漆酶作用原理及在印染生產中的應用介紹

20世紀初,科研工作者已開始對生物酶在紡織工業中的應用進行研究[1]。發展至今,已形成多種成熟的工藝技術,從淀粉酶退漿到各種濕處理工序及后整理等,都可以利用生物酶來實現[2]。目前,國內對生物酶的應用和研究集中在發展新型纖維、紡織品濕加工和紡織污水處理等三個方面[3]。隨著研究的不斷深入和社會對環境保護的日益重視,生物酶在紡織領域的應用已顯示出強大的發展潛力和優勢。

從應用范圍來看,酶工藝已經滲透到紡織加工的整個流程,但從實際應用的酶制劑品種來看,仍以水解酶為主[4],如淀粉酶、纖維素酶和果膠酶等,它們各自有特定的作用底物范圍。氧化還原酶因其能夠在氧氣存在的條件下(電子受體),催化底物的氧化還原反應而逐漸受到重視。在紡織領域,已經成功地實現葡萄糖氧化酶對棉織物的漂白,以及漆酶對印染廢水的脫色等[2]。相對來講,漆酶具有更為廣泛的底物作用范圍,對各種酚類、芳胺及其衍生物等都具有催化氧化作用。此外,通過將漆酶與小分子介體物質聯用,則可以進一步擴大其作用范圍[5]。如利用漆酶/介體體系(LMS),可以實現對多種氧化還原反應的催化。漆酶在紡織加工中的應用亦不斷有新的報道,從纖維改性到染色和印花等方面都有研究[6-8]。這些潛在的應用價值表明,利用漆酶實現清潔生產的同時,還將為傳統的紡織染整加工帶來一些新的理念。為此,本文就國內外漆酶近年來在紡織工業中的應用研究作一扼要綜述。

1漆酶簡介

漆酶(Laccase,EC 1.10.3.2)因最早為日本學者Yoshida發現于漆樹漆液中而得名,是一種含銅的多酚氧化酶,屬于藍色多銅氧化酶家族[9]。按其來源,漆酶主要分為漆樹漆酶、真菌漆酶及細菌漆酶[10]。白腐真菌是分泌漆酶的最主要菌種。

1.1漆酶的結構與生物特性

漆酶的分子結構中一般含有四個銅離子,其中Ⅰ型Cu2+(藍色)和Ⅱ型Cu2+各一個;Ⅲ型Cu24+兩個,是偶合的離子對(Cu2+-Cu2+)。這四個銅離子處于漆酶的活性部位,在氧化還原反應中起決定作用[10]。不同來源的漆酶,結構上也不盡相同,因此其生物特性也有差異。表1[11]列出了普通漆酶及白腐菌(Trametes)漆酶的具體特性。

1.2漆酶及LM S體系的催化氧化機理

漆酶是單電子氧化還原酶,它催化不同類型底物氧化反應的機理,主要表現在底物自由基的生成和四個銅離子的協同作用[12]。漆酶催化酚或芳胺類底物氧化時,首先是底物向漆酶轉移一個電子,生成自由基中間體;之后是一系列不均衡的非酶反應,如自由基氧化成醌,發生鍵的斷裂和形成。漆酶獲得四個電子之后成還原態,在O2存在條件下,還原態漆酶被氧化,O2被還原成水[12,5]。漆酶的氧化還原電勢較低,對一些非酚型物質的催化氧化作用并不明顯,因此,通常需要加入小分子的介體物質,形成漆酶/介體體系(LMS)。介體在反應中起到傳遞電子的作用,其在漆酶的氧化作用下失去電子,形成具有強氧化活性的中間體Medox,由于其自身體積小,所以可以擴散到原來不能接觸到漆酶的底物,從而將其氧化[11]。漆酶及漆酶/介體體系催化底物的氧化還原循環如圖1所示:

目前,天然及合成的介體物質有100多種,其中最常用的介體是2,2-連氮-雙(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)(ABTS)和1-羥基苯并三唑(HBT)等,其結構式如下:

各種來源的漆酶都可以快速地將ABTS氧化成ABTS+中間體,進而氧化底物;而HBT則在漆酶的作用下被氧化成具有氧化活性的自由基中間體R—NO·[11,9]。

2漆酶對紡織纖維的改性

常規纖維通常采用物理或化學的改性方法,改善纖維的某些性能(如吸濕性、染色性和阻燃性等),用生物酶法改性纖維則并不多見。近年來,有學者開始利用漆酶的催化氧化特性,對一些天然纖維如羊毛、棉、麻進行改性研究[13-15],獲得了良好的效果。

2.1漆酶對天然蛋白質纖維的改性

與采用化學試劑對羊毛纖維進行表面改性相比,采用生物酶處理對環境的影響要小得多。不過,利用蛋白酶改性,容易造成羊毛纖維強力損傷;漆酶則無這方面的缺點,而且其還能改善纖維的抗皺性及染色性能。R.Lantto等[16]研究了羊毛經嗜熱毀絲菌的漆酶/介體體系改性后,纖維表面的化學性能。結果表明,漆酶/HBT對胱氨酸、酪氨酸及羊毛均有氧化作用,但是這種作用對羊毛纖維表面的化學組成及堿溶性均影響不大。

M.Montazer等[13]利用漆酶制劑(Denilite II S)對羊毛纖維改性的最新成果表明,改性后的羊毛纖維表面變得較為光滑(如圖2所示),且潤濕時間大大縮短,染色色深比未處理時有所增加。

此外,Hossain等[6]還利用漆酶將不溶于水的酚型物質沒食子酸十二酯接枝到羊毛織物表面,從而實現了采用一步法賦予羊毛織物抗氧化、抗菌等多種功能。

2.2漆酶對天然纖維素纖維的改性

眾所周知,木質素是植物細胞壁的主要組分之一,起支撐作用。根據麻纖維種類的不同,木質素含量也有所不同,約為1%~12%;從結構上來看,其屬于芳香類化合物,分子中含有酚羥基[17]。木質素的含量對纖維的品質及染色性能都有很大影響。一般通過氯化或氧化作用將木質素去除,但這樣會產生大量污染,對環境不利。因此,采用更為環保的漆酶催化處理木質素受到關注。在造紙工業中,漆酶/介體體系已經廣泛用于紙漿中木質素的脫除[18]。Ren等[15]研究了漆酶處理后亞麻纖維中木質素含量的變化,并深入研究了改性后纖維表面性能的變化。結果表明,經漆酶處理后,木質素的含量顯著降低,由原來的7.8%下降到2.3%;而纖維表面由于酚羥基被漆酶催化氧化成含有羰基的化合物,呈現出較高的供電子性能。棉織物可用聚合物涂層方式進行表面改性。Kim等[14]曾研究利用漆酶催化聚合物的生產。其通過對大量酚類物質的催化試驗之后,選擇鄰苯二酚為改性劑,在漆酶的催化作用下,形成一種高聚物,然后使其與氨基化的棉織物發生鍵合。改性之后,棉織物的表面染色色深增加,并對纖維素水解酶表現出高抗性。

3漆酶在染整加工中的應用

3.1漆酶在前處理加工中的應用

3.1.1麻煮練

麻紗煮練通常采用化學方法。為了探究生物酶對粗紗的煮練效果,M.Ossola等[19]采用包括漆酶在內的幾種生物酶對亞麻粗紗進行處理,初步認為漆酶/介體體系對麻纖維有一定的煮練效果。

Sharma等[20]的研究結果則表明,利用漆酶處理麻紗后,紗線的條干均勻度顯著提高。Liu等[21]采用果膠酶與漆酶的脫膠工藝,使黃麻纖維中雜質的去除更為容易。首先,將原麻纖維用混合酶液處理,配方為酶用量1%~2%(owf)(果膠酶∶漆酶為3∶1),浴比1∶15,在酸性(pH值5.0~5.5)和堿性(pH值7.5~8.0)條件下處理后取出,室溫下預處理10~14 h,然后用85~95℃熱水淋洗;之后再以還原性漂白劑處理,即得到潔白的黃麻纖維。

