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迄今為止,酶制劑已被廣泛地應(yīng)用于制革、毛皮、食品、發(fā)酵和紡織等行業(yè)。酶在制革、毛皮工業(yè)中的應(yīng)用最早僅限于酶脫毛和酶軟化。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步,酶制劑在制革行業(yè)中的應(yīng)用范圍也不斷拓展擴大,逐漸應(yīng)用于制革準(zhǔn)備工段乃至整個制革過程。種種跡象表明,基于酶制劑的制革、毛皮工藝方法的研究與開發(fā),必將催生具有生態(tài)概念的制革、毛皮新技術(shù)———生物技術(shù)制革。
本文回顧和總結(jié)了酶制劑在制革、毛皮行業(yè)應(yīng)用的歷程與現(xiàn)狀,對若干問題進行了探討。在此基礎(chǔ)上,展望了今后酶制劑在制革、毛皮工業(yè)中的應(yīng)用前景。
1酶浸水
浸水是制革準(zhǔn)備工段的第一步操作,其根本目的是使生皮恢復(fù)到鮮皮狀態(tài)。浸水一般在轉(zhuǎn)鼓或劃槽中進行,其過程可分為預(yù)浸水和主浸水2個階段。傳統(tǒng)的浸水工藝一般依賴于浸水助劑,其中主要是使用表面活性劑來加速浸水。但生產(chǎn)實踐證明,單獨靠表面活性劑來進行生皮的回濕是困難的,尤其是對生皮較干的部位如臀背部、邊緣部位。特別是鹽干皮和甜干皮,單用表面活性劑長時間浸水處理,往往會造成大量的皮質(zhì)損失。
采用酶浸水,不僅可以克服傳統(tǒng)浸水工藝的上述缺點,而且還有一個突出的優(yōu)點,即,酶浸水所使用的酶蛋白,能打斷生皮在干燥過程中形成的交聯(lián)鍵,溶解和除去纖維間質(zhì),從而促進生皮的回濕,使之迅速恢復(fù)到鮮皮狀態(tài)。在酶浸水中所使用的酶主要有細菌和/或霉菌蛋白酶、胰酶和糖酶,也有配合使用或者單獨使用的脂肪酶。浸水酶制劑國內(nèi)尚無商品面市,據(jù)悉已有單位正在研制之中。國外有丹麥諾維信公司生產(chǎn)的NovocorS、德瑞(TFL)公司生產(chǎn)的ErhazymC、印度UNIPELL公司生產(chǎn)的UNIPELLM4酶浸水劑、希倫賽勒赫公司的AglntanPR以及湯普勒公司的TrupozymMS等。這些浸水酶的主要成分都是堿性蛋白酶,對非膠原蛋白有很好的去除效果,最佳作用pH值一般在8～10。為了降低成本,也可選用糖酶和水解類蛋白酶,用于浸水。在實際生產(chǎn)中,浸水酶的使用往往是與脫脂并行的。浸水酶的介入,可以破壞原來包裹脂肪細胞的蛋白膜,從而,使得大量的游離脂肪分子被脫脂劑乳化而除去。應(yīng)當(dāng)注意的是,在這種情況下,應(yīng)盡量避免使用對浸水酶具有抑制作用的脫脂劑。關(guān)于浸水酶在毛皮制造中的應(yīng)用,所見報道不多。對淡干綿羊皮的浸水,可以采取多次浸水的工藝方案,在浸水中,一般是通過加入加酶洗粉以加速浸水過程。
2酶脫脂
酶脫脂是利用脂肪酶對油脂分子的水解作用,達到除去生皮內(nèi)油脂的目的。
