關(guān)鍵詞：紅麻酶脫膠工藝機理
中圖分類號：TS 123 文獻標識碼：A 文章編號：0253．9721(2004)01．OO46．03
長期以來，對紅麻生物脫膠技術(shù)的研究主要集中在能夠產(chǎn)生果膠酶、半纖維素酶等水解酶類的菌種脫膠上，而對采用酶制劑直接脫膠方法研究則甚少。由于紅麻纖維短，要采用工藝纖維紡紗，脫膠時要保留部分膠質(zhì)，因此麻皮中的木質(zhì)素可以適當保留一些，脫膠過程去除的主要是果膠質(zhì)、半纖維素等物質(zhì)，它們的主要化學(xué)成分為聚戊糖、聚己糖和雜聚多糖。這些多糖是長鏈大分子物質(zhì)，不溶于水，選用的酶對這些物質(zhì)均有分解作用，使其分解成可溶性小分子物質(zhì)。本文在研究酶制劑脫膠工藝的同時，從生物化學(xué)的角度分析了全酶法脫膠的機理，為全酶法脫膠在紅麻生產(chǎn)方面的應(yīng)用和研究提供了理論依據(jù)。1 材料與方法1．1 材 料1．1．1 原 麻 紅麻生麻取自遼寧朝陽地區(qū)種植的前一年的陳麻，采用GB 5889—86的方法測其化學(xué)成分見表1。 1．1．2 酶制劑 酶制劑選用天津利華酶制劑廠生產(chǎn)的果膠酶制劑，這種酶制劑是果膠酶與半纖維素酶的混合酶，且為固體，易于保存。1．2 方 法1．2．1 脫膠效果的確定 通過手感目測法確定脫膠效果，主要評定指標為纖維的分離度和柔軟度，并以這兩個指標為主要參數(shù)，將麻的脫膠程度從未脫膠到脫膠過熟分成0～9共10種類型，其中0級為未脫膠，1～4級為脫膠不完全，5，6級為脫膠完全，7～9級為脫膠微熟至脫膠過熟。1．2．2 脫膠條件試驗 在實驗室條件下，以紅麻干皮為原料，通過一組正交試驗確定了全酶法脫膠工藝的基本范圍。在其基礎(chǔ)上分別確定溫度、預(yù)處理、起始pH值、浴比、酶濃度和回用的最佳工藝。2 結(jié)果與討論2．1 脫膠條件對脫膠效果的影響2．1．1 溫度對脫膠效果的影響 當溫度低于50cc時，脫膠速度隨溫度的升高而增大，當溫度超過55℃時，脫膠速度會隨著溫度的升高而降低。溫度對酶反應(yīng)的影響和普通化學(xué)反應(yīng)一樣，溫度上升增加了分子的運動速度和碰撞次數(shù)，由此活化了分子，從而加快了分子問反應(yīng)的速度。但過高的溫度會使酶蛋白肽鍵問的鍵合發(fā)生解體，使酶受熱變性而失活。因此溫度對脫膠效果的影響是影響酶脫膠速度和使酶失活兩方面的綜合。酶在一定條件下都有一個最適反應(yīng)溫度，在本實驗條件下，果膠最適反應(yīng)溫度為50℃ 。2．1．2 預(yù)處理對脫膠效果的影響 隨著沸煮預(yù)處理時間的增加，相同條件下脫膠程度逐漸提高，其中30～35 min時脫膠程度的提高速率最大。沸煮預(yù)處理主要有兩方面的作用：水解部分可溶性果膠質(zhì)；潤濕纖維，使原麻纖維溶脹，有助于酶分子的擴散和吸附，快速形成酶與底物的絡(luò)合物，加速反應(yīng)的進行。預(yù)處理時間越長，越有利于提高脫膠速度。從節(jié)約成本的角度來看，采用30～35 rain預(yù)處理較為合適，如果是當年的鮮麻，時間可適當縮短，若麻皮剝制的時間較長，麻皮中的水分含量少則適當延長預(yù)處理時間。2．1．3 起始pH值對脫膠效果的影響 起始pH值在2～2．5脫膠效果最好，且?guī)仔r內(nèi)pH值會上升至2．5～3。在一定條件下，每種酶都有各自的最適pH域，在這個pH值范圍內(nèi)酶表現(xiàn)出最佳的活力。