CN102586212B - 一种棉织物精练复合酶及其制备和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种棉织物精练复合酶及其制备和应用，该棉织物精练复合酶，其组分包括：木聚糖酶、果胶酶、纤维素酶、脂肪酶及蛋白酶；其制备方法，包括：在产酶微生物发酵合成的复合酶粗酶液中加入纤维素或通过含纤维素的层析柱，吸附处理后分离除去纤维素或者收集层析柱流出的组分，即得；其应用包括：将棉织物精练复合酶稀释后，与棉织物混合，在pH 2.0‑10.0、20‑80℃、100‑200rpm条件下水浴振荡反应；反应结束后洗涤、漂白即可。本发明制得的复合酶具有较低的纤维素酶活，较高的木聚糖酶活力和果胶酶，更适合用于棉织物的酶精练以除去棉籽壳等杂质；本发明的方法操作简单，可控性强，对环境友好。

Description

一种棉织物精练复合酶及其制备和应用

技术领域

本发明属于织物精练复合酶及其制备和应用领域，特别涉及一种棉织物精练复合酶及其制备和应用。

背景技术

当前为了应对我国传统工业转型和节能减排的低碳经济要求，纺织工业正在发展棉织物生物酶精练的新型前处理工艺。由于国内棉花品质较低，棉籽壳的去除问题已成为酶精练加工的主要技术难点，严重阻碍了酶精练技术的工业化应用。棉纤维共生物和棉籽壳的化学成分复杂，而酶具有高度底物催化专一性，不同种类的酶只能降解不同的杂质组分。应用酶对棉织物进行精练，单一酶制剂难以完成棉籽壳的降解，难以达到理想的去除率和精练效果，因此需要利用多种酶制剂的协同复合作用促进棉籽壳的降解和去除。目前棉织物酶精练的研究主要集中于采用复合酶来完成。

研究表明纤维素酶、木聚糖酶和果胶酶对棉织物中的棉籽壳有一定的降解作用。通过研究可知棉籽壳由外表皮层、外色素层、无色层、栅栏层和内色素层组成；外表皮层均匀地分布着角质(类脂物)，此外纤维素、半纤维素、木质素(芳环类、多酚类)和果胶也是外表皮层的主要成分；栅栏层主要以果胶、半纤维素和木质素为主；内色素层和外色素层在结构和化学成分上相同，主要以带有酚羟基类化合物的木质素为主。化学组分上主要包含纤维素(约37％)、果胶和木聚糖等半纤维素(约25％)、木质素(约29％)，此外还含有灰分(约3％)、少量蛋白质以及脂类等化学物质。在棉籽壳的三大化学组分中，木聚糖等半纤维素通常与木质素之间存在化学键，构成了木质素——碳水化合物复合体(LCC)，木聚糖酶可以去除棉籽壳中的木聚糖，从而破坏LCC结构，有助于溶出木质素，而少量的纤维素酶也有助于降解棉籽壳中的纤维素，最终起到软化棉籽壳，利于在水洗中去除棉籽壳。

目前的关键问题是，虽然许多学者和机构采用了将单一纯酶复配以提高棉籽壳的降解，譬如将纤维素酶和木聚糖酶复配，或将木聚糖酶与果胶酶复配，但是仍旧达不到理想的棉籽壳去除和精练效果。这是因为棉籽壳是一种含有包括纤维素、半纤维素、木质素、果胶、角质、蛋白质以及灰分等复杂成分的复合物，酶的高度底物催化专一特性使得不同种类的酶只能降解各自不同的杂质组分。即使采用了酶的复配技术，由于不同生物来源的酶的特性不同，催化条件差异很大，不同酶的最适反应pH值和温度以及pH和温度稳定性等都各有不同，不同酶的活力及使用效果与使用的条件都有相当大的关系，这给复配增加了难度。再加上各种酶的配比很难掌握，因此达不到最佳协同处理效果。在同一条件下，发挥复合酶中各种酶的活力，确保在同一条件下复合酶体系中不同的酶能发挥各自的功效，是该工艺的一个技术难点。

自然界中许多微生物自身就能独立完成包括棉籽壳在内的复杂木质纤维素类物质的降解，能同时合成多种木质纤维素降解酶类，由于同样的培养条件和同一菌种发酵所产的酶系最适条件相差不大，这给发挥复合酶高效降解棉籽壳提供了可能。于是我们利用产木质纤维素降解酶类的微生物发酵生产的复合酶粗酶液来降解棉籽壳，取得了一定的进展，但该复合酶中由于纤维素酶活力较高，对棉布造成了一定损伤，强力下降。因此亟需开发一种技术降低复合酶中纤维素酶的活力或比例。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种棉织物精练复合酶及其制备和应用，制得的复合酶更适合用于棉织物的酶精练以除去棉籽壳等杂质，该方法安全环保，操作简单，可控性强，对环境友好，具有良好的应用前景。