脂肪酶應(yīng)當(dāng)滿足以下要求:①脂肪酶在pH值8～10的范圍內(nèi)有較高的活性和穩(wěn)定性;②具有較高的耐熱性;③能與表面活性劑相容;④能與其它蛋白酶相容。脂肪酶主要來源于動物、霉菌和某些植物。國內(nèi)的脂肪酶產(chǎn)品僅有無錫酶制劑廠生產(chǎn)的2 1203脂肪酶,它是由假絲酵母2 1203菌株制得的,在制革工業(yè)中有過應(yīng)用的報道。國外有丹麥諾維信公司生產(chǎn)的Greasex脂肪酶、酸性脂肪酶NovocorAD、德瑞(TFL)公司生產(chǎn)的堿性脂肪酶ErhazymLF和德國Carpetex公司生產(chǎn)的堿性脂肪酶UberolVPP4581等。上述酶制劑可廣泛應(yīng)用于浸水、浸灰及軟化等工序。同傳統(tǒng)的脫脂方法諸如皂化法、乳化法和溶劑法等相比,酶脫脂的主要優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾方面:①脫脂均勻,脫脂廢液中的油脂更易分離回收;②在浸水、浸灰等工序中使用脂肪酶,裸皮表面更潔凈、平整;③可減少表面活性劑的用量,甚至不使用表面活性劑;④能提高成革質(zhì)量,尤其是可以改善絨面革的質(zhì)量,有利于制造防水革的低霧化值的汽車座墊革;⑤對于多脂皮的脫脂,可以避免使用溶劑脫脂,從而降低生產(chǎn)成本。脂肪酶脫脂,目前在制革、毛皮工業(yè)尚未普遍采用,究其原因,主要是成本較高、難于控制。當(dāng)然,也不排除觀念上的原因。已有的應(yīng)用實例是將脂肪酶用于豬皮酶脫毛之前的脫脂工序,也可以用于豬皮鉻革軟化工藝中結(jié)合解脂假絲酵母脂肪酶處理,可以除去膠原纖維間的脂肪。需要指出的是,脂肪酶本身尚需進一步的優(yōu)化,應(yīng)該設(shè)法篩選合適的菌種,并運用基因工程對其進行改造,以獲得較為理想的脂肪酶菌種。3酶脫毛早在1910年,ORohm就成功地進行了第一個酶脫毛試驗,OGrimm也曾研究過許多種酶脫毛法。
印度人于1953年利用植物蛋白“馬塔爾”乳液(取自一種巨大的牛角瓜)及淀粉酶“拉特然”乳液(取自一種蟋蟀草屬植物),進行生皮脫毛并獲得專利。1955年比利時人用既能分解酪蛋白和角蛋白,又能具有脫毛能力的鏈菌酶(屬于放線菌)的酶制劑,進行脫毛試驗獲得專利。1958年,我國開始酶脫毛的研究,1968年上海率先試驗成功豬鞋面革酶法脫毛新工藝并迅速在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用[5]。我國是世界上應(yīng)用酶脫毛工藝最廣泛的國家。酶脫毛的優(yōu)點是基本上消除硫化物的污染,回收高質(zhì)量的毛。但是酶脫毛存在著成本高、難控制以及成革質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點,致使酶脫毛工藝未能在制革工業(yè)中一直持久應(yīng)用。近年來,由于國家環(huán)保政策的嚴(yán)格和國民環(huán)保意識的增強,酶脫毛的研究又再度成為研究的熱點。針對過去酶法脫毛存在的易松面、帶小毛以及操作過程難以控制、生產(chǎn)成本高等問題,研究者們根據(jù)不同的原料皮及成革的性能要求,優(yōu)化設(shè)計了適當(dāng)?shù)拿阜撁に?。但衛(wèi)華[6]在以往研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合臀部涂酶技術(shù),運用層次分析法、正交試驗法等科學(xué)方法,對酶脫毛工藝板塊進行了較為系統(tǒng)的研究,研究表明:預(yù)處理、臀部涂酶及工藝方法等,對酶法脫毛的綜合效果有較大影響。在實施酶脫毛前進行預(yù)處理有利于酶脫毛;臀部涂酶有助于酶脫毛。