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用于改善苧麻織物服用性能的纖維素酶的研究

成都紡織高等?？茖W(xué)校 李振華 鄭光洪 陳德基

【摘要】根據(jù)苧麻纖維織物的性質(zhì)，特點和加工要求，分析了在改善苧麻織物手感，解決刺癢感的生物酶處理過程中纖維素酶的作用機理，以及這項工藝對纖維素酶性質(zhì)的獨特要求，對用于改善苧麻織物服用性能的纖維素酶的菌種，培養(yǎng)條件和制取方法等也進行了研究。

A關(guān)鍵詞 纖維素酶 菌株 苧麻織物

1.前言

利用纖維素酶處理苧麻織物使之獲得優(yōu)良的服用性能源于纖維素酶對苧麻纖維素分子的降解。從所周知，苧麻織物具有涼爽、挺括、吸濕、散濕的特點，同時也存在手感粗糙、彈性差、穿著刺癢感問題，嚴(yán)重影響了苧麻織物的服用性能。通過纖維素酶減量整理，能夠使織物獲得柔軟的手感，光潔的布面、刺癢感消失或改善，使低檔織物成為高檔產(chǎn)品，提高附加值

,由于來源不同，纖維素酶的活力以及對苧麻纖維的剝蝕能力有明顯差別。為此，根據(jù)苧麻織物的處理目的，我們選擇了一株對苧麻纖維有較高分解能力的菌株Ｃ1，通過培養(yǎng)制備，獲得了能夠有效的改善苧麻織物服用性的纖維素酶ＣＤＦ，為今后工業(yè)生產(chǎn)及大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2.原理部分

2.1.苧麻織物刺癢感產(chǎn)生的原因

和棉纖維相比、苧麻纖維粗、長，結(jié)晶度高、剛度大，成紗抱合力差。這種性質(zhì)在苧麻織物上表現(xiàn)為粗糙硬挺的手感，表面毛羽多且硬。當(dāng)織物與皮膚接觸時，硬挺的毛羽刺激皮膚，產(chǎn)生刺癢感，嚴(yán)重的為刺痛感。雖然棉織物表面也存在毛羽，但是由于棉纖維的剛度較苧麻纖維低，纖維細(xì)而軟，不會產(chǎn)生刺癢感。另一方面，亞麻纖維雖然剛度較大，然而亞麻纖維成纖系半脫膠其織物表面毛羽很少，所以也不象苧麻織物那樣有嚴(yán)重的刺癢感問題。傳統(tǒng)的燒毛工序能使苧麻織物表面毛羽數(shù)量減少，長毛羽變成短毛羽，達到布面光潔的目的，但是毛羽越短，纖維抗彎應(yīng)力越大，刺癢感越嚴(yán)重。因此，改善苧麻織物刺癢感的措施在于軟化苧麻纖維，減輕或“鈍化”織物表面毛羽的

表1. 幾種纖維性質(zhì)比較［1］

1.2.應(yīng)用纖維素酶改善苧麻織物刺癢感的原理

表2. 脫膠后苧麻纖維的化學(xué)組

成.分A纖維素A蠟狀物A木質(zhì)素A果膠物質(zhì)A其它

含量（％）A92A1.0A2.0A2.0A3.0

纖維素酶是一組酶，一同作用使纖維素水解。其水解反應(yīng)為：內(nèi)切型（Ｃ6Ｈ10Ｏ5）n(+Ｈ2Ｏ+纖維素酶)→（Ｃ6Ｈ10Ｃ5）ｑ＋（Ｃ6Ｈ10Ｏ5）ｒ（ｎ＝ｑ＋ｒ）

外切型：（Ｃ6Ｈ10Ｏ5）ｎ(+Ｈ2Ｏ+纖維素酶)→（Ｃ6Ｈ10Ｏ5）ｎ－1＋Ｃ6Ｈ12Ｏ6纖維素酶主要包括Ｃ1酶、Ｃｘ酶和纖維二糖酶三種組分。Ｍａｍｄｅｌｓ等的實驗表明［4］：Ｃｘ酶僅在纖維的無定形區(qū)域作用，膨脹或部分降解纖維素；加入Ｃ1酶，能使纖維的結(jié)晶部分破壞，纖維降解。纖維二糖酶將Ｃ1酶、Ｃｘ酶共同作用的水解產(chǎn)物進一步分解為葡萄糖?？偟膩碚f，在纖維素酶各個組分的協(xié)同作用下，苧麻纖維被剝蝕，纖維結(jié)晶度、9聚合度下降，剛度降低、纖維柔軟；織物表面毛羽變細(xì)變軟、開叉倒伏以至脫落，減弱或消除毛羽的刺激作用，從而達到改善苧麻織物手感，消除刺癢感之目的。

