羊绒用复合酶生态处理工艺

李晓彦 魏玉娟 徐 壁 蔡再生

东华大学 化学化工与生物工程学院(中国)

近年来，中国已成为世界羊绒产品生产大国，其市场对羊绒原料的需求快速增长。羊绒原绒中含有的植物性杂质影响织物品质，易造成染疵。为了去除原绒中的植物性杂质，根据纤维素不耐酸而羊绒耐酸的原理，通常采用硫酸对植物性杂质进行脱水炭化处理，但此方法存在环境污染问题[1-2]。因此，研究高效、环保的生态处理工艺势在必行。生物酶是一种高效、环保、可再生的生物试剂，可替代传统工艺中所使用的有毒、污染环境且不可再生的化学试剂，以解决环境污染问题。

纤维素酶含不同组分，不是一种单一的酶[3]。纤维素的生物降解过程涉及到一组复合的纤维素酶，一般认为包括3种主要成分[4]。纤维素复合酶可对羊绒中植物性杂质进行降解，使其物理性能发生变化，如强力降低，聚合度下降，从而形成短小易分离的纤维碎片。同时，纤维素复合酶可降低植物性杂质与羊毛的附着力，有利于植物性杂质在后序加工中被去除[5-6]。

本文研究了生物酶的种类、用量及工艺温度、时间、pH值对去除原绒中植物性杂质的影响，并与传统酸炭化进行对比，旨在为羊绒的绿色、高效生产提供借鉴。

1 试验

1.1 试验材料、试剂与仪器

材料：原羊绒，产自内蒙古自治区鄂尔多斯市，含有较多草籽等植物性杂质。

主要试剂与仪器见表1和表2。

表1 主要试剂

表2 主要仪器

1.2 试验内容

1.2.1 传统酸炭化

1.2.2 复合酶处理

1.2.3 溶液配制

酸液配制：用移液管量取质量分数为98%的浓硫酸5～6 mL，加水稀释至50～60 g/L，待用。

酶液配制：称羊绒0.5 g，酶用量按羊绒质量的0.5%～4.0%称取，保持浴比1∶30，配得不同用量的酶液。

1.3 性能测试

本文采用不同酶处理工艺处理原羊绒，以处理后羊绒纤维的失重率、纤维强度及白度作为检验处理效果的指标。失重率为主要指标，用以表征酶对羊绒纤维中植物性杂质的去除量。纤维强力与白度可以反映酶对羊绒纤维损伤的程度，并用以与传统酸炭化工艺进行对比。

1.3.1 白度测试

参照GB/T 8424. 2— 1997《纺织品相对白度的仪器评定方法》测试。

主要步骤：开机预热30 s后，按说明书调零和校正。将处理好的试样放入测量孔测量(注意不要透光)，记录数据，进行数据分析[7]。

1.3.2 纤维强力测试

按照FZ/T 98009—2011 《电子单纤维强力仪测定实验》测试。

主要步骤：纤维强力仪预热0.5 h后，打开软件，进行参数设置。每次取1根纤维进行测试，每组试样测4次求平均值。

1.3.3 失重率测试

失重率计算式如下。

式中：M1——待测羊绒原质量；

M2——待测羊绒处理后质量。

2 试验结果与分析

2.1 果胶酶处理工艺中的影响因素探究

2.1.1 单因素试验

2.1.1.1 果胶酶用量的影响

保持处理温度为50 ℃，时间为50 min， pH值为3的条件不变，改变果胶酶的用量处理原羊绒，处理后羊绒纤维的断裂强力、白度及失重率如表3所示。

表3 果胶酶浓度对羊绒性能的影响

表3数据表明，酶用量(o.w.f)为4.0%时，纤维失重较大，说明此时植物性杂质去除较多。同时其单纤维断裂强力与白度均较高，说明此时酶的作用效果较好。酶用量继续增加，去除植物性杂质的效果并无明显改善，羊绒单纤维断裂强力和白度均有所下降，表明果胶酶用量较大时，对纤维有一定的损伤。