本发明的一种棉织物精练复合酶，其组分包括：木聚糖酶、果胶酶、纤维素酶、脂肪酶及蛋白酶；

所述的棉织物精练复合酶制备方法，包括：在产酶微生物发酵合成的复合酶粗酶液中加入纤维素或通过含纤维素的层析柱，吸附处理1-90min后分离除去纤维素或者收集层析柱流出的组分，即得。

所述的产酶微生物为能合成纤维素酶、木聚糖酶等木质纤维素降解酶的微生物，包括木霉属(Trichoderma sp.)、曲霉属(Aspergillus sp.)、青霉属(Penicillium sp.)、镰刀霉(Fusarium sp.)、腐殖菌属(Humicola sp.)、毛壳霉属(Chaetomium sp.)、毛霉菌(Mucor sp.)、脉孢菌属(Neurospora sp.)、平革菌属(Phaenerocheate sp.)、嗜热子囊菌(Thermoascus sp.)等真菌；杆菌属(Bacillus sp.)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、假单胞菌(Pseudomonas sp.)、纤维单胞菌属(Cellulomonas sp.)、噬纤维菌属(Cytophagasp.)、热袍菌(Thermotoga sp.)、Rhodothermus marinus等细菌；链霉菌(Streptomycessp.)、放射毛霉(Actinomucor sp.)等放线菌。

所述的纤维素是微晶纤维素、植物纤维素、微生物纤维素、动物纤维素或羧甲基纤维素。

上述的植物纤维素为纸浆或棉花的纤维素；所述的微生物纤维素为细菌纤维素；所述的动物纤维素为壳聚糖。

本发明的一种棉织物精练复合酶的制备方法，包括：

在产酶微生物发酵合成的复合酶粗酶液中加入纤维素或通过含纤维素的层析柱，吸附处理1-90min后分离除去纤维素或者收集层析柱流出的组分，即得棉织物精练复合酶(低纤维素酶活力的复合酶)。

本发明的一种棉织物精练复合酶的应用，包括：

将上述的棉织物精练复合酶稀释后，以浴比1∶1-1∶30与棉织物混合，在pH 2.0-10.0、20-80℃、100-200rpm条件下水浴振荡反应1-12h；反应结束用后清水洗涤，再用过氧化物漂白即可。

所述的稀释为将棉织物精练复合酶稀释为原体积的1.5-5倍。

本发明中所用的产酶微生物发酵合成的复合酶粗酶液是发酵制备的，或者是从市场上购买的。复合酶粗酶液的制备参考相关文献，譬如：一种苎麻脱胶复合酶的发酵诱导制备方法，发明专利号ZL200710171935.6；可降解棉籽壳的复合酶及其以果胶诱导的制备方法和应用，发明专利公开号CN101979525A，公开日2011年2月23日；一种可降解棉籽壳的复合酶及其以苎麻诱导的制备方法和应用，发明专利公开号CN101974494A，公开日2011年2月16日；可降解棉籽壳的复合酶及其以木聚糖诱导的制备方法和应用，发明专利公开号CN101974492A，公开日2011年2月16日；一种可降解棉籽壳的复合酶及其制备方法和应用，发明专利公开号CN101974493A，公开日2011年2月16日。

本发明利用纤维素酶的底物特异性吸附特性，通过纤维素材料处理粗酶液降低复合酶中纤维素酶比例，以获得适合用于棉精练的低纤维素酶活力的复合酶。该处理技术能确保获得的复合酶在同一催化反应条件下利用各酶的协同复合作用来高效催化降解棉织物上的棉籽壳等杂质。

本发明利用制得的复合酶处理棉织物，比常规的碱处理反应条件温和；对环境友好。本方法可得到较高的酶活、更适合棉籽壳降解的复合酶体系，与复配的市售商品酶相比，该复合酶降解棉籽壳效果显著，而且安全环保，操作简单，可控性强。

