酶的热稳定性及棉织物高温酶处理工艺的研究

摘要

棉织物的前处理和后整理直接决定了棉纺织品的服用性能。为了顺应绿色生产的要求，对环境友好的酶处理工艺已成为纺织工业清洁生产技术未来发展的重要方向之一。然而，纺织领域竞争激烈且成本意识强，昂贵的酶制剂价格以及低下的企业生产效率直接制约着酶在纺织领域中的应用推广。
　　绝大部分酶来源于中常温微生物，它们热稳定性低，高温易失活。若能提升酶的热稳定性、提高酶处理温度并加快酶催化反应速率，那么就能在一定程度上提高企业生产效率;还能拓宽酶的使用温度范围，有利于酶分子的应用推广。若能提升酶的催化活性，那么就能用更少量的酶来完成对织物的处理，而酶制剂价格高，这对节约工业生产成本具有重大意义。此外，果胶酶种类繁多，不同果胶酶对棉织物的精练处理效果各异，且用于测定果胶酶活力的果胶底物没有统一的标准，且大多是水果果胶和聚半乳糖醛酸。聚半乳糖醛酸价格昂贵，这不利于其广泛使用。而大部分水果果胶具有高酯化度，若以此为底物来测定果胶酶活力，将不能准确反应出大部分果胶酶的酶活力。若能寻找到一种来源广泛、提取收集成本低廉且能较准确反应出果胶酶对棉上果胶水解行为的果胶物质具有重要的实用价值。
　　鉴此，本论文探索了提高酶热稳定性及催化活性的方法，并将中温酶应用于纺织加工的高温处理中;此外，还分析对比了几种果胶的结构特征，寻找到了一种来源广泛、提取收集成本低廉且能较准确地反应出果胶酶对棉上果胶水解行为的果胶物质。具体研究内容如下。
　　由于一些小分子物质和大分子物质都能够提升酶分子的热稳定性。其热稳定原因为:在酶液中加入的这些物质，直接与酶分子的氨基酸残基结合或是优先与水结合（不直接与酶分子结构相互作用），使水分子从酶蛋白质分子的溶剂化层排除出来，导致酶的溶剂化层半径减小，使得酶分子的表观体积减小，可移动性降低，酶分子结构更加紧凑，构象更稳定从而抵御外界热环境的影响。因此，本论文首先探讨了纤维素酶A、B的热失活情况，并研究了多元醇（甘油、海藻糖、乙二醇及聚乙二醇400）、胺类添加剂（正丙胺、正丁胺及乙二胺）、组氨酸及乙酸铵对纤维素酶热稳定性和热失活热力学参数的影响。研究结果表明，纤维素酶A、B的热失活行为均符合一级失活动力学模型，当热处理温度达到70℃后，纤维素酶A、B失活严重，多元醇的加入只能有限地改善其热稳定性，而正丙胺、正丁胺、乙二胺及乙酸铵对纤维素酶A、B具有极好的热稳定作用，且乙二胺还能提升纤维素酶的初始酶活。
　　由于乙二胺不仅对纤维素酶具有良好的热稳定性，且还能提升纤维素酶的初始酶活，因此，本论文还研究了纤维素酶A、B在棉织物生物预处理中的应用，并探讨了乙二胺对棉织物生物预处理的影响。研究结果表明，在50℃酶处理条件下，适当浓度乙二胺的加入能在一定程度上加强纤维素酶对棉织物的预处理效果，且要获得相近的棉织物预处理效果，适当浓度乙二胺的加入能减少纤维素酶A、B的酶用量;适当浓度乙二胺的加入，还能提高纤维素酶A的酶处理温度，扩宽纤维素酶A的温度使用范围;且将纤维素酶A对棉织物的预处理温度升至65℃后，乙二胺的加入能够在一定程度上缩短纤维素酶A的处理时间。然而，在此温度下，用纤维素酶B对棉织物进行预处理时，乙二胺对棉织物预处理影响很弱。
