酸性蛋白酶作用于皮革染色过程的动力学研究

第16期酸性蛋白酶作用于皮革染色过程的动力学研究Swarna V K,Rajangam V,Gladstone C J等著孙国龙编译摘要：本论文报道用酸性蛋白酶对皮革染色进行预处理的染色动力学研究。

将酸性蛋白酶应用于皮革染色可提高染料的吸收率并且促进染料在皮革内部的扩散。

酶量为1%在50℃下作用60min，可使染料的吸收率达到98%同时提高吸收速率。

在最佳工艺条件下反应后测得CI酸性黑194染料最终吸收率（C∞）达到98.5%，修饰等温线上K和r2为0.1033和0.0631。

CI酸性黑194是2∶1型金属络合染料，比CI 酸性黑210具有更高的吸收率。

由阿伦尼乌斯方程计算酶促进染色过程中活化能减少了50%，染料的吸收率被证实确有提高。

用修正过的Cegarra-Puente方程所确定的酶促反应动力学具有更高的吸收常数和更快的吸收速率。

经酶预处理染色后的皮革与对照组相比，具有更加优良的色泽效果。

本研究证实了酶在环境友好型皮革染色工艺中起着至关重要的作用。

关键词：染色；酶；动力学；吸收速率常数；表观活化能１前言诸如纺织、造纸、纸浆、皮革、塑料这些行业，全球每年的染料总消耗量已经超过１万吨。

估计大约１０％未被利用的染料随废液排出而造成浪费。

因此，产生的废液具有较高的生物需氧量、化学需氧量、颜色和固体悬浮物。

目前由于对众多合成染料的生物处理不足，使得处理过的废水依然保留残余颜色，导致公众对此的批评不断。

此外，有色的染料废水对于水生生物来说是有毒的，它通过降低光合作用和初级产物的产生扰乱生态平衡从而影响水生生物的共生。

染料的组成复杂，其重金属离子很可能诱发慢性毒性，特别是诱发突变和致癌作用。

非均质的原料皮革很难进行染色，对原料皮进行统一的铬鞣以及鞣后处理并且选择恰当的染料都有助于染料的吸收，改善皮革的染色效果。

现已证明，不同的染料具有不同的吸收速率，而且还有可能导致成革色泽不一致等问题。

由于不同皮革对不同染料的吸附亲和力的差异以及染料自身的变化导致皮革染色工艺的效果不同。

染料的染色行为主要取决于染料及被染色皮革的电荷性质。

人们开始研究利用各种交联作用包括亲核基团、酶的使用、天然色料、超声波和和单宁酸来改善染料的吸收。

尽管如此，现已报道的有几种方法可提高皮革染料的吸收和脱色，但是关于皮革处理中酶促染色动力学的研究尚未见报道。

本论文就是选择合适的酶对其在皮革染色过程中的动力学进行研究。

目前酶主要用于皮革的浸水、脱毛、脱脂等水场处理。

关于染料动力学的研究已有人进行综述。

Ｃｅｇａｒｒａ和Ｐｕｅｎｔｅ等已找到在染色过程中任意时刻底物对于染料的吸收速率相关方程，这个模型将与染料浓度达到平衡相关的时间的比值与平衡状态下的活化能、染料的吸收速率以及作用时间关联起来。

Ｋｏｎｇｌｉａｎｇ等使用分散染料染色聚酯纤维，将Ｃｅｇａｒｒａ－Ｐｕｅｎｔｅ模型与其他诸如Ｈｉｌｌ、Ｖｉｃｋｅｒｓｔａｆｆ、Ｓｈｅｌｔｏｎ和Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ提出的模型进行了比较，发现Ｈｉｌｌ模型是最接近实际规律的，其次是Ｃｅｇａｒｒａ–Ｐｕｅｎｔｅ模型。

关于ＣＩ酸性黑１９４在纺织品的间歇、连续和半连续染色过程中的染料吸收速率的数学模型也有报道。

本实验中，在四种不同的酶浓度下研究皮革的染色动力学。

不同经验公式（Ｐａｒａｂｏｌｉｃ，Ｃｅｇａｒｒａ－Ｐｕｅｎｔｅ和被修正的童成豹：皮革及其皮革制品中五氯苯酚的检测标准·检测35卷第16期2013年8月西部皮革WESTLEATHERVol.35No.16Aug.2013西部皮革第35卷Ｃｅｇａｒｒａ－Ｐｕｅｎｔｅ模型）拟合的动力学也有研究，现已获得染色过程吸收速率常数。

