醋酸纤维的酶法改性及性能评价9-17
郁魏魏1，范雪荣1，王强1，叶若铭1，曹建华2，陈昀2
1. 江南大学 生态纺织教育部重点实验室
2. 南通醋酸纤维有限公司
原载：第九届全国染整前处理学术讨论会论文集；116-120
【摘要】本文采用脂肪酶Lipex
【关键词】醋酸纤维；脱乙酰；脂肪酶；改性；性能
醋酸纤维是以醋酸纤维素为原料经纺丝制得的化学纤维，也称为醋酯纤维。根据纤维素葡萄糖残基酯化程度的不同，可分为二醋酸纤维和三醋酸纤维。醋酸纤维是优良的纺织原料，既有纤维素纤维的服用舒适性，也有合成纤维的尺寸稳定性。但由于纤维素大分子链上的羟基被乙酰基取代，因此醋酸纤维的染色性和吸湿性不如黏胶等再生纤维素纤维［1-2］。
化学纤维的酶法改性研究始于20世纪末［3］。目前，用于化学纤维改性的生物酶主要有脂肪酶、酯酶、角质酶等。Yoon等的研究表明，使用聚酯酶（脂肪酶、酯酶、角质酶）处理后，可改善涤纶织物防污、抗起毛起球和染色性能［4-5］；此外，加入非离子助剂有助于角质酶对纤维的催化作用，但对脂肪酶反而有抑制作用［6］。
Ishigaki等分别研究芽孢杆菌sp.S2055菌及其分泌酶对醋酸纤维素膜的作用效果，结果表明在脂肪酶和纤维素酶的协同作用下，反应20天后醋酸纤维素膜的质量损失达62 %以上［7］，而单独使用纤维素酶降解相同取代度的醋酸纤维素膜失重率仅为23 %，说明脂肪酶对醋酸纤维素具有脱乙酰作用，从而有助于纤维素酶降解醋酸纤维素［8］。本文选取脂肪酶Lipex
1 试 验
1.1 试验材料
醋酸纤维，南通醋酸纤维有限公司；脂肪酶Lipex
1.2 试验仪器
HH-2数显恒温水浴锅，江苏金坛市荣华仪器制造有限公司；WFZ UV-2802S型紫外分光光计，尤尼柯上海仪器有限公司；pHS
1.3 试验方法
脂肪酶处理醋酸纤维：取一定量的醋酸纤维，
染色：按下面处方配制染浴，纤维于
活性染料染色处方
活性艳蓝KN-G/%（o.w.f）2
Na2SO4/g/L
50
Na2CO3/g/L
10
浴比 1︰100
1.4 测试方法
紫外光谱分析：酶处理残液在
反应液pH值测定：用去离子水配制反应液（不含缓冲液），按1.3方法处理醋酸纤维后，酶处理残液在
纤维染色性能测试：测定染色前后染液在最大吸收波长（667 nm）下的吸光度，按式（1）计算纤维上结合的染料量［12］。
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(1) |
式中，WD——
回潮率测定：按照GB/ T9995 - 1997测定醋酸纤维的回潮率［13］。回潮率计算公式如下：
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回潮率(%)= |
Wm-W5 |
×100%
(2) |
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W5 |
式中，Wm——纤维湿重（g）；Wd——纤维干重（g）。
取代度测定：醋酸纤维的取代度是指纤维素分子链上平均每个失水葡萄糖单元上被乙酰基取代的羟基数目，因为每个葡萄糖单元上只有3个羟基，所以取代度只能小于或等于3。醋酸纤维的取代度和纤维中乙酰基含量具有如下换算关系［14］：
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(3) |
式中，DS为取代度，W为纤维中乙酰基的含量（%）。
依据标准ASTM D 871-63，采用滴定法测定醋酸纤维素中乙酰基含量，可以定量换算出醋酸纤维的取代度。
2 结果与讨论
2.1 脂肪酶处理残液紫外光谱分析
醋酸纤维的水解产物乙酸在紫外区有一定的吸收，其吸收强度可以用来表征脂肪酶的作用效果。同时，酶作为一种蛋白质，在紫外区也会有较强的吸收。为此，本文以同样方法使用失活酶处理醋酸纤维，得到的反应残液作为对照。结果如图1所示。
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（a）乙酸；（b）失活酶处理残液；（c）脂肪酶处理残液 |
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图1 反应液紫外光谱 |
