簡要概述
生物酶,是一種無毒、對環境友好的生物催化劑,其化學本質為蛋白質。酶的生產和套用,在國際上已具有80多年歷史,進入20世紀80年代,生物工程作為一門新興高新術在中國得到了迅速發展,酶的製造和套用領域逐漸擴大,酶在紡織工業中由過去主要用於棉織物的退漿和蠶絲的脫膠,至現在在紡織染整的各領域的廣泛套用。
結構特性
生物酶是具有催化功能的蛋白質。象其他蛋白質一樣,酶分子由胺基酸長鏈組成。其中一部分鏈成螺鏇狀,一部分成摺疊的薄片結構,而這兩部分由不摺疊的胺基酸鏈連線起來,而使整個酶分子成為特定的三維結構。生物酶是從生物體中產生的,它具有特殊的催化功能,其特性如下:高效性:用酶作催化劑,酶的催化效率是一般無機催化劑的10^3—10^6倍。
專一性:一種酶只能催化一類物質的化學反應,即酶是僅能促進特定化合物、特定化學鍵、特定化學變化的催化劑。低反應條件:酶催化反應不象一般催化劑需要高溫、高壓、強酸、強鹼等劇烈條件,而可在較溫和的常溫、常壓下進行。易變性失活:在受到紫外線、熱、射線、表面活性劑、金屬鹽、強酸、強鹼及其它化學試劑如氧化劑、還原劑等因素影響時,酶蛋白的二級、三級結構有所改變。所以在大生產時,如有條件酶還可以回收利用。可降低生化反應的反應活化能:酶作為一種催化劑,能提高化學反應的速率,主要原因是降低了反應的活化能,使反應更易進行。而且酶在反應前後理論上是不被消耗的,所以還可回收利用。
作用機理
酶蛋白與其它蛋白質的不同之處在於酶都具有活性中心。酶可分為四級結構:一級結構是胺基酸的排列順序;二級結構是肽鏈的平面空間構象;三級結構是肽鏈的立體空間構象;四級結構是肽鏈以非共價鍵相互結合成為完整的蛋白質分子。真正起決定作用的是酶的一級結構,它的改變將改變酶的性質(失活或變性)。
酶的作用機理比較被認同的是Koshland的“誘導契合”學說,其主要內容是:當底物結合到酶的活性部位時,酶的構象有一個改變。催化基團的正確定向對於催化作用是必要的。底物誘導酶蛋白構象的變化,導致催化基團的正確定位與底物結合到酶的活性部位上去。
主要套用
生物酶技術套用於染整加工主要有兩個方面:
1、天然纖維織物的前處理加工,用生物酶去除纖維或織物上的雜質,為後續染整加工創造條件。
2、織物的後整理加工,用生物酶去除纖維表面的絨毛,或使纖維減量,以改善織物的外觀、手感和風格。目前套用的生物酶主要有以下幾種。
種類
H2O2 分解酶
這是一種穩定的過氧化氫分解酶,能將過氧化氫分解成水和氧氣,而對纖維和染料沒有影響,因而漂白後染色前, 通過H2O2分解酶去除漂白織物上和染缸中殘留的過氧化氫,以避免纖維的進一步氧化和染色時染料的氧化。同時能縮短加工時間,減少水洗用水,降低廢水量。尤其對紗線、筒子紗和針織物更為適用。同樣,過氧化氫分解酶隨pH值和溫度的改變,其活力隨之變化,在pH7 左右和30—40 ℃活性最大。過氧化氫濃度增大,會加快分解反應速度,但必須注意當濃度大於一定量時,酶的作用將減弱,這樣過多的殘留H2O2 對纖維和染料是不利的。所以不能因為有了H2O2分解酶,就能任意地加大H2O2 的用量。使用時,通常要注意H2O2 分解酶對常用表面活性劑和H2O2 穩定劑的相容性,實際生產套用pH為6—8,溫度20—55 ℃,酶用量5—10KCLU/ 升,時間10~20min。此技術已慢慢地被中國國內所認識和接受,它對提高活性染料色澤鮮艷度很有利。要說明的是用酶可促進漂白的進行,羊毛在含有蛋白酶Bactosol ST的過氧化氫漂液中漂白,可顯著提高羊毛的白度和親水性。這是由於酶促進羊毛纖維初始受到快速的浸蝕,致使羊毛漂白較易進行。
靛藍漂白酶Denilite
