20世纪初,科研工作者已开始对生物酶在纺织工业中的应用进行研究[1]。发展至今,已形成多种成熟的工艺技术,从淀粉酶退浆到各种湿处理工序及后整理等,都可以利用生物酶来实现[2]。目前,国内对生物酶的应用和研究集中在发展新型纤维、纺织品湿加工和纺织污水处理等三个方面[3]。随着研究的不断深入和社会对环境保护的日益重视,生物酶在纺织领域的应用已显示出强大的发展潜力和优势。
从应用范围来看,酶工艺已经渗透到纺织加工的整个流程,但从实际应用的酶制剂品种来看,仍以水解酶为主[4],如淀粉酶、纤维素酶和果胶酶等,它们各自有特定的作用底物范围。氧化还原酶因其能够在氧气存在的条件下(电子受体),催化底物的氧化还原反应而逐渐受到重视。在纺织领域,已经成功地实现葡萄糖氧化酶对棉织物的漂白,以及漆酶对印染废水的脱色等[2]。相对来讲,漆酶具有更为广泛的底物作用范围,对各种酚类、芳胺及其衍生物等都具有催化氧化作用。此外,通过将漆酶与小分子介体物质联用,则可以进一步扩大其作用范围[5]。如利用漆酶/介体体系(LMS),可以实现对多种氧化还原反应的催化。漆酶在纺织加工中的应用亦不断有新的报道,从纤维改性到染色和印花等方面都有研究[6-8]。这些潜在的应用价值表明,利用漆酶实现清洁生产的同时,还将为传统的纺织染整加工带来一些新的理念。为此,本文就国内外漆酶近年来在纺织工业中的应用研究作一扼要综述。
1漆酶简介
漆酶(Laccase,EC 1.10.3.2)因最早为日本学者Yoshida发现于漆树漆液中而得名,是一种含铜的多酚氧化酶,属于蓝色多铜氧化酶家族[9]。按其来源,漆酶主要分为漆树漆酶、真菌漆酶及细菌漆酶[10]。白腐真菌是分泌漆酶的最主要菌种。
1.1漆酶的结构与生物特性
漆酶的分子结构中一般含有四个铜离子,其中Ⅰ型Cu2+(蓝色)和Ⅱ型Cu2+各一个;Ⅲ型Cu24+两个,是偶合的离子对(Cu2+-Cu2+)。这四个铜离子处于漆酶的活性部位,在氧化还原反应中起决定作用[10]。不同来源的漆酶,结构上也不尽相同,因此其生物特性也有差异。表1[11]列出了普通漆酶及白腐菌(Trametes)漆酶的具体特性。
1.2漆酶及LM S体系的催化氧化机理
漆酶是单电子氧化还原酶,它催化不同类型底物氧化反应的机理,主要表现在底物自由基的生成和四个铜离子的协同作用[12]。漆酶催化酚或芳胺类底物氧化时,首先是底物向漆酶转移一个电子,生成自由基中间体;之后是一系列不均衡的非酶反应,如自由基氧化成醌,发生键的断裂和形成。漆酶获得四个电子之后成还原态,在O2存在条件下,还原态漆酶被氧化,O2被还原成水[12,5]。漆酶的氧化还原电势较低,对一些非酚型物质的催化氧化作用并不明显,因此,通常需要加入小分子的介体物质,形成漆酶/介体体系(LMS)。介体在反应中起到传递电子的作用,其在漆酶的氧化作用下失去电子,形成具有强氧化活性的中间体Medox,由于其自身体积小,所以可以扩散到原来不能接触到漆酶的底物,从而将其氧化[11]。漆酶及漆酶/介体体系催化底物的氧化还原循环如图1所示:
目前,天然及合成的介体物质有100多种,其中最常用的介体是2,2-连氮-双(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)(ABTS)和1-羟基苯并三唑(HBT)等,其结构式如下:
各种来源的漆酶都可以快速地将ABTS氧化成ABTS+中间体,进而氧化底物;而HBT则在漆酶的作用下被氧化成具有氧化活性的自由基中间体R—NO·[11,9]。
2漆酶对纺织纤维的改性
常规纤维通常采用物理或化学的改性方法,改善纤维的某些性能(如吸湿性、染色性和阻燃性等),用生物酶法改性纤维则并不多见。近年来,有学者开始利用漆酶的催化氧化特性,对一些天然纤维如羊毛、棉、麻进行改性研究[13-15],获得了良好的效果。
2.1漆酶对天然蛋白质纤维的改性
与采用化学试剂对羊毛纤维进行表面改性相比,采用生物酶处理对环境的影响要小得多。不过,利用蛋白酶改性,容易造成羊毛纤维强力损伤;漆酶则无这方面的缺点,而且其还能改善纤维的抗皱性及染色性能。R.Lantto等[16]研究了羊毛经嗜热毁丝菌的漆酶/介体体系改性后,纤维表面的化学性能。结果表明,漆酶/HBT对胱氨酸、酪氨酸及羊毛均有氧化作用,但是这种作用对羊毛纤维表面的化学组成及碱溶性均影响不大。
M.Montazer等[13]利用漆酶制剂(Denilite II S)对羊毛纤维改性的最新成果表明,改性后的羊毛纤维表面变得较为光滑(如图2所示),且润湿时间大大缩短,染色色深比未处理时有所增加。
此外,Hossain等[6]还利用漆酶将不溶于水的酚型物质没食子酸十二酯接枝到羊毛织物表面,从而实现了采用一步法赋予羊毛织物抗氧化、抗菌等多种功能。
2.2漆酶对天然纤维素纤维的改性
众所周知,木质素是植物细胞壁的主要组分之一,起支撑作用。根据麻纤维种类的不同,木质素含量也有所不同,约为1%~12%;从结构上来看,其属于芳香类化合物,分子中含有酚羟基[17]。木质素的含量对纤维的品质及染色性能都有很大影响。一般通过氯化或氧化作用将木质素去除,但这样会产生大量污染,对环境不利。因此,采用更为环保的漆酶催化处理木质素受到关注。在造纸工业中,漆酶/介体体系已经广泛用于纸浆中木质素的脱除[18]。Ren等[15]研究了漆酶处理后亚麻纤维中木质素含量的变化,并深入研究了改性后纤维表面性能的变化。结果表明,经漆酶处理后,木质素的含量显著降低,由原来的7.8%下降到2.3%;而纤维表面由于酚羟基被漆酶催化氧化成含有羰基的化合物,呈现出较高的供电子性能。棉织物可用聚合物涂层方式进行表面改性。Kim等[14]曾研究利用漆酶催化聚合物的生产。其通过对大量酚类物质的催化试验之后,选择邻苯二酚为改性剂,在漆酶的催化作用下,形成一种高聚物,然后使其与氨基化的棉织物发生键合。改性之后,棉织物的表面染色色深增加,并对纤维素水解酶表现出高抗性。
3漆酶在染整加工中的应用
3.1漆酶在前处理加工中的应用
3.1.1麻煮练
麻纱煮练通常采用化学方法。为了探究生物酶对粗纱的煮练效果,M.Ossola等[19]采用包括漆酶在内的几种生物酶对亚麻粗纱进行处理,初步认为漆酶/介体体系对麻纤维有一定的煮练效果。
Sharma等[20]的研究结果则表明,利用漆酶处理麻纱后,纱线的条干均匀度显著提高。Liu等[21]采用果胶酶与漆酶的脱胶工艺,使黄麻纤维中杂质的去除更为容易。首先,将原麻纤维用混合酶液处理,配方为酶用量1%~2%(owf)(果胶酶∶漆酶为3∶1),浴比1∶15,在酸性(pH值5.0~5.5)和碱性(pH值7.5~8.0)条件下处理后取出,室温下预处理10~14 h,然后用85~95℃热水淋洗;之后再以还原性漂白剂处理,即得到洁白的黄麻纤维。
3.1.2漂白
