棉针织物酶精练过程监测的初步研究9-22

陈静奕1    1  范雪荣1    1    2

1.江南大学 生态纺织教育部重点实验室

2.江南大学 工业生物技术教育部重点实验室

原载:第九届全国染整前处理学术讨论会论文集;203-207

 

摘要采用紫外分光光度法测定棉针织物果胶酶精练体系中酶活和果胶裂解产物不饱和半乳糖醛酸的含量,讨论了温度、pH值、助剂、酶液浓度对检测方法的影响,研究了酶精练液的重复利用性。通过对生物酶精练的过程进行监测,以达到了解和控制酶精练效果的目的,并建立了快速监测的初步模型。

关键词果胶酶精练;酶活;酶解产物;快速监测

 

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近些年来,棉织物生物酶精练越来越受到人们的重视。大量研究表明,利用酶的高效性、专一性和温和的反应条件代替高温强碱的传统精练处理是可行的1-4。特别是碱性果胶酶在棉针织物前处理上的优良特性,使之更受人们的关注。

在棉针织物生物酶精练过程中,如何快速监测酶液活力,并掌握酶活力的影响因素,对于及时补加酶液,确保织物处理效果的一致性和有效控制产品质量至关重要5。此外,了解酶处理后残液中产物生成量变化,也有助于掌握酶精练的反应程度。因此,生物酶精练过程中酶活和酶解产物的在线监测研究是非常有必要的。本文在果胶酶应用条件的适用范围内,对棉针织物精练过程中处理浴中果胶裂解酶的酶活和裂解产物的紫外分光光度法快速检测进行了研究,以期为棉针织物或纱线的酶精练在线监测系统的研制奠定基础。

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1.1  材料、试剂与仪器

织物 38.5 tex纯棉针织物(无锡恒田针织有限公司)。

试剂 Bioprep 3000L果胶酶(诺维信公司);乳化剂TX-10、渗透剂JFC(工业品,宜兴军达化工有限公司);聚半乳糖醛酸(生化试剂,Sigma公司);甘氨酸、氢氧化钠、磷酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠等(均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司)。

仪器 UV-2100紫外可见分光光度仪(上海尤尼柯仪器有限公司);pHs-2C酸度计(上海伟业仪器厂);HH-4型数显恒温水浴锅(江苏金坛市荣华仪器制造有限公司);WHYF-2F型水浴恒温振荡器(台湾瑞比公司)。

1.2  果胶酶精练工艺

工艺流程:热水预处理(952min)→酶精练→水洗→室温晾干。

工艺处方:果胶酶             x U/L

          浴比               130

1.3  试验方法

1.3.1  精练体系中果胶裂解酶活力的测定

果胶酶降解底物果胶的最终产物通常为不饱和二或三半乳糖醛酸,在紫外区有一定的吸光值,果胶酶酶活与OD235值(在235nm处的吸光度值)成正比,且在此波长下有最大吸收5。因此,用紫外分光光度法所测得的OD235值的变化可以反映精练浴中果胶酶酶活,即精练过程中酶的反应速度。一个标准酶活单位(1U)定义为:每分钟使聚半乳糖醛酸裂解产生1μmol的不饱和聚半乳糖醛酸的酶量。

测试时,取0.1mL稀释后的果胶酶液,加入到2mL0.2%聚半乳糖醛酸的甘氨酸—氢氧化钠缓冲液(pH 9.4)中,在45反应15min,用3mL 0.03mol/L的磷酸终止反应,在235nm处测定其吸光度值。由于精练过程中酶活测试时移取的反应液中含有果胶裂解产物和未反应的酶液,而他们在235nm处均有一定的吸光值,测试时必须排除它们的影响,故参比液选择为:0.1mL精练液+2mLpH 9.4的缓冲液,在45下反应15min,再加入5mL 0.03mol/L磷酸液(与酶活测试样反应条件相同)。

1.3.2  精练体系中果胶裂解产物—不饱和半乳糖醛酸含量的测定

果胶酶对底物果胶降解时采取β位消除机制,最终产物具有不饱和共轭体系和还原性的末端(还原性醛基),在紫外区(235nm处)具有很明显的特征吸收峰。因此,可采用紫外分光光度法测定果胶酶裂解产物不饱和共轭体系含量的变化。果胶酶精练过程中,随着反应的进行,精练液中的裂解产物含量是逐渐变化的,因此,裂解产物量的测试可以反映精练的程度及其效果。

测试时,取1mL精练液,加入5mL磷酸终止液,在235nm波长下,测定其吸光值。由于果胶酶酶液在235nm处具有一定的吸光值,测试时必须排除酶液本身的影响,故参比液选择为:1mL的未精练液+5mL 0.03mol/L磷酸。

2  结果与讨论

2.1  精练体系中果胶酶酶活的检测

棉针织物生物酶精练浴中的酶活直接影响其精练效果,因此,应该在酶精练过程中随时对酶活进行检测,以便于更好的控制反应条件,使精练浴中的酶活保持稳定,从而确保织物处理效果的一致性。由于酶的催化作用只有在适宜的条件范围内才能充分发挥,因此本试验在不同条件下(不同温度、不同pH值、不同酶浓度及不同添加助剂(TX-10JFC))进行棉针织物果胶酶精练,并监测精练浴中果胶酶活力的变化,结果如图1所示。