就酶脫毛的工藝方法而言,滾酶堆置酶脫毛優(yōu)于有液酶脫毛;滾酶堆置酶脫毛與變型少浴灰堿脫毛法[7]結(jié)合,可得到最佳的脫毛綜合效果。國內(nèi)酶脫毛所使用的酶制劑主要有:AS1398中性蛋白酶,上海新型發(fā)酵廠、江蘇無錫酶制劑廠生產(chǎn);166中性蛋白酶,上海酒精廠、無錫酶制劑廠生產(chǎn);3942中性蛋白酶,上海酒精廠生產(chǎn);2709堿性蛋白酶,天津利華食品廠生產(chǎn)等。AS1398、166和3942的3種中性蛋白酶中,166中性蛋白酶的脫毛能力最強。為取得良好的脫毛綜合效果,找出了上述3種中性蛋白酶與胰酶的合理配伍。
運用層次分析法、正交試驗法等科學(xué)方法,找到了獲得滿意的臀部涂酶綜合效果的最佳方案、臀部涂酶最佳工藝和臀部涂酶-滾酶堆置酶脫毛最佳工藝。在上述研究的基礎(chǔ)上,提出了酶堿結(jié)合脫毛法,其工藝流程是:……→堿膨脹→脫堿→拔毛→預(yù)熱→滾酶→臀部涂酶→理毛→水洗→浸灰膨脹(采用變型少浴灰堿脫毛法-浸灰廢液循環(huán)利用技術(shù)聯(lián)用工藝)→……。汪建根等人[8]采用少量硫化物對秦川黃牛皮進行預(yù)處理,在適當(dāng)助劑的作用下,以1398中性蛋白酶進行脫毛,結(jié)果表明:脫毛干凈,粒面清晰,無明顯損傷,革身豐滿、柔軟、彈性較好。李志強[9]研究開發(fā)了以鉻交聯(lián)膠原為活性載體的親和層析技術(shù),并利用該項技術(shù)首次實現(xiàn)了2種制革酶制劑(166中性蛋白酶和AS1398中性蛋白酶)分離純化和組分確定,進一步研究開發(fā)出了無膠原酶的脫毛酶———安全脫毛酶。國外有人進行過豬皮酶脫毛的研究,并進行過大生產(chǎn)應(yīng)用。波蘭WJONCZYK等人建立了酶脫毛過程的數(shù)學(xué)模型,通過數(shù)學(xué)模型找出了高活力的胰蛋白酶的最佳工藝條件。這種高活力的胰酶可以在制革廠用特殊的方法制得。工業(yè)應(yīng)用證明,采用這種酶法脫毛工藝所得成革的質(zhì)量優(yōu)良,且適合服裝革、鞋面革、手套納巴革及絨面革的生產(chǎn),符合波蘭有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。關(guān)于酶脫毛的機理,過去已有許多研究。組織學(xué)研究表明,毛根鞘與毛袋之間、毛球與毛乳頭之間的聯(lián)系受到破壞,毛才能被脫掉。首先,酶必須進入皮內(nèi)。關(guān)于酶進入皮內(nèi)的途徑,多數(shù)人認(rèn)為,由于表皮的角質(zhì)層對酶有較強的抵抗力,故在酶脫毛過程中,酶基本上是從肉面進入皮中而完成其脫毛作用的。研究表明:表皮的存在的確影響酶從粒面進入真皮,對166、2709、AS1398和3942脫毛蛋白酶而言,脫毛開始前,由于經(jīng)過脫脂、拔毛、堿處理等操作后,表皮基本脫落。因而,酶既能從肉面也能從粒面進入皮中,而且從2個面進入皮內(nèi)的酶所起到的作用基本相近。顯然,酶脫毛過程中表皮的存在與否,會直接影響到酶對真皮上層的作用程度。
