酶生化技术的魅力——谈酶生化技术在纺织中的应用.docx

酶生化技术的魅力谈酶生化技术在纺织中的应用王张扬，背景:纺织业作为一门历史悠久的传统工业，其传统加工方式（如碱煮） 需消耗大量水源、能源和植物原料，对环境造成了巨大冲击。今天, 尽管人们开始使用尼龙，晴纶等人造纤维，天然纤维仍是主要使用的 纺织材料。而酶生化技术的应用，对现代纺织业做出了极大的贡献。 纺织业预处理过程引入酶技术后，减少了大量能源和水资源的消耗, 也提高了纺织产品的质量。（传统纺织业需消耗大量水资源，因此纺织厂多建在河流旁图源：谷歌图片）酶生化技术在现代纺织业中应用十分广泛，它可以简单地替代一 些污染性大，成本高的无机试剂，也可以在一些处理中起到锦上添花, 改善质量的作用。其作用原理，概括来说，就是利用酶高效而专一的 反应性，将一些大分子（如蛋白质，纤维素，淀粉）分解为可溶于水 的小分子，从而达到与原料分离的目的。底物迤入酶的活性位黠 酶/底物,复合物底物迤入酶的活性位黠 酶/底物,复合物酶/底物?复合物羟物雕的的催化位黠酶反diS醇契合的量解。（醐促反应原理图源：Wikipedia）四，技术优缺点优点：【1】安全环保酶促反应条件较传统碱煮更加温和，较少需求高温 高压，强酸强碱环境，对操作人员更加友好。同时，酶促反应产物多 为小分子化合物和水，较少产生氯气，二氧化硫等有害气体，反应所 用的酶（基本为蛋白质）也可以生物降解，对环境更友好。2提升生产效率酶可以降低反应所需活化能从而提高反应速率。同时,种生物酶如纤维素酶，可以同时进行去纤，软化，去毛，打磨等多个 步骤，极大提高了生产效率。遇渡熊姓物反德遇程（酶促反应原理为降低反应所需活化能图源：Wikipedia）3产品质量高酶促反应具有高度选择性，如淀粉酶在褪浆过程中只会与 淀粉反应，而传统碱煮方式势必会对织物纤维造成损伤。使用酶生化 技术，可以有效提高产品质量4废液可回收利用酶促反应后废液中几乎不含氯，磷，碎等有害元素，因而 可以回收利用。如上文所述，经淀粉酶处理褪浆后的浆液可以作为培 养真菌的营养补充剂，从而扩大生产，降低成本。缺点：【1】成本高实际生产制备生物酶中，为得到性能稳定的酶产品, 对菌种的来源、培养工艺以及纯化方法的要求较高，无形中增加了生 物酶的制备成本。同时，酶促反应需要在一个温度，酸碱度稳定的环 境下进行。这也提高了对反应装置的要求，增加了成本。2对污染物敏感酶促反应对底物纯度有一定要求，若原料中混有酶 杂质，则会极大程度上降低酶促反应效率。这变相提高了纺织产业对 原料筛选，纯化的要求。3储存，运输不便酶的生物活性稳定性较差，经长期储存或长期运输 后活性降低。这不利于偏远地区纺织工厂的运作。五，技术的前景，未来与展望酶生化技术在纺织工业的成功应用激发了科学家进一步探索的 热情。科学界在设法突破酶的局限性，创造更能影响纺织工业未来的 生物技术。1,基因工程的引入：传统纤维素酶的反应依赖于其自身的选择性，而科学家正着 手于利用基因工程改造纤维素酶，使之仅与某些特定的纤维反应，即 剔除不符合纺织品需求的分子，让纺织纤维更符合人类需求。不同的 DNA编码出的纤维素酶作用不同，创造的纺织品也就不同。不同的 纤维素酶能够对不同的纺织品进行优化，使之符合专门的用途。2,酶固定技术:酶的固定化是指把酶或含有酶的细胞与固体材料（在这里称为 载体）结合在一起，制成不溶于水的颗粒，纤维或膜状物，用于催化反 应。随着固定化技术的发展，目前把利用半透膜将酶或含酶细胞包装 在一个特定的空间，如微型胶囊内，或超滤器内也称为固定化；甚至 于把酶结合在水溶性的大分子上，在反应时为溶解状态，它催化的反 应与未固定化的游离酶很相似，反应之后，通过改变条件再使结合酶 沉淀出来，这种形式也是一种很好的固定化方法。酶和细胞固定化后稳定性一般有较大的增加，包括耐热性，耐 酸碱性和耐受机械搅拌造成的剪切力。