1.3.菌種篩選及培養(yǎng)條件的設(shè)計

苧麻纖維是一種結(jié)晶度很高的韌皮纖維，應(yīng)選擇對苧麻纖維有較強崩潰能力的菌株，保證所產(chǎn)纖維素酶對高結(jié)晶的苧麻纖維有較好的剝蝕能力，一株好的菌株還應(yīng)具備產(chǎn)率高，產(chǎn)酶活性高，穩(wěn)定性好等特點。本研究選用綠色木酶Ｃ1，其生長速度快，產(chǎn)酶活性高。

纖維素酶生物合成調(diào)節(jié)模型見圖1

圖1.纖維素酶生物合成調(diào)節(jié)模型［5］

纖維素酶是誘導(dǎo)酶，酶的生物合成受基因和底物的雙重控制。纖維素對綠色木霉生產(chǎn)纖維素酶有誘導(dǎo)作用，是最好的碳源之一。本研究選用價格低廉，來源量大的苧麻紡織廠的生產(chǎn)下腳麻纖維即麻屑做為碳源，確保纖維素酶的純度和剝蝕能力。固體培養(yǎng)法具有產(chǎn)量高、省電、污染少、容易控制、后處理簡單等優(yōu)點，此外在固體培養(yǎng)中微生物除了產(chǎn)生纖維素酶系外，還會產(chǎn)生半纖維素酶，木素酶、果膠酶等，實驗表明，這種混合型纖維素酶對于含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以及果膠物質(zhì)

纖維素酶ＣＤＦ生產(chǎn)工藝流程為：

菌株→制種→產(chǎn)酶培養(yǎng)→萃取→過濾→濃縮(→鹽析→烘干→磨粉)→包裝

3.材料和方法

3.1.菌株：綠色木霉（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ　ｖｉｒｉｄｅ）Ｃ1，是突變株，具有較高的產(chǎn)酶能力。

3.2.培養(yǎng)基及藥品

3.2.1.三角瓶培養(yǎng)基：麻屑50％、麩皮50％、（ＮＨ4）2ＳＯ4　2％、ＭｎＳＯ4　2％、ＭｇＳＯ4、7Ｈ2Ｏ　0.05％、ＫＨ2ＰＯ4　0.1％、水、300％、ｐＨ自然。

3.2.2.淺層培養(yǎng)基：麻屑60％、麩皮40％，其余同三角瓶培養(yǎng)基，培養(yǎng)過程中加入表面活性劑。

3.2.3.藥品：ＮａＳＯ4、ＮａＦ、ＮａＯＨ、ＨＡｃ、ＮａＡｃ、吐溫～00、吐溫～20、柔軟劑ＧＧＭ、二硝基水楊酸等等。

3.3.織物： 21ｓ×21ｓ×52×50 4支苧麻竹節(jié)布 Ｒ／Ｃ（55／45）19ｓ×19ｓ×52×52麻棉混紡織物

3.4.儀器：ＷＷＢ－11電熱恒溫培養(yǎng)箱、ＨＨ·Ｓ電熱恒溫水浴鍋、威格瑪滾筒洗衣機、小太陽轉(zhuǎn)籠式烘干機、電光分析天平、25型酸度計、721型分光光度計、ＺＭ216溢流染色機、水星牌ＳＷ－30工業(yè)洗衣機、ＨＧＬ－50水星牌烘干機

3.5.測試方法

3.5.1.纖維素酶活力：稱取干曲5ｇ，加入100ｍｌ蒸餾水，浸泡4小時過濾，檢測濾液酶活。

①.ＣＭＣ酶活［6］：取1.0ｍｌ稀釋酶液于50ｍｌ比色管中，加含0.5％ＣＭＣ鈉的緩沖液3.0ｍｌ，ｐＨ＝5.2，55℃恒溫反應(yīng)半小時，取出加6.0ｍｌＤＮＳ顯色液，煮沸5分鐘，冷卻，定容至25.0

