葡萄糖氧化酶的棉織物酶漂白
一、前言
漂白是染色織物必不可少的前處理工序，目前棉織物最常用的漂白劑是H202，漂白是在沸騰的矸性條件下進(jìn)行的。由于對棉纖維中色素的結(jié)構(gòu)、組成以及其粘附情況尚不完全明白。通用的漂白劑H202是非常有效的，然而，由于漂白所需的堿性條件，在漂白后又要用大量的水進(jìn)行清洗，并且H202的白由基反應(yīng)會對纖維素造成損傷，特別是當(dāng)有金屬離子存在時更為嚴(yán)重[31]
具有漂白作用，無毒和對環(huán)境發(fā)好的酶制劑，它們已經(jīng)在紡織品、紙漿及造紙工業(yè)中進(jìn)行過試驗的有三種，可供選擇：過氧化物酶，漆酶／傳遞介質(zhì)體系和葡萄糖氧化酶。一般而論，這三種酶的作用是屬于完全不同體系的。
在其它具有催化功能的酶制劑中，過氧化物酶可以促進(jìn)氧化劑，諸如H202的反應(yīng)[9]。或用山葵(辣根) (horseradish)，錳和木質(zhì)素過氧化物酶漂白木質(zhì)紙漿已有成功報告[27]。Chen和Chang[8]以及Kirk和Shiamda[15]廣泛地探討過氧化物酶對木質(zhì)素的生物降解和解聚過程中的化學(xué)和生物化學(xué)反應(yīng)。與錳過氧化酶合用可以提高紙漿的亮度[21]。山葵過氧化酶已成功地應(yīng)用于消除有色紙漿和棉織物加工廠廢水的脫色，以及防止洗滌時的沾色[20]。然而，應(yīng)用過氧化物酶漂白棉織物的報告卻很少[24]。
漆酶是一類相當(dāng)不專一性的酶，它能使有色化合物的發(fā)色基團(tuán)切斷。由于其作用不專一性的特征，所以必須使用有機(jī)傳遞介質(zhì)化合物。傳遞介質(zhì)可以在酶的活化中心和基質(zhì)的一定距離之間傳遞電子。漆酶和錳過氧化酶混合已經(jīng)應(yīng)用于含木質(zhì)素纖維，諸如：洋麻(Kenaf)和亞麻(Flax)處理[25]。Cavaco-Paulo等[7]人報告稱：用漆酶作紡織染料的脫色，以及建議以一個酶的體系用于靛藍(lán)染色織物的漂白。固定在海藻酸珠子里的漆酶，可以提高紙漿和紡織工廠的廢水中顏色的去除；盡管其效率比過氧化物酶稍差[10]。漆酶已成功應(yīng)用于牛仔布的
葡萄糖氧化酶(GOD)是黃素蛋白質(zhì)(Flavoproteins)，具有一個黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD.Flavin-adenine-dinucleotide)活化中心，它對β-D葡萄糖有高度專一性，能在PH4.5-7和溫度接近
β-D-葡萄糖+GOD-FAD←→GOD-FADH2+õ-D-葡萄糖酸內(nèi)酯
GOD-FADH+02→GOD-FAD+H202
當(dāng)有水存在時，õ-D-葡萄糖酸內(nèi)酯形成葡萄糖酸，它是H202漂白時的良好螫合劑，如果織物漂白所用H202是用葡萄糖氧化酶生產(chǎn)的，在微酸性到中性條件下，其所需的溫度也很低，完全可以避免酶的失活。然而，在這樣的條件下，H202的漂白效果無論如何是沒有意義的。
其它有人建議，在葡萄糖氧化酶的處方中加入洗滌劑以加強(qiáng)去污能力，防止洗滌時染料再沉積上去[1,14,22,26]，以及洗碗盆時防止食物再沾污塑料盛器[19]，關(guān)于葡萄糖氧化酶用于棉織物濕處理的報告極少，少數(shù)日本出版物和專利曾述及是成功的處理方法[11,13,18]。
Schacht等人在發(fā)現(xiàn)過氧化物酶不適宜用作漂白后，曾報導(dǎo)稱：將含淀粉化合物的酶退漿液與葡萄糖氧化酶聯(lián)合使用產(chǎn)生H202。其它工業(yè)上的應(yīng)用，葡萄糖氧化酶與過氧化物酶合用可漂白角蛋白(Keratin)纖維[16]。
我們研究的一個主要方面，是研究如何才能使酶退漿和生物煮練的廢液能應(yīng)用于酶漂白。本文在生物煮練時以果膠酶為主，試驗了添加或不添加纖維素酶；在酶漂白是如何利用煮練過程產(chǎn)生的葡萄糖供葡萄糖氧化酶進(jìn)行生物漂白，生物煮練應(yīng)用纖維素酶以外的混合酶，發(fā)表于其它文獻(xiàn)[4,29]。處理液的回用以及將獨(dú)立的三個工序合而為一，可達(dá)到節(jié)約成本的目的。
二、 實驗
100%平紋棉織物由試驗織物公司(t