这种变化对于酶的应用十分重 要，使酶可以长期反复使用。克服了天然酶的固有缺点。经固定化的 纺织用酶可以方便地运输,储存,让偏远地区的纺织工厂也可以使用。（固定化的酶图源：谷歌图片）3,酶漂白技术:现代纺织业漂白过程中需消耗大量过氧化氢，成本较高。为创 造更加成功的基于生物技术的漂白技术，开发酶漂白技术的研究已在 世界上很多国家开展。例如，虫漆酶和可使物质酚化的酚氧化酶吸引了许多科学家的兴 趣。虫漆酶不仅可作为漂白剂，它还具有分子媒介的作用使电子由此 转移出去。如靛青与氧原子的反应。科学家已开始尝试纺织业中利用 虫漆酶的功效：虫漆酶作为漂白中介体系，可直接影响着色，强化摩 擦程度。另一酶漂白技术是利用葡萄糖氧化酶（GOD）生成过氧化氢的加 工技术。也有人利用淀粉酶把淀粉分解为葡萄糖的方式，使其氧化后 成为糖酸然后结合脱浆漂白，生成过氧化氢。但这一技术尚无商业化 可行性。（1）没有遇氧化氢酶存在畤，每氧化1 mol葡萄糖消耗1 mol氧：c6H12。6+。2-6H12O7+H2C）2 ；/3-D葡萄糖+葡糖内酯+ H2O2 ;（2）有谩氧化氢酶存在畤，每氧化1 mol葡萄糖消耗1/2 mol氧：1C6H优。6+ O2-C6H12。7+叱。2 ； 2（3）有乙醇及遇氧化氢酶存在畤，谩氧化氢酶可用於乙醇的氧化，每氧化1 mol葡萄糖消耗1 mol氧:C6Hl2。6+ C2H5OH+O2-C6Hl2。7+ CH3CHO +H2O2。（葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖生成过氧化氢的机理图源：百度百科）参考文献：山杨喜爱，刘恩平.生物酶在纺织工业上的应用N.中国麻业，2003年 第四期2AFIRM GROUP. ChemicalGuidanceDocumentFINALchinesefM3晓燕.生物技术在纺织加工中的最新应用3.中国纤检，2008年第9 期4李伟，周利，杨树梅，等.环保助剂酶在纺织行业中的应用山,山东化 工,2020,49(15):79-80. DOI: 10.3969/j.issn.l008-021 X,2020.15.034.（工人们在使用传统碱煮的方法处理织物，这既需要大量水资源，废液又造成环境污染 图源：谷歌图片）进口助剂进口助剂纺织品图源：）（现代纺织业工业流程图，其中预处理流程占据重要地位二，技术原理与应用：淀粉酶技术的原理与应用:淀粉酶（Amylase）是一种水解酶，是目前工业上应用最广泛的酶 之一。淀粉酶一般作用于可溶性淀粉、直链淀粉、糖原等g1,4-葡聚糖。 根据作用的方式可分为心淀粉酶（EC3.2.1.1.）与代淀粉酶（EC3212）。 其中，较常用的是如淀粉酶：在适宜的pH和温度下（来源于地衣芽胞 杆菌【Bacillus licheniformis】的a-淀粉酶最适温度为90° C以上，而来 源于枯草芽胞杆菌B. subtilis）的加淀粉酶的最适温度为70° C）它 随机作用于直链淀粉和支链淀粉内部的a，4糖昔键，将淀粉水解为 糊精、麦芽糖等短链聚糖。（0C-淀粉酶 图源：Wikipedia）淀粉酶处理是纺织业中最早采用的酶技术之一，在织物漂白和染 色之前必须经过褪浆处理，因为织物纤维上的胶浆影响到加工处理的 其他步骤，而淀粉酶可以有效去除纺织物的胶浆。早在1912年，人 们便开始使用淀粉酶除去纺织品中的淀粉。褪浆后的纺织品，既方便 了后续印花，染色等处理步骤，又提升了质量，不易腐坏。1 iv+6 5f “保W MLX> stllunpc* R1W6 trt'l.，<OMK "<<<410(现代工业中，为节省成本减少污染，将淀粉酶处理后洗脱的浆液作为真菌生长补充剂，以增强a-淀粉酶的生产，投入工业应用图源：X-MOL)蛋白酶技术的原理与应用：蛋白酶(protease)是生物体内的一类酶，它们能通过两种方式酶 解蛋白质，产生不同的产物。