Hedin和Ardon等人[22-23]通过研究发现,黄酮类物质是导致织物泛黄的主要组分。这些化合物以类黄酮为骨架,含有多个酚羟基,对漆酶的氧化作用抵抗力较差。T.Tzanov等人[24]最先进行了将漆酶用于棉织物漂白的尝试。研究结果表明,单独利用漆酶处理会使织物的黄度进一步增加,而结合双氧水处理则会使白度大幅提高,如图3所示。
C.Basto等[25]采用超声波辅助漆酶/双氧水进行棉织物的漂白试验表明,在超声波作用下,漆酶更容易与底物接触,作用更彻底,可进一步提高白度;而且低强度的超声波(7W)并不会影响漆酶的活性。这种预漂增白效果的机理目前还不完全清楚,可能是由于这些黄酮类物质在漆酶的催化作用下被氧化成另外一些物质,它们相互之间或与其它的酚类物质结合,转变成了一些易溶或易受双氧水影响的黄色物质[26]。
3.2漆酶/介体体系在染色中的应用
漆酶/介体体系因能够催化无色的小分子酚类物质如苯酚等的原位聚合,而用于有色高聚物的合成。近些年来,已有一些专利报道了利用漆酶的这种作用进行织物染色[27-30]。通过在聚合液中加入合适的改性剂,还可以扩大染料的颜色范围。
3.2.1蛋白质类纤维织物
蛋白质类纤维如头发、羊毛等在漆酶的作用下,可采用一些芳香类物质如对苯二胺、邻氨基酚等进行染色。Aaslyng等[28]试验发现,利用漆酶作氧化剂可以缩短蛋白质纤维的染色时间,降低染料预聚体的用量;相同条件下,真菌漆酶比漆树漆酶的作用效果更明显,色泽更深,因此还可以减少真菌漆酶的用量。由于漆酶催化预聚体形成高聚物,使其体积增大,因此将其固定在纤维内部,可提高染色牢度。
Zille等[11]以2,5-二氨基苯磺酸为预聚体,邻苯二酚和间苯二酚为改性剂,在无助剂的条件下利用长绒毛栓菌的漆酶对羊毛织物进行染色。结果表明,在温和条件(pH值5.0,温度50℃)下,染色织物的K/S值可达到23.91,对纤维不会造成损伤。织物的色深与织物、漆酶、染料预聚体及改性剂四者的接触时间有较大的关系,随着时间的延长,颜色逐渐加深。与传统染色方法相比,利用漆酶染色节能降耗,减少污染,有效地降低了生产成本。
3.2.2纤维素纤维织物
(1)对还原、硫化染料隐色体的氧化
在纤维素纤维染色过程中,涉及氧化还原反应的染料有还原染料和硫化染料[31]。由于氧化阶段的双氧水对织物有损伤,因此人们试图采用作用条件更为温和的氧化还原酶来进行氧化。Xu等[32]利用多种氧化还原酶(包括漆酶)对还原染料及硫化染料的隐色体进行氧化还原试验。以还原蓝43为例,还原之前,其最大吸收波长λmax在626 nm,经连二亚硫酸钠还原以后,颜色变浅,最大吸收波长也发生变化,而在626 nm处的吸光度为还原之前的40%;用嗜热毁丝菌漆酶对隐色体氧化之后,染料的颜色又恢复到最初的色泽,且在最大吸收波长处的吸光度达到还原之前的80%以上。此外,加入介体可极大程度地提高氧化速率。
(2)对小分子物质的催化聚合
将漆酶/介体体系催化聚合的有色物质用于纤维素织物的染色虽不多见,但已经有人进行了尝试。根据报道,可将漆酶/介体体系所催化的底物小分子分为两类:芳香族化合物和黄酮类物质。H.Hadzhiyska等[33]以2,5-二氨基苯磺酸(2,5-DAB-SA)为染料预聚体,以邻苯二酚为改性剂在漆酶作用下对纯棉针织物进行染色试验。结果表明,在漆酶的参与下,芳香环以C—C和—N C等方式共价键合,形成深棕色物质。在40℃和pH值5.0的条件下,保持2,5-DABSA/邻苯二酚摩尔分数比为1∶10,漆酶质量浓度0.1 g/L,染色3 h,可使其固着率达到70%以上。
