生物酶精練是一種生態染整技術,具有作用條件溫和、耗水量少、排放廢水的有機污染物低、對棉纖維損傷小等優點,是一種節能降耗、無污染的紡織清潔生產工藝.各國研究者相繼考察了果膠酶、纖維素酶、蛋白酶、脂肪酶及其復合酶等對棉織物的精練效果.研究結果表明:果膠酶是酶精練加工較為理想的酶制劑.目前,用于棉織物精練的果膠酶有酸性果膠酶A和堿性果膠酶B,但兩類酶精練效果的區別及影響因素還不清楚.本文優化了酸性果膠酶A與堿性果膠酶B的應用條件,并用果膠去除率比較了2種酶的精練效果,分析了表面活性劑對酶精練效果的影響,通過檢測酶分子質量,從酶專一性、分子擴散的角度解釋了2類酶精練效果差別的原因.
1試驗
1.1材料及儀器
純針織棉布:26S 1×2棉1×1羅紋33cm/50g(370±5)g/m2.藥品:酸性果膠酶A(英國AB公司),堿性果膠酶B、果膠酶C(堿性果膠酶B純化而得)(丹麥諾維信公司),脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC),D-半乳糖醛酸(美國Sigma公司),草酸銨,咔唑、無水乙醇(國藥集團化學試劑有限公司).
儀器:HH-S6數顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市金城國勝實驗儀器廠),754微機型紫外可見分光光度計(上海成光儀器有限公司),電泳儀與垂直電泳槽(Bio-Rad公司),Rapid染色小樣機(LABORTEXCO.,LTD).
1.2酶精練過程
用適量果膠酶、JFC,在一定pH值、溫度的水浴中處理30min,浴比1∶20,然后熱水洗(80℃,10min)、冷水洗(25℃,10min).
1.3測試
果膠酶酶活:采用DNS法測定,以分析果膠酶受溫度、pH值的影響.果膠酶活力單位(U)定義:一定pH、溫度條件下,1min產生1mgD-半乳糖醛酸需要的酶量;其中D-半乳糖醛酸含量采用還原糖法測定.果膠去除率:采用測定果膠去除率評價酶精練的效果,果膠去除率=(1—W1/W0)×100%,式中,W1為精練后織物果膠殘留量(g),W0為未精練織物上果膠量(g);果膠含量:采用草酸銨萃取-硫酸咔唑比色法測定.
2結果與討論
2.1D-半乳糖醛酸標準曲線的繪制
采用還原糖測試方法測試D-半乳糖醛酸含量,并進行D-半乳糖醛酸標準曲線的繪制.以540nm的光密度值為縱坐標,D-半乳糖醛酸含量為橫坐標,繪制標準曲線,標準曲線方程為y=1.666x+0.131,相關系數R2為0.9994.
2.2pH值、溫度對果膠酶還原糖量的影響
2.2.1pH值
從圖1可以看出,pH值為3~5是酸性果膠酶A的最適使用范圍,pH值大于5之后酸性果膠酶A的酶活就迅速下降,所以酸性果膠酶A應在pH值3~5使用;pH值在7~9是堿性果膠酶B的最適使用范圍,pH值大于9或小于7時堿性果膠酶B的酶活就迅速下降,故堿性果膠酶B應在pH值為7~9使用.
2.2.2溫度
從圖2可以看出,30~60℃是酸性果膠酶A的最適溫度范圍,大于60℃以后酶活迅速下降,所以酸性果膠酶A應在不大于60℃的條件下使用;堿性果膠酶B的最適溫度范圍在40~60℃,超過60℃酶活顯著下降.考慮溫度對酶催化反應的影響,兼顧高溫造成酶蛋白失活,堿性果膠酶B應在40~60℃使用.
2.3果膠酶的酶活
從表1中可以看出,在各自適宜的溫度、pH值、果膠質為底物的條件下,酸性果膠酶A的酶活是堿性果膠酶B酶活的2倍.
2.4果膠酶精練效果
從圖3可知,酸性果膠酶A用量在0.01%~0.50%(owf)時,對果膠的去除率維持在20%左右;而當堿性果膠酶B用量為0.05%時,果膠的去除率超過80%.按照試驗經驗和文獻記載,當果膠去除率達到70%時就可以滿足精練加工的需要,此時堿性果膠酶B用量為0.025%.原因有:(1)在堿性條件下果膠酶與表面活性劑協同發生皂化乳化作用,可有效去除果膠、蠟質及其他雜質,從而增強了精練效果;(2)堿性果膠酶B對棉織物精練,其專一性和針對性更強;(3)堿性果膠酶B分子質量更小,滲透性更強,其與果膠接觸的可能性更大,果膠去除率更高.
下面通過研究滲透劑對堿性果膠酶B精練效果的影響及蛋白質電泳試驗分析2種酶的分子質量大小,以進一步證實第(3)種分析.
2.5滲透劑對堿性果膠酶B的影響
從圖4中可以看到,果膠去除率隨非離子表面活性劑JFC用量的增大而增大,當JFC用量達到0.2g/L時,堿性果膠酶B對果膠去除率穩定在75%左右,考慮到用量最省,JFC最佳用量為0.2g/L.JFC等非離子表面活性劑對堿性果膠酶B的這種影響,歸因于其可提高織物的潤濕性和酶在織物上的可移動性,使酶易于解吸及對底物的可及度,有利于酶向催化反應方向移動,從而增加了酶的活性.但當超過它們的臨界膠束濃度時,則使酶的活性降低.當不加JFC時,果膠去除率在20%左右.表明酶分子在棉纖維內的擴散對果膠的去除至關重要,如果酸性果膠酶A的分子質量過大,分子擴散受阻,其與底物的接觸機會減少,就有可能導致酶活高而果膠去除率很低的結果.
2.6果膠酶的電泳
從圖5中可以看到,酸性果膠酶A就一條帶,分子質量在50kDa,而堿性果膠酶B的帶比較多,對比果膠酶C的帶型,其有效成分的分子質量為30kDa,與報道的果膠酶分子質量20~60kDa相符,表明堿性果膠酶B比酸性果膠酶A具有更小的分子質量,有利于酶蛋白分子擴散,可進一步提高堿性果膠酶B的精練效果.
3結論
酸性果膠酶A的最適pH值為3~5,最適溫度為30~60℃;堿性果膠酶B的最適pH值為7~9,最適溫度為40~60℃.在各自的最適條件下,堿性果膠酶B對果膠的去除率遠遠大于酸性果膠酶A,其原因:(1)堿性條件有利于果膠物質的去除;(2)堿性果膠酶B分子質量小,有利于提高果膠酶分子通過液體界面層向纖維表面擴散的速率和進入纖維內部;(3)其對棉纖維果膠物質的專一性強.堿性果膠酶B在較低用量(0.025%左右)、短時間(30min左右)的果膠去除率即可以達到生產要求,因此生物酶精練應以堿性果膠酶B為主,以其他助劑為輔進行,這樣有利于提高精練效果,降低生產成本.