Диссертация - Ивановский государственный химико
advertisement
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов им. Г. А. Крестова Российской академии наук На правах рукописи АЛЕЕВА Светлана Владимировна МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ БИОХИМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ ЛЬНЯНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант: доктор технических наук, профессор Кокшаров Сергей Александрович Иваново – 2014 2 СОДЕРЖАНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ АННОТАЦИЯ ВВЕДЕНИЕ ЛИТЕРАТУРНО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЛЬНЯНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 1.1. Особенности морфологического строения комплексного льняного волокна и структурной организации связующих веществ 1.2. Закономерности влияния состава полимерных примесей на изменение физико-механических свойств льняного волокна 1.3. Основы химико-технологических процессов облагораживания льняных текстильных материалов 1.3.1. Анализ способов химической подготовки льняного волокна к прядению 1.3.2. Химико-технологические процессы облагораживания льняных тканей ГЛАВА 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОКАТАЛИЗИРУЕМОЙ ДЕСТРУКЦИИ ПОЛИМЕРОВ И ФЕРМЕНТАТИВНЫХ МЕТОДОВ ПОДГОТОВКИ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 2.1. Проявления специфичности действия белковых катализаторов 2.2. Характеристика действия мультиэнзимных комплексов при облагораживании льняных текстильных материалов 2.3. Развитие биохимических технологий облагораживания текстильных материалов из натуральных волокон ГЛАВА 3. НАУЧНО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕГУЛИРУЕМОЙ БИОМОДИФИКАЦИИ ЛЬНЯНОГО ВОЛОКНА В ПРЯДЕНИИ 3.1. Обоснование подходов к осуществлению дозированного извлечения полимерных примесей при подготовке льняного волокна 3.1.1. Оценка влияния содержания полимерных спутников льняной целлюлозы на свойства пряжи 3.1.2. Сопоставление вклада стадий биохимической подготовки льняного волокна в достигаемый уровень извлечения полимерных примесей 3.2. Специфика влияния структуры полиуронидных соединений льна на процесс их биокатализируемого расщепления 3.2.1. Сопоставительный анализ химического строения пектиновых веществ в отечественных и зарубежных видах льноволокнистых материалов 3.2.2. Роль химического строения пектиновых веществ лубяных пучков в биологических процессах первичной обработки льна-долгунца 5 10 11 20 20 20 30 38 47 55 69 73 87 98 119 119 119 126 132 132 138 3 3.2.3. Математическое описание закономерностей энзимной деструкции пектиновых веществ льняного волокна с учетом их химического строения 3.3. Разработка обобщенной кинетической модели ферментативного расщепления полиуронидов в различных видах льняного сырья 3.3.1. Выявление закономерности для прогнозирования длительности ферментативной обработки при подготовке льняного волокна к прядению 3.3.2. Разработка рекомендаций по ферментативной подготовке ровницы из смесок отечественных видов льняного сырья с учетом содержания и химического строения полиуронидов ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ПРОДУКТОВ ФЕРМЕНТАТИВНОГО РАСЩЕПЛЕНИЯ ПОЛИУГЛЕВОДОВ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЦЕЛЕВЫХ РЕАКЦИЯХ МОДИФИКАЦИИ ЛЬНЯНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ 4.1. Изучение закономерностей проявления редуцирующей способности растворов альдоз 4.2. Исследование химических превращений лигнина в щелочных растворах полиоксиальдегидов 4.3. Обоснование состава полиферментной композиции мацерационноделигнифицирующего действия 4.4.Оценка технологической эффективности ферментативно-пероксидных способов подготовки льняного волокна к прядению ГЛАВА 5. НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОМОДИФИКАЦИИ ЛЬНЯНОГО ВОЛОКНА В ПРОЦЕССАХ ОБЛАГОРАЖИВАНИЯ ТКАНЫХ ПОЛОТЕН 5.1. Научное обоснование регулируемой биохимической модификации волокнистого материала при подготовке и белении льняных тканей 5.1.1. Оптимизация состава полиферментных композиций для повышения эффективности извлечения из льняных полотен крахмальной шлихты 5.1.2. Закономерности влияния полимерных примесей на изменение капиллярности льняной ткани в условиях ферментативной обработки 5.1.3. Экспериментальное обоснование состава полиферментной композиции и условий ее применения при подготовке и белении льняных материалов 5.2. Новые эффекты биомодификации льняного волокна в процессах специальной отделки тканей и текстильных изделий 5.2.1. Выявление зависимости «состав-свойство» для регулирования жесткости тканых льняных полотен 5.2.2. Обоснование биохимических методов получения на льняных тканях эффектов ворсования 144 151 151 156 169 170 181 187 199 218 218 219 225 230 239 240 252 4 ГЛАВА 6. ОЦЕНКА РЕНТАБЕЛЬНОСТИ ИННОВАЦИОННЫХ БИОХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ЛЬНЯНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ВЫВОДЫ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1. Методическая часть Приложение 2. Массив экспериментальных данных Приложение 3. Акты производственных испытаний биохимических технологий подготовки и облагораживания льняных текстильных материалов Приложение 4. 265 281 285 315 316 345 356 389 5 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ СИ – содержание в льняном волокне инкрустов; NЧВ – номер чесаного льна; ГЧЛ, ГПр – гибкость соответственно чесаного льняного волокна и пряжи; Гц – содержание гемицеллюлозных соединений; Л – содержание лигнина; П – содержание пектиновых веществ; Б – содержание примесей белковой природы; ТЧЛ, ТПр – линейная плотность соответственно чесаного волокна, пряжи; РУ – удельное разрывное усилие льняных комплексов; Р – разрывная нагрузка пряжи; Р о – удельная разрывная нагрузка пряжи; РИС , Р ПС , РИМ , Р ПМ – соответственно величины разрывной нагрузки ровницы в сухом (С) и мокром (М) состояниях для исходных (И) анализируемых образцов и после операций подготовки (П) волокнистого материала; LP – разрывное удлинение; l – длина волокна, нити; СТ – коэффициент вариации по линейной плотности; СР – коэффициент вариации по разрывной нагрузке; dСР – средний диаметр пряжи; 0,7dСР –утонения менее 0,7 средних диаметров; 1,5dСР и 2dСР – утолщения превышающие 1,5- и 2-х кратный средний диаметр волокна; 1ВЛ, 1СрЛ, 1ОЛ – первый сорт и соответствующая группа пряжи высокая льняная, средняя льняная, обыкновенная льняная; GВ – убыль массы волокна; m – масса навески волокна; Др – добротности пряжи; R – коэффициент корреляция уравнения; 6 R – среднеквадратическое отклонение; -D-Xyl – ксилоза; -L-Ara – арабиноза; -D-GA – глактуроновая кислота; -L-Ram – рамноза; -D-Gal – галактоза; Glc – глюкоза; М.м. – молекулярная масса соединения; pI – изоэлектрическая точка; E – буквенное обозначение активного центра фермента; S – субстрат; SE – фермент-субстратный комплекс; В – продукт ферментативной реакции; ТОПТ – температурный оптимум проявления максимальной активности фермента; КАДС – константа адсорбции Генри; СА-ферменты – слабо адсорбирующиеся белковые катализаторы; ПА-ферменты – прочно адсорбирующиеся энзимы; КД – каталитический домен; ССД – субстрат-связывающий домен; ГЛЭНДО I, ГЛЭНДО II, ГЛЭНДО III – изоформы эндоглюканазы; ЦБГ I, ЦБГ II – изоформы целлобиогидролазы; ГЛЭКЗО – экзоглюканаза; ПГЭНДО – эндополигалактуроназа; ПГЭКЗО1, ПГЭКЗО2 – экзополигалактуронозидаза и экзополигалактуроназа; ПЭ – пектинэстераза; ПрА – протеолитическая активность; КСЭНДО I, КСЭНДО II – изоформы ксиланазы; КСГЛ – ксилоглюканаза; КСЭКЗО - экзо-1,4--ксилозидаза; 7 МН – маннаназа; АРА – -L-арабинофуранозидаза; 1,3ГЛЭНДО – эндо-1,3--глюканаза; ГАЛЭКЗО – экзо--галактозидаза; МЭК – мультиэнзимный комплекс; ГК-Н, ГК-СН3,ГК-Са – основные разновидности структурных элементов полимерной цепи полиуронидов соответственно свободная (незамещенная) галактуроновая кислота, ее метоксилированная и кальций-пектатная формы; G(ГК-Н), G(ГК-СН3), G(ГК-Са) – долевое содержание соответствующих структурных звеньев в макромолекуле полиуронида; АС – уровень активности целлюлолитических ферментов; АР – общая пектолитическая способность; АЭНДО и АЭКЗО – каталитическая активность амилаз эндо- и экзогенного действия; ГПБ – гипохлоритно-пероксидное беление; ЩПО – способ щелочно-пероксидного отбеливания; ОВ – окислительная варка; ОСВ – технология окислительно-сульфитной варки; ХОВ – хлоритно-окислительная варка; Л – относительное изменение содержания лигнина; ПАВ – поверхностно-активные вещества; УФ-излучение – ультрафиолетовое излучение; ТВВ – текстильные вспомогательные вещества; П0 – исходное содержание пектиновых веществ; ПОСТ – остаточное содержание полиуронидных соединений в льняном волокне после химической или ферментативной обработки; П – степень расщепления пектиновых веществ; ПИНК – количество расщепленных пектинов в поверхностном слое инкрустов; ПМКО – количество расщепленных полиуронидов в межклеточных образованиях связующих веществ в структуре льняных комплексов; 8 ЛК – относительное изменение содержания кислотонерастворимого лигнина; СВС – концентрация восстанавливающих сахаров; СВС – относительный прирост концентрации восстанавливающих сахаров; Н – капиллярность полоски льняной ткани; Кр – содержание в материале крахмальной шлихты; СКР – степень расщепления полимеров крахмала; W – белизна полотна; L – светлота; R2 – величина достоверности аппроксимации; EI – показатель жесткости ткани; EI – относительное изменение показателя жесткости ткани; r – размер частиц; I0 – интенсивность падающего света; I – интенсивность проходящего света в рассеивающей среде; Ii и I0i – интенсивность поглощения света соответственно i-й полосы спектра и фона (по положению базовой линии); I280 – относительное снижение интенсивности поглощения при 280 нм диоксановых экстрактов лигнина; Di – оптическая плотность в максимуме i-й полосы; dDn – показатель относительной оптической плотности образца пленки на соответствующей стадии анализа (n = 1…4); D1020 и D1615 – оптическая плотность полосы внутреннего стандарта и максимума полосы as(COO); DК и DР – оптическая плотность контрольного и исследуемого рабочего растворов; Vф – объем вводимого раствора фермента; ф– продолжительность ферментативного гидролиза (процесса); ЭМ / ЭФ – отношение максимально возможной степени этерификации пектина (ЭМ=100 %) и фактического показателя для используемого субстрата; ЭТ – тирозиновый эквивалент; 9 GMS – гидроксиметилсульфинат натрия; RГ – восстанавливающая способность полимеров крахмала; В/А – соотношение размеров осевых линий А и В, проведенных через центр площади проекции в направлении соответственно основных и уточных нитей; КД – коэффициент драпируемости ткани; hВ – высота ворса; lД – длина дуги на волне переплетения; Wг – гигроскопичность ткани; Во – влагоотдача полотна; КПВ – коэффициент полезного времени работы оборудования. 10 АННОТАЦИЯ Диссертационная работа посвящена развитию методологических подходов управления биокатализируемыми процессами при переработке льняных текстильных материалов, в том числе из отечественного высокозасоренного сырья, с использованием научно-обоснованных приемов регулирования каталитической активности полиферментных композиций и гетерополимерной системы льняного волокна для повышения функциональных и потребительских свойств текстильных полуфабрикатов и готовой продукции. Развиты представления о структурной организации комплексного льняного волокна и о различии в изменении его морфологии при воздействии химических реагентов и глобул белковых катализаторов. Выявлены корреляции между содержанием нецеллюлозных полимеров в льняном волокне и показателями технологических свойств чесаного волокна, пряжи, отбеленных тканей и умягченных полотен, позволяющие регламентировать остаточное содержание спутников целлюлозы на последовательных стадиях переработки текстильных полуфабрикатов и вычленить требуемую полноту их удаления в условиях ферментативной обработки. Впервые получены сведения об особенностях химического строения пектинов льняного волокна и их отличии для отечественных и импортируемых сортов льняного сырья. Разработана кинетическая модель биокатализируемого извлечения пектиновых примесей при подготовке льняного волокна к прядению, позволяющая оптимизировать состав полиферментной композиции для переработки ровницы из высоко- и низкономерных видов сырья и их смесок по разработанным технологическим режимам ферментативно-пероксидной ее подготовки. Развито новое направление применения ферментативного катализа в процессах переработки льняных текстильных материалов, основанное на использовании продуктов регулируемого расщепления нецеллюлозных полисахаридов в качестве вторичных реагентов для целевых химических реакций, включая редокс-превращения лигнина. Разработаны научно-технологические основы нового вида отделки льняных полотен для получения разных видов ворсовой фактуры. Основная часть диссертационной работы изложена на 396 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка, 46 таблиц и 4 приложения. Список литературы включает 311источников. 11 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы. Льняное производство - это старейшая, исконно русская и, на сегодняшний день, единственная текстильная отрасль, которая имеет отечественную сырьевую базу и обладает высоким потенциалом для полноценной конкуренции как на внутреннем рынке, так и для обеспечения выхода России на лидирующие позиции по переработке льняных волокнистых материалов в мировом масштабе. Для этого необходим выход на новый качественный уровень производства льняных материалов с комплексом уникальных и улучшенных функциональных свойств в соответствии с современными требованиями и вкусами потребителей, что немыслимо без расширения использования прорывных наукоемких технологий. Особенно актуально совершенствование совокупности химико-технологических процессов структурного модифицирования льняных текстильных материалов, не претерпевших во второй половине ХХ века существенных изменений. В последние десятилетия активизировались исследования в направлении совершенствования химических методов разрушения примесей волокнистого материала, разработки интенсифицированных экологичных методов облагораживания льняных полуфабрикатов с использованием нетрадиционных физико-химических воздействий и биокатализируемых процессов. Эти вопросы получили отражение в трудах и диссертационных работах д.т.н. Пестовской Е.А. [1], д.т.н. Шарниной Л.В. [2], д.т.н. Чешковой А.В. [3]. Специфическая особенность переработки льняных волокнистых материалов связана с низким (около 70 %) содержанием основного волокнообразующего полимера – целлюлозы – в исходном сырье и необходимостью дозированного извлечения полимерных примесей при получении текстильных полуфабрикатов с частичным их сохранением и в готовой продукции. Для каждого технологического перехода в многостадийном цикле облагораживания предположительно наличие технологических оптимумов соотношения полимерных компонентов льняного волокна, которые до настоящего времени не выявлены, но 12 могли бы послужить ключом к совершенствованию технологических процессов. В этой связи использование высокоэкологичных энзимных технологий при переработке лубоволокнистых материалов обеспечивает неоспоримые преимущества в достижении эффектов направленного регулирования функциональных и потребительских свойств текстильных полуфабрикатов и готовой продукции за счет возможностей избирательного воздействия на полимерные компоненты волокнистой системы. Вместе с тем трудно реализуемой задачей осуществления биохимических процессов является обеспечение высокой воспроизводимости результатов переработки волокнистых материалов. Это связано с природной нестабильностью состава лубоволокнистого растительного сырья, а также химического строения полимеров, отклонения которого имеют принципиальное значение для проявления активности ферментов. Отсутствие систематизированных сведений о роли полимерных спутников льняной целлюлозы в многостадийных процессах получения текстильных материалов и закономерностях их биокатализируемого разрушения обуславливает актуальность развития научных основ биохимической модификации льняных волокнистых материалов с учетом состава гетерополимерной системы и технологических свойств текстильных полуфабрикатов. Разработка стратегии и формирование методологической базы организационно-аналитического сопровождения биохимических процессов с учетом меняющегося полимерного состава и химического строения спутников льняной целлюлозы в различных видах перерабатываемого сырья позволит обеспечить максимальную эффективность технологических решений. Работа выполнена в соответствии с планами НИР ИХР РАН на 20012011 г.г., гос. контракта № 02.513.11.3229 в рамках ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы", при поддержке грантов РФФИ №06-0800600-а, РФФИ-регион № 05-03-96408цчр, проекта № 10478 Программы «СТАРТ» ФСРМПНТС, гранта Президента РФ для молодых ученых МК8178.2006.3, а также ряда хоз/договоров с научными организациями и производственными предприятиями. 13 Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в развитии методологических подходов к управлению биокатализируемыми процессами при переработке льняных текстильных материалов, в том числе из отечественного высоколигнифицированного сырья, для существенного повышения функциональных и потребительских свойств текстильных полуфабрикатов и готовой продукции. Для достижения цели решены следующие исследовательские задачи: систематизация сведений о современных направлениях развития химической технологии льняных текстильных материалов; анализ физико-химических основ биокатализируемой деструкции полимеров и ферментативных методов подготовки целлюлозных текстильных материалов; разработка научно-методических основ регулируемой биомодификации льняного волокна в прядении; исследование реакционной способности продуктов ферментативного расщепления полиуглеводов и возможности их использования в целевых реакциях модификации льняных волокнистых материалов; разработка научно-технологических основ биомодификации льняного волокна в процессах облагораживания тканых полотен; оценка перспектив реализации инновационных биохимических технологий производства льняных текстильных материалов. Общая характеристика объектов и методов исследования. В качестве объектов исследования в работе использованы: лента, ровница и пряжа из импортных и отечественных сортов льняного сырья, льняные ткани, гомогенные препараты фирмы ICN, промышленно выпускаемые и экспериментальные ферментные препараты, модельные соединения (нейтральные моносахариды, пектиновые вещества, лигнин), технологические процессы подготовки волокна к прядению, подготовки и отделки тканых полотен. На этапах теоретического и экспериментального обоснования реализуемых подходов биохимической модификации льняных волокнистых материалов использованы современные методы физико-химического анализа: спектрофотометрии, 14 микроскопии, вискозиметрии, потенциометрии, объемного и весового анализа, методов текстильного материаловедения и биохимического анализа каталитических свойств ферментных препаратов. Качественные показатели текстильных материалов определялись в соответствии с методиками, предусмотренными государственными стандартами. Обработка экспериментальных данных осуществлена с применением методов математической статистики, кластерного, корреляционного и регрессионного анализа. Разработка адекватных моделей вида «состав-свойство» для описания эффективности процессов биомодифицирования текстильных материалов проведена с помощью математического аппарата многофакторных линейных регрессий на базе программы Statgraphics PLUS 2000 Professional. Научная новизна. Выявлены взаимосвязи между изменениями полимерного состава льняных волокнистых материалов и их технологическими свойствами, которые положены в основу разработанного методологического подхода, позволяющего прогнозировать эффективность применения ферментативного катализа на последовательных стадиях переработки текстильных материалов с учетом особенностей химического строения и необходимой полноты деструкции полимерных спутников льняной целлюлозы. При этом получены следующие наиболее существенные научные результаты: Уточнены представления о структурной организации комплексного льняного волокна и специфике изменения его морфологии при воздействии химических реагентов и глобул белковых катализаторов. Выявлены корреляции между массовой долей нецеллюлозных полимеров в льняном волокне и показателями технологических свойств чесаного волокна, пряжи, отбеленных тканей и умягченных полотен, позволяющие регламентировать остаточное содержание спутников целлюлозы на последовательных стадиях переработки текстильных полуфабрикатов и вычленить требуемую полноту их удаления в условиях ферментативной обработки. 15 Впервые получены сведения о степени метоксилирования и содержании кальций-пектатных форм галактуронатных звеньев в пектинах льняного волокна и их отличии для отечественных и импортируемых сортов льняного сырья; разработана зависимость деструкции полиуронидов ферментами пектолитического комплекса с дифференциацией индивидуального их действия и проявления синергизма с учетом особенностей химического строения полимера. Разработана кинетическая модель биокатализируемого извлечения пектиновых примесей при подготовке льняного волокна к прядению, позволяющая оптимизировать состав полиферментной композиции для переработки ровницы из высоко- и низкономерных видов сырья и их смесок по разработанным технологическим режимам ферментативно-пероксидной подготовки (патенты РФ № 2366770, № 2366771). Выявлены закономерности влияния стереоизомерного строения моносахаридов на проявление редуцирующей способности их растворами и развито новое направление применения ферментативного катализа при переработке льняных текстильных материалов, основанное на использовании продуктов регулируемого расщепления полисахаридных примесей в качестве реагентов для целевых химических реакций, включая редокс-превращения лигнина. Метод реализован в разработанных способах биохимического беления (патент РФ №2372430) и специальной отделки (патент РФ №2372429) льняных тканей. Разработаны научно-технологические основы нового вида отделки льняных полотен для получения поверхностных эффектов формирования начесного ворса; выявлена специфика изменения сорбционных и теплофизических свойств льняных тканей для разных видов ворсовой фактуры. Практическая значимость. На основании созданной высокоэффективной системы проектирования качества биомодификации волокнистых материалов разработана совокупность наукоемких биохимических технологий получения высококачественной текстильной продукции из отечественных видов льняного сырья, а также подготовлен и апробирован комплекс мероприятий по аналитическому со- 16 провождению их использования, который обеспечивает достижение максимальной эффективности технологических режимов при минимизации затрат на ферментные препараты. Технологическая эффективность технических решений, защищенных патентами РФ на изобретения №№ 2366770, 2366771, 2372429, 2372430 и полностью охватывающих цикл от подготовки ровницы до специальной отделки тканей, подтверждена актами производственных испытаний. Результаты исследований использованы в деятельности созданного инновационного предприятия ООО «Ивановское технологическое бюро «Наука», объем реализованной научно-технической продукции которого за 2011-2013 г.г. составил более 3,3 млн. руб. Биохимическая технология подготовки льняного волокна к прядению принята к внедрению на ОАО «Вологодский текстиль» в 2013 г. с ожидаемым экономическим эффектом 8,5…17,8 руб. на 1 т перерабатываемого волокна. Технология биохимического умягчения льняных текстильных изделий использована при производстве продукции предприятиями среднего и малого бизнеса с объемом реализации в 2013 г. 725 тыс. руб. Автор защищает: уточненные представления о структурной организации комплексного льняного волокна с вычленением наноразмерных и микрометровых формирований связующих веществ и о специфике изменении его морфологии при воздействии химических реагентов и глобул белковых катализаторов; корреляционные зависимости показателей технологических свойств чесаного льняного волокна, пряжи, отбеленных тканей и умягченных полотен от массовой доли нецеллюлозных полимеров в волокнистом материале и рекомендуемые уровни остаточного содержания спутников целлюлозы на последовательных стадиях переработки текстильных полуфабрикатов и их промежуточные значения после проведения ферментативной обработки; разработанный подход и математическую модель для описания деструкции пектиновых веществ льняного волокна ферментами пектолитического комплекса с 17 учетом степени метоксилирования и содержания кальций-пектатных форм галактуронатных звеньев в макромолекулах полиуронидов; кинетическую модель биокатализируемого извлечения пектиновых примесей при подготовке льняного волокна к прядению, и разработанный метод корректировки состава полиферментной композиции при смене перерабатываемого сырья и состава волокнистых смесок; новое направление применения ферментативного катализа в процессах переработки льняных текстильных материалов, основанное на использовании продуктов регулируемого расщепления нецеллюлозных полисахаридов в качестве вторичных реагентов для целевых химических реакций, включая редокспревращения лигнина; разработанные технологические процессы ферментативно-пероксидной подготовки льняного волокна к прядению, биохимического беления и специальной отделки льняных тканей. Апробация результатов работы. Основные материалы диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на следующих международных, всероссийских и межвузовских научно-технических конференциях: Международной научно-практической конференции «Льноводство: реалии и перспективы», г. Могилев, 2008 г.; Международной конференции по химической технологии, г. Москва, 2007 г.; Международной конференции «Прорывные, высокие технологии в производстве текстиля: волокна, красители, ТВВ, оборудование», г. Москва, 2006 г.; Международной научно-методической конференциия «Достижения в области химической технологии и дизайна текстиля, синтеза и применения красителей», г. Санкт-Петербург, 2009 г.; Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль – 2010, 2011), г. Москва; Международной научно-технической конференции «Сегодня и завтра медицинского, технического и защитного текстиля. Роль традиционных и высоких технологий» (Медтекстиль – 2012), г. Москва; Международных научно- 18 технических конференциях «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах», г. Иваново в 2001 г., г. Плес в 2004 г., г. Суздаль в 2007 г.; Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс – 2002, 2004-2008, 2010, 2012, 2013), г. Иваново; Международной научнотехнической конференции «Достижения текстильной химии – в производство», г. Иваново, 2004 г. и 2008 г.; Международной научно-практической конференции «Нано-, био, информационные технологии в текстильной промышленности» (Текстильная химия – 2011), г. Иваново; Всероссийской научной конференции «Химия и технология растительных веществ», г. Уфа, 2008 г.; Конференции РФФИ «Фундаментальная наука в интересах развития критических технологий», г. Владимир, 2005 г.; Всероссийской конференции и II школы «Окисление, окислительный стресс и антиоксиданты», г. Москва, 2006 г.; Межвузовской научнотехнической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые – развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск – 2003-2009), г. Иваново; Региональной конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Крестовские чтения) г. Иваново, 2006 г., 2007 г., 2009 г.; Пущинской школы-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века», г. Пущино, 2006 г.; Международном научно-практическом семинаре "Физика волокнистых материалов" г. Иваново, в 2003-11 г.г. Разработки в области химико-текстильных технологий отмечены двумя золотыми и двумя серебряными медалями на международных инновационных салонах (Брюссель 2002 г., Женева 2006 г., Москва 2006, 2009 г.г.). Личный вклад соискателя в выполнение диссертационной работы состоит в формировании направления исследований, постановке и решении задач, в непосредственном выполнении теоретических и экспериментальных исследований, обсуждении и интерпретации полученных результатов, обобщении и формулировке выводов. Изложенные в диссертации результаты отражают самостоятельные исследования соискателя и его работы, выполненные в соавторстве. Диссертант при- 19 нимал непосредственное участие в опытно-промышленной апробации и реализации разработанной совокупности наукоемких биохимических технологий и комплекса мероприятий по аналитическому сопровождению их использования. Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 177 печатных работах, в том числе глава в 1 коллективной монографии, 41 статья, 30 из которых изданы в журналах, рекомендуемых ВАК РФ, 4 патента РФ на изобретение, 1 учебное пособие, 130 тезисов докладов. Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа содержит: введение, литературно-аналитический обзор, экспериментальную часть с обсуждением результатов, выводы, список литературы (311 наименования) и 4 приложения. Основная часть диссертационной работы изложена на 396 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка и 46 таблиц. 20 ЛИТЕРАТУРНО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЛЬНЯНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ 1.1.Особенности морфологического строения комплексного льняного волокна и структурной организации связующих веществ Общеизвестно, что техническое льняное волокно, поступающее на текстильные предприятия, является многокомпонентной гетерополимерной системой с многоуровневой организацией. Оно представляет собой разделенные и параллелизованные при прочёсе лубяные пучки, состоящие из соединенных клеящим веществом растительных клеток, именуемых элементарными волокнами. Длина комплексов в среднем составляет 500…750 мм, а поперечный размер достигает 300 мкм [4]. Каждый из них содержит 10…30 элементарных волокон, продольный и поперечный размер которых составляет соответственно 10…26 мм и 12…30 мкм [5,6]. Льняные комплексы обладают неоднородным строением, неравномерной толщиной, а также неодинаковой плотностью прилегания растительных клеток. Последнее из отмеченных различий имеет принципиальное значение. В связи с этим требует уточнения распространенное в технической литературе терминологическое объединение всего массива связующих веществ между элементарными волокнами понятием срединные пластинки [7, 8]. Существующие представления не позволяют отразить всей сложности морфологического строения льняных комплексов, и сформированы без учета принятой биологами градации связующих веществ в зависимости от массивности их отложений в структуре растительных тканей [9]. Как показано на схеме, в биологии растений [10] собственно срединными пластинками (1) принято называть лишь тонкие прослойки 1 3 2 клеящих веществ между плотно прилегающими растительными клетками (2). Более крупные отложения связующих веществ, одновременно скрепляющие несколько клеток, получили название межклетных образований (3). 21 Такая структурная организация с полным правом может быть применена и для характеристики строения комплексного льняного волокна, что иллюстрируют имеющиеся в литературе снимки поперечных срезов лубяных пучков (см. рис. 1.1). Рис. 1.1. Микроснимки поперечных срезов технического льняного волокна [7]. Нетрудно видеть, что элементарные волокна, обладая граненой поверхностью, могут очень плотно прилегать друг к другу в лубяном пучке. Толщина разделяющих их срединных пластинок не превышает 100 нм. Наряду с плотноупакованными структурами в льняном комплексе имеются более размежеванные области, заполненные связующим веществом межклетными образованиями, поперечный размер которых, согласно литературным данным и результатам собственных исследований [7,11,12], соизмерим с толщиной элементарного волокна и составляет 1…15 мкм. Представленные на рис. 1.2а снимки внутренней поверхности раздробленных льняных комплексов демонстрируют протяженный характер продольного распространения межклетных образований, скрепляющих группы из плотно соприкасающихся элементарных волокон. а) б) Рис. 1.2. Электронно-микроскопические снимки внутренней (а) и внешней (б) поверхности раздробленного лубяного пучка (СЭМ600) Элементарные волокна льна, как известно, имеют гладкую веретенообразную поверхность и в отличие от волокон шерсти или хлопка не обладают 22 сцепляемостью. В связи с этим в текстильном производстве льняные материалы перерабатываются в виде раздробленных по толщине комплексных волокон. Заметим, что дробление лубяных пучков, осуществляемое в процессе прядения, можно обеспечить с использованием двух вариантов предшествующей деструкции связующих веществ в структуре комплексного волокна. В первом варианте расщеплению нужно подвергать прослойки срединных пластинок, при этом межклетные образования будут выполнять роль скрепляющего элемента в раздробленных комплексах. Такой тип воздействия реализуется при использовании разнообразных химических реагентов, легко проникающих в структуру комплексного волокна благодаря малым размерам молекул, ионов или радикальных частиц. Характеристика их действия применительно к существующим химико-технологическим режимам переработки текстильных полуфабрикатов рассмотрена в разделе 1.3. Во втором варианте подготовки волокна деструкции следует подвергать лишь крупные межклетные образования без повреждения срединных пластинок, которые сохранят связанность элементарных волокон в комплексах меньшей толщины. Подобное, пространственно локализованное воздействие можно обеспечить лишь при создании стерических трудностей для проникновения деструктирующего агента в зону срединных пластинок. Такими реагентами являются, в частности, белковые катализаторы – ферменты, размер глобулы которых исчисляется десятками нанометров. Выявлению закономерностей протекания регулируемой биокатализируемой деструкции примесей льняной целлюлозы посвящена настоящая диссертационная работа, начиная с описания специфики действия ферментов-деполимераз в разделе 2.2. В структуре комплексного льняного волокна необходимо выделить еще одну разновидность примесных образований, именуемых инкрустами. Как показано на рис. 1.2б, в льняных комплексах со стороны внешней поверхности пучка присутствуют остатки камбия и паренхимных тканей, расщепляемых в условиях первичной обработки льнотресты. Показатель содержания инкрустов 23 является одним из основных параметров при оценке качества чесаного льна в соответствии с ОСТ Р 17-05-012-94, его величиной нормируется степень засоренности волокна сопутствующими растительными тканями льняного стебля. Допустимый интервал содержания инкрустов в волокне составляет от 2 до 4,5 % [4, С. 282]. Остатки покровных тканей могут располагаться на поверхности лубяного пучка сплошным слоем (см. рис. 1.3а) и дискретными образованиями (см. рис. 1.3б), цементирующими периферийные группы элементарных волокон [12]. а) б) Рис. 1.3. Отложения инкрустов на поверхности лубяного пучка Уменьшение содержания инкрустов является важным моментом как в процессах первичной обработки растительного сырья для снижения степени засоренности волокна частицами «присушистой костры», так и при подготовке технического волокна к прядению для обеспечения дробимости комплексов, повышения структурной однородности получаемой пряжи и уменьшения ее обрывности. Кроме того, неполное удаление инкрустов может стать причиной неровноты крашения пряжи или тканого полотна. Процесс расщепления окружающих лубяные пучки растительных тканей в англоязычной литературе получил название дегуммирование (degumming обесклеивание). Его связывают, главным образом, с разрушением нейтральных углеводов, которые, как известно, легко разрушаются при нагревании в присутствии щелочных агентов [13,14]. Подобные условия создают, например, при производстве паренцового льняного волокна, обеспечивая повышение хрупкости инкрустирующих налипов и эффективное их удаление при механических воздействиях [7]. Для процессов получения стланцевого и моченцового видов волокна характерно 24 неполное расщепление полиуглеводов, и образующийся на поверхности пучков слой инкрустов отличается повышенной липкостью [15]. Сложность удаления инкрустирующей оболочки отмечается, в частности, в работе индийских ученых [16]. Микроскопический анализ состояния поверхности лубяных пучков подтверждает (см. рис. 1.4), что воздействие раствора щелочи не позволяет очистить поверхность комплексов от остатков растительных тканей стебля. Результаты позволили авторам сделать вывод, что химическими методами добиться полного разрушения инкрустов с сохранением прядомых свойств волокнистого материала практически невозможно. а) б) Рис. 1.4. Состояние поверхности лубяного пучка Grewia optiva перед обработкой (а) и после воздействия растворов NaOH (0,5 M) (б) [16]. Характеризуя химический состав компонентов в структурных образованиях связующих веществ комплексного льняного волокна, целесообразно воспользоваться схемой, представленной на рис. 1.5. Несмотря на различия в строении спутников льняной целлюлозы в подразделяемых зонах отложений, они имеют одинаковую по химической природе полимерную основу: нейтральные полиуглеводы, полиурониды и соединения белковой природы. Основными полимерными компонентами зоны инкрустов являются гемицеллюлозы и пектиновые вещества с сильноразветвленным строением макромолекул. Гемицеллюлозный компонент присутствует в виде смешанных гетерополимеров (прежде всего, -глюканы, галактоманнаны, глюкоманнаны и др.), в которых боковые ответвления присоединены в положениях С3 или С2, имеют различную протяженность и состоят из остатков ксилоз, арабиноз и небольшого количества галактуроновой кислоты. 25 Рис.1.5. Схема химико-морфологического строения комплексного льняного волокна Полиуронидная составляющая инкрустов состоит, главным образом из трех субъединиц – рамногалактуронана, арабиногалактана и ксилогалактуронана, которые присутствуют в различных соотношениях [17]. Присоединение боковых цепей, насчитывающих до 20-ти мономерных звеньев, осуществляется в звеньях рамнозы. В состав ответвлений входят такие моносахариды, как D-галактоза, L-арабиноза, D-ксилоза, Dглюкоза, L-фукоза, D-манноза, D-глюкуроновая кислота, а также D-апиоза, ацеровая кислота (3-С-карбокси-5-дезокси-L-ксило-фураноза), 3-дезокси-D-ликсо- гептулозаровая кислота и 2-кето-3-дезокси-D-манно-октоновая кислота [18,19]. Связанные посредством включения белковых веществ сетчатые структуры гемицеллюлоз и полиуронидов в инкрустах рассматриваются как единая гетерополимерная группа соединений, называемая гумми-веществами [20]. Благодаря высокой аморфности структур выделенные гумми-вещества легко образуют вязкие растворы даже в теплой воде. С точки зрения биохимии растений гумми-вещества представляют собой продукты незавершенного синтеза гемицеллюлоз, либо продукты их частичного гидролиза, что характерно для процессов получения льнотресты. Располагающиеся внутри комплексного волокна межклетные образования по химическому составу также представляют собой сложный углеводнобелковый комплекс, который в отличие от структурной организации инкрустов 26 характеризуется более плотным строением, снижением количества ответвлений и длины боковых цепей в макромолекулах полимеров по мере приближения компонентов соединительных тканей к целлюлозным компонентам волокнистого материала. Это вполне закономерно, учитывая специфику химического взаимодействия высокомолекулярных соединений в зоне рассматриваемых межклетных образований. Методом поляризационной ИК-спекроскопии установлено, что в структуре элементарных волокон гемицеллюлозы ориентированы вдоль оси фибрилл целлюлозы [21,22] с образованием в поверхностном слое регулярной сетки водородных связей между ОН-группами в цепях главных валентностей нейтральных углеводов и макромолекул волокнообразующего полимера. При этом все боковые ответвления гемицеллюлоз имеют характерное одностороннее расположение, ориентируясь в перпендикулярном направлении относительно внешней поверхности макрофибрилл элементарного волокна. Это обусловливает формирование сетки водородных связей между встречно направленными боковыми ветвями соседних макромолекул нейтральных углеводов и параллельно расположенных полиуронидных соединений. Гибкость боковых ответвлений, а также возможность разрыва водородных связей при поглощении влаги обеспечивают определенный уровень подвижности структурных фрагментов комплексного волокна под действием внешних нагрузок, что и положено в основу технологии мокрого прядения льняных материалов. В результате взаимной ориентации пектиновых веществ, нейтральных полисахаридов и гликопротеинов, а также химического взаимодействия их функциональных группировок образуется поперечно сшитая структура углеводно-белкового комплекса межклетных образований. Их разрушение без воздействия на клеточную стенку получило в биологии растений терминологическое понятие «мацерация» [23]. Применительно к процессам переработки лубоволокнистого сырья этот термин употребляется в оценке качества подготовки волокнистого материала. Показатель мацерационной способности характеризу- 27 ет готовность лубяных пучков к дроблению в процессах мокрого прядения и оценивается по снижению разрывной нагрузки прядок технического волокна после увлажнения [24,25]. Тонкие срединные пластинки (см. рис. 1.5) представляют собой прослойки пектиновых веществ, строение которых также меняется по мере приближения к целлюлозным компонентам волокна: уменьшается их разветвленность и повышается степень метоксилирования карбоксильных групп [26]. Они обусловливают прочность адгезионного скрепления элементарных волокон лубяного пучка, что имеет важное значение в технологических процессах переработки технического льняного волокна для предупреждения элементаризации волокнистого материала и непроизводительных потерь сырья с пуховыми отходами прядильного производства. Наряду с углеводными и белковыми соединениями льняное волокно содержит примеси лигнина, особенности структурной дислокации которого в волокнистых комплексах отмечены в выноске на рис. 1.5. Целесообразно подразделять присутствие лигнина в трех структурных зонах, каждая из которых имеет характерные отличия в состоянии полимера. При выращивании льна-долгунца лигнин зарождается в углах клеток элементарных волокон, обеспечивая их продольное скрепление. Такие образования полимера в основании элементарных волокон получили наименование лигниновых спаек. Затем лигнин разрастается вглубь клеточной стенки элементарного волокна и в межклетные образования. При этом находящийся в указанных областях полимер имеет схожую химическую природу, но существенно отличается морфологической структурой. Спайки содержат небольшие включения полиуглеводных соединений, химически взаимодействующих с функциональными группировками лигнина и обеспечивающих определенный уровень упруго-деформационной способности стыковых креплений, благодаря чему предупреждается их хрупкое разрушение в процессах кручения пряжи. Данные структурные области нельзя подвергать деструкции в процессах обработки волокна, поскольку вместо обеспечения 28 продольного дробления пучков на более тонкие комплексы это приведет к уменьшению их длины. Основное количество лигнина в лубяном пучке приходится на фракцию, дислоцированную в зонах одревеснелых межклетных образований, где формируются локальные области полимера, называемые лигнинсодержащими одревеснениями [27]. Повышенное их содержание характерно для комлевой части стебля растения. В отличие от стыковых спаек лигнин в этих областях обладает жестко сшитой сетчатой структурой 28,29. Присутствие одревеснений существенно ухудшает прядильную способность волокна, повышают неровноту и обрывность пряжи [7], а также затрудняет получение необходимого уровня белизны и мягкости тканых полотен. Следовательно, эта разновидность лигниновых образований должна подвергаться разрушению в технологическом цикле облагораживания текстильных полуфабрикатов. Вместе с тем целесообразно избегать деструкции лигнина в выше рассмотренных зонах стыковых спаек, а также в клеточных стенках элементарного волокна, где полимер обладает существенными отличиями химической и морфологической структуры. В структуре первичной клеточной стенки элементарных волокон лигнин находится в аморфном состоянии 22. Взаимодействуя с гемицеллюлозами (преимущественно на основе β-ксиланов) и пектином с высокой степенью метоксилирования он образует редко сшитый лигноуглеводный комплекс 30,31. Наличие лигнина в первичной клеточной стенке обеспечивает гибкость элементарных волокон и качество крутки пряжи [32]. Лигнин вторичной стенки взаимодействует с гемицеллюлозами, образуя редко сшитый лигноуглеводный комплекс, который оказывает важное положительное действие на механические свойства волокон, в частности, повышает устойчивость их к деформации, не снижая гибкости [33]. Таким образом, с учетом современных представлений о строении растительных тканей предлагается 6-уровневая градация связующих веществ в зависимости от массивности их отложений в волокнистой матрице лубяных пучков 29 (см. рис. 1.5.). Первые три структурные составляющие комплексного льняного волокна образованы преимущественно полиуглеводными соединениями, а три другие представляют собой лигнинсодержащие гетерополимерные системы: 1) инкрусты – остатки паренхимных тканей льняного стебля; 2) межклетные образования – связующие вещества с поперечными размерами до 1…15 мкм в зонах некомпактного расположения элементарных волокон; 3) срединные пластинки – прослойки толщиной не более 100 нм, соединяющие плотно прилегающие клетки элементарных волокон; 4) лигнинсодержащие одревеснения – автономные локальные области полимера, дислоцированные в межклетных образованиях; 5) стыковые спайки элементарных волокон – лигнин в заостренных окончаниях растительных клеток, обеспечивающий их продольное скрепление; 6) лигноуглеводный комплекс клеточной стенки, обеспечивающий аморфность и гибкость элементарных волокон. Для рационального построения технологических процессов текстильного производства первостепенное значение имеет информация о содержании и составе полимерных спутников целлюлозы в поступающем лубоволокнистом сырье, их распределении между структурными образованиями связующих веществ в комплексном волокне и влиянии на совокупность технологических характеристик текстильных полуфабрикатов. В свете предложенной структурной организации технического льняного волокна можно признать целесообразным максимально полное разрушение в условиях подготовки волокна к прядению массивных фрагментов инкрустов и лигнинсодержащих одревеснений с обеспечением сохранности стыковых спаек и лигноуглеводного комплекса элементарных волокон. Альтернативному или, по крайней мере, дозированному расщеплению должны подвергаться полимерные компоненты срединных пластинок и межклетных образований. 