黃龐慧， 王 強(qiáng)， 董愛學(xué)， 范雪榮， 王 平， 余圓圓， 章金芳

(1．江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 無錫 214122； 2． 新天龍集團(tuán)有限公司， 浙江 上虞 312369)

羊毛纖維主要由鱗片細(xì)胞、皮質(zhì)細(xì)胞和細(xì)胞間復(fù)合物(CMC)3部分組成，其中，鱗片層對羊毛服用性能影響顯著，所以其一直是羊毛研究的重點(diǎn)。鱗片層具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括鱗片表層、鱗片外層以及鱗片內(nèi)層。鱗片表層由類脂物構(gòu)成，具有較好的化學(xué)惰性，能耐堿、氧化還原劑和酶的作用；鱗片外層主要由角蛋白質(zhì)構(gòu)成，其中胱氨酸殘基含量很高；鱗片內(nèi)層位于鱗片層的最內(nèi)側(cè)，由非角質(zhì)化的蛋白質(zhì)構(gòu)成，其化學(xué)性質(zhì)活潑[1]。目前常見的蛋白酶防氈縮整理需要進(jìn)行物理或化學(xué)預(yù)處理，導(dǎo)致蛋白酶極易作用于鱗片內(nèi)層和CMC，使羊毛纖維內(nèi)部受損，強(qiáng)力嚴(yán)重下降[2]。

角質(zhì)酶可以破壞角質(zhì)多聚體中的酯鍵，使其分解為小分子寡聚體和單體，因而可以使羊毛鱗片表層類脂結(jié)構(gòu)中的酯鍵催化水解。王平等在運(yùn)用角質(zhì)酶對羊毛進(jìn)行預(yù)處理的過程中發(fā)現(xiàn)其能對纖維表層類脂物產(chǎn)生水解作用，提高表面親水性[3]。角蛋白酶對角蛋白具有專一降解性，對于其催化降解角蛋白的機(jī)理，研究者普遍認(rèn)為是角蛋白酶能還原角蛋白二硫鍵，進(jìn)而使其水解[4-5]。Ignatova等運(yùn)用分離得到的一株嗜熱放線菌對羊毛進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)羊毛經(jīng)其產(chǎn)角蛋白酶作用一定的時間能被完全水解[6]。周雯等應(yīng)用Bacillussubtilis產(chǎn)角蛋白酶配合蛋白酶處理羊毛，對羊毛鱗片有較好的去除作用，但織物強(qiáng)力損失嚴(yán)重[7]。

本文運(yùn)用T.fusca產(chǎn)角質(zhì)酶和Bacillussubtilis產(chǎn)角蛋白酶對羊毛進(jìn)行一浴法處理。探討了經(jīng)處理后羊毛的氈縮率、斷裂強(qiáng)力、染色性能及潤濕性能，并運(yùn)用氨基酸分析、XPS和SEM等考察了羊毛結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的變化。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

純毛華達(dá)呢(330 g/m2，無錫協(xié)新毛紡織有限公司提供)，采用甲醇/氯仿/ (13/87)于65℃對其回流萃取4 h，充分洗凈、晾干;T.fusca產(chǎn)角質(zhì)酶(酶活100 U/mL，江南大學(xué)食品科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供);Bacillussubtilis產(chǎn)角蛋白酶(酶活200 U/mL，江南大學(xué)生物工程學(xué)院提供); 弱酸性藍(lán)3GN(上海德司達(dá)染料有限公司提供); 其他試劑均為分析純。

1.2 試驗(yàn)儀器

全自動縮水率試驗(yàn)儀Y(B)089A (溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠)，電腦測配色系統(tǒng)Color-Eye 7000A (美國GretagMacbeth公司)，電子織物強(qiáng)力機(jī)YG(B)026D-250(溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠)，掃描型紫外/可見分光光度計UV-2802S (美國Unico公司)，恒溫振蕩水浴鍋WHYF-2F (臺灣瑞比公司)，接觸角測試儀JC2000D4(上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司)，X射線光電子能譜儀PHI 5000C ESCA System(美國PHI公司)，氨基酸自動分析儀Agillent1100(美國Agillentt公司)，掃描電子顯微鏡U1510(日本日立株式會所)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 處理工藝