其次,通過酶的作用,破壞毛與皮的聯(lián)系。巴巴金娜認(rèn)為,毛與皮的聯(lián)系被破壞是由于生皮的粘蛋白被酶催化水解的結(jié)果。國內(nèi)有研究也支持了這一觀點,通過對堆置酶脫毛的研究后發(fā)現(xiàn),表皮的脫落最初發(fā)生在生發(fā)層與真皮層粒面的交界處。毛從毛囊中脫落,也是發(fā)生在毛鞘與毛袋的交界處和毛球與毛乳頭的聯(lián)接處。從組織化學(xué)染色看出:此處類粘蛋白、粘蛋白在酶脫毛過程中逐漸減少,這說明酶脫毛是類粘蛋白、粘蛋白被破壞的結(jié)果。有人則認(rèn)為,能脫毛的酶對類粘蛋白有作用,但并不能證明破壞類粘蛋白是完成酶脫毛的唯一機理。有的研究則認(rèn)為,類粘蛋白的消解有助于酶的滲透而利于脫毛,但與酶脫毛并無直接關(guān)系。酶處理浴液的溫度高低與類粘蛋白的消解程度有直接關(guān)系。消解鹽溶性球蛋白有利于酶的滲透,因而可加速酶脫毛的進程。在脫毛之前,完整的表皮可對酶作用膠原纖維細致而虛弱的粒面淺層起保護作用。李志強對酶脫毛機理進行了系統(tǒng)的研究,認(rèn)為,酶脫毛時,非膠原水解酶起主導(dǎo)作用,其脫毛能力取決于水解專一性的廣泛程度?；ぜ捌渲車M織的蛋白提取物,被廣泛水解且其水解與脫毛有關(guān)。膠原蛋白水解酶不是酶脫毛之必需的酶組分,但可以加速脫毛過程,并對酶脫毛過程中,膠原組織的隱性破壞及由此導(dǎo)致的皮革質(zhì)量問題負主要責(zé)任。這一理論回答了脫毛起決定性作用的酶制劑的種類問題,也找到了酶法脫毛曾經(jīng)普遍存在的諸如成革松面、強度差、毛孔擴大等質(zhì)量問題的根源所在[10]。
4酶法局部處理
在制革生產(chǎn)中,往往因為生皮本身的部位差而造成成革手感及質(zhì)量的不均一性,這常使制革工程技術(shù)人員頭痛不已。在所有生皮中,部位差問題最為突出的是豬皮。豬皮的部位差主要從2個方面表現(xiàn)出來。一是豬皮厚度隨部位不同而有很大差異,如四川內(nèi)江豬皮,其最厚處與最薄處的厚度之比為4 71∶1;山東淄博地區(qū)豬皮的厚度之比為5 5∶1。二是豬皮膠原纖維的編織,隨部位的不同而有較大差異。豬皮部位差的存在,是制約高檔豬革生產(chǎn)的重要因素。此外,還應(yīng)注意到豬皮真皮層的同一部位的不同層次上,膠原纖維的結(jié)構(gòu)及其編織上的差異。就其同一部位的真皮而言,真皮層上部膠原纖維束較為細小,排列松散且紊亂,越接近表面越突出。國內(nèi)外制革科技工作者在豬皮臀部處理方面做了很多工作,概括地說,一般常采用以下一些方法:(1)物理方法。剖臀部,包括原皮剖臀部、灰(堿)皮剖臀部;削臀部(一般是先用大機器削勻后,再用小削勻機削臀部);臀部作軟(如臀部鏟軟、飛軟等)。(2)化學(xué)方法。臀部包酶、臀部包灰堿、臀部噴(涂)油、填充。實踐證明,在所有的局部處理方法中,豬皮臀部涂酶是最佳選擇。國家發(fā)明專利《豬皮臀部強制處理方法》已在國內(nèi)多家制革廠應(yīng)用,收到良好效果。豬皮臀部涂酶所用的酶制劑是AS1398中性蛋白酶和工業(yè)胰酶,輔之以適當(dāng)?shù)闹鷦┖吞砑觿?。?yīng)用丹麥諾維信公司的Pyrase100L和PTN3 0S,則效果更佳,此方案更適合用于豬絨面革產(chǎn)品。山羊板皮和黃牛皮的部位差,主要表現(xiàn)在頸部和腹肷部的厚度差異,軟硬差異,為減小或消除這種部位差,也常常采取頸部涂酶進行局部處理的方法。頸部涂酶一般是在浸灰后進行,所使用的酶制劑是堿性蛋白酶。
5酶在浸灰、復(fù)灰中的應(yīng)用