30 1.2. Закономерности влияния состава полимерных примесей на изменение физико-механических свойств льняного волокна В развитии исследований, посвященных изучению полимерного состава льноволокнистых материалов, этап наибольшей активности пришелся на период 40…70-х годов прошлого столетия. Анализ химического строения льняного сырья осуществлялся с учетом применяемых сортов льна-долгунца и способов его обработки [34-37]. При этом уже в средине 60-х годов ученые пытались установить влияние спутников целлюлозы на процесс прядения и качество формируемой пряжи. Однако в оценке необходимой степени извлечения примесных соединений использовались преимущественно качественные характеристики без выявления количественных критериев оптимального содержания спутников льняной целлюлозы в лубоволокнистом сырье и поэтапного их извлечения на последовательных стадиях обработки текстильных полуфабрикатов. В последние десятилетия этому вопросу уделяется крайне мало внимания. В научной и учебной литературе [2,5,8] сведения о полимерном составе даются, как правило, в общем усредненном виде и не отражают диапазоны реального варьирования количества примесей и их распределение в структуре льняного сырья и волокнистых материалов. В нормативной документации в настоящее время содержание волокнообразующего и сопутствующих полимерных компонентов не регламентируется [38-41]. В частности, основными критериями сортоиспытания чесаного льна являются показатели разрывной нагрузки и гибкости льняных прядок в сочетании с массовой долей инкрустов, строгое математическое описание взаимосвязи между которыми отсутствует, а также малоинформативные характеристики содержания в волокне пороков (недоработки, костры и шишек), связь которых с прочностными и структурными параметрами объектов абсолютно не прослеживается. В своих исследованиях мы придерживаемся главного и общего для всех областей химии и химической технологии постулата: свойства материалов определяются их составом и химическим строением. Вопросы о роли нецеллюлозных компонентов льна рассматриваются лишь в немногочисленных исследова- 31 тельских и диссертационных работах [3,13,22,42-44]. Литературные сведения и результаты собственных исследований содержания главных составляющих гетерополимерных систем обобщены в табл. 1.1. Таблица 1.1. Основной полимерный состав льняного волокнистого сырья и его изменение в полуфабрикатах на различных стадиях обработки Вид волокнистого сырья и текстильных полуфабрикатов Содержание основных полимерных компонентов, масс.% гемицеллю- пектиновые целлюлоза лигнин лозы вещества солома 54,5[45]- 62,8[46] луб 53,8[22]-63,4[45] 65,2*-69,05[22] лен 70,3-73,7[22] трепаный 68,0-71,9[22] 71,1-72,2[3]; грубое лен 74[48] чесаный ср. мягкости 76,2[48] (стланец) мягкое 80[48] 65-69,2[3]; очес грубое 66*-69* льняной мягкое 70*-72* стланец моченец паренец ровница, (стланец, средней мягкости) ткань из полубелой пряжи суровая 71,7 -72,9[48] подготовлен80,0[44]- 87[48] ная ГПБ 93,2[48] 17,1[46]-25* 4,2[46]-5,06[45] 19,2-20[45] 11,0[22]; 6,0[48]5,1-14,5[47]; 14,1-21,5[47] 8,0[48,45] 15-17[3]; 10,8-12,9[3] 7,7-8,9[3] (2,0[45]; 4,0[48]) 11,79[22]-20,0* 1,88[22]-5,0* 2,14[22]-8,1* 9,09-13,1 [22] 1,79-4,3 [22] 2,06-7,6 [22] 4,9-8,4 [22] 3,46-8,0 [22] 3,42-10,4 [22] 18,5-21,6[3]; 2,8-4,9[3]; 4,2-7,2[3]; 7,5[22,44] 4,0[48] 6,4[48] 7,7* 3,2[48] 5,5[48] 7,9[22,44] 2,8[48] 4,6[48] 22,1-25,5[3]; 2,1-5,4[3]; 7,2-9,8[3]; 12*-13* 4,0*-4,5* 8*-12* 9*-10* 3,9*-3,5* 4,0*-5,0* 3,3-3,8[3]; 2,18-3,7[3]; 4,6-5,9[3] 8,7[44]; 10,7[22] 2,18-3,7[48] 4,6-5,42[48] 2,5-3,3[3]; 0,35[48] -1,8[3] 2,84[44]-4,0[3] 5,73[45]; 0,16[44] 7,3[44]-8,1[22] 1,8-2,2[3] 0,1-0,5[3] 0,13[48] 0,5-1,7[3] 1,66[48] Примечания: в квадратных скобках приведены литературные источники; цифры со звездочкой – результаты собственных исследований; в скобках указано содержание лигнина после полной очистки луба от костры; ГПБ - гипохлоритно-пероксидное беление. Как видно из представленных данных, указываемые исследователями значения содержания полимеров в определенных видах льняных полуфабрикатов существенно варьируют. В некоторых случаях различия достигают десятич- 32 ного порядка, и это нельзя отнести к неточностям определения. Бесспорной первопричиной наблюдаемых отклонений является природная нестабильность состава растительного сырья и продуктов его переработки. Это наглядно демонстрируют результаты проведенной нами совместно с сотрудниками ВНИИльна (г. Торжок, Тверской обл.) оценки свойств льноволокнистых материалов пяти селекционных сортов льна-долгунца, выращенных на опытных полях ВНИИльна (Тверская обл.) и НИИСХ (Костромская обл.). Режимы подготовки к анализу образцов волокна селекционных сортов льна-долгунца и методы их исследования описаны в приложении 1 (разделы П1.2, П1.6). После теребления льна экспериментальные партии льносоломы подвергнуты расстилу стеблей на льнище, где каждый экспериментальный участок характеризуется своим составом почвенной микрофлоры, либо тепловой мочке при сопоставимых условиях воздействия термофильных анаэробных бактерий мочильной жидкости, а также механическому выделению луба без биологического расщепления растительных тканей стебля. Результаты анализа полимерного состава сопоставляемых образцов льняного волокна с дифференциацией данных для комлевой, вершинной и срединной зон льняного стебля суммированы в табл. П2.1 приложения 2, а также опубликованы в работах [47, 49-51]. Исследования показали, что образцы трепаного льна, подвергнутые ручному гребенному прочесу характеризуются интервалами варьирования содержания целлюлозы от 57,6 до 66,5 %, пектина 2,1…8,3 %, гемицеллюлоз 10,9…17,9 % и лигнина 5,0…14,0 %. Причем состояние гетерополимерных систем определяется совокупностью разнообразных факторов, в том числе: генетическая природа льна-долгунца – например, результаты биосинтеза целлюлозы в образцах луба разных селекционных сортов, выращенных на тверском опытном участке, варьируют от 57,7 % до 63,5 %, а содержание лигнина в костромских образцах луба колеблется в интервале 8,1…14,5 масс.%; условия онтогенеза растения (свойства почвы, климатический режим) в образцах луба с костромского участка массовая доля пектиновых веществ, трансформирующихся в процессе онтогенеза в нейтральные полисахариды, для сорта Мо- 33 гилевский-2 в 1,5 раза выше уровня тверского аналога (5,2 и 7,5 масс.% соответственно); в костромских образцах для всех сортов превышение содержания лигнина достигает 1,5…2 раза в сравнении с тверскими аналогами; расположение по зонам льняного стебля – вершинная часть характеризуется повышенным содержанием нецеллюлозных полисахаридов, комлевая часть – большей степенью одревеснения, то есть более высокой массовой долей лигнина; способ биологического получения льнотресты – в тверских образцах лучшие результаты расщепления пектиновых веществ обеспечивает способ лугового расстила, для костромских образцов – способ тепловой мочки, различия степени извлечения полиуронидов составляют от 1,5 до 5 раз; тепловая мочка практически не обеспечивает расщепления лигнина и может применяться лишь для переработки низколигнифицированного сырья; состав почвенной микрофлоры – на тверском участке практически отсутствуют лигнинразрушающие микроорганизмы, в то время как в костромских образцах стланцевого волокна содержание лигнина снижается в 1,3…1,9 раза относительно уровня механически выделенного луба. Наш многолетний опыт изучения химико-морфологических свойств широкого спектра селекционных сортов льна-долгунца [52-54] показывает, что изменение содержания спутников целлюлозы отражается на уровне физикомеханических свойств льняных волокнистых материалов, а, следовательно, и на качественных показателях текстильных полуфабрикатов и готовой продукции. Данная концепция поддерживается рядом зарубежных и отечественных ученых. В частности, в работах А.Н. Иванова [22] показано, что снижение в волокне пектиновых веществ сокращает обрывность пряжи в 1,2…3,1 раза и улучшает перерабатывемость полуфабриката. Вместе с тем низкую прядильную способность паренцового волокна автор связывает с высоким извлечением гемицеллюлоз. Для выявления роли полимерных компонентов в изменении важнейших технологических свойств чесаного волокна нами проведен сравнительный анализ химического состава и физико-механических свойств образцов льняного волокна, 34 представленных в полном объеме в табл. П2.1 приложения 2. Поиск возможных вариантов зависимости свойств волокна от содержания отдельных компонентов в составе лубяного пучка позволил выявить наличие и основной характер корреляций. В частности, как следует из приведенных на рис. 1.6 данных, в изменениях гибкости волокна (ГЧЛ) отчетливо прослеживается монотонное снижение показателя по мере увеличения количества гемицеллюлозных соединений (Гц) и замедляющийся характер падения с ростом содержания лигнина (Л), асимптотически приближающегося к минимальному уровню. В то же время, контролируемое свойство волокна не поддается описанию при индивидуальном учете долевого содержания пектиновых веществ (П). Это позволяет предполагать о преимущественном влиянии на данный качественный показатель первых двух видов полимерных спутников целлюлозы, предопределяющих широкие интервалы разброса точек при сопоставимом содержании полиуронидов в структуре материала. а) б) в) Рис. 1.6. Отображение совокупности данных гибкости (Г) льняных комплексов при соответствующих значениях массовой доли гемицеллюлоз (а), лигнина (б) и пектиновых веществ (в) При построении многопараметровой математической модели, описывающей комплексное влияние содержания полимерных спутников целлюлозы на сопротивляемость материала изгибающим нагрузкам, наилучший вариант аппроксимации экспериментальных данных дает зависимость следующего вида: ГЧЛ 291,37 2,2399 Гц 48,6781 Л 2,5858 Л 2 , R 0,9775 (1.1) 35 Сравнительный анализ причленных множителей в слагаемых корреляционного уравнения позволяет выявить первостепенную роль повышения полноты расщепления в процессах первичной обработки льняного сырья нейтральных полисахаридов, составляющих основу гумми-веществ в паренхимных тканях льняного стебля. Недостаточное разрушение гемицеллюлоз обусловливает наличие на поверхности выделенных лубяных пучков инкрустирующего слоя остатков паренхимы, который препятствует дроблению льняных комплексов, повышает жесткость чесаного волокна и вследствие высокой адгезионной способности обеспечивает закрепление частиц присушистой костры. Вместе с тем экстремальный характер влияния массовой доли лигнина обусловлен высокой чувствительностью показателя Г к содержанию полимера в межклеточных образованиях льняных комплексов ( 8 масс.%) и малой его зависимостью при более высоких значениях Л, связанных с присутствием в материале примесей древесной костры. Аналогичным образом осуществлен выбор формы зависимости, описывающей влияние полимерного состава выделяемого лубоволокнистого сырья на показатель линейной плотности чесаного волокна (ТЧЛ, Текс): Т ЧЛ 3,2508 0,1482 Гц 0,5119 П 0,1225 П 2 , R 0,9575 (1.2) Уравнение подтверждает, что расщепляемость лубяных пучков в процессе чесания будет возрастать, а линейная плотность образующихся комплексов, соответственно, понижаться при повышении полноты разрушения паренхимных тканей стебля и, в частности, гемицеллюлоз. При этом расщепление пектинов, являющихся клеящей основой связующих веществ, должно ограничиваться определенным оптимумом, предупреждающим элементаризацию технического волокна, что отражается полиномиальным видом зависимости 2-й степени по данной полимерной составляющей. Прочностные свойства волокнистого материала поддаются лучшей аппроксимации в виде приведенного показателя – удельного разрывного усилия льняных комплексов (РУ). Как следует из данных рис. 1.7, в изменении величины РУ имеются четко выраженная линейная корреляция с содержанием пектиновых веществ и тенденция к экстремальному виду зависимости от массовой доли лигнина, а также трудно выявляемый характер влияния степени деструкции гемицеллюлозных соединений в инкрустирующих лубяные пучки паренхимных остатках. 36 а) б) в) Рис. 1.7. Совокупность данных удельного разрывного усилия льняных комплексов (РУ) при соответствующем содержании пектиновых веществ (а), лигнина (б) и гемицеллюлоз (в) Вместе с тем корректно описать состояние волокна во взаимосвязи только с содержанием лигнина и пектиновых примесей не удалось. Высокую степень корреляции изменения прочностных свойств комплексного волокна дает соотношение, позволяющее учесть варьирование общего количества спутников, то есть с учетом изменения массовой доли целлюлозы (Ц): РУ Р 29,1085 0,9098Ц 0,0147 Ц 2 0,4504П 0,5126 Л 0,0302 Л 2 ; R 0,9982 (1.3) Т Из зависимости следует, что более существенное снижение удельного усилия разрыва комплексного волокна, отражающее легкость дробления пучков в прядении, достигается с уменьшением общего количества примесей, т.е. с повышением массовой доли целлюлозы и определяется, прежде всего, деструкцией пектиновых веществ и лигнина. Представление влияния основного волокнообразующего полимера полиномом 2-й степени оправдано, поскольку повышение показателя после экстремума попадает на область выше 90 %-ного содержания целлюлозы, что характерно для состояния элементарных волокон, которые обладают значительно более высокими прочностными показателями в сравнении с уровнем значений для льняных комплексов. Наряду с общенаучной ценностью подтверждения определяющей роли полимеров комплексного льняного волокна на его физико-механические свойства полученные зависимости имеют важное практическое значение для про- 37 гнозирования прядильной способности волокна. Согласно рекомендациям ГНУ ВНИИЛК [55] качество волокна оценивается по расчетному показателю добротности пряжи Др (км или сН/Текс), который зависит от исследуемых технологических свойств чесаного льняного волокна по уравнению: Др = 2,1 + 0,2РУ + 0,1ГЧЛ + 0,013ТЧЛ (1.4). На основании представленной зависимости (1.4) и частных решений (1.1) – (1.3) получена математическая модель «состав-свойство» для описания эффективности процессов первичной обработки лубоволокнистого сырья по результатам анализа его полимерного состава: Др 21,5232 0,1817Ц 0,0013Ц 2 0,0952П 0,0002П 2 1,6582Л 0,0791Л 2 0,3301Гц, R 0,9859 (1.5). Полученная многопараметровая зависимость позволяет получать значения контролируемого показателя, которые согласуются с результатами расчета добротности пряжи по данным анализа физико-механических свойств чесаного волокна при удовлетворительной степени корреляции (см. табл. П2.1 приложения 2). Модель позволяет согласовать пути усовершенствования процессов первичной обработки лубоволокнистого сырья, а также оптимизировать условия биодеструкции примесных соединений при реализации технологий получения льняного волокна и последующего его прядения. Таким образом, в ходе исследований экспериментально обоснована определяющая роль полимерных компонентов в изменении важнейших технологических свойств чесаного волокна с выявлением закономерностей «составсвойство» для описания эффективности процессов первичной обработки льняного сырья. Результаты широкомасштабных исследований влияния генетической природы селекционных сортов льна-долгунца, условий онтогенеза растения в северных льноводческих регионах России и биологических методов выделения льнотресты на формирование полимерного состава лубяных пучков и физико-механические свойства чесаного льняного волокна являются фундаментальной базой для построения технологий производства высококачественной текстильной продукции с учетом предыстории получения льняного сырья. 38 1.3. Основы химико-технологических процессов облагораживания льняных текстильных материалов Сущность и задачи химических методов переработки льняных текстильных полуфабрикатов целесообразно рассматривать с учетом уточненных в разделе 1.1 представлений о морфологии технического льняного волокна и роли различных структурных образований связующих веществ в обеспечении связанности элементарных волокон в раздробленных комплексах, определенный уровень которой должен поддерживаться во всей цепочке облагораживания текстильных материалов. Вполне очевидно, что обладающие малыми размерами молекулярные, ионные или радикальные формы химических реагентов не испытывают пространственных ограничений для проникновения в капиллярно-поровую структуру волокнистого материала и их действию одновременно подвергаются полимерные компоненты во всех структурных зонах связующих веществ. При этом наиболее полное расщепление претерпевают образования с наименьшей массивностью. В поперечном направлении лубяного пучка таковыми являются срединные пластинки между плотно прилегающими элементарными волокнами. Схематическое изображение результата дефрагментации лубяного пучка в случае химических способов подготовки волокнистого материала к прядению, представленное на рис. 1.8, подкреплено соответствующими микроскопическими снимками состояния льняных комплексов в образцах исходной ровницы и подвергнутой щелочно-пероксидной обработке. Дробление технического волокна на более тонкие комплексы, которые обеспечат необходимый уровень линейной плотности формируемой пряжи, достигается за счет деструкции связующих веществ в зонах срединных пластинок. Соединение элементарных волокон в раздробленных комплексах обеспечивают менее расщепленные межклетные образования. В определенной степени эту функцию выполняют и нерасщепленные компоненты углеводно-белкового комплекса инкрустов, обеспечивающих скрепление группировок элементарных волокон на периферии дробимого лубяного пучка. Однако, в связи с различиями толщины отложений, инкрусты являются одной из причин неравномерного дробления пучков и колебаний структурных характеристик получаемой пряжи. 39 Рис. 1.8. Вид поперечных срезов комплексного льняного волокна в образцах неподготовленной ровницы (а, в) и его дробление после щелочной варки (б, г): а) б) в) г) 1- срединные пластинки; 2- межклетные образования; 3- инкрусты Выбор технологических режимов переработки текстильных полуфабрикатов должен учитывать необходимость компромиссного решения задачи деструкции лигнина в одревеснелых межклетных образованиях в сочетании с сохранением продольного скрепления элементарных волокон лигниновыми спайками и минимальным повреждением лигноуглеводного комплекса клеточной стенки. В связи с этим вопрос о полной делигнификации не ставится в задачи переработки льняных полуфабрикатов. Деструкция полимера должна обеспечить уменьшение его гидрофобизирующего влияния, жесткости материала и окрашенности. Такая специфика задач льняного производства предопределяет возможность использования тех же приемов хемокатализируемой гидролитической деструкции и окислительно-восстановительных превращений примесных соединений, что и в процессах переработки древесного сырья или облагораживания хлопчатобумажных текстильных материалов. Однако если для последних объектов предусматривается максимально полное извлечение примесей, то переработка льняных текстильных полуфабрикатов ориентирована на сохранение части полимерных спутников, что показано данными для подготовленной ровницы и отбеленой ткани в выше приведенной табл. 1.1. Несмотря на изначально большее содержание нецеллюлозных компонентов в льняных волокнистых материалах, традиционные методы их химической модификации базируются на применении более мягких концентрационных режимов обработки в сравнении с подготовкой хлопчатобумажных тканей. При этом используется прием многократного чередующегося деструктирующего воздействия различных видов реагентов. Деполимеризацию компонентов углеводно-белкового комплекса обеспечивают обработки щелочными растворами. В этих условиях гидролитической де- 40 струкции полимеров предшествуют реакции распада межцепных водородных связей [56], разнообразие которых в системе представлено взаимодействиями с участием гидроксильных группировок пиранозных звеньев (1.6), карбоксильной группы звеньев галактуроновой кислоты (1.7) и ее метоксилированной формы (1.8): H H C O H … H O C C H … O O H H H C O C 6 C 5 5 C C O O C H H …H H O … 6 C O H H …O C6 C 5 H , (1.6) (1.7) (1.8) а также карбонильных и иминогрупп в макромолекулах белковых веществ (1.9)-(1.12): H H C O H H C …O C H N R H …O OH …O H C O C H C 5 6 C N H R O …O C 6 C 5 CH CH (1.9) (1.10) (1.11) (1.12) В полиуронидах процессы разрыва водородных связей сопровождаются деметоксилированием звеньев (1.13) и разрушением хелатных связей (солевых мостиков) между макромолекулами (1.14): H H C H … C H O O C 5 6 C O OH CH 3 OH C 5 6 C H C H O= C-O O O= CO H C C C O H O Ca OH Ca(OH )2 H C O O= CO + O= CO H C C H O (1.13) (1.14) Деструкция глюкозидных связей в полимерных цепях гемицеллюлоз и полиуронидов имеет ряд характерных закономерностей, обусловленных спецификой их строения и, прежде всего, наличием в их макромолекуле концевого редуцирующего звена в альдоприранозной форме, начиная с которого происходит процесс отщепления [56,57]. Принципиальное значение имеет место присоединения боковых ответвлений и каждого последующего звена в цепи главных валентностей. При этом скорость деструкции глюкозидных связей убывает в ряду: (1→3)-связь (1→4)- и (1→6)- связи (1→2)-связь [57]. На примере арабиноксилана (1.15) и рамногалактуронана (1.16) последовательность актов гидролитической деполимеризации может быть представлена следующим образом: 41 арабиноксилан 4 ) D Xyl 3 ... ... 4 ) D Xyl ( 1 ( 1 4 ) D Xyl ( 1 4 ) D Xyl 1 3 4 ) D Xyl 4 ) D Xyl 1 а кт 1 L Ara ( 1 ... 4 ) D Xyl ( 1 4 ) D Xyl 1 ( 1 4 ) D Xyl ( 1 4 ) D 4 ) D Xyl 3 ... 3 Xyl 2 а кт 1 L Ara D Xyl + 4 ) D Xyl 3 ... ... 4 ) D Xyl ( 1 4 ) D Xyl ( 1 4 ) D Xyl ( 1 4 ) D 3 акт 1 L Ara Xyl . .. D Xyl - ксилоза L Ara - арабиноза (1.15.) р а м н о га л а к т у ро н ан 4 ) D GA (1 2) L Ram (1 n 4 ) D Gal (1 ... 2) L Ram (1 3 4) D GA (1 1 ак т 1 4 ) D Xyl n а кт 4 ) D GA ... ... (1 2 ) L Ram (1 n 2 ) L Ram 3 + n ( D GA) 1 4) D Xyl 4 ) D Gal (1 4 ) D GA n . .. ... n + 1 а кт 4 ) D GA ... (1 + ... 4) D Gal (1 2 ) L Ram (1 n 2 ) L Ram 4) D Xyl n + 2 -о й а кт n + 3 -и й а кт . .. D Xyl Gal + ... + D + ... 4) D GA 2 ) L Ram (1 (1 2 ) L Ram n n i а кт n i + 1 а кт ... (1 + L Ram 4 ) D GA n n i + 2 а кт . .. D GA- галактуроновая кислота L Ram - рамноза D Gal- галактоза (1.16.) Присутствующие в льняном волокне разновидности нейтральных полиуглеводов подобно представленному на схеме арабиноксилану имеют в цепи глав- 42 ных валентностей тип глюкозидной связи (1→4). При последовательном отщеплении мономерных звеньев от редуцирующего конца и подходе к месту ветвления первоочередным актом является разрыв связи (1→3), присоединяющей боковую цепь. После чего оба фрагмента претерпевают одинаковые дальнейшие превращения до подхода в основной цепи к очередному месту ветвления с циклическим повторением 2-го и 3-го актов деполимеризации. При щелочном гидролизе пектиновых веществ имеем аналогичную совокупность актов деструкции главной цепи рамногалактуронана на подходе к месту присоединения к звену рамнозы бокового ответвления, отрыв которого идет с опережающим темпом. Далее, в отличие от деструкции гемицеллюлоз, гидролиз образовавшихся фрагментов идет с разными скоростями и притормаживается в основной цепи на рамнозных звеньях, присоединяемых наиболее устойчивым типом глюкозидной связи (1→2). Устойчивость к гидролизу глюкозидных связей в цепи рамногалактуронанов зависит также от степени метоксилирования карбоксильных групп [58]: высокометоксилированный пектин, преимущественно дислоцирующийся в зонах срединных пластинок, легче подвергается деструкции, чем низкоэтерифицированные разветвленные формы полимера, преобладающие в удаленных от целлюлозных фибрилл межклетных образованиях и инкустирующих остатках. Щелочная деструкция протекает не только в полисахаридах, гидролизу подвергаются и полипепидные связи макромолекулярных цепей белковых веществ и глюкопротеинов. В результате этого обеспечивается расщепление полимерных спутников целлюлозы с образованием смеси из мономерных и олигомерных фракций, экстрагируемых из волокнистого материала. В отличие от указанных полимерных систем с относительно низкой степенью полимеризации линейные цепевидные макромолекулы целлюлозы более устойчивы к воздействию щелочей, что связывают с меньшим удельным содержанием концевых звеньев в редуцирующей форме [59,60]. Вместе с тем во избежание протекания деструктивных процессов в целлюлозе щелочность технологических растворов поддерживают на уровне рН, не превышающем 12 ед. Наряду с расщеплением полиуглеводов щелочная среда создает условия для осуществления частичной деполимеризации лигнина в результате сольволити- 43 ческой деструкции (сольволиза), что повышает его растворимость. Как показано на схеме, реакция протекает по нуклеофильному механизму с разрывом простых эфирных алкиларильных связей между фенилпропановыми единицами [61,62]: CH 2OH O HC CH L HC CH 2OH O +OH O HC CH OCH HC HC ... O O CH 2OH CH L CH 2OH HCOH + + OCH OCH 3 CH 2OH O O OH L CH 2 OH CH O ... ... O L ... ... ... L CH 2OH CH HCOH HC HCOH OCH O 3 O O O 3 3 (1.17) O Для усиления эффективности процесс могут проводить в сочетании с обработкой восстанавливающими агентами [44,48,63,64]. В качестве восстановителя применяют, как правило, сульфит или бисульфит натрия, широко используемые для реализации сульфитной варки в целлюлозно-бумажном производстве. Существуют рекомендации по применению также более сильных восстановителей, таких как сульфид натрия, ронгалит (гидроксиметилсульфинат натрия), тиомочевина, диоксид тиомочевины, борогидрид натрия [65-67], антрахинон и его производные [68-70]. На примере гидроксиметилсульфината натрия [71] редокс-реакции с участием ненасыщенных С=О группировок, содержащихся в структуре бензольного кольца и фенилпропановых цепей лигнина иллюстрируют схемы [62,72]: O ... L Н C OC H 3 H 2 COH C ... L O HCOH Н HCOH SO 2 O OC H 3 H 2 COH Н OC H 3 H 2COH 2 C O C O OН O ... L HCOH OC H 3 OН O C SO 2 2 ; - SO 2 OC H 3 H 2 COH ... L Н (1.18) - SO 2 OC H 3 OН OН При использовании серосодержащих восстановителей, также как и при воздействии растворов серной кислоты протекают реакции сульфитирования, которые играют большую роль в химии лигнина и процессах переработки лигноцеллюлозного сырья. Как известно [62,73,74], они основаны на протекании нуклеофильного замещения у -атома углерода пропановой цепи, когда субстрат содержит свободный фенольный гидроксил в n-положении к реакционному центру: OCH 3 OCH 3 H 2 COH Н OН C O C Н Н C H 2 COH C O Н O L ... L CH 2OH CH HCOH ... L C SO 3 H SO 4 H - (SO 3 H - ) OCH 3 OCH 3 OН OН C (1.19) 44 Присоединяющиеся сульфогруппы придают водорастворимость мелкодисперсным образованиям лигнина. Среди окислительных агентов наиболее высокую эффективность деструкции лигнина при минимальном повреждении целлюлозы обеспечивает воздействие хлорсодержащих соединений, в частности хлорита и гипохлорита натрия. Согласно современным представлениям, они оказывают на лигнин хлорирующее и окисляющее действие. Сначала идет быстрая реакция электрофильного замещения водорода в бензольном кольце на хлор, а затем более медленное окисление ароматических циклов с разрушением их структуры в молекуле лигнина [62,75]: L ... L ... ... L ... L CH 2OH HC O HCOH CH 2OH HC O HCOH CH 2OH HC O HCOH CH 2OH HC O HCOH OCH 3 OH ClO - ClO -CH 3 OH OCH 3 Cl OH Cl O ClO Cl O (1.20) COOH COOH В сочетании с протекающими в щелочной среде реакциями сольволиза простых эфирных связей эти превращения значительно уменьшают размер макромолекул лигнина, повышая их растворимость в щелочи или в воде. Менее эффективной, но более экологичной считается окислительная деструкция лигнина в растворах пероксида водорода. Непосредственно молекулярный пероксид водорода почти не оказывает отбеливающего действия [76]. Процесс вызывается и регулируется созданием требуемого значения рН среды и введением в технологический раствор добавок, обеспечивающих пролонгированную ионизацию молекул пероксида. Являясь слабой двухосновной кислотой, пероксид водорода способен диссоциировать в воде с образованием пергидроксил-ионов НО2. В щелочной среде процесс электролитической диссоциации усиливается и раствор обогащается ионами НО2 благодаря связыванию протонов водорода гидроксильными анионами: H2O 2 + HO - HO2- + H2O . (1.21) Образующийся в результате реакции пергидроксил-анион катализирует разрушение алифатических или ароматических двойных связей хромофорных систем хинонных (хромофорных) структур лигнина, способствуя его обесцве- 45 чиванию [46]. Согласно современным представлениям окисление лигнина в щелочной среде под действием гидропероксидных анионов осуществляется с участием ароматических фенольных и пропановых структур [77,78]. При этом механизм протекания реакций определяется величиной рН раствора [2,79]. В частности при реализации процессов подготовки ровницы к прядению, для которых характерно поддержание щелочности на уровне рН 10…12, преобладает радикальный механизм окисления лигнина. Стадия разрушения фенольных звеньев состоит в нуклеофильном присоединении ионов ОН– к δ–-положениям структурных единиц лигнина, содержащих метоксильные группы, введении гидроксильных групп в ароматическое кольцо, окислительном деметилировании и раскрытии ароматического кольца [78,80]: L HCOH O ... HO 2 OCH 3 L ... ... CH 2OH O HC CH 2OH HC O HCOH O L ... L CH 2OH HC O HCOH CH 2OH HC O HCOH (1.22) СH 3OH OH OCH 3 COOH COOH O O Поскольку данный вид превращений претерпевают только фенилпропановые звенья, находящиеся в свободной фенольной форме, принципиальное значение имеет увеличение их содержания в волокне в результате описанной выше сольволитической деструкции в щелочной среде (1.17), что способствует более глубокому протеканию окислительных преобразований хромофорных структур полимера в условиях пероксидной обработки. Параллельно идут окислительные процессы в пропановых фрагментах лигнина по реакции [80,81]: O CHR HO 2 O CH H 3CO OH O L ... O - H 2O C H 3CO CH C O C R O L CHR O OH H3CO CH L HO - H 2O C O O H 3CO C(OH 2)R - H 2O O C R L O L ... OH CH ... CH ... O H3CO O CH 2 C R (1.23) ... Этот этап заканчивается окислением -углеродного атома фенилпропановых единиц с возможным расщеплением β-арилэфирных связей и ретроальдольным распадом структур под действием гидроксильных анионов, генериру- 46 емых в щелочной среде. При этом интенсивной деполимеризации лигнина в этих условиях не происходит. Многостадийное проведение технологических процессов облагораживания льняных текстильных материалов начинается в цикле подготовки волокна к прядению и завершается на этапе беления и отделки тканей [5,8,48]. Автором проведена систематизация химико-технологических режимов в цикле облагораживания текстильных полуфабрикатов в зависимости от вида волокнистого материала и выпускаемого ассортимента. Схема представлена на рис. 1.9. Рис.1.9. Классификация технологических вариантов облагораживания льняных текстильных полуфабрикатов Согласно представленной классификации каждый этап облагораживания льняных текстильных материалов направлен на решение определенных технологических задач. При подготовке волокна необходимо повысить прядильную способность полуфабриката, т.е. обеспечить при формировании пряжи равно- 47 мерность дробления лубяных пучков на более тонкие комплексы. При этом важно максимально повысить выход продукта и его прочностные характеристики. В отделочном производстве основными задачами этапа облагораживания тканей являются достижение требуемого уровня основных потребительских качеств (капиллярности и белизны) на стадии их подготовки и беления, а также придание им специальных свойств (мягкость, драпируемость, формоустойчивость, малоусадочность и др.) при последующей заключительной отделке. 1.3.1. Анализ способов химической подготовки льняного волокна к прядению В настоящее время выбор технологических режимов подготовки льняной ровницы основывается не на количественных характеристиках полимерного состава волокнистого материала, а на качественных критериях степени его огрубления. В зависимости от сортности (номера) технического (чесаного) волокна, регламентирующего его засоренность, и от доли вложения низкономерных видов сырья в перерабатываемые волокнистые смески принято льняную ровницу подразделять на три вида: из мягкого волокна, средней мягкости и грубого. Несмотря на декларируемое требование частичного извлечения полимерных спутников целлюлозы, изменение их содержания в ходе обработки также не регистрируется. Степень их извлечения контролируется лишь по общему показателю убыли массы волокна, которая не должна превышать 20%. Классическим вариантом подготовки к прядению льняной ровницы из волокна мягких видов и средней мягкости является двухстадийный способ щелочно-пероксидной обработки [48]. Он осуществляется путем последовательного проведения стадий предварительной кисловки волокна раствором H2SO4 (1,4…1,7 г/л) или HCl (37%-й раствор 3 мл/л), щелочной варки (общая щелочность в зависимости от степени огрубления волокна составляет 7…14 г/л в пересчете на NaOH) и пероксидной обработки при концентрации активного кислорода в растворе 1,0…1,2 г/л [82]. В настоящее время способ щелочно-пероксидной обработки широко применяется зарубежными фирмами, в частности итальянской корпорацией 48 «Lamberti» [82] при переработке высококачественного льняного сырья. В российском производстве напротив технология раздельного проведения стадий щелочной варки и пероксидного беления вытеснена менее энергоемким одностадийным способом окислительной варки. Он представляет собой совмещенный процесс отварки и беления, который может осуществляться до или после операции кислования 83,84. В зависимости от вида волокна (грубое, средней мягкости, мягкое) концентрация щелочных агентов и активного кислорода в технологическом растворе при окислительной варке в 1,2…1,9 раза превышает условия проведения пероксидной обработки классического двухстадийного варианта [48,85]. При переработке высоколигнифицированного волокна, на долю которого приходится до 40% всего объема отечественной сырьевой базы, способ окислительной варки усиливают введением в технологическую цепочку дополнительных стадий. В частности хорошо известен двухстадийный режим подготовки ровницы с проведением операции хлоритной обработки [44,48], в которой в качестве хлорирующего агента используют хлорит или гипохлорит натрия. Стадия может быть проведена до или после окислительной варки. В последнем случае расход хлорирующего агента (в пересчете на концентрацию активного хлора) сокращают в 1,2…1,5 раза в сравнении с вариантом обработки, предусматривающим проведение предварительного хлорирования. Однако в связи с ужесточением экологических требований к текстильным материалам в стандартах ЭКОТЕКС использование хлорсодержащих окислителей в текстильной промышленности строго ограничивается. В качестве альтернативы при обработке ровницы с высоким содержанием грубых видов волокна стадия окислительной варки проводится в сочетании с обработкой восстанавливающими агентами [44,48,63,71]. За основу предлагаемого способа принят адаптированный режим сульфитной варки целлюлозно-бумажного производства. Высокая эффективность перекисно-сульфитного способа, подтверждена, в частности, в производственной практике Льнокомбината им. И.Д. Зво- 49 рыкина (г. Кострома) [1,44], а также предприятия ООО «Яковлевская мануфактура» (г. Приволжск, Ивановская обл.) при выпуске экспортируемого ассортимента льняных материалов. Процесс состоит их двух стадий: окислительной варки в более щадящих условиях относительно классического режима (снижение расхода активного кислорода в 1,3…1,4 раза, общей щелочности в 2,3 раза), а также интенсивной щелочной отварки, усиленной введением бисульфита либо сульфита натрия. Общая щелочность сульфитного раствора, в пересчете на едкий натр, составляет 10-14 г/л. Добавка бисульфита натрия составляет 2-2,5 г/л, сульфита - 8 г/л. В качестве восстановителя для ровницы, полученной из грубых волокон, взамен сульфита или бисульфита натрия в варочных растворах может быть использован Гинтол - препарат НПФ «Траверс» [63], представляющий собой раствор восстановителей с комплексообразующими добавками. Для получения окрашиваемого ассортимента льняных материалов льняная пряжа, сформированная из подготовленного волокна, подвергается крашению. Традиционно технологический цикл ее окрашивания, осуществляемый сернистыми или кубовыми красителями [5,8,48,86], включает обработку полуфабриката щелочным раствором восстановленного красителя. Учитывая дополнительное воздействие щелочно-восстановительных растворов при колорировании продукта прядения и неизбежность последовательного разрушения связующих веществ, которое может привести к снижению физико-механических свойств пряжи и повышению ее обрывности в ткачестве, стадию подготовки волокна в этом случае следует проводить в более мягких концентрационно-временных условиях относительно режимов обработки не окрашиваемого ассортимента. Систематизация литературных сведений о результатах применяемых химических технологий показала, что их сопоставление затруднено в связи с различием исходных объектов воздействия, варьированием начального содержания в них полимерных компонентов и его изменения в результате обработок (см. табл. 1.1). В связи с этим для выявления основных проблемных вопросов и 50 направлений научного поиска в области усовершенствования технологий проведен сравнительный анализ изменения полимерного состава волокнистого материала в условиях наиболее широко используемых способов химической подготовки льняной ровницы [87]. Полученные данные сопоставлены с результатами оценки физико-механических свойств сформированной пряжи, совокупность которых отражает прядильную способность волокнистого материала [88]. Исследования проведены на трех видах смесовой ровницы, сформированной соответственно из мягких сортов чесаного льна, грубого льноволокна и из волокна средней мягкости (с содержанием в смеске 28 % грубого льна). Обработка проведена с учетом существующих рекомендаций по выбору режимов в зависимости от степени огрубления волокна: для мягких видов – способ щелочно-пероксидного отбеливания (ЩПО); для сырья средней мягкости – окислительная варка (ОВ), которая сопоставлена с вариантом ЩПО; для грубого волокна – технологии окислительно-сульфитной варки (ОСВ) и хлоритноокислительной варки (ХОВ) в сопоставлении с режимом усиленной ОВ. Технологические параметры обработок экспериментальных образцов ровницы на аппарате марки АЛ 210/1 указаны в приложении 1 (раздел П1.5). Прядение химически подготовленной ровницы осуществлялось мокрым способом в условиях предприятия ОАО «Вологодский текстиль» на прядильной машине ПМ-88-Л8. В табл. 1.2 представлены результаты содержания гемицеллюлоз Гц, пектиновых веществ П и лигнина Л в анализируемых видах волокна до и после операции подготовки ровницы к прядению. Анализ данных свидетельствует, что двустадийный режим ЩПО снижает содержание анализируемых соединений практически в 3 раза. При этом основному разрушению подвергается углеводно-белковый комплекс клеящих веществ: степень удаления гемицеллюлоз составляет более 65%, а полиуронидов около 90%. Вместе с тем уровень извлечения лигнина составляет всего 35% при обработке мягкого волокна и 25% для сырья средней мягкости. Наглядно проявляется отличие характера воздействия на полимеры при переходе к одностадийныму способу ОВ при обработке ровницы средней мягкости. Повышенный уровень щелочности варочного раствора и содержания пе- 51 Таблица 1.2. Влияние вида волокна и способа химической подготовки ровницы на извлечение полимерных спутников льняной целлюлозы Вид волокна Режим обработки мягкое ЩПО ЩПО ОВ ОВ средней мягкости грубое ОСВ ХОВ Содержание основных примесей, масс.% исходное остаточное Гц П Л Гц П Л 10,1 2,81 3,7 3,4 0,31 2,4 3,8 0,38 3,9 12,1 3,93 5,2 6,0 0,48 2,8 10,1 0,96 4,3 17,1 5,58 7,7 3,9 6,8 0,32 0,37 3,2 1,7 Потеря массы, % 16,0 18,0 17,2 16,5 19,2 19,4 роксида водорода относительно режима ЩПО позволяет в 1,85 раза увеличить количество извлекаемого лигнина при двукратном сокращении общей длительности обработки. Наряду с этим удаление полиуглеводных примесей сокращается примерно в 1,5 раза, что обусловлено, очевидно, не только изменением временного параметра, а, прежде всего, присутствием в системе окислителя в связи с известным фактом повышения устойчивости полисахаридов к щелочному гидролизу при окислении их концевых альдегидных групп [59,60]. Для грубого волокна делигнифицирующие возможности режима ОВ недостаточны даже при повышении концентрации активного кислорода в технологическом растворе в 1,5 раза. Высокое остаточное содержание лигнина после обработки волокна позволяет сделать предположение о слабом разрушении межклеточных одревеснений, препятствующих дроблению комплексов и скручиванию волокон в пряже. Вместе с тем значительное количество полиуглеводных примесей свидетельствует о низкой степени расщепления инкрустов, которые определяют высокий уровень содержания этих компонентов в исходном материале. Усиление обработки введением дополнительных стадий сульфитной или хлоритной обработки приводит к интенсификации расщепления всех видов примесей с приближением к критическому уровню показателя убыли массы волокна – 20 %. Однако динамика ускорения деструкции контролируемых полимеров для каждого режима обработки специфична. Технология ОСВ обеспечивает снижение остаточного содержания гемицеллюлоз и пектинов соответственно в 2,6 и 3 раза, а 52 лигнина лишь в 1,3 раза относительно уровня для режима ОВ. В случае применения ХОВ отклонения в содержании гемицеллюлоз и пектинов сокращаются до 1,5 и 2,6 раз соответственно, а снижение массовой доли лигнина увеличивается до 3 раз. Очевидно, меньшая деструкция полисахаридных примесей во втором случае также обусловлена ингибированием их щелочного гидролиза в присутствии окислителя, меняющего состояние редуцирующего конца макромолекул. В табл. 1.3 представлена совокупность показателей физико- механических свойств пряжи, регламентируемых при определении ее сортности в соответствии ГОСТ 10078-85, а также дефектности ее структуры и обрывности волокнистого материала в процессе прядения. Таблица 1.3. Качественные показатели пряжи при подготовке ровницы с использованием различных химико-технологических режимов Величина показателя пряжи для соответствующих видов волокна и применяемого режима подготовки Наименование показателя средней мягкое грубое мягкости ЩПО ЩПО ОВ ОВ ОСВ ХОВ линейная плотность, Текс 56,2 58,9 56,0 60,0 58,6 57,1 коэффициент вариации по 4,1 6,4 5,1 6,5 5,9 4,4 линейной плотности, СТ, % удельная разрывная нагрузка, 19,3 16,7 17,9 15,4 16,3 18,8 Ро, сН/Текс коэффициент вариации по 17,9 21,5 18,2 21,3 20,5 18,1 разрывной нагрузке, СР, % сортность пряжи 1ВЛ 1СрЛ 1ВЛ 1ОЛ 1СрЛ 1ВЛ количество дефектов, шт./100 м: - утолщения более 2dСР 12 103 73 117 91 19 - утолщения более 1,5dСР 110 250 204 412 376 158 - утонения менее 0,7dСР 127 392 348 533 493 181 обрывность, обр./100 вер·ч 55 82 76 148 101 66 Примечание: 1ВЛ, 1СрЛ, 1ОЛ - принятые сокращения для первого сорта и соответствующей группы пряжи высокая льняная, средняя льняная, обыкновенная льняная. Представленные данные свидетельствуют, что используемый для подготовки мягких видов волокна двухстадийный режим ЩПО обеспечивает получение льняной пряжи, отвечающей совокупности требований для сорта 1ВЛ. Вместе с тем при переработке сырья средней мягкости этот способ не позволяет обеспечить придание волокнистому материалу необходимых прядомых свойств, 53 линейная плотность получаемого полуфабриката существенно превышает номинальное значение, задаваемое заправочными параметрами работы прядильного оборудования (56 Текс). При этом довольно высока неравномерность сформированной пряжи: прирост коэффициентов СТ и СР составил соответственно 1,6 и 1,2 раза относительно показателей качества для полуфабриката из мягких видов волокна. По уровню удельной разрывной нагрузки пряжа относится к сорту 1СрЛ. Сопоставление этих результатов с данными полимерного состава волокнистого материала позволяет отнести наблюдаемое ухудшение качества пряжи к повышенному содержанию лигнина. Наличие взаимосвязи между этими свойствами материала подтверждают результаты использования при подготовке волокна средней мягкости режима ОВ. Несмотря на присутствие в волокне большего количества пектина и гемицеллюлоз в сравнении с режимом ЩПО, снижение в 1,4 раза остаточного содержания лигнина обусловливает комплексное улучшение всей совокупности нормируемых показателей качества и соответствие их уровня требованиям для сорта 1ВЛ. Вместе с тем технологический режим ОВ не обеспечивает эффективной мацерации льняных комплексов при подготовке грубого высоколигнифицированного волокна и получаемая при этом пряжа характеризуется высокой структурной неравномерностью, что отражают значения коэффициентов СТ и СР. Полуфабрикат относят к самой низкой группе – «обыкновенной льняной». Применение более интенсивных режимов ОСВ и ХОВ позволяет повысить качество пряжи, причем между изменением единичных показателей и ее сортности, а также содержанием в волокне полимерных примесей просматриваются вполне очевидные взаимосвязи. Сравнивая характеристики полуфабрикатов из грубого волокна, прошедшего подготовку в режиме ОСВ, и из волокна средней мягкости после ОВ, можно предположить, что в первом случае образец не дотягивает до сорта 1ВЛ не столько из-за небольшого повышения содержания лигнина (Л = 0,4 масс.