　　在热处理过程中，酶分子构象会发生变化，酶分子的活性中心会被破坏，且酶分子的构象是构成酶分子活性中心的基础。然而，目前还没有文献报道指出酶分子在热处理过程中的构象变化与酶催化活性损失间的关系。因此，本论文进一步研究了多元醇对脂肪酶热稳定性的影响及脂肪酶在热处理条件下的构象变化程度与脂肪酶催化活性损失比例间的关系。荧光光谱测试和近紫外光谱测试都能反应出脂肪酶的热失活构象变化，且脂肪酶分子的近紫外光谱图的变化能较准确地反应出脂肪酶分子的构象变化程度，脂肪酶分子的构象变化程度与脂肪酶分子的催化活性损失关系密切。此外，D-山梨醇和D-果糖的添加能在一定程度上改善脂肪酶于75℃下对棉织物的精练效果，而蔗糖和麦芽糖的添加对棉织物的精练效果影响甚微。
　　由于浸轧法退浆工艺中的α-淀粉酶处于织物上，处于不同条件下的α-淀粉酶具体不同的热稳定性。因此本论文还研究了溶液中以及棉织物上的中温α-淀粉酶的热稳定性及浸渍法退浆工艺和浸轧法退浆工艺对棉织物退浆效果的影响，得出了浸轧退浆工艺是一种有效的、能将中温α-淀粉酶应用高温退浆处理的退浆工艺;此外，还得出了处于棉织物上的α-淀粉酶的热稳定性远远优于溶液中α-淀粉酶的热稳定性，且水溶性壳聚糖的加入能进一步改善处于棉织物上的α-淀粉酶的热稳定性。采用浸轧法退浆工艺对棉织物进行退浆处理时，水溶性壳聚糖的加入能在一定程度上节约α-淀粉酶的用量;耗用等量的α-淀粉酶，在高温下对棉织物进行酶退浆处理所需的时间远远低于在中温下对棉织物进行酶退浆处理所需的时间。
　　此外，果胶酶种类繁多，不同果胶酶对棉织物的精练处理效果各异，且用于测定果胶酶活力的果胶底物没有统一的标准。若能寻找到一种来源广泛、提取收集成本低廉且能较准确反应出果胶酶对棉上果胶水解行为的果胶物质具有重要的实用价值。因此，本论文最后分析对比了苹果果胶、苎麻果胶以及脱蜡棉织物中的果胶的结构特性，并以这三种果胶为底物来测定不同果胶酶的酶活力。研究结果表明，苎麻果胶分子与脱蜡棉织物上的果胶分子具有相近的结构特征，且这二者与苹果果胶分子的结构相差很大。取含相同酶活力（以苎麻果胶为底物测定的酶活力）的不同果胶酶对退浆棉织物进行酶精练处理，得到了最适合退浆棉织物的精练果胶酶制剂。此外，还对果胶酶精练处理工艺及温度进行了研究，得出结论:浸轧精练处理工艺能提升果胶酶的精练处理温度，且棉织物酶精练所需的酶处理时间随着酶处理温度的升高而缩短。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 引言