環(huán)境的pH值影響酶蛋白分子的離解，特別是活性中心基團的離解；另一方面，pH值也影響底物分子的離解，這些都會影響酶和底物的結(jié)合，由此影響它們反應(yīng)的速度。在最適pH值，酶分子和底物分子的離解情況最適合它們的相互結(jié)合，所以反應(yīng)速度最快。本脫膠條件的最適pH值為3，但是由于隨著脫膠的進行，pH值會在最初幾小時內(nèi)升高，所以起始pH值要略低于脫膠的最佳pH值，選用2．5較為合適。2．1．4 浴比對脫膠效果的影響 浴比對脫膠效果的影響主要在于對脫膠液pH值的影響。浴比反應(yīng)的是底物的濃度，由于在脫膠過程中，酶作用的底物— — 麻的濃度非常大，所有的酶都與底物結(jié)合了，改變底物濃度不會影響酶作用速度，所以浴比變化對于脫膠沒有明顯的影響。從生產(chǎn)的角度考慮，浴比1：15比較合適。2．1．5 酶濃度對脫膠效果的影響 試驗結(jié)果表明(見圖1)，酶的濃度越大，脫膠速度越快，完成脫膠的時問越短。酶與原麻重量的比例不斷增大，單位時問與底物結(jié)合的酶的活性部位就越多，生成產(chǎn)物也就越多，脫膠的速度就越快。從既滿足工業(yè)化生產(chǎn)又要節(jié)約成本的角度考慮，酶對原麻的質(zhì)量比可以為l：200，這樣可在8 h左右完成脫膠。 2．1．6 回用比對脫膠效果的影響 采用回用脫膠池底的10％左右的廢液再加入90％ 的水和80％ 的原脫膠酶量與最初的脫膠效果相當。由于采用的酶制劑不溶于水而且比重大于水，所以脫膠廢液中的大部分剩余酶都沉在水底，另外，脫膠過程中產(chǎn)生可溶性廢物對于脫膠酶的活性有抑制作用，因此采用這種回用方法既可最大限度地應(yīng)用剩余的酶制劑，又可減少廢液對脫膠的負作用。2．2 全酶法脫膠微觀作用過程 “2．2．1 酶分子從水溶液中向纖維擴散 這一過程是脫膠液中的物質(zhì)傳遞過程。在酶分子向纖維擴散的過程中，麻纖維表面的可溶性物質(zhì)向脫膠液中擴散，水分子向纖維內(nèi)部滲透使纖維溶脹。麻皮表面的可溶性物質(zhì)的pH值都低于脫膠液的起始pH值，因而在這一過程中，脫膠液的pH值會緩慢升高。由于脫膠液起始pH值低于脫膠酶系的最適DH值，所以在這一過程中脫膠液中的pH值越來越有利于提高酶的活性部位的活力，也就有利于酶與底物的結(jié)合。酶分子向纖維擴散的過程也可稱為酶向底物“靠近”的過程。2．2．2 酶分子在纖維表面吸附 酶分子吸附在纖維的表面，由于麻濃度即底物濃度非常大，幾乎所有的果膠酶和半纖維素酶的活性中心的結(jié)合基團都分別與底物發(fā)生絡(luò)合。在這一過程中酶的活性基團發(fā)揮了軌道控制作用，酶蛋白發(fā)生了一定的構(gòu)象變化，使底物的反應(yīng)基團與酶活性中心的催化基團相互嚴格的定向。同時，酶分子中某些基團可使底物分子的敏感鍵中電子云密度部分地增高或降低，從而產(chǎn)生“電子張力”，使敏感鍵更加敏感，為形成酶一底物絡(luò)合物打下基礎(chǔ)。2．2．3 形成酶與底物的絡(luò)合物 酶的活性中心與底物結(jié)合后，酶并不是立即催化底物，使之形成反應(yīng)物，而是要與之形成一個不穩(wěn)定的中問產(chǎn)物一酶與底物的絡(luò)合物。這個過程中底物分子內(nèi)的某些化學(xué)鍵發(fā)生極化，呈不穩(wěn)定狀態(tài)，反應(yīng)能量降低，只需很少的能量就可生成產(chǎn)物，為快速形成產(chǎn)物打下基礎(chǔ)。