%), а в немалой степени в связи с низким остаточным содержанием нецеллюлозных полисахаридов. Близкий уровень их содержания наблюдается и после обработки волокна средней мягкости по технологии ЩПО, и совокупность качественных показателей также соответствует сорту 1СрЛ. Вместе с тем повы- 54 шенное содержание гемицеллюлоз и пектина в образце пряжи из грубого волокна после ХОВ не препятствует достижению уровня единичных показателей качества, отвечающего сорту 1ВЛ. Безусловно, этому способствует и снижение содержания в волокне лигнина до рекордно низкого значения. Совокупность представленные данных наглядно свидетельствует, что определяющим параметром в изменении свойств пряжи является полимерный состав волокнистого материала. Это требует детального изучения индивидуального и совместного влияния каждого компонента на физико-механические свойства пряжи для определения оптимального их соотношения в гетерополимерной системе. Анализ исследований, проведенных автором в этом направлении, представлен в разделе 3.1 диссертационной работы. Вместе с тем понятно, что качество пряжи определяется не только количеством расщепляемых спутников целлюлозы, но и структурной дислокацией оставшейся их части. Примечательно, что даже при отнесении полученных образцов к 1 сорту группы «высокая льняная» пряжа обладает достаточно высоким количеством структурных дефектов в виде утолщений, превышающих величину среднего ее диаметра dСР (так называемых «шишек»), и утонений. Их наличие является следствием неизбирательного действия химических реагентов и недостаточного расщепления крупных образований связующих веществ (инкрустов и межклетных образований) в структуре комплексного льняного волокна. Слабо расщепленные участки лубяных пучков не поддаются дроблению под действием растягивающих усилий в вытяжном приборе прядильного оборудования, что приводит к поперечному разрыву группы волокон, входящих в структуру нерасщепленного комплекса. Образующиеся участки толстых коротких комплексов в пряже чередуются с утонениями, что демонстрирует снимок, представленный на рис. 1.10. Рис. 1.10. Обрыв волокон нерасщепленного пучка в утолщении льняной пряжи Если присутствие утолщений проявляется, главным образом, в пороках внешнего вида тканого полотна («шишковатость»), то количество ослабленных (тонких) мест в структуре волокнистого материала определяет прочностные ха- 55 рактеристики и обрывность полуфабрикатов в процессах прядения (см. табл. 1.3), а также при многократных последующих ее перемотках и в ткачестве. Парадоксальность существующих химико-технологических режимов переработки льняных волокнистых материалов в прядильно-ткацком производстве заключается в том, что вслед за расщеплением связующих веществ комплексного волокна в ровнице сформированная пряжа подвергается шлихтованию для снижения обрывности нитей основы в ткацком производстве. Процесс предусматривает нанесение на пряжу пленкообразующего адгезивного полимера, который изменяет поверхностные свойства нитей, а также, проникая вглубь нити, компенсирует структурные дефекты неравномерного дробления и обеспечивает дополнительное скрепление раздробленных комплексов. Вполне правомерно предположить, что подобных эффектов можно добиться за счет природных клеящих веществ волокнистого материала. Условиями достижения желаемого результата являются оптимизация остаточного содержания нецеллюлозных полиуглеводных соединений и перевод их в пластифицированное состояние, не препятствующее процессу дробления. Благодаря восстановлению сетки межцепных водородных связей в остатках гетерополимерных связующих веществ при удалении влаги возможно эффективное объединение раздробленных комплексов в единую систему скрученной пряжи. Исключение операции шлихтования пряжи не только обеспечило бы снижение затрат на производство льняных тканей, но и, что более существенно, позволило бы значительно облегчить процессы облагораживания полотен в отделочном производстве. 1.3.2. Химико-технологические процессы облагораживания льняных тканей Промышленно реализуемые технологические процессы химического облагораживания тканых льняных полотен в зависимости от выпускаемого ассортимента базируются на двух основных направлениях классических способов подготовки с возможными вариантами их модификации. Согласно представленной на рис. 1.9 классификации для «серых» тканей из мягкого волокна с 56 низким содержанием лигнина ограничиваются проведением операции кислования (расшлихтовки), сохраняя при этом естественный цвет льняного полотна. Процесс осуществляют путем пропитки материала раствором щавелевой кислоты (2,5…5 г/л) в присутствии ПАВ при 50…55оС с последующей выдержкой мокроотжатого полотна не менее 2 часов [48]. При производстве отбеливаемого ассортимента тканей, сформированных из полубелой пряжи с вложением грубых видов волокна, самым распространенным попрежнему остается классический способ гипохлоритно-пероксидного беления [48, С. 174-188], разработанный еще в 60-е годы минувшего столетия. Для выпуска белых полотен он реализуется в виде полного пятистадийного режима обработки по схеме: гипохлоритная обработка 18оС, гипохлоритная обработка 18оС, пероксидное беление 95оС, концентрация активного хлора – 2,5…2,7 г/л; общая щелочность (по едкому натру) – 0,3…0,4 г/л концентрация активного кислорода – 1,8…2,0 г/л; общая щелочность (по едкому натру) – 2,1…2,2 г/л концентрация активного хлора – 1,6…1,8 г/л; общая щелочность (по едкому натру) – 0,15…0,2 г/л концентрация активного кислорода – 1,3…1,4 г/л; общая щелочность (по едкому натру) – 1,7…1,8 г/л про- запари- пропи- вание мывтка 90 мин ка про- лежка пропи90 мывтка мин ка про- запари- пропи- вание мывтка 90 мин ка про- лежка пропи90 мывтка мин ка пероксидное беление 95оС, кисловка 50оС, щавелевой кислотой – 2,5…5 г/л про- лежка пропи30 мывтка мин ка Процесс обесцвечивания льняной ткани из полубелой пряжи, которая характеризуется меньшим содержанием естественных нецеллюлозных соединений, происходит в более щадящих условиях в сравнении с концентрационновременными параметрами химических способов варки ровницы. При близких параметрах содержания пероксида водорода и снижении расхода активного хлора в 1,8…3,0 раза общая щелочность белящих растворов не превышает 2,2 г/л, что в 3…6 раза ниже режимов переработки волокна. Для полульняных материалов или льняных полотен с цветными просновками используют сокращенный трехстадийный способ с проведением щелочной варки (или, как вариант, кисловки), гипохлоритного беления и пероксидной обработки [48, С. 193-198]: щелочная варка 95оС, общая щелочность (по едкому натру) – 4,5…5,0 г/л пропитка запарива- про- нейтра ние 90-120 мыв- лизамин ка ция гипохлоритная обработка 18оС, пероксидное беление 95оС, концентрация активного хлора – 2,5…3 г/л; общая щелочность (по едкому натру) – 0,3…0,4 г/л концентрация активного кислорода – 1,3…1,5 г/л; общая щелочность (по едкому натру) – 2,2…2,5 г/л пропитка лежка 90-120 мин промывка пропитка запаривание 90120 мин промывка нейтра лизация 57 При сравнительно близком расходе белящих агентов относительно пятистадийного режима продолжительность каждой стадии сокращенной технологии может быть дополнительно увеличена на 30 мин. Вместе с тем происходящее в последние годы усиление требований к экологичности процессов стимулирует активное проведение многими учеными исследований, направленных на создание бесхлорных пероксидных способов беления (см. рис.1.9). При этом для более полного использования белящих реагентов ведутся разработки по поиску высокоэффективных бессиликатных стабилизаторов перекиси водорода [89-92]. В частности сотрудниками ИГХТУ предложен четырехстадийный режим пероксидного беления, который предусматривает чередование окислительных обработок Н2О2 при 18 и 95оС, аналогично температурновременным условиям реализации гипохлоритно-пероксидного способа [93]. Сотрудниками ЦНИИЛКА разработан вариант усиления перекиси водорода действием надуксусной кислоты [94], которая является более сильным окислителем в сравнении с Н2О2. Технологический режим отбеливания включает проведение щелочной отварки с последующей 2-х стадийной обработкой льняной ткани препаратом «Криодез», содержащим смесь пероксида водорода с надуксусной кислотой в количестве 8…12 %. ЦНИИЛКА предложен также другой вариант бесхлорного беления ткани с заменой гипохлоритной стадии щелочной обработкой в присутствии делигнифицирующих препаратов, обладающих восстановительными свойствами. Технология позволяет добиться требуемого уровня качественных физикохимических и механических показателей отбеленной ткани [95]. Достаточно перспективными могут оказаться варианты построения технологических процессов подготовки ткани с использованием активирующих воздействий низкотемпературной плазмы тлеющего разряда [96-98], электромагнитных излучений высокой и сверхвысокой частоты [99,100], УФ-излучения [101-102]. В частности в работе [2] предложены варианты применения плазмохимической обработки льняной ткани взамен кислотных способов ее расшлихтовки. Сотрудниками МГТУ им. А.Н. Косыгина [103] показана возможность сокращения продолжи- 58 тельности цикла гипохлоритно-пероксидного беления льняных тканей за счет проведения предварительной обработки низкотемпературной плазмой. В результате эффективного воздействия плазмы на поверхность льняного волокна ткань, подготовленная по разработанному сокращенному способу, приобретает лучшие показатели степени подготовки (белизна, капиллярность) при максимальном сохранении прочностных характеристик. С использованием тех же приемов разработан бесхлорный способ беления суровых льняных тканей, предусматривающий ее обработку плазмой тлеющего разряда. Действие химических реагентов в выше перечисленных классических и усовершенствованных режимах подготовки тканей направлено на дальнейшее удаление спутников льняной целлюлозы для достижения необходимых технологических и потребительских свойств полотна. К ним относятся, прежде всего, показатели капиллярности и белизны, уровень которых в соответствии с требованиями для домашнего текстиля [104] должен достигать соответственно 100…120 мм/ч и не менее 82%. Этими показателями качества в совокупности с оценкой физико-механических свойств, как правило, апеллируют при оптимизации технологических режимов. Рекомендации по оптимальному остаточному содержанию нецеллюлозных компонентов в отбеленных материалах отсутствуют, и данные изменения полимерного состава приводятся лишь в немногочисленных литературных источниках [3, 48, 105]. Отмечается, что при подготовке тканей основными естественными примесными спутниками льняной целлюлозы являются лигнин (2,8…4,0 масс.%), пектиновые вещества (0,3...1,2 масс.%), а также гемицеллюлозы (2,5…6,8 масс. %). Основной зоной их дислокации в свете предложенной в разделе 1.1 градации структурного распределения примесей являются нерасщепленные межклетные образования. К их числу прибавляется наносимая на нити основы крахмальная шлихта (до 4,3 масс.%), которая превращается в технологическое загрязнение, поскольку придает суровым тканям дополнительную жёсткость, а в сочетании с ее масложировыми компонентами (0,2 масс.%) и гидрофобность. Замасливатели привносятся в волокно также и на стадии эмульсирования при выработке пряжи (0,1…0,15 масс.%). 59 В связи с этим одной из основных задач этапа облагораживания ткани является максимально полное извлечение из волокнистой матрицы крахмальной шлихты и масложировых примесей, препятствующих проникновению химических реагентов к естественным спутникам целлюлозы. Представленные на рис. 1.11 результаты сотрудников ЦНИИЛКА [63] демонстрируют эффективность и важность подбора ПАВ для интенсификации удаления из текстильного материала гиброфобизирующих веществ. Рис.1.11. Капиллярность суровых (серые столбцы) льняных тканей и после щелочной обработки (белые столбцы) с использованием различных ТВВ: 0- щелочная варка без ПАВ (контроль); 1- Леонил UN; 2- ЭМ-1; 3- ПАВ на основе алкилэтоксифосфатов; 4Сандоцин; 5- композиция ПАВ 1 (на основе алкилсульфатов); 6- ПАВ на основе алкилбензосульфонатов; 7- композиция ПАВ 2 (на основе алкилсульфатов) При щелочной обработке без использования ПАВ (контроль) величина капиллярности льняных полотен (Н) возрастает в 3,3 раза относительно сурового образца, но его значение не превышает 70 мм/ч и в 1,4…1,7 раза ниже требуемого уровня показателя Н для домашнего текстиля, согласно ГОСТ 3816-81. Варьируя вид используемого эмульгатора можно добиться значительного (до 1,9 раза) дополнительного повышения капиллярности, превосходящего эффективность применения некоторых известных ТВВ отечественного и зарубежного производства (ОАО «Ивхимпром», «Траверс» Россия, фирмы «Клариант» Швейцария, «Хехст» Германия). В представленном на рис. 1.11 совокупном повышении смачиваемости тканей существенной составляющей является эмульгирование и экстракция продуктов хемокатализируемого разрушения крахмальных примесных соединений. На предшествующем этапе наших исследований [106] показано, что наличие на оснóвных нитях гидрофобной полимерной пленки крахмала существенно снижает их доступность для проникновения вглубь структуры технологических 60 варочных и белящих растворов. Различия по капиллярности с нитями утка могут достигать более 20 %. Плохая пропитка ошлихтованных нитей и неодинаковые условия удаления примесей из утка и основы отражаются на качестве последующих процессов облагораживания текстильного материала, в частности в ухудшении показателя белизны полотна или его накрашиваемости. На рис. 1.12 сопоставлены имеющиеся в научно-технической литературе [3,93,107, 108] данные изменения показателей степени удаления крахмала (СКр) и капиллярности для различного ассортимента льняных полотен после проведения расшлихтовки щавелевой кислотой. Рис.1.12. Влияние автономной стадии расшлихтовки льняных тканей на степень извлечения полимеров крахмала (белые столбцы) и капиллярность (серые столбцы): пунктирные линии – уровень капиллярности суровых полотен Нетрудно видеть, что при сравнительно близких исходных значениях капиллярности суровых тканей (отмечено пунктирными линиями) прирост степени расшлихтовки на каждые 5% отражается в увеличении смачиваемости ткани в 1,2…1,4 раза. Вместе с тем, эффективность расшлихтовки льняных тканей щавелевой кислотой не превышает 65%, что отмечается и другими исследователями [2,109-111]. При облагораживании отбеливаемого ассортимента тканей реализация гипохлоритно-пероксидных режимов проводится, как правило, без предварительной ее расшлихтовки. Под действием чередующихся стадий обработки 61 льняных материалов гипохлоритом натрия или пероксидом водорода гидролиз полимеров крахмала протекает наряду с деструкцией естественных примесей. На рис. 1.13 сопоставлена немногочисленная совокупность литературных данных об изменении содержания полимерных примесей и физико-химических свойств тканей, отбеленных по гипохлоритно-пероксидному способу [3,48,108,112]. а) б) Рис.1.13. Массовое содержание основных полимерных примесей (а) и качественные характеристики (б) в исходных суровых льняных тканях (белые столбцы) и после их гипохлоритно-пероксидного беления (серые столбцы): Кр, Л, П – содержание в материалах соответственно крахмальных примесей, лигнина и пектина; Н – капиллярность полоски ткани, мм/час; W – белизна полотна, % Анализ результатов позволяет проследить наличие выше отмеченной взаимосвязи между содержанием крахмальных примесей и уровнем капиллярности, а также тенденции к повышению белизны с уменьшением содержания лигнина. Это согласуется с общеизвестным мнением, что льняные материалы с повышенным содержанием лигнина отбеливаются значительно труднее [113]. Обращает на себя внимание сохранение установленных при анализе рис. 1.12 темпов прироста показателя капиллярности при 5%-ном повышении степени расшлихтовки полотна и достижение прогнозируемого выхода на уровень более 140 мм/час при обеспечении 75%-го удаления крахмальных примесей. В связи с этим заслуживают внимания данные [106, 114, 115] о целесообразности введения стадии предварительной расшлихтовки в технологический цикл гипохлоритно-пероксидного беления. При этом полнота удаления крахма- 62 ла возрастает в 1,2…1,5 раза при повышении эффективности извлечения других естественных примесей, что обеспечивает существенное улучшение показателей капиллярности и белизны льняных тканых полотен. Влияние содержания пектина целесообразно было бы проследить во взаимосвязи с физико-механическими свойствами тканей, но, во-первых, различия указываемого остаточного количества полиуронидов чрезвычайно малы, во-вторых, значения прочностных показателей приводятся для разного ассортимента тканей [3, 48,108,112] и поэтому трудно сопоставимы. Контроль изменения содержания гемицеллюлозных примесей отсутствует, что также снижает объективность оценки. Для увеличения анализируемой базы данных нами воспроизведены описываемые в литературе [48,93,108,116] режимы сокращенного гипохлоритно-пероксидного и бесхлорных способов обработки льняных тканых полотен. При получении сопоставимых качественных показателей текстильных материалов проведен контроль содержания полимерных примесей. Сопоставление значений показателя капиллярности с количеством крахмальной шлихты, пектина и лигнина представлено на рис. 1.14. Математическая обработка данных свидетельствует о наличии с 70…75%-ной вероятностью пропорциональности в изменениях контролируемого качественного показателя и содержания в волокне крахмала и пектина: Н 133,28 30,44Кр ; R 2 0,7501 , Н 137,81 120,93П ; R 2 0,6439. Н, 180 мм/ч 160 160 140 140 120 120 100 100 80 80 60 60 40 40 20 20 180 П Кр 1 2 3 содержание примесей, масс.% Л 0 0 0 Н, мм/ч 4 0 0,5 1 1,5 2 2,5 соде ржание примесей, масс.% Рис.1.14. Отображение совокупности данных капиллярности (H) льняных тканей при соответствующих значениях содержания примесей крахмала, пектиновых веществ (а) и лигнина (б) 63 В то же время присутствие лигнина не является определяющим для переноса влаги по поверхностности тканого полотна, о чем свидетельствует низкий уровень аппроксимации совокупности экспериментальных данных: Н 105,06 29,472 Л ; R 2 0,2544 . Аналогичным образом проведено сопоставление содержания лигнина и уровня белизны (W) тканей, графическая интерпретация которого дана на рис. 1.15. 100 W, % 90 Рис.1.15. Отображение совокупности данных белизны льняных тканей при соответствующих значениях содержания лигнина 80 70 60 50 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 содержание лигнина, масс.% В целом, признавая наличие выраженной взаимосвязи между показателями Л и W и учитывая относительно высокий коэффициент аппроксимации экспериментальных данных уравнением пропорциональной зависимости: W 91,733 11,366 Л ; R 2 0,5312 , нельзя не отметить присутствие результатов, демонстрирующих высокий уровень белизны материала и характеризующихся достаточно высоким значением лигнина Класона (полимера, нерастворимого в 78 %-ной H2SO4, что положено в основу методики анализа его содержания в волокне). Вместе с тем УФ-спектроскопические исследования диоксановых экстрактов лигнина показали [3,112], что высокие показатели белизны достигаются при снижении на 92% интенсивности поглощения хромофорных структур полимера при 280 нм. Это позволяет сделать важное заключение, что стремление к максимальной делигнификации льняных текстильных материалов с целью обеспечения высокого уровня белизны тканых полотен не является оправданным. Для до- 64 стижения требуемого технологического результата достаточно обеспечить обесцвечивание полимера за счет разрушения его хромофорных структур. Полезное действие наноразмерных лигнинсодержащих структурных образований (стыковые спайки и лигно-углеводный комплекс – см. раздел 1.1) целесообразно сохранить и в тканом полотне для обеспечения продольной связанности элементарных волокон и оптимальной степени аморфности их клеточной стенки для поглощения красителей, отделочных препаратов и т.п. Анализируя совокупность процессов заключительной отделки льняных тканей, следует упомянуть об однотипных с хлопчатобумажным производством способах придания потребительских свойств несминаемости, малой усадки и т.п. с применением термореактивных и термопластичных отделочных препаратов, специальных водо-, масло-, грязеотталкивающих свойств, повышенной огнестойкости и биостойкости [83,117-121]. С учетом общего характера осуществления этих процессов для всех видов целлюлозосодержащей текстильной продукции и отсутствием прямых пересечений с направлением диссертационной работы автор упускает детальное их рассмотрение. Особым видом специальной обработки тканых льняных полотен является умягчающая отделка. Строгое описание теории процесса мягчения льняных тканей отсутствует. Технологические разработки основываются на эмпирическом подборе вспомогательных веществ, обеспечивающих повышение деформационных свойств тканого полотна под действием изгибающих усилий. Разнообразие используемых с этой целью веществ и их химической природы довольно обширно [122124]. Среди широко применяемых препаратов можно отметить Трацкан К, представляющий собой эмульсию на основе аминополисилоксана: CH 3 CH 3 H 2C NH 2 Si CH 3 O CH 3 CH 3 Si O O Si CH 3 O n Si CH 2 CH 3 NHR (-H) (CH 2 ) 3 NHR где R - H; CH OH CH 2 CH 2 O C C O CH 3 CH 2 2 ; n = 30...400 65 Их молекулы содержат до трех фрагментов с присоединением гидрофильно гидратируемой производной четвертичного аммониевого основания и имеют глобулярную сильно разветвленную структуру. Основу препарата Отексин КС составляет комплекс производных четвертичных аммониевых оснований и неионогенных ПАВ: четвертичные аммонийные производные CH2CH2OH CH2CH3 CH2 N+ CH2CH3 Cl- R R N + Cl- CH3 CH2CH2OH CH2CH3 алкилбензилтриэтиламмоний хлорид алкилметилдиоксиэтиламмонийхлорид где R-линейный алкил С1-С30 структуры неионогенных ПАВ (CH2CH2O)nH R N O O R C R C H оксиэтилированные алкиламины O (CH2CH2O)nH HN (CH2CH2O)nH оксиэтилированные алкиламиды оксиэтилированные алкилкарбоновых кислот алкилкарбоновые кислоты Препарат Велан представляет собой композицию анионоактивных ПАВ на основе сульфированных этоксилированных высших жирных спиртов общей формулы RO(C2H4O)mSO3M где R - жирный алкил С10-С18, m= 2…6, M - солеобразующий катион, такой как щелочной металл, аммоний и т.п. Для мягчения льняных тканей используются и неспециализированные препараты, например продукты конденсации жирных кислот, неионные поверхностно-активные вещества (Неонол, Феноксол БФ), а также эмульсии жиров, восков, масел [83,117]. При всей разноплановости перечисленных агентов-мягчителей в качестве общей характеристики можно отметить их неспособность к химической модификации волокнистого материала. Об этом свидетельствуют и представленные на рис.1.16 данные, характеризующие относительное изменение показателя жесткости ткани (EI) после умягчающей отделки и устойчивость достигнутого эффекта к бытовым обработкам. 66 50 EI, % 45 40 Рис.1.16. Влияние химических препаратов на качество умягчения ткани и устойчивость эффекта к бытовым обработкам: - после умягчающей отделки; - после однократной стирки; - после пятикратной стирки 35 30 25 20 15 10 5 0 Отексин КС Трацкан К Велан Показатель жесткости EI тканей после обработки мягчителями снижается в 4,2…5,0 раза. Однако эффект умягчающей отделки указанными химическими препаратами характеризуется кратковременностью достигаемого результата и его неустойчивостью к бытовым обработкам. В процессе стирок мягчители вымываются из волокна и достигнутый при отделке эффект мягчения заметно снижается припоследующей эксплуатации тканей и изделий из них. В частности уже после первой стирки ткани, обработанной химическими мягчителями, ее жесткость увеличивается в 1,2…1,7 раза, а после пяти стирок в 1,9…2,1 раза. Наиболее вероятным представляется выполнение мягчителями роли межфазной прослойки, способствующей перераспределению внешних нагрузок и обеспечивающей подвижность структурных фрагментов. Правомерно полагать, что структурная модификация может ограничиваться макроуровнем межнитяных и межволоконных взаимодействий, но может осуществляться и во внутриволоконных пространствах. Выявление специфики и механизмов протекания этих процессов могло бы дать рычаги для повышения устойчивости эффектов мягчения льняных тканей и получаемых из них текстильных изделий. Традиционно природную жесткость льняных текстильных материалов связывают, главным образом, с присутствием лигнина [108,112,125,126]. Это является одним из аргументов поиска эффективных методов делигнификации льняных материалов. Однако детальных исследований взаимосвязи между указанными харак- 67 теристиками текстильного полотна не обнаружено. В связи с этим в дополнение к литературным данным [3,48,93,108,112,116] нами в соответствии с ГОСТ 10550-93 проведена оценка жесткости образцов имитационного моделирования существующих режимов беления льняных тканей, проанализированных выше по показателям капиллярности и белизны (рис. 1.13, 1.14). Сопоставление показателя жесткости и содержания в волокне лигнина представлено на рис. 1.17. 12000 EI, мкН см 2 10000 Рис.1.17. Отображение совокупности данных жесткости льняных тканей при соответствующих значениях массовой доли лигнина 8000 6000 4000 2000 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 содержание лигнина, % Результаты анализа показали, что для совокупности тканей из полубелой пряжи и образцов, подвергаемых последующему белению, существует тенденция к снижению показателя EI. Однако высокой степени пропорциональности не наблюдается, и для малых значений содержания лигнина имеется существенный разброс данных. Аппроксимирующая зависимость имеет вид: EI 3534,6 2901,1Л ; R 2 0,5903 . Вместе с тем на графике обособлено располагается массив экспериментальных данных для серых льняных полотен, обозначенный для наглядности зафонованными символами: при содержании лигнина в волокне 2,2…3,5 масс.% жесткость ткани заметно ниже значений для полубелых видов полотна. Различия между показателями EI при сравнительно близких значениях остаточного содержания полимера достигают 2,7 раза. Указанные моменты позволяют предполагать о наличии дополнительных факторов, которые наряду с присутствием лигнина определяют совокупный результат изменения жесткости льня- 68 ного тканого полотна. Выявление этих факторов включено в задачи экспериментального исследования. Подводя итоги главы 1, можно сделать следующие основные заключения: Предлагаемая система дифференциации структурных образований связующих веществ в системе технического льняного волокна позволяет осуществить их подразделение на удаляемые и технологически необходимые для каждого этапа переработки текстильных полуфабрикатов. Классические способы химической переработки льняных текстильных материалов реализуют вариант повышения прядомых свойств технического волокна за счет расщепления срединных пластинок, при этом связующим компонентом раздробленных комплексов являются нерасщепленные остатки инкрустов и межклетных образований, деструкция которых завершается в цикле подготовки тканого полотна. Присутствие структурных дефектов и недостаточная равномерность геометрических и физико-механических свойств пряжи из химически подготовленного низкономерного сырья связаны с неоднородностью полимерного состава и размера нерасщепленных структурообразующих прослоек связующих веществ, а также с возможностью отделения части элементарных волокон. На примере гетерополимерных систем чесаного льняного волокна и тканых полотен показано наличие взаимосвязи между содержанием полимерных спутников льняной целлюлозы и технологическими свойствами волокнистых материалов; разработан подход к проведению многофакторного анализа, что обеспечивает возможность прогнозирования свойств текстильных полуфабрикатов, конкретизации задач на последовательных стадиях их переработки и рационального проведения технологических процессов для обеспечения необходимой степени извлечения естественных и искусственно наносимых примесей льняного волокна. 69 Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОКАТАЛИЗИРУЕМОЙ ДЕСТРУКЦИИ ПОЛИМЕРОВ И ФЕРМЕНТАТИВНЫХ МЕТОДОВ ПОДГОТОВКИ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Альтернативным вариантом технологических процессов облагораживания текстильных материалов является применение ферментативного катализа, обеспечивающего селективное воздействие на гетерополимерную волокнистую систему. Не менее важным отличием биохимических методов, обеспечивающим их преимущества в сравнении с использованием химических реагентов, является возможность пространственно ограниченного действия белковых катализаторов на определенные виды структурных образований связующих веществ в льняных комплексах. Фактором, регулирующим структурный уровень протекания химических превращений, является размер глобулы ферментов. Известно, что [127-130] линейные размеры белковой молекулы энзимов колеблются в широких пределах: от 6…10 до 100 нм. Различия размеров ферментов предопределяют возможность проявления их каталитической активности лишь в зонах волокнистого материала, доступных для проникновения белковых молекул и пространственной ориентации их активного центра относительно комплементарных участков макромолекулы расщепляемого вещества [131]. С использованием электрооптического метода динамического рассеяния света (ДРС) нами осуществлена оценка размера частиц пектиндеструктирующих ферментов. Замеры проведены на оборудовании Zetasizer Nano S90 в соответствии с рекомендациями [132]. Режимы подготовки к анализу образцов ферментных препаратов и методы их исследования описаны в приложении 1 (разделы П1.4.1.2). В используемой компьютерной программе контроля состояния систем Malvern Instruments LTD модельная форма частиц принималась сферической с учетом существующих представлений о строении молекул пектолитических ферментов в виде беспорядочно свернутого клубка. На рис. 2.1 приведены кривых распределения интенсивности рассеяния света (I) по размеру частиц (r) для пектиназных препаратов трех бактериальных продуцентов. 25 25 20 20 20 15 10 5 0 0,1 Интенсивность, I, % 25 Интенсивность, I, % Интенсивность, I, % 70 15 10 5 1 10 Размер, r, нм 100 1000 0 0,1 15 10 5 1 10 Размер, r, нм 100 0 1000 0,1 1 10 100 1000 Размер, r, нм а) б) в) Рис. 2.1. Распределение размера белковых глобул высокоочищенных пектиндеструктирующих ферментов, продуцируемых бактериальными штаммами Вac. сirculans (а), Bac. subtilis (б), Erwinia carotovora (в) Представленные данные наглядно свидетельствуют о довольно широких возможностях получения изоформ пектолитических ферментов с различающимися размерами глобул посредством варьирования используемого бактериального штамма. В частности, образец, полученный в ходе культивирования Вac. сirculans, содержит энзимы с размером молекулы 25…40 нм. Для ферментного препарата, продуцируемого Bac. subtilis, максимум интенсивности светорассеяния соответствует значению r = 80 нм. Erwinia carotovora в ходе культивирования генерирует ферменты с минимальным размером глобулы – менее 10 нм. Полученные результаты имеют важное технологическое значение для процессов биохимической модификации природных растительных полимеров. В частности, как наглядно иллюстрируют данные рис. 2.2, применение ферментов с размером глобулы 50…80 нм при подготовке льняной ровницы к прядению позволяет пространственно ограничить протекание биокатализируемой деструкции примесей лишь зонами массивных межклетных образований и поверхностных инкрустов. При этом действию энзимов недоступны наноразмерные структурные элементы, технологически необходимые для обеспечения качественного прядения волокна. К их числу относятся срединные пластинки, стыковые спайки элементарных волокон, обеспечивающие их продольное связывание в раздробленных комплексах, а также лигноуглеводный комплекс между целлюлозными макрофибрилами в элементарном волокне. 71 Рис. 2.2. Эффективность дробления лубяного пучка после ферментативной обработки: 1- срединные пластинки; 2- межклетные образования; 3- инкрусты Результат избирательного локального воздействия ферментов на структуру волокна отражается в повышении равномерности дробления льняных комплексов в процессах прядения без его элементаризации и потерь сырья в виде пуховых отходов. При этом удается на 25% увеличить выход высококачественной льняной пряжи с одновременным повышением показателей тонины, прочности и равномерности полуфабриката [133]. Вместе с тем залогом эффективной реализации технологических задач является подбор ферментативных систем с учетом необходимой степени извлечения примесей из волокнистой матрицы. И в этой связи нельзя не отметить, что в существующей практике реализации ферментативных методов обработки волокнистых материалов постулат об избирательности действия биокатализаторов часто является лишь декларируемым тезисом. Безусловно, селективным действием обладают выделенные очищенные, или, как принято называть, гомогенные ферменты. Однако подавляющее количество ферментных препаратов являются многокомпонентными системами, в составе которых могут присутствовать несколько групп ферментов, которые оказывают действие на разные субстраты, в том числе и на основной волокнообразующий полимер, вызывая протекание нежелательных побочных реакций. Как следствие, для действительного воплощения идеи селективного расщепления примесей или требуемого комплексного воздействия на разные полимерные составляющие волокнистого материала необходимо обладать полным спектром информации о составе мультиэнзимной композиции, механизме 72 каталитического действия доминирующих ферментов и характеристике влияния сопутствующих биокатализаторов. В энзимологии характеристику ферментов, входящих в состав мультиэнзимных препаратов, принято выражать в единицах каталитической активности, поскольку определить их количество в смеси с другими белками общепринятыми в химии способами измерения концентрации вещества в г-молях достаточно затруднительно. Под единицей активности фермента понимается то его количество, которое катализирует превращение 1 мкмоль субстрата в 1 мин при заданных регламентированных условиях. Эта величина определяется по начальной скорости ферментативной реакции, которую он катализирует, а именно, по кинетике образования продукта или по уменьшению количества исходного субстрата. В количественном выражении содержание фермента в анализируемом биопрепарате указывается в стандартных единицах на 1 мл раствора, 1 г препарата или белка, т.е. соответственно ед./мл или ед/г. В текстильной индустрии при разработке и реализации ферментативных технологий анализ активности используемых препаратов, как правило, не проводят. Для дозировки биопрепаратов используют показатели весовой или объемной его концентрации, а эффективность их действия оценивается по обобщенным показателям качества модифицируемого материала. Иногда расход ферментов определяют с учетом уровня активности основного белкового катализатора, указанного производителем в паспортных данных на препарат. Между тем в сопроводительных документах указывается стандартный (усредненный) показатель препарата, а не фактическая активность ферментов. Учитывая же нарастающую нестабильность показателей активности во времени [134] и возможные различия между выпускаемыми партиями мультиэнзимных композиций необходимо проводить систематическую проверку каталитических свойств поступающих на текстильные предприятия ферментных препаратов и вспомогательных веществ с биодобавками и внесение соответсвующих поправок в рецептуру технологических растворов. 73 Именно анализ каталитических свойств полиферментных систем является ключом к управлению процессами селективной модификации структуры текстильных полуфабрикатов и потребительских характеристик готовой продукции. При этом методы их оценки вполне доступны для специалистов с общехимической подготовкой и реализуемы в условиях научных и производственных химических лабораторий с обычным уровнем технического оснащения [135]. Овладение приемами контроля ферментных препаратов гарантирует постоянство их дозировки в технологических растворах и воспроизводимость получаемых результатов обработки материалов при достижении максимального использования всех преимуществ и особенностей действия белковых катализаторов на гетерополимерную систему целлюлозных волокнистых материалов. 2.1. Проявления специфичности действия белковых катализаторов Ферментами (от лат.: ferventatio – брожение) или энзимами (от греч.: en[d]- в, внутри; zyme – закваска) называют природные белковые соединения, вырабатываемые микроорганизмами, тканями растений, а также внутренними органами животных и человека [136,137]. Энзимы имеют ряд принципиальных отличий от химических катализаторов. К особенностям проявления активности ферментов следует отнести наличие кофактора, который входит в состав каталитического центра энзима. Роль кофактора выполняют либо ионы металлов (Ca2+, Mg2+ и др.), либо органические молекулы небелковой природы. Отличительным свойством биокатализаторов является также утрата активности (инактивация) в результате неблагоприятных воздействий, например, повышение температуры, резкое изменение кислотно-основных свойств системы или давления, извлечение или замещение ионов кофактора. Уникальность функций каждого белкового катализатора определяется спецификой структуры его молекулы и условий проявления каталитической способности 138,139. Среди особенностей действия энзимов следует отметить 74 высокую субстратную специфичность 140,141, проявляющуюся в селективной (избирательной) активности в отношении определенного вида исходных соединений (субстрата), типа катализируемой реакции и образуемого продукта. Субстратная специфичность ферментов обусловлена пространственным и энергетическим совпадением строения активного центра молекул энзима Е и структурного фрагмента субстрата S, которые, по существующему образному выражению, подходят друг к другу как ключ к замку [141]. Подобная совместимость носит название комплементарность. Проявление комплементарности является необходимым условием осуществления каталитического акта [140-142], предусматривающего формирование фермент-субстратного комплекса ES с последующим его разрушением и образованием продукта реакции В и регенерацией белкового катализатора: S+E ES B+E Для достижения целенаправленной биомодификации волокнистых материалов и вспомогательных полимерных композиций наряду с особенностями субстратной избирательности действия важно учитывать проявляемую ферментами позиционную специфичность. Она учитывает возможность воздействия на один вид субстрата нескольких разновидностей энзимов с различающимся механизмом разрыва связей в макромолекулах, специфика которого определяется строением активного центра биокатализатора. Активный центр фермента представляет собой совокупность определенным образом ориентированных поляризованных или ионизированных группировок, способных к межмолекулярному взаимодействию с субстратом. Согласно современным представлениям, активный центр ферментов-деполимераз имеет форму «активной полости», которая может быть в виде «кармана», направленного в глубь белковой молекулы, или расположенной на поверхности белковой глобулы «ложбины» [141,143]. На рис. 2.3 представлены схемы взаимодействия активного центра ферментов с определенными участками макромолекулы полимера [135]. 75 а) б) Рис. 2.3. Формы пространственной организации активной полости глобул ферментов-деполимераз экзо- (а) и эндодействия (б): структурные схемы по [143] «Карман» позволяет вместить определенное число концевых мономерных звеньев субстрата. В «ложбине» могут разместиться фрагменты срединной части полимера. Форма «активной полости» обусловливает сродство (аффинность) биокатализатора к определенному участку макромолекулы субстрата. В соответствии с существующими представлениями о различных механизмах воздействия деполимераз выделяют группы ферментов экзо- и эндодействия. Экзодеполимеразы проявляют активность в отношении концевых участков полимера, последовательно отщепляя один или два мономерных звена макромолекулы полимера. Группа эндодеполимераз предпочтительнее действует на срединные участки, расщепляя связи, удаленные от конца макромолекулы. Изменение рН среды, присутствие солей тяжелых металлов и некоторые другие факторы способны изменить состояние и взаимное расположение реакционноспособных группировок активного центра белковой молекулы фермента и воспрепятствовать возникновению комплементарности. Аналогично каталитические свойства теряются в случае термической денатурации белка, нарушающей не только строение активного центра, но и четвертичную структуру всей глобулы. Активность ферментов теряется и при изменении химического строения субстрата. Например, частичное ацетилирование первичного гидроксила в 76 макромолекулах целлюлозы приводит к утрате каталитических свойств целлюлолитических ферментов. Указанные признаки субстратной и позиционной специфичности положены в основу действующей с 1961 г. Международной классификации ферментов [144], которая позволила подразделить около 2 тыс. официально зарегистрированных разновидностей энзимов на 6 классов в зависимости от вида катализируемой реакции: 1) оксидоредуктазы – редокс-процессы (оксигеназы, дегидрогеназы и др.); 2) трансферазы – перенос группы от одного вещества к другому; 3) гидролазы – гидролитическое расщепление внутримолекулярных связей; 4) лиазы – трансэлиминирование с образованием кратной связи или цикла; 5) изомеразы – геометрические, оптические, структурные перестройки в пределах одной молекулы; 6) лигазы или синтетазы – реакции конденсации или присоединения. Классы в свою очередь делятся на пронумерованные подклассы и подподклассы, конкретизирующие вид превращений с определенными исходными субстратами, внутри которых каждый фермент имеет свой порядковый номер. Например, основной фермент, деполимеризующий макромолекулы целлюлозы (целлюлаза), относится к классу 3 (гидролазы), подклассу карбогидраз и имеет классификационный шифр фермента КФ 3.2.1.4. Принципы международной классификации позволяют охарактеризовать субстратно-позиционную специфичность действия ферментов и позволяют отождествлять однотипные энзимы из различных природных источников. При этом они не отражают наличие отклонений в строении белковой глобулы различных изоформ биокатализаторов и связанных с этим различия условий проявления их активности, а также способность некоторых ферментов к побочным видам взаимодействий в дополнение к основной совокупности классификационных признаков, что необходимо учитывать при прогнозировании эффектов воздействия биопрепаратов на многокомпонентные субстратные системы, какими являются, в частности, льняные волокнистые материалы. 77 В настоящее время многими исследователями отмечается [146-156] наличие множественных форм изоферментов, отличающихся температурной устойчивостью, положением изоэлектрической точки, определяющей рабочий диапазон рН среды и оптимум проявления максимальной активности и т.д. Например, известны рекомендации по использованию кислых целлюлаз, которые наибольшую активность проявляют при рН 2…3. Для щелочных изоформ целлюлитических ферментов оптимум рН находится в области 10,5…11,5. Подобные изоформы ферментов имеются и среди пектиназ (кислые, нейтральные, щелочные), протеаз (нейтральные, щелочные) и др. Положение температурного максимума активности фермента генетически предопределено термоустойчивостью его микробиологического продуцента. Микроорганизмы в зависимости от оптимальных условий их культивирования подразделяются на психрофильные (ТОПТ =10…15оС), мезофильные (25…35оС) и термофильные (50…60оС). Соответствующие группы микроорганизмов в зависимости от свойств вырабатывают ферменты с разным температурным оптимумом проявления каталитической активности. В частности энзимы могут быть низкотемпературные, проявляющие максимальную активность при 25…40оС, среднетемпературные с диапазоном ТОПТ = 50…80оС и термостабильные, реакционная способность которых неуклонно повышается с ростом температуры до 100оС [145]. . В литературе имеются многочисленные сведения об изоформах ферментов с различающимися показателями молекулярной массы (М.м.) и изоэлектрической точки (pI) ферментов. Например, эндоглюканаза, продуцируемая микроскопическими грибами Asp. fumigatus имеет М.м. 12500 Да и изоэлектрическую точку pI 7,1 [146]; для Asp. niger - М.м. 31000 Да, pI 3,67 [147]; для Miceliophthora thermophila – М.м. 52000 Да, pI 4,65 [148]. Целлобиогидролаза . (экзоглюканаза) разных микроорганизмов также характеризуется варьируемыми показателями М.м. от 46300 Да (Penicillium funicolosum [149]) до 66600 Да (Tricho. derma reesei [150]) и pI от 4,0 (Trichoderma viride [151]) до 6,4 (Fusarium lini [152]). 78 Наиболее существенные отличия молекулярной массы отмечаются в случае целлобиазы: от 35000…39800 Да (Trichoderma reesei [153] и Trichoderma koningii [154]) до 150000 Да (Asp. niger [155]) и даже 250000 Да (Humicola insolens [156]). Возрас. тание величины М.