پایان نامه نساجی-تأثیر آنزیم بر روی کالاهای رنگرزی شده با رنگ مستقیم

پایان نامه مقطع کارشناسی

رشته مهندسی نساجی

-1) مقدمه

همگام با رشد فزاینده استفاده از فرآیندهای بیوتکنولوژی در صنعت، استفاده از آنزیم‌ها در صنایع نساجی نیز گسترش چشمگیری داشته است. به عنوان مهمترین نمونه از این موارد می‌توان هیدرولیز کتنرل شده آنزیمی کالاهای سلولزی توسط سلولازها را نام برد.

این عملیات اولین بار در ژاپن تحت عنوان بیوپولیشینگ (1) برای تکمیل پارچه های تاری پودی بکار گرفته شد. این تکمیل خاص پارچه های پنبه ای نبوده و می‌تواند برای پارچه های بافته شده از کتان، رامی و دیگر الیاف سلولزی و مخلوط آنها با الیاف مصنوعی و پروتئینی نیز بکار برده شود.

هیدرولیز آنزیمی منسوجات سلولزی، توسط ایزوآنزیم های سلولاز انجام می‌شود. سلولاز به سیستمی از آنزیم ها اطلاق می‌شود که باهم به صورت زنجیره ای عمل کرده و قادر به شکستن پلیمرهای سلولزی بسیار آرایش یافته هستند. اجزاء سلولاز عبارت از:

الف) اکسو بتا 1و4 گلوکانیز[1] (E.C.3.2.1.91)

ب) اندو بتا 1و4 گلوکانیز[2] (E.C.3.2.1.4)

ج) بتا گلوکزایداز[3] (E.C.3.2.1.21)

می‌باشد (3و2) به طور خلاصه مکانیزم هیدرولیز پلیمرهای سلولزی توسط این آنزیم‌‌ها را می‌توان به این صورت در نظر گرفت که:

اکسو گلوکانیزها (اکسوسلولازها) واحدهای سلوبیوز را از انتهای غیراحیایی زنجیره‌های سلولزی جدا می‌کنند.

اندوگلوکانیزها (اندوسلولازها) پیوندهای بتا 1و4 گلوکزایدها را به صورت تصادفی هیدرولیز می‌کنند و سبب کاهش درجه پلیمریزاسیون زنجیره های سلولزی می‌شود.

بتاگلوکزایدها یا سلوبیازها واحدهای سلوبیوز را به گلوکز تجزیه می‌کنند.

اگرچه یک همکاری گروهی بین این ترکیبات مشاهده شده است ولی جزئیات نحوه فعالیت آنها کاملاً مشخص نمی‌باشد. (3و2)

سلولاز قابل استفاده در صنعت نساجی از حدود 12 منبع مختلف تهیه می‌شود. دسته‌بندی آنزیم های سلولاز معمولاً باتوجه به محدودهpH آنان صورت می‌گیرد که منظور آن است که در این pH بالاترین فعالیت را دارند و براین اساس آنزیم های سلولاز به سه دسته اسیدی، بازی و خنثی تقسیم می شوند.

آنزیمهای خنثی در pH حدود 7-6 بالاترین فعالیت را داشته و آنزیمهای اسیدی در pH محدوده 5/5-5/4 فعال تر می باشند در حالیکه آنزیم های قلیایی در محیط های قلیایی فعالند. رایج ترین آنزیم های مورد استفاده جهت پارچه های پنبه ای آنزیم‌های اسیدی و خنثی می باشند. آنزیم های قلیایی در مواد شوینده خانگی بکار می روند که به خارج شدن لکه ها و بهبود سطح پارچه بعد از چند بار شستشو کمک می‌کنند.

آنزیم سلولاز در سالهای اخیر در تکمیل منسوجات پنبه ای در جهت کاهش پرزها در پارچه‌های حلقوی و در شستشوی پارچه‌های کتانی به طور وسیع استفاده شده اند. این آنزیم ها در تکمیل های نساجی و در ماشین هایی که در آنها فعالیت مکانیکی وجد دارد مانند جت ها، وینچ ها و ماشین های شستشویی بکار می روند. آن نکته که افزایش فعالیت مکانیکی، شدت هیدرولیز توسط آنزیم را در طول فرآیند هیدرولیز افزایش می‌دهد مورد تاکید قرار گرفته است.

