迄今為止,酶制劑已被廣泛地應用于制革、毛皮、食品、發酵和紡織等行業。酶在制革、毛皮工業中的應用最早僅限于酶脫毛和酶軟化。隨著科學技術的不斷發展和進步,酶制劑在制革行業中的應用范圍也不斷拓展擴大,逐漸應用于制革準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,必將催生具有生態概念的制革、毛皮新技術———生物技術制革。
本文回顧和總結了酶制劑在制革、毛皮行業應用的歷程與現狀,對若干問題進行了探討。在此基礎上,展望了今后酶制劑在制革、毛皮工業中的應用前景。
1酶浸水
浸水是制革準備工段的第一步操作,其根本目的是使生皮恢復到鮮皮狀態。浸水一般在轉鼓或劃槽中進行,其過程可分為預浸水和主浸水2個階段。傳統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損失。
采用酶浸水,不僅可以克服傳統浸水工藝的上述缺點,而且還有一個突出的優點,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鍵,溶解和除去纖維間質,從而促進生皮的回濕,使之迅速恢復到鮮皮狀態。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。浸水酶制劑國內尚無商品面市,據悉已有單位正在研制之中。國外有丹麥諾維信公司生產的NovocorS、德瑞(TFL)公司生產的ErhazymC、印度UNIPELL公司生產的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。應當注意的是,在這種情況下,應盡量避免使用對浸水酶具有抑制作用的脫脂劑。關于浸水酶在毛皮制造中的應用,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,達到除去生皮內油脂的目的。
脂肪酶應當滿足以下要求:①脂肪酶在pH值8～10的范圍內有較高的活性和穩定性;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。國內的脂肪酶產品僅有無錫酶制劑廠生產的2 1203脂肪酶,它是由假絲酵母2 1203菌株制得的,在制革工業中有過應用的報道。國外有丹麥諾維信公司生產的Greasex脂肪酶、酸性脂肪酶NovocorAD、德瑞(TFL)公司生產的堿性脂肪酶ErhazymLF和德國Carpetex公司生產的堿性脂肪酶UberolVPP4581等。上述酶制劑可廣泛應用于浸水、浸灰及軟化等工序。同傳統的脫脂方法諸如皂化法、乳化法和溶劑法等相比,酶脫脂的主要優點表現在以下幾方面: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能提高成革質量,尤其是可以改善絨面革的質量,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,從而降低生產成本。脂肪酶脫脂,目前在制革、毛皮工業尚未普遍采用,究其原因,主要是成本較高、難于控制。當然,也不排除觀念上的原因。已有的應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化,應該設法篩選合適的菌種,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推廣應用[5]。我國是世界上應用酶脫毛工藝最廣泛的國家。酶脫毛的優點是基本上消除硫化物的污染,回收高質量的毛。但是酶脫毛存在著成本高、難控制以及成革質量不穩定等缺點,致使酶脫毛工藝未能在制革工業中一直持久應用。近年來,由于國家環保政策的嚴格和國民環保意識的增強,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、生產成本高等問題,研究者們根據不同的原料皮及成革的性能要求,優化設計了適當的酶法脫毛工藝。但衛華[6]在以往研究的基礎上,結合臀部涂酶技術,運用層次分析法、正交試驗法等科學方法,對酶脫毛工藝板塊進行了較為系統的研究,研究表明:預處理、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]結合,可得到最佳的脫毛綜合效果。國內酶脫毛所使用的酶制劑主要有:AS1398中性蛋白酶,上海新型發酵廠、江蘇無錫酶制劑廠生產;166中性蛋白酶,上海酒精廠、無錫酶制劑廠生產;3942中性蛋白酶,上海酒精廠生產;2709堿性蛋白酶,天津利華食品廠生產等。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。在上述研究的基礎上,提出了酶堿結合脫毛法,其工藝流程是:……→堿膨脹→脫堿→拔毛→預熱→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-浸灰廢液循環利用技術聯用工藝)→……。汪建根等人[8]采用少量硫化物對秦川黃牛皮進行預處理,在適當助劑的作用下,以1398中性蛋白酶進行脫毛,結果表明: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]研究開發了以鉻交聯膠原為活性載體的親和層析技術,并利用該項技術首次實現了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,并進行過大生產應用。波蘭WJONCZYK等人建立了酶脫毛過程的數學模型,通過數學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。工業應用證明,采用這種酶法脫毛工藝所得成革的質量優良,且適合服裝革、鞋面革、手套納巴革及絨面革的生產,符合波蘭有關標準的要求。關于酶脫毛的機理,過去已有許多研究。組織學研究表明,毛根鞘與毛袋之間、毛球與毛乳頭之間的聯系受到破壞,毛才能被脫掉。首先,酶必須進入皮內。關于酶進入皮內的途徑,多數人認為,由于表皮的角質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,破壞毛與皮的聯系。巴巴金娜認為,毛與皮的聯系被破壞是由于生皮的粘蛋白被酶催化水解的結果。國內有研究也支持了這一觀點,通過對堆置酶脫毛的研究后發現,表皮的脫落最初發生在生發層與真皮層粒面的交界處。毛從毛囊中脫落,也是發生在毛鞘與毛袋的交界處和毛球與毛乳頭的聯接處。從組織化學染色看出: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、粘蛋白被破壞的結果。有人則認為,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的研究,認為,酶脫毛時,非膠原水解酶起主導作用,其脫毛能力取決于水解專一性的廣泛程度。基膜及其周圍組織的蛋白提取物,被廣泛水解且其水解與脫毛有關。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致的皮革質量問題負主要責任。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普遍存在的諸如成革松面、強度差、毛孔擴大等質量問題的根源所在[10]。