м. обусловлено не только отличиями в молекулярном строении, но также и высокой склонностью фермента к ассоциации с образованием комплексов. При этом значения изоэлектрической точки целлобиаз из разных источников колеблются от 3,5 (Asp. aculeatus [156]) до 5,85 (Trichoderma koningii [154]). Следует отметить, что множественные формы ферментов часто продуцируются одним микроорганизмом одновременно. Например, при выделении гомогенных ферментов бактериального продуцента Sporotrichum pulverulentum осаждением сульфатом аммония с последующей очисткой методами ионообменной хроматографии и аффинной хроматографии получено пять эндоглюканаз, различающихся показателями М.м., pI, содержанием углеводов, кинетическими характеристиками [157]. Выделение ферментов микроскопического гриба Trichoderma viride аналогичным методом, дополненным операцией рехроматофокусирования, позволило получить шесть эндоглюканаз, различающихся содержанием углеводов, адсорбционной способностью на целлюлозе [158]. Большое количество множественных форм эндоглюканаз (около 30) пока. зано в работах [159,160]. Подобная вариабельность молекулярных характеристик свойственна и для других карбогидраз [161,162]. Различия молекулярной массы, а, следовательно, и размеров глобул изоформ энзимов имеют принципиальное значение для проявления пространственно локализованного воздействия ферментов, которое заключается в ограничении деструктирующего влияния на определенные виды структурных образований полимерных примесей льняных волокнистых материалов. В отличие от химических реагентов, способных в молекулярной, ионной или ион- радикальной форме легко проникать в волокно и осуществлять превращения во всей толще волокнистого материала, белковые катализаторы могут проявлять активность лишь в зонах, стерически обеспечивающих не только диффузию 79 глобулы, но и соответствующую ориентацию ее активного центра относительно комплементарного участка полимерной цепочки расщепляемого субстрата. Действие ферментов всегда идет от поверхностных слоев вглубь материала. Причем наноразмерные элементы структуры волокнистых материалов для них практически недоступны. В связи с этим применение наноразмерных биокатализаторов является эффективным методом наноконструирования волокнистых текстильных материалов с новыми улучшенными технологическими и потребительскими свойствами, не достигаемыми при классических химических методах обработки. Так, например, результаты наших многолетних исследований позволили установить, что применение на стадии подготовки ровницы к прядению белковых катализаторов с размером молекулы 50…80 нм позволяет обеспечить целенаправленное расщепление полимеров клеящих веществ инкрустов и межклетных образований, препятствующих дроблению волокна, с максимальным сохранением наноразмерных структурных образований. На стадии беления тканых полотен целесообразно использование биокатализаторов с размером глобулы 20…40 нм, что позволяет обеспечить необходимую степень удаления примесей недоразрушенных межклеточных образований и срединных пластинок. Применение изоформ ферментов с размерами глобулы менее 10 нм обеспечивает биомодификацию текстильного материала на уровне элементарных волокон для улучшения функциональных характеристик текстильных материалов и получения новых потребительских свойств. Наряду с размерами ферментов определяющую роль в осуществлении приемов пространственно локализованного биомодифицирования волокнистых материалов играет наличие синергизма в действии белковых катализаторов. Схема, представленная на рис. 2.4, наглядно отражает одну из форм проявления синергизма в последовательно-параллельном воздействий полиферментной системы, когда продукт реакции с участием одного из ферментов является субстратом для другого. Согласно приведенным данным, разрушение любого полимера обычно осуществляется в результате слаженного действия целой группы белко- 80 вых катализаторов одной субстратной специфичности. Для таких групп введено понятие мультиэнзимный комплекс (МЭК). Нетрудно видеть, что деструкция полимерных субстратов в присутствии мультиэнзимных комплексов осуществляется в результате протекания последовательно-параллельных каталитических превращений под действием эндо- и экзодеполимераз [135]. ТВЕРДЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ СУБСТРАТ ЭНДОФ ЕРМЕНТ (быстро) ОЛИГОМЕРЫ ЭКЗОФ ЕРМЕНТ (медленно) ЭНДОФ ЕРМЕНТ (быстро) ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ОЛИГОМЕРЫ ЭНДОФ ЕРМЕНТ (медленно) ЭКЗОФ ЕРМЕНТ (быстро) ДИМЕРЫ И МОНОМЕРЫ Рис. 2.4. Конверсия субстратов под действием ферментов-деполимераз Эндогенные ферменты проявляют высокую субстратную специфичность по отношению к нерастворимому субстрату, а деструкция продуктов гидролиза полимера с относительно малой степенью полимеризации под их влиянием происходит менее интенсивно. Действие эндодеполимераз не только дополняется деструкцией экзогенными ферментами, но и является непременным условием проявления влияния последних, поскольку экзодеполимеразы обладают значительно меньшей активностью по отношению к твердофазным субстратам вследствие стерических затруднений. В то же время фракции водорастворимых олигомеров расщепляются экзоферментами с более высокой скоростью, нежели чем эндодеполимеразами. Совместное действие обеих групп ферментов обеспечивает быструю и полную конверсию сырья до низкомолекулярных продуктов. 81 Наряду с формой последовательно-параллельного воздействия полиферментной системы при решении технологических задач облагораживания текстильных материалов необходимо учитывать возможность проявления еще двух разновидностей синергизма в действии индивидуальных компонентов МЭК: снятие одним ферментом ингибирующего действия промежуточных продуктов гидролиза субстрата на другие компоненты МЭК; способность ферментов к адсорбционным взаимодействиям. Активность ферментов может снижаться в результате воздействия некоторых веществ, именуемых ингибиторами ферментов. Такими веществами иногда являются сами субстраты или продукты ферментативной реакции, имеющиеся в среде в избыточной концентрации. Сущность протекаемых процессов иллюстрирует схема, представленная на рис. 2.5: а) б) X X O Y S Z в) S Y Z Z X O Z S Y O Y X S S Z г) X Z Y X S X Z S Y O X Y S Z Y Рис. 2.5. Схемы образования активного (а) и неактивных (б-г) форм фермент-субстратных комплексов В данном случае каталитическое действие наблюдается при условии, если субстрат S взаимодействует с ферментом несколькими структурными фрагментами своей молекулы, обозначенными как X, Y и Z. Например, активный центр -амилазы в зависимости от ее микробиологического происхождения фермента одновременно взаимодействует с 7 или 9 глюкозидными звеньями макромолекулы амилозы или амилопектина, разрывая полимерную цепь на участке соответственно между 45 или 67 сайтами активного центра [141]. Если же соответствующие группировки (сайты) активного центра фермента (на схеме обозначены геометрическими фигурами треугольника, круга и квадрата) 82 частично заняты молекулами либо субстрата, либо продуктов реакции, то на них каталитический процесс не происходит. Соответственно, по приведенному выше примеру, накопление мальтозы, являющейся продуктом деструкции полисахаридов крахмала, приводит к увеличению вероятности образования неактивных фермент-субстратных комплексов (см. фрагменты б, в и г на рис. 2.5), что отражается на снижении показателей активности ферментного препарата. Наглядное проявление синергизма при устранении ингибирующего действия низкомолекулярных продуктов гидролиза полимера прослеживается в действии эндоглюканазы и целлобиазы [163,164]. Согласно имеющимся данным накопление в системе димеров целлобиозы может приводить к неэффективному блокированию активного центра эндоглюканазы без перекрытия его реакционно способного участка. Как следствие, это приводит к резкому уменьшению каталитической активности фермента эндоглюканазы [163]. Присутствие в системе целлобиазы способствует конверсии промежуточных низкомолекулярных продуктов до глюкозы, что предотвращает ингибирующее их влияние на свойства эндоглюканазы. Благодаря наличию синергизма в действии эндоглюканазы и целлобиазы (при оптимальном соотношении в композиционном препарате соответствующих активностей 1,4:1) удается повысить глубину гидролиза полимерного субстрата в 2,4 раза при общем увеличении выхода глюкозы в 9,6 раза. Специфика протекания гетерогенных процессов расщепления твердофазного субстрата, когда действие ферментов всегда идет от поверхностных слоев вглубь материала, обусловливает необходимость учета проявления адсорбционного синергизма между белковыми катализаторами. Известно, что каждый компонент в составе деполимиризующего МЭК может быть представлен ферментами, подразделяемыми на две формы: прочно и слабо адсорбирующиеся на субстрате. Это выражается в том, что при гидролизе полимера часть ферментов действует на субстрат, находясь в растворе (слабо адсорбирующиеся, далее СА-ферменты), другая часть действует в ад- 83 сорбированном состоянии (прочно адсорбирующиеся, далее ПА-ферменты). В частности, по данным [165], содержание ПА-эндоглюканазы в препаратах целловиридин и пектофоетидин составляет соответственно 75 и 50 %, причем эти соотношения практически постоянны при осуществлении адсорбции из растворов с различной концентрацией ферментных препаратов и целлюлозного субстрата. При этом СА-целлюлазы не проявляют заметной склонности сорбироваться целлюлозой и при повторном смешивании с нею [166]. Различия адсорбционной способности ферментов обусловлены отличиями в размерах и структуре белковой молекулы. В соответствии с современными представлениями, активный центр ПА-фермента состоит, как правило, из двух частей: каталитического домена (КД), ответственного за проведение химической реакции, и субстрат-связывающего домена (ССД), обеспечивающего связывание субстрата и образование фермент-субстратного комплекса. Каталитический и субстрат-связывающий домены соединены между собой подвижной пептидной цепью - линкером. Как показано на рис. 2.6а, ПА-ферменты удерживаются на поверхности материала, благодаря взаимодействию ССД с субстратом, а КД через гибкий линкер осуществляет несколько повторяющихся каталитических актов. Механизм воздействия фермента на субстрат, сопровождающегося серией последовательных атак КД биокатализатора без разрушения фермент-субстратного комплекса, получил название множественной атаки. КД КД ССД КД КД а) б) Рис. 2.6. Схема действия прочно адсорбирующихся (а) и слабо адсорбирующихся (б) ферментов В молекуле СА-биокатализаторов ССД отсутствует. Адсорбционная способность таких ферментов невысока. Они действуют по принципу пинк-понга, 84 меняя свою дислокацию по окончании каждого каталитического акта на новые участки субстрата (рис. 2.6б). В связи с этим СА-ферменты оказывают не локальное, а рассредоточенное поверхностное (тополитическое) действие на полимерные материалы, не затрагивая их глубинные слои. Эффекты тополитического действия имеют важное практическое значение для изменения поверхностных свойств волокон в различных процессах переработки текстильных материалов. В частности, они положены в основу достаточно широко применяемых в зарубежной практике способов биоотварки (bioscouring) хлопчатобумажных материалов, депигментации (biostoning) джинсовых изделий, получения эффектов биополировки (biopolishing), биоопаливания, биолощения тканых и трикотажных материалов [167-171]. Они могут обеспечить повышение технологичности переработки хлопкового сырья пониженной зрелости, доля которого в мировом производстве хлопка достигает 2,75 млн. т. Как показано сотрудниками ИГТА [172], основные структурные отличия незрелого хлопка проявляются в строении первичной клеточной стенки. Ее стравливание при тополитическом ферментативном воздействии позволит нивелировать недостатки структурного развития волокнистого сырья. Вместе с тем для индивидуальной системы ПА-ферментов характерно прекращение их воздействия при встрече с малодоступной областью повышенной кристалличности. Высвобождения «зарывшихся» ПА-энзимов можно добиться только благодаря освобождению их ССД в результате деструкции прилегающей зоны субстрата СА-ферментами. Синергизм в действии тополитических и прочно адсорбирующихся ферментов позволяет обеспечить более глубокую модификацию внутренней структуры полимерного материала: одновременное их воздействие приводит к более высоким скоростям и большей глубине конверсии. В некоторых случаях проявление адсорбционного синергизма не требуется. В качестве примера, на рис. 2.7 показан результат пространственно локализованного действия ПА-ферментов на зерна крахмала [134]. Повреждение оболочки зерна (см. рис.2.7а) ускоряет их набухание и клейстеризацию при низких температурах (см. рис.2.7б). Реализация такого воздействия в техноло- 85 гии приготовления вспомогательных крахмалсодержащих композиций позволяет наряду с технологическими и экономическими преимуществами отказаться также от использования в этих процессах экологически опасных хлорсодержащих расщепителей крахмалопродуктов. а) б) Рис.2.7. Состояние зерен кукурузного крахмала, подверженных действию ПА-амилаз (а), и их разрушение в процессе клейстеризации (б) (СЭМ600) Наиболее строгой характеристикой адсорбционных свойств ферментов, по-видимому, является равновесная константа адсорбции. Однако для композиционных препаратов, содержащих несколько ферментов, эта величина не может быть определена экспериментально по ряду причин: во-первых, в связи с трудностями определения истинной концентрации фермента, наличия в системе множества совместно сорбирующихся ферментов и белков; во-вторых, в связи со сложностью и многостадийностью процесса адсорбции и неполной ее обратимостью. Реальным критерием является коэффициент равновесного распределения фермента между раствором и поверхностью нерастворимого субстрата (константа адсорбции Генри, КАДС). Он определяется в условиях линейности изотермы адсорбции и пропорционален константе адсорбции и величине предельной адсорбции фермента (при полном монослойном заполнении поверхности сорбента очищенным ферментом). Рекомендуемые диапазоны величины КАДС для амилолитических энзимов, применяемых в процессах получения биомодифицированных крахмалсодержащих вспомогательных композиций или в технологии ферментативных способов расшлихтовки тканых полотен, составляют соответственно 0,019…0,027 и 0,005…0,009 л/г [134]. Для многокомпонентных систем учесть протекание синергизма довольно сложно. К настоящему времени есть рекомендации только по описанию единичных 86 простых реакций катализа белковых катализаторов по уравнению Михаэлиса-Ментен. Реальные процессы ферментативного катализа деструкции гетерогенных систем, осложненные твердофазным состоянием гидролизуемого субстрата, трудно поддаются формальному математическому описанию в связи с многочисленностью ступеней протекания процессов и участвующих в них промежуточных соединений. Для описания кинетических закономерностей ферментативного гидролиза твердофазных примесей крахмальной шлихты нами ранее предложен подход, учитывающий последовательное протекание биокатализируемого процесса от периферийных слоев шлихты на поверхности нити вглубь текстильного материала. При этом расщепление полимеров крахмала (CКР, %ч1) на начальной стадии процесса (в течение 1 ч ферментативной обработки) удается достаточно корректно связать с параметрами активности эндо- и экзогенных ферментов в растворе АЭНДО и АЭКЗО (ед.мл1) с вычленением индивидуального вклада каждой группы амилаз и синергизма в их совместном действии. При температуре ферментативной обработки 25 и 40оС зависимости имеют вид: А А С КР(25) 14,5 0,025 AЭНДО 0,0048 АЭКЗО 0,13 ЭНДО ЭКЗО , r 0,997 (2.1) ( А А ) ЭНДО ЭКЗО А А (2.2) С КР(40) 20,4 0,0858 АЭНДО 0,0148 АЭКЗО 0,16 ЭНДО ЭКЗО , r 0,999 ( А А ) ЭНДО ЭКЗО Кооперативное действие деполимеризующих эндо- и экзоферментов в уравнении выражен в виде отношения произведения показателей активностей биокатализаторов к их сумме. Используемый вид данного члена уравнения адекватно отражает физический смысл синергизма преумножение влияния факторов в сравнении с их аддитивным увеличением и позволяет описать экспериментальные данные с достаточно высокой степенью корреляции. Таким образом, на основании анализа современных представлений о теоретических основах ферментативного катализа процессов деполимеризации выявлены следующие особенности действия энзимов, применение которых имеет важное значение при облагораживании льняных текстильных материалов: – высокая субстратная специфичность, т.е. проявление активности в отношении определенного вида соединений, типа катализируемой реакции; 87 – позиционная специфичность возможность разрушения полимерного субстрата за счет воздействия на концевые (внешние) участки макромолекулы с последовательным отщеплением низкомолекулярных продуктов (экзогенные деполимеразы), либо за счет разрыва срединных (внутренних) связей в полимерной цепи с образованием крупных фрагментов (эндогенные деполимеразы); – наличие кооперативного действия компонентов полиферментных систем и возможность проявления синергизма; – пространственно локализованное действие, проявление которого связано со стерическими трудностями проникновения наноразмерных молекул ферментов в структурные образования волокнистой матрицы; – наличие изоформ ферментов разного микробиологического происхождения, отличающихся условиями проявления каталитическими свойств (температурная устойчивость, положение изоэлектрической точки, определяющей рабочий диапазон рН среды и оптимум проявления максимальной активности; размер молекул ферментов); – способность биокатализаторов адсорбироваться на твердофазном субстрате. 2.2. Характеристика действия мультиэнзимных комплексов при облагораживании льняных текстильных материалов Развитие научных подходов к созданию высокоэффективных биохимических технологий текстильного производства должно базироваться на адаптации теоретических основ прикладной энзимологии для углубленного понимания сущности протекающих биокатализируемых процессов. С учетом гетерополимерного строения льняных текстильных материалов и специфики технологических задач их обработки наиболее значимыми для реализации биокатализируемых процессов являются мультиэнзимные комплексы класса гидролаз, а также некоторые представители оксидоредуктаз, трансфераз и лиаз. В табл. 2.1 приведены составы основных МЭК, способных осуществлять деструкцию полисахаридных соединений льняного волокна. В соот- Таблица 2.1. Составы мультиэнзимных комплексов, расщепляющих полисахариды льняного волокна [144] Наименование МЭК 1 Позиционная специфичность 2 эндо- целлюлазный -Dглюканазный Классификационный номер 3 эндо- 4 5 воздействие на -1,4-связи в аморфных и кристаллических областях нативной целлюлозы; резкое снижение степени полимеризации 3.2.1.74 3.2.1.21 3.2.1.6 эндо-1,3(4)--глюканаза 3.2.1.39 эндо-1,3--глюканаза 3.2.1.4 3.2.1.73 3.2.1.75 экзо- Механизм действия эндо-1,4--глюканаза (целлюлаза) экзо-1,4--глюканаза (целлобиогидролаза) экзо-1,4-- глюкозидаза - глюкозидаза (целлобиаза) 3.2.1.91 экзо- Наименование фермента 1,3-1,4--глюкан-4глюканогидролаза (лихеназа) эндо-1,6--глюканаза 3.2.1.71 эндо-1,2--глюканаза 3.2.1.78 эндо-1,4--маннаназа 3.2.1.89 3.2.1.90 эндо-1,4--D-галактаназа эндо-1,3--D-галактаназа 3.2.1.23 экзо--галактозидаза 3.2.1.25 экзо--маннозидаза гидролиз -1,4-связей в целлоолигосахаридах с образованием соответственно ди- и мономеров гидролиз дисахаридов (целлобиозы) расщепление внутренних -1,3- или -1,4-связей в -глюканах, у которых глюкозный остаток с редуцирующей группой, участвующей в образовании гидролизуемой связи, замещен в положении С-3 воздействие на 1,3--глюкозидные связи преимущественно при отсутствии в макромолекулах субстрата -1,4-связей гидролиз 1,4--глюкозидных связей в -D-глюканах, имеющих сочетание 1,3- и 1,4-связей; не способен воздействовать на -Dглюканы, содержащие только -1,3- или -1,4-связи беспорядочный гидролиз -1,6-связей внутри молекулы 1,6--Dглюканов, таких как лютеан, пустулан и 1,6-олиго--D-глюкозиды каталитическое расщепление внутримолекулярных -1,2-связей в 1,2--D-глюканазах гидролиз внутренних 1,4--маннозидных связей в маннанах, галактоманнанах и глюкоманнанах осуществляют эндогидролиз соответственно 1,4- и 1,3--Dгалактозидных связей в арабиногалактанах гидролитическое отщепление концевых нередуцирующих остатков -D-галактозы в -галактозидах отщепление концевых остатков -D-маннозы в -маннозидах 88 89 1 2 эндо- -Dксиланазный экзо- эндо- пектолитический 4 эндо-1,4--D-ксиланаза 3.2.1.32 эндо-1,3--D-ксиланаза 3.2.1.37 экзо-1,4--D-ксилозидаза 3.2.1.72 экзо-1,3--ксилозидаза 3.2.1.55 -L-арабинофуранозидаза 3.2.1.15 полигалактуроназа (пектиназа) 3.2.1.67 экзополигалактуроназа 3.2.1.82 экзо-поли-галактуронозидаза 3.2.1.40 -L-рамнозидаза 3.1.1.11 пектинэстераза 4.2.2.10 пектин-лиаза 4.2.2.2 пектат-лиаза 4.2.2.9 экзополигалактуронатлиаза экзо- пектинэлиминазный 3 3.2.1.8 эндоэкзо- 5 гидролитическое расщепление 1,4--ксилозидных связей в ксиланах беспорядочный гидролиз внутримолекулярных 1,3--Dксилозидных связей в 1,3--D-ксиланах последовательное отщепление остатка D-ксилозы с нередуцирующего конца 1,4--D-ксилана, расщепление ксилобиозы до Dксилозы последовательное отщепление звеньев ксилозы от нередуцирующего конца молекул 1,3--D-ксиланов гидролиз последней с нередуцирующего конца связи в молекуле арабинозидов, с отщеплением -L-арабинозы в фуранозной форме; действует на -L-арабино-фуранозиды, -L-арабинаны, содержащие 1,3- и (или) 1,5-связи, на арабиноксиланы и арабиногалактаны воздействие на пектин только при наличии в нем неметоксилированных участков с разрывом полигалактуроновой цепи в местах, окруженных с обеих сторон незамещенными звеньями отщепление от нередуцирующего конца макромолекул полигалактуроновой кислоты растворимых в воде соответственно моно- и димерных звеньев; подобно полигалактуроназе не проявляют комплементарности к метоксилированным звеньям полимерной цепи и не способны воздействовать на прилегающие к ним глюкозидные связи гидролитическое отщепление в макромолекулах рамногалактуронана концевых нередуцирующих остатков соответственно -L- и -Lрамнозы гидролиз эфирной связи в метоксилированных звеньях пектина, повышает доступность полимера для полигалактуроназ эндо- и экзодействия деполимеризует пектин путем элиминирования остатков 6-метил-4,5-D-галактуроната; не действует на деэтерифицированный пектин деполимеризует пектовую кислоту путем элиминирования элиминирование -4,5-D-галактуронозо-D-галактуронатных остатков с редуцирующего конца деэтерифицированного пектина с образованием ненасыщенной галактуроновой кислоты 89 90 1 2 3 3.2.1.1 3.2.1.10 эндо- 3.2.1.11 3.2.1.33 3.2.1.41 3.2.1.68 амилазный 3.2.1.2 3.2.1.3 экзо- 3.2.1.60 3.2.1.70 3.2.1.20 3.2.1.48 3.2.1.54 5 4 эндо-1,4--D- глюкан-глю- гидролиз срединных -1,4-глюкозидных связей амилозы и амилопекканогидролаза (-амилаза) тина; действие останавливается в местах ветвления полимерной цепи гидролиз 1,6--глюкозидных связей в изомальтозе и декстринах, олиго-1,6- глюкозидаза образующихся при расщеплении амилозы и амилопектина амилазой 1,6--D- глюкан-6- глюкагидролиз 1,6--глюкозидных связей в декстринах ногидролаза расщепление 1,6--глюкозидных связей в точках ветвления цепей, амило-1,6- глюкозидаза состоящих из -глюкозы, соединенных 1,4-связями пуллулан-6- глюканогид- гидролиз пуллулана, гликогена, предельных декстринов с образованиролаза (пуллуланаза) ем мальтотриозы; отщепление боковых ответвлений в амилопектине; гликоген-6- глюканогид- слабое действие на предельные -декстрины, однако обладает большей ролаза (изоамилаза) реакционной способностью по отношению к амилопектину экзо-1,4--D- глюканпоследовательное отщепление димеров с нередуцирующих концов мальтогидролаза (-амилаза) амилозы и амилопектина последовательный гидролиз -1,4-связи на редуцирующем конце экзо-1,4- глюкозидаза макромолекулы с отщеплением мономерных звеньев, приблизив(-амилаза) шись к месту ветвления, расщепляет -1,6-связь и продолжает свое движение по -1,4-связям бокового ответвления отщепление остатков мальтотетраозы от нередуцирующих концов экзо-1,4--D- глюканмальтотетраогидролаза крахмальных полисахаридов с разрушением 1,4--глюкозидных связей последовательное отщепление остатков глюкозы от 1,6--глюканов экзо-1,6-- глюкозидаза и получающихся из них олигосахаридов - глюкозидаза (мальтаза) гидролиз 1,4-сязи с нередуцирующего конца -D-глюкозы сахарозо--глюкогидроускоряет расщепление сахарозы и мальтозы по типу - глюкозидазы лаза (сахараза) гидролиз 1,4-связи полимперов крахмала с образованием нередуцициклодекстриндекстриногидролаза рующих -, - или -циклодекстринов соответственно с 6, 7 или 8 (циклодекстриназа) глюкозидными единицами 90 91 ветствии с субстратной принадлежностью дана характеристика совокупности биокатализаторов целлюлазного, гемицеллюлазного, пектиндеструктирующего и амилазного действия с разделением энзимов на группы эндо- и экзодеполимераз. Состав каждого МЭК определяется сложностью строения макромолекулы деструктируемого полимера и совокупностью возможных его превращений. Самым немногочисленным является целлюлазный мультиэнзимный комплекс. В его состав входят четыре гидролитических фермента. Эндоглюканазам принадлежит важнейшая роль в действии целлюлазного МЭК [165]. Они первыми воздействуют на нативную целлюлозу, разрушая не только аморфные области фибрилл, но и в определенной степени обеспечивая разрыв водородных связей в кристаллических участках [141]. Экзогенные целлюлазы обладают низкой активностью по отношению к твердофазным водонерастворимым полимерам, их действие более выражено при гидролизе низкомолекулярных продуктов первой стадии конверсии. Целлобиогидролазы воздействуют на аморфную целлюлозу и растворимые олигосахариды, но не способны катализировать гидролиз дисахаридов (целлобиозы). Для достижения глубокой конверсии целлюлозосодержащего сырья их действие дополняется деструктирующим влиянием фермента целлобиаза на получаемые димеры, что играет доминирующую роль в механизме образования глюкозы. Вместе с тем следует отметить, что компоненты целлюлазного МЭК могут проявлять активность не только по отношению к целлюлозному субстрату, но также и к -глюканам и ксилоглюканам, входящим в состав гемицеллюлозных соединений волокнистых материалов. В частности известен факт деструкции -глюканов зерна и лихетина под влиянием эндоглюканазы. Причем, авторами [165] показано, что наличие в субстрате -1,3-связей не является препятствием для осуществления каталитического акта фермента с макромолекулой субстрата. В связи с этим при воздействии целлюлаз на компоненты льняного волокна необходимо учитывать возможность их негативного влияния на изменение технологических свойств формируемой пряжи в результате побочного 92 каталитического разрушения гемицеллюлозных соединений, приводящего к ухудшению дробимости и прочности технического волокна [173]. Специфическую субстратную деструкцию разнообразных гемицеллюлозных соединений осуществляют ферменты, подразделяемые на группы -Dглюканазного и -D-ксиланазного комплексов, осуществляющих гидролиз соответственно гексозанов и веществ, относящиеся к классу пентозанов. Представители -D-глюканазного МЭК воздействуют на линейные или слабо разветвленные гексозаны, в том числе на галактаны, маннаны и глюканы. Их действие дополняется гидролитическим влиянием -глюкозидаз, объединенных в номенклатуре ферментов [144] в группу КФ 3.2.1.21. Наряду с самым распространеным их наименованием – целлобиаза – в литературе встречаются также и другие названия множественных форм фермента, например, генциобиолаза или амигдалаза. -Глюкозидазы проявляют широкую субстратную специфичность и способствуют расщеплению не только -D-глюкозидов, но также и -D-галактозидов, -D-ксилозидов, -L-арабинозидов. Ветвистые структуры пентозанов гидролизуются ферментами -Dксиланазного комплекса. Их деструкция предусматривает участие как минимум пяти видов ферментов, которые по механизму действия также подразделены на группы эндо- и экзодействия. Боковые ответвления гемицеллюлоз, содержащие арабинозу и глюкуроновую кислоту, для многих ксиланаз являются стерическим препятствием для образования фермент-субстратного комплекса. В связи с этим ферментативный гидролиз арабиноксилана предусматривает предварительное воздействие на субстрат -L-арабинофуранозидазы. В результате последовательных каталитических актов биокатализатора с макромолекулой полимера происходит отщепление мономерных остатков от нередуцирующего конца арабановых ответвлений с образованием ксилана. Далее незамещенный ксилан подвергается последовательно-параллельной атаке эндо- и экзо-ксиланаз. 93 Последние могут участвовать в гидролизе другой группы углеводных спутников целлюлозы волокнистых материалов – полиуронидных соединений, которые близки к нейтральным сахарам по гетерополимерному составу, но различаются характером мономерного строения основной молекулярной цепи и боковых ответвлений. Как уже указывалось в предыдущей главе, в гемицеллюлозах цепь основных валентных связей сформирована остатками нейтральных сахаров, а в пектиновых веществах – звеньями D-галактуроновой кислоты. Каталитическое расщепление последних осуществляется под действием пектиндеструктирующих ферментов. При этом боковые ответвления пектинов образованы нейтральными моносахарами, а в гемицеллюлозах они сочетаются с уронидными звеньями. Следовательно, пектолитический или гемицеллюлазные МЭК могут осуществлять неспецифические воздействия на соответствующие участки полимерных цепей гемицеллюлоз и пектиновых веществ льняного волокна. Специфика действия пектиназ на полиурониды обусловлена особенностями строения основной полимерной цепи пектиновых веществ, связанными с различным содержанием мономерных звеньев неэтерифицированной галактуроновой кислоты ГК-Н, ее метоксилированных производных ГК-СН3 и кальцийпектатных форм ГК-Са. В частности известно, что яблочный и цитрусовый пектин метоксилирован на 70…78 % [174]. Пектин хлопкового волокна этерифици. рован на 85 % [175]. Низкометоксилированным соединением является свекольный пектин с величиной степени метоксилирования 35 % [176]. В зависимости от соотношения в пектине неэтерифицированной и метоксилированной форм мономерных звеньев ферментативный гидролиз полиуронидных соединений может протекать по двум альтернативным маршрутам, представленным на рис. 2.5. Рис. 2.5. Схема конверсии пектина ферментами пектолитического МЭК 94 Согласно литературным данным [177,178], в зависимости от соотношения в пектине неэтерифицированной и метоксилированной форм мономерных звеньев начальная стадия разрушения полимера под действием мультиэнзимного комплекса может протекать по двум маршрутам: либо с первоначальным влиянием эндополигалактуроназы, воздействующей на -гликозидные связи в цепи полимера, либо пектинэстеразы, обеспечивающей предварительное расщепление эфирной связи в метоксилированных звеньях полиуронида. Маршрут I имеет место при наличии в полимере достаточного количества звеньев галактуроновой кислоты, поскольку эндополигалактуроназа действует исключительно между мономерными звеньями с незамещенной формой карбоксильной группировки. Присутствие заместителя в составе элементарных звеньев цепи полимера препятствует действию полигалактуроназ и снижает эффективность биокатализируемого расщепления полиуронидов. Поэтому для эффективной деструкции метоксилированных олигомеров на маршруте I, также как и высокометоксилированного полимера по маршруту II необходимо участие пектинэстеразы. Этот фермент обеспечивает предварительный перевод полимера в форму полигактуроновой кислоты, которая затем подвергается деполимеризации под действием эндо- и экзо-пектиназ с образованием низкомолекулярных продуктов. В состав амилазного МЭК, воздействующего на полимеры крахмала, входит 13 видов амилаз [179]. С учетом особенностей строения макромолекул амилозы и амилопектина белковые катализаторы данного МЭК подразделяют на две группы. В одной из них представлены энзимы, воздействующие на -1,4глюкозидные связи, обеспечивая деструкцию полимеров крахмала. Другая группа ферментов способна катализировать гидролиз только -1,6- глюкозидных связей в молекулах разветвленного полисахарида амилопектина и получила название деветвящих или дебранчинг-ферментов [179-181]. Основными представителями -1,4-группы амилолитических энзимов являются -амилаза, - и -амилаза. Примечательно, что действие первых двух ферментов приостанавливается в местах ветвления полимерной цепи. Энзим -амилаза 95 имеет более широкую специфичность, поскольку наряду с деструкцией линейных цепей с -1,4-связью способен проявлять активность и в отношении -1,6-связей. Это происходит при условии, если за -1,6-ответвлением следует -1,4-связь. Отличительной особенностью -амилазы является способность гидролизовать зерна нативного крахмала, разрыхляя поверхность и образуя каналы и бороздки. Клейстеризованный крахмал деполимеризуется ею в меньшей степени. Как отмечалось выше выпускаемые отечественными производителями и зарубежными фирмами биопрепараты представляют собой довольно сложные полиферментные системы, в составе которых присутствует целый ряд мультиэнзимных комплексов различного субстратного действия. Причем содержание сопутствующих ферментов в разных препаратах может быть весьма значительным, несмотря на общепринятую их классификацию по основному присутствующему компоненту, а в зависимости от продуцента и условий получения состав доминирующего и сопутствующих ферментных комплексов может существенно варьировать. В частности, наглядным примером многокомпонентного состава промышленных ферментных систем являются результаты анализа препаратов целловеридин Г2х и целловеридин Г20х [150], представленные на диаграмме рис. 2.6. Фракционирование позволило идентифицировать 14 разновидностей биокатализаторов, различающихся субстратной специфичностью, а также наличие в трех из них нескольких изоформ с определенными особенностями биохимических характеристик (молекулярная масса, изоэлектрическая точка), не учитываемыми в рамках классификационных признаков действующей Международной классификации ферментов. Кроме того, некоторые хроматографические пики малой интенсивности авторам [150] не удалось расшифровать и выявить в качестве индивидуальных фракций ряд ферментов, присутствующих в системе в сравнительно небольших количествах. В их числе, в частности, следует указать два компонента целлюлазного мультиэнзимного комплекса экзо-1,4-- глюкозидазу и целлобиогидролазу, присутствие которых в препарате целловиридин Г20х подтверждается литературными данными, а также пектинэстеразу и экзогенные полигалактуроназы, входящие в состав пектиназного МЭК. 96 Удельное содержание ферментов, % 45 40 Целловеридин Г2х 35 Целловеридин Г20х 30 25 20 15 10 5 0 ГЛЭНДО ГЛЭНДО ГЛЭНДО ЦБГ I II III I ЦБГ ПГЭНДО КСЭНДО КСЭНДО КСГЛ КСЭКЗО МН II I II АРА 1,3ГЛЭНДО ГАЛЭКЗО Рис. 2.6. Характеристика состава препаратов Целловеридин Г2х и Целловеридин Г20х по данным хроматографического разделения индивидуальных ферментов: – изоформы эндоглюканазы; ЦБГ I, ЦБГ II – изоформы целлобиогидролазы; ПГЭНДО – полигалактуроназа; КСЭНДО I, КСЭНДО II – изоформы ксиланазы; КСГЛ – ксилоглюканаза; КСЭКЗО – экзо-1,4--ксилозидаза; МН – маннаназа; АРА – -L-арабинофуранозидаза; 1,3ГЛЭНДО– эндо-1,3--глюканаза; ГАЛЭКЗО – экзо-галактозидаза. ГЛЭНДО I, ГЛЭНДО II, ГЛЭНДО III Между тем не все присутствующие в препаратах компоненты одинаково эффективно участвуют в процессах облагораживания текстильных материалов. В частности сопоставление применения при биоотварке хлопчатобумажной ткани препарата целловиридин Г20х и входящих в его состав индивидуальных ферментов показало [150], что совокупный уровень повышения показателя капиллярности текстильного материала на 63 % обеспечивается тремя компонентами: эндоглюканазой ГЛЭНДО II, целлобиогидролазой ЦБГ II и эндополигалактуроназой ПГЭНДО. Вместе с тем продемонстрированные сложность и нерегулярность состава естественных полиферментных композиций, как правило, не учитываются при практическом использовании биохимических технологий в текстильном производстве. Довольно часто разные ферментные препараты одного субстратного вида отождествляются друг с другом. При этом считается, что они одинаково применимы в разных технологических процессах и сферах производства. Однако это далеко не так. Изменение соотношения и свойств компонентов биопрепаратов в существенной степени отражается на результатах их действия. По 97 данным [11], пектолитические препараты грибного (A. foetidus) и бактериального (B. subtilis) продуцентов при воздействии на льняное волокно показывают 2кратное различие скорости расщепления твердофазных полиуронидных соединений при снижении в 2,5…3 раза уровня остаточного содержания пектина в случае бактериального препарата, что связано со специфическими особенностями состава сравниваемых мультиэнзимных систем. В этой связи понятно, что для реализации приемов селективного расщепления примесей и направленной модификации волокнистого материала необходимо строго контролировать профили субстратной активности компонентов применяемых мультиэнзимных композиций с учетом оценки их индивидуального и кооперативного действия, а также сопутствующих ферментов. Важной технологической задачей при реализации ферментных технологий в текстильном производстве является обеспечение стабильности результатов облагораживания льняных волокнистых материалов, особенно при смене партии сырья или используемых биопрепаратов. Для достижения воспроизводимости достигаемого эффекта обработки ферментными препаратами и регулирования их воздействия на определенные структурные компоненты гетерополимерной системы волокна принципиально важным моментом является систематический контроль каталитической способности всех ферментов, входящих в состав МЭК, в том числе и возможных сопутствующих биокатализаторов. При этом в основе регулирования воздействия биопрепаратов и обеспечения стабильной воспроизводимости получаемых результатов должен лежать анализ показателей активности ферментов. Оценка каталитических свойств энзимов позволит осуществить целенаправленный подбор определенных видов ферментов и их комбинаций для получения эффектов биомодификации многокомпонентных полимерных систем в соответствии с задачами технологического процесса переработки льняных волокнистых материалов. Для обоснования направлений усовершенствования биохимических технологий облагораживания льняных волокнистых материалов в следующем разделе текущей главы обобщены сведения о существующем опыте применения ферментативного катализа в текстильном производстве. 98 2.3. Развитие биохимических технологий облагораживания текстильных материалов из натуральных волокон К началу тысячелетия биотехнологии приобрели богатый мировой опыт применения в различных областях производственной деятельности. По данным исследовательского агентства Freedonia Group, ежегодный прирост мирового производства и применения ферментов в 2000–2010 г.г. составлял 8…15 % [182]. Анализируя состояние использования биокатализа в практике текстильного производства развитых зарубежных стран можно отметить прогрессирующую динамику реализации биотехнологий на многих технологических стадиях обработки природных волокнистых материалов. В частности детализированный обзор существующих тенденций научного поиска в области использования энзимных технологий в текстильной индустрии, подробно освященный в коллективной монографии [135], показал, что к настоящему времени можно выделить четыре основных направления их развития [183], которые представлены на схеме рис.2.7. Рис.2.7. Классификация основных направлений и видов реализуемых биохимических технологий в текстильной индустрии 99 Согласно приведенным данным наиболее реализуемыми процессами в практике применения ферментативных текстильных технологий являются биоскоринг (биоотварка) хлопчатобумажных тканей, удаление крахмальных шлихтующих композиций и биостонинг (осветление окраски джинсовых изделий). Развиваемые подходы биоотварки базируются на общепризнанном постулате о дислокации основной массы примесей в кутикуле и в тонком слое первичной клеточной стенки хлопкового волокна. При этом для удаления примесей из внешнего слоя хлопкового волокна используются варианты деструкции примесей ферментами пектолитического, протеолитического и липолитического действия [184-186], либо стравливания первичной клеточной стенки с использованием целлюлаз [146,168,187-189]. При реализации последнего варианта вторичная клеточная стенка волокна малодоступна для целлюлолитических ферментов, вследствие более высокой упорядоченности фибрилл целлюлозы, и практически не повреждается. Вместе с тем разрушение и отщепление слоев первичной клеточной стенки приводит к улучшению способности целлюлозного волокна к набуханию [190]. В области биоскоринга текстильных материалов в нашей стране работают сотрудники РосЗИТЛП (в настоящее время МГУТУ им. К. Г. Разумовского) под руководством проф. Г.Е. Кричевского [148-150] совместно с химическим факультетом МГУ им. М.В. Ломоносова. Исследователями проведена оценка повышения гидрофильности суровой хлопчатобумажной ткани в результате воздействия целлюлолитических и пектолитических ферментных препаратов [150,165]. Отмечено [149], что при использовании целлюлаз, продуцируемых микроорганизмами Penicillium verrucolosum, Chrysospororium cellulolytisum и Trichoderma reesei, наблюдается повышение капиллярности материала за 30 мин до уровня 100…115 мм. Препараты, продуцируемые грибами рода Aspergellius, c высокой пектиназной активностью оказались менее эффективными – показатель капиллярности составил лишь 50 мм. Таким образом, наличие пектиназной активности ферментного препарата является важным, но далеко не достаточным условием для качественного проведения биоотварки хлопчатобу- 100 мажных тканей, а преобладающая роль в разрушении поверхностных слоев волокна принадлежит целлюлазам. При этом в состав целлюлазного комплекса должны входить как слабо адсорбирующиеся целлюлазы для тополитического воздействия на хлопковое волокно, так и прочно адсорбирующиеся энзимы. Вместе с тем в настоящее время существует и противоположное мнение [146,147] о том, что и в отсутствии целлюлаз действие щелочной пектиназы способно эффективно осуществлять биоскоринг хлопчатобумажных тканей за счет избирательного разрушения пектинов во внешнем слое хлопковых волокон. Для удаления крахмальных шлихтующих композиций применяют ферменты гидролитического действия, расщепляющие крахмал, – амилазы. Как было показано в разделе 2.2.2, к группе амилолитических ферментов относятся α- и β- амилазы, γ-амилаза (глюкоамилаза) и деветвящие ферменты. Они отличаются механизмом действия и, соответственно, конечными продуктами гидролитической деструкции крахмала. Комбинированное действие амилаз разной позиционной специфичности должно обеспечить полное удаление примесей крахмальной шлихты, что является важным условием для обеспечения качественного беления тканых полотен, а также для повышения биостойкости готовых изделий, чему в случае экспорта продукции уделяется повышенное внимание. В исследовательской практике биохимических технологий подготовки текстильных материалов изучению эффективности действия отечественных амилолитических ферментных препаратов, например, амилосубтилина Г3х, Г10х, амилоризина П10х, глюкаваморина П3х, посвящено довольно большое количество работ [191-195]. Однако результативность их применения не велика и составляет 40…60 % [192-194]. В то же время уровень расшлихтовки при использовании специализированных импортных биопрепаратов аквазим, аквазимультра (ф. «Novozymes») достигает 90…95 % [196]. Основная причина низкой результативности известных отечественных промышленно выпускаемых ферментных препаратов обусловлена, по- видимому, неоптимизированными для текстильной индустрии параметрами компонентного состава мультиэнзимных комплексов и условий проявления 101 максимальной активности, поскольку их выпуск изначально ориентирован на другие сферы производства, например, для сельского хозяйства, деревоперерабатывающей или пищевой промышленности. При этом разработчиками текстильных технологий недостаточно внимания уделяется анализу состава и специфики действия используемых препаратов, без чего невозможно обеспечить управляемое протекание процессов. Биостонинг хлопчатобумажных тканей реализуется при использовании специальных целлюлолитических ферментов с низкими адсорбционными свойствами. Высокой эффективностью для реализации данной технологии обладают препараты Deniprime и Denimax фирмы Novozymes (Дания). Аналогичные разработки в России ведут сотрудники МГУ им. Ломоносова с использованием специальных видов рекомбинантных целлюлаз [143]. Создание препаратов целлюлолитических ферментов поверхностного (тополитического) действия обеспечило получение эффектов биополировки для удаления выступающих ворсинок и предупреждения образования катышей (пилей) [170], биоопаливания, биолощения хлопчатобумажных тканей, биомерсеризации тканей из искусственных волокон. Существуют рекомендации по использованию биопрепаратов на основе целлюлаз (таких как целловеридин, cellusoft) для биомягчения льняных материалов, предусматривающие реализацию процесса как при подготовке и белении полотен [3], так и на стадии заключительной отделки тканей [197]. Однако следует отметить, что мнение о применимости целлюлолитических ферментов для преодоления природной жесткости льняного волокна является неоднозначным. Причиной негативного отношения противников использования целлюлаз является неизбежная деструкция в этих условиях технологически значимых для придания волокну гибкости и эластичности гемицеллюлозных соединений. Согласно сведениям [63,148] именно расщепление нейтральных полиуглеводов приводит к значительным потерям прочности полуфабриката. 