预处理结合纤维素酶处理对醋酯纤维降解的研究9-26

郁魏魏¹ 范雪荣¹ 王强¹ 陈昀² 曹建华² 叶若铭¹ 刘喆¹

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；230-235

【摘要】醋酯纤维是一种性能优良的化学纤维，在纺织、烟草行业中有广泛的应用，但存在降解性差的问题。本文采用纤维素酶降解氢氧化钠预处理醋酯纤维，考察了pH值、温度、酶用量、处理时间以及助剂对酶解效果的影响，并初步探索了超声波对氢氧化钠预处理效果的影响。结果表明，氢氧化钠预处理后，使用纤维素酶降解醋酯纤维的工艺条件为：pH 4.5，温度55℃，酶用量3 mL/L，反应时间4 h；使用超声波辅助氢氧化钠预处理后，醋酯纤维的取代度较单一碱处理略有降低，酶解活性提高；在纤维素酶催化水解反应中，加入非离子表面活性剂可以提高醋酯纤维的酶解效果。

【关键词】醋酯纤维；碱预处理；纤维素酶；降解

醋酯纤维诞生于20世纪初，是纤维素纤维中仅次于粘胶纤维的第二大品种，目前主要应用于制造纺织品、烟用滤嘴、光纤、塑料制品等。醋酯纤维本身性能优良，手感柔软，光泽柔和典雅，悬垂性好，具有一定的吸湿性，同时又具有合成纤维硬挺平滑防霉防蛀的特性，是理想的纺织服装材料；用于卷烟过滤嘴，二醋酯纤维丝束具有吸味效果好，质地坚挺，截留烟气焦油效率高和构型美观等优点，广泛应用于烟草工业。但此类纤维性能稳定，不易分解，需要相当长的时间才能完全降解（不利环境下甚至2-3年仍保持原状），对环境造成严重污染^［¹^］。

研究显示^［^2-3^］，醋酯纤维素的生物降解性能和乙酰基的取代度（DS）有关：取代度降低，生物降解性能增加；DS在2.0以上的降解速率相对较低，2.0以下越低速率越快。本文采用稀碱法对醋酯纤维进行预处理，以降低纤维取代度，提高其生物降解性；同时采用超声波、添加助剂等方法辅助处理醋酯纤维，以期提高纤维的生物降解性能。

1 实验

1.1 试验材料

醋酯纤维，南通醋酸纤维有限公司；纤维素酶，宝丽美化工；醋酸、醋酸钠、氢氧化钠、3，5-二硝基水杨酸（DNS）均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

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型紫外分光光度计，尤尼柯上海仪器有限公司；SK3200LH 超声波清洗器，上海科导超生仪器有限公司。

1.3 试验方法

（1）氢氧化钠预处理^［⁴^］：称取一定量的醋酯纤维，浸泡在0.1mol/L的氢氧化钠溶液中，浴比1：50，室温处理2h，反复洗涤，干燥。

超声波辅助氢氧化钠处理：称取一定量的醋酯纤维，选择不同超声波功率（135/100W）和频率（59/40KHz），在超声波作用下对醋酯纤维进行氢氧化钠预处理，洗涤干燥。

（2）酶降解工艺：

酶解pH值选择：取1 g预处理后醋酯纤维，温度50℃，酶用量5 mL/L，改变反应体系的pH值，在水浴锅中振荡反应12 h，终止反应，测定反应液中的还原糖含量，确定纤维素酶降解醋酯纤维的最佳pH值。

酶解温度选择：取1 g预处理后醋酯纤维，酶解体系pH值4.5，酶用量5 mL/L，改变降解反应温度，在水浴锅中振荡反应12h，终止反应，测定反应液中的还原糖含量，确定纤维素酶降解醋酯纤维的最佳温度。

酶用量选择：取1 g预处理后醋酯纤维，酶解体系pH值4.5，温度55℃，改变反应体系中的酶用量，在水浴锅中振荡反应12 h，终止反应，测定反应液中的还原糖含量，确定纤维素酶降解醋酯纤维的最佳酶用量。

酶解时间选择：取1 g预处理后醋酯纤维，酶用量3 mL/L，酶解体系pH 4.5，温度55℃，改变酶降解反应时间，测定反应液中的还原糖含量，确定纤维素酶降解醋酯纤维的最佳反应时间。

1.4 酶解液中还原糖量测定

纤维素酶降解预处理后醋酯纤维，采用DNS比色法测定酶解反应液中生成的还原糖浓度^［⁵^］。

DNS试剂1.5 mL，酶解上清液0.5 mL，去离子水0.5 mL，沸水浴中保温5 min，定容至25 mL，以540 nm处的吸光度值（OD₅₄₀）表示酶解液中的还原糖量。