测得不同温度下的等温线，以确定不同温度下的表观活化能和吸收速率常数。

这些等温线是在有酶作用和无酶作用于皮革时，于某一浓度下最有效的动力学值得到的。

为得到更多颜色均匀一致的皮革，我们对酶处理和无酶处理染色效果上的色差、颜色坚牢度、颜色饱和度、染色均匀性、明暗度作了比较和分析。

２实验2.1实验试剂ＣＩ酸性黑２１０，ＣＩ酸性黑１９４（阿图尔印度有限公司）；鞣后处理化学品（Ｍ／ｓ的巴斯夫印度公司）；工业级酸性蛋白酶（德州生物科技有限公司，金奈，印度）。

2.2实验材料研究所用的铬鞣革是质量范围和等级都相似的标准铬鞣革。

在鞣后处理过程中使用酸性蛋白酶研究其处理效果，鞣后湿整理包括染色、复鞣和加脂过程。

2.3酶染色工艺酶处理于一个不锈钢染色鼓中进行，条件是ｐＨ４．５、温度５０℃、酶质量分数分别为０．２５％，０．５０％，０．７５％和１％（基于削匀铬鞣革的质量），液比是１００。

为了研究表观活化能，在酶质量分数为１％时，染色分别在３０℃，４０℃，５０℃和６０℃温度下进行。

酶处理后排出废液，染料加入到转鼓中，注入水使液比达到１００，处理６０ｍｉｎ。

然后按照生产服装革的标准工艺进一步复鞣、加脂。

所有的实验组和对照组的浴液都用来分析染料的吸收率。

这些皮革清洗、静置、悬挂晾干并在室温下存放后，进行颜色测量。

2.4对照组染色过程对照组实验采用无酶处理。

染色过程在３０℃，４０℃，５０℃和６０℃下进行，以此研究表观活化能，绘制等温线。

染色过程会用到染料固定剂（一种化学助剂，使得染料更好的得到吸收），用量为铬鞣革的１％。

所有的实验组和对照组的浴液都用来分析关于染料的吸收率。

试验皮革清洗、静置、悬挂晾干并在室温下存放后，进行颜色测量。

2.5处理浴液中染料吸收分析收集废染液，适当稀释后用紫外－可见分光光度计（日立，日本）在染料的λｍａｘ处测量吸光度值。

染料吸收率（％）＝［（Ｃｇ－Ｃｔ）／Ｃｇ］×１００其中，Ｃｇ为所使用的染料质量浓度，Ｃｔ为染色后浴液中染料质量浓度。

2.6色差的测定采用ＭｉｌｔｏｎＲｏｙＣｏｌｏｒｍａｔｅＨＤＳ颜色测定仪测量用固色剂固定后的对照组与酶预处理后染色的皮革的反射率。

用（Ｌ，ａ，ｂ，ｈ和Ｃ）记录颜色测量结果，通过以下公式计算总色差（ΔＥ）和色调差（ΔＨ）：ΔＥ＝Δ１／２Ｌ２＋Δａ２＋Δｂ２ΔＨ＝Δ１／２Ｅ２－ΔＬ２－ΔＣ２ΔＥ：总色差；ΔＬ：明亮差异；Δａ和Δｂ是指ａ、ｂ值的变化，ａ代表红、绿轴，ｂ代表黄、蓝轴；ΔＨ：色调差；ΔＣ：色度差。

例如ΔＬ＜０表示变暗，ΔＬ＞０表示变亮；Δａ＜０表示变绿，Δａ＞０表示变红；Δｂ＜０表示变蓝，Δｂ＞０表示变黄；ΔＣ＜０表示光亮，饱和度高，ΔＣ＞０表示光泽低，饱和度低。