4酶法局部處理
在制革生產中,往往因為生皮本身的部位差而造成成革手感及質量的不均一性,這常使制革工程技術人員頭痛不已。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個方面表現出來。一是豬皮厚度隨部位不同而有很大差異,如四川內江豬皮,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的重要因素。此外,還應注意到豬皮真皮層的同一部位的不同層次上,膠原纖維的結構及其編織上的差異。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。國家發明專利《豬皮臀部強制處理方法》已在國內多家制革廠應用,收到良好效果。豬皮臀部涂酶所用的酶制劑是AS1398中性蛋白酶和工業胰酶,輔之以適當的助劑和添加劑。應用丹麥諾維信公司的Pyrase
5酶在浸灰、復灰中的應用
酶制劑在浸灰、復灰中的應用,是作為一種助劑存在的。我們知道,制革中浸灰、復灰的主要作用是分離和松散膠原纖維。研究表明,生皮中含有質量分數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,構成共價結合的硫酸皮膚素蛋白多糖,其分子質量為3×105,有規律地線性排列在膠原表面形成緊密的網,與膠原牢固結合,表現出極強的黏性。浸灰、復灰過程中,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。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。國內產品有EA加酶浸灰助劑(四川大學研制),在堿性條件(pH值10～12)下穩定,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浸灰酶產品在pH值8～12范圍內,具有較高的活力,而在硫化鈉/石灰液中4h內具有較高的穩定性,因而適合在浸灰過程中使用。酶在浸灰、復灰中應用的優點是顯而易見的: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
現代制革上講的酶軟化已與傳統酶軟化迥然不同。
第一,從工藝設置上講,傳統的酶軟化是在脫灰之后設置的專門工序(或稱之為常規酶軟化),而現代酶軟化則不盡然,它可能是一個階段。現代酶軟化可以分為3個階段,即脫灰后酶軟化、浸酸中的酶軟化以及藍坯革復鞣前的酶軟化。
第二,從工藝條件上講,傳統的酶軟化需要在較高的溫度(36～38℃)下作用,而現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,傳統酶軟化的可控性差,質量不穩定;而現代酶軟化的可控性好,可作用于皮的內層,且內外軟化均勻,從而顯著地提高成革質量。
(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,但易產生松面、延伸性大以及粒面強度差等質量問題。適當的酶軟化對于提高成革的感觀性能至關重要。可用于脫灰后的酶軟化(常規酶軟化)的酶制劑,國內產品主要有:工業胰酶、AS1398中性蛋白酶、EB-1低溫軟化酶(四川大學研制)。國外產品主要有:德瑞公司生產的OroponOO(活力1000LVU)和OroponOR(活力700LVU);諾維信公司生產的NowolaseNS(活力700-850LVU)和NowolaseNG(活力1000～1200LVU)。
(2)浸酸中的酶軟化關于在浸酸浴中對裸皮進行酶軟化的問題,國內外都有過很多的研究[11-12]。早在20世紀60年代初期,Grimm就指出了蛋白酶在弱酸性范圍內軟化裸皮的可能性。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打光小山羊革進行了研究。蔣千里等人篩選出了小分子質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。可用于浸酸中的酶軟化的酶制劑,國內產品主要有:537酸性蛋白酶,無錫酶制劑廠生產;3350酸性蛋白酶,上海酒精廠、無錫酶制劑廠生產。國外產品主要有: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60年代末Pfleiderer就對藍濕坯革的酶軟化進行了研究,相繼國內外對藍濕革酶軟化的研究還有很多。國內魏世林等用國產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,再進行鉻復鞣,后續工序按常規進行,如此,獲得了質量上乘的豬絨面服裝革。余鳳湄[13]以自行研制的一種復合酶為軟化劑,對其應用條件進行了研究,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合酶的軟化效果。結果表明:幾種酶制劑進行軟化,復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
在已有研究的基礎上,運用技術集成的原理與方法,實現基于酶制劑的制革前處理,對于改變制革行業的落后面貌有著重要意義。但衛華等人[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化,最后將已優化的工藝板塊組裝、運行,構建出基于酶制劑的豬皮前處理的定型工藝。經大生產驗證結果表明:成革手感好,質量、得革率也得到大幅度提高。制革綜合廢水中的有害物質的量大大降低,減輕了豬皮制革的污染。
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如上所述,酶制劑在制革過程中的各個階段的應用研究,已經取得了很多進展。但是,目前高效專用酶制劑的研制方面還呈現明顯不足,給實現基于酶制劑的生物技術制革帶來很大的阻力。筆者認為,今后應當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研究、應用基礎研究以及技術開發。可以相信,以制革清潔生產為基本訴求,以現代生物技術為強力支撐的基于酶制劑的生物技術制革,將會成為今后制革工業發展的必然趨勢,而酶制劑在其中的重要作用將不可低估。