آنزیمها پروتئینهای ویژه ای هستند که به عنوان کاتالیزورهای بیولوژیکی عمل می‌‌نمایند یعنی بدون ایجاد تغییری در نقطه تعادل , واکنشهای بیوشیمیایی را کاتالیز می‌کنند . (27)

کوهن کلمه آنزیم ] از دو کلمه یونانی  En ( داخل ) و Zyme ( مخمر ) تشکیل شده است یعنی در مخمر [ را ابداع نموده و اولین بار در سال 1835 توسط شخصی بنام برزلیوس ( J.berzelius ) نام آنزیم بکار برده شد و توضیح داد که تبدیل نشاسته به مالتوز توسط یک آنزیم کاتالیز می شود ( در زبان آلمانی به جای آنزیم از کلمه دیاستاز نیز استفاده می شد . ) همچنین آقای پاستور تشخیص داد که عمل تخمیر توسط آنزیمها انجام می گیرد , این دانشمند در سال 1360 پیش بینی کرد که آنزیمها بطور پیچیده ای به داخل سلولهای مخمر متصل شده اند . در سال 1926 توسط شخصی به نام سومنر ( Sumner ) آنزیم اوره آز از دندانه های باقلا مانند ( Jack  bean ) جدا و تقریباً تخلیص گردید , و بعدها کشف پپسین و ترپسین از لوزالمعده و معده بعمل آمده و با استفاده از این آنزیمها کاملاً متوجه شدند که آنزیمها از پروتئین تشکیل شده اند . امروزه تقریباً 2000 نوع آنزیم مختلف شناسایی شده و تعداد زیادی از آنها تخلیص گردیده و در حدود 200 نوع آن بصورت کریستاله تهیه شده است . (25)

وزن ملکولی آنزیمها بین  تا بیشتر از  دالتون است . ساختمان این ترکیبات از نوع ساختمان پروتئین می باشد . و تنها اختلاف آنزیمها با پروتئینها نحوه عمل بیولوژیکی آنها می باشد , بدین معنی که به علت داشتن ساختمان سه بعدی و دارا بودن عوامل فعال اسیدهای آمینه که در قسمتهائی از مولکول مجتمع شده اند دارای خواص ویژه آنزیمی می باشند . این عوامل فعال که بعضی از ریشه های اسیدهای آمینه می باشند بصورتی در کنار هم قرار گرفته اند که قادرند جمعاً در یک واکنش بیوشیمیایی شرکت کنند. بنابراین ساختمان سه بعدی آنزیمها را می توان یکی از شرایط لازم برای فعالیت آنزیم دانست . (27)

اصول واکنشهای آنزیمی  

در واکنشهای آنزیمی ترکیبی که تحت تأثیر آنزیم قرار می گیرد سوبسترا (substrate) و ترکیبی که در جریان واکنش تولید می شود محصول Product)) نامیده می شود که بطور کلی می توان پروسه واکنش آنزیمی را با علامات اختصاری زیر نمایش داد :

E+ P                   S

در واکنش فوق S  مخفف سوبسترا , E مخفف آنزیم و P مخفف محصول می باشد . البته لازم به ذکر است که در بعضی از واکنش ها بیش از یک محصول تولید می شود .

در یک واکنش آنزیمی در حین تبدیل سوبسترا به محصول مراحل متعددی وجود دارد که بطور کلی می توان آن را در سه مرحله زیرخلاصه کرد .

E+S DEP                E+P

مرحله اول : آنزیم و سوبسترا با هم پیوند شیمیایی برقرار نموده و کمپکس آنزیم  سوبسترا را بوجود می آورند .

E+S D  ES

مرحله دوم : توسط عوامل شیمیایی مشخصی در قسمت خاصی ( محل فعال یا جایگاه فعال ) از ملکول آنزیم , سرعت تبدیل سوبسترا به محصول افزایش یافته که منجر به تشکیل کمپلکس آنزیم محصول می گردد .