102 В процессах переработки белковых волокон используются операции биокарбонизации и мягчения шерсти и обесклеивания натурального шелка. Биотехнологии обработки шерсти основаны на воздействии ферментов кератиназ на прослойку экзокутикулы - белковой компоненты чешуйчатого слоя шерстного волокна, которая фиксирует слой чешуйчатых мембран и характеризуется повышенным содержанием в молекулах белка серосодержащей аминокислоты цистеин, обеспечивающей образование множественных межцепных и внутрицепных дисульфидных мостиков [3,198-200]. Биообработка позволяет заменить операции хлорирования и получить эффекты умягчения и снижения пиллингуемости не за счет скалывания чешуйчатых мембран, а путем более плотного их прилегания в результате разрыва дисульфидных связей в слое экзокутикулы и образования новых мостиков с белками эпикутикулы. Обработка протеазами улучшает процессы беления шерстяного волокна, повышает накрашиваемость тканей и устойчивость их к усадке. Поверхностный протеолиз чешуйчатого слоя уменьшает сцепляемость волокон с растительными загрязнениями и облегчает очистку волокна, что лежит в основе процессов «биокарбонизации» шерстяного сырья. Основательно вошло в практику использование биохимических методов в процессах первичной переработки льняного сырья для мацерации растительных тканей льняного стебля с целью облегчения отделения лубяных волокнистых пучков. При этом именно в области первичной переработки льна на сегодняшний день имеется самый широкий спектр публикаций, посвященных исследованию биологических и ферментативных процессов деструкции соединительных полимерных тканей на поверхности и в структуре волокнистых комплексов. В частности, в работе индийских ученых [16] довольно глубоко изучено действие щелочной пектиназы Bacillus sp. DT7 при расщеплении инкрустирующих налипов на поверхности лубяных пучков. Согласно продемонстрированным на рис. 2.8 снимкам, сочетание химического и ферментативного воздействия позволяет обеспечить практически полную очистку волокнистого материала от остатков растительных тканей стебля. 103 а) б) Рис. 2.8. Поверхность лубяного пучка перед обработками (а), и после воздействия комбинированной щелочно-ферментативной обработки растворами NaOH (0,5 M) и пектолитическими ферментами (б) [16] Очевидно, что мацерацию технического волокна можно обеспечить, разрушая любой из компонентов углеводно-белкового комплекса соединительных тканей. Однако с учетом имеющегося опыта разработки ферментативных методов первичной переработки лубоволокнистого сырья (лен, джут, рами, кенаф) и дегуммирования лубяных пучков [201-203] необходимо отметить, что основную роль в процессах мацерации льняного волокна играют пектиндеструктирующие ферменты. В частности с этой целью эффективно опробованы пектиназы ферментных препаратов ф. Röhm (Финляндия), препарат Pectinex ф. Novozyme (Дания), а также очищенная полигалактуроназа Asp. niger ф. Megazyme (Ирландия) [204]. Выявлено, что при обработке льна только последний препарат с высокой полигалактуроназной активностью способствовал полному выделению волокнистых комплексов. Это позволило заключить, что важнейшим процессом в ферментном вымачивании является разрушение неметоксилированных участков пектиновых примесей. Вместе с тем при разработке ферментативных методов обработки российских сортов льняного сырья отмечается необходимость использования полиферментных композиций, способных расщеплять метоксилированные формы пектиновых примесей [205-207]. Так, например, при сопоставлении эффективности действия полиферментных композиций штаммов Asp. awamori 22 и Asp. niger 11 установлено [207], что повышение в 1,6 раза пектинэстеразной активности даже при эквивалентном снижении эндополигалактуроназной активности способствовало увеличению выхода длинного волокна с 17,8 до 19,5 %, снижению среднего номера чесаного волокна в 1,1 раза и повышению разрывной нагрузки технического волокна с 14,8 до 17,9 кГс. Высокой эффективностью 104 обладали препараты, продуцируемые штаммами анаэробных бактерий Cl. felsineum и Cl. pectinofermentans 15 и содержащие в качестве основного компонента фермент пектинтрансэлиминазу (пектин-лиазу). Применение препарата полученного из последнего штамма позволяет сократить длительность тепловой мочки льносоломы с 96 до 48 ч. при повышении в 1,25 раза номера чесаного волокна и в 1,1 раза показателя разрывной нагрузки по сравнению с базовым вариантом получения моченцового волокна. Эффективный комплекс пектин-лиазного действия может быть получен при использовании бактериального штамма B. macerans В-2692 [174]. Однако до широкого промышленного выпуска эти ферментные препараты не доведены. По сведениям ГосНИИГенетики, осуществляющего поддержание Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов, указанные штаммы имеют патентную защиту и для исследовательских целей научным организациям не предоставляются. Исследования особенностей изменения углеводно-белкового состава межклеточного вещества (пектиновых веществ, гемицеллюлозных соединений, белков и лигнина) при биохимических способах переработки лубоволокнистого сырья, позволили установить, что более эффективная деструкция выше упомянутых сетчатых структур способствует дроблению комплексов, повышению эффективности мацерации [22]. В этой связи имеющийся опыт может быть использован для обоснования регулируемых методов модификации структуры и свойств льняных текстильных материалов при их подготовке в отделочном производстве. В частности, в зарубежной литературе приводятся рекомендации по применению в текстильной промышленности биопрепаратов Bioprep, Pectinex, Flaxzyme, Viscozyme L фирмы «Novozymes» (Дания) и их аналогов других производителей [208,209]. В нашей стране довольно активно в этой области ведутся исследования на всех уровнях развития науки: академическом (ИБФМ РАН, Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН), вузовском (МГУ, МГТУ, РосЗИТЛП, СПбГУТД, ИГХТУ) и отраслевом (Институт биотехнологии, ФГУП «ЦНИИЛКА» и др.). Опыт работы, основанный на комплексном изучении воздействия на волокнистые материалы отдельных видов ферментов комплексных мультиэнзимных систем, довольно убедительно показывает, что непременными слагаемыми эффектив- 105 ного применения ферментативного катализа в технологических процессах облагораживания льняных текстильных материалов являются оптимизация состава биопрепарата с учетом специфики участия компонентов мультиэнзимных комплексов в процессах деполимеризации твердофазных субстратов и поиск рационального сочетания воздействия биокатализаторов и традиционных химических реагентов. Значительный шаг в выявлении ключевых компонентов полиферментных систем, обеспечивающих достижение эффектов мацерации при подготовке льняной ровницы к мокрому прядению, сделан сотрудниками итальянской Лаборатории биотехнологии и Корпорации «Lamberti» [82] на основании дифференцированной оценки влияния ферментов различного субстратного действия. Эффективность подготовки ровницы оценивалась в сравнении с режимом щелочной варки. На рис. 2.9 приведены результаты данного сопоставительного анализа. Биохимические способы подготовки волокна реализованы с применением ферментных препаратов, характеризуемых по основному компоненту соответственно как пектат-лиаза (Bioрrep), ксиланаза (Pulpzyme), галактоманнаназа (ExpPro), липаза (NS 45003), лакказа (DeniLeit Base) фирмы «Novozymes» и протеаза (Purafect 40001) корпорации «Genencor». % номер пряжи разрывная нагрузка 1 2 3 45 6 7 1 2 3 45 67 120 коэффициент неровноты neps 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 45 6 7 100 80 60 Рис. 2.9. Изменение геометрических и динамометрических характеристик льняной пряжи мокрого прядения после подготовки ровницы со щелочной отваркой (1) или с избирательным ферментативным разрушением компонентов клеящего вещества (2-7): 2- пектиназа; 3- ксиланаза; 4- лакказа; 5- липаза; 6- галактоманнаназа; 7- протеаза. 106 Оценку проводили по геометрическим и динамометрическим параметрам пряжи, выраженным в процентах от базового уровня свойств полуфабриката. Характеризуя действие биопрепаратов с позиции доминирующего в мультиэнзимной системе белкового катализатора можно отметить, что по совокупности представленных показателей эффективность используемых ферментов по мере ее уменьшения представлена следующим рядом: пектат-лиаза > протеаза = ксиланаза = галактоманнаназа > липаза лакказа. В качестве основного преимущества применения пектиндеструктирующих ферментов отмечается одновременное повышение номера пряжи и ее прочности, а также снижение показателей неровноты. При этом благодаря ферментативному расщеплению пектиновых примесей существенно (в 2 раза) снижается количество утолщений, превышающих трехкратное значение среднего диаметра пряжи, по сравнению с традиционной химической технологией. Избирательная деструкция гемицеллюлоз в большей степени проявляется на прочностных характеристиках, практически не изменяя геометрические параметры пряжи. На основании совокупности данных для промышленной апробации итальянскими специалистами рекомендован препарат пектиназного действия Bioрrep, для которого дополнительно подтверждена совместимость и устойчивость с используемыми вспомогательными веществами. Однако если при переработке зарубежного льняного сырья препарат Bioрrep дает хорошие результаты повышения прядомых свойств волокна [82,210,211], то опыт его применения на отечественных льноперерабатывающих предприятиях выявил недостаточную эффективность расщепления связующих веществ лубяного пучка. В частности согласно данным сотрудников ЦНИИЛКА [63] ферментативно-пероксидная обработка льняной ровницы с использованием препарата Bioрrep не обеспечила достижения желаемого качества подготовки волокна к прядению. Сведения о недостаточно эффективной модификации льняных материалов промышленно выпускаемыми пектолитическими препаратами отмечаются и другими российскими специалистами, в частности в работах ИГХТУ [3,212,213]. 107 Следует отметить, что в Ивановском государственном химико- технологическом университете довольно активно занимаются прикладными исследованиями в области биохимической переработки льняных текстильных материалов. Только за последние два десятилетия в ИГХТУ выполнен цикл кандидатских диссертационных работ [200,212-216] по разработке биокатализируемых технологий облагораживания целлюлозных текстильных материалов. В 2005 г. защищена докторская диссертация [3], посвященная вопросам ферментативной модификации натуральных волокнистых материалов, в том числе и изо льна. В частности, в работе [3] были развиты технологические подходы построения процессов подготовки льняной ровницы к прядению и беления тканых полотен с включением стадий ферментативной обработки материалов мультиэнзимными композициями, созданными на базе существующих промышленно выпускаемых биопрепаратов. При этом в качестве определяющего критерия отбора мультиэнзимных каталитических систем, отождествляемых, как правило, с основным (доминирующим) ферментом, предлагается использовать совокупность конечных показателей технологических характеристик текстильных полуфабрикатов без учета свойств исходных волокнистых материалов поступающих на обработку. Безусловно, контроль качества продукции является основным критерием при усовершенствовании производственных процессов. Между тем, как наглядно демонстрируют результаты главы 1 настоящей работы, свойства полуфабриката на каждой стадии текстильного производства определяются гетерополимерным составом комплексного льняного волокна. И с этих позиций, на наш взгляд, ключевым этапом целенаправленного регулирования свойств материалов является анализ физико-химической природы объекта воздействия биокатализаторов и выявление критериев динамики ее изменения посредством селективного энзиматического разрушения. Следует отметить, что к настоящему времени вопрос о необходимости регламентации состава льняных волокнистых материалов на разных технологических переходах их переработки никем не обсуждается. Так, например, в рабо- 108 те [63] при сопоставлении эффективности применения ферментной композиции грибного продуцента Asp. japonicus и препарата целловиридин Г2х изменение содержания полимерных спутников целлюлозы в процессах подготовки льняного волокна к прядению было оценено лишь по совокупному показателю убыли массы волокна. Основополагающие выводы о применимости анализируемых препаратов сделаны на базе анализа технологических свойств формируемой льняной пряжи без привязки с полимерным составом обрабатываемого материала и каталитическими характеристиками препаратов. Результаты представлены в табл.2.2. Таблица 2.2. Результаты прядильной способности ровницы, подготовленной по существующей технологии (контроль) и биохимическим режимам [63] Наименование показателя, размерность потеря массы волокна, % степень полимеризации целлюлозы линейная плотность, Текс коэффициент вариации по линейной плотности, % удельная разрывная нагрузка, гс/Текс коэффициент вариации по разрывной нагрузке, СР, % Величина показателя пряжи для обработки Asp. целловеридин контроль Г2х japonicus 15,7 13,4 13,8 4000 2200 3800 47,3 44,5 48,3 2,1 1,1 3,1 22,5 14,9 21,1 12,8 31,1 21,1 Сравнительный анализ качественных показателей льняного материала с каталитическими свойствами используемых ферментных препаратов показал, что наблюдаемые различия в их эффективности связаны со специфическими особенностями действия рассматриваемых мультиэнзимных систем на гетерополимерную систему льняного волокна. В частности, согласно сведениям сотрудников МГУ им. М.В. Ломоносова [148], несмотря на возможность грибных продуцентов осуществлять одновременную генерацию целлюлолитических и пектолитических ферментов, уровень их активности (соответственно АС и АР, ед/мл) в анализируемых биопрепаратах существенно отличается: ферментная композиция Asp. japonicus АС АР 3,2 6,4 109 целловиридин Г2х, Tr. reesei 25 1,1 В случае применения биопрепарата из Asp. japonicas проявляемого им уровня пектиндеструктирующей способности вполне достаточно для обеспечения эффективной деструкции полиуронидной составляющей связующих веществ в структуре лубяного пучка и достижения удовлетворительных результатов подготовки волокна к прядению. Целловеридин, являясь высокоэффективной целлюлолитической композицией, также содержит в своем составе группу белковых катализаторов с пектиндеструктирующей способностью. Однако низкий уровень активности АР в препарате не обеспечивает необходимой полноты расщепления пектиновых веществ. При этом в этих условиях неминуемо протекает деструкция гемицеллюлоз. В совокупности это приводит к тому, что, несмотря на получение более тонкой пряжи с низким коэффициентом вариации по линейной плотности, препарат не обеспечивает достижения необходимой прочности полуфабриката. По сравнению с химическим режимом в результате его воздействия в 1,5 раза уменьшается удельная разрывная нагрузка пряжи, ухудшается равномерность дробления льняных комплексов, что проявляется в повышении коэффициента вариации СР в 2,5 раза. Учитывая специфику ферментативного катализа пектиновых веществ, описание которой приведено в разделе 2.2, следует отметить, что результативность применения пекиндеструктирующих ферментов определяется химическим строением полиуронида, и, прежде всего, содержанием в его макромолекуле этерифицированных звеньев. В частности, в работе [125] на основании результатов изменения физико-механических показателей пряжи после ферментативных обработок продемонстрирована необходимость высокого уровня активности фермента пектинэстеразы в препарате при облагораживании льняных материалов. Согласно данным, представленным на рис.2.10, увеличение содержания пектинэстрезы в интервале от 0,05 до 1,0 мг/г при неизменной оптимальной концентрации полигалактуроназы 10 мг/г в составе технологического раствора способствует повышению эластичности и мягкости пряжи. 110 16 Величина контролируемого показателя 14 12 Рис.2.10. Изменение характеристик пряжи при обработке пектолитическими препаратами с варьируемым содержанием фермента пектинэстераза: Р 10 EI 8 Р – разрывная нагрузка, Н; LP – разрывное удлинение, %; EI – жесткость пряжи, сНмм2. 6 LP 4 2 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 содержание пектинэстеразы, мг/г Вместе с тем для переработки отечественного лубоволокнистого сырья средней и повышенной жесткости важной задачей ферментативных методов является поиск эффективных методов делигнификации льняных волокнистых материалов. К сожалению, на промышленном уровне проблема ферментативного разрушения и обесцвечивания лигнина и полифенольных соединений в настоящее время остается все еще не решенной, а вопросы биокатализируемого расщепления лигнина признаются наименее изученным разделом в области деструкции биополимеров [61, 217-219]. Первые работы о способности микроорганизмов осуществлять расщепление лигнина появились еще в 30-х годах ХХго века [217]. Однако микробиологические продуценты, обеспечивающие возможность промышленного производства эффективных биокатализаторов данного вида, пока не найдены. Известно [61, 220], что ферменты, способные обеспечить делигнификацию волокнистого материала, относятся к классу оксидоредуктаз [177]. Большой объем исследований проведен на модельных соединениях, являющихся структурными фрагментами полимерного лигнина. Вместе с тем, по мнению специалистов-энзимологов, ферменты, обеспечивающие окислительную деструкцию низкомолекулярных полифенольных соединений, практически не способны воздействовать на природный лигнин [61, 221]. 111 В научном плане многие аспекты биодеструкции лигнина считаются изученными. Ключевым компонентом в группе делигнифицирующих ферментов-оксидоредуктаз является лигниназа. В литературе указывается наличие 12 молекулярных изоформ этого фермента, известных под названиями диарилпропаноксигеназа, Н2О2-зависимая оксигеназа, лигнин-пероксидаза и др. Однако сама лигниназа не взаимодействует с полимером. Для конверсии последнего необходима сложная полиферментная система оксидоредуктаз и специальные субстраты – редокс-медиаторы, которые являются акцепторами и донорами водорода, и участвуют в осуществлении каталитического акта деструкции полимера, подвергаясь сложным процессам реокисления и ревосстановления [61]. Наряду с лигниназой полиферментый комплекс должен содержать биокатализаторы, генерирующие Н2О2 (глюкозооксидаза КФ 1.1.3.4, пи-ранозооксидаза КФ 1.1.3.10, галактозооксидаза КФ 1.1.3.9 и др.), а также оксигеназы, окисляющие низкомолекулярные продукты деструкции лигнина (фенолоксидаза КФ 1.14.18.1 и пероксидаза КФ 1.11.1.7). Однако о технологических возможностях микробной деградации лигносодержащего сырья говорить пока сложно, в связи с отсутствием выпуска лигниназных препаратов необходимого состава [177]. Сложность промышленного получения необходимого полиферментного препарата обусловлена не только низкой скоростью роста большинства грибковых продуцентов и невысокими темпами биосинтеза активных белков, но также и тем, что многие компоненты каталитической системы являются внутриклеточными ферментами или связанными с клеточной мембраной. Большое значение для промышленного освоения ферментной деградации лигнина имеет обнаруженный факт участия в разрушении лигнина некоторыми микроскопическими грибами Mn2+-зависимой пероксидазы [222, 223]. Этот фермент имеет несколько изоформ с молекулярной массой 45…47 кДа. Mn2+зависимая пероксидаза в отличии от лигниназы не окисляет вератровый спирт и -кето--метилтиомасляную кислоту, но способна окислять полимерные красители, фенольные соединения, орто- и пара-дифенолы, декарбоксилирует ванилиновую кислоту, гидроксилирует ароматические соединения. 112 Активность фермента проявляется в присутствии довольно сложной системы редокс-медиаторов (Mn2+, Н2О2, лактата и -гидроксикислот). Особенность этого фермента проявляется в его способности индуцировать образование Н2О2 при отсутствии его в системе, окисляя некоторые восстановленные соединения, например, восстановленный глутатион (Г-SH). При этом протекание процессов может быть представлено схемой: (ДТТ) 2+ H2O2 + Mn3+ + Г-S Г-SH + Mn + O2 H2O2 + Пероксидаза Пероксидаза окисленная + H2O Mn2+ + Пероксидаза окисленная Mn3+ + AH Пероксидаза + Mn3+ Mn2+ + A + H где ДТТ – дитиотрейтол; АН – ароматическая структура. Истинные функции Mn2+-пероксидазы в лигниндеструктирующем комплексе полностью не изучены, но широкая специфичность ее действия и способность разрушать природный лигнин позволяют надеяться на создание относительно несложной эффективной каталитической системы для биоделигнификации растительного сырья. Сотрудниками лаборатории энзимной деградации органических соединений Института биохимии и физиологии микроорганизмов РАН под руководством проф. Л.А. Головлевой проведен широкий поиск микроорганизмов, способных разлагать лигнин. Обнаружено 14 штаммов грибных культур, разрушающих нативный лигнин древесных опилок, 4 штамма грибов, растущих на выделенном лигнине, 3 штамма грибов, слабо использующих продукты деструкции лигнина. Имеются сведения об идентификации, успешном клонировании и экспресии лигниназного гена, что может обеспечить конструирование новых продуцентов на основе применения методов генной инженерии. Существует другой путь поиска биопрепаратов, способствующих удалению лигниновой составляющей растительного сырья. Поскольку лигнин в структуре льняного волокна присутствует не в виде отдельного соединения, а образует связи с волокнообразующим полимером, а также с гемицеллюлозами и пектиновыми веществами, есть основание полагать, что ферментативное воз- 113 действие на определенные углеводные примеси может способствовать разрушению, деполимеризации или обесцвечиванию лигнина. В качестве одного из направлений интенсификации процесса удаления лигнина из растительного сырья предложено [224-226] использование гемицеллюлазных ферментных препаратов. В частности, специалистами Хельсинского университета [225] выявлено, что в результате воздействия на целлюлозную пульпу композиции ферментов манназы и ксиланазы, разрушающих гемицеллюлозные соединения, при последующем проведении пероксидной обработки растворимость лигнина увеличивается более чем на 80 %, что обеспечивает повышение белизны целлюлозного материала. Авторы высказывают предположение о направленной солюбилизации «поверхностных» гетероксиланов, ориентированных вдоль целлюлозных фибрилл и химически связанных с лигнином. Положительное действие ксиланаз показано также в работе [224, 225] при биохимическом способе подготовки твердой древесины, делигнификация которой осуществляется при последовательном проведении стадий ферментативной обработки и пероксидного беления. Выявлено снижение содержания лигнина, которое сопровождается повышением белизны целлюлозы. Авторы полагают, что ксилановые ферменты способны катализировать гидролиз связей в макромолекулах ксилана, тем самым, растворяя последние. Аналогичные работы проведены при разработке методов делигнификации льняных волокнистых материалов [3]. Предлагаемый технологический подход предусматривает использование пектиндеструктирующих ферментов в совокупности с целлюлазами. Это позволяет, по мнению сотрудников ИГХТУ, решить проблему удаления лигнина. Однако, как уже указывалось выше, такой метод воздействия сопровождается деструкцией гемицеллюлоз и целлюлозы с потерей прочности волокна, то есть, лишен важного отличия от химических методов переработки – селективности каталитического расщепления полимеров. Кроме того, несмотря на убедительное подтверждение положительного влияния ксиланаз на извлечение лигнина из целлюлозного сырья, цитируемые 114 работы не проясняют механизм его перевода в водорастворимое состояние, что обусловливает необходимость проведения систематизированных исследований в этом направлении. Есть основания предполагать, что превращения лигнина обусловлены влиянием продуктов деструкции полисахаридных соединений, в частности, проявлением моносахаридами редуцирующих свойств. Несмотря на то, что систематизированные сведения о сопоставлении восстановительной способности моно- и олигосахаридов в литературе отсутствуют, имеются сведения о проявлении антиоксидантного действия сахаров в медицине и косметологии [227, 228]. Предпосылкой для исследования реакционной способности низкомолекулярных углеводов являются сведения об использовании глюкозы в качестве восстановителя в процессах крашения сернистыми красителями, или добавок сахарозы в медно-аммиачные растворы для связывания растворенного кислорода при определении степени полимеризации целлюлозы [229]. Использование низкомолекулярных продуктов ферментативного расщепления крахмального загустителя печатных красок способствует улучшению качества печати кубовыми красителями [230, 231]. Редуцирующие свойства продуктов деструкции углеводных примесей льняного волокна, усиленные присутствием этаноламинов, рекомендуется применять в совмещенном способе котонизации короткого льняного волокна и крашения кубовыми красителями [232]. Подводя итоги главы 2, следует отметить, что использование биокатализаторов в текстильной индустрии является одним из вариантов комплексного решения проблемы получения льняных волокнистых материалов улучшенного качества экологически безопасным путем. Однако непременными слагаемыми эффективного применения ферментативного катализа в цикле облагораживания текстильных материалов являются анализ физико-химической природы объекта воздействия и определение примесных соединений, подвергаемых энзиматическому разрушению, оптимизация состава биопрепарата с учетом специфики участия компонентов мультиэнзимных комплексов в процессах деполимериза- 115 ции твердофазных субстратов и поиск рационального сочетания воздействия биокатализаторов и традиционных химических реагентов. Путь создания «универсальных» по составу ферментных препаратов для применения на любой стадии производственного цикла в текстильной индустрии является абсолютно неприемлемым. Нецелевое использование заведомого избытка ферментов или присутствия компонентов, не требующихся в том или ином процессе, приводит к удорожанию препаратов, что также снижает экономическую целесообразность использования подобных разработок. Наиболее рациональным вариантом развития биотехнологий в текстильной индустрии является научное обоснование критериев подбора состава специализированных полиферментных композиций и проведение своевременной корректировки рецептур биопрепаратов и условий их применения с учетом характеристик волокнистого материала. В этом направлении уже достигнуты определенные результаты. В частности, на основании изучения специфики действия индивидуальных белковых катализаторов и мультиэнзимных композиций осуществлено формирование основных принципов создания специализированных амилолитических препаратов для текстильного производства, действие которых обеспечивает регулируемое протекание процессов расщепления зерен крахмала и пленок крахмальных составов [106]. Показано, что решение разноплановых задач на каждой из технологических стадий ферментация крахмальных систем возможно только при условии научно-обоснованного подбора полиферментных препаратов по совокупности следующих показателей: показатель активности группы амилаз эндодействия; показатель активности группы амилаз экзодействия; зависимости изменения активности ферментов от температуры и рН среды; характеристики деветвящего действия на макромолекулы амилопектина; константа адсорбции ферментов на твердом субстрате. Применение специализированных биопрератов обеспечивает достижение целенаправленной биомодификации вспомогательных полимерных композиций для шлихтования пряжи, загущения красящих печатных составов и ап- 116 претирования тканей при снижении на 40 % энерго- и материалоемкости процессов и повышении экологичности. Таким образом, проведенный анализ литературных и экспериментальных данных глав 1 и 2 диссертации позволил сформулировать теоретическую концепцию совершенствования биохимических технологий переработки льняных волокнистых материалов, которая основана на следующих постулатах: 1. Лубоволокнистое сырье и льняные текстильные полуфабрикаты представляют собой гетерополимерную систему, определенный уровень сохранности которой требуется на каждом этапе технологического цикла переработки волокнистых материалов вплоть до выпуска готовой продукции. Выяснение определяющей роли полимерных компонентов в изменении технологических свойств льноволокнистых материалов позволит установить оптимальный уровень их извлечения на последовательных технологических переходах. 2. Наиболее перспективным направлением применения ферментативного катализа в химико-технологических процессах льняного производства является биокатализируемая деструкция полимерных соединений, для реализации которой требуется взвешенный подход к подбору ферментативных систем. Уникальная особенность белковых катализаторов заключается в их субстратной специфичности, то есть в избирательном проявлении их активности по отношению к определенному виду исходного соединения, что позволяет осуществлять селективное воздействие на определенные виды полимерных примесей льняного волокна или группы их структурных образований с обеспечением дозированного извлечения. 3. С учетом уточненных представлений о строении комплексного льняного волокна рациональное построение технологического цикла биохимической модификации текстильных полуфабрикатов предполагает целесообразность пространственно локализованного протекания деструкции полимерных примесей. Фактором, регулирующим структурный уровень прохождения реакций, является размер глобулы белковых катализаторов, варьируемый в изоформах ферментов от 6…10 до 80 нм. Применение на стадии подготовки ровницы к прядению белковых катализаторов с размером молекулы 50…80 нм может обеспечить рас- 117 щепление полимеров клеящих веществ преимущественно в зонах массивных образований связующих веществ без расщепления тонких срединных пластинок и продольных лигниновых спаек между элементарными волокнами. Разрушение последних может быть осуществлено на стадии беления тканей биокатализаторами с размером глобулы 20…40 нм. При заключительной отделке тканей применение изоформ ферментов с размерами глобулы менее 10 нм может обеспечить биомодификацию текстильного материала на уровне межфибриллярного лигноуглеводного комплекса клеточной стенки элементарных волокон. 4. В соответствии с основами энзимологии в расщеплении каждого вида биополимеров льняного волокна участвует группа ферментов-деполимераз мультиэнзимный комплекс, компоненты которого осуществляют цепь взаимозависимых последовательно-параллельных каталитических актов. Роль их индивидуального и кооперативного действия в твердофазной гетерополимерной системе льняного волокна не выяснена; выявление закономерностей их совокупного влияния обеспечит научный фундамент для рационального проведения биокатализируемых процессов. 5. Характеристику каталитических свойств ферментов принято осуществлять по уровню их активности в растворах, для оценки которой существуют стандартные и общепринятые методы контроля деструкции модельных соединений. Анализ показателей активности ферментов должен лежать в основе регулирования результативности действия биопрепаратов. 6. В основе биокатализируемой мацерации льняного волокна лежат процессы расщепления полиуронидных соединений, являющихся клеящим компонентом в растительных тканях льняного стебля, а также связующих веществ в структуре льняных комплексов и в элементарных волокнах. При выборе вида полиферментных систем для деполимеризации пектиновых веществ принципиальное значение имеет степень метоксилирования карбоксильных групп в мономерных звеньях галактуроновой кислоты. Установление зависимостей разрушения полиуронидных соединений пектолитическими мультиэнзимными композициями с учетом особенностей химического строения полимеров позволит выявить регулирующие факторы для достижения их эффективной ферментативной деструкции. 118 7. Промышленные биопрепараты являются многокомпонентными системами, содержащими наряду с доминирующей группой ферментов значительные количества сопутствующих биокатализаторов, что требует учета возможного побочного их влияния как на волокнистую систему, так и на стабильность смесовых полиферментных композиций. Выпускаемые ферментные препараты позволяют расщеплять полиуглеводные компоненты и глюкопротеины льняного волокна. При этом промышленного производства лигниндеструктирующих ферментов в настоящее время не существует, что определяет актуальность поиска новых экологичных методов делигнификации льняных материалов. 8. С учетом сведений о наличии у моносахаридов редуцирующих свойств представляется целесообразным развитие научных и технологических исследований в направлении использования продуктов ферментативного расщепления примесей льняного волокна в качестве вторичных реагентов для осуществления целевых химических реакций вместо традиционных химических реагентов, что важно для компенсации высокой стоимости биопрепаратов, расширения сферы применения и повышения инновационной привлекательности биохимических технологий. 9. Технологические свойства полуфабриката на каждой стадии текстильного производства определяются гетерополимерным составом льняного волокнистого материала. Основным ключом к созданию методологических подходов оптимизации технологических процессов облагораживания текстильных материалов и достижения необходимого уровня качественных показателей полуфабрикатов и готовой продукции является установление закономерностей вида «составсвойство», корректность которых показана выше при описании эффективности первичной обработки льняного сырья и химических методов облагораживания тканых льняных полотен. Достижение требуемой совокупности свойств волокнистых материалов может быть обеспечено за счет выявления технологически необходимого оптимального уровня остаточного содержания полимерных компонентов лубяных комплексов, вида и количества удаляемых примесей на последовательных этапах текстильного производства. 119 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Глава 3. НАУЧНО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕГУЛИРУЕМОЙ БИОМОДИФИКАЦИИ ЛЬНЯНОГО ВОЛОКНА В ПРЯДЕНИИ 3.1. Обоснование подходов к осуществлению дозированного извлечения полимерных примесей при подготовке льняного волокна Предваряя анализ основных материалов раздела, следует упомянуть, что льняные волокнистые материалы перерабатываются в виде комплексов. При этом определенный уровень их связанности посредством полимерных связующих веществ должен быть сохранен во всей технологической цепочке облагораживания текстильных материалов от ровницы до ткани. Вместе с тем для осуществления поиска путей совершенствования химико-технологических процессов облагораживания материалов необходимо, прежде всего, определиться с видами извлекаемых полимеров и с количеством их извлечения. Особенно это важно при реализации ферментативных методов подготовки, когда благодаря селективности воздействия на полимеры есть возможность направленного регулирования полимерного состава под заданные свойства материала. В этой связи выявление оптимального уровня содержания полимерных компонентов в льняном волокне на момент прядения является важной научно-практической задачей. 3.1.1. Оценка влияния содержания полимерных спутников льняной целлюлозы на свойства пряжи Первым этапом реализации разработанной концепции совершенствования процессов переработки льняных текстильных материалов с использованием методов биохимического наноконструирования полуфабрикатов является получение базы знаний о взаимосвязи между их полимерным составом и важнейшими технологическими свойствами. Для моделирования реальных условий переработки волокнистых материалов, предусматривающих одновременное воздействие реагентов на всю гамму примесей, несомненный интерес представляет проведение дифференцированного анализа за счет индивидуального варьирования количества полимерных спутников целлюлозы. Методологические подходы к оценке влияния содержания пектиновых примесей и гемицеллюлозных соедине- 120 ний для различных способов переработки льнотресты на прядомые свойства волокна и качество формируемой пряжи разработаны в диссертации А.Н. Иванова [22]. Однако рекомендуемый уровень массовой доли полимеров для обеспечения высокого качества полуфабриката не выявлен. С применением селективного извлечения из льняной ровницы гемицеллюлозных соединений, пектиновых веществ и лигнина соответственно в растворы ацетатного буфера, гомогенного ферментного препарата пектин-лиазы и диоксана (см. приложение 1, раздел П.1.2.4.2.) нами проведены системные исследования закономерностей индивидуального и совокупного влияния спутников целлюлозы на изменение показателей линейной плотности (ТПр, Текс), гибкости (ГПр, мм) и удельной разрывной нагрузки (Ро, сН/Текс) экспериментальных образцов формируемой пряжи [233]. На рис. 3.1 приведены результаты для двух образцов пряжи, 70 ТПр, Текс * Гц 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 * П * Л 65 П Л Гц 60 55 16 14 12 10 8 6 4 2 0 а) Рo, П сН/Текс Л * Л * П Гц * Гц 16 14 12 10 8 6 4 2 содержание примесей, масс.% в) Л мм * Л П Гц * П * Гц 16 14 12 10 8 6 4 2 0 содержание примесей, масс.% содержание примесей, масс.% 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 18 ГПр , 0 б) Рис.3.1. Изменение линейной плотности (а), гибкости (б) и удельной разрывной нагрузки пряжи (в) при селективном извлечении гемицеллюлозных соединений, пектиновых веществ и лигнина из смесовой ровницы средней мягкости (Гц, П и Л) и повышенной жесткости (Гц*, П* и Л*). Содержание полимерных примесей при селективном извлечении компонента из волокна (масс. %): средней мягкости грубого гемицеллюлозы - П=3,9±0,05; П=5,6±0,05; Л=5,2±0,05; Л=6,9±0,05; пектин Гц=12,1±0,05; Гц=16,1±0,05; Л=5,2±0,05; Л=6,9±0,05; лигнин П=3,9±0,05; П=5,6±0,05; Гц=12,1±0,05; Гц=16,1±0,05. 121 сформированной соответственно из волокна средней мягкости (с вложением в смеску 28 % грубого льна) и из ровницы повышенной жесткости (с содержанием 35 % грубого льноволокна). Для удобства восприятия экспериментальных данных шкала оси абсцисс направлена в сторону уменьшения остаточного содержания полимерных примесей в волокне. При этом начальные точки в группах кривых для анализируемых волокнистых образцов, находятся на совпадающем уровне по оси ординат и разнесены по оси абсцисс в соответствии с полимерным составом пряжи, полученной из суровой ровницы. Как свидетельствуют данные рис. 3.1а, для повышения эффективности дробления льняных комплексов в условиях прядения наиболее критичными являются характеристики остаточного содержания лигнина и пектиновых веществ. В диапазоне изменения массовой доли лигнина от 7 до 4,5 % темп снижения показателя ТПр максимален и составляет 2,0 Текс/масс.% (кривая Л*). При дальнейшей убыли остаточного содержания лигнина до 2 % темп снижения ТПр сокращается вдвое и имеет практически одинаковое значение для кривых Л и Л* 1,2 Текс/масс.%. Извлечение пектиновых примесей для обоих видов волокнистого материала обеспечивает темп снижения ТПр на уровне 1,3 Текс/масс.%. На этом фоне селективное извлечение гемицеллюлозных соединений оказывает существенное влияние лишь в диапазоне удельного их содержания свыше 10 масс.% (0,8…1,0 Текс/масс.%), что следует относить к разрушению присутствующего на внешней поверхности комплексов значительного количества инкрустирующих остатков паренхимных тканей стебля. Вместе с тем разрушение гемицеллюлоз в структуре межклеточных образований комплексного волокна (ниже 10 масс.%) оказывает малозначимое влияние на тонину формируемой пряжи темп снижения ТПр не превышает 0,18 Текс/масс.%. С учетом выявленных тенденций для всей совокупности анализируемых образцов волокна получена модель «состав—свойство», описывающая взаимосвязь линейной плотности формируемой пряжи с остаточным содержанием полиуронидных, гемицеллюлозных соединений и лигнина. Интервал варьирова- 122 ния экспериментальных значений линейной плотности пряжи составляет ТПр=57…66 Текс при изменении остаточного содержания примесей в волокне (масс.%) в диапазонах П = 0,2…5,6; Л = 1,8…6,9; Гц=5,5…16. Математическая обработка данных методом регрессионного анализа позволила получить корреляционное уравнение следующего вида: ТПр = 52,946 + 0,319П + 0,0002П2 + 0,835Л + 0,003Л2 + 0,105Гц + 0,013Гц2; R = 0,928. Выявленная зависимость позволяет достаточно корректно описать массив экспериментальных данных. Ошибка расчетных значений линейной плотности не превышает 5,2 %. Анализ математической модели позволяет оценить индивидуальный вклад компонентов гетерополимерной системы льняного волокна на расщепляемость технического волокна в процессе его прядения. При повышении полноты удаления нейтральных углеводов в инкрустах, полиуронидной основы и лигнина в одревеснелых межклетных образованиях степень расщепления лубяных пучков будет возрастать, а линейная плотность образующихся комплексов, соответственно, понижаться. При этом их извлечение должно ограничиваться определенным оптимумом, который коррелирует с требуемой величиной ТПр для выработки пряжи соответствующего номера с одной стороны, а с другой предупреждает чрезмерную расщепленность технических комплексов во избежание интенсивной элементаризации пучка и потери отделившихся волокон. Анализ влияния полимерных спутников льняной целлюлозы на гибкость пряжи (рис. 3.1б) демонстрирует экстремальный характер зависимости от содержания гемицеллюлоз, причем положение максимума на кривой ГПр= f(Гц) совпадает с областью излома на кривых изменения линейной плотности полуфабриката. Это позволяет сделать предположение о благотворном влиянии деструкции данного вида примесей в составе инкрустов и о возможном ухудшении деформационных свойств и способности волокна к скручиванию при извлечении гемицеллюлоз из межклеточных образований. 123 Определяющее влияние на изменение гибкости пряжи оказывает удаление из волокна лигнина. При этом динамика изменения показателя ГПр заметно возрастает в диапазоне остаточного содержания лигнина ниже 4 масс.%, что обусловлено эффективным его извлечением из межклеточных одревеснений. При селективной деструкции пектиновых веществ значения гибкости пряжи также увеличиваются, однако достигаемые темпы прироста минимальны и уступают эффективности удаления лигнина в 2,3…3,2 раза. В области малого удельного содержания пектина (0,5 масс.% и менее) нарастание показателя ГПр прекращается. Обобщенная закономерность «состав-свойство» в данном случае может быть представлена в виде следующего корреляционного уравнения: ГПр = 33,446+10,200Л–5,667Л2 +3,908Гц– 0,521Гц2 – 0,650П – 0,059П2; R= 0,9792. Концентрационные зависимости изменения удельной разрывной нагрузки пряжи (рис. 3.1в) демонстрируют проявление экстремального характера при извлечении анализируемых видов полимерных спутников льняной целлюлозы. Очевидно, наличие порогового значения на зависимости прочности пряжи от содержания пектиновых веществ обусловлено необходимостью присутствия в волокнистом материале определенного их количества для обеспечения склеивания раздробленных комплексов в структуре пряжи в высушенном состоянии. Для обоих видов исходного льняного сырья экстремум прочностных характеристик полуфабриката попадает на диапазон массовой доли пектиновых веществ в пряже от 1,5 до 0,5 масс.%. Положение оптимума показателя Р0 на концентрационных кривых для содержания гемицеллюлоз совпадает с закономерностями для выше рассмотренных показателей качества пряжи. Повышение удельной разрывной нагрузки пряжи при уменьшении содержания лигнина в волокне следует рассматривать как результат более равномерного дробления льняных комплексов и меньшего числа образующихся утонений, способных концентрировать на себе действие внешних напряжений. Вместе с тем наблюдаемое при величине остаточного содержания лигнина менее 2 масс.% снижение показате- 124 ля Р0 может быть обусловлено повреждением продольных стыковых спаек между элементарными волокнами. Высокую степень корреляции изменения прочностных свойств пряжи дает следующая зависимость «состав-свойство», отражающая экстремальный тип влияния каждого из рассматриваемых видов полимерных примесей: Ро = 19,800 + 0,559П – 1,398П2 + 3,402Л – 1,512Л2 + 0,751Гц – 0,083Гц2; R = 0,912. На начальных участках исследуемых концентрационных диапазонов определяющий вклад привносят квадратичные члены полиномиального уравнения, и убыль содержания полимерных спутников сопровождается повышением показателя Р0. При этом имеются критические значения массовой доли примесей, когда вклад линейного члена выравнивается относительно квадратичного параметра и далее становится преобладающим, отражая нецелесообразность дальнейшего извлечения полимеров. На основании литературных данных и результатов собственных исследованиий полимерного состава и прочностных свойств пряжи из химически подготовленной ровницы, представленных ранее в разделе 1.3.1, проведена проверка работоспособности полученной модели. Массив данных приведен в табл. 3.1. Сопоставление расчетных (Рорасч) и экспериментальных (Роэксп) величин удельной разрывной нагрузки подтверждает, что применение разработанной зависимости «состав-свойство» позволило адекватно описать новую совокупность данных. Отклонения результатов эксперимента от расчетных значений не превышают 3 % при 95%-ном доверительном интервале определения полимерных компонентов в волокне. Выявленные закономерности влияния полимерных спутников целлюлозы на свойства формируемой пряжи позволили установить, что повышение прядомых свойств волокна и качества получаемой пряжи при постоянных условиях работы прядильного оборудования обеспечивается, прежде всего, удалением пектиновых веществ, являющихся клеящей основой соединительных тканей в структуре лубяного пучка, а также лигнина. 