基于角蛋白酶-蛋白酶协同增效的酶法羊毛防缩加工

骆坚城,栾文辉,余圆圆 ,王 平,王 强

(1.生态纺织教育部重点实验室(江南大学),江苏 无锡 214122;2.山东南山智尚科技股份有限公司,山东 龙口 265700)

羊毛由于鳞片层结构的定向摩擦效应使其易出现毡缩现象。羊毛鳞片层结构由外向内依次为鳞片表层、鳞片外层和鳞片内层,其中鳞片表层由类脂物与蛋白质组成,疏水性强,含硫量较高;鳞片外层为厚实紧密的角质蛋白层,含硫量最高,结构稳定;鳞片内层为非角质蛋白,化学性质较活泼,易被化学试剂和蛋白酶等分解。上述结构中,含硫量较高的鳞片外层作为鳞片层的主体,对羊毛的毡缩性能影响较大[1]。

传统化学法防缩整理是通过氯化、氧化和还原等处理对鳞片层中的二硫键进行破坏,处理过程中会对环境产生污染,也容易引起羊毛损伤和服用性能下降。生物酶法防缩是借助蛋白酶进行羊毛纤维鳞片水解或剥离,降低毛织物水洗中的毡缩现象,具有节能环保的生态优势。目前,基于蛋白酶法进行羊毛防缩整理研究报道较多[2],但蛋白酶难以降解含硫量较高的鳞片外层,处理中极易发生基于“水解模式”的羊毛鳞片层间的羧甲基纤维素CMC组分和皮质蛋白结构破坏,造成较大的羊毛纤维损伤[2-4]。角蛋白酶是一种对角蛋白有特异性降解能力的酶类,研究认为角蛋白酶对含硫量较高的角蛋白有专一性,能催化角蛋白变性水解为多肽及游离氨基酸等[5]。Iglesias等[6]从不同菌株中分离羊毛角蛋白酶,对其性质进行研究并发现其对羊毛的防缩性能有所改善;Tu等[7]通过角蛋白酶和蛋白酶K对羊毛进行协同处理,发现其对鳞片层有明显的降解作用;黄庞慧等[8]采用角质酶、角蛋白酶一浴法的方式处理羊毛织物,改善了织物的防缩性能且损伤较低,但处理时间较长。

本文采用商品化的角蛋白酶和诺维信公司Savinase蛋白酶进行二浴法处理羊毛织物,旨在先通过角蛋白酶对鳞片外层进行高效降解,在此基础上再引入蛋白酶处理进一步均匀降解羊毛鳞片层,从而实现绿色高效的防毡缩整理。

1 实验部分

1.1 实验材料

羊毛织物(面密度230 g/m2,市售羊毛华达呢白坯布);角蛋白酶B(100 000 U/g,江南大学);角蛋白酶S(10 000 U/g,江南大学);角蛋白酶Y(70 000 U/g,上海源叶生物科技有限公司);角蛋白酶W(24 000 U/g,天津科技大学);Savinase16L蛋白酶(20 000 U/g,诺维信公司);酪蛋白(上海阿拉丁生化科技股份有限公司);角蛋白(上海麦克林生化科技股份有限公司);其他试剂均为国产分析纯。

1.2 实验方法

1.2.1 角蛋白酶K/C值及还原性的测定

参照GB/T 23527—2009《蛋白酶制剂》,分别以角蛋白、酪蛋白为底物对酶活K、酶活C进行测定,二者的比值为角蛋白酶的K/C值,评价角蛋白酶对角蛋白的专一性;将50 μL Ellman试剂与2.5 mL磷酸钠缓冲溶液混匀,加入50 μL酶液,混合均匀后在室温放置15 min,以含Ellman试剂的缓冲液为空白样,于波长412 nm处测定待测样品的吸光度,通过L-半胱氨酸标准曲线计算其含量评价角蛋白酶对二硫键的还原能力。