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a)温度对酶活的影响

bpH对酶活的影响

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c)酶浓度对酶活的影响

d)助剂对酶活的影响

1  温度、pH值、酶浓度及助剂对精练浴酶活的影响

由图1可知,温度、pH值、酶浓度对精练体系中果胶酶酶活有一定的影响,添加的非离子表面活性剂TX-10JFC对酶活几乎无影响。在试验范围内,温度为55°CpH值为9时,酶活较高,且处于稳定状态;其他水平时,酶活均有所降低。这是由于温度与酶的催化作用有着密切的关系,而pH值会改变底物分子和酶分子的带电状态,同时也影响酶的稳定性,只有在酶的最适条件下,酶活性最强,酶促反应速度最快,稳定性最好。由图1c)可知,当酶浓度在10U/mL20U/mL时,酶活是比较稳定的,而酶浓度为5U/mL时,随着反应的进行,酶活略微下降,这是由于随着反应的进行,酶用量不足,即此时酶作用底物过量,说明该果胶酶精练的酶浓度应大于5U/mL

2.2  精练浴酶解产物——不饱和半乳糖醛酸量的检测

去除棉织物上的果胶是精练的主要目的,果胶裂解酶可降解棉织物上的果胶质,其最终产物为不饱和二或三半乳糖醛酸。因此,在棉针织物酶精练过程中,掌握精练浴中酶解产物不饱和半乳糖醛酸量的变化具有重要意义,可以更好地了解反应进程及精练效果。本实验研究了在不同条件下进行的棉针织物果胶酶精练,并监测精练浴中果胶酶裂解产物不饱和半乳糖醛酸量变化,结果见图2

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a)温度对酶裂解产物量的影响

bpH值对酶裂解产物量的影响

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c)酶浓度对酶裂解产物量的影响

d)助剂对酶裂解产物量的影响

2  温度、pH值、酶浓度及助剂对精练浴酶解产物量的影响

由图2可知,温度、pH值、酶浓度及助剂对精练体系中果胶酶裂解产物的量均有一定的影响。不同条件下,精练浴中的酶解产物均随反应的进行而逐渐增加,且在反应开始时增加速度快,随着反应的进行趋势逐渐减缓。在试验范围内,55pH 9时,精练浴中酶解产物不饱和半乳糖醛酸量最多,其他条件下酶解产物含量均降低。酶浓度的变化对裂解产物的量影响较大,由图2c)可以看出,酶浓度从5U/mL10U/mL,随着酶液浓度的增加,酶解产物增加量较大;而从10U/mL20U/mL,随着酶液浓度的增加,酶解产物增加量较小。这是因为在有足够底物的情况下,酶用量越大,酶与底物形成的中间产物也越多,底物转化率也相应提高6,精练后酶解产物的量也相应的增加。助剂的加入使酶解产物的含量有所提高,说明助剂对酶裂解果胶有一定的促进作用,且JFC效果略好于TX-10

2.3  果胶酶精练液重复利用性的研究

果胶酶在其适用条件范围(4070℃、pH 79)对棉针织物进行酶精练,反应进行40-50min后试验所用果胶酶的酶活仍比较稳定(如图1所示),说明这些果胶酶还可以继续利用。为考察果胶酶精练液的重复利用性,本文采用同一果胶酶精练浴,先后对三块相同的棉针织物进行酶精练,并分别检测每次酶精练后,精练浴中果胶酶酶活和酶解产物的变化情况,结果见图3

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a)精练浴酶活的变化

b)精练浴酶解产物量的变化

3  重复使用精练浴中酶活及裂解产物量的变化

由图3a)可知,依次进行三次酶精练后,精练浴中的酶活力总体上仍较稳定,说明试验体系中的酶可进行重复利用。由图3b)可知,依次进行三次酶精练后,精练浴中的酶解产物在反应初期增加较快,之后增加幅度趋缓,最后趋于平衡。此外,从图中不同批次精练的酶解产物吸光度差值还可以看出,后一批次较前一批次的酶解产物少,这可能是由于精练浴中酶解产物的大量累积具有一定的产物抑制作用所致。通过检测酶精练体系酶活和裂解产物含量,可指导实际生产酶液的重复利用,降低生产成本;精练过程中及时补加酶液,可确保织物处理效果的一致性。

2.4  酶精练快速检测系统的初步模型

根据上述的实验结果,在棉针织物间歇式酶精练设备上开发基于果胶酶酶解作用的酶精练快速检测系统的研究思路是可行的。根据本试验酶活和酶解产物测试原理与方法,我们提出酶精练快速检测系统的初步模型,其示意图如图4所示。

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4  酶精练快速检测系统示意图

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1)试验证明,利用紫外分光光度法在棉针织物间歇式酶精练设备上开发基于果胶酶酶解作用的酶精练快速检测系统的研究思路是可行的,且此种检测方法简单、快速、准确。

2Bioprep 3000L果胶酶对棉针织物精练后的残液中酶活力仍处于稳定状态,可重复利用,从而有效降低精练成本。

参考文献:

1]王强,范雪荣,高卫东等.生物酶在棉织物精练加工中的应用[J]纺织学报20068):113-117.

2]汤克明,王强,等.芽孢杆菌产碱性果胶酶的棉散纤维精练[J]印染2009359):14-16.

3]万清余,范雪荣.纯棉针织物轧蒸-生物酶前处理[J]印染20053122):19-21