125 Таблица 3.1. Результаты верификации математической модели по данным химических способов подготовки льняной ровницы к прядению Остаточное содержание основных примесей, масс.% Гц П Л 3,4 0,31 2,4 3,8 0,38 3,9 6 0,48 2,8 10,1 0,96 4,3 3,9 0,32 3,2 6,8 0,37 1,7 [44] [44] 7,3 0,16 2,0[44] 5,9 [45] 0,16[45] 2,8[45] Удельная разрывная нагрузка пряжи, сН/Текс Роэксп Рорасч 19,3 19,8391 16,7 16,9317 17,9 18,7920 15,4 16,1702 16,3 16,4635 18,8 19,4979 [44] 22,2 22,6650 [45] 15,6 15,8315 Примечание: в квадратных скобках приведены литературные источники. Наличие экстремумов на зависимостях показателей качества текстильного материала от содержания лигнина отражает требуемую его деструкцию в одревесневших межклетных образованиях и нежелательное расщепление в скрепляющих элементарные волокна стыковых спайках (сопровождается нарастанием ТПр и снижением Ро) и в клеточной стенке (понижение ГПр). Экстремальный характер зависимостей свойств пряжи от содержания гемицеллюлоз подтверждает технологическую необходимость сохранения значительной части нейтральных полисахаридов, разветвленность макромолекул которых обеспечивает аморфизацию и повышение гибкости волокна. Рекомендуемое остаточное содержание полимерных спутников целлюлозы в льняном волокне после подготовки его к прядению составляет (масс.%): пектин - 0,35…0,45; лигнин - 2,0…2,5; гемицеллюлозы - 7,0…8,0. Полученные результаты объективно отражают необходимость селективного воздействия на компоненты связующих веществ комплексного льняного волокна с возможностью индивидуальной корректировки интенсивности деструктирующего влияния по каждому фактору в зависимости от исходного со- 126 отношения массовой доли полимерных спутников целлюлозы в перерабатываемом сырье. Достижение требуемых оптимумов полимерного состава в пряже осуществимо при реализации биохимических режимов подготовки ровницы. При этом непременным слагаемым обеспечения дозированного извлечения примесей из структуры комплексного волокна является поиск рациональных путей оптимизации состава биопрепаратов и технологических режимов их применения, чему посвящен следующий подраздел текущей главы. 3.1.2. Сопоставление вклада стадий биохимической подготовки льняного волокна в достигаемый уровень извлечения полимерных примесей Рекомендации по применению биокатализа в процессах подготовки льняного волокна к прядению предусматривают последовательное проведение стадий ферментативной обработки и отбелки щелочно-пероксидными растворами [3, 110, 133]. Из результатов предыдущего раздела вытекает, что для совершенствования биохимических технологий объективной необходимостью является дифференциация вклада энзимной и пероксидной обработки в процесс извлечения полимерных спутников целлюлозы и поиск путей регулирования интенсивности деструктирующего влияния по каждому компоненту льняного волокна. С учетом выше указанных сведений об отсутствии промышленного выпуска лигнинразрушающих ферментных препаратов вполне очевидно, что для повышения прядильной способности полуфабриката, то есть обеспечения равномерного дробления лубяных пучков на более тонкие комплексы, действие биокатализатора должно быть направлено, прежде всего, на расщепление полиуронидной клеящей основы связующих веществ льняного волокна. При этом необходимый уровень его делигнификации должен обеспечиваться в условиях окислительной обработки, интенсивность которой целесообразно регулировать с учетом выше указанного ограничения степени деструкции гемицеллюлоз. Принципиальную возможность достижения компромиссных результатов обработки волокна демонстрируют представленные в табл. 3.2 данные изменения полимерных спутников льняной целлюлозы в ходе обработок трех видов льняной 127 ровницы композициями пектолитических препаратов и щелочно-пероксидным раствором. Концентрацию ферментов в растворе в данном эксперименте изменяли без оптимизации, ориентируясь на исходное содержание полимеров в исследуемых волокнистых материалах. Биообработку осуществляли при температуре 40оС, рН 6,5 и модуле ванны 1:10 в течение Ф= 1…3 ч с последующей промывкой раствором моющего препарата и водой. Условия пероксидной обработки образцов ровницы поддерживали неизменными в соответствии с классическим режимом, описание которого приведено в подразделе П1.5.2. методической части. Таблица 3.2. Влияние условий ферментативной обработки на межстадийное и конечное изменение состава полимерных примесей в образцах ровницы льняного волокна Остаточное содержание Вид Исходное содержа- Активность ферментов ние полимеров, воФ, полимеров после биообработки (1) ПМЭК, ед./мл масс.% и отбелки (2), масс.% локмин на П0 Гц0 Л0 ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО П1 / П2 Гц1 / Гц2 Л1 / Л2 мягкое 2,8 средней 3,9 мягкости грубое 5,6 10,1 3,7 0,80 20,0 0,20 60 90 1,97 / 1,29 10,0 / 7,9 3,7/ 2,9 1,44 / 0,81 9,9 / 7,5 3,6/ 2,7 120 0,96 / 0,36 9,9 / 7,1 3,6/ 2,0 60 2,18 / 1,41 12,0 / 9,8 4,2/ 3,5 12,1 16,1 4,2 6,9 1,20 3,40 22,5 24,9 0,25 0,35 120 1,53 / 0,85 12,0 / 9,4 4,2/ 3,0 150 1,27 / 0,64 11,4 / 8,7 4,2/ 2,7 180 1,01 / 0,39 11,0 / 7,8 4,2/ 2,5 60 2,96 / 2,13 15,9 / 11,2 5,6/ 4,7 120 2,01 / 1,24 15,8 / 10,9 5,6/ 4,2 150 1,57 / 0,85 14,8 / 9,7 5,5/ 3,8 180 1,12 / 0,45 14,2 / 8,9 5,5/ 3,5 Вполне закономерно, что с повышением содержания пектиновых веществ в обрабатываемом волокне требуется наращивание каталитической активности пектолитических ферментов в сочетании с увеличением длительности их воздействия. Вместе с тем наблюдения за динамикой согласованных изменений массовой доли полиуронидов между стадиями и в завершении ферментативно-пероксидной подготовки волокна позволяют сделать заключение, что 128 приращение степени удаления данного вида примесей в условиях отбелки ровницы составляет 0,6…0,8 масс.% и для обеспечения итогового остаточного содержания пектина на уровне, рекомендованном в разделе 3.1.1, его деструкцию на стадии ферментативной обработки необходимо осуществить до промежуточного значения П1 = 1,0 0,1 масс.%. Данные табл. 3.2 свидетельствуют, что усиление энзимного разрушения полиуронидной составляющей связующих веществ способствует увеличению степени извлечения нейтральных полисахаридов, причем в случае высоких значений исходного их содержания существенная десорбция наблюдается уже в ходе биообработки. По-видимому, это обусловлено ослаблением адгезии инкрустирующих образований на поверхности льняных комплексов и их удалением в процессе промывки. Вместе с тем снижение их массовой доли на стадии пероксидной обработки заторможено в связи с ингибированием гидролиза полисахаридов в присутствии окислителя: величина отношения Гц1 / Гц2 не превышает 1,4…1,6 раза и остаточное содержание гемицеллюлоз близко к уровню оптимального значения. Как видно из представленных в табл. 3.2 данных, ферментативная обработка не изменяет содержание лигнина в волокне, но способствует повышению его доступности для реагентов на стадии окислительной обработки и увеличению степени его извлечения из волокнистого материала в 1,42…1,45 раза. При переработке ровницы из мягкого волокна и сырья средней мягкости достигаемого эффекта делигнификации, оцениваемого уменьшением массовой доли на 1,7 масс.%, может оказаться достаточно для обеспечения качественного дробления волокна в процессе прядения. В случае высоколигнифицированных сортов льняного сырья данный вариант подготовки не позволяет достичь требуемой полноты деструкции лигниновых примесей. Это обусловливает необходимость поиска методов интенсифицированной его деструкции, чему посвящена 4-я глава диссертационной работы. В результате постадийной оценки изменения полимерного состава льняного волокна для технологического варианта биохимической подготовки ров- 129 ницы к прядению, предусматривающего проведение ферментативной обработки в сочетании с классическими условиями пероксидной отбелки, можно рекомендовать следующие предпочтительные значения остаточного содержания полимерных спутников целлюлозы после биообработки (масс.%): пектин - 1,0 0,1; лигнин - 3,9 0,3; гемицеллюлозы - 11,0 1,0. При использовании высокоактивных ПМЭК заданный уровень извлечения пектинов может быть достигнут в течение 2…3 ч биообработки льняной ровницы. Вместе с тем наш многолетний опыт исследований по обоснованию принципов создания специализированных композиционных ферментных препаратов для биомодификации льняной ровницы [234-236] показывает, что обеспечить достижение желаемого результата расщепления пектина можно и за более короткий промежуток времени или при использовании ПМЭК с меньшим уровнем каталитической активности за счет изыскания путей повышения эффективности извлечения продуктов деструкции клеящих веществ из волокна. С учетом наличия химических взаимодействий между функциональными группировками пектинов и глюкопротеинов, обеспечивающих формирование поперечно сшитых структур углеводно-белкового комплекса, можно предполагать, что эффективному извлечению биодеструктированных фрагментов полиуронидов должно способствовать расщепление белковых компонентов связующего вещества в структуре технического льняного волокна. Эффективность усиления действия пектолитических ферментов добавками протеаз подтверждают представленные в табл. 3.3 результаты оценки изменения массовой доли компонентов углеводно-белкового комплекса связующих веществ, включая соединения белковой природы (Б), в цикле ферментативно-пероксидной подготовки двух видов льняной ровницы, характеризующихся повышенным содержанием примесей, при варьировании величины протеолитической активности (ПрА) технологического раствора полиферментной композиции в диапазоне 0,1…0,3 ед./мл. 130 Таблица 3.3. Эффективность расщепления компонентов углеводно-белкового комплекса льноволокна при воздействии пекто- и протеолитических ферментов (Ф= 120 мин) Вид Исходное содержание примесей, вомасс.% локна П0 Б0 Гц0 средней 3,9 мягкости грубое 5,6 Активность ферментов, ед./мл ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО ПрА 1,5 12,1 1,20 22,5 0,25 2,2 16,1 3,40 24,9 0,35 Остаточное содержание примесей после биообработки (1) и отбелки (2), масс.% П1 / П2 0 1,53 / 0,85 0,1 1,28 / 0,65 0,2 1,05 / 0,37 0 2,01 / 1,24 0,1 1,45 / 0,72 0,3 1,19 / 0,47 Б1 / Б2 Гц1 / Гц2 1,5/ 0,8 1,2/ 0,6 0,6/ 0,2 2,2/ 1,1 1,7/ 0,8 0,8/ 0,3 12,0 / 9,4 11,5 / 8,8 10,9 / 7,6 15,8 / 10,9 14,9 / 9,7 13,2 / 8,6 Нетрудно видеть, что сопутствующее биокатализируемое расщепление глюкопротеинов в составе углеводно-белкового комплекса при неизменной активности пектолитических ферментов в существенной степени понижает остаточное содержание пектиновых веществ в биомодифицированной ровнице. Протеолитической поддержки с уровнем активности ПрА = 0,2…0,3 ед./мл достаточно для уменьшения показателя П1 в 1,5…1,7 раза и выхода на оптимальное значение остаточного содержания полимера в волокне по итогам двухчасовой биообработки и последующего проведения пероксидной отбелки. Очевидно, что причиной кооперативного эффекта является облегчение совместной экстракции олигомерных фрагментов разрушенных полиуронидов и полипептидов без разрыва связей между их функциональными группировками, например СОО и +H2N . Примечательно, что интенсификация удаления клеящей основы углеводно-белкового комплекса и далее сопровождается дополнительным снижением содержания нейтральных полисахаридов в отсутствии агентов, каким-либо образом способствующих их деструкции. Вышеизложенное предположение о возможном ослаблении адгезионных взаимодействий инкрустирующих образований в отсутствии полиуронидных соединений вполне согласуется с продемострированной на рис. 2.8 способностью биомодификации к очищению поверхности лубяных пучков. 131 Таким образом, в результате технологических исследований экспериментально доказано, что необходимым условием успешного развития энзимных технологий переработки льняного сырья является создание сбалансированных по составу мультиэнзимных композиций, обеспечивающих дозируемое извлечение полимерных спутников целлюлозы с достижением требуемого оптимума. Выявлено, что остаточное содержание полиуронидов в структуре льняного волокна должно составлять 1±0,1 масс.% после ферментативной обработки и 0,40,5 масс.% после завершающей стадии пероксидного беления. Результаты исследований положены в основу разработанного способа биохимической подготовки льняной ровницы [237], включающего обработку раствором полиферментной композиции с показателями активности (ед./мл): ПЭ – 0,8…4,7; ПГЭНДО – 20…25; ПГЭКЗО – 0,2…0,4; ПрА – 0,2…0,3. Выбор соотношений содержания ферментов индивидуален для каждого вида волокна и обусловлен особенностями химического строения полиуронидов. Обсуждению этих вопросов посвящены материалы следующего подраздела. 132 3.2. Специфика влияния структуры полиуронидных соединений льна на процесс их биокатализируемого расщепления Осуществление строго дозируемого извлечения полиуронидной основы связующих веществ льняных комплексов в биокатализируемых процессах подготовки волокнистых материалов является весьма непростой задачей с точки зрения ее практической реализации. Проблема заключается в том, что химическое строение пектинов существенно зависит от условий выращивания льнадолгунца, применяемых его сортов и условий первичной обработки растительного сырья. Учитывая, рассмотренную в предыдущих разделах, специфику действия ферментов пектолитического МЭК, следует отметить, что неоднородность химического строения полиуронидов имеет принципиальное значение для протекания биокатализируемого расщепления полимера. Для оптимизации условий биохимического удаления клеящих веществ из структуры лубяных пучков и повышения качества получаемой пряжи в следующих разделах представлен системный анализ результатов исследования ферментативной деструкции полиуронидов льняного волокна в растворах пектолитических МЭК с учетом особенностей химического строения полимеров в разных видах перерабатываемого сырья. На основании установленных взаимосвязей «состав-свойство» проведены этапы научного обоснования критериев подбора состава пектолитических биопрепаратов. 3.2.1. Сопоставительный анализ химического строения пектиновых веществ в отечественных и зарубежных видах льноволокнистых материалов В соответствии с существующими представлениями [10, 177] основная полимерная цепь полиуронидов содержит три основные галактуроновой разновидности кислоты: звеньев свободную (незамещенную) ГК-H, метоксилированную ГК-СН3 и кальций-пектатную ГК-Са H H O OH OH H H H O COOH ГК-Н O ... H COOCH3 O H H OH H O H OH ГК-СН3 H H ... OH OH H H H O COO Ca ГК-Са формы. Для биокатализируемого расщепления полиуронидов необходимо участие четырех компонентов пектиназного мультиэнзимного комплекса (МЭК): пектинэстераза (ПЭ), эндополигалактуроназа (ПГЭНДО), экзополигалактуронозидаза и экзополигалактуроназа (ПГЭКЗО1, 133 ПГЭКЗО2) [177]. При чем для эффективной деструкции высокометоксилированного пектина необходимо предварительное участие фермента ПЭ с целью перевода полимера в форму ГК-Н, которая подвергается действию эндо- и экзодеполимераз с образованием олигомерных и низкомолекулярных продуктов по реакциям: O COOCH 3 O H H OH H O H H OH ПЭ CH 3 OH O COOH O H H OH H O H H n OH O ПГ Э Н Д О H n O H П Г Э К ЗО 1 COOH O O H H H OH H H OH H H OH H H OH O m H П Г ЭКЗО 2 OH Í O OH H + OH HO H COOH O H H OH H H OH O m O H H H O H H OH H H OH OH COOH OH H O H COOH + n -m O COOH m -2 O COOH H OH H OH OH H COOH O COOH O H H OH H O H + O H HO H m -1 H OH H H OH OH Закономерно, что потребность в содержании ПЭ определяется степенью метоксилирования пектина. Форма ГК-Са, как указывалось в разделе 2.2, ферментами не расщепляется. Следовательно, химическое строение полиуронидов предопределяет эффективность действия биокатализаторов и необходимость регулирования входящих в состав препаратов индивидуальных энзимов. В научной литературе довольно часто приводятся данные о степени метоксилирования пектиновых веществ, выделенных из плодово-овощных культур. При этом для пектинов, выделенных из лубоволокнистых растений или древесной целлюлозы, такие сведения отсутствуют. Для оптимизации условий биохимического разрушения клеящих веществ в структуре лубяных пучков и повышения качества получаемой пряжи проведены исследования по изучению состояния карбоксильных групп пектиновых веществ льняного волокна с использованием метода ИК-спектроскопии. Результаты широкомасштабной проверки перерабатываемых на текстильных предприятиях разновидностей технического льноволокна, импортируемого из европейских стран и производимого в основных льноводческих регионах России, опубликованы в работах [131, 238-240]. На примере чесаного льняного волокна отечественного (бийский «Б», вологодский «В», тверской «Тв», костромской «Кс», калужский «Кл»,) и зарубежного (голландский «Гл», французский «Фр») производ- 134 ства продемонстрированы основные тенденции варьирования химического строения полимерных цепей пектиновых веществ в лубоволокнистом сырье. В соответствии с рекомендациями [241, 242] анализ соотношения форм мономерных звеньев неэтерифицированной галактуроновой кислоты G(ГК-H), ее метоксилированной формы G(ГК-СН3) и кальций-пектатных производных G(ГК-Са) в структуре выделяемых пектиновых веществ осуществлен методом ИК- спектроскопии формируемых полимерных пленок. Он основан на измерении интенсивности изолированной полосы валентных колебаний ионизированного карбоксила νas(СОО) 1615 см1, характеризующей поглощение пектинатов с одно- и двухвалентными ионами металлов. Реализацию метода, подробное описание которого представлено в приложении 1 (раздел П1.2.3), обеспечивает цикл операций с пленками пектина для последовательных превращений свободной неэтерифицированной и метоксилированной форм галактуроновой кислоты в пектат кальция. На рис. 3.2 в качестве примера продемонстрирована трансформация спектральных кривых пленки пектина, выделенного из калужского льняного волокна, в ходе проведения последовательных химических превращений. базовая линия dD1 1 dD2 2 dD3 dD4 3 4 Рис. 3.2. ИК-спектры производных пектина, выделенного из калужского льна: 1 – исходный пектин; 2 – пектинат кальция; 3 – пектовая кислота; 4 – пектат кальция. 135 Результаты обработки спектрограмм для четырех групп параллельно трансформируемых пленок пектина из калужского льна суммированы в табл. 3.4. Значения интенсивности I0 для анализируемых образцов колеблются в связи с морфологической неоднородностью пектиновых пленок, определяющей различие в расположении базовой линии на спектрограммах. При этом фиксируемые откло1020 нения величины оптической плотности внутреннего стандарта Di для парал- лельных экспериментов пренебрежимо малы, что свидетельствует о корректности метода. Оптическая плотность на полосе ионизированного карбоксила меняется в соответствии с изменениями содержания метилгалактуронатной формы на последовательных стадиях обработки пленок и превращений полиуронидов. Таблица 3.4. Спектральные характеристики пектиновых веществ калужского льняного волокна Анализируемая фракция Интенсивность падающего и прошедшего света на полосах I 01615 I i1615 I01020 Ii1020 исходный пектин пектинат кальция пектовая кислота пектат кальция 81,2 80,0 80,1 80,5 80,5 82,1 81,1 81,7 77,5 78,4 75,4 76,1 71,9 73,3 72,5 73,9 28,3 27,6 29,1 28,9 21,6 21,5 22,8 22,3 33,1 33,5 33,7 34,0 22,0 22,9 22,1 23,2 67,6 65,8 67,0 66,8 76,3 76,5 74,7 75,3 60,0 58,3 60,5 62,2 66,9 64,3 67,1 66,6 21,3 20,6 21,0 21,0 21,1 21,5 21,0 21,0 20,4 19,9 20,7 21,0 28,4 29,1 28,9 29,8 Оптическая плотность Di1615 Di1020 0,46 0,46 0,44 0,44 0,57 0,58 0,55 0,56 0,37 0,37 0,35 0,34 0,51 0,50 0,52 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,56 0,55 0,55 0,55 0,49 0,47 0,47 0,46 0,37 0,34 0,37 0,35 Относительная оптическая плотность, dDi dD1 dD2 dD3 dD4 0,91 0,92 0,87 0,88 1,03 1,05 0,99 1,02 0,79 0,79 0,75 0,74 1,38 1,47 1,41 1,44 Полученные результаты расчета относительной оптической плотности пленок свидетельствуют, что перевод неметоксилированных групп исходного пектина в пектинат кальция сопровождается приростом интенсивности погло- 136 щения dD2 на полосе ионизированного карбоксила в сравнении с соответствующей величиной dD1 для исходного пектина (cм. рис. 3.2). В случае анализа пектовой кислоты интенсивность полосы as(COO-) и величина dD3 минимальны. Максимальное значение имеет величина dD4, характеризующая полный перевод карбокисильных группировок в форму пектата кальция. Аналогичный массив данных получен и для остальной совокупности исследуемых образцов чесаного льна (см. табл.П2.2 приложения 2). Исходное содержание полиуронидов в волокне определяли в соответствии с методом, описанным в приложении 1 (раздел П1.2.1). В табл. 3.5 суммированы результаты анализа химического состава пектиновых веществ льняного сырья разных производителей и партий сырья (Nпартии). При сопоставлении полученных результатов следует учесть, что пектин принято считать высокометоксилированным, если степень этерификации превышает 50 %, то есть величина долевого содержания звеньев G(ГК-СН3) составляет более 0,5. Таблица 3.5. Физико-химические свойства анализируемых видов льняного волокна Nпартии 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Льняное сырье бийское тверское вологодское костромское калужское голландское французское Долевое содержание звеньев, 0,01 G(ГК-Н) G(ГК-СН3) G(ГК-Са) 0,29 0,53 0,18 0,28 0,54 0,18 0,29 0,54 0,17 0,22 0,62 0,16 0,23 0,61 0,16 0,23 0,62 0,15 0,19 0,59 0,22 0,20 0,58 0,22 0,30 0,59 0,11 0,31 0,59 0,10 0,31 0,58 0,11 0,19 0,61 0,20 0,19 0,60 0,21 0,18 0,61 0,21 0,51 0,38 0,11 0,52 0,38 0,10 0,57 0,36 0,07 0,57 0,35 0,08 137 Анализ состояния карбоксильных групп пектиновых веществ лубоволокнистого сырья свидетельствует, что в пределах каждой группы анализируемого волокна химический состав полиуронидных соединений существенно варьирует. Отклонения содержания метоксилированных звеньев превышают 1,1 раза, а неэтерифицированной формы – 1,5 раза. Сравнительный анализ долевого соотношения форм мономерных звеньев позволил выявить принципиальную особенность российских сортов льняного сырья, которая заключается в повышенной степени метоксилирования содержащихся в волокне пектиновых веществ. Содержание этерифицированных звеньев в полиуронидах достигает 60…62 %, что в 1,6…1,8 раза выше уровня показателей для голландского и французского сырья. Наряду с этим в исследованных пектинах льна отечественных производителей зафиксировано также и более высокое содержание кальций-пектатной формы: различия достигают 3,1 раза. Как следствие доля незамещенных звеньев галактуроновой кислоты G(ГК-Н), между которыми проявляют активность эндо- и экзодеполимеразы, в отечественном льняном сырье крайне мала и составляет 0,18…0,31, что в 1,8…3,0 раза меньше, чем в образцах пектина, содержащегося в структуре импортируемых сортов льняного волокна. Причины наблюдаемых различий химического состава пектиновых веществ, как уже отмечалось, связаны с генетической природой растения, природноклиматическими условиями онтогенеза, а также с условиями первичной обработки льносоломы. Как следствие, подбор полиферментных систем для эффективной мацерации льняной ровницы необходимо осуществлять с учетом предыстории получения лубоволокнистого сырья, что предусматривает проведение комплексного анализа сырьевой базы текстильных производств. В связи с вышеизложенным целесообразно обсудить результаты проведенных исследований взаимосвязи между химическим строением пектиновых веществ в лубяной части стебля различных видов льняного растительного сырья и их расщепляемостью в процессах получения стланцевого и моченцового льноволокна. Экспериментальному поиску корреляций посвящен следующий подраздел диссертационной работы. 138 3.2.2. Роль химического строения пектиновых веществ лубяных пучков в биологических процессах первичной обработки льна-долгунца Исследования проведены на пяти образцах волокнистых материалов селекционных сортов льна-долгунца (Зарянка, Алексим, Ленок, А-93 и Могилевский-2). Результаты анализа исходного содержания полиуронидов П0 льнотресты и его химического строения приведены в табл. 3.6. Таблица 3.6. Содержание пектина в волокнистых материалах селекционных сортов льнадолгунца и результаты ИК-спектроскопического исследования полиуронидов Ленок Алексим Зарянка Сорт Регион онтогенеза Тверская обл. Костромская обл. Тверская обл. Костромская обл. Тверская обл. Костромская обл. Могилевский2 А-93 Тверская обл. Костромская обл. Тверская обл. Костромская обл. Вид волокна П0, масс. % луб стланец моченец луб стланец моченец луб стланец моченец луб стланец моченец луб стланец моченец луб стланец моченец луб стланец моченец луб стланец моченец луб стланец моченец луб стланец моченец 7,1 2,5 3,3 7,7 6,4 4,3 5,4 2,3 3,6 7,3 6,0 2,5 7,7 4,9 5,3 8,0 6,5 2,6 7,3 4,2 5,1 6,5 5,3 3,5 5,4 2,8 2,5 7,3 5,2 2,4 Долевое содержание звеньев, ед. G(ГК-Н) G(ГК-СН3) G(ГК-Са) 0,52 0,43 0,05 0,32 0,58 0,10 0,58 0,34 0,08 0,45 0,41 0,14 0,20 0,51 0,29 0,46 0,33 0,21 0,55 0,35 0,10 0,49 0,37 0,14 0,57 0,30 0,13 0,26 0,62 0,12 0,20 0,66 0,14 0,46 0,41 0,13 0,48 0,35 0,17 0,40 0,38 0,22 0,50 0,31 0,19 0,25 0,64 0,11 0,21 0,64 0,15 0,46 0,41 0,13 0,53 0,35 0,12 0,47 0,39 0,14 0,58 0,29 0,13 0,41 0,41 0,18 0,23 0,51 0,26 0,47 0,32 0,21 0,48 0,47 0,05 0,42 0,52 0,06 0,58 0,35 0,07 0,31 0,61 0,08 0,20 0,69 0,11 0,49 0,41 0,10 139 Согласно представленным данным в ходе лугового расстила количество незамещенных структур галактуроновой кислоты в полимере снижается в 1,2…2,2 раза при одновременном увеличении метоксилированной и кальцийпектатной форм. Это вполне закономерно с учетом микробиологических особенностей разрушения соединительных тканей лубоволокнистых пучков под действием комплекса гидролитических ферментов в случае лугового расстила. В макромолекулах пектина моченцового волокна содержание метоксилированных групп сокращается в 1,2…1,5 раза. Более эффективное расщепление высокометоксилированного пектина в мочильной жидкости обусловлено спецификой воздействия, вырабатываемого анаэробными бактериями рода Clostridium, комплекса лиаз, которые обеспечивают разрыв связей на участках полимерной цепи, образованных метоксилированными мономерными звеньями [205-207]. При этом в связи с изменениями долевого распределения контролируемых фракций количество незамещенной и кальций-пектатных форм возрастает. Увеличение долевого содержания звеньев полиуронидной цепи, связанных кальциевыми мостиками, также является вполне ожидаемым, поскольку, как указывалось выше, такие участки не доступны для ферментативного расщепления. При этом примечательно, что для образцов стланцевого волокна абсолютный прирост показателя G(ГК-Са) пектиновых веществ в 1,5…2,6 раза больше по сравнению с результатами обработки в мочильной жидкости. Это свидетельствует о возможности извлечения кальций-пектатных структур пектина в виде олигомерных продуктов ферментативной деструкции полимера в ходе проведения операций промывок, завершающих этап тепловой мочки волокна. Сопоставление химического строения пектинов с остаточным их содержанием в соответствующих образцах стланцевого или моченцового волокна позволяет проследить закономерности влияния особенностей структуры полимера на его расщепляемость (П - убыль содержания пектинов в образцах) при биологических методах получения льнотресты. В частности на рис. 3.3 приведены закономерности изменения степени расщепления пектиновых веществ в ходе лугового растила и тепловой мочки с учетом долевого соотношения неэтерифицированной, метоксилированной и кальций-пектаной форм мономерных звеньев полиуронидной цепи. 140 80 DП, % 60 80 70 DП, % 2 60 2 50 40 40 30 1 20 20 10 G(ГК-Н), ед. 0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,3 0,6 а) 80 G(ГК-СН3), ед. 0 0,4 0,5 0,6 0,7 б) DП, % Рис. 3.3. Влияние долевого содержания неэтерифицированной галактуроновой кислоты (а), ее метоксилированной формы (б) и кальций-пектатных производных (в) в макромолекулах пектина механически выделенного луба на степень расщепления пектиновых веществ (П) в ходе получения льнотресты биологическими способами: 1- луговой расстил (зафонованные ромбы); 2- тепловая мочка (неокрашенные квадраты). 70 60 50 40 30 20 10 G(ГК-Са), ед. 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Как следует из данных рис. 3.3а, для стланцевого волокна прослеживается пропорциональность между степенью расщепления пектиновых веществ и содержанием незамещенных звеньев галактуроной кислоты в полимере: чем выше показатель G(ГК-Н), тем больше эффективность деструкции полиуронидов в волокне. Это свидетельствует о том, что величина долевого содержания неэтерифицированных форм является определяющим параметром, который необходимо учитывать при реализации вариантов обработки льносоломы методом лугового расстила. В случае образцов моченцового волокна варьирование удельного количества незамещенной формы мономерных звеньев сопровождается обратно 141 пропорциональным изменением величины П (кр. 2 рис. 3.3а). Вместе с тем имеется четко выраженная линейная корреляция между показателем степени расщепления пектина в ходе тепловой мочки образцов волокна селекционных сортов льна-долгунца и величиной долевого содержания в полимере луба метоксилированной формы (см. рис. 3.3б). По-видимому, именно этот параметр является определяющим для данного способа получения моченцового льноволокна. В тоже время для стланцевого волокна наблюдается хаотичное расположение экспериментальных точек, что не позволяет выявить зависимость контролируемой величины эффективности деструкции пектиновых веществ от степени их метоксилирования. Аналогичным образом не удается выявить характер влияния кальций-пектатной формы в структуре полиуронидных соединений на полноту их расщепления как при реализации процессов лугового расстила льносоломы, так и ее тепловой мочки (см. рис. 3.3в). Вместе с тем некомплементарные формы мономерных звеньев остаются далеко не индифферентными статистами в процессах ферментативного расщепления полимеров, поскольку для образования фермент-субстратного комплекса активный центр биокатализатора должен проявлять афинность на определенном участке макромолекулярной цепи. Присутствие на перекрываемом фрагменте даже одного некомплементарного звена нарушает условия пространственного и энергетического совпадения всего участка и препятствует протеканию каталитического акта. Наличие дополнительных факторов, которые необходимо учитывать при математическом описании процессов деструкции пектина в условиях биологических способов получения льняной тресты, наглядно демонстрируют данные рис. 3.4. В частности, зависимость, представленная на рис. 3.4а, наглядно свидетельствует о наличии корреляции контролируемого показателя степени расщепления полиуронидов в стланцевом волокне с относительной величиной содержания мономерных единиц незамещенной формы макромолекулы, размежеванных кальций-пектатными формами. Физический смысл показателя 142 D П, % 80 80 70 D П, % 70 60 60 50 50 40 40 30 30 20 1* 10 G ( ГК Са ) С ( ГК Н ) 0 2* 20 10 G ( ГК Н ) С ( ГК СН 3 ) 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 а) 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 б) DП, % 80 70 60 50 40 2** 30 20 10 Рис. 3.4. Варианты корреляции степени расщепления пектинов в стланцевом (1) и моченцовом (2) волокне селекционных сортов льна-долгунца в зависимости от размежеванности биорасщепляемой формы структурных единиц некомплементарными видами мономерных звеньев G ( ГК Са) С ( ГК СН 3 ) 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 в) G ( ГК Са ) С ( ГК Н ) заключается в вычленении доли потенциально расщепляе- мых участков макромолекулы, утративших афинность в результате встраивания некомплементарного звена. Наличие метоксилированной формы не является неустранимым препятствием, если полиферментная система обладает достаточной способностью для гидролитического отщепления метоксильной группы и возвращения комплементарности, трансформированному участку макромолекулы. В случае деструкции пектинов под действием пектин-лиазы мочильной жидкости (рис. 3.4б-в) в изменении контролируемого показателя П выраженные корреляции просматриваются как с величиной относительного содержания незамещенной формы мономерных единиц, так и формы кальциевой соли в 143 равной степени, препятствующих протеканию каталитического акта на прилегающих к ним участках макромолекулы. Использование предлагаемой формы корректирующих факторов при обработке экспериментальных данных методом многофакторного анализа регрессий позволило получить обобщенные зависимости для описания взаимосвязи между химическим строением полиуронидных соединений в растительных тканях льняного стебля и расщепляемостью пектинов в процессах получения стланцевого и моченцового льноволокна: П стланец 5,29 95,26 G( ГК Н ) 15,29 G( ГК Са) , G( ГК Н ) П моченец 6,95 90,17 G( ГК СН3 ) 13,73 G( ГК Н ) G( ГК Са) 28,65 , G( ГК СН3 ) G( ГК СН3 ) R 0,9314 , R 0,9537. Зависимости отражают специфику протекания биокатализируемых процессов гидролиза под действием ПМЭК при луговом расстиле и элиминирования пектиновых соединений ферментами лиазной группы при тепловой мочке: - эффективность расщепления пектинов при луговом расстиле и связанная с этим степень чистоты волокна определяются содержанием незамещенной формы мономерных звеньев и относительным содержанием размежевывающих их звеньев в кальций-пектатной форме; - сырье с высокой степенью метоксилирования пектинов целесообразно подвергать обработке методом тепловой мочки, при этом результат ферментативного воздействия определяется размежеванностью метоксилированных участков макромолекулы как кальций-пектатной формой, так и неэтерифицированными звеньями. Установленные зависимости не только демонстрируют наличие общей для всех видов биокатализируемых процессов взаимосвязи между строением объекта воздействия и спецификой протекания его превращений, но также могут иметь реальное применение для выбора способа первичной обработки льняного сырья и прогнозирования результатов с учетом химического строения содержащихся в волокне полиуронидов для повышения степени дробления и чистоты продукта. Вместе с тем для создания методологических основ регулирования ферментативного 144 расщепления примесей в структуре льняных текстильных полуфабрикатов первостепенное научно-практическое значение имеет вскрытие взаимосвязи между эффективностью процессов деструкции полимерных спутников льняной целлюлозы и характеристиками каталитических свойств применяемых растворов полиферментых препаратов, чему посвящен следующий раздел главы. 3.2.3. Математическое описание закономерностей энзимной деструкции пектиновых веществ льняного волокна с учетом их химического строения Для биохимической переработки отечественного льняного волокна необходимо использование биопрепаратов с повышенным содержанием пектинэстеразы (на порядок больше, чем в промышленно выпускаемых препаратах для пищевой индустрии и виноделия таких, например, как Пектофоетидин Г3х). Важное заключение состоит в том, что при смене льняного сырья, при переработке волокнистых смесок необходимо обеспечивать воспроизводимый эффект биомодификации. При этом если меняются свойства сырья, а результат обработки должен быть постоянным, то необходимо регулировать уровень ферментативного воздействия. В данном случае создание универсального, многоцелевого биопрепарата абсолютно не возможно ни по технологическим, ни по экономическим соображениям. Правильный путь заключается в осуществлении своевременной корректировки рецептур биопрепаратов и условий их применения с учетом характеристик волокнистого материала. Фундаментальной основой для обоснования научных подходов регулирования процессов является выявление закономерностей деструкции полиуронидных соединений с учетом особенностей их химического строения, а также индивидуального и кооперативного действия ферментов пектиназного мультиэнзимного комплекса. В связи с вышеизложенным для оценки эффективности биохимической подготовки ровницы к прядению проведены исследования по выявлению вклада энзимов пектолитического мультиэнзимного комплекса (ПМЭК) в достигаемый уровень извлечения полиуронидов волокна. Результаты описаны в работах [236, 239, 243]. В качестве объектов исследования использована льняная ровница семи видов чесаного льняного волокна, поставляемого на ОАО «Вологодский текстиль» из разных регионов России (бийское «Б», тверское «Тв», костромское «Кс», калужское «К», вологодское «В») и из-за рубежа (голландский «Г», фран- 145 цузский «Ф»). Характеристика взятых на анализ исходных волокнистых материалов осуществлена по показателям содержания инкрустов (СИ), исходного содержания пектиновых веществ (П0). Определение массовой доли инкрустов в анализируемых образцах чесаного волокна проведено в соответствии с методиками [244] по шкале интенсивности окраски эталонных образцов красителем сафранин. Согласно требованиям ГОСТ Р 54590—2011 в зависимости от массовой доли инкрустов определяли номер чесаного льна (NЧВ), характеризующий качество первичной переработки льнотресты. Содержание пектиновых веществ определяли в соответствии с методом, описанным в приложении 1 (раздел П1.2.1). Результаты представлены на рис. 3.5. СИ, П0, масс.% 7 NЧВ % 6 6 5 5 6,5 35 30 28 4,5 3,9 4 4,8 4,6 24 24 4,0 18 20 3 36 5,9 25 4 36 3 14 3,0 15 2,7 3,0 2,5 2,5 2 2 1 1 5 0 0 0 10 0 Б 1 2 Тв В 3 Кс 4 Кл 5 1,5 1,5 Гл 6 Фр 7 8 виды анализируемого льняного волокна - исходный уровень пектина, П0; - содержание инкрустов, СИ; - номер чесаного волокна, NЧВ. Рис.3.5. Характеристика анализируемых видов льняного волокна Анализ качественных показателей волокнистых образцов свидетельствует, что в пределах каждой группы лубоволокнистого сырья повышение номера чесаного волокна закономерно связано с понижением степени его засоренности и, в частности, с сокращением содержания инкрустов, сопровождающимся уменьшением массовой доли пектиновых примесей. 146 С учетом обоснованных в разделе 3.1 биохимических режимов подготовки льняной ровницы к прядению ферментативную обработку семи разновидностей технического волокна осуществляли в течение часа при температуре 40оС, рН 6,5 и модуле ванны 1:10 растворами препаратов с варьируемыми показателями их каталитических свойств в диапазонах: пектинэстераза (ПЭ) – 0,12…0,8 ед./мл; эндополигалактуроназа (ПГЭНДО) – 0,2…27,9 ед./мл; экзополигалактуроназы и экзополигалактуронозидазы (ПГЭКЗО) – 0,05…0,45 ед./мл. Для извлечения водорастворимых фракций расщепленного пектина волокно промывали теплой (40оС) водой без использования вспомогательных веществ, высушивали на воздухе и определяли степень извлечения полиуронидных соединений П. Активность ферментов ПМЭК в растворах оценивали с применением методов анализа каталитических свойств биокатализаторов, описанных в приложении 1 (см. разделы П1.4.3). Экспериментальные данные изменения содержания пектиновых веществ в процессе изотермического воздействия растворов пектолитических ферментных препаратов на анализируемые виды волокнистых материалов представлена в табл. П2.3 приложения 2. Наиболее наглядно закономерности ферментативного расщепления пектина прослеживаются при графической интерпретации результатов на рис. 3.6. Сопоставление вклада индивидуальных ферментов пектолитического МЭК в достигаемый уровень деструкции полиуронидов позволило подтвердить превалирующую роль пектинэстеразы и эндополигалактуроназы в процессе извлечения пектинов из волокнистой матрицы. Нетрудно видеть, что увеличение пектинэстеразной активности ферментного препарата в 2,3…2,9 раза (см. рис. 3.6а) обеспечивает прирост показателя степени расщепления пектина для всех видов волокна в 1,2…1,3 раза. При этом основное деполимеризующее действие на пектин оказывает фермент эндополигалактуроназа. В частности, повышение ее активности в 2,5 раза сопровождается увеличением степени удаления пектина на 20…25 % (см. рис. 3.6б). В случае отсутствия в препарате эндогенного фермента величина П для разных видов льняного волокна незначительна и определяется извлечением водорастворимых фракций полиуронидов, деполимеризованных еще на стадии первичной переработки льносоломы при выделении льняных комплексов из растительного стебля. 147 DП, DП, масс.% Фр масс.% 80 80 Кс Гл Кл Б Тв В 70 70 60 60 50 Фр 40 50 Кс Гл Кл 40 Б Тв В 30 0,0 0,1 30 ПГЭНДО= 17,8 ед./мл ПГЭКЗО= 0,2 ед./мл 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 а) 0 5 10 15 20 25 30 б) DП, масс.% Фр Кс 80 Гл 70 Кл Б Тв 60 В ПГЭНДО= 27,7 ед./мл ПЭ= 0,40 ед./мл 0,1 10 ПГЭНДО, ед./мл ПЭ, ед./мл 50 0,0 ПЭ= 0,35 ед./мл ПГЭКЗО= 0,27 ед./мл 20 0,2 0,3 0,4 0,5 Рис. 3.6. Влияние показателей активности пектинэстеразы (а), эндополигалактуроназы (б) и экзополигалактуроназы (в) на степень деструкции пектина (П) льняного волокна бийского (Б), тверского (Тв), вологодского (В), костромского (Кс), калужского (Кл), голландского (Гл), французского (Фр) производства. ПГЭКЗО, ед./мл в) Варьирование показателя экзогенной активности препарата при низких значениях ПЭ и ПГэндо практически не оказывает влияния на степень извлечения полиуронидов из волокнистого материала. Вместе с тем при увеличении содержания технологически значимых ферментов пектинэстеразы и эндополигалактуроназы наращивание показателя ПГэкзо (см. рис. 3.6в) также способствует повышению эффективности обработки, что свидетельствует о наличии кооперативного действия эндо- и экзогенных деполимераз при расщеплении твердофазных полиуронидных примесей волокнистого материала. Для количественной оценки влияния ферментов пектолитического МЭК на процесс удаления клеящих веществ проведена математическая обработка совокупности данных табл. П2.3 приложения 2 методом регрессионного анализа. Вид кор- 148 реляционной зависимости выбран в соответствии с уравнениями, предложенными для оценки степени деструкции примесей крахмальной шлихты амилолитическими препаратами [245]. Наиболее удовлетворительное описание процесса биокатализируемого расщепления пектиновых примесей льняного волокна обеспечивает математическая модель, в основу которой положены полученные для различных видов льняного сырья корреляционные зависимости количества удаляемого пектина (П, %/ч) от каталитической активности полигалактуроназ эндо- и экзогенного действия (ПГЭНДО и ПГЭКЗО, ед./мл) и пектинэстеразы (ПЭ, ед./мл), входящих в состав ПМЭК. Общий вид зависимостей можно представить уравнением: П a b ПЭ c ПГ ЭНДО d ПГ ЭКЗО ПГ ЭНДО ПГ ЭКЗО е ПГ ЭНДО ПГ ЭКЗО , (3.1) Закономерность учитывает индивидуальный вклад компонентов ПМЭК, а также проявление синергизма в действии деполимеризующих эндо- и экзоферментов. При этом используемая форма последнего члена уравнения (3.1) в виде отношения произведения показателей активностей биокатализаторов к их сумме адекватно отражает физический смысл синергизма преумножение влияния факторов в сравнении с аддитивным увеличением. В корреляционном уравнении значения причленных множителей у показателей активности отдельных видов ферментов и у показателя их кооперативного воздействия отражают весомость слагаемых в осуществлении деструкции пектиновых примесей волокна. Их значения для каждого из проанализированных промышленных видов технического льняного волокна приведены в табл. 3.7. Таблица 3.7. Химические свойства полиуронидных соединений в различных видах льняного волокна и параметры корреляционного уравнения интенсивности их деструкции Волокно Тв К В Кс Б Гл Фр Долевое содержание звеньев, 0,01 G(ГК-Н) G(ГК-СН3) G(ГК-Са) 0,22 0,19 0,19 0,29 0,29 0,52 0,57 0,62 0,61 0,59 0,59 0,54 0,38 0,35 0,16 0,20 0,22 0,10 0,17 0,10 0,08 Величина коэффициентов урав- Степень нения корреляции, R a b c d е 1,92 12,45 0,77 0,49 5,71 0,9549 3,12 11,36 0,78 0,43 4,32 0,9514 2,29 11,31 0,71 0,41 4,24 0,9680 1,75 11,43 1,00 0,47 8,37 0,9797 2,83 11,28 0,75 0,53 5,66 0,9597 6,94 0,76 0,99 0,85 8,36 0,9871 7,63 0,74 1,00 0,90 10,85 0,9743 149 Сравнительный анализ представленных значений множителей уравнения (3.1) позволил выявить наличие взаимосвязи между химическим строением пектиновых примесей волокна и изменением вклада компонентов ПМЭК в процесс его деполимеризации: превалирующая роль в деструкции твердофазного полимера до водорастворимых продуктов принадлежит кооперативному действию эндо- и экзодеполимераз; при обработке отечественных видов льняного сырья существенно возрастает роль фермента пектинэстераза, обеспечивающего перевод субстрата в деметоксилированное состояние. Анализируя данные табл. 3.7, нельзя не признать согласованность изменений расчетных коэффициентов уравнения (3.1) с уровнем долевого соотношения форм мономерных звеньев полиуронидов волокнистых материалов. В частности, согласно приведенным результатам влияние пектинэстеразы усиливается и величина множителя при показателе ПЭ возрастает по мере увеличения степени этерификации полиуронидных соединений в анализируемых образцах волокнистых материалов. Вместе с тем значение множителей при индивидуальных показателях активности эндо- и экзогенных деполимераз и «кооперативном» члене уравнения (см. табл. 3.7) находятся в обратно пропорциональной зависимости с величиной долевого содержания кальций-пектатных форм мономерных звеньев в гидролизуемом пектине, что вполне закономерно, поскольку участки полимерных цепей, соединенные кальциевыми мостиками, не доступны для действия пектолитических ферментов. Для учета всей совокупности особенностей химического строения пектиновых веществ предложена обобщенная модель их биодеструкции, которая отражает влияние метоксилированной и кальций-пектатной форм мономерных звеньев полиуронидов на проявляемую активность пектолитических ферментов: 1 G ( ГК Са ) 1 G ( ГК Са ) П ОБЩ 0,21 12,37 ПЭ G ( ГК СН 3 ) 1,39 ПГ ЭНДО 0,71 ПГ ЭКЗО ПГ ЭНДО ПГ ЭКЗО 1,40 ПГ ЭНДО ПГ ЭКЗО 1 G ( ГК Са ) , R 0,9993 (3.2) Выбранный вид математической модели с введением при величине активности компонентов ПМЭК показателей степени отражает уровень доступности полимера для воздействия соответствующих видов ферментов. В частности, влияние пектинэстеразы усиливается по мере повышения степени метоксилиро- 150 вания полимера. Действие деполимеризующих ферментов (эндо- и экзополигалактуроназ, включая кооперативный член уравнения) откорректировано с учетом доли потенциально поддающихся каталитическому расщеплению участков полимерной цепи. К ним относятся как неэтерифицированные звенья, так и их метоксилированная форма, которая становится доступной для полигалактуроназ после отщепления метоксильных групп пектинэстеразой. Таким образом, потенциально расщепляемой является часть полимера за вычетом доли кальцийпектатной формы, что обозначено как 1–G(ГК-Са). Верификация предлагаемой модели проведена по результатам биообработки 10 видов стланцевого льняного волокна вышеуказанных селекционных сортов льна-долгунца. В табл. П2.4-5 приложения 2 представлены данные экспериментального анализа химического строения пектиновых веществ исследуемых сортов льна и степени извлечения полиуронидов при обработке растворами пектолитических ферментных препаратов с варьируемым соотношением показателей активности компонентов ПМЭК. Там же приведены результаты расчета показателя по уравнению (3.2) с учетом указанного в таблицах долевого содержания метоксилированной и кальций-пектатной форм в полиуронидных соединениях, изменения которых в сравнении с соответствующими значениями для механически выделенного луба (см. табл. 3.6 подраздела 3.2.2) вполне закономерно отражают превращения пектинов в условиях лугового расстила растительного сырья. Сопоставление подтверждает, что применение разработанной математической модели кинетики деструкции пектиновых веществ с учетом каталитической активности ферментов ПМЭК и содержания метоксилированной и кальций-пектатной форм мономерных звеньев в цепи полиуронидов позволяет адекватно описать новый массив экспериментальных данных и отклонения расчетных значений не превышают 3 % при 95%-ном доверительном интервале определения содержания пектина в волокне. Полученная математическая модель послужила основой для разработки аналитического аппарата, позволяющего обеспечить воспроизводимость результата ферментативной обработки посредством осуществления своевременной корректировки рецептур биопрепаратов и условий их применения при смене вида перерабатываемого сырья для получения стабильно высоких структурных и физико-механических свойств текстильных материалов. 