1.2.2 角蛋白酶对羊毛鳞片层及羊毛纤维的降解率测定

取1 U角蛋白酶分别与10 mg羊毛鳞片层和羊毛纤维在1 mL (Tris-HCl三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸)缓冲液中反应30 min(50 ℃、pH值为9),加入三氯乙酸终止反应,8 000 r/min 离心处理10 min后取上清液,在275 nm处测量酶降解羊毛鳞片吸光度A1及酶降解羊毛纤维吸光度A2。参照吸光度与芳香氨基酸的浓度的标准曲线,按式(1)(2)计算角蛋白酶处理后鳞片降解率和纤维降解率。

(1)

(2)

式中:P1为鳞片层降解率,%;A1为酶解鳞片层残液的吸光度;V1为酶解鳞片层的反应体积,mL;P2为纤维降解率,%;A2为酶解纤维残液的吸光度;V2为酶解纤维的反应体积,mL。

1.2.3 羊毛织物的酶处理工艺

蛋白酶处理工艺(工艺1):羊毛织物经50 ℃热水浴处理10 min后,以0.5 g/L Savinase16L蛋白酶在50 ℃、pH值为8的条件下处理90 min,浴比为1∶20,处理后试样在90 ℃灭活5 min后洗净烘干。

角蛋白酶处理工艺(工艺2):羊毛织物经60 ℃热水浴处理10 min后,以20 U/g角蛋白酶在60 ℃,pH值为9的条件下处理90 min,浴比为1∶20,处理后试样在90 ℃灭活5 min后洗净烘干。

角蛋白酶-蛋白酶一浴法工艺(工艺3):羊毛织物经60 ℃热水浴处理10 min后,以用量为20 U/(g织物)的角蛋白酶及0.5 g/L Savinase16L蛋白酶在50 ℃、pH值为8的条件下处理90 min,浴比为1∶20,处理后试样在90 ℃灭活5 min后洗净烘干。

角蛋白酶-蛋白酶二浴法工艺(工艺4):羊毛织物经60 ℃热水浴处理10 min后,先以用量为20 U/(g织物)的角蛋白酶在60 ℃、pH值为9的条件下处理30 min,浴比为1∶20,高温灭活后洗净;随后采用0.5 g/L Savinase16L蛋白酶在50 ℃、pH值为8的条件下处理60 min,浴比为1∶20,处理后试样在90 ℃灭活5 min后洗净烘干。

1.3 性能测试

1.3.1 羊毛织物的毡缩率测定

参照GB/T 8628—2013《纺织品 测定尺寸变化的试验中织物试样和服装的准备 标记及测量》,选用 Y(B)089A 全自动缩水率试验机(温州大荣纺织仪器有限公司)洗涤羊毛织物,结果取3次测试的平均值。

1.3.2 羊毛织物的断裂强力测定

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)》,选用测定羊毛织物断裂强力,每组试样测试3次,取平均值。

1.3.3 阿尔瓦登效应与润湿性能测试

取若干根羊毛纤维置于载玻片,滴加2滴饱和溴水,加盖玻片并反应2 min后置于光学显微镜下观察纤维反应图像;使用 JC2000D4 接触角测试仪(上海中晨公司),记录试样滴加20 μL去离子水后的润湿时间及图像。

1.3.4 纤维表面形貌与表面元素分析

试样喷金后以扫描电子显微镜SU1510 (日本Hitachi公司)观察其表面形态;通过EX-250能量色散光谱分析仪(日本Horiba公司)记录样品表面的C、N、O和S 元素含量和分布。

1.3.5 着色法观察羊毛酶解程度

将试样置于冷冻包埋剂上冷冻,随后将冷冻试样用CM1950冰冻切片机(德国Leica公司)切成 10 μm 薄片,置于载玻片,滴加3 滴质量分数 0.005%的亚甲基蓝溶液到羊毛纤维上,反应1 min后置于光学显微镜下观察亚甲基蓝溶液在纤维中的染色强度及分布。

1.3.6 羊毛织物的染色性能测试

采用1%(owf)酸性普拉红在pH 值4.5、温度分别为80和98℃的条件下对羊毛织物进行染色,浴比1∶50。染后测定残液吸光度值,计算上染百分率;试样洗净烘干后使用Datacolor 850测色仪 (美国Datacolor公司)在10°视场、D65光源条件下测量试样K/S值。