2.7抛物线方程理论上，此方程只适用于染色从开始到染色一半的实验过程，不过当染料吸收水平非常高的情况下即使超过染色过程的一半，依然可以使用。

Ｃｔ＝Ｋｔ姨（１）其中，Ｃｔ：在任意时间染料的质量浓度；Ｋ：吸收速率常数；ｔ：染色时间。

2.8Cegarra-Puente方程此方程适用于浓度恒定不变的浴槽染色。

Ｃｔ＝ｌｎ［１－（Ｃｔ２／Ｃ∞２）］＝－Ｋｔ（２）其中，Ｃｔ：任意时间皮革染色质量浓度；Ｃ∞：平衡态下皮革的染料质量浓度；Ｋ：吸收速率常数；ｔ：染色时间。

2.9修正后的Cegarra-Puente方程方程（２）就是在浓度恒定的浴槽中反应推断而来，通过适当的修正它也适用于浓度变化的染色过程。

其中，“ａ”是基于吸收的修正系数，修正后的方程为：ｌｎ［－ｌｎ（１－Ｃｔ２／Ｃ∞２）］＝ａｌｎｔ＋ａｌｎＫ（３）2.10阿伦尼乌斯公式译文第16期表观活化能可用如（４）中的阿伦尼乌斯公式计算得出，Ｋ是在温度为Ｔ时的吸收速率常数，Ｅ是表观活化能，Ａ是频率因子；Ｒ是摩尔气体常数（Ｒ＝１．９８５８ｃａｌ／ｍｏｌＫ），Ｔ是绝对温度（Ｋ）Ｋ＝Ａ＊ｅｘｐ（－Ｅａ／Ｒ＊Ｔ）（４）2.11测定耐光坚牢度从规定取样位置切下的皮革样品（ＩＵＰ４０６，２００２）经回湿后测定耐光坚牢度。

样品和优级羊毛在相同的氙弧灯下光照２０ｈ。

黑色面板温度一直维持４０℃的温度和４５％的相对湿度。

2.12视觉色彩评估通过对皮革样品颜色的均匀度、阴影的明暗度、色泽深度以及色泽偏移对两组样品进行视觉色彩评估。

三位经验丰富的制革工人按照上述功能属性把皮分为１￣１０个等级，１是最差，１０是最好。

计算平均等级进行比较。

３结果和讨论在本实验中，用酸性酶来提高皮革染色过程中的染色强度并研究了酶预处理的染色动力学。

该方法基于这样的概念：酶作为生物催化剂，松散皮革纤维网络，一方面促进染料扩散到皮革基质中，另一方面增加可与染料结合的活性官能团，以此来提高皮革纤维对染料的吸收。

为了评价酶预处理皮革后的染色效果，测定了与５０℃时的等温染色工艺相关的吸收动力学。

染料的吸收速率常数由三个经验动力学实验值拟合得出（Ｐａｒａｂｏｌｉｃ方程，Ｃｅｇａｒｒａ－Ｐｕｅｎｔｅ方程和修正后的Ｃｅｇａｒｒａ－Ｐｕｅｎｔｅ方程）。

表观活化能由Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ方程计算。

3.1吸收动力学实验所用酸性蛋白酶的最佳ｐＨ值为４．５，所以染色过程在ｐＨ４．５条件下进行。

在不同酶浓度、对照组、固定剂处理组研究染料吸收动力学，染料ＣＩ酸性黑１９４和ＣＩ酸性黑２１０的实验数据分别如图１与图２所示。

可以看出，在两个染色实验中酶预处理都产生了更快的吸收速率。

最初的染料吸收速度明显增快，６０ｍｉｎ后达到平衡。

这种第一阶段染料吸收加快的情况与使用染色固定剂染色工艺过程十分相似。

但是，ＣＩ酸性黑１９４比ＣＩ酸性黑２１０的吸收率高，在酶作用３０ｍｉｎ时有５．７％的差距。

用图2C I酸性黑210在p H4.5，50℃条件下，对照组、染料固定剂和酶预处理皮革的染料吸收动力学图1C I酸性黑194在p H4.5，50℃条件下，对照组、染料固定剂和酶预处理皮革的染料吸收动力学时间／ｍｉｎ时间／ｍｉｎ染料吸收率／％染料吸收率／％对照组固定剂处理组０．５％酶处理１％酶处理１．２５％酶处理对照组固定剂处理组０．５％酶处理１％酶处理１．２５％酶处理孙国龙编译：酸性蛋白酶作用于皮革染色过程的动力学研究译文西部皮革第35卷０．５％的酶处理与固定剂作用于染色过程表现出相似的染色动力学。

酶浓度越高，相对应的染色速率就越高。

所有经酶预处理皮革的染色都比对照组和固定剂处理的快。

3.2吸收速率常数ＣＩ酸性黑２１０经不同动力学方程拟合后得到的不同吸收速率常数（Ｋ）以及实验的相关系数“ｒ”列于表１，这些值能很好地拟合，直到染料的最终吸收率达９８．５％为止。

ＣＩ酸性黑１９４的染色结果如表２，这些值能很好地拟合，直到染料的最终吸收率达９８．５％为止。

在表１和表２中，从修正后的Ｃｅｇａｒｒａ－Ｐｕｅｎｔｅ等温线方程得出的Ｋ和ｒ２的值分别是０．１０３３和０．０６３１，当酶浓度为１％时ＣＩ酸性黑１９４和ＣＩ酸性黑２１０的ｒ２分别为０．９９９８和０．９９２９。

两种染料等温线的形状和ｒ２的值都证实了染色吸收速率符合修正后的Ｃｅｇａｒｒａ－Ｐｕｅｎｔｅ模型。

最高的吸收速率常数与酶处理质量浓度为１％时的相一致。