151 3.3. Разработка обобщенной кинетической модели ферментативного расщепления полиуронидов в различных видах льняного сырья 3.3.1. Выявление закономерности для прогнозирования длительности ферментативной обработки при подготовке льняного волокна к прядению Комплекс исследований проведен в рамках развития научных подходов, направленных на создание сбалансированных по составу пектолитических энзимных композиций обеспечивающих дозируемое извлечение полиуронидных примесей с достижением требуемого оптимума остаточного их содержания ПОСТ после ферментативной обработки волокна на уровне 1,0 масс.% (см. подраздел 3.1.2). В основе разработок лежат результаты контроля показателя ПОСТ в процессе изотермического воздействия (40оС) растворов пектолитических ферментных препаратов на анализируемые виды волокнистого сырья, перерабатываемого на текстильных предприятиях. Характеристика волокнистых объектов приведена ранее на рис. 3.5 подраздела 3.2.3. Ферментативную обработку волокнистых материалов в растворах пектолитических препаратов осуществляли в течение 3 часов с шагом 15 мин. Для извлечения водорастворимых фракций расщепленного пектина волокно промывали теплой (40оС) водой без использования вспомогательных веществ, высушивали на воздухе и определяли остаточное содержание полиуронидных соединений. Результаты сведены в табл. П2.6 приложения 2. Анализ представленных данных позволил установить, что для всего мно- 4,0 гообразия ассортиментных групп во- 3,5 зафиксирован D ПИНК 3,0 однотипный, представленный на рис. 2,5 3.7 вид кинетической кривой фермента- 2,0 локнистого материала тивного расщепления пектиновых примесей льняного волокна с двумя выде- ПОСТ, масс.% D ПМКО 1,5 1,0 0,0 ляющимися участками стационарного и затухающего протекания процесса. Учитывая характер действия ферментов на периферийные слои твердофазных суб- 0,5 ИНК 1,0 1,5 2,0 время, ч МКО Рис. 3.7. Зависимость количества остаточного пектина в волокне от продолжительности биообработки стратов с последовательным проникновением в толщу материала, можно предполагать, что выделяющиеся на кинетической кривой ферментативного рас- 152 щепления пектиновых примесей льняного волокна стационарный и затухающий участки отражают последовательное расщепление пектиновых примесей в поверхностном слое инкрустов (ПИНК) и в межклеточных образованиях (ПМКО) связующих веществ в структуре льняных комплексов. Подобный ход кинетических кривых ферментативного расщепления пектиновых примесей воспроизводится во всей серии графических зависимостей воздействия на анализируемые виды волокнистого материала разных биопрепаратов при любых вариантах соотношения активностей ферментов. Об этом наглядно свидетельствуют данные рис. 3.8. 7 ПОСТ, 6 масс. % 5 Активность препарата (ед./мл): ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО 1 – 0,35; 12,3; 0,27; 2 – 2,20; 15,5; 0,20; 3 – 3,40; 27,7; 0,37. 7 6 Активность препарата (ед./мл): ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО 1 – 4,70; 17,9; 0,27; 2 – 4,70; 25,0; 0,40; 3 – 5,50; 38,5; 0,45. 5 4 4 3 3 2 ПОСТ, масс. % 2 1 1 3 2 время, ч 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 ПОСТ, 6 масс. % 5 4 3 2 1 3 2 0 0 0,5 1 1,5 2 0,5 1 1,5 2 время, ч 2,5 3 б) Активность препарата (ед./мл): ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО 1 – 0,4; 5,8; 0,14; 2 – 0,4; 7,4; 0,15; 3 – 0,4; 12,3; 0,15. 1 3 0 0 а) 7 1 1 2 Рис. 3.8. Кинетика удаления пектина из бийского (а), тверского (б) и голландского (в) льняного волокна под действием ферментных препаратов с указанными каталитическими свойствами время, ч 2,5 3 в) Нетрудно видеть, что удаление пектина на стационарном участке кривой ПИНК зависит от исходного его количества П0: возрастая по мере повышения П0, количество расщепляемых в поверхностном слое инкрустов пектиновых примесей 153 составляет от 45 до 55 %. Длительность стационарного участка ИНК ограничивается достижением остаточного содержания пектина на уровне 20,5 масс.%. Математическое описание начального участка кинетических кривых в исследованных образцах льняного волокна по зависимости (3.2) показало, что в абсолютных единицах корреляционное уравнение скорости расщепления пектина в зоне инкрустов (ПИНК, масс.%/ч) от уровня показателей активности фермен- тов ПМЭК в растворе пектолитического препарата с учетом химического строения полиуронида имеет следующий вид: 1 G( ГК Са ) 1 G( ГК Са ) П ИНК 0,32 0,30 ПЭ G ( ГК СН 3 ) 0,08 ПГ ЭНДО 0,04 ПГ ЭКЗО 1 G( ГК Са ) ПГ ЭНДО ПГ ЭКЗО 1,36 ПГ ЭНДО ПГ ЭКЗО R 0,9873 (3.3). Нестационарный участок кинетической кривой, характеризующий, повидимому, расщепление полиуронидных соединений в массивных межклеточных образованиях связующих веществ льняных комплексов, асимптотически приближается к уровню ПОСТ = 0,9…1,0 масс.%. Выявлено, что он подчиняется логарифмически преобразованной форме зависимости (3.3): ПМКО = ln (ПИНК). Варьирование каталитических свойств ферментной композиции вызывает соответствующие изменения (инициирование или замедление) как на стационарном, так и на затухающем участках кинетической кривой биокатализируемой деструкции пектинов льняного волокна. При этом требуемый технологический результат по расщеплению пектина в структуре льняных волокнистых материалов может быть достигнут путем изменения уровня активности ферментной композиции и соответствующей корректировки длительности воздействия. Последний фактор может рассматриваться как вариант снижения затрат на дорогостоящие ферментные препараты и себестоимости стадии биомодификации в цикле подготовки льняной ровницы к прядению. Для краткой записи правую часть уравнения (3.3) обозначим как функцию f ( АФ , N З ) , которая описывает скорость ферментативного расщепления пектиновых веществ в зависимости от активности ферментов Аф и степени заме- 154 щения карбоксильных групп в полиуронидах NЗ. Тогда аналитическое решение модели, позволяющее рассчитать длительность процесса (, ч) для выхода на уровень остаточного содержания пектина в волокне около 1 масс.%, можно представить соотношением: П ИНК П МКО , 0,9999 f ( АФ , N З ) 1,4399 ln f ( АФ , N З ) (3.4) где П ИНК По 0,5 0,02 ( По 4) количество полиуронидов, локализованных а инкрустах комплексного льняного волокна, с учетом исходного количества полимера (П0) в волокнистой матрице, масс.%; ПМКО По По 0,5 0,02 (По 4) 1 количество полиуронидов, локализованных в структуре межклеточных образований льняного волокна, масс.%; Разработанная кинетическая модель, которая описывает эффективность ферментативной мацерации перерабатываемого льняного сырья, позволяет определить длительность процесса для выхода на оптимальный уровень остаточного содержания пектина в волокне после стадии ферментативной обработки (около 1 масс.%). Технологическая апробация режимов биомодификации льняной ровницы при подготовке волокна к прядению, выявленных на основании математического анализа модели, подтвердила ее высокую прогностическую способность в определении оптимальных условий биообработки для всех анализируемых видов разнономерного льняного сырья и разных партий ферментных препаратов пектолитического действия. Проверка проведена для широкого набора волокнистого сырья, перерабатываемого на предприятиях «Вологодский текстиль» и «Яковлевская мануфактура», при реализации режима ферментативно- пероксидного беления ровницы. Условия способа подготовки и методы оценки важнейших физико-механических свойств сравниваемых образцов биомодифицированной ровницы при варьировании концентрационно-временных условий ферментативной обработки и сформированной из нее пряжи представлены в приложении 1 (разделы П1.5.2). Статистическая обработка экспериментальных данных проведена по выборкам из ста образцов в каждом варианте получения льняной ровницы. Данные представлены в табл. 3.8. 155 Таблица 3.8. Влияние каталитических свойств полиферментных композиций на изменение механических свойств биомодифицированного льняного волокна Льняное волокно, (номер волокна) бийское (28) тверское (14) вологодское (24) костромское (24) калужское (18) голландское (36) французское (36) Активность ферментов препарата, ед./мл ПЭ эндоПГ экзоПГ 2,2 1,7 3,4 4,7 4,7 5,5 3,4 2,2 5,5 3,4 2,4 3,4 4,7 3,4 5,5 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 15,5 12,3 27,7 25,0 17,9 38,5 22,3 15,5 38,5 16,5 17,9 27,7 23,9 16,5 38,5 7,4 5,8 12,3 5,8 7,4 0,20 0,27 0,37 0,4 0,27 0,45 0,35 0,2 0,45 0,25 0,15 0,37 0,37 0,25 0,45 0,15 0,14 0,15 0,14 0,15 Примечания: , ч Убыль массы1), GВ, % 2,00 2,50 1,50 2,00 2,50 1,75 2,00 2,75 1,50 2,00 2,75 1,50 2,00 2,50 1,75 2,00 3,00 1,50 2,00 1,75 12,8 12,8 12,8 18,0 18,0 18,0 14,6 14,6 14,6 14,2 14,2 14,2 16,8 16,8 16,8 10,4 10,4 10,4 10,0 10,0 Удельная разрывная нагрузка ровницы2), сН/Текс РИС РПС РИМ РПМ 3,7/3,5 3,6/3,4 3,7/3,5 4,3/3,7 4,2/3,7 4,3/3,6 4,0/3,4 4,0/3,6 3,9/3,5 3,9/3,5 3,9/3,5 4,0/3,6 4,2/3,6 4,1/3,5 4,2/3,7 3,6/3,5 3,5/3,4 3,6/3,5 3,5/3,4 3,6/3,4 2,8/1,5 2,7/1,4 2,8/1,5 3,2/1,8 3,1/1,7 3,2/1,7 3,0/1,5 3,0/1,6 2,9/1,5 2,9/1,5 2,9/1,5 3,0/1,6 3,1/1,6 3,1/1,7 3,0/1,5 2,7/1,5 2,6/1,4 2,7/1,5 2,6/1,4 2,7/1,5 Характеристика пряжи ТПр, Р0, Текс сН/Текс 55,6 55,8 55,5 56,1 56,6 55,9 56,0 56,1 55,8 55,8 56,2 55,5 55,9 56,0 55,8 55,6 55,7 55,6 55,7 55,6 25,1 25,1 24,9 25,2 25,3 25,1 24,8 25,1 25,2 25,0 24,8 24,8 25,3 25,3 25,2 25,1 25,0 25,1 24,7 24,7 1) при одинаковых условиях пероксидного беления льняной ровницы последующего за стадией ферментативной обработки; 2) индексы при буквенном обозначении показателя разрывной нагрузки в числителе и знаменателе соответствуют значениям: И и П для исходной (суровой) ровницы и ровницы, прошедшей цикл ферментативно-пероксидной подготовки; С и М соответственно в сухом и увлажненном (мокром) состояниях. Результаты исследования влияния каталитических свойств полиферментных композиций на изменение механических свойств анализируемых видов биомодифицированной льняной ровницы показал, что закономерность позволяет обеспечить достижение воспроизводимых результатов ферментативной обработки при смене партии перерабатываемого сырья и получение стабильно высоких структурных и физико-механических свойств текстильных материалов. В частности, варьирование условий ферментативной обработки льняного волокна (показателей активности ферментов и длительности стадии), осуществленное на основании полученных кинетических кривых деструкции пектина для достижения одинакового значения ПОСТ = 10,1 масс.%, обеспечивает постоянство показателя убыли массы волокна GВ после проведения завершающей операции пероксидной обработки ровницы. 156 Для разных сопоставляемых видов волокнистого материала величина показателя GВ, характеризующая совокупное удаление примесных компонентов, коррелирует с количеством извлекаемого пектина. При этом величина GВ в исследуемых текстильных материалах варьирует от 10 до 18 % и не превышает верхний ограничительный уровень показателя, соответствующий 20 %. Создание для каждого из сопоставляемых объектов исследования условий для достижения одинаковых показателей остаточного содержания пектина после биообработки на уровне 10,1 масс.% и 0,40,1 масс.% после завершения пероксидной обработки обеспечивает значение показателя РПМ =1,60,2 сН/Текс воспроизводимое в диапазоне точности измерения и высокую стабильность величины линейной плотности формируемой пряжи ТПр = 55,90,3 Текс. Таким образом, проведенные исследования являются важным этапом формирования методологии корректировки рецептур растворов ферментных препаратов и условий их применения для получения высококачественной текстильной продукции и обеспечения минимизации затрат на проведение биомодификации. Полученная кинетическая модель биокатализируемой деструкции пектиновых веществ льняного сырья с учетом их химического строения обеспечивает возможность оптимизации состава полиферментной системы для переработки любого вида волокнистого материала, а также позволяет обосновать рекомендации по подбору и соотношению волокнистых смесок с обеспечением равномерного расщепления связующих веществ во всем объеме ровницы. 3.3.2. Разработка рекомендаций по ферментативной подготовке ровницы из смесок отечественных видов льняного сырья с учетом содержания и химического строения полиуронидов Трудно перерабатываемые виды лубоволокнистого сырья редко используются индивидуально для производства текстильной продукции. Чаще на текстильных предприятиях их используют в смесках с менее засоренным волокном. Причем в смесовой ровнице может присутствовать до шести волокнистых компонентов, что требует разработки подходов для регулирования интенсивности ферментативного воздействия и обеспечения равномерной биомодификации текстильного полуфабриката. 157 Исследования закономерностей ферментативного расщепления полиуронидов в многокомпонентных волокнистых объектах проведены с использованием восьми промышленных сортов стланцевого волокна урожая 2011 г. из сырьевой базы предприятия ООО «Яковлевская мануфактура» (г. Приволжск, Ивановская обл). Характеристика объектов воздействия приведена на рис. 3.9 и в табл. 3.9. СИ, П0, масс.% 8 NЧВ 6,7 % 7 6 6 5 36 6,3 35 28 4,9 25 5 5,4 30 30 30 26 4,1 20 4 3 3 2 2 4,5 22 4 3,3 3,75 16 2,9 15 2,25 10 1 1 5 0 0 0 2,25 2,5 2,75 3,0 14 2,3 1,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 виды анализируемого льняного волокна - исходный уровень пектина, П0; - содержание инкрустов, С И; - номер чесаного волокна, NЧВ. Рис. 3.9. Физико-химические свойства анализируемых видов льняного волокна Таблица 3.9. Состояние карбоксильных групп в полиуронидах промышленных видов льняного волокнистого сырья № образца льняного волокна 1 2 3 4 5 6 7 8 Долевое содержание форм мономерных звеньев, ед. G(ГК-Н) G(ГК-СН3) G(ГК-Са) 0,34 0,54 0,12 0,34 0,56 0,10 0,35 0,47 0,18 0,44 0,51 0,05 0,44 0,38 0,18 0,47 0,41 0,12 0,29 0,56 0,15 0,13 0,64 0,23 158 Анализ свойств поступающего на текстильное предприятие лубоволокнистого сырья свидетельствует, что анализируемые виды чесаного льняного волокна в зависимости от показателей качества представлен семью сортами (из 10 существующих), соответствующих номерам: 14, 16, 22, 26, 28, 30, 36. Образцы 6, 1 и 2 характеризуются как сырье высокого качества, а наибольшую трудность представляет переработка низкосортных видов льняного волокна образцов 7 и 8. При этом данные химического строения пектиновых веществ в исследуемых образцах волокна (см. табл. 3.9) свидетельствуют, что полиурониды в образцах 1, 2, 4, 7, 8 являются высоко метоксилированными соединениями: долевое содержание в них ГК-СН3−форм варьирует в интервале 0,51…0,64 ед. При этом величина долевого содержания пектинатной формы в исследованных объектах составляет от 0,05 до 0,23 ед. Выявленные различия в химических свойствах анализируемых видов льняного сырья являются основной исходной информацией для варьирования условий проведения биомодификации и поиска оптимальных рецептур полиферментных композиций. На основании математического анализа данных с использованием разработанной кинетической модели (3.4) для каждого индивидуального вида волокна определены сочетания показателей активности пектолитических ферментов, способные обеспечить выход на рекомендуемые постадийные уровни остаточного содержания пектина при длительности ферментативной обработки от 1,5 до 3 ч. Экспериментальное подтверждение правильности расчета рецептур демонстрируют данные динамики изотермического воздействия растворов пектолитических биопрепаратов на анализируемые виды волокна, представленные в приложении 2 (см. табл. П2.7). В табл. 3.10 итоговые результаты расщепления пектина (П1) за контрольные промежутки времени воздействия ПМЭК с заданными профилями активности дополнено данными остаточного содержания полиуронидов после пероксидной обработки (П2) и качественными характеристиками сформированной пряжи. Полученные результаты подтверждают, что для каждого вида льняного сырья значения полноты удаления пектиновых примесей близки к задаваемому расчетному уровню. 159 Таблица 3.10. Влияние каталитических свойств полиферментных композиций на изменение физико-механических свойств формируемой льняной пряжи Исследуемый образец волокна, (Nчв) 1 (30) 2 (30) 3 (28) 4 (26) 5 (22) 6 (36) 7 (16) 8 (14) Активность ферментов препарата, ед./мл ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО 2,7 2,0 1,8 3,4 2,2 2,0 3,4 1,7 1,5 4,7 1,9 1,4 5,5 0,7 2,2 0,4 1,1 5,5 3,8 4,7 5,2 4,7 5,5 12,5 6,7 4,3 16,5 8,5 6,7 27,7 19,1 12,5 27,7 20,8 15,5 38,5 28,7 18,6 7,4 3,2 35,5 26,7 19,9 29,8 17,9 55,5 0,21 0,11 0,15 0,25 0,15 0,11 0,37 0,24 0,10 0,37 0,22 0,22 0,45 0,52 0,2 0,15 0,10 0,45 0,42 0,27 0,45 0,27 0,45 ффакт, мин П1 / П2, масс.% 90 120 165 90 120 150 105 120 180 105 120 150 105 120 150 75 120 105 120 135 120 150 105 0,95 / 0,42 1,03 / 0,44 0,93 / 0,38 0,91 / 0,35 1,08 / 0,45 1,05 / 0,45 0,91 / 0,35 1,04 / 0,44 1,01 / 0,40 0,97 / 0,38 1,01 / 0,40 1,04 / 0,43 0,92 / 0,35 1,08 / 0,45 1,02 / 0,41 1,04 / 0,43 1,02 / 0,42 1,01 / 0,40 1,05/ 0,44 1,03 / 0,42 1,06 / 0,44 1,06 / 0,45 1,02 / 0,41 Характеристика пряжи ТПр, Текс Р0, сН/Текс 55,4 55,1 55,5 55,9 55,8 55,5 56,0 56,0 55,9 55,9 55,8 56,0 56,0 56,6 56,3 55,5 55,1 56,1 56,2 55,6 55,7 55,9 56,1 25,1 25,1 25,0 25,1 25,0 25,0 25,0 24,9 25,1 24,9 25,0 24,9 24,8 25,0 25,1 25,2 25,3 24,9 24,8 25,0 24,7 24,9 24,8 Примечание: П1 и П2 остаточное содержание пектина волокна соответственно после ферментативной обработки и стадии пероксидного беления. Отклонения фактических показателей остаточного содержания пектина П1 и П2 не превышают технологически допустимых значений, что обеспечивает стабильно воспроизводимое получение высококачественной льняной пряжи. Важно, что применение модели позволяет для каждого анализируемого вида волокна определить оптимизированный уровень активности компонентов полиферментного препарата, обеспечивающий достижение необходимых технологических эффектов биомодификации при продолжительности энзимной обработки 2 часа. При переработке ровницы из высокономерных видов волокна снижение в препарате активности ферментов ПЭ и ПГЭНДО в 1,5…2,0 раза можно компенсировать увеличением длительности биомодификации до 2,75…3,0 ч, что следует 160 рассматривать как вариант снижения затрат на дорогостоящие ферментные препараты и себестоимости стадии биомодификации в цикле подготовки льняной ровницы к прядению. Подбор условий биомодификации трудноперерабатываемых видов волокна (образцы 7 и 8) также позволяет получать пряжу высокого качества. Однако это достигается при увеличении активности пектинэстеразы и эндополигалактуроназы соответственно в 5…10 раз в сравнении с уровнем каталитических свойств препаратов, рекомендованных для обработки малозасоренного чесаного льняного волокна высоких номеров. Для повышения экономической результативности биокатализируемого технологического процесса биоподготовку высокозасоренных образцов 7 и 8, характеризующихся повышенным исходным содержанием пектиновых веществ и инкрустов, целесообразно осуществлять в смеске с чесаным льняным волокном высоких номеров. К настоящему времени обоснование подходов к оптимизации условий энзимной обработки смесовой льняной ровницы в цикле ферментативно-пероксидного способа подготовки ее к прядению, которые позволили бы добиться равномерного расщепления пектиновых веществ в разнономерных волокнистых компонентах полуфабриката, является весьма непростой задачей. Успешное ее решение становится возможным при использовании сформированных подходов учета содержания полиуронидов и их химического строения на основании практического применения модели (3.4). Для разработки методов осуществления научно-обоснованного выбора условий ферментативной подготовки ровницы из смесок отечественных видов льняного сырья обработке и анализу подвергнуты двухкомпонентные (АВ) и трехкомпонентные (АВС) образцы льняной ровницы. Они сформированы из анализируемых образцов чесаного волокна грубых сортов волокна (трудно перерабатываемый «низкономерной» компонент А) с вложением более мягких видов льняного сырья (высокономерной компонент В) от 90 до 50 %. В основу методологического приема оптимизации условий переработки смесовой ровницы положено применение аналитического решения кинетической модели биодеструкции полиуронидов (3.4). Ключевые этапы реализуемого подхода можно проследить на примере деструкции полиуронидов в двухкомпонентной 161 смесовой ровнице, сформированной из образцов волокна 8 и 1 (соответственно компоненты А и В) в соотношении 20:80. На основании выявленных по модели (3.4) оптимальных значений активности пектолитического МЭК для деструкции полиуронидов в индивидуальных волокнистых составляющих определяли промежуточные значения активностей биопрепарата для переработки их смески с учетом доли вложения трудно и легко перерабатываемых волокнистых компонентов. Для анализируемых образцов льняной ровницы наиболее предпочтительный уровень активности показателей ПМЭК в биопрепарате составил (ед./мл): ПГЭНДО = 9,0; ПЭ = 2,32; ПГЭКЗО = 0,14. Процесс ферментативной деструкции полиуронидов в отдельных видах волокна и в смесовом полуфабрикате представлен данными рис. 3.10. 7 7 ПОСТ, масс.% 6 6 5 5 1 4 4 3 3 2 2 1 1 2 время, ч 0 0 0,5 1 1,5 а) ПОСТ, масс.% 2 2,5 3 3,5 4 3 4 время, ч 0 0 0,5 1 1,5 2 б) Рис. 3.10. Кинетика деструкции полиуронидов в индивидуальных образцах волокна 8 и 1 (а) и в сформированной из них смесовой ровнице с вложением компонентов в соотношении 20:80 (б). Обозначение кривых: 1 и 2 – экспериментальные кривые расщепления пектина соответственно в низкономерном и высокономерном компонентах анализируемой смески; 3 – расчетная кривая извлечения пектинов в смесовом волокнистом материале; 4 – экспериментальная кривая деструкция пектина при переработке смески. Кривые 1 и 2 рис. 3.10а отражают динамику расщепления пектина в индивидуальных волокнистых компонентах менее и более высокого качества (соответственно образцы 8 и 1). В результате использования полиферментной композиции, характеризующейся пониженными значениями активностей ПМЭК относительно оптимальных величин для трудноперарабываемого образца 8, выход кривой 1 на 162 уровень ПОСТ = 1 масс.% достигается при длительности процесса более 2 ч. Причем, чем значительнее для волокнистых составляющих различие в исходном содержании пектина П0, тем больше требуемое увеличение времени биообработки. При воздействии анализируемого комплекса ферментов на высокономерной образец волокна (кр.2) оптимальный уровень остаточного содержания пектина достигается за 1 ч обработки. Затем ход кр. 2 резко замедляется с выходом на стационарный участок, характеризующийся практически полным затуханием процесса расщепления пектина в волокне. Логично предположить, что возникающие затруднения при расщеплении оставшейся части пектина (менее 1 масс.%) связаны со стерическими препятствиями проникновения крупной белковой глобулы катализатора в области тонких срединных пластинок комплексного волокна. Суммируя удельный вклад кр. 1 и 2, графическим методом получаем расчетную результирующую зависимость изменения общего содержания пектина в смесовой ровнице кр. 3. Сопоставление ее хода с результатами экспериментального определения ПОСТ в смесовых образцах (кр. 4) свидетельствует о наличии ускоряющего эффекта в завершающей стадии процесса, когда окончено расщепление полиуронидов в межклеточных образованиях компоненты В и все молекулы биокатализаторов адсорбируются пектинами волокнистой составляющей А. С учетом уменьшенного долевого содержания в системе волокнистой компоненты А можно говорить об относительном повышении концентрации ферментов на единицу расщепляемых полиуронидных соединений, что и предопределяет экспериментально фиксируемое инициирование деструкции пектиновых примесей. Подобным образом осуществлен подбор мультиэнзимных композиций для переработки других вариантов двухкомпонентной смесовой ровницы образцов 8 и 1 с различной долей вложения индивидуальных составляющих материала. Анализ кинетических кривых расщепления пектиновых веществ индивидуальных видов льноволокнистых материалов позволил эмпирически выявить математический аппарат для расчета уровня каталитической активности компонентов пектолитических препаратов в растворе с учетом содержания и свойств полиуронидов в волокнистых составляющих смесовой ровницы. Определяющим показателем при подборе волокнистых компонентов смесовой ровницы, обеспечивающим получение качественного льняного сырья, является степень метоксилирования 163 входящих в их состав полиуронидов. Значения этого показателя целесообразно выбирать максимально близкими для снижения непроизводительного расходования фермента пектиэстераза. Таким образом, на основании экспериментальных данных разработан подход к оптимизации состава полиферментных композиций для обработки льняной ровницы из многокомпонентных (три и более) волокнистых смесок, который включает следующие этапы: 1. Определение предпочтительных уровней активности пектолитических ферментов (ПЭ, ПГЭНДО, ПГЭКЗО) для индивидуальных волокнистых компонентов смески, обеспечивающих достижение оптимального уровня ПОСТ=1 масс.% в ходе 2-часовой биодеструкции пектиновых веществ. Расчет осуществляется с помощью кинетической модели (3.4). 2. Определение уровня активностей ферментов для 2-часовой биообработки двухкомпонентной (АB) смесовой ровницы из волокнистых составляющих А и B с учетом доли вложения высокономерной компоненты В (ДВ, ед.). Расчет осуществляется по уравнениям: ПЭ АВ ПЭ А ( ПЭ А ПЭ В ) Д В ; АВ А А В ПГ ЭНДО ПГ ЭНДО ( ПГ ЭНДО ПГ ЭНДО ) ДВ ; АВ А А В ПГ ЭКЗО ПГ ЭКЗО ( ПГ ЭКЗО ПГ ЭКЗО ) ДВ . 3. Определение уровня активностей ферментов для 2-часовой биообработки трехкомпонентной (АBС) смесовой ровницы из волокнистых составляющих АВ и С с учетом определенных на предыдущем этапе значений активности для смески АВ и доли вложения добавляемой компоненты С (ДС, ед.). Расчет осуществляется по уравнениям: ПЭ АВC ПЭ АВ ( ПЭ АВ ПЭ С ) Д С ; АВС АВ АВ С ПГ ЭНДО ПГ ЭНДО ( ПГ ЭНДО ПГ ЭНДО ) ДС ; АВС АВ АВ С ПГ ЭКЗО ПГ ЭКЗО ( ПГ ЭКЗО ПГ ЭКЗО ) ДС . 4. Определение уровня активностей ферментов для 2-часовой биообработки смесовой ровницы из четырех и большего количества волокнистых составляющих. Расчет осуществляется по аналогии с этапом 3 и предполагает последовательную 164 корректировку показателей активности с учетом ранее определенных значений для смески А…n и доли вложения добавляемой компоненты n+1 (Дn+1, ед.): ПЭ А... n 1 ПЭ А... n ( ПЭ А... n ПЭ n 1 ) Д n 1 ; A... n 1 A... n A... n n 1 ПГ ЭНДО ПГ ЭНДО ( ПГ ЭНДО ПГ ЭНДО ) Д n 1 ; A... n 1 A ... n A... n n 1 ПГ ЭКЗО ПГ ЭКЗО ( ПГ ЭКЗО ПГ ЭКЗО ) Д n 1 . Рекомендуемые варианты волокнистых смесок из анализируемых видов льняного сырья и рассчитанные с применением разработанного подхода параметры их биомодификации приведены в табл. 3.11. Таблица 3.11. Оптимизированный уровень каталитических свойств ферментных препаратов для переработки смесовых волокнистых материалов Волокнистые компоненты Обозначение активности ферментов В А C 1 2 3 4 Уровень активности (ед./мл) компонентов биопрепарата для переработки смесовых материалов в следующих процентных соотношениях 90:10 80:20 70:30 60:40 50:50 5 6 7 8 9 2,54 12,7 0,20 2,68 14,0 0,23 2,47 22,6 0,28 2,96 13,6 0,21 3,10 14,9 0,24 1,28 7,9 0,14 0,98 10,8 0,23 1,40 22,0 0,32 2,72 14,7 0,23 2,84 15,8 0,26 2,66 23,2 0,30 3,28 15,9 0,25 3,40 17,0 0,27 1,34 9,5 0,16 0,94 13,3 0,27 1,30 22,9 0,35 2,90 16,7 0,27 3,00 17,6 0,28 2,85 23,8 0,32 3,60 18,3 0,28 3,70 19,1 0,30 1,40 11,1 0,17 0,90 15,9 0,31 1,20 23,9 0,38 Двухкомпонентные 1 7 - 2 7 - 4 7 - 1 8 - 2 8 - 6 3 - 6 5 - 3 5 - ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО 2,18 8,7 0,14 2,36 10,3 0,18 2,09 21,4 0,24 2,32 9,0 0,14 2,50 10,6 0,18 1,16 4,7 0,11 1,06 5,7 0,14 1,60 20,1 0,27 2,36 10,7 0,17 2,52 12,1 0,20 2,28 22,0 0,26 2,64 11,3 0,18 2,80 12,8 0,21 1,22 6,3 0,13 1,02 8,2 0,18 1,50 21,0 0,30 165 1 2 3 1 4 - 2 4 - 3 4 - 4 ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО 5 1,99 8,1 0,12 2,17 9,7 0,155 1,72 19,3 0,238 6 1,98 9,5 0,13 2,14 11,0 0,16 1,74 19,4 0,236 7 1,97 10,9 0,14 2,11 12,2 0,17 1,76 19,6 0,234 8 1,96 12,3 0,15 2,08 13,4 0,18 1,78 19,8 0,232 9 1,95 13,8 0,16 2,05 14,7 0,185 1,80 20,0 0,23 2,48 11,7 0,19 2,38 16,0 0,23 2,35 15,1 0,20 2,77 12,4 0,20 2,74 16,7 0,23 1,12 14,1 0,25 1,47 11,8 0,16 2,51 12,1 0,95 2,41 17,8 0,24 2,38 17,1 0,22 2,84 12,8 0,21 2,81 18,5 0,25 1,11 17,1 0,30 1,56 14,0 0,18 2,5 12,2 0,20 2,45 19,2 0,25 2,4 18,7 0,24 2,95 13,0 0,22 2,93 20,0 0,27 1,10 19,9 0,35 1,65 16,0 0,20 Трехкомпонентные 2-7 1 2-7 4 1-7 4 2-8 1 2-8 4 6-3 5 6-3 4 ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО 2,32 10,0 0,17 2,31 11,4 0,18 2,15 9,9 0,15 2,45 10,2 0,17 2,44 11,6 0,18 1,16 7,1 0,15 1,23 6,31 0,12 2,42 11,0 0,18 2,35 13,9 0,21 2,27 12,7 0,18 2,64 11,5 0,19 2,62 14,4 0,21 1,14 10,8 0,20 1,35 9,2 0,14 Применимость методики проверена на результатах исследований, представленных на рис. 3.11. Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных зависимостей достоверно подтверждает высокую работоспособность предложенного подхода к оптимизации состава полиферментных композиций для обработки смесовой льняной ровницы. Нетрудно видеть, что в рекомендуемых условиях биомодификации смесовых полуфабрикатов выход на уровень ПОСТ = 1 масс.% по экспериментальной кривой достигается при расчетной длительности операции 2 ч. Отклонения между экспериментальными и расчетными данными не превышают 3%. 166 Активность препарата (ед./мл): ПГЭНДО = 22,6; ПЭ = 2,47; ПГЭКЗО= 0,28. 7 7 ПОСТ , масс.% 6 6 5 5 4 4 3 3 2 Активность препарата (ед./мл): ПГЭНДО = 23,75; ПЭ = 2,85; ПГЭКЗО = 0,32. 2 расчетная 1 ПОСТ , масс.% расчетная 1 экспериментальная экспериментальная 0 0 0 0,5 1 1,5 2 время, ч а) 5 ПОСТ, масс.% 4 0,5 1 1,5 2 время, ч б) Активность препарата (ед./мл): ПГЭНДО = 12,2; ПЭ = 2,11; ПГЭКЗО = 1,25. 3 2 расчетная 1 0 Рис. 3.11. Кинетика деструкции полиуронидов льняного волокна, содержащихся в двухкомпонентных смесках образцов 7 и 4 (а, б), 4 и 2 (в) в следующих соотношениях: а – 30:70; б – 50:50; в – 30:70. экспериментальная 0 0 0,5 1 1,5 2 время, ч в) Реализация предлагаемого подхода к обоснованию рекомендаций по получению наиболее рациональных смесовых волокнистых композиций и условий их переработки, базирующегося на разработанной кинетической модели ферментативной деструкции пектиновых веществ, обеспечивает расширение возможностей для увеличения доли использования трудноперерабатываемого сырья в текстильном льняном производстве и позволяет с высокой прогностической способностью осуществлять корректировку рецептуры раствора применяемого полиферментного препарата. 167 Обобщая результаты третьей главы диссертационной работы, можно резюмировать решение ряда научно-технических задач, определенных в разработанной концепции совершенствования биохимических технологий переработки льняных волокнистых материалов: 1. Экспериментально подтверждено наличие взаимосвязи между важнейшими технологическими свойствами льняной пряжи и удельным содержанием в волокне полимерных спутников льняной целлюлозы. На основании полученных регрессионных моделей, описывающих изменение линейной плотности, гибкости и удельной разрывной нагрузки пряжи, выявлены диапазоны оптимальных значений остаточного содержания примесей в подготовленном к прядению льняном волокне (масс.%): пектин - 0,35…0,45; лигнин - 2,0…2,5; гемицеллюлозы - 7,0…8,0. 2. В модельных экспериментах подготовки ровницы из мягкого, средней мягкости и грубого льноволокна по ферментативно-пероксидному способу дифференцирован вклад стадий био- и окислительной обработки в эффективность деструкции полимеров и рекомендованы уровни остаточного содержания примесей после биомодификации (масс.%): пектин - 1,0 0,1; лигнин - 3,9 0,3; гемицеллюлозы - 11,0 1,0. 3. Решение основной технологической задачи биомодификации льняного волокна при подготовке к прядению, предусматривающей дозированное расщепление компонентов углеводно-белкового комплекса связующих веществ в инкрустах и межклетных структурных образованиях, обеспечивает воздействие ферментов пектолитического мультиэнзимного комплекса в сочетании с протеолитической поддержкой. В качестве параметров, регулирующих результативность действия биопрепаратов, используются величины контролируемой каталитической активности полиферментных систем. Рекомендуемые уровни активности ферментов в технологическом растворе в зависимости от полимерного состава суровья составляют (ед./мл): ПЭ – 0,8…4,7; ПГЭНДО – 20…25; ПГЭКЗО – 0,2…0,4; ПрА – 0,2…0,3. 4. Разработаны методологические подходы к оценке влияния химического строения пектинов льняного волокна на их деструкцию ферментами пектолитического МЭК. Впервые выявлена отличительная особенность отечественного льняного сырья, связанная с высокой степенью метоксилирования пектиновых 168 веществ, в 1,6…1,8 раза превышающей уровень показателя для импортируемых из Европы волокнистых материалов, и значительное содержание кальцийпектатной формы мономерных галактуронатных звеньев, препятствующих ферментативной деструкции полимера. 5. На примере получения стланцевого и моченцового волокна из семи селекционных сортов льна-долгунца проведены экспериментальная оценка и математическое описание деструкции пектиновых веществ с учетом содержания в цепи главных валентностей мономерных звеньев в некомплементарных формах для воздействия ферментов почвенной микрофлоры, либо бактерий мочильной жидкости. Научное и технологическое значение выявленных закономерностей заключается в создании механизмов научного прогнозирования и регулирования свойств волокнистых материалов, начиная с предыстории их получения, и методической базы для выбора способа и оптимизация условий первичной обработки растительного сырья по данным химического строения пектиновых веществ в лубяной части льняного стебля. 6. На базе широкомасштабных экспериментальных исследований и обработки результатов методами регрессионного анализа разработано математическое описание закономерностей ферментативного гидролиза пектиновых веществ с учетом их химического строения. Математическая модель описывает деструкцию пектинов, дифференцируя индивидуальных вклад ферментов пектолитического МЭК и синергизм в действии эндо- и экзогенных полигалактуроназ с возможностью корректировки их каталитической способности по данным степени метоксилирования и содержания кальций-пектатной формы мономерных звеньев. 7. Закономерности ферментативной деструкции полиуронидов положены в основу разработанной кинетической модели расщепления пектиновых примесей льняного волокна, позволяющей рассчитать длительность процесса биомодификации для выхода на оптимальный уровень их остаточного содержания, работоспособность которой проверена на широком ассортименте волокнистого сырья, перерабатываемого на предприятиях «Вологодский текстиль» и «Яковлевская мануфактура». 8. Разработан подход к оптимизации состава полиферментных композиций для подготовки смесовой льняной ровницы с учетом доли вложения высоко- и низкономерного волокнистого сырья, содержания в них пектина и его химического строения. 169 Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ПРОДУКТОВ ФЕРМЕНТАТИВНОГО РАСЩЕПЛЕНИЯ ПОЛИУГЛЕВОДОВ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЦЕЛЕВЫХ РЕАКЦИЯХ МОДИФИКАЦИИ ЛЬНЯНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ Одной из ключевых научно-исследовательских задач развития биохимических технологий переработки льняных волокнистых материалов и полуфабрикатов текстильного производства является решение проблемы их делигнификации без использования экологически опасных хлорсодержащих окислителей. Как отмечалось в разделе 2.3, практическая реализация осуществляющихся в природе процессов биодеградации лигнина с участием ферментов оксидоредуктаз не возможна в связи с отсутствием как отечественного, так и зарубежного промышленного выпуска необходимых сложных по составу полиферментных препаратов. Основным концептуальным положением развиваемого автором подхода к совершенствованию технологий переработки лубоволокнистого сырья с высокой степенью огрубления является решение задач избирательного разрушения лигнина с вычленением роли различных его образований в структуре лубяного пучка, продольное сечение которого схематично изображено на рис. 4.1. При подготовке льняного волокна к прядению необходимо разрушить лигнин в одревеснелых меж- 2 клетниках (1), который препятствует эффективному дроблению волокна. При этом нерационально подвергать деструкции лигнин в клеточной стенке эле- 1 3 ментарных волокон (2), а также нельзя разрушать стыковые лигниновые спайки (3), обеспечивающие продольное скрепление элементарных волокон, поскольку вместо дробления пучка на более тонкие комплексы это приведет к уменьшению их длины. Химические методы переработки технического льняного волокна не позволяют осуществлять Рис.4.1. Дислокация образований лигнина в структуре комплексного льняного волокна избирательную деструкцию лигнина в зоне одревеснелых межклетников с сохранением наноразмерных образований полимера в стыковых спайках и в клеточной стенке элементарного волокна. 170 Решение поставленных задач пространственно локализованной деструкции лигнина в одревеснелых межклетниках без повреждения лигниновых стыковых спаек между элементарными волокнами становится возможным с применением биохимических технологий. Данная глава посвящена поиску вариантов обеспечения комплексного извлечения полимерных компонентов в структурных образованиях льняного волокна, которые основаны на осуществлении целенаправленного расщепления полисахаридных спутников целлюлозы и генерации эффективно действующих редуцирующих агентов, обеспечивающих протекание редокс- превращений в макромолекулах лигнина, частичную его деполимеризацию и ускорение окислительной деструкции при последующей пероксидной обработке. 4.1. Изучение закономерностей проявления редуцирующей способности растворов альдоз Учитывая данные раздела 1.1, следует отметить, что состав полиуглеводных примесей льняного волокна (гемицеллюлозы и пектиновые вещества) и гетерополимерный характер их химического строения предопределяют богатейший набор получаемых моносахаридов, которые могут генерироваться в ходе деструкции полимеров при реализации процессов переработки льняных волокнистых материалов. При этом разнообразие низкомолекулярных углеводов, как и полисахаридов в целом, обусловлено наличием особенностей в их стереоизомерном строении, сохраняющихся не только в кристаллическом, но и в сольватированном состоянии. В многочисленных работах отечественных и зарубежных ученых приводятся сведения о закономерностях стереохимического поведения маноз, сольватации и специфике проявления термодинамических и термохимических свойств растворов представителей в группах гексоз и пентоз с различной пространственной ориентацией гидроксилов в пиранозной форме молекул [246-250]. Это определяет различия показателей физических и физико-химических свойств растворов моносахаридов, их реакционной способности и биохимической активности, которые, в свою очередь, обусловлены таутомерным переходом данного класса соединений из циклической конфигурации в оксоформу, содержащую альдегидную или кетонную 171 группировку. Вместе с тем, до сих пор в отечественной и зарубежной периодике отсутствуют систематизированные сведения об уровне редуцирующей способности сахаров во взаимосвязи с пространственной конфигурацией циклической формы молекулы и присутствия в ее составе замещающих группировок. Для решения поставленной задачи проведен комплекс исследований по установлению закономерностей проявления восстановительных свойств растворов полиоксиальдегидов с учетом основных отличий их стереоизомерного и химического строения. В качестве объектов исследования выбраны моносахара, являющиеся основными мономерными единицами пектиновых веществ и гемицеллюлозных соединений льняного волокна. В частности использованы химически чистые препараты глюкозы (Glc), маннозы (Man), галактозы (Gal), ксилозы (Xyl) и галактуроновой кислоты (GA), конформационное строение доминирующей аномерной формы которых представлено на схеме: H 4 CH2OH HO HO HO H OH 1 2 H OH H Glс H СH2OH O HO HO CH2OH O H OH 4 4 OH 1 H HO 1 2 2 HO H H H HO H OH H H H Man Gal HO H 4 H HO H HO 1 H 2 OH H OH HO COOH O H H 4 H Xyl H 2 OH HO H 1 OH GA Потенциометрический анализ растворов альдоз проведен в аэробных условиях, либо в атмосфере азота, моделирующей реальные режимы обработки волокнистого материала в бескислородной среде. Проведение экспериментов в воздушной среде, на наш взгляд, также имеет значение в прикладном аспекте, поскольку это в большей мере соответствует естественным условиям протекания процессов с участием углеводов и позволяет обеспечить замедление их конформационных преобразований за счет частичного вывода из системы оксоформы моносахаридов и ингибирования обратных реакций циклизации. Закономерности проявления редуцирующей способности альдоз опубликованы в работах [251-253]. С учетом сведений о таутомерных переходах полиоксиальдегидов восстановительные свойства объектов определяли после установления в анализируемой системе равновесного состояния. Длительность выдержки растворов перед потенциометрическим замером определяли эмпирически. Результаты представлены на рис. 4.2. 