刘 磊，陆必泰

(武汉纺织大学 化学与化工学院，湖北 武汉 430073)

纤维素酶在棉织物生物抛光中的应用

刘 磊，陆必泰*

(武汉纺织大学 化学与化工学院，湖北 武汉 430073)

阐述纤维素酶的作用机理，并简述纤维素酶对棉织物的抛光整理工艺；分析影响纤维素酶抛光效果的各种因素，包括酶用量、温度、pH值、处理时间等对织物失重率、起毛气球外观的影响；指出纤维素酶在绿色染整工艺中的重要性。

纤维素酶；棉织物；抛光

纤维素酶首先于 1906年在蜗牛的消化道中被发现，后来在细菌、真菌，以及少数的酵母等微生物中都有证明它的存在。然而，经研究表明，由低级动物所提取出来的纤维素酶是没有工业应用价值的，继而发现由微生物在较短时间内进行大量培养提取的纤维素酶，能有效地应用于纺织品的湿处理中。纤维素酶生物整理是近十几年来纺织品后整理加工中的一项新技术，由于它能赋予织物光洁的外观、柔软的手感等优良的服用性能，同时不增加环保的负担，在纺织品的湿加工中有着广泛的应用前景。因此已经越来越受到人们的重视。

1 纤维素酶简况

1.1 什么是纤维素酶

纤维素酶是生物产生的一种多组分的混合蛋白质，在适当的条件下，能使不溶性纤维素材料水解成可溶性糖的生物催化剂的总称。纤维素酶主要来源于霉菌、细菌、担子菌等微生物，其中霉菌产生酸性和中性纤维素酶，细菌产生碱性纤维素酶。通常用于纺织品染整加工的是酸性和中性纤维素酶。酸性纤维素酶在酸性条件下较稳定，其反应适宜的pH范围在3～6之间，而以pH=4～5最佳；中性纤维素酶在中性条件下较稳定，其反应最佳的pH在6～7之间。

1.2 纤维素酶的组成和性质

纤维素酶是一种复合酶，是催化水解纤维素、生成葡萄糖的酶的总称，是由多组分酶组成的酶系。它可以从多种微生物、植物和动物中制取。目前对于纤维素酶的研究不深，但就已知的情况来说，纤维素酶至少含有三种成分的酶，即可任意切断纤维素分子中β-1,4-糖苷键的内切β-葡聚糖酶（EG）；从没有还原基末端开始切断β-1,4-糖苷键成纤维二糖剩基的外切β-葡聚糖酶（CHB）和将纤维素二糖分解成葡萄糖的β-葡萄糖苷酶（BG）。

另外，还有一种说法是，将可以催化水解 CMC那样水溶性底物的纤维素衍生物，但很难单独作用于结晶纤维素的酶称为CX酶，也就是上述的EG酶。将从纤维素的非还原端开始分解成纤维素二糖、与CX酶共存时能破坏纤维素结晶部分的酶称为C1酶，也就是上述的CBH酶。将可以使纤维素二糖分解成葡萄糖的酶称为纤维素二糖酶，也即BG酶。

1.3 纤维素酶的作用机制

纤维素酶的作用机制错综复杂，到目前为止还没有完全弄清。除了各个组分对纤维素分子的分解作用外，现在越来越多的研究表明纤维素酶的各种组分之间存在着协同作用。不过，纤维素酶的水解作用，大体上可以分为以下几步：（1）酶分子从水相转移到纤维的表面；（2）酶分子与纤维表面结合，形成E+S的复合物；（3）把水分子转移到酶与底物复合物的激活位点；（4）在酶与底物的复合物催化下，水与纤维的接触表面发生反应；（5）产生的产物转移到水相中。

2 纤维素酶在生物抛光整理中的应用

2.1 原理

酶洗时，纤维素酶首先接触织物或纱线表面的纤维，还有织物运转时发生较大位移的纱线交织处的纤维以及突出在织物或纱线上的茸毛，然后才进入到纱线内部的纤维。也就是说纤维素酶的分子在这些突出于织物或纱线表面的茸毛根部和纱线交织处的纤维根部扩散得最快，受酶的作用最强，这些部位在织物运动中的受力也最强，因而此处的纤维也最容易发生断裂。

棉织物经前处理后，纤维发生一定程度上的膨化，从而有利于纤维素酶的扩散及作用，酶对纤维表面接触产生的剥蚀作用，也侵蚀到纤维的孔隙和毛细管中，经水解使得微纤之间的连结松懈，无定形区域增加，纤维变得疏松，因而酶处理时，除了要达到改善织物的外观风格和手感的效果外，还要注意保持织物或纱线的强力。

生物酶抛光的实现，不仅需要纤维素酶对纤维素进行水解，而且一般都还需要外加机械作用力。一是为了促进酶分子与纤维的吸附和解吸的速度；二是使酶水解产生的产物尽快分散到液相中。因为机械搅动有助于被酶水解的茸毛易于从织物表面脱落，使织物表面变得光洁，这是纤维素酶工业化应用中不可或缺的条件。除此，机械搅动还增加了酶分子与织物接触的频率，从而达到理想的处理效果。

