用于改善苎麻织物服用性能的纤维素酶的研究

成都纺织高等专科学校 李振华 郑光洪 陈德基

【摘要】根据苎麻纤维织物的性质，特点和加工要求，分析了在改善苎麻织物手感，解决刺痒感的生物酶处理过程中纤维素酶的作用机理，以及这项工艺对纤维素酶性质的独特要求，对用于改善苎麻织物服用性能的纤维素酶的菌种，培养条件和制取方法等也进行了研究。

A关键词 纤维素酶 菌株 苎麻织物

1.前言

利用纤维素酶处理苎麻织物使之获得优良的服用性能源于纤维素酶对苎麻纤维素分子的降解。从所周知，苎麻织物具有凉爽、挺括、吸湿、散湿的特点，同时也存在手感粗糙、弹性差、穿着刺痒感问题，严重影响了苎麻织物的服用性能。通过纤维素酶减量整理，能够使织物获得柔软的手感，光洁的布面、刺痒感消失或改善，使低档织物成为高档产品，提高附加值

,由于来源不同，纤维素酶的活力以及对苎麻纤维的剥蚀能力有明显差别。为此，根据苎麻织物的处理目的，我们选择了一株对苎麻纤维有较高分解能力的菌株Ｃ1，通过培养制备，获得了能够有效的改善苎麻织物服用性的纤维素酶ＣＤＦ，为今后工业生产及大规模应用奠定了基础。

2.原理部分

2.1.苎麻织物刺痒感产生的原因

和棉纤维相比、苎麻纤维粗、长，结晶度高、刚度大，成纱抱合力差。这种性质在苎麻织物上表现为粗糙硬挺的手感，表面毛羽多且硬。当织物与皮肤接触时，硬挺的毛羽刺激皮肤，产生刺痒感，严重的为刺痛感。虽然棉织物表面也存在毛羽，但是由于棉纤维的刚度较苎麻纤维低，纤维细而软，不会产生刺痒感。另一方面，亚麻纤维虽然刚度较大，然而亚麻纤维成纤系半脱胶其织物表面毛羽很少，所以也不象苎麻织物那样有严重的刺痒感问题。传统的烧毛工序能使苎麻织物表面毛羽数量减少，长毛羽变成短毛羽，达到布面光洁的目的，但是毛羽越短，纤维抗弯应力越大，刺痒感越严重。因此，改善苎麻织物刺痒感的措施在于软化苎麻纤维，减轻或“钝化”织物表面毛羽的刺激作用［2］。

表1. 几种纤维性质比较［1］

1.2.应用纤维素酶改善苎麻织物刺痒感的原理

表2. 脱胶后苎麻纤维的化学组成［3］

成.分A纤维素A蜡状物A木质素A果胶物质A其它

含量（％）A92A1.0A2.0A2.0A3.0

纤维素酶是一组酶，一同作用使纤维素水解。其水解反应为：内切型（Ｃ6Ｈ10Ｏ5）n(+Ｈ2Ｏ+纤维素酶)→（Ｃ6Ｈ10Ｃ5）ｑ＋（Ｃ6Ｈ10Ｏ5）ｒ（ｎ＝ｑ＋ｒ）

外切型：（Ｃ6Ｈ10Ｏ5）ｎ(+Ｈ2Ｏ+纤维素酶)→（Ｃ6Ｈ10Ｏ5）ｎ－1＋Ｃ6Ｈ12Ｏ6纤维素酶主要包括Ｃ1酶、Ｃｘ酶和纤维二糖酶三种组分。Ｍａｍｄｅｌｓ等的实验表明［4］：Ｃｘ酶仅在纤维的无定形区域作用，膨胀或部分降解纤维素；加入Ｃ1酶，能使纤维的结晶部分破坏，纤维降解。纤维二糖酶将Ｃ1酶、Ｃｘ酶共同作用的水解产物进一步分解为葡萄糖。总的来说，在纤维素酶各个组分的协同作用下，苎麻纤维被剥蚀，纤维结晶度、9聚合度下降，刚度降低、纤维柔软；织物表面毛羽变细变软、开叉倒伏以至脱落，减弱或消除毛羽的刺激作用，从而达到改善苎麻织物手感，消除刺痒感之目的。

