1.羊毛纖維減少酶處理損傷
羊毛由于結(jié)構(gòu)上的原因，酶處理很難控制在表面。首先毛纖維的結(jié)晶度總體上大大低于棉纖維或滌綸，酶處理時(shí)不僅表層蛋白質(zhì)有水解，而且反應(yīng)也深入其內(nèi)部。對酶而言要分解覆蓋在毛表面最外層含高交鍵度的胱氨酸鱗片層及疏水性外層角質(zhì)細(xì)胞要比分解內(nèi)層及細(xì)胞膜復(fù)合體(CMC)困難得多。因此，通常按酶供應(yīng)商提供的工藝進(jìn)行酶處理，意味著酶對羊毛內(nèi)層分解損傷所引起的副作用已大大超過了酶處理的目標(biāo)值——剝鱗和削棱。那么，怎樣將酶的水解作用最大限度地限制在毛纖表面，是當(dāng)今科研攻關(guān)的首要問題。欲將蛋白酶的水解反應(yīng)限制在表面，最好的方法莫過于將羊毛鱗片封閉起來。問題是封住鱗片不讓其膨脹的傳統(tǒng)方法——飽和電介質(zhì)鹽法，用有酶處理上有許多缺點(diǎn)。首先是使酶定點(diǎn)作用于表面鱗片層，削棱作用并不因此而有明顯增效。酶在這種處理?xiàng)l件下仍然會(huì)顯著地?fù)p傷鱗片下的角質(zhì)細(xì)胞CMC。因此，利用飽和電解質(zhì)鹽類，以期屏蔽纖維上的電荷、抑制鱗片膨化的方法在工業(yè)酶處理中并不實(shí)用。本文采用一種優(yōu)選的聚合物，能較有效地封閉鱗片。
1.1聚合物封閉鱗片的理論和實(shí)踐
經(jīng)研究，本文發(fā)現(xiàn)具有中等聚合度的酰胺，以酰基化來控制對羊毛的親和力和復(fù)蓋性，在生物酶處理羊毛時(shí)用于封閉或部分封閉鱗片，對減少毛纖損傷，提高表面剝鱗、削棱作用是非常有效的。圖1標(biāo)出了酰化肽在毛纖維上復(fù)蓋保護(hù)作用的A、B、C三種形態(tài)。
圖1.中A覆蓋狀態(tài)顯示了對羊毛鱗片有效地封閉作用；B覆蓋狀態(tài)，表明酰化肽僅對鱗片突出部位有輕微覆蓋作用，酶在水解酰化肽后還是可起剝鱗削棱作用的；C覆蓋狀態(tài)是鱗片突緣末被聚合物覆蓋、酶可直接攻擊的部位。多肽的酰化基碳原子適當(dāng)選擇時(shí)，可使C狀態(tài)占的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于B，這樣既可保護(hù)羊毛，又可不影響酶水解鱗片。
另一方面，在酶處理浴中，有酰化肽存在的情況下，兩者處理于一種特殊的關(guān)系，見圖2。酶似鑰匙插入酰化肽鎖中，也可插入羊毛蛋白鎖中。
圖2表示E酶插在酰化肽鎖(D)之中，而酰化肽對羊毛是有相當(dāng)大的親和力，這樣酰化肽在浴中成了酶的“載體”，將酶載到羊毛鱗片表層。由于酶是一種生物催化劑，可一次次將蛋白質(zhì)定位水解，本身并不消耗，這鑰匙開鎖后，可抽出再用。關(guān)鍵在于酶水解效率，即單位時(shí)間內(nèi)一把酶“鑰匙”能開幾把“鎖”的問題。本文發(fā)現(xiàn)，只要在鎳離子等存在下(下節(jié)敘述)，酶能被高效地激活。酶扣除因水解酰化肽而降低的效率之外，酶對鱗片的水解效率可凈增長八倍，即酶的用量只需原來用量的八分之一，剝鱗削棱的效果比原來好得多(水解作用相對集中于表面。)
1.2酰化肽的制備和應(yīng)用
羊毛在物質(zhì)酶處理浴中添加的酰化肽可從蛋白質(zhì)水解后再酰化而制得，如圖3所示。
酰化肽又可寫成如下表達(dá)式(1)：
1.3酰化肽對酶處理的保護(hù)作用
酰化肽對酶處理毛的保護(hù)作用，主要決定于三個(gè)因素：
1.3.1蛋白質(zhì)水解三種工藝對羊毛保護(hù)效果的影響
水解蛋白質(zhì)可用酸、堿及酶三種水解工藝制得