有益效果

(1)本发明的方法安全环保，操作简单，可控性强，相比常规的碱处理反应条件温和，对环境友好，具有良好的应用前景；

(2)本发明制得的复合酶具有较低的纤维素酶活力，较高的木聚糖酶活力和果胶酶，酶系组成合理，更适合用于棉织物的酶精练以除去棉籽壳等杂质。

附图说明

图1是实施例1中不同纤维素添加量对复合酶的吸附结果；其中A为微晶纤维素，B为羧甲基纤维素(CMC)；

图2是实施例2中以微晶纤维素吸附时，吸附时间对复合酶的吸附结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

称取一定量的微晶纤维素和羧甲基纤维素(CMC)，按照每个单位纤维素酶活力(U)加入0.01g、0.02g、0.05g、0.1g和0.2g的添加量，倒入里氏木霉等微生物发酵得到的复合酶(ZL200710171935.6或者CN101974493A)中，在室温下搅拌处理30min。在5000g条件下离心或过滤后测定上清液及滤液的纤维素酶活和木聚糖酶活，实验结果见图1。

图1展示了不同类型的纤维素对复合酶吸附情况，从A、B两图中，我们不难发现，在吸附时间为30min的情况下，随着两种纤维素添加量的增加，对两种酶的吸附率也随之增加，微晶纤维素对纤维素酶的最大吸附率为29％左右，对木聚糖酶的吸附率仅为5％。而CMC对两种酶的吸附情况却恰好相反，对木聚糖酶的吸附作用要强于对纤维素酶的吸附。在CMC添加量为0.05g/U，吸附时间为30min，CMC对纤维素酶的最大吸附率仅为14％左右，对木聚糖酶的吸附率则为43％。此外，我们也考察了增加两种纤维素添加量到0.1g/U和0.2g/U，但由于纤维素太多，酶液很少，无法让全部的纤维素参与吸附。然而通过将复合酶加入含这两种纤维素的层析柱中，发现CMC对纤维素酶的吸附要比微晶纤维素效果要好。

实施例2

采用0.05g/U添加量的微晶纤维素处理市售复合酶(宁夏和氏璧生物技术有限公司)，在室温下搅拌处理15-90min。在5000g条件下离心或过滤后测定上清液及滤液的纤维素酶活和木聚糖酶活，实验结果见图2。

结果显示随着吸附时间的增加，微晶纤维素对纤维素酶的吸附并不呈规律性变化，而对木聚糖酶的吸附量一直增加，说明微晶纤维素对纤维素酶结合是变化的，而对木聚糖酶结合得则较牢固。从图中看到，在吸附时间为15min和60min时，微晶纤维素对纤维素酶的吸附量达到最大28％左右，对木聚糖酶的吸附量仅为0.6％。因此延长吸附时间，对于降低纤维素酶在复合酶中的比例并没有太大帮助，反而会让木聚糖酶的含量减少。吸附时间的选择主要取决于吸附达到饱和的最短时间。本实施例确定选择15min作为处理粗酶液的吸附时间。

实施例3

以适当处理后的玉米芯、棉籽壳为诱导物，通过对购买的里氏木霉(Trichodermareesei Rut C30)的深层液体培养，收集发酵四天后的粗酶液。采用0.05g/U添加量的微晶纤维素处理粗酶液，在室温下搅拌处理15min吸附后，测酶液酶活，结果见表1。

表1吸附前后复合酶中活力的变化

实施例4

称取一定量的微晶纤维素和羧甲基纤维素(CMC)，按照每个单位纤维素酶活力(U)加入0.01g、0.02g、0.05g、0.1g和0.2g的添加量，倒入买来的通用复合酶(康地恩生物技术有限公司)中，在室温下搅拌处理30min。在5000g条件下离心或过滤后测定上清液及滤液的纤维素酶活和木聚糖酶活，实验结果与图1类似。

实施例5

称取一定量的微晶纤维素和羧甲基纤维素(CMC)，按照每个单位纤维素酶活力(U)加入0.05g的添加量，倒入买来的复合酶(山东泽生生物科技有限公司)中，在室温下搅拌处理30min。在5000g条件下离心或过滤后测定上清液及滤液的纤维素酶活和木聚糖酶活，实验结果与图1类似。

实施例6

1.曲霉属微生物产酶

(1)以黑曲霉(Aspergillus niger)ATCC 46890或米曲霉(Aspergillus oryzae)ATCC20719为生产菌种，孢子直接接入液体种子培养基(1％葡萄糖，0.1％蛋白胨，0.05％柠檬酸，0.015％Tween 80，2％Vogel’s medium N)，在pH5.0，30℃，200r/min条件下培养36h。