1．2 酶的概述

1．2．1 酶的发展

1．2．2 α-淀粉酶的性质及作用机理

1．2．3 纤维素酶的性质及作用

1．2．4 果胶酶的性质及作用机理

1．2．5 脂肪酶的性质及作用机理

1．3 棉织物的酶处理研究现状

1．3．1 α淀粉酶在棉织物退浆中的应用

1．3．2 果胶酶和脂肪酶在棉织物精练中的应用

1．3．3 纤维素酶在棉织物预处理中的应用

1．4 酶的热稳定性研究

1．4．1 研究酶热稳定性的必要性

1．4．2 酶分子结构对酶热稳定性的影响

1．4．3 酶的热失活机理

1．4．4 酶的热失活动力学与热力学

1．4．5 酶的构象变化

1．4．6 提升酶热稳定性的途径

1．5 常用酶的热稳定剂

1．5．1 配体

1．5．2 金属离子

1．5．3 多元醇

1．5．4 PEG和合成高分子

1．5．5 其他类型热稳定剂

1．6 本论文的研究意义及研究内容

1．6．1 本论文的研究目的和内容

1．6．2 本论文的研究意义

参考文献

第二章 纤维素酶热稳定性的研究

2．1 引言

2．2 实验材料及仪器

2．3 实验方法

2．3．1 纤维素酶酶活力的测定

2．3．2 纤维素酶热稳定性的测定

2．3．3 热稳定剂对纤维素酶热稳定性的影响

2．3．4 纤维素酶热失活过程中活化参数的确定

2．4 结果与讨论

2．4．1 葡萄糖标准曲线

2．4．2 纤维素酶A热失活动力学的研究

2．4．3 添加剂对纤维素酶A热稳定性的影响

2．4．4 添加剂对纤维素酶A储藏稳定性的影响

2．4．5 纤维素酶A热失活过程中失活参数的确定

2．4．6 纤维素酶B热失活动力学的研究

2．4．7 添加剂对纤维素酶B热稳定性的影响

2．5 本章小结

参考文献

第三章 纤维素酶在棉织物生物预处理中的应用

3．1 引言

3．2 实验材料及仪器

3．3 实验方法

3．3．1 纤维素酶活力的测定

3．3．2 胺类物质的浓度对纤维素酶活力的影响

3．3．3 乙二胺和酶处理温度对纤维素酶活力的影响

3．3．4 棉织物的生物预处理

3．3．5 棉织物重量损失的测定

3．3．6 棉织物断裂强力的确定

3．3．7 棉织物表面形态的测定

3．4 结果与讨论

3．4．1 胺类物质的浓度对纤维素酶催化活性的影响

3．4．2 乙二胺在不同温度下对纤维素酶催化活性的影响

3．4．3 50℃下乙二胺的浓度对棉织物生物预处理效果的影响

3．4．4 50℃下纤维素酶剂量对棉织物生物预处理效果的影响

3．4．5 65℃下乙二胺和酶处理时间对棉织物生物预处理效果的影响

3．4．6 生物预处理对棉织物表面形态的影响

3．5 本章小结

参考文献

第四章 脂肪酶热稳定性的研究及其在棉织物酶处理中的应用

4．1 引言

4．2 实验材料及仪器

4．3 实验方法

4．3．1 脂肪酶的纯化

4．3．2 脂肪酶活力的测定

4．3．3 脂肪酶热稳定性的测定

4．3．4 脂肪酶分子的近紫外光谱测试和荧光光谱测试

4．3．5 棉织物的酶处理

4．3．6 棉织物毛细效应和重量损失的测定

4．4 结果与讨论

4．4．1 脂肪酶的热稳定性研究

4．4．2 脂肪酶分子在热处理下的构象变化

4．4．3 脂肪酶分子的构象翻转比与其催化活性间的关系

4．4．4 实验预测与实验验证

4．4．5 D-山梨醇对脂肪酶热失活过程及热失活热力学参数的影响

4．4．6 脂肪酶在棉织物精练中的应用

4．5 本章小结

参考文献

第五章 中温α-淀粉酶在高温退浆工艺中的应用

5．1 引言

5．2 实验材料及仪器

5．3 实验方法

5．3．1 水溶性壳聚糖的制备

5．3．2 酶热稳定性测试用棉织物的准备

5．3．3 α-淀粉酶活力的测定

5．3．4 α-淀粉酶热稳定性的研究

5．3．5 棉织物退浆率的测定

5．3．6 棉织物的退浆工艺

5．4 结果与讨论

5．4．1 不同环境对α-淀粉酶热稳定性的影响

5．4．2 酶处理时间对棉织物退浆效果的影响

5．4．3 α-淀粉酶用量对棉织物退浆效果的影响

5．4．4 处理温度对棉织物退浆效果的影响

5．4．5 醋酸钙对棉织物退浆效果的影响

5．4．6 水溶性壳聚糖对棉织物退浆效果的影响

5．5 本章小结

参考文献

第六章 纺织专用果胶酶活测定底物及酶精练工艺的研究

6．1 引言

6．2 实验材料及仪器

6．3 实验方法

6．3．1 棉织物的退浆

6．3．2 退浆棉织物的脱蜡

6．3．3 果胶的提取及精制

6．3．4 果胶的红外光谱测试

6．3．5 果胶分子中半乳糖醛酸含量及甲酯化度的测定

6．3．6 果胶酶酶活力的测定

6．3．7 不同果胶酶对退浆棉织物的精练处理

6．3．8 果胶酶B对退浆棉织物的酶精练处理工艺

6．3．9 棉织物毛细效应的测定

6．3．10 棉织物上果胶含量的测定

6．4 结果与讨论

6．4．1 不同来源的果胶主要组分

6．4．2 以不同果胶为底物的果胶酶酶活力的测定

6．4．3 果胶酶对退浆棉织物的精练

6，4．4 果胶酶高温精练处理工艺的研究

6．4．5 果胶酶用量对棉织物果胶去除率的影响

6．4．6 茶皂素对果胶酶精练效果的影响

6．4．7 果胶酶精练处理温度对酶处理时间的影响

6．5 本章小结

参考文献

第七章 结论

攻读博士学位期间发表的学术论文目录

致谢