表面活性劑對中性纖維素酶生物拋光的影響

杜 斌，劉 營，王 冠，刁洋洲，劉國紅，陳云峰，蘇 丹

（1.武漢工程大學化學與環境工程學院，湖北武漢 430073；2.武漢新華揚生物股份有限公司，湖北武漢 430074）

生物拋光是一種利用纖維素酶處理織物表面的染整、濕加工工藝［1］。處理后的織物抗起毛起球更持久，表面光潔度增加，服用等性能改善。原理是在應用過程中，纖維素酶弱化微纖基端，達到除毛效果［2］。表面活性劑是紡織行業的常用助劑［3］，根據離子性分為陽離子、陰離子、非離子和兩性離子表面活性劑。纖維素酶處理織物時，合適的表面活性劑與酶產生協同作用，可以提高纖維素酶的應用性能，因而找到合適的中性纖維素酶/表面活性劑復配體系對實際生產應用具有現實意義［4］。本實驗分析中性纖維素酶的應用性能，選取幾種不同類型的表面活性劑與中性纖維素酶進行復配，研究復配酶液的生物拋光效果與穩定性。

1 實驗

1.1 材料與儀器

織物：純棉半漂針織布（32 tex，180 g/m2）。試劑：3,5-二硝基水楊酸（DNS 試劑）、羧甲基纖維素鈉（CMC）、葡萄糖、磷酸二氫鈉、檸檬酸（均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司），十二烷基芐基氯化銨（BZK，南通潤豐石油化工有限公司），聚季銨鹽-47（M2001）、烷基糖苷（APG）、椰油酰胺丙基甜菜堿（CAB-35）（廣州花之王化工有限公司），異構十三醇醚磷酸酯（E-1310P，江蘇省海安石油化工廠），月桂醇聚醚-7 硫酸酯鈉（AES，淄博海杰化工有限公司），天然植物醇醚改性聚氧乙烯醚（NSF-7，蘇州源泰潤化工有限公司），月桂亞氨基二丙酸二鈉（DIC）（工業品，上海紫一試劑廠），中性纖維素酶（武漢新華揚生物股份有限公司）。

儀器：FA1004 電子天平（上海舜宇恒平科學儀器有限公司），HH-4 數顯恒溫水浴鍋（常州國華電器有限公司），UV759S 紫外-可見分光光度計（上海精密科學儀器有限公司），DHG-9075A 電熱恒溫鼓風干燥箱（上海一恒科技有限公司），YG（B）401E 馬丁代爾耐磨儀器、SW-24AⅡ耐洗色牢度試驗機（溫州大榮紡織儀器有限公司）。

1.2 復配酶液的制備

在纖維素酶液中加入1%～5%（對復配液總質量）的表面活性劑，搖勻，調節pH 為6.5。

1.3 生物拋光

在拋光整理液中加入一定量復配酶液，投入織物（浴比1∶10）進行酶處理，煮沸10 min 進行酶滅活，冷水洗滌兩次，在85 ℃下烘干后稱重。失重率=（1-m2/m1）×100%，其中m1為處理前織物質量；m2為處理后織物質量。

1.4 測試

相對拋光效果：將復配液生物拋光處理烘干的織物與原液生物拋光處理烘干的織物進行抗起球摩擦實驗，評價織物表面起毛起球現象。

酶液穩定性：將復配酶液置于45 ℃烘箱，觀察是否出現渾濁或沉淀。

酶活：采用CMC-DNS 法測試［50 ℃、pH 6 條件下水解羧甲基纖維素鈉底物1 h，產生相當于1 mg 葡萄糖的還原糖量，為1 個酶活單位（U/mL）。取1.8 mL 羧甲基纖維素鈉溶液，50 ℃預熱5 min，加入0.2 mL 酶液稀釋液，混勻，50 ℃保溫10 min，再加入5 mL DNS試劑，混勻煮沸5 min，冷卻至室溫，以空白樣為零點，在540 nm 下測定吸光度A］。計算式如下：

式中，K為標準曲線斜率；C0為標準曲線截距；V為待測樣體積，mL；M為葡萄糖的摩爾質量；t為酶解反應時間；n為待測樣稀釋倍數。

相對酶活保留率：復配酶液置于45 ℃烘箱后出現渾濁或沉淀的酶活與剛配制好時酶活的百分比。

2 結果與討論

2.1 纖維素酶的拋光工藝優化

2.1.1 溫度

由圖1 可知，溫度對纖維素酶拋光效果的影響呈拋物線狀，失重率先增大后減小。低于55 ℃時，失重率隨溫度升高逐漸增大，拋光效果提高，因為溫度升高會降低反應活化能，加快催化反應速度；55 ℃時，失重率最高達1.88%，此時拋光效果最好；高于55 ℃時，失重率隨溫度升高逐漸減小，因為部分纖維素酶變性失去催化活性，拋光效果下降。

圖1 溫度對拋光效果的影響

2.1.2 pH

由圖2 可知，pH 對纖維素酶拋光效果的影響呈拋物線狀，失重率先增大后減小。pH 小于6.5 時，失重率隨pH 升高逐漸增大，拋光效果增強；pH 為6.5 時，失重率最高達1.88%，此時拋光效果最好；pH 大于6.5 時，失重率隨pH 增大逐漸減小。因為纖維素酶在最適pH 范圍內表現出最高活性，當超出這個范圍時，酶活均會降低。

圖2 pH 對拋光效果的影響

2.1.3 纖維素酶用量

由圖3 可知，纖維素酶用量對拋光效果的影響接近線性關系，失重率隨酶用量增加逐漸增大。用量小于0.1%(omf)時，酶濃度較低，織物質量相對較大，失重率增大較明顯；用量大于0.10%(omf)時，失重率變化較平緩，此時不僅酶用量影響生物拋光效果，溫度、時間等也會影響。結合實際應用效果，酶用量選擇0.1%(omf)，此時失重率為1.88%。