3.1.2漂白

Hedin和Ardon等人[22-23]通過研究發現,黃酮類物質是導致織物泛黃的主要組分。這些化合物以類黃酮為骨架,含有多個酚羥基,對漆酶的氧化作用抵抗力較差。T.Tzanov等人[24]最先進行了將漆酶用于棉織物漂白的嘗試。研究結果表明,單獨利用漆酶處理會使織物的黃度進一步增加,而結合雙氧水處理則會使白度大幅提高,如圖3所示。

C.Basto等[25]采用超聲波輔助漆酶/雙氧水進行棉織物的漂白試驗表明,在超聲波作用下,漆酶更容易與底物接觸,作用更徹底,可進一步提高白度;而且低強度的超聲波(7W)并不會影響漆酶的活性。這種預漂增白效果的機理目前還不完全清楚,可能是由于這些黃酮類物質在漆酶的催化作用下被氧化成另外一些物質,它們相互之間或與其它的酚類物質結合,轉變成了一些易溶或易受雙氧水影響的黃色物質[26]。

3.2漆酶/介體體系在染色中的應用

漆酶/介體體系因能夠催化無色的小分子酚類物質如苯酚等的原位聚合,而用于有色高聚物的合成。近些年來,已有一些專利報道了利用漆酶的這種作用進行織物染色[27-30]。通過在聚合液中加入合適的改性劑,還可以擴大染料的顏色范圍。

3.2.1蛋白質類纖維織物

蛋白質類纖維如頭發、羊毛等在漆酶的作用下,可采用一些芳香類物質如對苯二胺、鄰氨基酚等進行染色。Aaslyng等[28]試驗發現,利用漆酶作氧化劑可以縮短蛋白質纖維的染色時間,降低染料預聚體的用量;相同條件下,真菌漆酶比漆樹漆酶的作用效果更明顯,色澤更深,因此還可以減少真菌漆酶的用量。由于漆酶催化預聚體形成高聚物,使其體積增大,因此將其固定在纖維內部,可提高染色牢度。

Zille等[11]以2,5-二氨基苯磺酸為預聚體,鄰苯二酚和間苯二酚為改性劑,在無助劑的條件下利用長絨毛栓菌的漆酶對羊毛織物進行染色。結果表明,在溫和條件(pH值5.0,溫度50℃)下,染色織物的K/S值可達到23.91,對纖維不會造成損傷。織物的色深與織物、漆酶、染料預聚體及改性劑四者的接觸時間有較大的關系,隨著時間的延長,顏色逐漸加深。與傳統染色方法相比,利用漆酶染色節能降耗,減少污染,有效地降低了生產成本。

3.2.2纖維素纖維織物

(1)對還原、硫化染料隱色體的氧化

在纖維素纖維染色過程中,涉及氧化還原反應的染料有還原染料和硫化染料[31]。由于氧化階段的雙氧水對織物有損傷,因此人們試圖采用作用條件更為溫和的氧化還原酶來進行氧化。Xu等[32]利用多種氧化還原酶(包括漆酶)對還原染料及硫化染料的隱色體進行氧化還原試驗。以還原藍43為例,還原之前,其最大吸收波長λmax在626 nm,經連二亞硫酸鈉還原以后,顏色變淺,最大吸收波長也發生變化,而在626 nm處的吸光度為還原之前的40%;用嗜熱毀絲菌漆酶對隱色體氧化之后,染料的顏色又恢復到最初的色澤,且在最大吸收波長處的吸光度達到還原之前的80%以上。此外,加入介體可極大程度地提高氧化速率。

(2)對小分子物質的催化聚合

將漆酶/介體體系催化聚合的有色物質用于纖維素織物的染色雖不多見,但已經有人進行了嘗試。根據報道,可將漆酶/介體體系所催化的底物小分子分為兩類:芳香族化合物和黃酮類物質。H.Hadzhiyska等[33]以2,5-二氨基苯磺酸(2,5-DAB-SA)為染料預聚體,以鄰苯二酚為改性劑在漆酶作用下對純棉針織物進行染色試驗。結果表明,在漆酶的參與下,芳香環以C—C和—N C等方式共價鍵合,形成深棕色物質。在40℃和pH值5.0的條件下,保持2,5-DABSA/鄰苯二酚摩爾分數比為1∶10,漆酶質量濃度0.1 g/L,染色3 h,可使其固著率達到70%以上。