1.3.7 羊毛织物服用性能测试

参照 GB/T 4802.1—2008《纺织品 织物起毛起球性能的测定 第1部分:圆轨迹法》,采用圆轨迹法测定酶处理前后羊毛织物的起毛起球性能;参照GB/T 17644—2008《纺织纤维白度色度试验方法》,使用WSB-3A智能式数字白度仪(北京京仪康光公司)在10°视场、D65光源上测量试样白度;采用丰宝仪(美国Nu Cybertek公司)测试织物风格手感。

2 结果与讨论

2.1 不同角蛋白酶的K/C值及还原能力对比

K/C值能够反应角蛋白酶对角蛋白的降解能力,K/C值越大,对角蛋白的降解能力越强;具有还原能力的角蛋白酶可使Ellman试剂(DTNB)中的二硫键断裂,从而产生2-硝基-5-硫代苯甲酸(NTB2-),并在412 nm处出现吸收峰,因此可通过Ellman试剂检测角蛋白酶的还原能力。实验测定了4种不同角蛋白酶(角蛋白酶Y、B、W、S)的K/C值、还原性和对羊毛鳞片层及纤维中部分氨基酸的降解能力,结果如图1所示。

图1 不同商品角蛋白酶(Y、B、W、S)的K/C值、还原性及降解能力Fig.1 K/C value,reducibility and degradation ability of of different commercial keratinases (Y, B, W, S).(a) K/C values and reducibility of different keratinases;(b) Degradation ability of different keratinases on scale layer and fiber

从图1(a)可看出,相对于其他3种角蛋白酶,角蛋白酶B的K/C值最高,说明其酶活性和降解角蛋白的能力最强,可以对富含角蛋白的鳞片层进行有效降解;4种角蛋白酶均有一定的还原能力,能够对二硫键产生破坏作用,其中角蛋白酶B的还原能力最强。从图1(b)发现角蛋白酶B对羊毛鳞片层和纤维的降解能力也最强,对羊毛鳞片层和纤维部分氨基酸的降解率可达73.3%和6.9%。相对于降解提取的鳞片层,角蛋白酶更难降解未经处理的羊毛纤维,这是由于角蛋白酶水解羊毛纤维需要依次通过类脂层、鳞片外层等组分,其与底物可及度有限。综上可见,角蛋白酶B的K/C值及对羊毛纤维的降解能力较高,可作为优选角蛋白酶用于后续羊毛防缩整理。

2.2 不同酶处理工艺对羊毛毡缩率及断裂强力的影响

毡缩率和断裂强力能直观表现酶法防毡缩的作用效果,毡缩率越低则防毡缩性越好,断裂强力越大则纤维损伤程度越小。采用角蛋白酶B与蛋白酶Savinase16L对羊毛织物进行不同工艺处理,对处理后织物的毡缩率和断裂强力进行测试,结果见图2。从图2(a)可知,未处理织物的毡缩率为22.6%,蛋白酶(工艺1)和角蛋白酶(工艺2)处理后织物的毡缩率明显下降,分别为10.5%与9.8%。经角蛋白酶-蛋白酶一浴法(工艺3)处理后的毡缩率为9.5%,与角蛋白酶处理后的毡缩率接近,表明一浴法处理时蛋白酶可能由于位阻效应或同浴长时间处理中酶活下降等原因并未产生协同作用。角蛋白酶-蛋白酶二浴法(工艺4)处理时,先通过角蛋白酶对高含硫的鳞片外层进行降解,松解了鳞片外层的致密结构,促进了蛋白酶对鳞片内层蛋白结构的高效水解,获得了较低的毡缩率和较高的强力保留率。相比于工艺1,工艺4具有更好的防缩效果,后续将主要对该法进行机制探究及性能测试。由图2(b)可看出,在工艺4中,随着角蛋白酶用量提升,羊毛鳞片层被逐渐酶解,织物毡缩率和强力呈持续下降的趋势。因此,采用20 U/(g织物)的角蛋白酶进行二浴法防缩整理,该用量下织物的毡缩率达5.3%,断裂强力为412 N,满足国际羊毛局产品标准 W1(“可机洗”类产品面积尺寸变化率不大于 6%)要求。

