師體海, 鄧一民

(西南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院, 重慶 400715)

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木瓜蛋白酶對絲素的作用

師體海, 鄧一民

(西南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院, 重慶 400715)

摘要:首先用Na2CO3反復(fù)脫膠將蠶絲絲膠全部去除,再用木瓜蛋白酶直接對脫膠后的絲素進(jìn)行處理,以此研究木瓜蛋白酶對絲素的作用。進(jìn)一步測試木瓜蛋白酶處理前后蠶絲斷裂強(qiáng)度,并進(jìn)行掃描電鏡觀察和X射線衍射表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,木瓜蛋白酶對絲素的水解率很小,處理后絲素?cái)嗔褟?qiáng)力下降,表面微觀形貌有較大的損傷,酶處理不會改變絲素晶型,但破壞了絲素結(jié)晶結(jié)構(gòu),使結(jié)晶度下降。絲素強(qiáng)力損失隨處理時(shí)間延長、酶濃度增加而增大,隨溫度升高先增大后減小。

關(guān)鍵詞:木瓜蛋白酶; 絲素; 質(zhì)量損失; 強(qiáng)力損失; 形態(tài)結(jié)構(gòu)

隨著生物工程新技術(shù)在中國迅速發(fā)展,酶的制造與應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,酶在紡織工業(yè)中的應(yīng)用逐漸成熟[1]。蛋白酶用于蠶絲脫膠的研究很多,較傳統(tǒng)的高溫堿法脫膠、蛋白酶脫膠不損傷絲素,并且具有脫膠均勻,光澤和手感好,能降低能源和助劑的消耗,降低生產(chǎn)成本的優(yōu)點(diǎn)[2-3]。因此,酶在蠶絲整理脫膠的應(yīng)用引起了較多的關(guān)注,木瓜蛋白酶在蠶絲脫膠中的應(yīng)用已有初步研究。由于蛋白酶具有反應(yīng)專一性,酶用于蠶絲處理的對蠶絲損傷很小,有研究人員認(rèn)為木瓜蛋白酶只能對絲膠中的球蛋白起作用,而不會對絲素中的線性蛋白造成影響[4-6],但木瓜蛋白酶是否對絲素造成損傷沒有明確的研究結(jié)果。酶還可用于蠶絲的整理,目前已有這方面的研究,如MTG酶用于真絲織物的抗皺整理[7],漆酶和酪氨酸酶用于提高真絲織物抗菌性、抗皺性[8],都獲得較好的效果。本文從力學(xué)性能和絲素微觀結(jié)構(gòu)方面調(diào)查木瓜蛋白酶對絲素的作用,并對不同處理?xiàng)l件下木瓜蛋白酶對絲素的作用大小進(jìn)行研究。同時(shí),研究木瓜蛋白酶對絲素表面形態(tài)和結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響,為木瓜蛋白酶用于蠶絲整理提供依據(jù)。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1材料與儀器

材料：家蠶生絲(重慶金鳳絲綢有限公司),木瓜蛋白酶(活性≥50 萬U/g,北京奧博星生物技術(shù)責(zé)任有限公司),無水碳酸鈉(AR,成都市科龍化工試劑廠),氨水(AR,成都市科龍化工試劑廠),鹽酸(AR,成都市科龍化工試劑廠),氫氧化鈉(AR,成都市科龍化工試劑廠),苦味酸(AR,臺山市眾城化工有限公司),胭脂紅(AR,臺山市眾城化工有限公司)。

儀器：LLY-06電子單纖維強(qiáng)力儀(萊州市電子儀器有限公司),JA2003N電子天平(上海精天電子儀器廠),SHA-C恒溫振蕩器(國華企業(yè)),DHG-9245A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海齊欣科學(xué)儀器有限公司),飛納PhenomTH全自動(dòng)掃描電子顯微鏡(飛納中國上海復(fù)納科學(xué)儀器有限公司),DX-2000型X衍射儀(丹東方園儀器有限公司)。