由于漆酶/介體體系能夠催化纖維素中的天然色素黃酮類物質聚合形成有色物質[26],因此,S.Kim等嘗試對棉、麻織物進行漆酶催化聚合染色。試驗表明,催化槲皮素氧化聚合而得的棕色物質,其在織物上的K/S值比蕓香甘和桑色素要高;而且未漂白織物的得色率要高于漂白織物。分析認為,這是由于未漂白織物中的黃酮類物質可以作為聚合物染料的反應接點,從而增加上染量。由于在聚合和染色一步法工藝中,漆酶的最適溫度為50℃,所以采用兩步法(90℃染色1 h)可以在提高溫度的情況下進一步提升織物的表觀色深。加入電解質NaCl對染料有促染作用,可使織物K/S值進一步提高。但是,通過FT-IR分析,發現染料與纖維間并未發生共價鍵合,故耐洗牢度并不好。

3.3漆酶/介體體系在拔染印花中的應用

拔染印花一般是在已染色紡織品上,使地色染料局部破壞、消色而獲得花紋的印花工藝。通常使用還原型拔染劑,如雕白粉。就纖維素織物而言,用作地色的大多是不溶性偶氮染料、偶氮直接染料和偶氮活性染料(乙烯砜型為主),以及還原染料如靛藍。El-Thalouth等[38]以漆酶為拔染劑,對三種乙烯砜型活性染料進行拔白試驗,其優化的拔染工藝條件為:漆酶用量180~220 g/kg,溫度60℃,作用時間1 h,色漿pH值4.5。采用此工藝,可以使脫色率達到96%以上。此外,Hall等[8]利用漆酶/介體體系成功地對靛藍染色的牛仔服裝進行了拔染印花。該法不僅可用于纖維素類織物如棉、粘膠的拔染印花,還可以用于羊毛、蠶絲織物。

3.4漆酶/介體體系在后整理中的應用

3.4.1牛仔服裝的水洗

漆酶/介體體系能夠對靛藍染料降解,因此,不僅可用于拔染印花,還可用于牛仔服裝的水洗。1996年,丹麥諾和諾德公司(現諾維信公司)首先推出水洗用漆酶制劑DeniLiteTM。Cam-pos等報道了利用從白腐真菌中提純而得的漆酶結合介體對靛藍染料進行降解,同時還可以產生漂白效果。與常規的纖維素酶水洗相比,利用漆酶水洗可以減少脫落靛藍對織物的“返染”程度,且不會對織物強力造成影響[34]。

3.4.2抗菌整理

漆酶/介體體系的抗菌機理在于LMS對必需蛋白質及巰基的氧化。首先,漆酶催化介體氧化,失去電子的介體進而與細菌、真菌及病毒中的蛋白組分發生親電反應,從而導致細胞中的必需氨基酸及功能性基團發生化學改性。Johansen等將漆酶和介體配成液體制劑,根據一般消毒要求,其適宜用量及使用條件為:漆酶0.1~5 mg/L,介體0.001~0.050 mmol/L,pH值6.5~8.5,溫度30~50℃,時間5~20 min。其中,加入兩種或多種介體,相互之間可以起到協同作用,從而有利于進一步提高抗菌效果。

4展望

漆酶發現至今已有100多年,經過眾多科技工作者的不懈努力,漆酶在紡織中的應用研究取得很大進展。在代替傳統工藝方面,漆酶顯示出了較強的優勢,如利用漆酶對纖維改性,可以減少對其強力等性能的損傷;利用天然纖維素中的色素物質為接點進行染色,還可以省去漂白工序等。目前研究表明,漆酶的來源及所用介體的種類對作用效果有較大的影響,因此要進一步實現漆酶在工業中的應用,還需對漆酶來源進行篩選,并結合介體進行作用效果測試,以便得到更佳的優化組合和工藝條件;同時,開發出適應染整加工需要的酶制劑也是促進其應用的必要環節。