图2 不同工艺条件对毡缩率及断裂强力的影响Fig.2 Effect of different process conditions on shrinkage percentage and breaking strength.(a) Effect of different treatment processes on felt shrinkage and breaking strength;(b) Effect of keratinase dosage on felt shrinkage and fracture strength in treatment 4

2.3 角蛋白酶-蛋白酶协同处理后羊毛表面的阿尔瓦登效应及亲水性

阿尔瓦登效应是溴水氧化羊毛鳞片层的二硫键,使鳞片层内外产生渗透压形成囊泡的一种现象,因此可以由表面形成囊泡的大小和数量来判断羊毛鳞片层完整程度。考察不同试样的表面阿尔瓦登效应,结果见图3。从图3可以看到,未处理的羊毛纤维表面鳞片层完整,布满了大且密的囊泡;经蛋白酶处理后,纤维表面囊泡明显变小,鳞片层受到了一定程度的破坏;经角蛋白酶处理后,纤维表面囊泡基本消失,并能看到部分破坏后翘起的鳞片,表明角蛋白酶对鳞片层的破坏程度加深;经角蛋白酶-蛋白酶二浴法(工艺4)处理后纤维表面的囊泡消失且表面相对更加平整,验证了角蛋白酶和蛋白酶协同处理对鳞片层破坏的增效作用。

图3 不同酶处理工艺后羊毛的阿尔瓦登效应图像Fig.3 Images of the Allwörden effect of untreated(a),treatment 1(b),treatment 2(c) and treatment 4(d)wool

羊毛鳞片层外覆盖着疏水性类脂层结构,通过织物的润湿性能表征羊毛类脂层与鳞片结构的破坏程度,测试结果见表1。未处理的羊毛织物因存在类脂层结构,表面几乎不润湿;经蛋白酶或者角蛋白酶处理后织物的润湿性能得到了改善,而经角蛋白酶-蛋白酶二浴法处理后的润湿性得到显著提升,这与上述阿尔瓦登效应所示结果一致,验证了复合酶二浴法处理可有效破坏鳞片层,提高纤维润湿性。

表1 不同酶处理工艺对羊毛织物润湿性能的影响Tab.1 Effect of different treatment on the wetting properties of wool

2.4 角蛋白酶-蛋白酶二浴法处理对羊毛表面形貌及元素组成的影响

采用SEM观察了酶处理后羊毛的表面形貌变化,结果见图4。可见经蛋白酶处理后,鳞片层受到一定的破坏,有较多未完全脱离的的鳞片残渣附着于纤维表面;经角蛋白酶处理后,鳞片降解程度增加,表面附着物少;经角蛋白酶-蛋白酶二浴法处理纤维的鳞片受到较均匀的破坏,表面呈磨砂状,相对更加平整,说明二浴法能组合应用2种蛋白降解酶的特性,实现高效均匀地降解鳞片层而对纤维内皮质层结构破坏较少。从SEM图像上观察到了酶处理后纤维表面的形貌明显发生了改变,这同时也说明酶处理后表面的元素和构成可能都发生了变化。

图4 不同酶处理工艺后羊毛纤维的SEM照片Fig.4 SEM images of wool fibres of untreated (a),treatment 1(b),treatment 2(c) and treatment 4(d)wool

通过EDS对羊毛表面的C、N、O、S含量进行了测试,结果如表2所示。不同试样的C、N、O的含量变化较小,S元素的变化则较明显。与未处理羊毛纤维相比,酶处理后S含量明显下降,角蛋白酶-蛋白酶二浴法处理后S含量变化最大(下降47.5%)。羊毛纤维鳞片表层与鳞片外层中富含硫元素,酶处理对羊毛鳞片层具有明显的降解作用。与此同时,角蛋白酶处理样品的硫元素下降更明显,验证了角蛋白酶对富含二硫键鳞片角蛋白结构的酶解和去除效果。

表2 不同酶处理工艺后织物的表面元素分析Tab.2 Surface elemental analysis of fabrics after different treatment