1.3.菌种筛选及培养条件的设计

苎麻纤维是一种结晶度很高的韧皮纤维，应选择对苎麻纤维有较强崩溃能力的菌株，保证所产纤维素酶对高结晶的苎麻纤维有较好的剥蚀能力，一株好的菌株还应具备产率高，产酶活性高，稳定性好等特点。本研究选用绿色木酶Ｃ1，其生长速度快，产酶活性高。

纤维素酶生物合成调节模型见图1

图1.纤维素酶生物合成调节模型［5］

纤维素酶是诱导酶，酶的生物合成受基因和底物的双重控制。纤维素对绿色木霉生产纤维素酶有诱导作用，是最好的碳源之一。本研究选用价格低廉，来源量大的苎麻纺织厂的生产下脚麻纤维即麻屑做为碳源，确保纤维素酶的纯度和剥蚀能力。固体培养法具有产量高、省电、污染少、容易控制、后处理简单等优点，此外在固体培养中微生物除了产生纤维素酶系外，还会产生半纤维素酶，木素酶、果胶酶等，实验表明，这种混合型纤维素酶对于含有纤维素、半纤维素、木质素以及果胶物质的苎麻纤维织物作用效果更佳。不同的底物浓度、氮源种类、培养时间、ｐＨ的变化、微量元素，表面活性剂等都是产酶的影响因素。应选择最佳条件，严格控制培养过程。

纤维素酶ＣＤＦ生产工艺流程为：

菌株→制种→产酶培养→萃取→过滤→浓缩(→盐析→烘干→磨粉)→包装

3.材料和方法

3.1.菌株：绿色木霉（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａ　ｖｉｒｉｄｅ）Ｃ1，是突变株，具有较高的产酶能力。

3.2.培养基及药品

3.2.1.三角瓶培养基：麻屑50％、麸皮50％、（ＮＨ4）2ＳＯ4　2％、ＭｎＳＯ4　2％、ＭｇＳＯ4、7Ｈ2Ｏ　0.05％、ＫＨ2ＰＯ4　0.1％、水、300％、ｐＨ自然。

3.2.2.浅层培养基：麻屑60％、麸皮40％，其余同三角瓶培养基，培养过程中加入表面活性剂。

3.2.3.药品：ＮａＳＯ4、ＮａＦ、ＮａＯＨ、ＨＡｃ、ＮａＡｃ、吐温～00、吐温～20、柔软剂ＧＧＭ、二硝基水杨酸等等。

3.3.织物： 21ｓ×21ｓ×52×50 4支苎麻竹节布 Ｒ／Ｃ（55／45）19ｓ×19ｓ×52×52麻棉混纺织物

3.4.仪器：ＷＷＢ－11电热恒温培养箱、ＨＨ·Ｓ电热恒温水浴锅、威格玛滚筒洗衣机、小太阳转笼式烘干机、电光分析天平、25型酸度计、721型分光光度计、ＺＭ216溢流染色机、水星牌ＳＷ－30工业洗衣机、ＨＧＬ－50水星牌烘干机

3.5.测试方法

3.5.1.纤维素酶活力：称取干曲5ｇ，加入100ｍｌ蒸馏水，浸泡4小时过滤，检测滤液酶活。

①.ＣＭＣ酶活［6］：取1.0ｍｌ稀释酶液于50ｍｌ比色管中，加含0.5％ＣＭＣ钠的缓冲液3.0ｍｌ，ｐＨ＝5.2，55℃恒温反应半小时，取出加6.0ｍｌＤＮＳ显色液，煮沸5分钟，冷却，定容至25.00ｍｌ，摇匀，于721型分光度计535ｎｍ波长下比色，再从葡萄糖标准曲线上得出还原糖含量。酶活单位为：毫克葡萄糖／克·半小时。

②.ＦＰ酶活［7］：取1.0ｍｌ稀释酶液于50ｍｌ比色管中，加入ＨＡｃ－ＮａＡｃ缓冲液1.0ｍｌ，ｐＨ＝5.2，放入一条1×6ｃｍ2华特曼滤纸，55℃恒温反应1小时，然后加入ＤＮＳ试剂3.0ｍｌ，煮沸5分钟，冷却，定容至25.00ｍｌ，摇匀，于721型分光光度计535ｎｍ波长测定还原糖含量。酶活单位：毫克葡萄糖／克·小时。