2.2 工艺

现阶段的生物酶抛光工艺应用较为成熟，一般是在退浆后和染色前进行。为了使织物的化学减量降低，强度损伤减小，用内切酶水解纤维素的无定形分子链，使纤维形成微隙。在抛光过程中，根据不同的织物对于设备、浴比、酶用量、pH值、温度和处理时间等条件的要求不同，进行相应的选择，使织物的处理效果达到最佳，同时还需注意，酶处理后必须进行灭活处理，以避免造成织物强力损失过多。

在生物酶抛光过程中，应合理控制酶的水解程度。监控纤维素水解程度的方法，一是以织物的失重率作为度量酶处理效果的尺度，二是测定水解生成物之一的葡萄糖来控制酶的水解程度。但前者是否包括被去除的茸毛量，后者是否包括去除茸毛时产生的葡萄糖，这些问题尚无法说清。并且以酶处理前后纺织品重量的损失来表示失重率，费时费力，不能及时反馈并用于实际生产控制，目前，用测定酶处理液中生成葡萄糖含量的分析法可以较快捷地测得纺织品的失重率。

3 影响纤维素酶生物抛光效果的主要因素

（1）酶用量对酶处理效果的影响。由于各种纤维素酶的酶活是不一样的，所以在确定用量时，要考虑其酶活以及待处理织物的种类和具体工艺要求。酶活高的，其用量相对少些，酶活低的，其用量则相对多点。

（2）温度对酶处理效果的影响。处理液的温度对纤维素酶的酶活也有很大的影响。温度太低，会使酶的活性无法充分发挥出来；温度过高，同样也会导致酶失去其活性，从而达不到预想中的处理效果。处理液的温度一般控制在45～55℃。

（3）pH值对酶处理效果的影响。酸性酶、中性酶都各有其适宜的pH值范围。若pH值过低，则酶的理化性质过于稳定，从而发挥不了其有效的催化作用。但同样，pH值过高，也会导致酶“失活”，也即失去了自身的催化作用。对于酸性纤维素酶而言，pH值应在4.4～5.5为佳，而中性纤维素酶的pH值，则应该在6～7范围内最适。

（4）时间对酶处理效果的影响。酶对织物的处理时间越长，织物的失重率就越大，而失重率同时又与处理时的搅拌条件有关。在能够充分搅拌的设备中，对织物的酶处理时间就可以较短些；在搅拌条件不够充分的设备中，处理时间就可以相对长一点。以耐洗色牢度试验机为例，酶处理的时间一般控制在40～60min。

（5）添加剂对酶处理效果的影响。处理液中的某些添加剂能成为酶的激活物，如非离子表面活性剂AEO，它与酶的结合弱，对酶的构象影响较小，使酶可以保持活性；并且它还能促进酶分子的扩散和渗透，增加酶在固体底物上的可移动性，使酶较容易地解吸并移动到其他结合部位，从而增加酶的活性。而有些添加剂则可能成为酶的抑制物。当纤维素酶受到这些抑制物的作用，导致其酶活消失并且无法恢复时，成为酶中毒。如单宁酸、甲醛、多酚固色剂等都可能造成酶中毒现象。

（6）染色对酶处理效果的影响。织物经染色后进行酶处理，其失重率较染色前进行酶处理的失重率要低。这可能是因为染色后，纤维表面吸附了大量的染料，导致其难以受到酶的侵蚀作用。所以经不同染料处理后的织物，其失重率所受到的影响也是不一致的。

4 纤维素酶的发展现状及展望

纤维素酶经过多年的研究，已经在纺织行业得到了广泛的应用。它的高效性，专一性，以及处理条件的温和性和无毒性等特点，在染整加工中对于节约能源，提高纺织品的加工效率和加工品质，保护生态环境等方面具有极其重要的意义，是纺织品加工的一种理想方法。

虽然纤维素酶染整加工工艺日趋成熟，但其成本依旧比传统工艺高出许多。另外，纤维素酶在使用过程中有一定的不可控性。因为纤维素酶是混合酶，并且酶制剂的敏感程度较高，很容易受到外界环境条件影响。因此，生产价廉易得且稳定高效的酶是今后发展的一个方向。除此之外，目前生产的酶尚不能重复利用，提高酶的利用率，将酶固定化，对酶加以复配修饰并将其制成微胶囊，也是今后研究方向的热点。

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Application on the Bio-polishing for Cotton Fabric with Cellulase

LIU Lei，LU Bi-tai
(College of Chemistry and Chemical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

This paper expounds the function mechanism of cellulase, and introduces the cellulase to finish the polishing finishing technologies. Each factor that produces effects on cellulase polishing was analyzed. The tests of effect fabric deweighting rate and fuzzing and pilling appearance were carried out, such as quantity of enzyme, temperature, pH value, processing time, etc. These are a further indication the importance of the green cellulase dyeing processes.

Cellulase; Cotton Gabric; Polish

TS195

A

1009－5160(2011)06－0034－03

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陆必泰（1958-），男，教授，研究方向：功能纺织品的研究与开发、染整新工艺及新助剂.