1.2方法

1.2.1絲素制備

將生絲放入0.5 g/L Na2CO3溶液中煮沸30 min,用70 ℃水洗2次,重復(fù)以上過程3次,之后在烘箱中105 ℃烘干至恒重(重復(fù)烘干,稱量3次,3次質(zhì)量差值小于0.5%視為恒質(zhì)量)[9]。經(jīng)苦味酸胭脂紅試劑檢驗(yàn)并保存待用。

1.2.2脫膠程度鑒定

采用苦味酸胭脂紅鑒別脫膠程度?？辔端犭僦t溶液：將1 g胭脂紅加入25%氨水10 mL和20 mL蒸餾水?dāng)嚢杓尤芙?加15 mL飽和苦味酸后,用水定容至100 mL,再用HCl調(diào)pH值至8.0～9.0[4]。鑒別流程：樣品+檢驗(yàn)液(浸沒樣品)→沸水浴5 min→蒸餾水洗滌→觀察(絲膠紅、絲素黃)。

1.2.3木瓜蛋白酶處理

木瓜蛋白酶對絲素的處理：將脫膠后的絲素直接浸沒在3 g/L的木瓜蛋白酶溶液中,然后放入恒溫震蕩器中處理,處理?xiàng)l件為浴比1︰100、溫度70 ℃、時(shí)間60 min,pH=7[10]。處理后用70 ℃水洗兩次,冷水水洗2次再放入恒溫烘箱中(105 ℃)烘干至恒重。為研究不同處理?xiàng)l件對酶作用的影響,分別改變處理時(shí)間、溫度、濃度處理?xiàng)l件。保持其他條件不變,酶質(zhì)量濃度設(shè)置為1、2、3、4、5 g/L,溫度設(shè)置為30、40、50、60、70、80 ℃,時(shí)間設(shè)置為30、60、90、120、150、180 min[11]。

1.2.4質(zhì)量損失率測定

將酶處理前后的絲素放入恒溫干燥箱中烘干至恒重,取3次測量平均值為酶處理前后的絲素干質(zhì)量,由下式計(jì)算出絲素質(zhì)量損失率。

(1)

式中：W0為酶處理前干重,W1為酶處理后干重。

1.2.5斷裂強(qiáng)力測定

采用LLY-06電子單纖維強(qiáng)力儀測定試樣的斷裂強(qiáng)力,每種試樣測10次取平均值,強(qiáng)力損失率由下式計(jì)算。

(2)

式中：bf0為酶處理前絲素的斷裂強(qiáng)力；bf1為酶處理后的斷裂強(qiáng)力。

1.2.6掃描電鏡觀察

采用全自動(dòng)掃描電子顯微鏡對絲素纖維表面形態(tài)進(jìn)行觀察,加速電壓15 kV,試樣直接放置于掃描電子顯微鏡置物臺上,抽真空后即可開始觀察。

1.2.7X衍射測定

采用丹東方園儀器有限公司的DX-2000型X衍射儀,將所測樣品剪成粉末狀,在X射線粉末衍射儀(Cu靶,管壓36 kV,管流50 mA,λ=1.5406)上測試,角度衍射掃描范圍為5°～50°,掃描步長為0.02°/s,掃描速度為2°/min。

2　結(jié)果與討論

2.1木瓜蛋白酶處理對絲素形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

絲素經(jīng)3 g/L木瓜蛋白酶處理后(浴比1︰100,溫度70 ℃,時(shí)間60 min,pH=7),絲素質(zhì)量損失2.13%,強(qiáng)力損失62.24%。在相同條件下,與之對照的水對絲素的作用較小,質(zhì)量損失1.71%,強(qiáng)力損失13.1%,由此可知木瓜蛋白酶對絲素有較大的損傷作用。木瓜蛋白酶對絲素的溶解能力較小[12],但對強(qiáng)力的損害較大。