(2)以5v/v％接种量，将种子液接入产酶培养基(0.5％葡萄糖，0.1％蛋白胨，0.05％柠檬酸，0.015％Tween 80，2％Vogel’s medium N，添加2％棉籽壳或玉米芯，pH5.0)，未加棉籽壳或玉米芯的培养为对照，在30℃，160r/min条件下培养8d发酵产酶；过滤或离心收集的发酵液清液就是复合酶的粗酶液。

2.纤维素处理粗酶液

采用0.05g/U添加量的微晶纤维素处理上述获得的复合酶粗酶液，在室温下搅拌处理15-90min。在5000g条件下离心或过滤后测定上清液及滤液的纤维素酶活和木聚糖酶活，实验结果与图2类似。

实施例7

1.镰刀霉微生物产酶

(1)以镰刀菌(Fusarium oxysporum)ATCC 11711为生产菌种，孢子直接接入液体种子培养基(5g·L^-1葡萄糖，1g·L^-1蛋白胨，0.5g·L^-1酵母浸膏，1g·L^-1NaCl，pH自然)，在28℃，120r/min条件下培养24h。

(2)以5-10v/v％接种量，将种子液接入产酶培养基(10g·L^-1葡萄糖，2g·L^-1蛋白胨，1g·L^-1酵母浸膏，2g·L^-1NaCl，20g·L^-1棉籽壳或玉米芯，pH自然)，未加棉籽壳或玉米芯的培养为对照，在28℃，120r/min条件下培养4d发酵产酶；发酵结束后利用过滤或离心(9000-18000r/min)收集的发酵液清液就是复合酶的粗酶液。

2.纤维素处理粗酶液

采用0.02g/U添加量的微晶纤维素处理上述获得的复合酶粗酶液，在室温下搅拌处理15-90min。在5000g条件下离心或过滤后测定上清液及滤液的纤维素酶活和木聚糖酶活，实验结果与图2类似。

实施例8

1.杆菌属微生物产酶

(1)以枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)ATCC 6633为生产菌种，用接种环接入一环菌种至液体种子培养基(葡萄糖5g/L；蛋白胨5g/L；酵母粉1g/L；牛肉膏3g/L；MgSO4·7H2O 0.5g/L；MnSO4·H2O 0.005g/L；pH7.0)，在30-37℃，150r/min条件下培养16-20h。

(2)以3-10v/v％接种量，将种子液接入产酶培养基(10g·L^-1葡萄糖，1g·L^-1蛋白胨，1g·L^-1酵母浸膏，20g·L^-1豆粕，20g·L^-1棉籽壳或玉米芯粉，pH7.0)，未加棉籽壳或玉米芯的培养为对照，在30-37℃，150r/min条件下培养4d发酵产酶；发酵结束后利用过滤或离心(9000-18000r/min)收集的发酵液清液就是复合酶的粗酶液。

2.纤维素处理粗酶液

采用0.01g/U添加量的微晶纤维素处理上述获得的复合酶粗酶液，在室温下搅拌处理15-90min。在5000g条件下离心或过滤后测定上清液及滤液的纤维素酶活和木聚糖酶活，实验结果与图1类似。

实施例9

按照下表给出的退浆、精练及漂白工艺来处理棉织物，实验结果见表2。

(1)酶工艺：退浆-酶精练-漂白

(2)碱工艺：退浆-碱精练-漂白

①退浆：同酶工艺。

②碱精练：处方如下：

③漂白：同酶工艺。

测试方法：

(1)退浆率：采用高氯酸法测定退浆率。退浆后，测得棉布退浆率为93％。

(2)棉籽壳去除率：采用目测法，将棉布裁剪成规格为6×30cm，数正反两面的棉籽壳数目，同一块棉布正反面均数3次以上，求平均值。

(3)白度：将处理前后的棉织物在室温下平衡12h后，叠成四层，在白度仪上测试

(4)织物断裂强力的测定：按国标GB/T3923-1997《纺织品织物拉伸性能第一部分：断裂强力和断裂伸长的测定条样法》测试。

(5)毛细效应的测试：将处理前后的棉织物室温晾干，各取尺寸为25cm×6cm的两根试条，在试样下端用夹子夹住约3g的玻璃棒，用铅笔在玻璃棒上方画一条与经纱垂直的基线，将试样的上端固定，调整布夹夹取织物的量，使基线与标尺读数的零点重合。在水槽中加入0.5％的重铬酸钾的水溶液至水位线，慢慢下降横梁架，使试样基线和标尺零位与水位重合，开始计时，30min后量取每条试样的液体上升高度。若液体上升高度参差不齐，量取最低点并记录，以两条试样的毛细效应的平均值作为试样的毛效值。