酶制劑在浸灰、復(fù)灰中的應(yīng)用,是作為一種助劑存在的。我們知道,制革中浸灰、復(fù)灰的主要作用是分離和松散膠原纖維。研究表明,生皮中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0 65%～1 17%的硫酸皮膚素,從糖醛酸端接到蛋白肽鏈的絲氨酸殘基上,構(gòu)成共價結(jié)合的硫酸皮膚素蛋白多糖,其分子質(zhì)量為3×105,有規(guī)律地線性排列在膠原表面形成緊密的網(wǎng),與膠原牢固結(jié)合,表現(xiàn)出極強的黏性。浸灰、復(fù)灰過程中,皮膠原纖維的松散程度與硫酸皮膚素的除去程度密切相關(guān)。在浸灰過程中加入耐堿的蛋白酶,硫酸皮膚素的除去速度和除去率都明顯增加,成革的柔軟度、強度亦有明顯增加。國內(nèi)產(chǎn)品有EA加酶浸灰助劑(四川大學(xué)研制),在堿性條件(pH值10～12)下穩(wěn)定,它對浸灰脫毛過程具有加速性,可提高浸灰的均勻性,最大限度地縮小部位差,明顯提高成革得革率。丹麥諾維信公司NUE0 6MPX浸灰酶產(chǎn)品在pH值8～12范圍內(nèi),具有較高的活力,而在硫化鈉/石灰液中4h內(nèi)具有較高的穩(wěn)定性,因而適合在浸灰過程中使用。酶在浸灰、復(fù)灰中應(yīng)用的優(yōu)點是顯而易見的:①可促進皮膠原纖維的分離和松散;②能消除皺紋,清潔粒面;③可減少硫化鈉的用量,減輕污染;④改善成革的柔軟度、強度,制作絨面革時,有利于起絨;⑤可明顯提高得革率。
6酶軟化
現(xiàn)代制革上講的酶軟化已與傳統(tǒng)酶軟化迥然不同。
第一,從工藝設(shè)置上講,傳統(tǒng)的酶軟化是在脫灰之后設(shè)置的專門工序(或稱之為常規(guī)酶軟化),而現(xiàn)代酶軟化則不盡然,它可能是一個階段。現(xiàn)代酶軟化可以分為3個階段,即脫灰后酶軟化、浸酸中的酶軟化以及藍坯革復(fù)鞣前的酶軟化。
第二,從工藝條件上講,傳統(tǒng)的酶軟化需要在較高的溫度(36～38℃)下作用,而現(xiàn)代酶軟化要求在較大用量、較低溫度、較長時間的條件下進行作用。第三,從軟化效果上來看,傳統(tǒng)酶軟化的可控性差,質(zhì)量不穩(wěn)定;而現(xiàn)代酶軟化的可控性好,可作用于皮的內(nèi)層,且內(nèi)外軟化均勻,從而顯著地提高成革質(zhì)量。
(1)脫灰后的酶軟化通過脫灰后的酶軟化,可以進一步除去膠原纖維間質(zhì)和分散纖維。軟化不足,成革板硬、粒面不清晰;而軟化過度,則成革柔軟,但易產(chǎn)生松面、延伸性大以及粒面強度差等質(zhì)量問題。適當(dāng)?shù)拿杠浕瘜τ谔岣叱筛锏母杏^性能至關(guān)重要。可用于脫灰后的酶軟化(常規(guī)酶軟化)的酶制劑,國內(nèi)產(chǎn)品主要有:工業(yè)胰酶、AS1398中性蛋白酶、EB-1低溫軟化酶(四川大學(xué)研制)。國外產(chǎn)品主要有:德瑞公司生產(chǎn)的OroponOO(活力1000LVU)和OroponOR(活力700LVU);諾維信公司生產(chǎn)的NowolaseNS(活力700-850LVU)和NowolaseNG(活力1000～1200LVU)。