角質(zhì)酶處理：酶用量 6 U/(g織物)，pH值8.0，JFC 1 g/L，浴比 1∶50，50℃處理 18 h。處理后試樣充分洗凈，60℃烘干。

角蛋白酶處理：酶用量 400 U/(g織物)，pH值8.0，JFC 1 g/L，浴比 1∶50，50℃處理 18 h。處理后試樣充分洗凈，60℃烘干。

角質(zhì)酶、角蛋白酶一浴法處理：采用角質(zhì)酶6 U/(g織物)和角蛋白酶400 U/(g織物)對羊毛進(jìn)行處理。處理條件為：pH值8.0，JFC 1 g/L，浴比 1∶50，溫度50℃，處理時間18 h。處理后將試樣用自來水充分洗凈，60℃烘干。

氯化處理：羊毛織物先經(jīng)溫水潤濕，在25 ℃，pH值4.0的條件下用3% (o.w.f )的DCCA處理30 min，浴比1∶50，處理后試樣用清水洗凈，用3% (o.w.f.)的亞硫酸鈉進(jìn)行脫氯處理，后在pH值8.0的條件下用碳酸氫鈉進(jìn)行中和，最后充分水洗、晾干。

1.3.2 染色工藝

工藝流程：織物潤濕→浸入染液→染色→水洗→室溫晾干。

工藝處方及條件: 弱酸性藍(lán)3GN 1.0% ( o.w.f)，pH值4.5，浴比1∶100，溫度90℃，處理時間為1 h。

1.3.3 測試方法

氈縮率：參照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 8628—2001、GB /T 8629—2001及IWS TM No.31進(jìn)行，結(jié)果取3次平行實(shí)驗(yàn)的平均值。面積收縮率按下列公式計算:

斷裂強(qiáng)力：參照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 3923-1997進(jìn)行，每個試樣共測定 5 組數(shù)據(jù)，取其平均值。

堿溶解度：參照 IWTO 4-60進(jìn)行。

上染率：用紫外-可見分光光度計掃描標(biāo)準(zhǔn)染液，得最大吸收波長。并于該波長下測定染液染色前后的吸光度A0和Ai，按下列公式計算上染百分率:

K/S值：采用Color-Eye 7000A測配色儀及Lab-eye軟件，記錄最大吸收波長下的K/S值。

接觸角：采用JC2000D4 接觸角測試儀，將2020 μL去離子水滴于測試織物上，測試10 s 時接觸角的值。

XPS：在鋁/鎂靶，于14.0 kV、250 W的條件下分析樣品表面各元素的相對含量。以RBD147數(shù)據(jù)采集卡和AugerScan 3.21軟件采集樣品0～1000 eV的全掃描譜(通能為 93.9 eV)。

氨基酸分析：在110℃、采用 6 mol/L HCl對100 mg羊毛于進(jìn)行水解，水解24 h后于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀內(nèi)將其蒸干。再用0.1 mol/L HCl 將其溶解并將氨基酸濃度控制在0.4～10 mmol/L ，測定氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

SEM：羊毛纖維鍍金后，采用SU1510掃描電子顯微鏡觀察其表面形態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同處理工藝對羊毛防氈縮效果的影響

氈縮率測試能直接反映羊毛織物生物酶防氈縮的作用效果，氈縮率越低說明處理的效果越好。本文考察了不同工藝處理后羊毛織物經(jīng)3×5A洗滌程序的氈縮率，結(jié)果如圖 1 所示。