2．2．4 由絡(luò)合物形成產(chǎn)物 由于反應(yīng)所需能量很低，中間絡(luò)合物會迅速分解釋放出酶和產(chǎn)物。針對脫膠反應(yīng)，基本都是酶對于果膠類和半纖維素類物質(zhì)的催化分解產(chǎn)物。其中果膠酸甲酯會被果膠酯酶水解其中的甲酯鍵，生成果膠酸及甲醇溶于水；聚戊糖和聚己糖等長鏈物質(zhì)會在a—l，4糖苷鍵處被酶切斷，生成小分子的戊糖、己糖等物質(zhì)，生成的戊糖、己糖等多碳糖還會繼續(xù)被裂解酶作用生成三碳糖、四碳糖和丙酮酸等物質(zhì)溶于脫膠液中。2．2．5 產(chǎn)物從纖維表面向溶液擴散 可溶性產(chǎn)物生成后，立即向脫膠液中擴散，因為脫膠產(chǎn)物的酸度都沒有原脫膠液強，因此脫膠液中的酸度下降。脫膠液的pH值會不斷的上升，當超過酶系作用的最適pH值時，酶系的活力就會下降，產(chǎn)物的生成速度也會降低；同時，溶于脫膠液中的產(chǎn)物對于脫膠酶的活力還有一定的抑制作用，因而隨著產(chǎn)物從纖維表面向溶液的不斷擴散，脫膠速度會不斷降低。2．3 酶法脫膠產(chǎn)品質(zhì)量從脫膠紅麻纖維的放大500倍的掃描電鏡圖(見圖2)可以看出紅麻經(jīng)酶脫膠后，纖維分散，表面光滑，膠質(zhì)去除較為理想。從2000倍的掃描電鏡圖(見圖3)可以看酶脫膠對纖維的損傷小，保留了表面的纖維，這有助于提高成紗的抱合力及紗線強度。對酶法脫膠麻的束纖維進行強力測試，其完全脫膠(脫膠程度為6級)的斷裂強度為4．7 cN／dtex，完全可以滿足生產(chǎn)要求。 3 結(jié) 論1．全酶法脫膠可達到工業(yè)化生產(chǎn)的要求，脫膠工藝參數(shù)為：溫度50℃ 、浴比1：15、預(yù)處理35 min、起始pH值2．5、酶與原麻比1：200，回用脫膠池底的10％廢液，再加90％水和80％ 的首次脫膠酶量。2．全酶法脫膠中起主要作用的是酶制劑，酶是生物制劑，降低反應(yīng)所需能量，使不溶于水的膠質(zhì)降解成溶于水的小分子物質(zhì)。3．全酶法脫膠的脫膠麻質(zhì)量較為理想，而且工藝簡單，可以滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求。4．全酶法脫膠工業(yè)生產(chǎn)化最大的障礙是酶制劑價格過高，導(dǎo)致成本過高。要解決這個問題除了大規(guī)模生產(chǎn)降低成本外，還可以采用酶的固定化技術(shù)，使酶制劑可以不斷的回用以降低脫膠成本。參 考 文 獻1 魏述眾．生物化學(xué)．北京：中國輕工業(yè)出版社，1996：137～146．2 周文龍．酶在紡織中的應(yīng)用．北京：中國紡織出版社，2002：84～92．3 李再資．生物化學(xué)工程基礎(chǔ)．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：127～133．4 古練全等．生物有機化學(xué)北京：高等教育出版社，1998：177～179．5 鄭來久等．Jute&Kanaf Fiber Chemical Modification and Research OnSpinning Technol0gY．Book of Proceedings of Intemational Te tile’Clothing& Design Conference 2002：158～161．