表2酶精练与碱精练处理棉布的效果

【注明】方式①：原酶液(稀释2倍)；方式②：吸附后的原酶液(稀释2倍)；方式③：碱精练

结果显示，漂白后，从白度和毛效方面来看，碱精练要好于酶精练；从棉籽壳去除率和断裂强力上来看，酶精练则要优于碱精练。精练后(漂白前)，酶精练在毛效方面、织物的断裂强力、棉籽壳去除率方面均好于碱精练。将玉米芯诱导的发酵酶液稀释两倍后，处理棉布5h，对棉籽壳的去除效果较佳，棉籽壳去除率达31％。当酶液吸附处理后，相同条件下处理棉布，棉籽壳去除率为38％，这主要原因在于通过吸附处理后，在吸附过程中，微晶纤维素带走一部分的水分，使得发酵酶液得到一定程度的浓缩，从木聚糖酶酶活测定来看，原发酵液的木聚糖酶酶活为6.53U/ml，吸附后木聚糖酶酶活达到8.7U/ml。而传统碱精练后棉籽壳去除率为26％。

而通过漂白后，酶精练与碱精练对棉籽壳去除率均明显增加。方式①处理棉布后，棉籽壳去除率为78％，方式②处理棉布后，棉籽壳的去除率为84％，而方式③对棉籽壳的去除率为64％

稀释两倍后的原酶液(方式①)和经过吸附处理的酶液(方式②)在处理棉布后的白度比碱精练(方式③)的要差，即精练后，方式③精练的棉布的白度最大，为65％。但经过漂白后，这三种方式处理棉布后白度的差别则缩小，都在80％左右。

传统碱精练方式和玉米芯诱导的原酶液(稀释2倍)对棉织物的纤维损伤较大，退浆后棉布的断裂强力为322N，以不加酶液作为酶精练的对照，测得棉布的断裂强力为313N，基本上对棉布没有损伤。而通过方式①和方式③处理后，棉布的断裂强力降到195N和187N。通过吸附处理后的酶液来处理棉布，断裂强力则下降较少，为276N。三种方式精练后的棉布经漂白，棉布损伤不大，碱精练的强力损失最大，剩162.2N，吸附处理过的酶用于棉布精练和漂白后的剩余强力在3种精练方式中最高，为255.2N。

从毛效来看，三种方式用于棉布精练后，棉布的毛细效应均有较大的提高。吸附处理后的复合酶精练棉布后，毛效提高最明显，毛效最高为7.4；经过漂白后，毛效则达到9.1，仅比碱精练处理后的毛效(10.2)略低一点。

Claims (4)

1.一种棉织物精练复合酶的制备方法，包括：

产酶微生物发酵合成的复合酶粗酶液通过含纤维素的层析柱，吸附处理30min后收集层析柱流出的组分，即得棉织物精练复合酶；所述的纤维素是羧甲基纤维素。

2.根据权利要求1所述的一种棉织物精练复合酶的制备方法，其特征在于：所述的产酶微生物为木霉属(Trichoderma sp.)、曲霉属(Aspergillus sp.)、青霉属(Penicilliumsp.)、镰刀霉(Fusarium sp.)、腐殖菌属(Humicola sp.)、毛壳霉属(Chaetomium sp.)、毛霉菌(Mucor sp.)、脉孢菌属(Neurospora sp.)、平革菌属(Phaenerocheate sp.)、嗜热子囊菌(Thermoascus sp.)、杆菌属(Bacillus sp.)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、假单胞菌(Pseudomonas sp.)、纤维单胞菌属(Cellulomonas sp.)、噬纤维菌属(Cytophagasp.)、热袍菌(Thermotoga sp.)、海洋红嗜热盐菌(Rhodothermus marinus)、链霉菌(Streptomyces sp.)或放射毛霉(Actinomucor sp.)。

3.根据权利要求1所述的一种棉织物精练复合酶的制备方法，其特征在于：将所得到的棉织物精练复合酶用来处理棉织物，操作方法包括：

将棉织物精练复合酶稀释后，以浴比1:1-1:30与棉织物混合，在pH 2.0-10.0、20-80℃、100-200rpm条件下水浴振荡反应1-12h；反应结束后用清水洗涤，再用过氧化物漂白即可。

4.根据权利要求3所述的一种棉织物精练复合酶的制备方法，其特征在于：所述的稀释为将棉织物精练复合酶稀释为原体积的1.5-5倍。