生物酶对木棉纤维性质及染色性能的影响

郑小静，梅　帆，易长海*,2

(1. 武汉纺织大学 纺织科学与工程学院，湖北 武汉 430073；2. 广东省均安牛仔服装研究院，广东 顺德 528329)

生物酶对木棉纤维性质及染色性能的影响

郑小静1，梅帆1，易长海*1,2

(1. 武汉纺织大学 纺织科学与工程学院，湖北 武汉 430073；2. 广东省均安牛仔服装研究院，广东 顺德 528329)

生物酶——纤维素酶和漆酶对木棉纤维进行预处理，研究生物酶的温度和时间对木棉纤维的微观结构、结晶度、热重等性质及染色性能的影响。结果表明：生物酶处理后，纤维的微观结构变化较小，结晶度基本没有变化，热降解温度降低了10℃左右。漆酶处理后木棉的吸湿率由10.08%增加到12.50%左右，较小浓度的纤维素酶处理木棉纤维后，木棉的吸湿率也增加到13%左右，浓度较大后，木棉纤维的吸湿率为11%。未处理的木棉靛蓝染色，K/S值在4.5左右；酶处理后木棉纤维的K/S值均在6以上，因此生物酶处理后木棉纤维的上染率均增大。漆酶处理后木棉纤维上染率明显增加，说明木质素阻碍染液进入纤维。

木棉纤维；生物酶处理；靛蓝染色

1　前 言

木棉纤维的传统工序——碱处理[1]，实际上是染色前的预渗透处理。棉纤维染色前的碱对棉织物的处理具有两面性的，它在去除棉纤维中的果胶和蜡质等杂质的同时，又会产生纤维素分子链断裂等副作用。生物酶[2]处理是在温和条件下作用于木棉纤维，使存在于木棉纤维角质层、初生胞壁中的果胶、蜡质等纤维素共生物降解，木棉纤维不会受到损伤，从而达到染色前预处理的目的。这就代替了碱处理过程，避免了碱处理带来的损伤，而保证只有积极作用。

木棉纤维中纤维素的含量较多且资料研究显示纤维素染色性能[3]差的原因是因为木质素[4]阻碍了染料分子进入纤维的非结晶区内。因此选用了两种酶纤维素酶和木质素酶作用木棉纤维，观察纤维微观结构及其染色性能的影响。漆酶与木质素发生催化作用，使得木质素中的酚式羟基形成苯氧自由基和水。且漆酶对纤维素没有作用。纤维素酶[5]是一种多组分混合蛋白质，是起协同作用的多组分酶系，并只对一种对应的产物发生作用。

2　实验部分

2.1原料及试剂

木棉：上海潘大实业有限公司提供；氢氧化钠，Na2S2O4·2H2O：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；渗透剂（JFC）：分析纯（98%），广东省均安牛仔研究院提供；靛蓝染料：固体颗粒，广东省均安牛仔研究院提供；纤维素酶、漆酶：固体颗粒，上海丹尼尔悦生物科技有限公司。

2.2实验方法

2.2.1生物酶处理[6,7]

（1）分别配置浓度为5份4g/L的漆酶和纤维素酶溶液（JFC，0.2g），放入35℃，45℃，55℃，65℃，75℃的恒温水浴锅中，待温度达到温度后放入0.5g木棉纤维，玻璃棒搅拌使溶液浸入纤维，静置1h。

（2）分别配置浓度为5份4g/L的漆酶和纤维素酶溶液（JFC，0.2g），放入55℃的恒温水浴锅中，待溶液温度达到相应温度放入0.5g木棉纤维，玻璃棒搅拌使溶液浸入纤维，处理时间分别为10min，30min，50min，70min，90min，110min。

以上处理后的纤维均用温和去离子水洗涤，真空泵抽滤后放在80℃烘箱中烘干再染色。

2.2.2靛蓝染色[8~10]

配置8g/L氢氧化钠，1g/L靛蓝，4g/L保险粉的靛蓝染液，在60℃恒温振荡器上震荡还原30min后，称取一定量的经生物酶处理后的木棉纤维，浸渍在 35℃的染液中染色 20min，然后将纤维在空气中氧化15min，用60℃的热水清洗一次，冷水洗三次，去除纤维表面的浮色，在80℃的恒温箱中烘干。

2.3分析与表征

木棉纤维微观形态分析（SEM）：采用日本电子公司生产的 JSM6510型电子扫描电镜观察碱处理后的纤维纵向形态结构。将碱处理后的木棉纤维粘贴在样品台上，喷金镀膜。制作好的样品放入扫描电镜内，放大2000倍观察。

木棉纤维红外光谱分析：采用德国布鲁克公式生产的Tensor 27型傅里叶变换红外光谱仪对碱处理后的木棉纤维进行测试[12]。KBr压片，透射，分辨率4cm-1，扫描次数64。

木棉纤维纤维素酶和漆酶处理后的失重率与吸湿率：处理前纤维烘干后的重量W0（g），纤维放在温度20℃，湿度65%的恒温室中48h后，纤维的重量为W1（g），碱处理纤维洗净烘干后的重量为W2（g），碱处理纤维在温度20℃，湿度65%的恒温室中48h后其重量W3（g）。