實驗所用果膠酶(由Aspergillus niger制得)，Cellusoft L, Cellulase是Novo Nordisk贈予，果膠酶(Pectinase PS由Aspergillus Niger制得，25µ／mg蛋白質(zhì))，葡萄糖氧化酶( 由Aspergillus Niger制得，332µ／mg蛋白質(zhì)，簡稱GOD)，淀粉葡萄糖酶(由Aspergillus Niger,制得，6000µ／mg蛋白質(zhì))，葡萄糖購自Sigma Chemicals。低泡非離子表面活性劑 DA-SP8(主要成分為烷氧基化合物)，取自Chemax．Inc．Prestogen SP(H202活化劑)來自BASF，H202(34-37.4％)來自Fisher Chemicals，所有其它化學(xué)品均為試劑級。
(一) (一) 方法：
酶退漿：用淀粉葡萄糖酶(Amylogluo sidase)根據(jù)生產(chǎn)商提供的試驗條件為：PH4.5 (O
生物煮練：用果膠酶(Pectinase PN)
退漿和煮練合并：不同劑量的淀粉葡萄糖酶和pectinase。PN(
酶漂白：葡萄糖氧化酶產(chǎn)生H202的條件是：
堿煮練和通用H202漂白：為了比較起見，坯布采用常規(guī)的煮練和漂白生產(chǎn)工藝，都是在Laundro-Meter(Atlas)耐洗機(jī)上,以轉(zhuǎn)速為42rpm條件下進(jìn)行。而通常煮練浴處理時是沒有機(jī)械攪拌裝置的，如在40%NaOH溶液中，浴比為50:1，在大氣壓下沸煮90分鐘[3]。堿性漂白條件：漂白液由H202濃度為5％(owf，工業(yè)品)，1％NaOH，0．8％Na2CO3，3％Na2SiO3和0.1%MgSO4組成，浴比為10:l，溫度80
可變的條件：在部分試驗中，添加
(二)試樣的性能評估
試樣數(shù)量尺寸按AATCC97-1995要求。織物煮練后果膠質(zhì)殘量測定，按文獻(xiàn)l7的Ruthenium Red沾色法。漂白液中H202濃度按AATCC試驗法102-1992測定。葡萄糖濃度按Raabo和Terkildsen兩氏的方法測定[23]。織物的吸水性按AATCC試驗法79測定。試樣的白度，由Data Color分光光度計測定，白度指數(shù)(WI)按下式計算。
WI=Y+800(Χn-Χ)+1700(Уn-У)
其中，WI為試樣的白度指數(shù)；Y，Χ，У分別為試樣色度的坐標(biāo)值；Χn和Уn為在標(biāo)準(zhǔn)光源D65時的讀數(shù)。試樣的斷裂強(qiáng)力和斷裂引長按ASTM D5053-90(Strip Test)在Instron強(qiáng)力試驗機(jī)1100型上測定。聚合度按DIN54270，由酒石酸鐵鈉(FeTNa)溶液作為纖維素溶劑，如早期文獻(xiàn)所述[5]。
三、結(jié)果與討論
(一)建立有效的漂白條件
在紡織品的濕加工過程中，H202漂白有活化劑及穩(wěn)定劑存在時，應(yīng)用條件為pH l0.5或以上。首先是應(yīng)用工業(yè)品的H202，我們要建立過渡到條件溫和的酶漂白。有多種漂白活化劑，諸如硫酸鎂、水玻璃及尿素等可加入緩沖至pH7的漂白溶液中，使坯布的白度能提高到50而巳。要更高的白度可加入Prestogen SP和少量的非離子表面活性劑，在這種情況下，白度指數(shù)可達(dá)66-70，接近于常規(guī)煮練和漂白棉布對比樣的水平(72-74)。
用葡萄糖氧化酶漂白，問題是建立一個合適的平臺，需要多少數(shù)量的葡萄糖能使葡萄糖氧化酶產(chǎn)生足夠的H202，并保持過程的經(jīng)濟(jì)性。圖l是不同劑量的葡萄糖和葡萄糖氧化酶，在不同反應(yīng)時間內(nèi)產(chǎn)生H202量的相互關(guān)系。圖2是工業(yè)品H202及酶法產(chǎn)生的H202，在pH=7和
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| 圖1 葡萄糖為 和反應(yīng)時間產(chǎn)生的H202， *為10％，**為 | 圖2 達(dá)到的白度指數(shù) (●)是工業(yè)品H202， (▲)是酶法產(chǎn)生的H202濃度 |
由圖2可知，漂白液中活化H2O2濃度達(dá)到500-800mg／L時，白度指數(shù)可達(dá)64-65。有興趣的，當(dāng)酶生產(chǎn)的H2O2濃度再繼續(xù)提高時，白度指數(shù)反而會稍有下降。這可能是由同時生成的葡萄糖酸濃度也相應(yīng)提高之故。因它是良好的穩(wěn)定劑，使漂液過份穩(wěn)定之故。