為進(jìn)一步從微觀上觀察木瓜蛋白酶對絲素的作用,本文對木瓜蛋白酶處理前后的絲素進(jìn)行了掃描電鏡觀察,掃描電鏡如圖1所示。絲素在酶處理前后表面形貌顯示了巨大的差異,進(jìn)一步證實(shí)酶對蠶絲絲素有很大的損傷作用。生絲用Na2CO3脫膠后,表面光滑細(xì)膩；再經(jīng)酶處理之后,表面變得粗糙、凹凸不平,在酶的作用下絲素部分溶解,成塊狀的脫落,形成溝槽,部分地方溝槽較深,證明酶對絲素表面具有較大的侵蝕作用。酶對絲素表面形貌的損傷造成表面缺陷,推測這是絲素力學(xué)性能下降的一個(gè)原因。

圖1　處理前后絲素電子掃描圖像Fig.1　SEM image of untreated and treated fibroin

為了分析木瓜蛋白酶對絲素內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響,對酶處理前后絲素纖維進(jìn)行了X射線衍射(XRD)表征,酶處理前后的絲素X射線衍射圖如圖2所示。圖2中，衍射主峰位置分別在20.58°和20.04°,強(qiáng)度分別為257.21和123.93,酶處理前后衍射主峰位置大致不變,但衍射峰的強(qiáng)度下降,表明酶處理不會改變絲素纖維晶型,絲素結(jié)晶區(qū)主要是β折疊結(jié)構(gòu)[14]。而酶處理后蠶絲纖維結(jié)晶度有降低,說明酶的水解作用已經(jīng)侵入到絲素蛋白結(jié)晶區(qū),破壞了結(jié)晶結(jié)構(gòu),使結(jié)構(gòu)趨于無規(guī)則化。纖維結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞,結(jié)晶度的下降都會造成力學(xué)性能的下降,推測這是造成蠶絲力學(xué)性能下降的另一個(gè)原因。另外,木瓜蛋白酶處理后,絲素表面結(jié)晶度降低,出現(xiàn)大量缺陷,增大了絲素表面面積,兩者都將增大絲素反應(yīng)性能。綜上,酶可以用于清潔絲織物改性[7]和前處理[8]。

圖2　處理前后絲素的X射線衍射圖Fig.2　XRD curves of untreated and treated fibroin

2.2木瓜蛋白酶處理?xiàng)l件對絲素的影響

2.2.1木瓜蛋白酶質(zhì)量濃度的影響

當(dāng)酶質(zhì)量濃度為1、2、3、4、5 g/L,浴比為1︰100,溫度70 ℃,處理時(shí)間60 min時(shí),試樣的強(qiáng)力損失率和質(zhì)量損失率如圖3所示。圖3顯示,絲素質(zhì)量損失率很小,最大為2.13%,隨著酶質(zhì)量濃度的增加絲素質(zhì)量損失量沒有明顯的變化規(guī)律,說明酶質(zhì)量濃度的變化對絲素溶解量影響不大。絲素的強(qiáng)力損失隨著酶質(zhì)量濃度的增加呈明顯的上升趨勢,隨著酶質(zhì)量濃度的增加絲素強(qiáng)力迅速降低,用1 g/L木瓜蛋白酶處理后其強(qiáng)力降低了45.3%,當(dāng)質(zhì)量濃度升高至5 g/L強(qiáng)力降低73.11%。在加熱條件下水對絲素的作用較小,強(qiáng)力損失13.1%。綜上,木瓜蛋白酶對絲素有很大的損傷作用,并且隨酶質(zhì)量濃度的增加而增加。

圖3　木瓜蛋白酶質(zhì)量濃度對絲素的影響Fig.3　The effect of papain’s mass concentration on fibroin