木棉的吸湿率（%）=︱W1-W0︱/W0×100%

酶处理后纤维的吸湿率（%）=︱W3-W2︱/W2×100%酶处理后纤维的失重率（%）=︱W2-W0︱/W0×100%

木棉纤维结晶性能分析：采用日本理学公司生产的D/ Max B型X射线衍射仪对经碱处理后的木棉纤维进行测试。Cr靶，Ni滤波，管压为25kV，管流为30mA，扫描范围0-50℃。

木棉纤维的热重分析：采用德国Netzsch公司的TG-209F1型热重分析仪对碱处理后的木棉纤维进行热重分析，纤维初始质量控制在5 mg，测试温度范围为常温-600℃，速率20℃/min。

3　结果与讨论

3.1漆酶和纤维素酶处理对木棉纤维表面形貌的影响

图1　漆酶和纤维素酶处理后的木棉纤维的纵向结构图

图2 漆酶和纤维素酶处理后的木棉纤维的横向结构图

结合图1和图2，可以看出酶处理后的木棉纤维表层胞壁有轻微的脱落，纤维表面有轻微的破坏，纤维没有发生收缩现象，图2中纤维的中腔结构并没有破坏。酶处理纤维比较温和，对纤维的损伤较少。

3.2生物酶处理对木棉纤维化学结构的影响

由图3可知，3300~3400cm-1左右为-OH的伸缩振动，是纤维素的特征吸收峰，2910 cm-1为CH键的吸收，1700~1645cm-1为与芳香环共轭的C=O的振动吸收，1170～1000cm-1为C-O键的振动吸收。3300~3400cm-1官能团位置基本没有发生什么变化，说明用生物酶处理对木棉纤维的结构没有影响，只是-OH含量明显增多，从而是木棉纤维的活性增强，木棉纤维不会受到损伤，从而达到染色前预处理的目的。

图3　原木棉纤维、酶处理后的木棉纤维的红外光谱图

3.3生物酶处理对纤维重量及吸湿率的影响

表1　不同浓度酶处理后木棉纤维失重率

由表1可知，在1g/L-7g/L范围内，漆酶处理后的木棉纤维的失重率较为平稳，失重率为2.5%左右，纤维素酶处理后的纤维的失重率随着酶浓度的增加而增大，且当纤维的浓度为1g/L时，纤维的失重率基本没有变化，与漆酶开始时失重率就为2.5%左右相差较大。

表2　不同浓度酶处理后木棉纤维吸湿率

由表2可知，漆酶和纤维素酶处理后的纤维的吸湿率均变大。漆酶处理后的木棉纤维的吸湿率为12.5%左右，变化不大。纤维素酶处理后的木棉纤维的吸湿率先增大后减少。分析其原因，因为木棉表面是致密结构，纤维素酶的浓度增大，纤维表面的纤维素水解较快，纤维表面结构被破坏了。但是当浓度继续增大时，纤维素水解越来越多，纤维中亲水性羟基变少，羟基对水分子的吸收影响大于纤维破坏对水分子的吸收，因此总体对水分子的吸附减少，吸湿率下降。

3.4酶处理对木棉纤维结晶度的影响

由图4可知，酶处理前后的木棉纤维的特征衍射峰位置基本相同。通过分峰计算法计算得a的结晶度为43.34%，a的结晶度为36.21%，漆酶和纤维素酶处理后的纤维结晶度基本上没有变化。

3.5漆酶和纤维素酶处理对木棉纤维热重的影响

木棉纤维的分解峰顶温度为 417℃，漆酶处理后的木棉纤维的分解 379℃，纤维酶处理后的纤维的分解峰顶温度为 389℃。酶处理后的木棉纤维的分解峰顶温度均下降，漆酶处理后的木棉纤维的热重下降较纤维素酶处理后的纤维的热重下降更明显。

图4　酶处理后的木棉纤维的X-RAY图

图5　漆酶和纤维素酶处理后的木棉纤维的DTG图

3.6生物酶处理对纤维染色性能的影响

3.6.1不同酶处理温度对纤维素酶和漆酶染色性能的影响

图6　漆酶和纤维素酶处理温度不同时木棉纤维的K/S值

图7　不同漆酶和纤维素酶处理时间下木棉纤维的K/S值

从图可以看出，漆酶处理木棉纤维的合适温度为60℃，温度对酶的活性有影响，木质素阻碍染料分子进入纤维的内部，使得纤维的上染性能不好，漆酶可以去除纤维中的木质素。而纤维素纤维主要是与纤维中的纤维素反应，当低浓度的纤维素酶处理木棉纤维，破坏纤维表面结构的形态，使得染料分子能够进入纤维分子中。但过多的纤维素被处理掉后，影响靛蓝分子上染到纤维上面，因为靛蓝隐色体钠盐分子一部分是通过与纤维中的羟基结合形成氢键，纤维素减少后，与染料结合的机会减少。不同温度下的酶处理后的木棉纤维的染色性能不同，是因为温度对酶的活性的影响。

