定体系中各因素及其交互作用对处理过程中指标（响应值）的影响，精确地表述因素和响应值之间的关系.此类曲面模型可对影响过程因素及其交互作用进行评价，确定最佳水平范围［14］.中心复合实验设计方案及织物的各项性能指标结果如表1所示.

2.2显著性分析

由于牛仔服装经过生物整理后还需要后续的漂白，柔软等加工，衡量牛仔服装生物整理效果主要通过织物表面褪色程度，绒毛去除程度，退浆率，织物的毛效和强力等指标来评价.表面褪色程度采用测色仪测得数据中选取D65光源下所测的色坐标（L*、a*、b*）和最大吸收波长下的K/S值来反映［15］.在光源D65下，L*表示织物明度，数值越大说明织物颜色越亮，反之越暗；a*表示织物色光偏红或偏绿，数值越大色光越红，相反越绿；b*表示色光偏黄或偏蓝，数值越大色光越黄，相反越蓝；K/S代表织物染色深度，数值越大表示织物颜色越深，褪色效果越差，反之数值越小，颜色越浅，褪色效果越好.由于经纱上的浆料主要是淀粉，本实验采用淀粉去除率代表退浆率.由于纤维素酶、漆酶和淀粉酶各自的作用，最佳作用条件不尽相同，各因素对织物的各项指标的影响程度也不相同.各因素对织物性能指标作用的显著性如表2所示.

表1　中心复合实验设计方案及处理后织物的各项性能指标Tab.1　Central composite design and result of fabric after treatment

当p值≤0.05时，表明某一因子对该指标有显著性影响.由表2可以看出，漆酶、淀粉酶、pH以及纤维素酶与漆酶的相互作用对L*值的影响显著，这表明织物处理后的明亮程度与淀粉酶和漆酶的作用的发挥关系显著，这是由于漆酶对靛蓝染料产生氧化作用，使其部分氧化褪色，对光线的吸收减少，反射增加.淀粉酶的作用主要是由于浆料去除降低了对光线的吸收，这也可以从淀粉去除率的显著性影响得到证实，漆酶和淀粉酶的活力在pH为6时最强，pH值对L*值的影响与漆酶和淀粉酶的活力相关.对于织物的色光a*，b*值，系统中的各种因素影响均不显著.漆酶及漆酶与纤维素酶的交互作用对K/S值影响最为显著，表明漆酶和纤维素酶对织物褪色效果起到决定性的作用.纤维素酶和淀粉酶对织物的毛效作用显著，说明浆料的去除和部分纤维素的降解提升了织物的吸湿性.对于织物强力，纤维素酶的作用最大，也可以说纤维素酶解，容易造成织物强力的降低，而漆酶和淀粉酶影响很小.纤维素酶对织物的绒毛率影响最大，表明纤维素酶是去除绒毛的主要因素.

表2　各因素对织物性能指标作用的显著性Tab.2　Significance of various factors on treated fabric properties

2.3回归方程

剔除影响不显著因素，对影响显著的指标和因子进行线性和相互作用回归，回归方程如表3所示.

R-Sq代表回归模型误差占总误差的百分比.取值在0%～100%之间，数值越大，表明回归模型与数据吻合得越好.R-Sq（adj）代表调整的R-Sq，取值也在0%～100%之间.R-Sq（adj）与R-Sq越接近，表明回归模型越可靠.R-sq值越大越好，若大于70%，存在相关性，85%以上，关系显著.由表3可以看出，毛细效应与纤维素酶及淀粉酶用量回归方程，淀粉去除率与淀粉酶用量，pH及之间的相互作用回归方程，绒毛率与纤维素酶用量回归方程相关性高，回归模型可靠.

表3　各响应值的回归方程及回归模型误差百分比Tab.3　Response values of regression equation and regression model error percentage

2.4体系优化

由于体系中各个因子对处理后织物颜色的a*、b*值影响均不显著，在织物指标（响应）中，只考虑影响显著的因子和响应，通过响应曲面法中的优化响应器进行优化，优化的因子数值和预测的响应值如表4所示.

表4　优化的因子数值和预测的响应值Tab.4　Factor numerical of optimization and response value of prediction

采用表4中优化后的变量因子处理织物，其预测的结果合意度在0.9以上，表明优化的结果有很高的可靠性.

2.5与传统两步法对比

采用传统的两步法工艺，以淀粉酶0.5 g/L，50℃，浴比1∶20对织物退浆20 min，放掉残液，然后用纤维素酶0.475 g/L、25℃、pH=6、浴比1∶20处理60 min，与按表4中的优化后的因子（25℃，浴比1∶20处理60 min）的低温一步法进行比较，织物测试结果如表5所示.

由表5可知，采用优化条件下一步法处理，各项指标的预测值与实际值接近，同传统的两步法处理相比，L*和强力略高，褪色效果、毛细效应和淀粉去除率稍低，绒毛率接近，表明复合酶体系低温一步法生物整理效果接近传统两步法的整理效果.

表5　一步法与两步法处理后的织物性能指标Tab.5　Fabric treated with one-step and two-step performance metrics

3　结论

采用复合酶体系对牛仔织物进行低温一步法生物整理，体系中纤维素酶、漆酶、淀粉酶、pH值对处理后织物的各项性能指标未见显著的交互作用，对织物的色光影响不大.漆酶、淀粉酶、pH以及纤维素酶与漆酶的相互作用对L值的影响显著.漆酶及漆酶与纤维素酶的交互作用对K/S值影响最为显著，纤维素酶和淀粉酶对织物的毛效作用显著，纤维素酶对织物的绒毛率和强力影响最大.在优化条件下对织物进行低温一步法处理，整理效果接近传统的两步法处理.

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Low temperature one-step biotreatment of denim based on composite enzyme system

YAO Ji-ming，LI Qian，WEI Sai-nan
（College of Textile and Garment，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang 050018，China）

The dosage of amylase，cellulase，laccase and pH value were used as impact factor in central composite experiment design for biotreatment of denim at 25℃.The colour strength and shade，tensile strength，capillary effect，size removal percentage and pill extent were measured and were optimised by minitab software.The results show that cellulase gives the significant impact on colourfiding，pill extent and tensile strength，laccase gives significant impact on colourfiding and brightness，and amylase gives significant impact on capillary effect and size removal.Compared with traditional two-step treatment，the similar results of treated fabric are achieved by low temperature one-step treatment.

composite enzyme；jean；low temperature one-step treatment；laccase；cellulase；amylase

TS190.64

A

1671-024X（2016）03-0055-05

10.3969/j.issn.1671-024x.2016.03.011

2015-11-03

河北省科技支撑计划项目（15272615D）

姚继明（1965—），男，博士，教授，主要研究方向为纺织清洁生产及功能化先进加工技术.E-mail：yaojiming66@126.com