其工藝條件見下表1
上述三種方法中，以酶水解產(chǎn)品的質(zhì)量為最好，成品色澤最淡，呈淡琥珀色；分子量適中且均勻。
1.3.2水解蛋白質(zhì)的分子量對羊毛保護(hù)作用的影響
表達(dá)式(1)中n數(shù)為大約100，即為中等量時(shí)對羊毛保護(hù)作用最為理想。水解蛋白質(zhì)制作時(shí)，酶用量越大，水解時(shí)間越長，則水解產(chǎn)物的平均分子量越低。水解蛋白的分子量太大，則酶催化羊毛鱗片層效率下降太多而不理想，分子量太小，則水解蛋白在毛表面鋪展及復(fù)蓋膜保護(hù)層太薄，對克服毛內(nèi)層傷不理想。
1.3.3肽的酰化基分子量大小對羊毛保護(hù)的影響
酰化劑以Schotten-Baumann合成反應(yīng)進(jìn)行的見表達(dá)式(2)，如下：
上式中R基碳數(shù)多少直接影響酰化肽對羊毛纖維的親和力，式(1)中m一般為6～１６，碳鏈越長疏水性越強(qiáng)，復(fù)蓋性越好，對羊毛保護(hù)作用也越強(qiáng)，但m數(shù)超過16，則羊毛鱗片突緣部分也被復(fù)蓋，對剝鱗、削棱是不利的。如用疏水性強(qiáng)且?guī)Ф喾辑h(huán)的松香酸作酰化劑，且酰化肽不僅疏水性強(qiáng)且會(huì)造成吸附和復(fù)蓋不勻。故一般以椰子油酸為好，尤以油酸為最宜。
1.3.4酰化肽的生態(tài)指標(biāo)
酰化肽在環(huán)保上屬于容易和能快速降解的產(chǎn)品。其生態(tài)指標(biāo)見表2：
上表說明酰化肽屬于生態(tài)環(huán)保產(chǎn)品
1.4羊毛剝鱗程度與酰化肽用量的關(guān)系
羊毛剝鱗程度越大，為防止纖維嚴(yán)重?fù)p傷，酰化肽的用量也應(yīng)加多。這里最主要的是取決于剝鱗控制到什么程度。研究中發(fā)現(xiàn)，在酶剝鱗的過程中，當(dāng)酶處理液控制在pH5.0，于100℃處理1小時(shí)，當(dāng)羊毛減量僅為2%時(shí)，則強(qiáng)力降低已高達(dá)25%，而真正意義上的去除鱗片(非指鱗片層)，則羊毛減量率已接近 15%。由此推理，包括羊毛機(jī)可洗、防起球，甚至全防縮在內(nèi)的酶加工，要把鱗片完全剝光，是不恰當(dāng)?shù)摹＿@從下表3和圖4、圖5列出的羊毛成份分析，便可知曉。
表3美利奴羊毛組成成份的含量關(guān)系。
由表3、圖3和圖4可見，在酶處理過程中即使將(1)+(2)+(3)+(6)+(7)全部分解，其總分解量僅占毛纖維的11.9%，可見還要將第 (5)部分分解近4.1%左右，才能使羊毛達(dá)到15%減量率，由于CMC被大量破壞，纖維皮質(zhì)大原纖之間粘附力大為減弱，這已嚴(yán)重地影響到毛纖維的彈性、可折性、手感等綜合性能，對制作類似羊絨，Alpaca或馬海等高檔毛類呢絨極為不利。按目前的技術(shù)水平，將羊毛損傷與剝鱗程度這兩個(gè)因素結(jié)合考慮，酶處理后羊毛失重應(yīng)控制在2.5%，強(qiáng)力損失應(yīng)控制在10%以內(nèi)，前提是要添加2～５％(owf)酰化肽以有效保護(hù)羊毛。
同樣高度剝鱗對細(xì)支的絨線、針織紗、機(jī)織或針織物也不相宜。隨著纖維變細(xì)、剛性大為減弱、紗和織物顯得沒“骨子”，膨松性隨之成了問題。
剝鱗程度的不足，可用添加超柔樹指，包括高分子線性有機(jī)硅在內(nèi)的聚硅氧烷衍生物及脂肪型柔軟劑等來彌補(bǔ)。總之，把羊毛酶處理簡單地稱作酶減量是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>