3.6.2不同酶处理时间对纤维素酶和漆酶染色性能的影响

在酶的处理时间为10～110min时，漆酶处理后的木棉纤维的K/S值变化不大，纤维中的木质素成分为15～22%，漆酶处理后的木棉纤维纤维的失重率在2.5%左右，原因可能与木质素在纤维中的分布有关。随着纤维素酶处理时间的增加，木棉纤维的K/S值越来越小。适当的纤维素酶处理木棉纤维，可以使得纤维表面致密的结构有一定损坏，随着时间的延长，被催化水解的纤维素增多，与隐色体钠盐吸附的纤维素变少，纤维的上染性能变差。

因此考虑综合效益，漆酶的最佳处理时间应为30min，而纤维素酶随着处理时间的增大，其染色性能总体不断下降。

4　结语

本文通过改变纤漆酶和纤维素酶的酶处理温度和处理时间对木棉纤维改性后染色，观察漆酶和纤维素酶处理后纤维的形态结构、失重率、吸湿率和染色性能变化，得出了如下结论：

（1）漆酶和纤维素酶处理纤维后，纤维的微观结构变化较小，结晶度基本没有变化，热降解温度降低了10度左右。

（2）漆酶处理后木棉的吸湿率由10.08%增加到12.5%左右，较小浓度的纤维素酶处理木棉纤维后，木棉的吸湿率也增加到13%左右，浓度较大后，木棉纤维的 吸湿率变为11%。

（3）未处理的木棉纤维靛蓝染色后，K/S值在4.5左右，酶处理后的木棉纤维的K/S值均在6以上，因此纤维素酶和漆酶处理后的木棉纤维的上染性能均增加。

（4）漆酶处理木棉纤维的合适温度为60℃，温度对酶的活性有影响，木质素阻碍染料分子进入纤维的内部，使得纤维的上染性能不好，漆酶可以去除纤维中的木质素。漆酶处理后的木棉纤维上染性能明显增加，说明木质素阻碍染液进入纤维中。纤维素酶处理时间的增长，木棉纤维的K/S越来越小。适当的纤维素酶处理木棉纤维，可以使得纤维表面致密的结构有一定损坏，随着时间的延长，被催化水解的纤维素增多，与隐色体钠盐吸附的纤维素变少，纤维的上染性能变差。

[1] 梅帆，甘厚磊．碱处理对木棉纤维形态结构及靛蓝染色性能影响[J]．武汉纺织大学学报，2014，(03)：5-8．

[2] 王亮．纤维的酶改性技术[J]．造纸化学品，2012，(03)：52-54．

[3] 伏宏彬．纤维素纤维的化学改性与反应性染色[J]．成都纺织高等专科学校报，2002，(03)：5-9．

[4] 郑大锋，邱学青，楼宏铭．木质素的结构及其化学改性进展[J]．精细工．2005，(04)：249-252．

[5] 袁平，余惠生，付时雨，等．纤维素酶和半纤维素酶对纤维改性的研究进展[J]．中国造纸，2001，(05)：54-58．

[6] 张平，张佳会，李彬煜，等．苎麻复合生物酶脱胶方法的研究[J]．武汉纺织大学学报，2014，(03)．

[7] 王绍斌，陈莉，孙卫，等．SKD酶在棉散纤维染色前处理中的应用[J]．西安工程科技学院学报，2005，(01)：10-12．

[8] 梅帆，刘柳，甘厚磊，等．木棉纤维的碱处理及其对靛蓝染料染色性能研究[J]．武汉纺织大学校报，2013，(09)：5-8．

[9] 赵熙花，王建平．浅谈靛蓝性质及其染色工艺[J]．山东纺织科技，1990，(04)：9-12．

[10] 阎丽君，靛蓝染料染色影响因素分析[D]．石家庄：河北科技大学，2010．

Effects of Enzymes on the Nature and Dyeing Performance of Kapok Fiber

ZHENG Xiao-jing1, MEI Fan1, YI Chang-hai1,2
（1. Department of Textiles Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China; 2. Guangdong Jun’an Jeans Institute, Shunde Guangdong 528329, China）

Using enzymes-cellulase and laccase treating kapok fiber pretreatment, studied the effect of temperature and time of the enzymes on microstructure, crystallinity, thermal and other properties and dyeing properties of kapok fiber. The results were as follows: after treated, the microstructure of the kapok fibers changed very little, and the crystallinity did not change substantially, the thermal degradation temperature reducing about 10 degrees. After the laccase treated, the absorbent rate rised from 10.08% to 12.50%; after small concentration of cellulase treated, the absorption rate also increased to about 13%, but when greater concentration, absorption rate was just 11%. The untreated kapok fiber’s K/S values was about 4.5; the kapok fiber’s K/S values after the enzyme treated was six or more, so the enzyme treated kapok fiber’s dyeing rate increased. The dye-uptake of kapok fiber increasing significantly after enzyme treatment indicated that lignin hindered the dye liquor into the fiber.

kapok fiber; bio-enzyme treatment; indigo dyeing

TS721+4

A

2095－414X(2015)06－0021－05

易长海（1968-），男，教授，研究方向：高分子材料合成与改性.