③.比色减量率［8］：取5.0ｍｌ酶于50ｍｌ比色管中，加入ＨＡｃ－ＮａＡｃ缓冲液3.0ｍｌ，ｐＨ＝5.2，加入0.5克纯苎麻纱线，加蒸馏水至25.00ｍｌ，使浴比Ｒ＝50，于55℃恒温反应1小时，加入ＤＮＳ试剂3.0ｍｌ，煮沸5分钟，冷却定容至25.00ｍｌ，摇匀，于721型分光光度计535ｎｍ波长下比色，测还原糖浓度Ｃ糖，比色减量率Ｔ（％）＝Ｒ·Ｃ糖。

3.5.2.织物断裂强力：ＹＧ－026－500断裂强力实验机测定

3.5.3.织物回弹性：ＹＧ541织物弹性仪上测定

3.5.4.织物悬垂系数：ＹＧ011织物悬垂性测定仪测定

3.5.5.显微观察：ＸＳＳ－2型生物显微镜，放大倍数，6.4×4；Ｈｉｔａｃｈｉ　Ｘ?650扫描电镜

3.5.6.手感、刺痒感：主观评价

4.结果与讨论

4.1.影响纤维素酶活力的因素

4.1.1.不同底物浓度对产酶活力的影响

麸皮含有足够的碳源、氮源和无机元素，疏松适度利于通气，是固体培养的主要原料。苎麻纤维(麻屑)的主要成分是纤维素、木质素、果胶等。在菌株生长繁殖及产酶过程中，都需要一定的Ｃ、Ｎ比，过多或过低的Ｃ、Ｎ比都会影响产酶能力，因此，应选择适当的底物浓度。表3说明：当麸皮用量为40％，麻屑用量为60％时，ＣＭＣ及ＦＰ酶活均高，对苎麻纤维的剥蚀能力最强。另外，随麸皮用量增加，菌株生长繁殖快，绿色孢子多，所以，在种子培养时可适当增加麸皮用量。

表3. 不同底物浓度与酶活关系

4.1.2.氮源及其用量对产酶活力的影响

表4. 氮源种类与用量对产酶活力的影响

绿色木霉Ｃ1所产纤维素酶属弱酸性酶，所以本实验选用硫酸铵和氯化铵作氮源。从表4说明，硫酸铵比氯化铵作氮源好，其各项酶活指标均高，2%的用量又优于1%。

4.1.3.培养时间与产酶的关系

绿色木霉Ｃ1在以麻屑为碳源的培养基上生长缓慢，需经约24小时延滞期才开始旺盛生长，培养到5天以后，菌丝浸延自到纤维屑中，绿色孢子激剧增多，对麻纤维的利用也激剧进行，至第7天，达到产酶高峰，此时麻纤维基本上完全崩溃，当培养到第8天时，酶活迅速下降，因此必须严格控制培养时间。

4.1.4.微量元素对产酶的影响

Ｍｎ2＋、Ｃｏ2＋微量元素能提高菌株的产酶的活力，实验中采用不同浓度的微量元素加到培养基中进行对比，结果如表6

表5. 不同培养时间与产酶关系

表6. 微量元素对产酶的影响

4.1.5.表面活性剂对产酶的影响

培养过程中加入少量的表面活性剂，如吐温－00等，能使菌株生长繁殖增快，绿色孢子增多，培养时间缩短，产酶能力提高，实验结果见表7。

表7. 表面活性剂对产酶的影响

4.2.纤维素酶ＣＤＦ对苎麻纤维织物的作用评价

4.2.1.对苎麻纤维的剥蚀作用

从电镜图上看到，纤维素酶ＣＤＦ对苎麻纤维的剥蚀作用是明显的。纤维素酶不仅使苎麻纤维表面发生部分剥蚀，也侵蚀到纤维的胞壁胞腔和微原纤中。麻纤维表面初生胞壁的被剥离，造成微纤分离，纤维变细，刚性降低。纤维中空穴和毛细管的扩大，赋予织物一系列有价值的服用性能，诸如织物触摸起来有一种轻薄感，手感耐久柔软，吸水性、保水性有所增加