圖 1 不同工藝處理后羊毛織物的氈縮率

從圖1看出，未處理樣防氈縮性較差，氈縮率在15%以上。分別用角質(zhì)酶和角蛋白酶處理18 h后，氈縮率分別降至12.29%和7.24%，但都未達(dá)到機(jī)可洗的要求。這是因?yàn)榻琴|(zhì)酶只能作用于羊毛鱗片表層類脂部分，對鱗片層本身的作用不明顯；角蛋白酶能還原鱗片角蛋白中的二硫鍵并使其水解，導(dǎo)致部分鱗片的剝落，但其作用過程較緩慢，且鱗片表層的類脂物會對角蛋白酶起到阻礙作用。與單一酶處理相比，角質(zhì)酶/角蛋白酶一浴法處理后羊毛氈縮率進(jìn)一步下降至5.26%，達(dá)到機(jī)可洗要求。其原因是角質(zhì)酶對類脂層的水解作用增加了角蛋白酶的作用可及度，增強(qiáng)了角蛋白酶對角質(zhì)化蛋白質(zhì)的還原水解作用，使羊毛鱗片降解更充分，進(jìn)而可達(dá)到較低的氈縮率。經(jīng)氯化處理后的羊毛織物，氈縮率最低，僅有4.21%。這是因?yàn)?，作為目前毛紡工業(yè)最常用的防氈縮處理方法，氯化處理對羊毛的作用強(qiáng)烈，能迅速氧化二硫鍵及肽鍵，并使其斷裂，羊毛表面鱗片能被迅速有效的剝離，最終獲得良好的防氈縮效果。

2.2 不同處理工藝對羊毛斷裂強(qiáng)力和堿溶解度的影響

織物的斷裂強(qiáng)力和堿溶解度能直觀反映出織物在酶處理過程中的受損傷程度。實(shí)驗(yàn)測試了不同工藝處理后羊毛織物的斷裂強(qiáng)力和堿溶解度，結(jié)果如表1所示。

從表1可看出，同未處理樣相比，經(jīng)單一角質(zhì)酶處理后，羊毛織物的斷裂強(qiáng)力幾乎沒有變化，堿溶解度的變化也不明顯。角質(zhì)酶僅作用于羊毛纖維鱗片表層，而鱗片表層含量很少，厚度也僅約為3 nm[1]，所以經(jīng)角質(zhì)酶處理后羊毛織物的損傷不大。經(jīng)角蛋白酶單獨(dú)處理后，織物的斷裂強(qiáng)力明顯降低，強(qiáng)力下降百分率達(dá)到6.26%，堿溶解度也增加到7.83%。說明經(jīng)18 h的角蛋白酶處理后，角蛋白被水解，鱗片層已遭到破壞。兩種酶一浴法處理后羊毛較角蛋白單獨(dú)處理后羊毛損傷嚴(yán)重，其強(qiáng)力下降率達(dá)到7.54%，堿溶解度達(dá)到8.46%。這表明，隨著鱗片表層類脂層被水解，角蛋白酶對鱗片外層的可及度大大提高，其催化分解效率也得到提高，所以，在相同處理時間下，一浴法處理羊毛損傷更大。但此損傷程度在可接受范圍之內(nèi)，且遠(yuǎn)低于氯化處理對羊毛織物的損傷。傳統(tǒng)的氯化處理后，羊毛織物的斷裂強(qiáng)力急劇下降，強(qiáng)力下降百分率高達(dá)15.89%，堿溶解度也增大至9.86%。這是由于氯化處理不僅能夠破壞纖維的鱗片層，而且還可能會使鱗片層下面的皮質(zhì)層產(chǎn)生水解，所以羊毛損傷要大大高于酶法處理。因此，角質(zhì)酶/角蛋白酶一浴法處理羊毛，不但可以使織物獲得較好的防氈縮效果，且對羊毛損傷也較小。

表1不同工藝處理后羊毛織物的斷裂強(qiáng)力和堿溶解度

2.3 不同處理工藝對羊毛染色性能的影響

羊毛染色時，鱗片層對染料上染有一定的阻礙作用，因而羊毛的染色性能可以說明鱗片結(jié)構(gòu)的緊密程度，也能反映出鱗片層的破壞程度。本文采用弱酸性藍(lán)3GE對羊毛進(jìn)行染色，考察經(jīng)不同工藝處理后羊毛試樣的染色性能，結(jié)果見表2。