2 结果与分析

2.1 处理pH对醋酯纤维酶解效果的影响

pH对酶活性的影响机制很复杂，酶分子中的许多极性基团在不同的pH条件下解离状态不同，酶活性中心的某些基团往往仅在某一解离状态时才最容易同底物结合或具有最大的催化作用；此外，pH还会影响酶活性中心的空间构象，从而影响酶的活性。因此，pH的改变对酶的催化作用影响很大^［⁶^］。

图1 pH对醋酯纤维酶解效果的影响

由图1可以看出，纤维素酶降解醋酯纤维的最适宜pH值为4.5左右，提高或降低反应体系的pH值均不利于反应的进行，因此在纤维素酶降解碱预处理醋酯纤维的实验中pH值选择4.5。

2.2 处理温度对醋酯纤维酶解效果的影响

酶是一种具有生物活性的蛋白质，在一定温度下，才能催化生物化学反应。温度对酶活的影响主要有两个方面：一方面，温度的上升加快了分子的运动，使催化反应速度随之提高；另一方面，随着温度的升高，酶蛋白逐渐失活，引起酶催化活性的下降^［⁷^］。

图2 温度对醋酯纤维酶解效果的影响

由图2可以看出，在本实验条件下纤维素酶水解碱预处理醋酯纤维的最适温度为55℃。在最适温度以下，随着温度的升高，反应液中的还原糖浓度逐渐增加，55℃时还原糖浓度最大；继续升高反应温度，纤维素酶活力下降，还原糖浓度呈下降趋势。

2.3 酶用量对纤维素酶降解效果的影响

改变反应体系中纤维素酶用量，采用DNS法测定反应液在540nm处的吸光度值，结果如图3所示。

图3 酶活对醋酯纤维酶解效果的影响

如图3所示，酶用量增大，反应液的吸光度增大，酶用量达到3mL/L左右时，吸光度达到最大，之后继续增加酶用量，吸光度没有明显变化。这是因为酶浓度较低时，用量越大，酶与底物的结合越充分，越有利于纤维的降解；但纤维素酶催化反应速度不仅与酶用量相关，还与底物表面对酶的吸附有关，酶用量达到饱和后，受底物结合位点的限制，继续增加酶的用量对反应速度的提高没有明显作用^［⁸^］。因此本实验中酶用量选择3mL/L。

2.4 处理时间对纤维素酶降解效果的影响

图4 处理时间对醋酯纤维酶解效果的影响

由图4可以看出，在酶解反应初期2 h内，随着时间的延长，反应体系中的还原糖浓度呈迅速上升趋势；此后，继续延长反应时间，还原糖含量变化逐渐趋于平缓，反应4 h后，还原糖浓度几乎不再发生变化。原因有两方面：一方面随着反应的时间的增加，纤维素水解产物可溶性还原糖对纤维素酶产生抑制作用，纤维素酶活力下降；另一方面，随着反应的进行，底物浓度降低，因此反应达到一定时间后，受底物浓度限制，继续延长反应时间体系中还原糖含量无明显变化^［⁹^］。本实验中纤维素酶降解醋酯纤维的反应时间选择4 h。

2.5 超声波-碱处理对醋酯纤维酯化度和生物降解性的影响

超声波是物质介质中的一种弹性机械波，可以产生机械效应、热效应、化学效应，对物质的结构造成破坏。在超声波的作用下，聚合物的重均分子量会降低^［¹⁰^］。魏佳瑞等人的研究表明^［¹¹^］，超声波处理后，芳纶纤维表面有少许裂缝，并产生分丝帚化现象，纤维表面有呈毛绒状的微细纤维与主体纤维分离。覃益民研究超声波对蔗渣碱处理过程的影响^［¹²^］，结果表明，超声波的强化作用可使蔗渣结构发生变化，分子间氢键减弱，结晶度降低，纤维表面出现凹坑裂纹和小孔，结构变得松散，更有利于后续的纤维素酶降解。

为了考察超声波辅助碱处理的效果，分别使用单一碱处理和超声波辅助碱处理醋酯纤维，测定不同方法预处理后醋酯纤维的取代度及酶解性能变化，结果如图5和图6所示。

图5 超声波-氢氧化钠预处理对纤维酯化度的影响

图6 超声波-氢氧化钠预处理对纤维素酶降解效果影响

由图5和图6可以看出，醋酯纤维经碱处理后，取代度显著降低（由2.6降低至1.22），在超声波的辅助作用下，氢氧化钠对醋酯纤维的脱乙酰能力略有加强（取代度降低至1.15）。在纤维素酶降解反应中，超声波-碱处理后酶解液中还原糖浓度较单独碱处理也略有增加；且超声波的功率越大，频率越高，处理后醋酯纤维的取代度越低，酶解液中还原糖浓度越高。

