表面活性剂对中性纤维素酶生物抛光的影响

杜 斌，刘 营，王 冠，刁洋洲，刘国红，陈云峰，苏 丹

（1.武汉工程大学化学与环境工程学院，湖北武汉 430073；2.武汉新华扬生物股份有限公司，湖北武汉 430074）

生物抛光是一种利用纤维素酶处理织物表面的染整、湿加工工艺［1］。处理后的织物抗起毛起球更持久，表面光洁度增加，服用等性能改善。原理是在应用过程中，纤维素酶弱化微纤基端，达到除毛效果［2］。表面活性剂是纺织行业的常用助剂［3］，根据离子性分为阳离子、阴离子、非离子和两性离子表面活性剂。纤维素酶处理织物时，合适的表面活性剂与酶产生协同作用，可以提高纤维素酶的应用性能，因而找到合适的中性纤维素酶/表面活性剂复配体系对实际生产应用具有现实意义［4］。本实验分析中性纤维素酶的应用性能，选取几种不同类型的表面活性剂与中性纤维素酶进行复配，研究复配酶液的生物抛光效果与稳定性。

1 实验

1.1 材料与仪器

织物：纯棉半漂针织布（32 tex，180 g/m2）。试剂：3,5-二硝基水杨酸（DNS 试剂）、羧甲基纤维素钠（CMC）、葡萄糖、磷酸二氢钠、柠檬酸（均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司），十二烷基苄基氯化铵（BZK，南通润丰石油化工有限公司），聚季铵盐-47（M2001）、烷基糖苷（APG）、椰油酰胺丙基甜菜碱（CAB-35）（广州花之王化工有限公司），异构十三醇醚磷酸酯（E-1310P，江苏省海安石油化工厂），月桂醇聚醚-7 硫酸酯钠（AES，淄博海杰化工有限公司），天然植物醇醚改性聚氧乙烯醚（NSF-7，苏州源泰润化工有限公司），月桂亚氨基二丙酸二钠（DIC）（工业品，上海紫一试剂厂），中性纤维素酶（武汉新华扬生物股份有限公司）。

仪器：FA1004 电子天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司），HH-4 数显恒温水浴锅（常州国华电器有限公司），UV759S 紫外-可见分光光度计（上海精密科学仪器有限公司），DHG-9075A 电热恒温鼓风干燥箱（上海一恒科技有限公司），YG（B）401E 马丁代尔耐磨仪器、SW-24AⅡ耐洗色牢度试验机（温州大荣纺织仪器有限公司）。

1.2 复配酶液的制备

在纤维素酶液中加入1%～5%（对复配液总质量）的表面活性剂，摇匀，调节pH 为6.5。

1.3 生物抛光

在抛光整理液中加入一定量复配酶液，投入织物（浴比1∶10）进行酶处理，煮沸10 min 进行酶灭活，冷水洗涤两次，在85 ℃下烘干后称重。失重率=（1-m2/m1）×100%，其中m1为处理前织物质量；m2为处理后织物质量。

1.4 测试

相对抛光效果：将复配液生物抛光处理烘干的织物与原液生物抛光处理烘干的织物进行抗起球摩擦实验，评价织物表面起毛起球现象。

酶液稳定性：将复配酶液置于45 ℃烘箱，观察是否出现浑浊或沉淀。

酶活：采用CMC-DNS 法测试［50 ℃、pH 6 条件下水解羧甲基纤维素钠底物1 h，产生相当于1 mg 葡萄糖的还原糖量，为1 个酶活单位（U/mL）。取1.8 mL 羧甲基纤维素钠溶液，50 ℃预热5 min，加入0.2 mL 酶液稀释液，混匀，50 ℃保温10 min，再加入5 mL DNS试剂，混匀煮沸5 min，冷却至室温，以空白样为零点，在540 nm 下测定吸光度A］。计算式如下：

式中，K为标准曲线斜率；C0为标准曲线截距；V为待测样体积，mL；M为葡萄糖的摩尔质量；t为酶解反应时间；n为待测样稀释倍数。

相对酶活保留率：复配酶液置于45 ℃烘箱后出现浑浊或沉淀的酶活与刚配制好时酶活的百分比。

2 结果与讨论

2.1 纤维素酶的抛光工艺优化

2.1.1 温度

由图1 可知，温度对纤维素酶抛光效果的影响呈抛物线状，失重率先增大后减小。低于55 ℃时，失重率随温度升高逐渐增大，抛光效果提高，因为温度升高会降低反应活化能，加快催化反应速度；55 ℃时，失重率最高达1.88%，此时抛光效果最好；高于55 ℃时，失重率随温度升高逐渐减小，因为部分纤维素酶变性失去催化活性，抛光效果下降。

图1 温度对抛光效果的影响

2.1.2 pH

由图2 可知，pH 对纤维素酶抛光效果的影响呈抛物线状，失重率先增大后减小。pH 小于6.5 时，失重率随pH 升高逐渐增大，抛光效果增强；pH 为6.5 时，失重率最高达1.88%，此时抛光效果最好；pH 大于6.5 时，失重率随pH 增大逐渐减小。因为纤维素酶在最适pH 范围内表现出最高活性，当超出这个范围时，酶活均会降低。

图2 pH 对抛光效果的影响

2.1.3 纤维素酶用量

由图3 可知，纤维素酶用量对抛光效果的影响接近线性关系，失重率随酶用量增加逐渐增大。用量小于0.1%(omf)时，酶浓度较低，织物质量相对较大，失重率增大较明显；用量大于0.10%(omf)时，失重率变化较平缓，此时不仅酶用量影响生物抛光效果，温度、时间等也会影响。结合实际应用效果，酶用量选择0.1%(omf)，此时失重率为1.88%。

