活性生物酶在染整加工中的应用

活性生物酶在染整加工中的应用

1活性生物酶的发展背景及其特性

1.1 活性生物酶的发展背景

当今社会,保护人类生存环境的呼声日益高涨,各国制定的环境政策和法规日益严格,使需要耗费大量化学品和水资源,且会产生大量污染的印染行业面临巨大挑战。全球的纺织化学和染整工作者不断地寻求、尝试环保型的新产品、新技术和新设备。酶制剂作为一种生物制剂,无毒无害,它的开发应用顺应了绿色生产加工和可持续发展的要求,因而为越来越多的染整工作者所认可,并替代传统的一些强酸、强碱等化学品用于染整加工中。现代生物工程技术的发展亦为酶的进一步应用提供了可能。酶整理工艺代表了纺织工业发展的趋势,其在纺织品整理中的应用正不断向扩大领域和纵深发展。

1.2 酶的特性

酶是一类天然的高分子量蛋白质,可催化化学反应的进程,被誉为“生物催化剂”。作为催化剂,酶具有以下特性[1、2] :

1.2.1 专一性

酶的专一性体现为一种酶只能作用于一种或一类结构相似的底物,并催化某种类型的反应。然而酶的专一性程度视酶的种类不同而有所差异。大多数酶呈绝对或几乎绝对专一性,只催化一种底物反应;少数专一性程度低的酶,可作用多种底物。

1.2.2 高效性

酶催化反应的速率极高,一般可达几百万倍。例如,过氧化氢酶在催化分解双氧水漂白后剩余的过氧化氢反应中,一分子的过氧化氢酶在1 s 可催化分解500 万个双氧水分子,可见其效率相当高。

1.2.3 低反应条件

酶催化反应不像一般催化剂需要高温、高压、强酸、强碱等剧烈条件，而可在较温和的常温、常压下进行。

1.2.4 易变性失活

在受到紫外线、热、射线、表面活性剂、金属盐、强酸、强碱及其它化学试剂如氧化剂、还原剂等因素影响时，酶蛋白的二级、三级结构有所改变从而使酶丧失催化反应活性。

1.3 酶的催化机理

酶催化某一特定的化学反应是通过降低该反应的活化能实现的。酶催化反应的进程可表示为[3]:

A + E — A-E — E + B

式中:A ———底物;

B ———产物;

E ———酶。

酶先与底物形成酶-底物络合物,改变底物的能量,使其易于发生转变;而反应结束后,酶催化剂与其他所有的催化剂一样,仍保持原状,并可进行其他更进一步的转化。因此只需要少量的酶便足以维持反应的进行。

1.4 酶失活

酶催化反应进行到一定程度后,要采取一定措施使酶失活,如不及时使其失活,会造成纤维损坏,严重时织物完全毁坏。通常通过改变温度或pH 值来实现酶失活,有时亦可采用化学品使其“中毒”而失活。

1.5 酶处理的应用优势

随着生物酶技术的不断发展,酶在纺织品染整加工中的应用可涵盖大部分工序。酶在染整加工中的应用之所以不断扩大,得益于酶处理所具有的下列优势:

①由于酶的生物降解性，酶技术是一种绿色环保的技术；

②废水排出量少，其中盐含量和其他有害环境的药剂量也减少；

③酶可重复利用；

④反应条件温和，能够降低能源的消耗；

⑤在加工需求的选择上可以实现多样化。

2 活性生物酶的分类和活性

2.1 酶的分类

根据酶的来源分：动物酶、植物酶、微生物酶。前两者是从动物或植物体提取出来的，来源有限，生产周期长，且造价较高，而微生物酶主要是由微生物发酵得到，来源广泛，种类齐全，生产周期短，比较廉价，故工业用一般是后者。

根据生物在细胞外形成酶分：胞外酶、胞酶。纺织染整加工中应用的酶基本上都属胞外酶。而胞酶种类最多,过氧化氢酶是典型的胞酶

1961年国际酶学委员会根据酶催化作用类型，把酶分成6大类：氧化还原酶：催化物质进行氧化还原反应。有570种。

转移酶：能够催化除氢以外的各种化学官能团从一种底物转移到另一种底物的酶类。有490种。

水解酶：催化水解反应的一类酶的总称。有560种。

裂解酶：催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。有240种。

异构酶：催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子基团或原子的重排过程。有85种。

合成酶：又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。有80种。

2.2 酶活性的测定方法

活性测量法有比色法、分光光度法、放射测量法、量气法、滴定法、酶偶联分析等，常用的为前三种：

2.2.1 比色法

是通过比较或测量有色物质溶液颜色深度来确定待测组分含量的方法，如果酶反应的产物可与特定的化学试剂反应而生成稳定的有色溶液，且生成颜色的深浅与产物的浓度在一定的围有线性关系可用此法。

2.2.2 分光光度法

是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长围光的吸收度，对该物质进行定性和定量分析的方法。利用底物和产物光吸收性质的不同，可直接测定反应混合物中底物的减少量或产物的增加量。几乎所有的氧化还原酶都使用该法测

2.2.3 放射测量法

是酶活力测定中较常用的一种方法。一般用放射性同位素标记底物，在反应进行到一定程度时，分离带放射性同位素标记的产物并进行测定，就可测知反应进行的速度

2.3 酶活性单位

1963年国际生化协会酶学委员会推荐采用国际单位（IU）来统一表示酶活性的大小。1976年对酶活性单位定义为：在特定的条件下，1 min能转化1μmol底物的酶量，即1IU=1μmol/min。目前国外大多数实验室常省略国际二字，即将IU 简写为U。

为了更直观地反映酶含量的变化，很多实验室不局限传统的报告方式（U），而开始使用正常上限升高倍数（upper limits of normal, ULN）这一表示方法作为酶活性浓度的表示法。所谓ULN是指把酶测定值转换为正常上限值的倍数。简单地说，就是用测得的酶活性结果除以参考围的上限值。由于酶学测定中，一般以酶增加的异常较多，故不取正常下限值作为倍数指数。

3 生物酶在棉织物染整加工中的应用

3.1 退浆

酶退浆作为最早应用的生物酶技术, 工艺比较成熟。酶退浆工艺可以分为三个阶段: 浸渍、保温处理和水洗。酶退浆常采用间歇式、半连续式( 轧卷或轧堆)和连续式( J型箱或轧蒸) 方法。用于退浆的酶主要是淀粉酶。如果淀粉浆料中含有甘油酸酯类物质, 退浆时则在淀粉酶中再加入脂肪酶, 以提高退浆效率。用葡萄糖淀粉酶退浆时, 同时加入葡糖氧化酶可显著提高织物的光泽度, 使织物手感柔软。故棉纤维退浆时一般用含酶的复合退浆剂。

工艺举例如下:

轧蒸法: 织物先在含表面活性剂的热水中浸渍, 使淀粉膜溶胀。然后将织物以60～70 m/min的速度浸轧酶液, 浸轧液中酶的用量为6～12 g/L, 用醋酸将pH 调到6.2～6.4, 最后汽蒸3～5 min, 随后用热水洗涤。这种方法处理的织物退浆