表 2 不同工藝處理后羊毛織物的染色性能

羊毛纖維表面緊緊包裹著一層疏水性鱗片，所以染料對纖維的上染并不是由表及里的，而是先通過鱗片細(xì)胞間隙滲入到 CMC 中，再沿 CMC 向纖維內(nèi)部其他方向擴(kuò)散，最終完成上染[8]。由表2可看出，由于未經(jīng)處理的羊毛纖維鱗片完整，上染率較低，K/S值僅3.284。分別經(jīng)角質(zhì)酶和角蛋白酶單獨(dú)處理后，上染率和K/S值均有不同程度的提高。其原因是角質(zhì)酶破壞了具有良好化學(xué)惰性的鱗片表面類脂層，使得染料能相對較容易的進(jìn)入；角蛋白酶能催化羊毛鱗片外層中的角蛋白水解，剝離部分鱗片，增加染料的上染途徑(從 CMC 和纖維表面同時進(jìn)入纖維內(nèi)部)，提高上染百分率和K/S值。一浴法處理則結(jié)合了兩種酶的作用優(yōu)勢，羊毛鱗片被剝離得更充分，其上染率和K/S值分別達(dá)到了36.67%和6.007。氯化處理試樣的染色性能相對最好，表明其對羊毛鱗片產(chǎn)生的作用與兩種酶一浴法處理相比更明顯，羊毛鱗片層剝落的程度更高，使染料更容易擴(kuò)散進(jìn)入纖維內(nèi)部。

2.4 不同處理工藝對羊毛潤濕性能的影響

羊毛是唯一一種既具有極強(qiáng)疏水性又具有良好吸濕性的天然纖維，其疏水性是由表面性質(zhì)決定的，而吸濕性則主要是與內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。測定羊毛織物表面潤濕性的變化可了解羊毛纖維類脂層及鱗片結(jié)構(gòu)破壞的程度，結(jié)果見圖2。

圖 2 不同工藝處理后水在羊毛織物表面的接觸角變化

a—未處理樣 ; b—角質(zhì)酶處理樣; c—角蛋白酶處理樣; d— 兩種酶一浴法處理樣 ; e—氯化處理樣 (下同)。

2.5 羊毛纖維表面元素分析

由于羊毛潤濕性能的改善主要是由親水性基團(tuán)的變化所引起，對纖維進(jìn)行表面元素分析可以對潤濕性能的改善的原因做進(jìn)一步的探討。不同條件處理后羊毛纖維XPS全譜及各元素含量的變化見圖3和表3。

圖 3 不同工藝處理后羊毛纖維的XPS全譜

表3 不同工藝處理后羊毛纖維表面各元素含量的變化(%)

從表3可看出，由于類脂層的存在，未處理樣羊毛纖維表面的C含量為85.05%，遠(yuǎn)高于羊毛主體的C含量(約為50%)[10]。經(jīng)角質(zhì)酶/角蛋白酶一浴法處理后，C含量減少了2.20%，S含量降低了50.41%，而O含量增加了3.66%，N含量則增加了6.97%，O/C百分比從原先的11.5%上升到了12.3%。其主要原因是角質(zhì)酶能去除鱗片表層部分類脂物，所以C含量有所降低；角蛋白酶使角質(zhì)化蛋白中的二硫鍵發(fā)生斷裂，鱗片被進(jìn)一步水解去除，S含量明顯降低。而鱗片表層的破壞致使羥基、氨基、羧基等親水性基團(tuán)大量暴露在表面，增加了O和N的含量，也就進(jìn)一步提高了纖維的潤濕性能。