［9］。值得注意的是纤维素酶CDF对苎麻纤维的表面剥蚀是连续分布的，并不局限于纤维横节等损伤点，这种作用方式有益于在较小强损下改善织物的服用性能。

纤维素酶CDF对苎麻纤维结晶度、聚合度的作用见表8，可见经酶处理后，纤维结晶度，聚合度均降低。

表8. 酶处理后织物纤维结晶度、聚合度的变化

指标.纤维A结晶度A聚合度

原样A71.91A2210

处理样A66.20A1930

3.2.2.对苎麻织物表面毛羽的作用

在织物酶减量整理过程中，纤维素酶首先接触的是织物纱线表面上的纤维和突出在织物表面上的毛羽，电镜及显微照片显示，经过纤维素酶ＣＤＦ的处理，织物表面毛羽变细、变软、开叉、倒伏、毛羽数量减少，毛羽刺激作用显著降低，达到改善或消除刺痒感的目的。

3.3.3.对苎麻织物的服用性能的影响

表9. 酶减量整理对织物服用性能的影响

注：Ⅰ：酶用量90%，ｐＨ　5.2，温度52℃，浴比1∶15，时间55ｍｉｎ。

Ⅱ：酶用量90%，ｐＨ　5.2，温度52℃，浴比1∶15，时间70ｍｉｎ。

Ⅲ：酶用量120%，ｐＨ　5.2，温度52℃，浴比1∶15，时间90ｍｉｎ。

上述处理工艺均在ＺＭ216溢流染色机中进行。

从表9反映出，应用纤维素酶ＣＤＦ处理苎麻织物，能够明显软化纤维，改善织物刺痒感，提高织物的服用性能。纤维素酶ＣＤＦ虽然对高结晶的苎麻纤维有较强的剥蚀能力，但是其在纤维上的剥蚀软化作用分布均匀，并不局限于纤维的某一点上，而且在酶减量整理工艺中，这种剥蚀作用主要针对的是织物表面纤维和毛羽，因此，能够在达到改善苎麻织物刺痒感

的目的时把织物强力损失控制在允许值内，从而保证织物的可服用性。这一点在苎麻织物酶减量整理中有重要意义，苎麻织物在经酶处理后再上柔软剂，刺痒感基本上完全消除，织物具有柔软丰满、挺括飘逸的独特风格和舒适的服用效果。

5.结论

5.1.实验表明，绿色木霉Ｃ1是一株对苎麻纤维分解能力强的菌株，纤维素酶ＣＤＦ对苎麻纤维有较强的剥蚀作用。

5.2.为了保证纤维素酶的纯度和作用效果，应选择适当的底物和培养条件，固体培养优于其它培养方式。

5.3.纤维素酶ＣＤＦ对苎麻纤维的剥蚀作用强烈而且均匀，能够在强损规定的范围内有效地去除织物表面毛羽，软化织物纤维。

5.4.通过酶减量整理，能够有效消除苎麻织物刺痒感，使织物获得柔软飘逸的风格，提高其服用性能。

5.参考文献

1.华东纺织工学院.纺织品设计教研室.《纺织品服用性能》.1984年8月

2.贺智勇，《酶减量改善苎麻织物的服用性能》印染.1992年6月，Ｐ40～42

3.涪陵苎麻厂检验报告

4.Ｍ.Ｍａｎｄｅｌｓ　ｅｔ　ａｌ：Ｂｉｏｔｅｃｈ　Ｂｉｏｅｎｇ　Ｅｙｍｈ　Ｎｏ.6，21～23　1976

5.［英］.B.阿特金森.F.马维图纳著，《生化工程与生物技术手册》上册 P322，科学出版社

6、7.张发群等，《康氏木霉菌株的鉴定及其培养条件对纤维素酶形成的影响》，中科院成都生物所

8.陈松等，《酶减量率的比色法快速测定》印染.1994年1月Ｐ30～31

9.费云山等，《酶洗中纤维素酶的作用方式与途径的探讨》印染.1994年9月 Ｐ5～9