超声波在介质中传播时存在正负压强交替周期，使介质分子处于交替的挤压和离散状态，削弱了分子间的作用力，使纤维的形态结构发生变化，可提高纤维的可及度和化学反应性，同时超声波处理破坏了纤维素的晶格和氢键，使纤维素结晶度和规整度降低。因此采用超声波辅助氢氧化钠对醋酯纤维进行预处理，可以强化碱对醋酯纤维的脱乙酰作用，降低醋酯纤维的取代度，增大纤维比表面积，提高其生物降解性。

2.6 助剂对纤维素酶作用效果的影响

研究表明，在纤维素酶解反应中添加表面活性剂，可以有效提高还原糖的生成量，促进纤维素的转化。表面活性剂在酶解反应中有以下几个作用：降低气液界面的表面张力，阻止纤维素酶在气-液界面和空气接触而变性，提高酶的稳定性；酶紧密的吸附在纤维素表面，会导致纤维素酶失去其表面活性，表面活性剂可以影响酶从底物上的吸附和解吸的过程，减少纤维素酶在底物上的无效吸附，从而降低酶的失活，增加游离酶和纤维素的反应，提高酶解反应中纤维素转化率，使还原糖产量增大^［^13-15^］。

纤维素酶降解反应中，分别加入0.4%吐温、JFC和平平加O^［16^］，反应结束后，测定反应液中的还原糖浓度，结果如图7所示。

图7 助剂对纤维素酶降解效果的影响

由图7可以看出，加入非离子表面活性剂后，反应液的还原糖含量增加，纤维素酶对醋酯纤维的降解效率提高，其中平平加O效果最好。

3 结论

（1）纤维素酶降解氢氧化钠预处理醋酯纤维的最佳工艺为：pH 4.5，温度55℃，酶用量3 mL/L，反应时间4 h。

（2）超声波可以强化碱对醋酯纤维的脱乙酰作用，降低纤维取代度，提高其纤维素酶降解性能。

（3）添加非离子表面活性剂可以提高纤维素酶对醋酯纤维的催化作用，提高酶降解效率。

参考文献：

［1］Wiethaup W. Condition of cellulose acetate filters in natural environment［J］. Tobacco Journal international，1996，（3）：34-36.

［2］Buchanan CM.，Dorschel D，Gardner RM.，et al. The influence of degree of substitution on blend miscibility and biodegradation of cellulose acetate Blends［J］. Journal of Environmental Polymer Degradation，1996，4（3）：179-195.

［3］ Samios E，Dart RK，Dawkins JV. Preparation，characterization and biodegradation studies on cellulose acetates with varying degrees of substitution［J］. Polymer，1997，38（12）：3045-3054.

［4］张文娟，王东伟，王善元.二醋酸纤维的碱降解性能［J］.纤维素科学与技术，2008，16（1）：45-49.

［5］赵凯，许鹏举，谷广烨. 3，5-二硝基水杨酸比色法测定还原糖含量的研究［J］.食品科学，2008，29（8）：534-536.

［6］肖建英.生物化学［M］.北京：人民军医出版社，2007.

［7］齐义鹏.纤维素酶及其应用［M］.成都：四川人民出版社，1980.

［8］韩立宏，马涛.超声波辅助纤维素酶碱液提取大枣皮红色素工艺的响应面优化研究［J］.食品科学，2008，29（7）：221-225.

［9］欧阳嘉，李建明，李鑫.酶法水解低聚木糖生产废渣工艺的研究［J］.太阳能学报，2010，31（2）：263-268.

［10］Reich G. Ultrasound-induced degradation of PLA and PLGA during microsphere processing：inﬂuence of formulation variables［J］. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics，1998，45（2）：165-171.

［11］魏家瑞，唐爱民，孙智华.超声波预处理对对位芳纶纤维结构的影响［J］.材料工程，2009，（4）：61-66.

［12］覃益民，吴苗苗，刘幽燕.超声波辅助碱法预处理提高蔗渣酶解活性的研究［J］，可再生资源，2009，27（6）：28-32.

［13］ Kim MH，Lee SB，Ryu DDY，et al. Surface deactivation of cellulase and its prevention［J］. Enzyme and Microbial Technology，1982，4（2）：99-103.等