②.ＦＰ酶活［7］：取1.0ｍｌ稀釋酶液于50ｍｌ比色管中，加入ＨＡｃ－ＮａＡｃ緩沖液1.0ｍｌ，ｐＨ＝5.2，放入一條1×6ｃｍ2華特曼濾紙，55℃恒溫反應(yīng)1小時，然后加入ＤＮＳ試劑3.0ｍｌ，煮沸5分鐘，冷卻，定容至25.00ｍｌ，搖勻，于721型分光光度計535ｎｍ波長測定還原糖含量。酶活單位：毫克葡萄糖／克·小時。

③.比色減量率［8］：取5.0ｍｌ酶于50ｍｌ比色管中，加入ＨＡｃ－ＮａＡｃ緩沖液3.0ｍｌ，ｐＨ＝5.2，加入0.5克純苧麻紗線，加蒸餾水至25.00ｍｌ，使浴比Ｒ＝50，于55℃恒溫反應(yīng)1小時，加入ＤＮＳ試劑3.0ｍｌ，煮沸5分鐘，冷卻定容至25.00ｍｌ，搖勻，于721型分光光度計535ｎｍ波長下比色，測還原糖濃度Ｃ糖，比色減量率Ｔ（％）＝Ｒ·Ｃ糖。

3.5.2.織物斷裂強力：ＹＧ－026－500斷裂強力實驗機測定

3.5.3.織物回彈性：ＹＧ541織物彈性儀上測定

3.5.4.織物懸垂系數(shù)：ＹＧ011織物懸垂性測定儀測定

3.5.5.顯微觀察：ＸＳＳ－2型生物顯微鏡，放大倍數(shù)，6.4×4；Ｈｉｔａｃｈｉ?。?650掃描電鏡

3.5.6.手感、刺癢感：主觀評價

4.結(jié)果與討論

4.1.影響纖維素酶活力的因素

4.1.1.不同底物濃度對產(chǎn)酶活力的影響

麩皮含有足夠的碳源、氮源和無機元素，疏松適度利于通氣，是固體培養(yǎng)的主要原料。苧麻纖維(麻屑)的主要成分是纖維素、木質(zhì)素、果膠等。在菌株生長繁殖及產(chǎn)酶過程中，都需要一定的Ｃ、Ｎ比，過多或過低的Ｃ、Ｎ比都會影響產(chǎn)酶能力，因此，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牡孜餄舛?。?說明：當(dāng)麩皮用量為40％，麻屑用量為60％時，ＣＭＣ及ＦＰ酶活均高，對苧麻纖維的剝蝕能力

表3. 不同底物濃度與酶活關(guān)系

4.1.2.氮源及其用量對產(chǎn)酶活力的影響

表4. 氮源種類與用量對產(chǎn)酶活力的影響

綠色木霉Ｃ1所產(chǎn)纖維素酶屬弱酸性酶，所以本實驗選用硫酸銨和氯化銨作氮源。從表4說明，硫酸銨比氯化銨作氮源好，其各項酶活指標(biāo)均高，2%的用量又優(yōu)于1%。

4.1.3.培養(yǎng)時間與產(chǎn)酶的關(guān)系

綠色木霉Ｃ1在以麻屑為碳源的培養(yǎng)基上生長緩慢，需經(jīng)約24小時延滯期才開始旺盛生長，培養(yǎng)到5天以后，菌絲浸延自到纖維屑中，綠色孢子激劇增多，對麻纖維的利用也激劇進行，至第7天，達到產(chǎn)酶高峰，此時麻纖維基本上完全崩潰，當(dāng)培養(yǎng)到第8天時，酶活迅速下降，因此必須嚴(yán)格控制培養(yǎng)時間。

4.1.4.微量元素對產(chǎn)酶的影響

Ｍｎ2＋、Ｃｏ2＋微量元素能提高菌株的產(chǎn)酶的活力，實驗中采用不同濃度的微量元素加到培養(yǎng)基中進行對比，結(jié)果如表6

表5. 不同培養(yǎng)時間與產(chǎn)酶關(guān)系

表6. 微量元素對產(chǎn)酶的影響

4.1.5.表面活性劑對產(chǎn)酶的影響

培養(yǎng)過程中加入少量的表面活性劑，如吐溫－00等，能使菌株生長繁殖增快，綠色孢子增多，培養(yǎng)時間縮短，產(chǎn)酶能力提高，實驗結(jié)果見表7。