如葡萄糖濃度很低時(如圖l的
(二)酶退漿和生物煮練液作為葡萄糖氧化酶所需葡萄糖來源，酶退漿和生物煮練液的回用，存在著一些挑戰(zhàn)。首先，是增強(qiáng)了污染，尤其是煮練后的廢液，這些污染物可能重新沉積在棉布上。此外，在漂白過程中，似乎有一部分H2O2是多損耗的。因為漂白織物時，溶液中溶解的和不溶解的污染物也漂白的。其次，在漂白液中不僅僅是由前工序生產(chǎn)的葡萄糖的數(shù)量問題，并且還存在具有抑制作用的未失活的酶制劑和葡萄糖以外的其它糖類。
最初，只用退漿液，其中仍有活性淀粉葡萄糖酶直接用于葡萄糖氧化酶生產(chǎn)H2O2。其優(yōu)點(diǎn)是污染較輕，葡萄糖平均濃度為39
其次，我們將退漿和煮練混合后進(jìn)行，中間不經(jīng)酶的失活處理，用Pectinase PN及Cellusoft L于pH5.0溫度
而單獨(dú)用Pectinase PN試驗，在葡萄糖含量為4075mg／L時，H2O2的生成量仍只有140mg／L，并沒有明顯的提高;而用淀粉葡萄糖酶和纖維素酶混合的，葡萄糖含量4100mg,／L時，可以生成715mg／L H2O2。因而，顯然是淀粉葡萄糖酶和纖維素酶混用對生產(chǎn)葡萄糖十分有利的，然而，其缺點(diǎn)是吸水性差。
通過對果膠酶失活處理后，雖然處理液中的葡萄糖只有3975mg／L，仍能生產(chǎn)出705mg／L的H2O2。這一事實說明：由于葡萄糖氧化酶對β-D-葡萄糖的高度專一性，并不會受到處理液中與葡萄糖同時生成的其它各種糖的影響。很顯然，這種情況并不是處理液中葡萄糖含量也不是酶失活所致。如果以Pectinase PS取代Pectinase PN，也可產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的葡萄糖和也不需要失活處理的。因而，我們認(rèn)為Pectinase PN中存在少量雜質(zhì)，可能是少量的過氧化氫酸(Catalase)，因而當(dāng)有少量活性果膠酶存在就會減少H2O2的產(chǎn)量。
表1的數(shù)據(jù)顯示了酶退漿和酶退漿與煮練聯(lián)合處理時，不同PH值和溫度變化，以及失活后由葡萄糖氧化酶產(chǎn)
表l不同條件的退漿(3小時)和退漿煮練(2小時)的H2O2生成量與棉布的失重和吸水性(與空白對照)
| 處理條件 | 葡萄糖mg／L | H202 Mg／L | 吸水性(秒) | 失重％ | |
| PH4.5; 50 | 退漿 | 3995±15 | 600±5 | 2180 | 9.92±0.06 |
| 退漿和煮練 | 4031±56 | 685±25 | 50 | 12．65±0．83 | |
| pH4.75-5.0; 52.5 | 退漿 | 4070±50 | 610±0 | 2180 | 9.58±0.23 |
| 退漿和煮練 | 4106±28 | 669±6 | 57 | 12.06±0.10 | |
| pH5.0; | 退漿 | 3965±15 | 608±12 | 2180 | |
| 退漿和煮練 | 4000±25 | 718±13 | 16 | 12.47±0.25 |
淀粉葡萄糖濃度20µ／g(owf) 浴比20:1
Pectinase PN濃度
Cellusoft L濃度
(三)處理織物的斷裂強(qiáng)力和聚合度：
經(jīng)常規(guī)煮練和而后的H2O2漂白，會導(dǎo)致織物的斷裂強(qiáng)力明顯的下降，特別是煮練時存在氧氣，或H2O2漂白時有重金屬離子如Fe，Mn等[31]。因此，必須小心控制這些工藝過程，以保證加工織物強(qiáng)力。在纖維上如發(fā)生游離基反應(yīng)，會導(dǎo)致聚合度下降，而影響織物的物理性能。
表2的數(shù)據(jù)顯示在常規(guī)煮練和漂白的過程中，
表2常規(guī)的和酶前處理對棉織物聚合度的影響(平均數(shù)，與對照樣標(biāo)準(zhǔn)差)
| 處理條件 | 聚合度(DP) | |
| 常規(guī) 工藝 | 棉坯布(未經(jīng)處理) | 3850(±95) |
| 退漿后(未經(jīng)漂白) | 3700(±60) | |
| 退漿及漂白后 | 1450(±30) | |
| 堿煮練后* | 2800(±50) | |