由于漆酶/介体体系能够催化纤维素中的天然色素黄酮类物质聚合形成有色物质[26],因此,S.Kim等尝试对棉、麻织物进行漆酶催化聚合染色。试验表明,催化槲皮素氧化聚合而得的棕色物质,其在织物上的K/S值比芸香甘和桑色素要高;而且未漂白织物的得色率要高于漂白织物。分析认为,这是由于未漂白织物中的黄酮类物质可以作为聚合物染料的反应接点,从而增加上染量。由于在聚合和染色一步法工艺中,漆酶的最适温度为50℃,所以采用两步法(90℃染色1 h)可以在提高温度的情况下进一步提升织物的表观色深。加入电解质NaCl对染料有促染作用,可使织物K/S值进一步提高。但是,通过FT-IR分析,发现染料与纤维间并未发生共价键合,故耐洗牢度并不好。
3.3漆酶/介体体系在拔染印花中的应用
拔染印花一般是在已染色纺织品上,使地色染料局部破坏、消色而获得花纹的印花工艺。通常使用还原型拔染剂,如雕白粉。就纤维素织物而言,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(乙烯砜型为主),以及还原染料如靛蓝。El-Thalouth等[38]以漆酶为拔染剂,对三种乙烯砜型活性染料进行拔白试验,其优化的拔染工艺条件为:漆酶用量180~220 g/kg,温度60℃,作用时间1 h,色浆pH值4.5。采用此工艺,可以使脱色率达到96%以上。此外,Hall等[8]利用漆酶/介体体系成功地对靛蓝染色的牛仔服装进行了拔染印花。该法不仅可用于纤维素类织物如棉、粘胶的拔染印花,还可以用于羊毛、蚕丝织物。
3.4漆酶/介体体系在后整理中的应用
3.4.1牛仔服装的水洗
漆酶/介体体系能够对靛蓝染料降解,因此,不仅可用于拔染印花,还可用于牛仔服装的水洗。1996年,丹麦诺和诺德公司(现诺维信公司)首先推出水洗用漆酶制剂DeniLiteTM。Cam-pos等报道了利用从白腐真菌中提纯而得的漆酶结合介体对靛蓝染料进行降解,同时还可以产生漂白效果。与常规的纤维素酶水洗相比,利用漆酶水洗可以减少脱落靛蓝对织物的“返染”程度,且不会对织物强力造成影响[34]。
3.4.2抗菌整理
漆酶/介体体系的抗菌机理在于LMS对必需蛋白质及巯基的氧化。首先,漆酶催化介体氧化,失去电子的介体进而与细菌、真菌及病毒中的蛋白组分发生亲电反应,从而导致细胞中的必需氨基酸及功能性基团发生化学改性。Johansen等将漆酶和介体配成液体制剂,根据一般消毒要求,其适宜用量及使用条件为:漆酶0.1~5 mg/L,介体0.001~0.050 mmol/L,pH值6.5~8.5,温度30~50℃,时间5~20 min。其中,加入两种或多种介体,相互之间可以起到协同作用,从而有利于进一步提高抗菌效果。
4展望
漆酶发现至今已有100多年,经过众多科技工作者的不懈努力,漆酶在纺织中的应用研究取得很大进展。在代替传统工艺方面,漆酶显示出了较强的优势,如利用漆酶对纤维改性,可以减少对其强力等性能的损伤;利用天然纤维素中的色素物质为接点进行染色,还可以省去漂白工序等。目前研究表明,漆酶的来源及所用介体的种类对作用效果有较大的影响,因此要进一步实现漆酶在工业中的应用,还需对漆酶来源进行筛选,并结合介体进行作用效果测试,以便得到更佳的优化组合和工艺条件;同时,开发出适应染整加工需要的酶制剂也是促进其应用的必要环节。