2.1.1.2 处理温度的影响

保持处理时间为50 min，pH值为3，酶用量(o.w.f)为2.0%的条件不变，改变处理温度处理原羊绒，处理后羊绒纤维的断裂强力、白度及失重率如表4所示。

表4 处理温度对羊绒性能的影响

由表4数据可知，温度越高，羊绒纤维受损越严重。温度在50 ℃左右时，酶活力较高，酶与植物性杂质反应充分，杂质去除多，失重率高，白度高。因此，果胶酶作用的较适宜温度为50 ℃。

2.1.1.3 处理时间的影响

保持处理温度为50 ℃，pH值为3，酶用量(o.w.f)为2.0%的条件不变，改变处理时间，处理后羊绒纤维的断裂强力、白度及失重率如表5所示。

表5 处理时间对羊绒性能的影响

表5数据表明，酶反应时间越长，羊绒纤维的失重率越大，说明随着处理时间延长，酶与植物性杂质反应充分，去杂效果好。但处理时间从40 min延长到50 min，失重率增加不明显。考虑时间成本，确定果胶酶处理原羊绒的较适宜时间为40 min。

2.1.1.4 pH值的影响

保持处理温度为50 ℃，处理时间为50 min，酶用量(o.w.f)为2.0%的条件不变，改变果胶酶作用pH值处理原羊绒，处理后羊绒纤维的断裂强力、白度及失重率如表6所示。

表6 pH值对羊绒性能的影响

表6数据表明，羊绒纤维的白度和失重率随pH值的升高而降低，其断裂强力在较强酸性条件下更好。这表明果胶酶在偏酸性条件下对植物性杂质的去除效果较好，即果胶酶作用的较适pH值为3。

2.1.2 正交试验

由上述单因素试验可知，果胶酶处理原羊绒的较适宜条件如下：果胶酶用量(o.w.f)为4.0%，pH值为3，处理温度为50 ℃，处理时间为40 min。为进一步找出主次因素及优化工艺，设计了4因素(分别记为A、B、C、D)3水平(表7)正交试验，按照L9(34)正交表进行果胶酶处理原羊绒试验(表8)。

表7 果胶酶处理工艺因素水平设计

由表8数据可知，在所试验的各因素水平范围内，本文所研究的4个因素对失重率影响较大。极值R越大，表示其影响因子越大。由表8中R数据可知，各因素对失重率影响由大到小依次为温度、pH值、时间、果胶酶用量。以失重率较优方案为主，8号试验结果较优，其处理条件如下：果胶酶用量(o.w.f)为5.0% ，pH值为3，温度为45 ℃，时间为50 min。

2.2 木质素酶处理工艺中的影响因素探究

2.2.1 单因素试验

2.2.1.1 木质素酶用量的影响

保持酶处理温度为50 ℃，时间为40 min ，pH值为6的条件不变，改变木质素酶的用量处理原羊绒，处理后羊绒纤维的断裂强力、白度及失重率如表9所示。

表8 果胶酶处理工艺正交试验表

表9 木质素酶浓度对羊绒性能的影响

由表9数据可知，酶用量从1.0%增至2.0%，植物性杂质去除充分，纤维白度增加。当酶用量大于2.0 %后，继续增大酶的用量，白度逐渐降低，这是因为可能生成了新的有色物质。同时，因较大的酶用量会降低纤维强力，故选择木质素酶的较适宜用量(o.w.f)为2.0%。

2.2.1.2 木质素酶作用温度的影响

保持处理时间为50 min，pH值为6，酶用量(o.w.f)为2.0%的条件不变，改变处理温度处理原羊绒，处理后羊绒纤维的断裂强力、白度及失重率如表10所示。

表10数据表明，随着处理温度适当升高，羊绒纤维白度升高。这说明较高温度有利于提高酶活性，对植物性杂质去除效果好。当处理温度达50 ℃时，纤维白度较高，温度继续升高，酶失活导致活性下降，酶与植物性杂质反应程度降低，羊绒的白度和失重率也下降。因此，木质素酶处理原羊绒的较适宜温度为50 ℃。

表10 处理温度对羊绒性能的影响

2.2.1.3 木质素酶作用时间的影响

保持处理温度为50 ℃，pH值为6，酶用量(o.w.f)为2.0% 的条件不变，改变木质素酶的作用时间处理原羊绒，处理后羊绒纤维的断裂强力、白度及失重率如表11所示。