2.6 羊毛纖維氨基酸分析

羊毛鱗片層的含量很少，只占總量的10%，但其胱氨酸含量很高，尤其是鱗片外層中的胱氨酸，含量高達(dá)35% (摩爾分?jǐn)?shù) )[11]。本文考察了不同條件處理后羊毛纖維中各種氨基酸含量的變化，間接的評價酶對羊毛纖維作用的效果。表4列出了不同條件處理后羊毛纖維酸水解產(chǎn)物中氨基酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表4 不同工藝處理后羊毛纖維的氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由表4可知，經(jīng)角質(zhì)酶處理后，胱氨酸含量有所下降，但變化不明顯，可能是由于角質(zhì)酶在水解鱗片表層類脂的過程中對其他交聯(lián)鍵產(chǎn)生了一些影響，從而使胱氨酸的含量發(fā)生了變化。經(jīng)角蛋白酶處理后胱氨酸含量下降了6.70%，表明角蛋白酶能夠還原二硫鍵，對羊毛鱗片外層的胱氨酸產(chǎn)生了水解作用。角質(zhì)酶和角蛋白酶一浴法處理羊毛后，胱氨酸的含量明顯降低，降了11.06%，說明這兩種酶復(fù)合使用能使角蛋白酶對胱氨酸的水解效率提高。而存在于羊毛微原纖中的蛋氨酸(含硫氨基酸)質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本沒有變化，則說明角蛋白酶并不能作用到纖維內(nèi)部，僅對羊毛鱗片層中的含硫氨基酸進(jìn)行降解。相比較而言，氯化處理對羊毛鱗片中二硫鍵的作用就強(qiáng)烈的多，胱氨酸的含量下降了24.89%，且酪氨酸的含量也有所降低，這說明氯化處理不僅能對角蛋白產(chǎn)生作用，還能作用于非角蛋白。因此，其對羊毛纖維的損傷較為嚴(yán)重。

2.7 羊毛纖維表面形態(tài)分析

將未處理樣、角質(zhì)酶處理樣、角蛋白酶處理樣、兩種酶一浴法處理樣和氯化處理樣進(jìn)行電鏡掃描，觀察羊毛的表面形態(tài)，結(jié)果如圖 4所示。

圖4 羊毛纖維電鏡照片

從圖4可看出，羊毛原樣表面的鱗片輪廓完整清晰，且排列整齊緊密。使用角質(zhì)酶處理后，羊毛鱗片能看出一些損傷，但依然能較清晰的看出鱗片外形，只是邊緣變得凹凸不平。其原因在于角質(zhì)酶對鱗片外層交聯(lián)程度較高的角蛋白層影響較小，只作用于鱗片表層。當(dāng)使用角蛋白酶處理后，羊毛纖維表面的侵蝕破壞較明顯，鱗片外形模糊，且有部分鱗片被剝落，這表明角蛋白酶從鱗片外層的角蛋白開始逐漸向里水解，使鱗片遭到破壞。而經(jīng)過兩種酶一浴法處理后，鱗片結(jié)構(gòu)變得疏松，鱗片層大部分被剝落，部分纖維表面變得光滑，但效果還不是很均勻。而氯化處理后的鱗片層全部被剝落，羊毛纖維變得十分光滑，可見其對羊毛纖維的損傷相當(dāng)嚴(yán)重。

3 結(jié)論

1)T.fusca產(chǎn)角質(zhì)酶以及Bacillussubtilis產(chǎn)角蛋白酶一浴法處理能明顯的改善羊毛織物的表面性能。經(jīng)處理，羊毛織物的防氈縮性有較大提高，氈縮率達(dá)到“機(jī)可洗”的要求，斷裂強(qiáng)力損傷不大，堿溶解度較傳統(tǒng)氯化處理要低，且染色性能和潤濕性能都有所提高。

2)XPS和氨基酸分析證實(shí)兩種酶一浴法處理對羊毛鱗片有明顯的降解效果，SEM結(jié)果可以直觀地看出一浴法處理后羊毛表面的鱗片大部分已降解去除。

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