ES D EP

مرحله سوم : محصول از آنزیم جدا شده و آنزیم بدون آنکه فرم ساختمانی خود را از دست داده باشد به حالت اول باز می گردد .

EP                                 E+P

همچنان بطور شماتیک نشان داده شده است , آنزیمها در جریان واکنش هیچ گاه مصرف نشده و در پایان واکنش بدون تغییر آزاد می گردند . همچنین مقدار بسیار کم و جزئی آنزیم برای تبدیل مقدار زیادی از سوبسترا به محصول کافی است , به عنوان مثال 0.0001µ mole از یک آنزیم می تواند هزاران مولکول از سوبسترا را در عرض چند ثانیه به محصول تبدیل بنماید .

آنزیمها فقط  در افزایش سرعت واکنش تبدیل سوبسترا به محصول مؤثر بوده و در عوامل دیگر از قبیل نوع محصول دخالتی ندارند , یعنی در حقیقت آنزیم ها موجب کاهش انرژی فعال کننده واکنش می شوند . (27)

شکل 1 : انرژی فعال کننده برای واکنش بدون آنزیم و واکنشی که توسط آنزیم کاتالیز می شود .

ساختمان آنزیمها

آنزیمها ساختمان پروتئینی دارند . ساختمان بعضی از آنزیمها فقط از پروتئین تشکیل یافته که فعالیت این نوع آنزیمها تنها به ساختمان پروتئینی آن بستگی دارد و آنزیم ساده نامیده می شوند ( به عنوان مثال بعضی از پروتئازها از قبیل تریپسین ) . اما اغلب آنزیمها برای انجام فعالیت کاتالیزوری علاوه بر ساختمان پروتئینی خود به ترکیبات فعال کننده غیر پروتئینی نیاز دارند که این نوع آنزیمها را آنزیمهای مرکب ( هالو آنزیم ) می نامند .

قسمت پروتئینی آنزیم را آپوآنزیم ( Apoenzyme ) , ترکیب فعال کننده غیر پروتئینی را کوفاکتور , و کمپلکس کوفاکتور و قسمت پروتئینی را هالوآنزیم   Holoenzyme) ) می نامند . آپوآنزیم غیر فعال است و فعال شدن آن مستلزم وجود کوفاکتور می باشد . (27)

هالوآنزیم = کوفاکتور + آپوآنزیم

(فعال)                 (غیرفعال)

واحد سازنده آنزیمها آمینو اسیدهای متفاوتی هستند که به فرم عمومی ذیل می توان آنها را نشان داد : .

این ملکولهای ساده در عدم حضور آب متراکم شده تولید زنجیرهای پلی پیتایدی بلندتر می کنند .

در حین افزایش طول زنجیر پلیمری و فعل و انفعالات عملاً باعث می شوند تا ملکول پیچیده حاضر شکل سه بعدی مخصوص به خود بگیرد . وقتی این آرایش یافتگی حاصل شود جرم پلیمری درهم رفته تبدیل به یک پروتئین می شود و بعضی از این پروتئینها به عنوان آنزیم عمل می کنند . (27)

چگونگی عمل کردن آنزیمها

یک آنزیم دارای یک شکل سه بعدی مشخص است . این شکل و سایر فاکتورها از قبیل محل قرار گرفتن مکان فعال آنزیم ویژگی ملکولی را کنترل می کنند . همانطوریکه در شکل 2 نشان داده شده است ,‌یک آنزیم جذب سطح کالای داده شده بصورت قفل و کلید می شود . با قرار گرفتن در روی سطح کالا به سریع شدن واکنش بین کالا و محیط و تولید محصولات واکنش کمک می کند . از آنجائیکه آنزیمها به عنوان کاتالیست عمل می کنند خودشان تحت تأثیر واکنشی که کالا با آن مواجه می شود قرار نمی گیرد و تغییر نمی یابند . بعد از وقوع واکنش آنزیم رها می شود تا در قسمت دیگری از سطح کالا جذب شود . این فرآیند ادامه پیدا می کند تا آنزیم تا توسط یک جز شیمیایی مسموم شود و یا در اثر دما و یا H Pنامناسب و

یا هر شرایط منفی دیگری در محیط پروسه فعالیت خود را از دست بدهد . (27)

شکل 2 : مکانیزم « قفل و کلید » برای عمل آنزیم .