| 堿煮練及H202漂白后 | 1 100(±60) | |
| 酶處理 工藝 | 酶退漿后 | |
| 酶煮練后(Pectin￡Lse PN,Cellusofl L) | 4300(±50) | |
| 退漿、煮練．浴處理 (Pectrinase PN,Cellusofl L | 4400(&pl usmn;40) | |
| 退漿、煮練+堿處理** (用矸液沸煮3分鐘，提高吸水性) | 4000(±20) | |
| 退漿、煮練+GOD漂白*** (二步法) | 3750(±40) |
注：*條件如前述
**為了改進(jìn)吸水性和工藝效果，在淡溶液中沸煮3分鐘
***二步法漂白添加表面活性劑，浴比10：l，pH7.0
表3 未處理和處理試樣的斷裂強(qiáng)力(緯向，平均值，與對照樣標(biāo)準(zhǔn)差)
| 處理條件 | 斷裂強(qiáng)力(kg) |
| 坯布(未經(jīng)處理) | 25(±2.4) |
| 常規(guī)退漿后(未漂白) | 24.8(±2-2) |
| 常規(guī)退漿及漂白后 | 24.3(±1.2) |
| 常規(guī)堿煮練后 | 23.5(±2.5) |
| 常規(guī)堿煮練及漂白(H202)后* | 20.4(±1.9) |
| 緩沖處理后 | 24.2(±2.O) |
| 酶退漿后 | <|
| 酶煮練后(Pectinase PN) | 22.O(±2.5) |
| 一浴法酶退漿煮練 (Pectinase PN，Cellusoft L) | 18.5(±3.6) |
| 同上+ 堿處理** | 18.7(±2.1) |
| 同上+ GOD漂白*** | 16.3(±2.4) |
注：*、**、***說明同表2
酶退漿是不會影響聚合度的，如果僅僅用果膠酶煮練也不會影響聚合度。這些酶制劑只對非纖維素雜質(zhì)反應(yīng)，不會涉及纖維素鏈段。酶處理織物的聚合度沒有影響，要比常規(guī)處理的高得多。表2中酶退漿煮練一浴法試樣的處理條件是pH5.O，溫度為
表3是相對應(yīng)的試樣的斷裂強(qiáng)力數(shù)據(jù)。顯然聚合度的下降并沒有立刻反映其斷裂強(qiáng)力隨之降低。在這個階段，即使常規(guī)處理試樣的聚合度降低到相當(dāng)?shù)退剑鋸?qiáng)度仍無大影響。在實驗室小試樣上，經(jīng)堿煮練和H202處理后，其斷裂強(qiáng)力下降約18%。
酶退漿不會顯著影響其斷裂負(fù)荷(
(四)酶煮練工藝的改進(jìn)
由于觀察到強(qiáng)力損失過大，我們改進(jìn)了酶煮練工藝，采用一種不含或極少含有纖維素酶雜質(zhì)的果膠酶(Pectinase SP)，并且取消了與Cellusoft L的混用，同時加入很低濃度的非離子表面活性劑，PH保持4.5，溫度控制為
五、煮練／退漿／漂白的聯(lián)合處理
將淀粉葡萄糖酶和葡萄糖氧化酶加入改進(jìn)的酶煮練處理液中處理試樣的失重為10-10.6％，而吸水性進(jìn)一步下降至3-4秒，斷裂強(qiáng)力保持不變。為使葡萄糖氧化酶生產(chǎn)的H202量不低于500mg／L，則淀粉葡萄糖酶的用量必須加倍才能保證有足夠的葡萄糖。這樣可保證試樣的白度指數(shù)高于63 (見圖2)，而葡萄糖氧化酶的濃度保持不變，非離子表面活性劑的良好效果也顯示出來了。在處理時間的范圍 (60-120分鐘)內(nèi)，無明顯的差異。聯(lián)合處理試樣的白度指數(shù)在62-64之問，最后，試樣經(jīng)短時問矸處理(表2，**試樣)能使白度指數(shù)提高到73，對強(qiáng)力無明顯損失。
四、結(jié)論
我們建立的加工方法，是將酶退漿，生物煮煉和由葡萄糖氧化酶進(jìn)行酶漂白聯(lián)成一體的，應(yīng)用水介產(chǎn)物葡萄糖供應(yīng)葡萄糖氧化酶生產(chǎn)H202，因而實現(xiàn)
五、參考文獻(xiàn)
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本文譯自Gisela Buschle-Diller，et．a(chǎn)1．，”Engymatic Bleaching of Cotton Fabric with Glucose Oxidase”，Textile Res.J., 2001．
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