這是一種作用於靛藍染料發色體系分解靛藍染料,破壞其發色的生物酶,用於靛藍染色織物,能去除靛藍色澤。它不同於纖維素酶牛仔布的水洗泛舊及傳統的牛仔布石磨,其主要特點是不損傷纖維,保持織物良好的強力,並能較好地控制靛藍染料的分解,從而控制靛藍漂白程度,使靛藍織物漂白更容易,賦予服裝獨特的整理效果。同時,也減少了處理殘液的色度,降低廢水量。靛藍漂白酶在不同溫度和pH值下活性不同,以55—65 ℃和pH5.5—6.5為最大,在以上範圍之外,活性明顯下降。其生產中套用的條件為:用量0.5%—2% (o. w. f) ,溫度55—65 ℃,pH值5.5—6.5,時間15—30min。
果膠酶
果膠酶主要是由果膠裂解酶、聚半乳糖醛酸酶、果膠酸鹽裂解酶和果膠酯酶組成。果膠物質是高度酯化的聚半乳糖醛酸。果膠酶作用於果膠物質時,果膠裂解酶、聚半乳糖醛酸酶、果膠酸鹽裂解酶直接作用於果膠聚合物分子鏈內部的配糖鍵上,而果膠酯酶則使聚半糖醛酸酯水解,為聚半乳糖醛酸酶和果膠酸鹽裂解酶創造更多的位置。
脂肪酶能將脂肪水解成甘油和脂肪酸,脂肪酸進一步進行B一氧化,每次脫下一個C2物,生成乙醯COA(N—環己基辛基胺),進入TCA(三羧酸)環徹底氧化或進入乙醛酸環合成糖類。
由微生物分泌的蛋白酶因菌種不同而異,例如枯草桿菌分泌明膠酶和酪蛋白酶,可以水解明膠和酪蛋白;費氏鏈酶菌分泌角蛋白酶,可以水解動物的毛、角、蹄的角蛋白。蛋白酶將蛋白質分解成肽,再經肽酶水解成胺基酸。
纖維素酶是一個多組分酶體系,紡織工業中套用的纖維素酶大多數是由木酶屬真菌製造的。纖維素酶中的纖維素二糖水解酶又稱為外切纖維素酶,由CHB I和CHB II兩種酶組成,而內切葡聚糖酶,又稱為內切纖維素酶,至少由5種纖維素酶(EG I、EG II、EG HI、EG IV、EG V)組成。此外,還有13一葡萄糖醛酶。這些纖維素酶在纖維素的水解中具有協同作用。
澱粉酶
澱粉酶是水解澱粉和糖原的酶類總稱,通常通過澱粉酶催化水解織物上的澱粉漿料,由於澱粉酶的高效性及專一性,酶退漿的退漿率高,退漿快,污染少,產品比酸法、減法更柔軟,且不損傷纖維。澱粉酶的種類很多,根據織物不同,設備組合不同,工藝流程也不同,目前所用的退漿方法有浸漬法、堆置法、卷染法、連續洗等,由於澱粉酶退漿機械作用小,水的用量少,可以在低溫條件下達到退漿效果,具有鮮明的環保特色。
生物酶工程
生物酶工程是2003年發展起來的新的學科領域,根據《斯諾美26走在生物醫學美容最前沿》科技雜誌顯示,其基礎是結構生物學和生物信息學。是利用蛋白質超分子結構知識,採用基因工程和蛋白質工程手段,對天然酶實施定向改造和體外分子操作,在開發新型和高質量分析酶試劑等方面意義重大。生物酶工程是酶學原理和現代分子生物學技術相結合的產物,主要任務是:
①利用微生物、動植物細胞作為生物反應器大量生產酶。已成功地生產出100多種酶。
②通過基因工程技術,使酶基因發生定位突變,產生遺傳性修飾酶(突變酶)。
③合成自然界不存在的新酶。雖然生物酶工程技術的發展尚處在幼年時代,但它將開創從分子水平根據遺傳設計藍圖創造出超自然生物機器的新時代。
在造紙領域的套用
生物酶脫墨劑採用現代生物科技,優選針對性強的多種高效生物酶復配而成,與酶激活專用助劑配合使用,適用於混合辦公廢紙、報紙雜誌等的脫墨,並能明顯改善造紙過程中的膠粘物沉積現象。
脫墨機理:各種專用生物酶分工協作,作用於纖維表面的細小纖維、油墨、膠粘物中的聯結劑及油墨、膠粘顆粒,使纖維與油墨、膠粘物之間結合力變弱;直接分解油墨、膠粘物,使其顆粒更細小,並加強其親水性;在機械力及專用助劑作用下使油墨、膠粘物與纖維充分分離,並保持良好的分散性,有效地防止油墨及膠粘物的附聚及對纖維的二次污染;從而在後續工段中將其除去。