آنزیم جذب سطح کالا شده و منجر به آزاد شدن محصولات واکنش و آنزیم می‌شود .

نامگذاری و طبقه بندی آنزیمها

بعضی از آنزیمها را با نام قدیمی آنها ذکر می کنند به عنوان مثال پپسین و ترپپسین , اما روش کلی برای نام گذاری آنزیم این است که ابتدا کلمه سوبسترا و به دنبال آن کلمه آز ( asc ) را ذکر می نمایند به عنوان مثال : آنزیمهایی که لیپیدها را هیدرولیز می نمایند لیپاز , آزیمهایی که پروتئینها را هیدرولیز می نمایند پروتنئاز , آنزیمهایی که اوره را کاتالیز نموده اوره آز و آنزیمی که کاتالیز آرژنین را بر عهده دارد آرژیناز می نامند .( 4 )

از سال 1961 کمیته بین المللی آنزیمها ( EC=Enzymc  Commision ) آنزیمها را بر حسب نوع واکنشی که کاتالیز می کنند به شش طبقه اصلی تقسیم نموده و هر طبقه خود به چند گروه و هر گروه به چند دسته تقسیم شده اند , بطوریکه هر آنزیم با علامت EC و چهار عدد شناسایی می شود , که عدد اول معرف طبقه , و عدد دوم گروه , عدد سوم دسته و عدد چهارم شماره ردیف هر آنزیم در دسته خود می باشد

[1] . exo-b-1.4.glucanases

[2] . enddo -b - 1.4. glucanases

[3] . b.glucosidases

مراجع

الف) مقالات مندرج در نشریات ادواری

[1] Pedersen, G.I.Screws, G.A., and Cedron, D.M., “Biopolishing of Cellulosic Fabrics”, cadn. Text. J.,31-35, (Dec. 1992).

[2] Cavaco-Paulo, A.,Almeida, L., “Kinetic Parameters Measured During Cellulase Processing of Cotton”, J.Text. Inst., Vol.87 Part 1,No. 1,1996.

[3] Enari, T., Niku-Paavola, M., “Enzymatic Hydrolysis of Cellulose: Is the Current Theory of the Machanisms of Htdrolysis Valid?”, CRC Crit Rev. Biotechnol, Vol. 5, No.3,67-87, 1987.

[4] Tyndall, R.M., “Improving the Sofness and Surface Appearance of Cotton Fabrics and Garments by Treatment with Celluase Enzymes”, Textile Chem. Color., Vol. 24,No. 6,23-26, 1992.

[5] Choe, K.E. Park, Y.S., Cha, C.H., Jeon, D.B., “Effect of Pre-Existing Dyes and Fabric Type on Celulase Treatment of Cotton Fabrics” , Textile Res.J., Vol. 67, No.3,155-162, 1997.

[6] Cavaco-Paulo, A.,Almeida, L., “Cellulase Hydrolysis od Cotton Celulose: The Effects of Mechanical Action, Enzyme Concentration and Dyed Substrates”, Biocatalysis, Vol.10,353-360, 1994.

[7] Cavaco-Paulo, AL, Almeida, L., “Effect of Agitation and Endoglucanase Pretreatment on the Hydrolysis of Cotton Fabrics by a Total Cellulase”, Textile Res.J.,Vol. 66, No.5,287-294, 1996.

[8] Koo, H., Ueda, M., and Wakida, T., “Cellulase Treatment of Cotton Fabrics”, Textile Res. J., Vol. 64, No. 2,70-74, 1994.

[9] Kawamura, H., and Wakida, T., “Application of Enymes in Textile Finishing”, Bull. Apparel Sci. Res. Cent. Kyoto Inst. Technol., No. 8,99,1989.