2.5 羊毛的酶解深度及染色性能评价

羊毛中酰胺键酶解后会产生负电性羧基,易与亚甲基蓝等阳离子染料形成离子键合,通过纤维截面中染料的分布和深度来判断酶解程度。实验测试了不同条件下处理后束纤维的截面图像,结果见图5。

图5 不同酶处理工艺对羊毛纤维的酶解程度Fig.5 Degree of enzymatic digestion of untreated (a),treatment 1(b),treatment 2(c) and treatment 4(d)wool

未处理羊毛纤维截面不呈现蓝色,表明其未被酶解破坏;蛋白酶处理后的羊毛截面整体呈现深蓝色,说明该酶处理作用深度已达羊毛内部(易造成纤维内部皮质层结构水解)。经角蛋白酶处理后,截面边缘和部分位置呈现深蓝色,说明其酶作用更集中于鳞片层;角蛋白酶-蛋白酶二浴法处理后,截面中蓝色大都出现在外层部位,颜色变浅,表明角蛋白酶和蛋白酶复合处理能实现纤维鳞片层由表及里的酶解加工。

采用酸性普拉红对不同酶处理工艺的织物进行染色,考察其染色性能变化,结果见图6。

图6 不同酶处理工艺对羊毛织物染色性能的影响Fig.6 Effect of different treatment on the dyeing performance of wool fabrics.(a) Low temperature dyeing rate curves of different specimens;(b) High temperature dyeing rate curves of different specimens;(c)Comparison of the dyeing rate of different specimens at 60 min;(d) Comparison of K/S values of different specimens stained for 60 min

图6(a)(b)分别为低温(80 ℃)和高温(98 ℃)上染织物的上染速率曲线,结果表明酶处理均可以有效提高织物的上染速率,且低温染色时效果更明显;图6(c)表明酶处理后织物的上染百分率也得到了明显提升,经角蛋白酶-蛋白酶二浴法处理后使织物的低温上染百分率和高温上染百分率分别由40.0%和63.6%提升到68.6%和69.9%,通过该处理工艺,在低温状态下就可以达到普通织物在高温上染时的上染百分率。图6(d)中低温染色下织物K/S值变化也与上染百分率的变化规律基本一致,高温二浴法处理织物的K/S值略有下降,这可能与试样染色后水洗中掉色略多有关。

2.6 角蛋白酶-蛋白酶二浴法处理对羊毛服用性能的影响

实验考察了不同酶处理织物的起毛起球性、白度、相对手感等服用性能,结果如表3所示。未处理的羊毛织物经测试后表面起毛起球现象严重,而经过酶处理后织物的起毛起球现象得到改善,特别是经过角蛋白酶-蛋白酶二活法处理后的织物,起毛起球等级可以达到4.5级,具有较好的抗起毛起球能力。这是由于酶处理对羊毛的鳞片层产生了破坏,使表面的摩擦因数下降,表面更加平滑,毛羽间的相对滑移减少,抗起毛起球性能得到提升;同时从表3中也能看出,酶处理后织物的白度及相对手感值均略有上升,说明酶处理并不会对织物产生严重破坏而不会对原有的服用性能产生不良影响。

表3 不同酶处理工艺对羊毛织物服用性能的影响Tab.3 Effect of different treatment on wearability of wool fabrics

3 结 论

本文通过商品化角蛋白酶与蛋白酶对羊毛织物进行二浴法绿色防缩整理,得到如下结论:

①角蛋白酶和蛋白酶协同进行羊毛防缩加工中,角蛋白酶对高含硫的鳞片外层有较强的降解特异性;羊毛织物通过角蛋白酶的高效降解以及后续蛋白酶的处理后,鳞片层被破坏,毡缩率达5.3%,断裂强力为412 N,大幅提高了其防缩性能且对强力影响较小。

②双酶复合生态防缩整理通过对羊毛表面的改性作用,在有效改善织物防缩性能的同时也对其润湿性、染色性、抗起毛球性等性能均有一定的提升,在羊毛多功能整理中具有潜在应用前景。