图3 纤维素酶用量对抛光效果的影响

2.1.4 处理时间

由图4 可知，处理时间对抛光效果的影响接近线性关系，失重率随酶处理时间延长而逐渐增大。

图4 处理时间对抛光效果的影响

小于90 min 时，失重率随处理时间的延长呈线性增加，此时纤维素酶主要作用于织物表面的绒毛。90 min 时失重率为2.36%。烘干的织物经过2 000 次摩擦，表面几乎没有起毛起球，说明此时织物表面的绒毛已经基本除净。大于90 min 时，失重率增幅变小；进行抗起毛起球实验时，织物表面光滑，没有起毛起球。因为中性纤维素酶与内部纤维发生水解反应，失重率随处理时间的延长增幅降低。

2.2 表面活性剂种类对纤维素酶抛光效果的影响

2.2.1 阳离子表面活性剂

由图5 可知，阳离子表面活性剂BZK、M2001 与纤维素酶复配后，在最佳反应条件下的抛光效果均随着用量的增加先升高后降低。BZK 用量为3%～4%、M2001 用量为4%～5%时，相对原酶具有协同提升作用，最高相对抛光效果分别为103.3%、102.5%。阳离子表面活性剂会降低纤维素酶与纤维间的复合能力，添加少量阳离子表面活性剂时抛光效果变差；增加用量后，阳离子表面活性剂可以与纤维素酶之间形成协同作用，增强抛光效果［5］。

图5 BZK 与M2001 对抛光效果的影响

2.2.2 阴离子表面活性剂

由图6 可看出，阴离子表面活性剂E-1310P、AES与纤维素酶复配后明显抑制抛光效果。因为阴离子表面活性剂与纤维结合能够增加其阴离子化程度，电位差增大，降低酶与织物的可及度；而且阴离子表面活性剂会与纤维素酶蛋白发生静电结合，影响其活性，减弱其抛光效果［6］。E-1310P与AES用量为1%～5%时，相对原酶都具有抑制作用，抛光效果均下降。

图6 E-1310P 与AES 对抛光效果的影响

2.2.3 非离子表面活性剂

由图7 可以看出，非离子表面活性剂APG、NSF-7 与纤维素酶复配后，在最佳反应条件下的抛光效果均随着用量的增加先升高后降低。APG 用量为3%、NSF-7 用量为2%～4%时，相对原酶具有协同提升作用，最高相对抛光效果分别为102.6%、104.5%。因为非离子表面活性剂不带电荷，不存在电性斥力，不会影响酶与织物的结合，所以其用量在一定范围内对纤维素酶活没有影响［7］。此外，非离子表面活性剂对纤维具有更好的润湿、渗透功能，与纤维素酶具有很好的协同作用。

图7 APG 与NSF-7 对抛光效果的影响

2.2.4 两性离子表面活性剂

由图8 可知，两性离子表面活性剂CAB-35、DIC与纤维素酶复配后，在最佳反应条件下的抛光效果均随着用量的增加先增加后降低。CAB-35 用量为1%～3%、DIC 用量为2%～4%时，相对原酶具有协同提升作用，最高相对抛光效果分别为115.5%、109.8%。纤维素酶作为一种蛋白质，含有氨基与羧基，具有两性表面活性剂的性质；两性表面活性剂的离子性还会随着pH 变化而变化。pH 6.5 为两性离子表面活性剂提供了良好的近中性环境，与纤维素酶复配具有良好的协同作用，能提高其抛光效果［6］。

图8 CAB-35 与DIC 对抛光效果的影响

2.3 酶液稳定性

由表1可以看出，酶液稳定性的强弱依次是：CAB-35、DIC、APG、NSF-7/酶原液、M2001、BZK、E-1310P、AES。阳离子和阴离子表面活性剂分别具有正电荷与负电荷，更容易使酶蛋白分子变性，沉淀析出；非离子表面活性剂不带电荷，能够更好地和酶蛋白分子共存，对稳定性几乎没有影响；两性表面活性剂中的阴阳离子可以更好地与酶蛋白中的氨基与羧基共存，稳定性最好。另外，酶活主要与酶液的浑浊程度有关，有沉淀的酶液酶活大幅降低，仅浑浊的酶液酶活变化不大。

表1 酶液稳定性及相对酶活保留率

3 结论

（1）纤维素酶抛光的最佳工艺条件：55 ℃、pH 6.5、0.1%(omf)、60 min、浴比1∶10，抛光后的失重率为1.88%，满足后续工艺要求。

（2）不同类型的表面活性剂对抛光效果影响从大到小为：CAB-35、DIC、NSF-7、BZK、APG/M2001、酶原液、AES、E-1310P；CAB-35 1%与DIC 3%的相对抛光效果分别提升15.5、9.8 个百分点；E-1310P 与AES 对纤维素酶具有抑制作用，E-1310P 与AES 的相对抛光效果分别降低6.5、5.4 个百分点；BZK、M2001与NSF-7、APG 对抛光效果几乎没有影响。

（3）表面活性剂复配酶液的稳定性从强到弱为：CAB-35、DIC、APG、NSF-7/酶原液、M2001、BZK、E-1310P、AES。

致谢：感谢陈云峰教授的耐心指导，在我做实验与写文章的过程中投入了大量时间和心血，也很感谢武汉工程大学研究生教育创新基金项目给予的经济支持以及武汉新华扬生物股份有限公司提供的技术指导。