圖3 纖維素酶用量對拋光效果的影響

2.1.4 處理時間

由圖4 可知，處理時間對拋光效果的影響接近線性關系，失重率隨酶處理時間延長而逐漸增大。

圖4 處理時間對拋光效果的影響

小于90 min 時，失重率隨處理時間的延長呈線性增加，此時纖維素酶主要作用于織物表面的絨毛。90 min 時失重率為2.36%。烘干的織物經過2 000 次摩擦，表面幾乎沒有起毛起球，說明此時織物表面的絨毛已經基本除凈。大于90 min 時，失重率增幅變小；進行抗起毛起球實驗時，織物表面光滑，沒有起毛起球。因為中性纖維素酶與內部纖維發生水解反應，失重率隨處理時間的延長增幅降低。

2.2 表面活性劑種類對纖維素酶拋光效果的影響

2.2.1 陽離子表面活性劑

由圖5 可知，陽離子表面活性劑BZK、M2001 與纖維素酶復配后，在最佳反應條件下的拋光效果均隨著用量的增加先升高后降低。BZK 用量為3%～4%、M2001 用量為4%～5%時，相對原酶具有協同提升作用，最高相對拋光效果分別為103.3%、102.5%。陽離子表面活性劑會降低纖維素酶與纖維間的復合能力，添加少量陽離子表面活性劑時拋光效果變差；增加用量后，陽離子表面活性劑可以與纖維素酶之間形成協同作用，增強拋光效果［5］。

圖5 BZK 與M2001 對拋光效果的影響

2.2.2 陰離子表面活性劑

由圖6 可看出，陰離子表面活性劑E-1310P、AES與纖維素酶復配后明顯抑制拋光效果。因為陰離子表面活性劑與纖維結合能夠增加其陰離子化程度，電位差增大，降低酶與織物的可及度；而且陰離子表面活性劑會與纖維素酶蛋白發生靜電結合，影響其活性，減弱其拋光效果［6］。E-1310P與AES用量為1%～5%時，相對原酶都具有抑制作用，拋光效果均下降。

圖6 E-1310P 與AES 對拋光效果的影響

2.2.3 非離子表面活性劑

由圖7 可以看出，非離子表面活性劑APG、NSF-7 與纖維素酶復配后，在最佳反應條件下的拋光效果均隨著用量的增加先升高后降低。APG 用量為3%、NSF-7 用量為2%～4%時，相對原酶具有協同提升作用，最高相對拋光效果分別為102.6%、104.5%。因為非離子表面活性劑不帶電荷，不存在電性斥力，不會影響酶與織物的結合，所以其用量在一定范圍內對纖維素酶活沒有影響［7］。此外，非離子表面活性劑對纖維具有更好的潤濕、滲透功能，與纖維素酶具有很好的協同作用。

圖7 APG 與NSF-7 對拋光效果的影響

2.2.4 兩性離子表面活性劑

由圖8 可知，兩性離子表面活性劑CAB-35、DIC與纖維素酶復配后，在最佳反應條件下的拋光效果均隨著用量的增加先增加后降低。CAB-35 用量為1%～3%、DIC 用量為2%～4%時，相對原酶具有協同提升作用，最高相對拋光效果分別為115.5%、109.8%。纖維素酶作為一種蛋白質，含有氨基與羧基，具有兩性表面活性劑的性質；兩性表面活性劑的離子性還會隨著pH 變化而變化。pH 6.5 為兩性離子表面活性劑提供了良好的近中性環境，與纖維素酶復配具有良好的協同作用，能提高其拋光效果［6］。

圖8 CAB-35 與DIC 對拋光效果的影響

2.3 酶液穩定性

由表1可以看出，酶液穩定性的強弱依次是：CAB-35、DIC、APG、NSF-7/酶原液、M2001、BZK、E-1310P、AES。陽離子和陰離子表面活性劑分別具有正電荷與負電荷，更容易使酶蛋白分子變性，沉淀析出；非離子表面活性劑不帶電荷，能夠更好地和酶蛋白分子共存，對穩定性幾乎沒有影響；兩性表面活性劑中的陰陽離子可以更好地與酶蛋白中的氨基與羧基共存，穩定性最好。另外，酶活主要與酶液的渾濁程度有關，有沉淀的酶液酶活大幅降低，僅渾濁的酶液酶活變化不大。

表1 酶液穩定性及相對酶活保留率

3 結論

（1）纖維素酶拋光的最佳工藝條件：55 ℃、pH 6.5、0.1%(omf)、60 min、浴比1∶10，拋光后的失重率為1.88%，滿足后續工藝要求。

（2）不同類型的表面活性劑對拋光效果影響從大到小為：CAB-35、DIC、NSF-7、BZK、APG/M2001、酶原液、AES、E-1310P；CAB-35 1%與DIC 3%的相對拋光效果分別提升15.5、9.8 個百分點；E-1310P 與AES 對纖維素酶具有抑制作用，E-1310P 與AES 的相對拋光效果分別降低6.5、5.4 個百分點；BZK、M2001與NSF-7、APG 對拋光效果幾乎沒有影響。

（3）表面活性劑復配酶液的穩定性從強到弱為：CAB-35、DIC、APG、NSF-7/酶原液、M2001、BZK、E-1310P、AES。

致謝：感謝陳云峰教授的耐心指導，在我做實驗與寫文章的過程中投入了大量時間和心血，也很感謝武漢工程大學研究生教育創新基金項目給予的經濟支持以及武漢新華揚生物股份有限公司提供的技術指導。