纤维素酶减量整理纤维素纤维织物优化

纤维素酶是能将纤维素催化水解成葡萄糖的酶的总称。纤维素酶都是由多种酶组成的混合物，在催化反应中，各种酶各司其职，协同完成将纤维素催化水解成葡萄糖的作用。

纤维素纤维织物用纤维素酶处理时，随着纤维素的水解，纤维或织物的重量逐渐减轻，纤维变细，纤维的表面形态发生变化，表面局部产生沟槽，纤维或织物表面的绒毛、小球减少。

纤维素酶对纤维素纤维织物的减量整理效果是多方位的。纤维素酶减量整理后，织物的硬挺度变小，手感、滑爽性、悬垂性、柔软性和丰满度提高。硬挺度的减小和织物减量后结构变松有关，滑爽度的提高和织物减量后表面性能的变化，如绒毛的消除，纤维表面摩擦系数的降低有关。悬垂性、柔软性和丰满度的提高也和减量处理后纤维之间的空隙增加，织物结构变松以及绒毛去除有关。减量处理使织物表面的纤维尖端分解、软化，细绒毛脱落，表面光洁，织纹清晰，织物光泽改善，可以达到生物抛光的目的，对麻类织物，还可以在一定程度上改善刺痒感。绒毛脱落、表面滑爽还可以改善织物的起毛起球性能。对普通Lyocell纤维织物，纤维素酶对纤维表面的切削作用能促进纤维原纤化，加工具有细腻手感的仿桃皮绒织物。对纤维表面的切削作用还可以使表面的染料脱落，达到牛仔布水洗石磨的仿旧效果。仿旧整理的同时也有生物抛光、改善织物光泽和手感的作用。纤维素酶减量整理对织物的吸水性、吸湿性也有一定程度的改善。本节简单介绍纤维素酶对纤维素纤维织物的生物抛光整理和牛仔布仿旧整理。

应该指出，纤维素酶对纤维素纤维织物的整理效果只有伴随机械作用才能达到，如果没有织物表面的摩擦，单靠浸轧或浸渍酶溶液是达不到上述整理效果的，因此，纤维素纤维织物纤维素酶的减量整理效果与加工设备和加工方式密切相关。纤维素纤维织物纤维素酶的减量整理大多在液流染色机和水洗机上进行。纤维素酶处理织物时，由于纤维素的水解，纤维的强度会降低，因此，要注意对强度损伤的控制，织物的失重率一般控制在3%～5%。

（一）纤维素酶的组成和协同催化作用

纤维素酶中至少包括3类不同性质的酶。

β-1，4-内切葡聚糖酶：这种酶沿纤维素分子链随机水解纤维素的β-1，4-苷键，水解产物是不同链长的混合物。β-1，4-外切葡聚糖酶：这种酶只能从纤维素分子链的非还原端开始，每隔两个葡萄糖残基切断纤维素分子链中的β-1，4-糖苷键，形成纤维二糖。β-葡萄糖苷酶：只将纤维二糖水解成葡萄糖。

纤维素酶水解纤维素是β-1，4-内切葡聚糖酶、β-1，4-外切葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶协同作用下进行的，其模式如图7-13所示。首先，β-1，4-内切葡聚糖酶随机水解切断无定形区的纤维素分子链，使结晶纤维素出现更多的纤维素分子链端基，为β-1，4-外切葡聚糖酶水解纤维素创造条件。β-1，4-外切葡聚糖酶的水解产物纤维二糖由β-葡萄糖苷酶水解成葡萄糖。因此，纤维素酶水解结晶纤维素的过程可简单表示为：β-1，4-内切葡聚糖酶→β-1，4-外切葡聚糖酶→β-葡萄糖苷酶。

图7-13　纤维素酶各组分的协同作用

结晶纤维素的相对分子质量很大，端基在纤维总量中的比例几乎可忽略，β-1，4-外切葡聚糖酶对结晶纤维素几乎没有可作用的位置，即使像可溶性的羧甲基纤维素，由于端基的比例低，β-1，4-外切葡聚糖酶的活性也是很低的。但纤维中的结晶结构是不完整的，结晶区之间存在纤维素分子链的穿插，在β-1，4-内切葡聚糖酶的作用下，可以在纤维结晶结构的表面形成β-1，4-外切葡聚糖酶可作用的位置（端基），从而使纤维素的结晶结构水解。因此，β-1，4-内切葡聚糖酶的水解作用增加了β-1，4-外切葡聚糖酶的水解作用点，起着β-1，4-外切葡聚糖酶水解纤维素的活化作用。

（二）纤维素纤维织物纤维素酶生物抛光整理

生物抛光是用生物酶去除织物表面绒毛，使织物达到表面光洁、抗起毛起球、柔软、蓬松等独特性能的整理方法。生物抛光概念最初来自日本，主要以机织物为处理对象，目前已延伸到针织制品、毛巾和服装，在材料上也已经突破纤维素短纤维，如高强度长丝Newcell也可以通过纤维素酶处理来改善抗起毛、起球性能。