内切蛋白酶作用肽链内部的肽键，产 生更小的多肽；外切蛋白酶从肽链的两端之一切除单个氨基酸。不同 的蛋白酶对所作用的肽键具有不同专一性。h2o（内切蛋白酶所催化的反应图源：Wikipedia）在纺织业中，蛋白酶主要用于处理丝绸，羊毛等蛋白质类原料。 蚕丝纤维经蛋白酶处理去除蛋白胶质层后，光泽更好，柔软度更高。 羊毛经蛋白酶处理后，可以有效防止皱缩。同时，蛋白酶也可制成洗 涤剂，用于去除成品织物上的蛋白质污渍）纤维素酶技术的原理与应用：纤维素酶（Cellulase）是一种复合酶，是由降解纤维素的一组酶的总 称。一般认为其至少包含了三种组分，分别是3酶、Cx酶和葡萄糖 昔酶。G酶和Cx酶会将纤维素分解成纤维二糖，葡萄糖甘酶将纤维 二糖分解成葡萄糖，纤维素在这三种组分的共同作用下被水解为葡萄 糖。(纤维素酶图源：谷歌图片)在纺织业中，纤维素酶有着多种用途：纤维素酶可以去除织物表 面的纤维和毛球，降低织物的起球倾向，增强织物的柔软度：纤维素 酶可以去除棉织品表面的细小绒毛，使棉织品更加光鲜亮丽，手感顺 滑而当今纤维素酶最广泛的用途，是用来代替水磨洗过程中的浮 石使牛仔服饰具有仿旧的外观。果胶酶技术的原理与应用果胶酶(Pectinase)是指能够分解植物主要成分果胶质的一类复合酶。它对于果胶质的作用有两种，一是能催化果胶解聚，包括 作用于果胶的聚甲基半乳糖、醛酸酶、醛酸裂解酶或者果胶裂解酶和 作用于果胶酸的聚半乳糖醛酸酶、聚半乳糖醛酸裂解酶或者果胶酸裂 解酶，另一类能催化果胶分子中的酯的水解，包括果胶酯酶和果胶酰 基水解酶等。Pedin (polygalacturonic acid)（果胶分子结构 图源：谷歌图片）在纺织业中，果胶酶被用来有效地分离纤维以及分解黄麻、芭麻、 亚麻中的果胶。这种处理方法被证明比传统的碱煮方法更快速安全。 同时，果胶酶与纤维素酶配合使用可除去原棉中的杂质及羊毛碳化过 程中的植物源杂质脂肪酶技术的原理及应用：脂肪酶（Lipase）,是一种催化脂类的酯键水解反应的水溶性酶。脂酶存在于基本上所有的生物体中，它在对脂类（如脂肪、油等）的 消化、运输和剪切中发挥着关键作用。其作用原理是催化甘油三酸酯 中的酯键。（人类胰脏脂酶的三维结构飘带图图源：Wikipedia）在纺织工业中，脂肪酶被用来辅助去除浆胶乳化油，促进织物对 染料的吸收，提高染色均匀性。使用脂肪酶也可以降低牛仔棉布在磨 洗处理过程产生折纹或断线的现象。同时，脂肪酶也可用于皮革类原 料的处理中，以彻底去除皮革上粘连的脂肪。过氧化氢酶技术的原理及应用:过氧化氢酶（CAT）,是催化过氧化氢分解成氧和水的酶，存在于 细胞的过氧化物体内。在纺织工业中，原本使用毒性和污染都较大的 氯漂方式进行漂白，引入过氧化氢酶后，就可以使用过氧化氢漂白法 代替：漂白后残留的过氧化氢可以通过加入过氧化氢酶来分解掉， 以减少大量的冲洗次数及还原剂的用量（用来中和残留的过氧化氢及 氯化物），从而节省水、时间和能量。2H2O2(1)2H2O(1) + 02(g)(过氧化氢分解 图源：wikipedia)漆酶技术的原理及应用：漆酶(Laccase)是一种能够使靛蓝脱色的酶。在牛仔布的处理和整理中具有重要的作用。其作用过程是酶和介质相互结合作用的结果, 单靠酶并不能分解靛蓝，然而，在水介质的存在下，酶被氧化，转 化为自由基，这些自由基进攻靛蓝分子并将其转化为氧化产物。OxidizedaSubstrate SubstrateOxidized Laccase(漆醐反应原理 图源：西宝生物)牛仔布经漂白后形成各种色调。通常，次氯酸钠或漂白粉用于牛 仔服装的漂白。通过控制漂白过程，可以产生不同的水洗效果，如冰 洗和巴塔洗。该工艺的主要缺点是使用了不环保的氯基漂白剂，同时 也增加了工作环境的危险性。漆酶体系可替代氯基漂白剂的使用，与 次氯酸盐相比，酶体系可在很大程度上对工艺进行控制。三，小结