表11 处理时间对羊绒性能的影响

酶作用时间越长对纤维的损伤越大，但同时，酶与植物性杂质的反应越充分，植物性杂质去除越多。根据表11数据，确定木质素酶处理原羊绒较适宜的时间为40 min。

2.2.1.4 木质素酶作用pH值的影响

保持处理温度为50 ℃，处理时间为40 min，酶用量(o.w.f)为2.0% 的条件不变，改变木质素酶反应的pH值处理原羊绒，处理后羊绒纤维的断裂强力、白度及失重率如表12所示。

表12 pH值对羊绒性能的影响

由于羊绒纤维耐酸不耐碱，因此纤维在偏酸性条件下比偏碱性条件下的强力要好。表12数据显示，失重率在pH值为6的条件下较高，说明此时酶的活性较高，除杂效果好。

2.2.2 正交试验

由上述单因素试验可知，木质素酶用量(o.w.f)为2.0% ，pH值为6，处理温度为50 ℃，处理时间为40 min时，木质素酶处理原羊绒效果较好。为进一步找出主次因素及优化工艺，设计了4因素(分别记为A、B、C、D)3水平(表13)正交试验，按照L9(34)正交表进行木质素酶处理原羊绒试验(表14)。

表13 木质素酶处理工艺的因素水平设计

表14 木质素酶处理工艺正交试验表

表14数据表明，与果胶酶处理工艺类似，在所试验的各因素水平范围内，本文所研究的4个因素对失重率影响较大。由表14中R数据可知，各因素对失重率影响由大到小依次为时间、酶用量、温度、pH值。以失重率较优方案为主，综合考虑白度与单纤维断裂强力，8号试验结果较优，其处理条件如下：酶用量(o.w.f) 为2.5% ，pH值为6，处理温度为45 ℃，处理时间为50 min。

2.3 复合酶处理工艺探究

生物酶协同效应有利于去除羊毛内植物性杂质[8]。为降低生产成本，提高处理效率，本文尝试将果胶酶与木质素酶复合，处理原羊绒中的植物性杂质。以果胶酶处理较佳工艺和木质素酶处理较佳工艺为基础，综合考虑设备耐酸能力、成本等因素，确定在保持处理时间为40 min，处理温度为50 ℃，pH值为6不变的情况下，改变果胶酶和木质素酶用量处理原羊绒，处理后羊绒纤维的断裂强力、白度及失重率如表15所示。

表15 复合酶用量对羊绒性能的影响

单一使用果胶酶或木质素酶处理原羊绒的较佳工艺中，果胶酶、木质素酶用量(o.w.f)分别为5.0%和2.5%。表15数据表明，果胶酶与木质素酶复合使用，二者用量均可减少。当二者各为2.0% 时，处理后羊绒纤维的各项性能较好，尤其是失重率与白度较高，说明植物性杂质去除率高。

2.4 传统酸炭化处理效果

为去除羊毛上植物性杂质，目前毛纺工业上多采用传统酸炭化工艺。采用酸炭化工艺处理原羊绒试验结果如表16所示。

使用果胶酶与木质素酶用量(o.w.f)分别为2.0%的复合酶处理原羊绒，处理后羊绒单纤维强力近10 cN，白度为38.5%，有利于后期羊绒的染色及整理。与复合酶处理工艺相比，酸处理虽去杂效果较好，失重率高达53.3%(表16)，但纤维白度不高，且单纤维断裂强力较低，说明酸处理工艺对纤维有一定损伤。此外，传统酸处理工艺具有污染环境、对纤维损伤大[9-10]等缺点，复合酶生态处理工艺取代酸处理工艺更符合现代工业需求。

表16 传统酸炭化处理后羊绒的性能

3 结论

——采用单一果胶酶或木质素酶去除羊绒中植物性杂质，木质素酶的作用效果更好；

——果胶酶与木质素酶复合处理，酶用量可减少，二者用量(o.w.f)各为2.0% 时，处理效果较好；

——比较复合酶处理工艺与传统酸炭化工艺发现，前者处理后羊绒的单纤维强力与白度均较高。复合酶处理较优工艺如下：果胶酶用量(o.w.f)为2.0%，木质素酶用量(o.w.f)为 2%，处理时间为40 min，处理温度为50 ℃，pH值为6。此时，纤维失重率为38.4%，断裂强力为9.97 cN，白度为38.5%。