2.生物酶的高效激活
目前的工業(yè)蛋白水解酶即使按最佳pH、溫度時(shí)間等，其活性狀態(tài)仍然不夠理想，主要表現(xiàn)在酶用量偏大，毛纖損傷嚴(yán)重、手感不佳等。
本文研究后發(fā)現(xiàn)，無論蛋白酶最佳處理pH為多少、酶處理若以綜合手感、絲光及產(chǎn)生最小的損傷等予以評價(jià)，酶處理最佳pH是在等電點(diǎn)附近至近中性范圍。這樣有效處理就不能依酶本身的最佳活性態(tài)pH為滿足條件，而是首先考慮羊毛處理的最適條件。
另一個(gè)因素是酰化肽，在處理浴pH值于等電點(diǎn)至近中性范圍內(nèi)是顯陰荷性的，在等電點(diǎn)以下是顯陽荷性的，無論其電性如何，對蛋白酶均有一點(diǎn)抑制作用，而陽荷性抑制作用相對要大些。這一效應(yīng)連同前一因素都須以加大酶用量來彌補(bǔ)。能否找到一種使酶高效激活的助劑，以彌補(bǔ)上述之不足呢。本文研究后發(fā)現(xiàn)，毛織物在洗呢后，酶處理之前的縮絨過程中，縮絨劑中添加80g/l的含10%的脂肪酯鈣、鎂鹽的膨化助劑，它不僅能起有效膨化作用，而且其中鈣、鎂離子吸附于纖維表面，能使酶活性中心在酶處理時(shí)被高效激活。
研究又發(fā)現(xiàn)，在隨后的酶處理中，添加進(jìn)2～5ppm的微量鎳離子，就能將酶的活化中心高效地激活，從而快速地使毛纖表面鱗片水解，即使平時(shí)難以水解的含二硫鍵高度交鏈的鱗片角質(zhì)，水解也迅速有效。實(shí)踐證明在大量鈣、鎂和微量鎳離子存在下，酶用量可減少70%，大大降低了酶處理成本，毛纖維損傷的強(qiáng)力損失從35%減到10%。
見圖5酶水解狀態(tài)
3.酶處理的均勻性
羊毛表面的脂、汗、梳理油劑等通過洗呢是可以除去的，但羊毛蛋白上與其共生的類脂，
用洗滌法是除不盡的。有無類脂的各部位在酶處理中作用不同，經(jīng)酶處理就會(huì)造成不均勻。為了使酶對非均勻基質(zhì)有較均勻的處理效果，在蛋白酶配方中增添脂肪酶、果膠酶、脂蛋白酶等以期復(fù)配增效是必要的。對付共生脂質(zhì)的酶，可在蛋白與類脂生成處切斷，以保證蛋白酶處理羊毛的均勻性，這樣每根纖維上細(xì)度離散小、高低不平少、光澤、手感綜合效果好。
4.蛋白酶加工前的預(yù)處理
由于帶高度交鏈的二硫鍵的角蛋白與非角蛋白，兩者對蛋白酶的反應(yīng)性能差異實(shí)在太大，所以想光靠酶進(jìn)行防縮是非常困難的，如果事先用氧化或還原方法促進(jìn)毛纖表面的胱氨酸盡可能多地轉(zhuǎn)化為半胱氨酸是行之有效的方法，見式(3)和式(4)
氧化反應(yīng)：
國外采用的普通方法是先氯化，再酶處理，這種工藝路線仍帶有嚴(yán)重環(huán)保問題。
本文試用1%(owf)巰基乙酸銨30℃處理30分鐘，再行酶處理，效果比用焦亞硫酸鈉、保險(xiǎn)粉等還原預(yù)處理效果好。而過氧化氫預(yù)處理相對難以控制。預(yù)處理輕了，比不預(yù)處理的更易發(fā)生不均勻，處理重了則羊毛損傷顯得很嚴(yán)重。
5.羊毛生物酶加工的生產(chǎn)舉例
毛織物防起球、針織和機(jī)織物機(jī)可洗、絲光、羊毛漂白、羊毛防縮、柔軟等在微量鎳離子存在下，加有酰化肽保護(hù)羊毛，這些酶處理已可投入工業(yè)生產(chǎn)。
5.1羊毛織物防起球整理
(1)先用1%～2%(owf)巰基乙酸銨，30℃×30分鐘預(yù)處理、沖洗
(2)pH 6.5～7.5，于50～60℃，處理30～60分鐘。
0.75～1.5g/l復(fù)合酶
2～5ppm鎳離子
2～5%(owf)酰化肽