(2)浸酸中的酶軟化關(guān)于在浸酸浴中對裸皮進行酶軟化的問題,國內(nèi)外都有過很多的研究[11-12]。早在20世紀(jì)60年代初期,Grimm就指出了蛋白酶在弱酸性范圍內(nèi)軟化裸皮的可能性。Pfleiderer對在酸性范圍軟化裸皮進行過描述,印度中央皮革研究所也對酸性和堿性蛋白酶軟化生產(chǎn)打光小山羊革進行了研究。蔣千里等人篩選出了小分子質(zhì)量的微生物酸性蛋白酶,用其與3350酸性蛋白酶對酸裸皮進行軟化對比,結(jié)果表明:前者的滲透性更好,軟化作用也更為均勻、深透。大量研究表明:酸性條件軟化裸皮,其作用緩和、均勻,可以獲得與單獨使用中性蛋白酶基本相近的軟化效果?？捎糜诮嶂械拿杠浕拿钢苿?國內(nèi)產(chǎn)品主要有:537酸性蛋白酶,無錫酶制劑廠生產(chǎn);3350酸性蛋白酶,上海酒精廠、無錫酶制劑廠生產(chǎn)。國外產(chǎn)品主要有:德國羅姆公司的DroponDVP、丹麥諾維信公司的NowolaseABG等。
(3)藍濕坯革的酶軟化
國外對于藍濕坯革酶軟化的研究起始比較早,20世紀(jì)60年代末Pfleiderer就對藍濕坯革的酶軟化進行了研究,相繼國內(nèi)外對藍濕革酶軟化的研究還有很多。國內(nèi)魏世林等用國產(chǎn)537酸性蛋白酶,對藍濕革進行了軟化研究。單志華等人也先后對藍濕革的酶軟化進行了研究。筆者[5]在研究開發(fā)豬絨面服裝革時,曾使用一種酸性蛋白酶,對削勻后的藍坯革進行過酶軟化,然后,再進行鉻復(fù)鞣,后續(xù)工序按常規(guī)進行,如此,獲得了質(zhì)量上乘的豬絨面服裝革。余鳳湄[13]以自行研制的一種復(fù)合酶為軟化劑,對其應(yīng)用條件進行了研究,確立了最適宜的工藝條件,并與常用的制革蛋白酶比較,從多方面考察了該復(fù)合酶的軟化效果。結(jié)果表明:幾種酶制劑進行軟化,復(fù)合酶的軟化效果最好,其余依次為537酸性蛋白酶、胰酶、AS1938中性蛋白酶以及166酶。
7基于酶制劑的制革前處理
在已有研究的基礎(chǔ)上,運用技術(shù)集成的原理與方法,實現(xiàn)基于酶制劑的制革前處理,對于改變制革行業(yè)的落后面貌有著重要意義。但衛(wèi)華等人[14-15]采用制革工藝板塊模式,將豬皮前處理劃分為酶脫脂工藝板塊、酶-堿結(jié)合脫毛工藝板塊以及酶軟化等3個工藝板塊,并對其逐一進行研究優(yōu)化,最后將已優(yōu)化的工藝板塊組裝、運行,構(gòu)建出基于酶制劑的豬皮前處理的定型工藝。經(jīng)大生產(chǎn)驗證結(jié)果表明:成革手感好,質(zhì)量、得革率也得到大幅度提高。制革綜合廢水中的有害物質(zhì)的量大大降低,減輕了豬皮制革的污染。
8結(jié)束語
如上所述,酶制劑在制革過程中的各個階段的應(yīng)用研究,已經(jīng)取得了很多進展。但是,目前高效專用酶制劑的研制方面還呈現(xiàn)明顯不足,給實現(xiàn)基于酶制劑的生物技術(shù)制革帶來很大的阻力。筆者認(rèn)為,今后應(yīng)當(dāng)加強酶在原料皮的貯存、制革固體廢棄物的綜合利用,以及制革廢水治理等方面的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究以及技術(shù)開發(fā)?？梢韵嘈?以制革清潔生產(chǎn)為基本訴求,以現(xiàn)代生物技術(shù)為強力支撐的基于酶制劑的生物技術(shù)制革,將會成為今后制革工業(yè)發(fā)展的必然趨勢,而酶制劑在其中的重要作用將不可低估。
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