1.基本原理(www.xing528.com)

生物抛光需要纤维素酶对纤维素水解和机械冲击配合实现，如果仅仅靠纤维素酶的作用，生物抛光效果非常有限，而且即使达到了生物抛光的要求，由于有很高的化学减量，织物强度损伤往往很大，会影响使用价值。而通过机械冲击的配合，化学水解作用仅需要对绒毛或纤维弱化，然后在机械作用下就可以将绒毛去除，达到生物抛光的目的。生物抛光可以采用两种处理方式，一种是纤维素酶和机械作用同时进行，一步达到生物抛光目的；另一种是织物先浸轧酶液，使织物表面的微纤弱化，然后在水洗中通过机械力的作用去除表面微纤。目前主要以前一种处理方式为主。

织物表面的微纤又可以通过两种方式弱化，一种是利用纤维素酶对纤维素的水解，最终水解产物是葡萄糖。这种弱化方式是普通纤维素酶的作用方式，纤维素化学减量大，不仅对织物表面的微纤，对织物主体纤维也有较大的机械损伤，处理织物的强度损失大。另一种是利用内切酶水解纤维素无定形区中的分子链，使纤维表面形成微隙。这种方式对织物的化学减量少，处理织物的强度损伤小，是一种较先进的处理方式。目前的工程纤维素酶制剂由于去除了β-1，4-外切葡聚糖酶或β-1，4-外切葡聚糖酶含量很少，实际起作用的主要是β-1，4-内切葡聚糖酶，其生物抛光性能明显好于普通型的酶制剂。

生物抛光整理的效果具有持久性，能经受家用洗涤，使织物保持持久的光洁表面。持久的原因一般认为是由于纤维素酶的表面作用，使纤维表面原纤弱化，即使纤维表面形成绒毛，也会很快脱离织物表面，使织物表面不会形成持久的绒毛，更不会形成绒球。

2.生物抛光工艺

生物抛光一般在退浆后、染色前进行。织物上的浆料会阻碍纤维素酶攻击纤维素，严重影响酶的作用效率，另外，生物抛光对织物的退浆要求高，退浆不净会造成抛光处理不匀。织物上染料的存在会对纤维素酶的活力产生抑制作用，染色后进行生物抛光还会引起织物色泽变化，有的还会引起染色牢度下降。

为了达到良好的生物抛光效果，需要对工艺条件进行合理选择，具体需要考虑下列因素：

（1）设备。不同设备对织物的机械冲击力不同，而机械冲击力是达到生物抛光的决定性条件之一。一般来说，机械冲击力越大，酶用量越少，处理时间越短。卷染机、溢流染色机的机械冲击力低，喷射染色机的冲击力中等，高速绳状染色机、空气喷射染色机、转笼式水洗机等机械冲击力高。织物生物抛光可采用各种绳状染色机、喷射染色机、转笼式洗衣机，服装抛光主要采用各种水洗机。

（2）浴比。浴比既要能满足处理织物或服装自由流动的需要，又要小到能提供织物足够的冲击力。过高的浴比，如1∶30以上，对酶浓度有稀释作用，会增加处理成本，一般织物处理的浴比在1∶5～1∶25，冲击力较低的设备，要求浴比小于1∶15。服装一般在较低浴比（1∶8～1∶12）下进行，以满足冲击力要求。

（3）酶用量：通常在1.0%～3.0%（按织物重量计）。厚重织物酶的用量要适当增加。有时为了达到有效处理效果，可以采用分段投料法，在开始时投入一半酶制剂，处理到一半时间时再投入另一半酶制剂。

（4）pH、温度、处理时间：要相互配合。酶制剂均有一最适pH和温度活性域，pH的控制最好采用缓冲体系，以保证处理质量，在此基础上确定处理时间。时间一般控制在30～60min，以避免处理时间过长对织物强度造成损伤。

（5）失活。使纤维素酶失活的方法很多，如高温、高pH、漂白或充分水洗等。调节pH大于9.5，处理10min或提高温度至高于65℃，处理10min或提高温度至高于65℃和调节pH大于9.5，处理10min或加入含氯漂白剂处理10min均可使纤维素酶失活。

不同的纤维素酶其组分不同，最佳活性域也不同，适应的纤维、去除原纤的效果、对纤维强度的损伤、对织物手感的改善不完全相同，在确定抛光工艺时应注意。例如Novozymes公司的Cellusoft系列酶制剂是生物抛光性能优良的酶制剂，其中的Cellusoft Ultra为经过基因改性的、含有单一组分内切酶的纤维素酶，最佳活性pH为5.2，最佳活性温度域为45～60℃，可采用高冲击力的空气喷射染色机对织物（浴比1∶5～1∶25），水洗机对服装（浴比1∶6～1∶12）进行生物抛光整理，酶用量为1.0%～3.0%，在45～60℃处理30～60min，然后将pH提高到10或将温度提高到80℃处理10min进行酶失活处理。