由图1可以看出，失活酶（b）和酶（c）处理醋酸纤维后，其反应残液在217 nm和270 nm附近均存在明显的吸收峰。这些吸收峰均为蛋白质的特征吸收，其中270nm处两者的吸收峰几乎重合，说明二者蛋白质含量相当。而217 nm处酶处理残液的吸光度明显大于失活酶处理残液的吸光度，说明酶处理的残液在此波长下除有蛋白质的吸收外，还有其他的物质存在。对比乙酸（a）的紫外吸收光谱可以判断，该产物是醋酸纤维在脂肪酶作用下发生脱乙酰反应生成的乙酸；而失活酶对醋酸纤维没有水解作用，因此其处理残液在217nm处仅有蛋白质的吸收，吸光度小于酶处理后反应残液。
2.2 脂肪酶处理后反应残液pH变化
纤维素乙酸酯若在脂肪酶的催化作用下发生水解，则酯键断裂，生成的乙酸会使处理液的pH降低。通过测试处理液的pH，可表征酸类物质的生成，测试结果如图2所示。
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图2 脂肪酶处理对反应液pH值的影响 |
由图2可以看出，酶处理后反应液pH值较处理前有所降低，说明纤维素乙酸酯在脂肪酶的催化作用下发生了水解反应，生成酸类物质，导致反应体系pH下降。
2.3 脂肪酶处理后纤维吸湿性能变化
紫外光谱分析和反应液pH值变化表明，醋酸纤维经脂肪酶处理后反应液中有乙酸的存在，即脂肪酶可催化纤维的酯键发生水解。就纤维而言，其表面的羟基数量相应增加，因此，纤维的亲水性（吸湿性）也应改善。本文进一步考察了酶处理前后醋酸纤维回潮率的变化，结果如图3所示。
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图3 脂肪酶处理对纤维回潮率的影响 |
二醋酸纤维的回潮率为6.5%，与本文测试数据6.21%相近。由图3可以看出，脂肪酶处理后，醋酸纤维的回潮率明显增加（8.38%）。这是因为酯基的水解使纤维表面的羟基数量增加，因此纤维的亲水性增加，回潮率增大。失活酶处理后醋酸纤维的回潮率较空白样品略有增加（可能是少量酶吸附所致），但仍明显小于酶处理的样品。
2.4 脂肪酶处理后纤维染色性能变化
脂肪酶处理使醋酸纤维表面的羟基数量增加，在一定的碱性和温度条件下，活性染料中的活性基团可以与纤维中的羟基发生反应形成共价结合。本文使用活性艳蓝KN-G对酶处理前后的醋酸纤维分别进行染色，测得纤维上结合的染料量结果如图4所示。
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图4 脂肪酶处理对活性染料吸附量的影响 |
由图4可知，脂肪酶处理后，醋酸纤维上活性染料量由64.5%提高到72.0%，说明脂肪酶处理后醋酸纤维发生了脱乙酰反应，使得纤维中的羟基数量增加，活性染料与纤维的结合位点增多，因而可结合更多染料。需指出的是，由于蛋白质在纤维表面的吸附作用，失活酶处理后纤维结合染料量也略高于空白样。
2.5 脂肪酶处理后醋酸纤维取代度变化
取代度是衡量醋酸纤维中纤维素大分子链上羟基乙酰化程度的一个指标。本文分别测定酶处理前后醋酸纤维的取代度，结果如表1所示。
表1 脂肪酶处理对醋酸纤维取代度影响
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样品种类类 |
未处理样 |
酶处理样 |
失活酶处理样 |
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取代度 |
2.68±0.02 |
2.52±0.03 |
2.69±0.01 |
由表1可以看出，酶处理后醋酸纤维的取代度略有降低，说明在脂肪酶的催化作用下，醋酸纤维确实发生了脱乙酰反应，这与前面的测试结果相吻合。但由于酶的作用仅局限在纤维表面，因此，处理后纤维的取代度下降并不明显。
3 结 论
a. 采用脂肪酶对醋酸纤维进行亲水改性，结果表明处理后反应液中有水解产物乙酸的存在，从而导致反应液的pH下降；
b. 脂肪酶改性醋酸纤维的吸湿性增加，活性染料对纤维的上染百分率提高，而纤维的酯化度下降很小，说明脂肪酶对醋酸纤维的脱乙酰作用主要发生在纤维表面，对纤维内部没有明显的作用。
参考文献：
［1］侯庆华，戴玲.纺织用醋酯长丝的产品性能及应用［J］.合成纤维，2006，35（2）：1-5.
［2］金立国，译.醋酯纤维在纺织中的应用［J］.合成纤维，2005，34（5）：46-48.
［3］郝婷婷，洪枫，朱利民，等.生物酶在化学纤维后处理中的进展［J］.印染，2005，31（3）：48-51.等