2.2.2木瓜蛋白酶處理時(shí)間的影響

當(dāng)處理時(shí)間分別為30、60、90、120、150、180 min,酶質(zhì)量濃度為3 g/L,溫度為70 ℃,浴比為1︰100時(shí),處理結(jié)果如圖4所示。圖4顯示,絲素質(zhì)量損失率很小,最大1.74%,可以看出酶處理時(shí)間對絲素質(zhì)量損失率沒有明顯的影響。絲素的強(qiáng)力隨著酶處理時(shí)間的延長呈下降趨勢,處理30 min絲素強(qiáng)力損失率為48.07%,延長時(shí)間至60 min時(shí)絲素強(qiáng)力損失率為69.34%,再延長時(shí)間絲素強(qiáng)力損失較慢,處理3 h時(shí)強(qiáng)力損失率為79.76%。綜上,木瓜蛋白酶對絲素的損傷隨處理時(shí)間的延長而增大。

圖4　木瓜蛋白酶處理時(shí)間對絲素的影響Fig.4　The effect of papain treating time on fibroin

2.2.3木瓜蛋白酶處理溫度的影響

當(dāng)處理溫度分別為30、40、50、60、70、80 ℃,浴比為1︰100,酶質(zhì)量濃度為3 g/L,處理時(shí)間為60 min時(shí),處理結(jié)果如圖5所示。圖5顯示,隨著溫度升高,絲素的質(zhì)量損失率先升高后減小,溫度太高與溫度太低絲素的質(zhì)量損失率都很小。絲素的強(qiáng)力損失率也是先增大后減小,當(dāng)處理溫度為30 ℃時(shí),絲素強(qiáng)力損失率40.83%,溫度上升到70 ℃時(shí),強(qiáng)力損失率62.03%,溫度繼續(xù)升高至80 ℃,強(qiáng)力損失率減小為56.04%,這是由于在較低溫度下酶的活性較低,對絲素的作用較小,而溫度超過70 ℃,酶遭到破壞活性降低。木瓜蛋白酶對絲素的損傷隨溫度的升高先增大后減小。

圖5　木瓜蛋白酶處理溫度對絲素的影響Fig.5　The effect of papain treating temperature on fibroin

3　結(jié)　論

1)木瓜蛋白酶處理對絲素的溶解較小,但是對絲素強(qiáng)力的損失影響較大。

2)木瓜蛋白酶處理對絲素表面形態(tài)有很大的損傷,酶處理后絲素結(jié)晶類型沒有改變,但絲素的結(jié)晶度略有下降。由此推測木瓜蛋白酶對絲素表面形貌的損傷和結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞共同造成了絲素強(qiáng)力的損失。

3)隨著木瓜蛋白酶處理時(shí)間的延長,質(zhì)量濃度的增加,木瓜蛋白酶對絲素的損傷增大,隨著處理溫度的增加絲素?fù)p傷先增大后減小。酶處理時(shí)間、酶濃度、處理溫度控制在較低范圍時(shí),損傷較小。

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DOI:10.3969/j.issn.1001-7003.2016.03.005

收稿日期:2015-07-30; 修回日期:2016-01-13

基金項(xiàng)目:國家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃(863)課題資助項(xiàng)目(2013AAI02507)；國家繭絲綢生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)平臺資助項(xiàng)目(07021441 CITC5Y10)

作者簡介:師體海(1991),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榧徔椘氛砑吧镎?。通信作者：鄧一?副教授,496689548@qq.com。

中圖分類號:TS143.321

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-7003(2016)03-0027-05引用頁碼:031105

The effect of papain treatment on fibroin

SHI Tihai, DENG Yimin

(College of Textile and Clothing, Southwest University, Chongqing 400715, China)

Abstract:In this paper, silk sericin was degummed repeatedly with Na2CO3.Then, papain was used to treat degummed fibroin so as to study the effect of papain on fibroin.The breaking strength before and after papain treatment was further tested.Meanwhile, SEM observation and X ray diffraction characterization were conducted.The experimental result shows that the hydrolysis rate of fibroin is small, but the breaking strength of fibroin declines and the microscopic surface damages greatly.Papain treatment will not change crystal form of fibroin, but destroys crystalline structure of fibroin.Besides, the degree of crystallinity declines.The strength loss of fibroin rises as treatment time extends and enzyme concentration increases, but it first increases and then decreases with the rise in the temperature.

Key words:papain; fibroin; mass loss; strength loss; morphological structure