[10] Tanida, O., “Weight Loss Treatment of Cotton Fabrics by Enzyme”, Senshokukogyo, Vol. 37,122,(1989).

[11] Cavaco-Paulo,A., Almedia, L., “Applications of Enzymatic Technologies in Cotton Finishing”, Nova Textile, Vol. 32,34-+37, 1994.

[12] Clarkson, K., Larens, E., Weiss, G., Colier, K., and Bower, B., “Opportunities for Use of Trichoderma Enzymes Textile Applications”, 2nd Tricel Meeting, Avstract B29, Majvik, Finland, 1993.

[13] Mori, R., Haga, T., and Takagishi, T., “Reactive Dye Dyeabitity of Cellulosic Fibers Associated With Cellulase Treatment”, in “Proc.Symposium”, Octoger 194, 208, Japan.

[14] More, R., Haga, T., Takagishi, T., “Relationship Between Cellulase Treatment and the Dyeability with a Direct Dye for Various Kinds of Cellulosic Fibers”, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 48, 1223-1227, 1993.

[15] Buschle-Diller, G., Zeronian, S.H., Pan, N., and Yoon, M.y., Enzymatic Hydrolysis of Cotton, Linen, Ramie an Viscose Rayon Fabric”, Textile Res. J., Vol. 64,No. 5, 270-279, 1994.

[16] Ladisch, C.M., Yang, Y., Velayudhan, A., and Ladisch, M.R., “A New Approach to the Study of Textile Properties with Liquid Chromatography”, Textile Res. J., Vol. 62,361-369, 1992.

[17] Schurz, J., Billiani, J., Honel, A., Eigner, W.D., Janosi, A., Hayn, M., and Eterbauer, H., “Reaktionsmech Anismus and Struktura Nderungen Beim Enzymatishen Abbau von Cellulose Durch Trichoderma-Reesei-Cellulase”, Actapolym., Vol. 36,76-80, 1985.

[18] Kumar, A., Purtell, C., “Enzymatic Treatment of Man-Made Cellulosic Fabrics,” Textile Chem. Color., Vol. 26, No., 10, 25-28, 1994.

[19] Buschle-Diller, G., Zeronian, S.H., “Enzymatic and Acid Hydrolysis fo Cotton Cellulose After Slack and Tension Mercerization ”, Textile Chem. Coler., Vol. 26, No. 4,17-24, 1994.

[20] Almedia, L., and Cavaco-Paulo, A., “Softening of Coton by Enzymatic Hydrolysis”, Melliand Textiber., Vol. 74, 404-407, 1993.

[21] Kochovi, D., Videaek, T., and Cedroni, D., “Optimizing Processing Conditions in Enzymatic Stone Washing”, Am. Dyest. Rep., Vol. 79, No. 9,24-289, 1990.

[22] Cavaco-Paulo, A., and Almedia, L., “the Effect of Scouring on Cellulase Enzymatic Hydrolysis of Raw Cotton”, in “Proc.Fems symposium: Lignin Biodegradation and Transformation”, G.C.Duarte, M.C.Ferreira and P.Ander, Eds. , Forbitec, Lisboa, Portugal, 101-102, 1993.

[23] Yoon, N.S., and Lim, Y.J., “Mechanical and Dyeing Properties of Wool and Cotton Fabrics Treated With Low Temperature Plasma and Enzymes”, Textile Res. J., Vol. 66, No., 5, 329-36, 1996.

[24] Luttringer, J.P., “A New Generation of Reactive Dyes for Cotton”, Textielr Chem. Color., Vol. 25,No. 5,25, 1993.

ب: کتب

(25) دانیال زاده ، الف . ، اصول بیوشیمی، مرکز نشر دانشگاهی، 1362.

(26) ملک نیا، ن.، بیوشیمی هارپر (جلد اول)، مرکز نشر اشارات.

(27) ملک پور الف.، بیوشیمی بالینی، مرکز نشر دانشگاهی.

[28] Streitwieser, Andrew, Jr., and Heathcock, C.H., “Organic Chemistry”, Ch. 25, Macmillan publishing Co, Inc., 1976.