表7. 表面活性劑對產(chǎn)酶的影響

4.2.纖維素酶ＣＤＦ對苧麻纖維織物的作用評價

4.2.1.對苧麻纖維的剝蝕作用

從電鏡圖上看到，纖維素酶ＣＤＦ對苧麻纖維的剝蝕作用是明顯的。纖維素酶不僅使苧麻纖維表面發(fā)生部分剝蝕，也侵蝕到纖維的胞壁胞腔和微原纖中。麻纖維表面初生胞壁的被剝離，造成微纖分離，纖維變細(xì)，剛性降低。纖維中空穴和毛細(xì)管的擴大，賦予織物一系列有價值的服用性能，諸如織物觸摸起來有一種輕薄感，手感耐久柔軟，吸水性、保水性有所增加

［9］。值得注意的是纖維素酶CDF對苧麻纖維的表面剝蝕是連續(xù)分布的，并不局限于纖維橫節(jié)等損傷點，這種作用方式有益于在較小強損下改善織物的服用性能。

纖維素酶CDF對苧麻纖維結(jié)晶度、聚合度的作用見表8，可見經(jīng)酶處理后，纖維結(jié)晶度，聚合度均降低。

表8. 酶處理后織物纖維結(jié)晶度、聚合度的變化

指標(biāo).纖維A結(jié)晶度A聚合度

原樣A71.91A2210

處理樣A66.20A1930

3.2.2.對苧麻織物表面毛羽的作用

在織物酶減量整理過程中，纖維素酶首先接觸的是織物紗線表面上的纖維和突出在織物表面上的毛羽，電鏡及顯微照片顯示，經(jīng)過纖維素酶ＣＤＦ的處理，織物表面毛羽變細(xì)、變軟、開叉、倒伏、毛羽數(shù)量減少，毛羽刺激作用顯著降低，達到改善或消除刺癢感的目的。

3.3.3.對苧麻織物的服用性能的影響

表9. 酶減量整理對織物服用性能的影響

注：Ⅰ：酶用量90%，ｐＨ　5.2，溫度52℃，浴比1∶15，時間55ｍｉｎ。

Ⅱ：酶用量90%，ｐＨ　5.2，溫度52℃，浴比1∶15，時間70ｍｉｎ。

Ⅲ：酶用量120%，ｐＨ　5.2，溫度52℃，浴比1∶15，時間90ｍｉｎ。

上述處理工藝均在ＺＭ216溢流染色機中進行。

從表9反映出，應(yīng)用纖維素酶ＣＤＦ處理苧麻織物，能夠明顯軟化纖維，改善織物刺癢感，提高織物的服用性能。纖維素酶ＣＤＦ雖然對高結(jié)晶的苧麻纖維有較強的剝蝕能力，但是其在纖維上的剝蝕軟化作用分布均勻，并不局限于纖維的某一點上，而且在酶減量整理工藝中，這種剝蝕作用主要針對的是織物表面纖維和毛羽，因此，能夠在達到改善苧麻織物刺癢感

的目的時把織物強力損失控制在允許值內(nèi)，從而保證織物的可服用性。這一點在苧麻織物酶減量整理中有重要意義，苧麻織物在經(jīng)酶處理后再上柔軟劑，刺癢感基本上完全消除，織物具有柔軟豐滿、挺括飄逸的獨特風(fēng)格和舒適的服用效果。

5.結(jié)論

5.1.實驗表明，綠色木霉Ｃ1是一株對苧麻纖維分解能力強的菌株，纖維素酶ＣＤＦ對苧麻纖維有較強的剝蝕作用。

5.2.為了保證纖維素酶的純度和作用效果，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牡孜锖团囵B(yǎng)條

5.3.纖維素酶ＣＤＦ對苧麻纖維的剝蝕作用強烈而且均勻，能夠在強損規(guī)定的范圍內(nèi)有效地去除織物表面毛羽，軟化織物纖維。

5.4.通過酶減量整理，能夠有效消除苧麻織物刺癢感，使織物獲得柔軟飄逸的風(fēng)格，提高其服用性能。

5.參考文獻

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