(3)2～6%(owf)高度線性有機(jī)硅復(fù)配物(氨值0.2，不含溶劑)35～40℃處理20分鐘，pH近中性。
這樣羊毛衫起球可從原來3級(jí)提高到4.0～4.5級(jí)
5.2毛織物機(jī)可洗、絲光處理
(1)先用1%～2%(owf)巰基乙酸銨，30℃預(yù)處理30分鐘
(2)用膨化劑(含10%鈣、鎂離子)80g/l縮絨。
(3)pH 6.5～7.5，于50～60℃，處理45～60分鐘。
0.05～1.5g/l復(fù)合酶
2～5ppm鎳離子
2～５％(owf)酰化肽
(4)2～6%(owf)高度線性有機(jī)硅高聚復(fù)配物(氨值0.2，不含溶劑)35～40℃處理20分鐘，pH近中性。
毛織物收縮率，經(jīng)緯向各在1%左右
5.3羊毛氧化漂白
pH5.5～6.5，20～４０ml/l過氧化氫(35～45℃，4小時(shí))漂白。
1g/l高效滲透劑
0.05g/l～0.5g/l復(fù)合酶
2～5ppm鎳離子
2～5%(owf)酰化肽
最后換新浴加２～６(owf)高度線性有機(jī)硅高聚復(fù)配物(氨值0.2，不含溶劑)，pH值近中性，35～40℃處理20分鐘。
氧化漂白后白度指數(shù)可提高2～５。
5.4羊毛還原漂白
pH4.5～5.5，3～６%(owf)焦亞硫酸鈉，50～55℃，45～６０分鐘。
1g/l高效滲透劑
0.05g/l～0.5g/l復(fù)合酶
2～５ppm鎳離子
2～5%(owf)酰化肽
2～６%(owf)高度線性有機(jī)硅高聚復(fù)配物(氨值0.2，不含溶劑)。
還原漂白后白度指數(shù)可提高5～10
5.5綿羊絨柔軟、絲光整理
(1)先用1%～２％(owf)巰基乙酸銨，30℃預(yù)處理30分鐘
(2)用含80g/l膨化劑縮絨(10%鈣、鎂離子)，45℃縮
(3)將pH控制在6.5～7.5加0.1g/l～0.3g/l復(fù)合酶，浴中含2～5ppm鎳離子及2～5%(owf)酰化肽于50～60℃處理45～６０分鐘。
(4)2～6%(owf)高度線性有機(jī)硅高聚復(fù)配物(氨值0.2，不含溶劑)35～40℃處理20分鐘。
綿羊絨經(jīng)酶處理后，手感幾近真羊絨，且鏡面效應(yīng)很好。
5.6氧化前處理活化劑的選用
因巰基乙酸銨，國內(nèi)助劑僅有試劑級(jí)，用還原法前處理成本較高。目前較可行的還是過氧化氫法前處理，以下敘述活化劑的選用：
5.6.1離子型表面活性劑活化劑：有陰離子和陽離子型兩類：
(1)陰離子型如十二烷基硫酸鈉，在過氧化氫前處理時(shí)，添加5克/升，活化效果是好的，但一個(gè)嚴(yán)重的缺陷是對毛纖維損傷太大，故不作推薦。
(2)陽離子型如苯環(huán)溴銨，充當(dāng)H２Ｏ２活化劑的濃度是100ppm,效果尚好。
5.6.2四乙酰乙二胺(TAED)是新一代低溫有效的過氧化氫前處理活化劑。
5.6.3壬酰氧化苯磺酸(NOBS)是新一代低溫有效的過氧化氫活化劑。
5.6.4有機(jī)膦酸鹽類作H２Ｏ２活化劑效果也十分良好，但有富營養(yǎng)劑之嫌。
5.6.5有機(jī)酰胺類也有效地可作過氧化氫活化劑。
6.結(jié)論：
6.1酶可被微量鎳高效激活，酶用量降到原來八分之一至十分之一，大大降低酶處理成本，可替代氯化處理，進(jìn)行綠色生產(chǎn)解決環(huán)保問題。
6.2酶可以酰化肽為保護(hù)載體，使羊毛酶處理后的損傷，強(qiáng)力損失下降70%。
6.3在微最鎳離子酰化肽的存在下進(jìn)行酶處理，適用性很廣，適于包括羊毛防縮、機(jī)可洗、防起球、絲光、柔軟、消除刺痛感、氧化和還原漂白等酶工藝均能使用。