172 - ОВПmax, мВ 5* 4* 3* 900 800 500 2* 1* 5 4 3 2 400 1 700 600 300 200 , мин 100 5 10 15 20 25 30 35 Рис. 4.2. Кинетика регистрации восстановительного потенциала (ОВП) в растворах моносахаридов (5,6 ммоль/л; рН 11) при 98оС в анаэробных (1*5*) и аэробных (15) условиях: 1, 1* Glc; 2, 2* Man; 3, 3* Gal; 4, 4* GA; 5, 5* Xyl. Совокупность данных иллюстрирует динамику нарастания редуцирующей способности растворов с одинаковой исходной концентрацией моносахаридов (восстанавливающих сахаров) СВС = 5,6 ммоль/л при температуре 98оС в бескислородной и воздушной средах. На кинетических кривых в анаэробных условиях для каждого вида полиоксиальдегидов регистрируются разные начальные уровни восстановительного потенциала с дальнейшим его увеличением до определенного равновесного значения. При этом темп прироста и конечный уровень показателя для исследуемых видов моноз также различны, что свидетельствует о возможности проведения объективной сопоставительной оценки влияния пространственного строения пиранозных циклов на свойства растворов без существенного проявления конформационных превращений в процессе 20…30-минутного эксперимента. Анализ стационарных участков кинетических кривых свидетельствует, что скорость образования редуцирующих агентов в растворе Glc минимальна и обеспечивает прирост потенциала на 40 мВ/мин. Для растворов Man, Gal, GA и 173 Xyl темп роста составляет соответственно 47, 55, 60 и 62 мВ/мин. Максимальный уровень равновесного показателя (ОВП) зарегистрирован при исследовании растворов Xyl и составляет 9455 мВ, что в 1,4 раза выше величины для раствора Glc, характеризующегося наименьшими редуцирующими свойствами. Данные изменения показателя (ОВП) растворов в аэробных условиях, также представленные на рис. 4.2, демонстрируют остаточный уровень восстановительных свойств системы в результате взаимодействия образующихся редуцирующих форм с молекулярным кислородом, изначально растворенным в жидкости и дополнительно поглощаемым из воздуха по мере его расходования. В общем виде процесс окисления описывается схемой : HOH 2C HOH 2C O CHOH n альдозы O2 O CHOH n C OH гликоновые кислоты C n=0-4 H O2 HOOC O CHOH n C OH гликаровые кислоты n=0-4 Начальный участок кривых имеет сходный характер с соответствующими графиками для анаэробных условий, но проходит на более низком уровне. При этом вместо выхода на квазиравновесное состояние наблюдается снижение восстановительных свойств, обусловленное реакцией с поглощаемым атмосферным кислородом. В этом случае сопоставление свойств растворов целесообразно осуществлять по величине потенциала на пике экстремума (ОВПmax). Проведение экспериментов в аэробных условиях и сопоставление регистрируемого значения (ОВПmax) с соответствующей временной точкой на кинетической кривой для эксперимента в инертной газовой среде позволяет количественно оценить химическую активность компонентов системы по отношению к молекулярному кислороду. Как следует из полученных данных, амплитуда отклонений ОВП последовательно нарастает при переходе от Glc к Xyl с 189 до 242 мВ. Учитывая сведения о многообразии химических превращений в растворах сахаридов, зависящих от их концентрации, температуры и рН среды [255- 174 257], проведено поэтапное исследование влияния этих факторов на восстановительные свойства систем. На рис. 4.3 представлены концентрационные зависимости ОВПmax нейтральных растворов альдопиранозных соединений при 20оС в аэробных условиях. Положительные значения ОВП в данном случае обусловлены присутствием остаточного количества молекулярного кислорода после взаимодействия с оксоформой исследуемых видов альдоз. ОВПmax, мВ 350 300 1 250 2 200 3 150 4 100 5 50 СВС, ммоль/л 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Рис. 4.3. Концентрационная зависимость изменения ОВП нейтральных растворов моносахаридов при 20оС в аэробных условиях: 1 Glc; 2– Man; 3– Gal; 4GA; 5 Xyl. Полное связывание кислорода не обеспечивается в связи с низким уровнем равновесного содержания ациклической формы, которое для водных растворов глюкозы по данным [247] составляет при 98оС лишь 0,0026 %. В данных условиях растворы анализируемых моносахаридов достаточно стабильны и не претерпевают иных химических превращений. В связи с этим линейный характер зависимости ОВП от концентрации соединения в системе СВС объективно отражает содержание образовавшейся и окисленной ациклической формы моносахарида. Результаты исследования свидетельствуют, что анализируемые соединения характеризуются различной скоростью перехода пиранозного цикла в оксоформу и показатель ОВПmax чувствительно реагирует на варьирование а-/е-расположения 175 гидроксилов в эпимерных формах полиоксиальдегидов. Менее интенсивный переход в альдегидную форму зафиксирован для растворов Glc. При одинаковой концентрации (10 ммоль/л) растворов стереоизомеров Man и Gal величина ОВПmax соответственно в 1,25 и 1,6 раза ниже уровня, достигаемого при гидратации эпимера Glc с экваториальным расположением ОН-групп у атомов С2 и С4. Наблюдаемые различия при оценке состояния растворов эпимеров дают основания полагать, что повышенная активность Gal обусловлена меньшей стабильностью циклической формы молекулы. По-видимому, устойчивость пиранозных циклов определяется не только системой валентных связей в молекуле, но также совокупностью межчастичных взаимодействий, возникающих в процессе гидратации соединения. Полученные данные согласуются с литературными сведениями о снижении в ряду Glc Man Gal склонности к сохранению связей между их молекулами в водных растворах. В частности по данным [258], энтальпийные коэффициенты парного взаимодействия при 98оС для указанных соединений составляют соответственно 343, 207 и 133 Дж/моль. Очевидно, чередование а-/е-ориентации гидроксильных групп, характерное для эпимера Glc, является энергетически более выгодной формой пиранозного цикла для связи с соседними молекулами, а его нарушение в молекулах Man и, особенно, Gal стимулирует таутомерный переход в оксоформу. Стабильность циклической формы молекулы снижается в еще большей степени при замещении первичного гидроксила карбоксильной группировкой в молекуле GA, а также при переходе к альдопентапиранозной форме Xyl, которая лишена высокоактивного первичного гидроксила. Величина ОВПmax на уровне 150 мВ достигается при концентрации GA и Xyl соответственно в 2,7 и 3,6 раза меньшей по сравнению с растворами Glc. Равновесие между пиранозной и альдегидной формами моносахаридов может быть смещено при повышении температуры растворов. Представленная на рис. 4.4а температурная зависимость изменения восстановительного потенциала нейтральных растворов сахаридов свидетельствует, что в аэробных условиях ана- 176 лизируемые системы выходят на полное связывание растворенного кислорода (ОВП = 0 мВ) при различных температурных параметрах и характер роста показателя (ОВПmax) согласуется с тенденциями, выявленными в концентрационном эксперименте. Учитывая сведения, что в отличие от щелочных сред в нейтральных растворах моносахариды относительно устойчивы к процессам внутримолекулярного распада [246, 259], можно полагать о температурно-активируемом смещении таутомерного равновесия в сторону ациклических форм, как о единственной причине повышения восстановительных свойств системы. -ОВПmax, мВ 700 400 5 4 300 3 500 500 200 2 100 1 -ОВПmax, мВ 5 4 3 2 600 1 400 300 0 200 100 -100 0 -200 -100 -300 о T, С 20 30 40 50 60 70 80 90 100 о T, С -200 20 30 40 50 60 70 80 90 100 а) б) Рис. 4.4. Температурные зависимости ОВП нейтральных растворов (а) и щелочных растворов (б) моносахаридов в аэробных условиях (СВС = 5,6 ммоль/л): 1 Glc; 2 Man; 3 – Gal; 4 – GA; 5 – Xyl. Повышение щелочности растворов до рН 11,0 существенно изменяет характер температурной зависимости редуцирующей способности растворов. Как следует из данных рис. 4.4б, температурные изменения показателя (ОВПmax) имеют немонотонный характер и на графиках можно выделить два участка с различной динамикой нарастания восстановительных свойств. Первый из них в температурном интервале до 40…60оС определяется увеличением равновесного содержания в растворе свободной альдегидной формы сахаров. 177 Резкое изменение редуцирующих свойств систем на втором участке (нагрев растворов выше 60…80оС), по-видимому, связан с протеканием термоинициируемых превращений исходных моносахаридов в более активные редуцирующие соединения. В частности, согласно литературным данным [259, 260], моносахариды в щелочной среде подвергаются реакции ретроальдольного расщепления с разрывом С-С связи и образованием смеси продуктов с меньшей длиной углеродной цепи: O O HO CH2OH O OH H OHH H OH HO H H HOH 2C HOH 2C O CHOH 4 C o T C, pH CH2O CH2O C альдететроза ; H HOH 2C ; C H гликолевый альдегид O H HOH 2C CH2O C ; H HOH 2C C O CH 2OH O ; HC H глицериновый альдегид диоксиацетон формальдегид Это сопровождается увеличением количества редуцирующих группировок в системе. Поскольку таким превращениям подвергается ациклическая форма моносахарида, многостадийный процесс лимитирован фазой таутомерного перехода, что в конечном итоге обусловливает наблюдаемые различия достигаемого уровня (ОВПmax), сокращающиеся по мере повышения температуры раствора. Графическая интерпретация нарастания восстановительных свойств систем с ростом температуры в диапазоне 20…98оС в полулогарифмических координатах, представленная на рис. 4.5, позволяет наиболее наглядно обосновать различия в поведении систем в нейтральной (рН 6,5) и щелочной (рН 11) средах. На графиках величина относительной редуцирующей способности свойств растворов моносахаридов (Red) выражена величиной прироста восстановительного потенциала относительно базового уровня показателя для водного бидистиллята: ΔRed ОВПmax ОВПН О . 2 Удовлетворительная аппроксимация результатов рис. 4.4 линейными зависимостями подтверждает обоснованность предположения, что изменения потенциала нейтральных растворов обусловлены элементарным актом таутомерного превращения пиранозной формы и отношение величины Red для двух 178 7,0 ln DRed 7,0 ln DRed 6,5 6,5 6,0 6,0 5,5 5,5 5 4 3 2 5,0 4,5 5 4 5,0 3 4,5 2 4,0 3 1 -1 4,0 3 (1/T)10 , K 3,5 2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 -1 1 (1/T)10 , K 2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 а) б) Рис. 4.5. Температурные зависимости относительной редуцирующей способности нейтральных (а) и щелочных (б) растворов моносахаридов в бескислородной среде: 1 Glc; 2 Man; 3 – Gal; 4 – GA; 5 – Xyl. значений температуры пропорционально отношению констант скорости образования оксоформы. При этом возможно использование уравнения Аррениуса для сопоставления энергии активации таутомерных превращений исследуемых соединений. Значения энергетического барьера приведены в табл. 4.1. Таблица 4.1. Энергия активации процессов генерации редуцирующих агентов в растворах моносахаридов в результате образования оксоформы молекул при рН 6,5 (Е1) и рН 11 (Е2), ретроальдольного распада моноз в щелочной среде (Е3) и температурный порог его инициирования (ТР) Монозы Glc Man Gal GA Xyl Е1, кДж/моль 24,7 19,8 18,9 18,4 17,9 Е2, кДж/моль 22,0 17,8 15,8 14,9 14,5 Е3, кДж/моль 45,7 45,1 45,5 45,0 45,7 ТР,оС 60,3 55,8 51,1 47,5 44,5 Как видно, энергетический барьер разрыва пиранозного цикла в нейтральной среде Е1 снижается в ряду Glc Xyl в 1,4 раза. Ионизация гидроксилов в щелочной среде ослабляет устойчивость циклов, что отражается в уменьшении значений Е2 в 1,1…1,2 раза, при этом различие между крайними позициями показателей возрастает до 1,5 раза. Величины приведенной энергии 179 активации ретроальдольного распада моноз Е3 в 2…3 раза выше уровня энергетического барьера дециклизации сахаров. При этом одинаковое значение Е3 для всех исследуемых систем вполне закономерно обусловлено отсутствием принципиальных отличий в состоянии ациклических форм соединений для протекания данного вида превращений. Вместе с тем определяемый по точке перегиба графиков на рис. 4.4б температурный порог ретроальдольного распада моноз снижается при переходе от Glc к Xyl более чем на 15оС, а последовательный характер осуществления процессов проявляет свое влияние и в различии равновесного значения ОВП систем (см. рис. 4.4). Способность моносахаридов к участию в редокс-взаимодействиях оценена на примере такого сильного окислителя как молекулярный кислород. Наряду с вышеуказанными результатами изменения ОВП растворов маноз в аэробных условиях (см. рис. 4.2) полярографическим методом оценены кинетические параметры кислородного окисления сопоставляемых стереоизомерных форм моносахаридов в щелочных растворах. Установлено, что реакция имеет первый порядок по обоим реагентам и скорость реакции описывается уравнением: WRedox= kCKCВС. Значения константы скорости реакции представлены в табл. 4.2. Таблица 4.2. Кинетические характеристики химической реакции веществ с кислородом в водно-щелочных растворах (рН 12,5) при 80оС Константа скорости реакции, k102, лмоль1мин1 бисульфит натрия Glс H Na-O S O CH2OH H HO H HO H-O H 1,620,08 O 1 OH OH H 0,490,05 Man Gal GA Xyl H СH2OHO OH OH 4 H 2 HO H H HO H HO CH2OHO H 4 OH H H 2 OH HO H H HO COOH O H 4 H H H 2 OH HO OH H HO H O H OH 4 H 2 H OHH HO H 0,540,09 0,940,09 1,640,09 2,100,09 *) автор благодарит д.х.н., проф. Ю.В. Поленова за помощь в проведении измерений. Полученные данные удовлетворительно коррелируют с данными потенциометрических исследований растворов моносахаридов. Их реакционная способность возрастает в ряду: Glc < Man < Gal< GA < Xyl. Как показано в работах 180 о [261-263], при температурах щелочных растворов выше 90 С реакция растворенного кислорода быстротечна даже при введении Glc, характеризующейся наименьшим уровнем активности, и по истечении 5…10 мин окислитель в объеме раствора отсутствует, а дальнейшее взаимодействие определяется кинетикой межфазного переноса кислорода из атмосферы. Это позволило разработать эффективные методы защиты целлюлозных материалов от окислительной деструкции в условиях щелочной отварки. Вместе с тем высокий уровень восстановительного потенциала растворов полиоксиальдегидов, достигающего значений минус 900 мВ и более (см. рис. 4.2), позволяет ожидать их активности и в отношении менее реакционноспособных соединений, в том числе полифенольных окрашенных соединений льняного волокна и макромолекул лигнина. Разработке научно-технологических основ использования продуктов ферментативной деструкции полисахаридов в качестве вторичных реагентов для инициирования химических превращений лигнина посвящены материалы следующего раздела главы. 181 4.2. Исследование химических превращений лигнина в щелочных растворах полиоксиальдегидов Учитывая то обстоятельство, что расщепление хромофорных структур лигнина под действием пероксида водорода осуществляется только в фенилпропановых звеньях, находящихся в свободной фенольной форме, в качестве ключевой научно-исследовательской задачи биомодификации волокнистого материала, предшествующей окислительной обработке, можно определить поиск условий, способствующих протеканию процессов деполимеризации с разрывом простых эфирных связей между фенилпропановыми единицами лигнина. Вскрытые в разделе 4.1 закономерности проявления восстановительной способности растворов альдоз, различающихся стереомерным состоянием, послужили основанием для экспериментальной оценки химических превращений препаратов лигнина в модельных условиях под действием анализируемых моносахаров. Результаты этого направления исследований отражены в публикациях [108, 173, 234, 264]. Согласующиеся и взаимодополняющие сведения об изменении химического состояния полимера получены с использованием трех независимых физико-химических характеристик. Восстановление карбонильных группировок оценено методом дифференциальной УФ-спектроскопии щелочных воднодиоксановых растворов лигнина. Влияние обработки в растворе сахаров на изменение его химической активности в реакции сульфитирования определено по изменению массовой доли фракции полимера, устойчивого к воздействию 78%ной серной кислоты (лигнин Класона). Реакционная способность модифицированного полимера в отношении пероксида водорода сопоставлена по остаточному содержанию в волокне лигнина, растворимого в диоксане, что характеризует итоговый эффект делигнификации волокнистого материала в результате совокупности редуцирующей и окислительной обработок. В первом случае в качестве объекта исследования использован диоксановый экстракт лигнина из древесных опилков ели обыкновенной (Picea excelsa). 182 Метод подготовки образцов описан в подразделе П1.5.5 приложения 1. Концентрацию диоксанлигнина подбирали с учетом пропускающей способности его раствора в условиях спектрофотометрического анализа. Редокс-превращения полимера, проведенные в растворах наиболее реакционноспособных восстанавливающих сахаров Gal, GA и Xуl с эквимолекулярной концентрацией 10 ммоль/л в течение 60 мин при 80оС, сопоставлены с воздействием борогидрида натрия NaBH . 4 Оценка химических превращений лигнина проведена на спектрофотометре Cary 100 Scan с использованием метода дифференциальной УФ-спектроскопии, основанного на сопоставительной оценке спектральных различий щелочных (рН 10) водных растворов диоксанлигнина относительно нейтральных растворов (рН 6), находящихся в кювете сравнения [72]. В отличие от спектрограмм лигнина, снимаемых по отношению к растворителю и имеющих один максимум поглощения при длине волны 280 нм, используемый подход позволяет дифференцировать поглощение фенилпропановых звеньев полимера, находящихся в свободной фенольной форме ионизированной в щелочной среде. Трансформация спектра исходного щелочного лигнина после обработки полимера растворами восстановителей разной природы представлена на рис. 4.6. 1,0 DD 0,9 0,8 0,7 0,6 5 4 0,5 0,4 3 2 0,3 0,2 1 III I II 0,1 0,0 240 , нм 260 280 300 320 340 360 380 Рис. 4.6. Изменения дифференциального УФ-спектра щелочного раствора лигнина (1) после его обработки растворами моносахаридов Gal (2), GA (3), Xуl (4) и восстановителем NaBH (5) 4 183 Получаемая спектрограмма имеет три максимума при длине волны 350, 300 и 250 нм, которые характеризуют поглощение структурными фенольными единицами соответственно в форме (I), содержащей ауксохромную карбонильную группу, а также звеньями, находящимися в форме кони- ферилового (II) и n-кумарового (III) спиртов: L O L CH2OH CH C CH2OH CH O O HCOH R O- O- (R = H; OCH3) I II OCH3 L O CH2OH CH HCOH O- III Результаты обработки спектральных данных приведены в табл. П2.8 приложения 2. Анализ результатов показал, что воздействие борогидрида приводит к снижению в 5,1 раза интенсивности максимума поглощения карбонилсодержащих фенилпропановых звеньев I при 350 нм относительно значений для исходного щелочного лигнина. Это согласуется с литературными данными о протекании реакции восстановления карбонильных групп полимера гидридами металлов [62]. Карбонильную группу отличает значительная поляризуемость электронного облака кратной связи, и это обеспечивает ее повышенную химическую активность в нуклеофильных взаимодействиях, в частности в реакции восстановления с борогидридом натрия, которая является типичным примером нуклеофильного присоединения. В общем виде процесс восстановления карбонильной группы под воздействием NaBH4 иллюстрирует схема: C CH O H-BH 3 OBH 3 HOH CH OH + HOBH 3 - - Превращение начинается присоединением гидрид-иона к углероду карбонильной группы, а атома бора к кислороду с последующим гидролизом промежуточного борсодержащего комплекса [62]. На большом числе модельных соединений показано [265], что восстановление сопряженных -СОгрупп всегда приводит к уменьшению и исчезновению максимумов поглощения в длинноволновой области УФ-спектра при длине волны 350 нм. Схожие изменения спектральных кривых наблюдаются в присутствии моносахаридов, которые в щелочной среде подвергаются реакции ретроальдольного распада [260]. Образующиеся продукты обеспечивают достижение различного 184 уровня восстановительного потенциала (ОВП): 848, 918 и 945 мВ соответственно для растворов Gal, GA и Xуl. Пропорционально нарастанию редуцирующей способности систем в ряду Gal GA Xуl увеличивается и амплитуда снижения поглощения при 350 нм. Максимальное (в 2,85 раза) уменьшение интенсивности поглощения происходит при введении в систему Xyl. Аналогии в изменении спектра под действием исследуемых редуцирующих систем и борогидрида натрия позволяют предполагать об однотипном характере превращений карбонильной группировки, протекающих по механизму нуклеофильного присоединения и в присутствии полиоксиальдегидов: C O O O H C-R CH O C-R HOH CH OH + O C-R HO Значимость таких превращений в изменении состояния лигнина обусловлена присутствием карбонильных группировок в 20 % фенилпропановых звеньев, являющихся структурными фрагментами полимера. Причем вполне закономерно предполагать, что восстановлению подвергаются карбонильные группировки не только в регистрируемых с помощью применяемого метода концевых звеньях с незадействованным в валентных связях фенольным гидроксилом, но и в срединных структурных элементах макромолекул лигнина, а также карбонилы, находящиеся в -положении пропановых цепочек. Принципиальное значение имеет экспериментально подтвержденный факт дестабилизирующего влияния редокс-превращений на прилегающую к карбонилу простую эфирную связь между фенилпропановыми фрагментами лигнина, что приводит к ее разрыву и обусловливает появление дополнительного количества звеньев в свободной фенольной форме: H 2COH OCH 3 HC O C OO H C-R H 3 CO L O H 2COH OCH 3 HC O O C O C R H H 3CO L O H 2COH HC OH HO-H HC OH + O C-R HO H 3CO L O OCH 3 HO Заключение об инициировании деполимеризации лигнина в результате воздействия редуцирующих агентов базируется на экспериментально зафиксирован- 185 ном повышении реакционной способности полимера в реакциях сульфитирования и пероксидного окисления, которые, как известно [62, 73], протекают только в звеньях, находящихся в свободной фенольной форме: C SO3H OН OCH 3 . - C SO3H ; OН L CH 2 OH L CH 2 OH L O CH O CH O HC OH OCH 3 HO 2 HC OH OCH 3 O O O CH 2OH CH HCOH COOH COOH На рис. 4.7 активирующее влияние на лигнин обработки в растворах индивидуальных альдоз и трехкомпонентной композиции, включающей высоко реакционноспособные мономеры галактозы, галактуроновой кислоты и ксилозы, сопоставлено с воздействием боргидрида натрия NaBH и гидроксиметилсульфината 4 натрия (GMS), являющегося активным компонентом препарата ронгалит. Исходная концентрация отдельных редуцирующих сахаров в растворе составила 5,6 ммоль/л. Содержание компонентов смеси Gal + GA + Xyl подобрано с учетом процентного соотношения соответствующих мономерных звеньев в макромолекулярной цепи полиуронидных примесей волокна, являющихся основным источником генерации редуцирующих систем в реальных условиях практического применения делигнифицирующих подходов. Концентрация вводимых в раствор моносахаридов составила для GA 5,60 ммоль/л; Xyl 1,12 ммоль/л; Gal 0,56 ммоль/л. Представленные на рис 4.7 результаты свидетельствуют о симбатности приращений для исследуемых систем в скорости спектрально регистрируемых редокспревращений лигнина относительно динамики их протекания в присутствии борогидрида (столбцы 1), в изменении реакционной способности модифицированного полимера по отношению к серной кислоте (2) и пероксиду водорода (3). Достигаемые за счет предварительной обработки растворами моносахаров эффекты снижения кислотостойкости полимера и уменьшения содержания лигнина Класона в 1,27…1,38 раза, а также ускорение в 1,43…1,69 раза деструкции хромофоров под действием пероксида водорода, относящегося к числу экологически чистых окислителей, является весьма существенным и технологически 186 1 100 % 90 % 80 % 70 % 40 % 3 3 3 3 1 3 60 % 50 % 1 1 1 1 3 2 2 2 2 2 GA X yl G a l+ G A +X yl GMS N aBH 4 2 30 % 20 % 10 % 0 % G al Рис. 4.7. Относительная скорость редокс-превращений (1) лигнина под действием восстановительных систем и влияние обработки на увеличение растворимости полимера в серной кислоте (2) и степени его извлечения из льняного волокна пероксидом водорода (3) значимым. Максимальный результат обеспечивает воздействие комбинированного раствора моносахаров, одновременная генерация которых возможна при ферментативной деструкции пектиновых веществ льняного волокна. Комбинированный вариант по совокупности показателей соответствует уровню обработки в растворе ронгалита, используемого в режиме восстановительной варки льняного волокна [48]. Таким образом, результаты данного раздела явились научным заделом для поиска рационального сочетания в полиферментной композиции пектиндеструктирующих ферментов, обеспечивающих необходимый эффект мацерации льняных комплексов в процессе подготовки волокна к прядению, и биокатализаторов осахаривающего действия, способных генерировать наиболее активные формы низкомолекулярных продуктов деструкции полиуглеводных примесей целлюлозы. Разработке научно-технологических основ построения биохимической подготовки высоколигнифицированных видов льняного сырья с использованием мацерационно-делигнифицирующих биопрепаратов посвящен следующий раздел работы. 187 4.3. Обоснование состава полиферментной композиции мацерационно-делигнифицирующего действия Логически объединяя результаты главы 3 и первых разделов главы 4, следует заметить, что в задачи ферментативной обработки на стадии мацерационной подготовки льняного волокна к прядению не входит обеспечение полноты конверсии удаляемых полимерных примесей, то есть их расщепление до низкомолекулярных продуктов. Их извлечение можно обеспечить, разрушив макромолекулы до олигомерных фрагментов, способных экстрагироваться из волокнистого материала под действием ПАВ в процессах промывки. В связи с этим в составе рекомендованной в разделе 3.1 полиферментной композиции предлагается относительно низкий уровень активности полигалактуроназ экзодействия – 0,2…0,4 ед./мл. Необходимость их присутствия в растворе обусловлена, главным образом, одной из основных форм проявления синергизма в действии эндо- и экзогенных деполимераз, связанной с предупреждением ингибирующего влияния олигомерных продуктов на активность эндоферментов, что обсуждается в разделе 2.1 (см. рис. 2.5). Экзодеполимеразы, проявляя высокую активность к олигомерным фракциям, должны лишь понижать их содержание, тем самым, уменьшая вероятность непродуктивного блокирования активных центров эндодеполимераз. В новом, развиваемом автором направлении использования ферментативного катализа при переработке волокнистых материалов экзогенным ферментам придаются дополнительные функции – генерация высокоактивных форм редуцирующих сахаров, способных инициировать протекание в структуре волокна целевых химических реакций, в первую очередь, превращений в макромолекулах лигнина. Как показано в разделе 4.2, такими продуктами являются галактуроновая кислота, галактоза и ксилоза. Указанные моносахариды в льняном волокне присутствуют в составе как специфических полимеров (полигалактуронидов, -Dгалактозидов и -D-ксилозидов), так и разнообразных гемицеллюлозных соединений смешанного строения. Принимая во внимание технологическую целесообразность сохранения содержания гемицеллюлоз после биомодификации на уровне 11 188 1 масс.%, следует отказаться от вариантов интенсивной их биодеструкции с использованием соответствующих видов эндодеполимераз. В тоже время присутствие в технологической композиции экзогенных ферментов вполне допустимо, поскольку, отщепляя моно- или димерные звенья от конца макромолекул, они несущественно влияют на степень полимеризации гемицеллюлозных соединений и их извлечение из волокна. Причем наиболее вероятно проявление их активности не к твердофазным субстратам в структуре волокна, а к мигрирующим в раствор остаткам инкрустов, потерявшим адгезионное скрепление в результате интенсивной деструкции полиуронидной клеящей компоненты углеводно-белкового комплекса. Вместе с тем исходный постулат развиваемого технологического направления предполагает, что основным источником указанных видов моносахаров могут являться подвергающиеся обязательному расщеплению полиуронидные соединения. Как было показано в разделе 1.1, пектины имеют гетерополимерное строение с наличием в основной цепи преимущественно мономеров галактуроновой кислоты, а в боковых ответвлениях у рамнозных остатков (Ram) цепочек из нейтральных сахаров, том числе звеньев ксилозы и галактозы: Следовательно, усиление базовой мацерирующей полиферментной композиции дополнительным количеством экзополигалактуроназы, введением экзогалактозидазы и экзоксилозидазы может обеспечить глубокую конверсию извлекаемых из волокна полиуронидных соединений с образованием мономеров GA, Gal и Xyl. Экспериментальная оценка эффективности добавок осахаривающих энзимов проведена в сопоставлении с результатами воздействия на образцы ровницы средней мягкости (П0 = 4,1 масс.%) технологического раствора биопрепарата с 189 обоснованными в главе 3 показателями активности ферментов (ед./мл): ПЭ = 1,2; ПГЭНДО= 22,5; ПГЭКЗО= 0,25; ПрА = 0,2 (базовый состав). Введением в полиферментный состав гомогенных (высокоочищенных) препаратов соответствующего вида экзогенных ферментов либо повышали уровень активности ПГЭКЗО до 1,2 ед/мл, либо варьировали активность экзогалактозидазы или экзоксилозидазы в диапазонах соответственно ГАЛЭКЗО = 0,2…0,6 ед./мл или КСЭКЗО = 0,3…0,8 ед./мл. Ферментативную обработку ровницы осуществляли в течение 2 ч при оптимальных для проявления каталитических свойств всеми видами ферментов значения температуры 40оС и рН среды 6,5. Для уменьшения искажений, связанных с десорбцией олигомерных фракций расщепляемых примесей, и преимущественного перехода в раствор водорастворимых низкомолекулярных продуктов биомодификацию волокна проводили в отсутствии гидродинамических воздействий. Накопление в системах восстанавливающих сахаров, контролируемое спектрофотометрическим методом по интенсивности поглощения окрашенных комплексов моносахаридов с динитросалициловым реагентом (см. подраздел П1.3.2 приложения 1), демонстрирует рис. 4.8. Вполне объяснимо, что при индивидуальном сопоставлении влияния добавок экзодеполимераз к базовому составу мацерирующих ферментов наибольший прирост показателя СВС (до 7 раз) дает интенсификация расщепления олигомеров в цепи главных валентностей при увеличении активности ПГЭКЗО. В присутствии экзогалактозидазы или экзоксилозидазы содержание редуци- рующих сахаров повышается соответственно в 1,4…1,6 и в 1,7…2,3 раза относительно базового уровня. Примечательно, что во всех случаях фиксируется затухающий характер изменений, свидетельствующий о достижении максимальной для данного волокнистого материала полноты конверсии олигомеров пектина. При использовании комбинированных вариантов введения осахаривающих ферментов получены результаты, соответствующие аддитивному увеличению содержания низкомолекулярных продуктов ферментативной деструкции для 190 СВС, 9 ммоль/л 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ПГЭКЗО= 0,25 базовый состав 0,6 0,8 1,0 1,2 + ПГЭКЗО 0,2 0,4 0,6 + ГАЛЭКЗО 0,3 0,5 0,8 +КСЭКЗО ПГЭКЗО= 0,6 КСЭКЗО= 0,3 ГАЛЭКЗО= 0,2 активность осахаривающих ферментов, ед./мл ПГЭКЗО= 1,0 КСЭКЗО= 0,5 ГАЛЭКЗО= 0,4 Рис. 4.8. Влияние индивидуальных и комбинированных добавок экзогенных ферментов к базовому составу для биоподготовки к прядению льняного волокна средней мягкости на концентрацию генерируемых восстанавливающих сахаров отдельных видов экзодеполимераз. Максимальное увеличение СВС составило 8,6 раза. Вместе с тем уровень показателя при использовании препаратов моносахаридов в модельных экспериментах, анализируемых в разделах 4.1-4.2, достигается и в случае комбинированной добавки экзогенных биокатализаторов с показателями активности ПГЭКЗО = 0,6; ГАЛЭКЗО = 0,2 и КСЭКЗО = 0,3 ед./мл. Ниже представлены результаты анализа возможностей делигнификации льняного волокна для этого варианта повышения осахаривающей способности биопрепарата. При этом предполагается, что использование более высоких концентраций ферментов позволит при необходимости усилить эффект, например, для переработки грубых высоколигнифицированных сортов льняного волокна. Как показано в разделе 4.1, активации моносахаридов способствует повышение температуры и щелочности раствора. Если первый технологический фактор легко варьируется в процессе обработки ровницы, то введение щелочи в раствор полиферментной композиции губительно для пектолитических ферментов, которые сохраняют свое активное глобулярное строение в нейтральной и слабо кислой 191 средах. Компромиссный вариант дает использование бикарбоната натрия NaHCO3 в качестве потенциального щелочного агента. Экспериментально подтверждено, что бикарбонат может быть введен в раствор полиферментной композиции и его присутствие не ухудшает каталитических свойств пектолитических препаратов, поскольку, как показано на рис. 4.10, даже при нагревании до 40оС уровень рН не превышает 6,5 ед. рН Т,0С СNaHCO3= 20 г/л 12,0 100 11,5 90 11,0 10,5 80 10,0 9,5 70 9,0 60 8,5 8,0 50 7,5 Рис. 4.10. Контроль температуры и рН среды в процессе ферментативного расщепления примесей льняного волокна (стадия I) и тепловой активации системы (стадия II) 40 7,0 6,5 6,0 120 30 130 140 150 160 170 180 , мин Повышение температуры до 70оС способствует протеканию гидролиза соли с образованием гидроксида натрия, что обусловливает смещение водородного показателя в щелочную область: NaHСО3 + Н2О NaОН + СО2 Нагрев, равно как и изменение рН среды приводят к денатурации белковых катализаторов и прекращению проявления их каталитической способности. Важно, чтобы за предшествующий промежуток времени ферменты успели обеспечить расщепление углеводно-белкового комплекса связующих веществ в инкрустах и межклетных образованиях технического льняного волокна и накопление в системе достаточного количества низкомолекулярных продуктов. Таким образом, операция биомодификации волокнистого материала разбивается на две стадии: низкотемпературную для осуществления собственно биокатализируемых процессов (стадия I – 40…45оС) и высокотемпературную для активации продуктов биодеструкции и их использования в целевых химических реакциях (стадия II – 95…98оС). 192 На рис. 4.11 представлена динамика накопления восстанавливающих сахаров и изменения редуцирующих свойств систем на второй стадии ферментативной обработки льняного волокна модифицированной полиферментной композицией для трех концентраций NaHCO3 15, 20 и 25 г/л, а также для варианта воздействия базового мацерирующего состава ферментов с максимальной добавкой подщелачивающего агента. CRED, 18 ммоль/л 1000 16 2 1 14 12 3 ОВП, мВ 3 2 800 1 600 10 400 8 3* 6 3* 200 4 0 2 , мин 0 120 130 140 150 160 170 180 190 200 -200 120 , мин 130 140 150 160 170 180 190 200 а) б) Рис. 4.11. Изменение концентрации редуцирующих агентов (а) и величины ОВП (б) при тепловой активации продуктов биодеструкции примесей льняного волокна модифицированным биопрепаратом (1-3) и базовым мацерационным составом (3*): концентрация NaHCO3 (г/л): 1 15; 2 20; 3 и 3* 25 Нетрудно видеть, что изменения состояния системы начинаются еще в процессе нагрева системы, двадцатиминутная продолжительность которого моделирует реальные условия разогрева 6 тыс. л технологического раствора при обработке ровницы в аппаратах АКД. В полном соответствии с моментом изменения рН системы (см. рис. 4.10) инициируются реакции ретроальдольного распада ферментированных сахаров, что приводит к синхронному повышению концентрации редуцирующих агентов СRED и восстановительного потенциала системы (ОВП). При этом если щелочность раствора недостаточна (кр. 1) или исходное содержание сахаров невелико (кр. 3*) состояние системы стабилизируется на определенном уровне, что отражает отсутствие дальнейших превращений в связи с низкой редуцирующей способностью продуктов ретроальдольного распада. Вместе с тем, если 193 величина ОВП превышает 900 мВ, темп роста контролируемых показателей замедляется, что свидетельствует об одновременном протекании реакций образования редуцирующих агентов и их расходования. Максимально достигнутый прирост показателя СRED превышает 3,5 раза, что отражает наличие в составе исходных сахаров моно- и димерных соединений, а также многокомпонентность продуктов их распада. Достаточный уровень щелочности раствора создается при концентрации бикарбоната 20 г/л. Повышение до 25 г/л может быть целесообразным не столько для ускорения инициируемых превращений сахаров, что, безусловно, имеет место, а, прежде всего, для увеличения продолжительности их действия, например, в случае обработки высоколигнифицированного сырья, поскольку протяженность спадающих участков экспериментальных кривых на рис. 4.11 ограничивается достижением порогового значения восстановительного потенциала. В связи с этим для концентрации NaHCO3 20 г/л длительность высокотемпературной выдержки волокнистого материала составляет 30 мин. Определение эффективности протекающих в этих условиях редокспревращений и частичной деполимеризации лигнина проведено ранее используемыми методами оценки изменения его способности к участию в реакциях сульфитирования и пероксидного окисления. Полученные для экспериментального образца волокнистого материала («проба») результаты сопоставлены в табл. 4.4 с данными для вариантов обработки ровницы базовым составом мацерирующих ферментов («база») и ронгалитсодержащим варочным раствором («аналог»). Режимы восстановительной варки и пероксидной обработки указаны в приложении 1 (раздел П1.5.1). Представленные в таблице значения показателя лигнин Класона для образцов, подвергнутых воздействию восстановителей, следует рассматривать не в качестве характеристики общего содержания полимера в волокне (что использовалось нами ранее и применимо к характеристике образца «база»), а как эквивалент увеличения содержания в полимере структурных звеньев в свободной фенольной форме, подвергающейся сульфированию. В результате восстановления карбонильных групп содержание данного вида полимерных примесей в волокне 194 Таблица 4.4. Влияние обработки льняного волокна на повышение реакционной способности лигнина Относительное сниЛигнин Образец льняной –ОВП (мВ) жение интенсивности Класона, поглощения диоксанровницы при 98оС масс. % лигнина, , ед. «база» 328 4,1 1,12 «проба» 960 3,2 1,70 «аналог» 1030 2,9 1,79 Примечание: исходное содержание кислотонератворимого лигнина в волокне – 4,2 масс.%. измениться, очевидно, не может. Растворимость гидрофобным сетчатым структурам лигнина можно придать за счет деполимеризационного дробления их на фрагменты с высокой плотностью присоединения сульфогрупп. Данные табл. 4.4 наглядно демонстрируют, что базовый вариант мацерационной подготовки льняного волокна практически не изменяет содержание кислотостойких фракций лигнина. Максимальное снижение показателя лигнин Класона (в 1,45 раза) достигается в условиях восстановительной варки с использованием сильного серосодержащего восстановителя ронгалита, обеспечивающего в условиях эксперимента достижение уровня восстановительного потенциала системы более 1000 мВ. На этом фоне очень показателен результат использования продуктов ферментативной деструкции полиуглеводных примесей, которые в обычных случаях удаляются из волокна при промывке. В образце «проба» содержание кислотонерастворимого лигнина сокращается в 1,31 раза. Согласующиеся отклонения получены и в результатах оценки изменения способности лигнина к окислению пероксидом водорода, которая, как уже отмечалось, очень зависима от глубины предварительных деполимеризационных процессов. В табл. 4.4 эффективность деструкции хромоформых структур лигнина отражена приведенным показателем I280, который характеризует относительное снижение интенсивности поглощения при 280 нм диоксановых экстрактов лигнина из испытуемого волокна в сопоставлении с суровой ровницей. 195 В данном случае результат «базового» образца можно рассматривать как вычленение деполимеризующего вклада высокотемпературного подщелачивания в повышение склонности ароматических структур лигнина к окислению пероксидом водорода. В «пробе», подвергнутой пероксидной обработке, фракции диоксан-лигнина характеризуются снижением интенсивности поглощения ароматических хромофоров, в 6 раз превышающим фон «базового» образца и практически соизмеримым с результатом воздействия ронгалита. Оценка эффективности обработки волокнистого материала экспериментальной полиферментной композицией мацерационно-делигнифицирующего действия дополнена результатами измерения светлоты окраски ровницы L и степени белизны W соответственно до и после проведения пероксидной обработки. Показатель L, характеризующий в цветоведении яркость анализируемого объекта, отнесённую к значению для стандартного белого образца, измеряли с помощью цветоизмерительного компьютерного комплекса «Колорист». Величину показателя W измеряли в соответствии с ГОСТ 18054-72 на приборе лейкометр Цейсса. Методы оценки характеристик представлены в подразделе П1.6.13 приложения 1. Результаты ферментативно-пероксидной обработки сопоставлены на рис. 4.12 с соответствующими показателями для традиционного щелочнопероксидного способа подготовки ровницы и варианта восстановительной варки с использованием препарата ронгалит в сочетании с пероксидной обработкой, реализованного по рекомендациям [71]. Как следует из полученных данных, биохимический способ обеспечивает увеличение степени белизны волокна в 1,17 раза в сравнении с традиционным способом щелочно-пероксидной подготовки, что соизмеримо с данными активации процесса под действием ронгалита. Обращает на себя внимание тот факт, что ослабление окраски льняной ленты наблюдается еще на начальной стадии биодеструкции полиуглеводных соединений в цикле ферментативно-пероксидной обработки. Показатель светлоты биомодифицированного лигноцеллюлозного материала возрастает в 1,12 раза относительно уровня для исходного образца. 196 70 L, %; W, % Рис. 4.12. Показатель светлоты (L,%) для суровой льняной ленты (0) и его изменения после щелочной (1), ферментативной (2) и щелочновосстановительной (3) обработок и степень белизны (W,%) соответствующих образцов после пероксидной обработки (1*,2*,3*) 60 50 40 0 1 2 3 1* 2* 3* В условиях щелочной обработки таких изменений не происходит, в то время как активация процесса введением восстановителя сопровождается повышением величины L в 1,16 раза. Вполне очевидно, что наблюдаемый эффект осветления обусловлен восстановлением ауксохромных карбонильных групп в макромолекулах лигнина под действием редуцирующих систем. При этом результаты исследований позволяют предполагать, что наряду с воздействием на лигнин альдозы способны обеспечивать протекание восстановительных превращений и разрушения хромофорной структуры природных красителей волокнистого материала. Исследование проводили с использованием стандартных образцов кверцетина и рутина, являющихся основными представителями флаванолов в льняном волокне. Сравнительный анализ эффективности их восстановления под действием анализируемых редуцирующих агентов проведен при температуре 75оС спектрофотометрическим методом (спектрофотометр Specord М 400) с учетом способности флавоноидов образовывать окрашенные комплексы с катионами тяжелых металлов, в частности с Al3+ [266]: OН OН O НО OН O OН R Al 3+ O НO O Al + O OН R 197 Образующиеся комплексы кверцетина и рутина имеют максимумы поглощения при 430 нм и 420 нм соответственно, по изменению их интенсивности проведено количественное сопоставление влияния восстановительных систем на состояние природных красителей. Восстановление хромофорной структуры красителя сопровождается трансформацией спектра с повышением оптической плотности максимума поглощения при длине волны 270 нм. Вид спектральных кривых представлен на рис. 4.13. 1,2 D 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 250 1 2 6 1,2 D 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 250 3 4 5 7 300 350 400 450 500 1 2 6 3 4 5 7 300 350 , нм 400 450 500 , нм Рис. 4.13. Трансформация спектров кверцетина 1,6 ммоль/л (а) и рутина 0,82 ммоль/л (б) при воздействии редуцирующих систем в течении 60 мин при 75оС и рН 11: 1- без восстановителя; 2 – Glс; 3 – Man; 4 – Gal; 5 – GA; 6 – Xyl; 7 – GMS. Эффективность действия моносахаридов коррелирует с развиваемым уровнем редуцирующих свойств в потенциометрическом эксперименте (см. рис. 4.4 раздела 4.1). По-видимому, биодеструкция полисахаридных примесей льняного волокна создает условия для разрушения сопряженной цепочки двойных связей в молекуле природного красителя, что на примере кверцетина иллюстрирует схема: I HO II OH OH O HO O OH OH OH Red OH OH HO OH O Red III OH OH OH O OH OH O При воздействии редуцирующих агентов происходит гидрирование центрального трехуглеродного фрагмента исходной молекулы (I) с образованием бесцвет- 198 ных производных: флаванонола (II) и/или дигидрохалкона (III). Наличие соединения (III), более склонного к гидрофильной гидратации, подтверждено переходом соединения в водорастворимую форму. В соответствии с данными анализа действия полиферментной композиции предлагаемый прием разрушения лигнина и флавонолов должен предусматривать проведение энзимной обработки в две стадии: стадия I целенаправленная генерация моносахаридов в ходе ферментативной деструкции полимерных примесей волокна при 40оС в течение 120 мин; стадия II активация моносахаридов и восстановительная деструкция лигнина при 98…100оС, длительность которой варьировали в интервале 30…40 мин. Таким образом, в ходе проведения исследований обоснованы пути создания полиферментных композиций на основе пектиндеструктирующих ферментов, протеаз и гемицеллюлаз экзодействия и условия их применения для эффективного расщепления углеводно-белкового комплекса связующих веществ комплексного льняного волокна, генерации моносахаридов и активации их редуцирующей способности для осуществления протекания химических превращений лигнина в межклетных образованиях лубяного пучка, его частичной деполимеризации и инициирования процессов обесцвечивания хромофорной структуры полимера в ходе пероксидной обработки. Результаты комплекса проведенных исследований воплощены при разработке специализированных ферментных препаратов мацерационно- делигнифицирующего действия для подготовки к прядению льняного волокна различной степени огрубления, в том числе и трудноперерабатываемых видов высоколигнифицированного сырья. Проведенная совокупность исследований является важным этапом подготовки к практической реализации разработанных технологических процессов биохимической подготовки отечественных видов льняного волокна к прядению по патентам [237, 267, 268]. Оценке эффективности рекомендуемых способов в условиях текстильных производств посвящен следующий раздел главы. 199 4.4. Оценка технологической эффективности ферментативно-пероксидных способов подготовки льняного волокна к прядению Разработанные методы биохимической модификации льняных волокнистых материалов с применением специализированных полиферментных композиций прошли многоэтапную производственную проверку в условиях предприятия ОАО «Вологодский текстиль» начиная с 2004 г. С использованием имеющегося на предприятии лабораторного аппарата АЛ 210/1 для моделирования процессов обработки льняной ровницы в объеме одной катушки проведены исследования для отработки технологических режимов и получения экспериментальных образцов биомодифицированных материалов, анализ которых приведен в предшествующих разделах работы. Результаты комплексных испытаний технологических вариантов ферментативно-пероксидной подготовки к прядению льняной ровницы различных ассортиментных групп с расширенным анализом свойств опытных партий формируемой пряжи отражены в протоколах, которые представлены в приложении 3. В качестве компонентов экспериментальных полиферментных систем использовались промышленные (пектофоетидин, мацеробактерин, палформ и др.) и экспериментальные (пектиназа, пектинэстераза, ксиланаза) препараты предприятий ОАО «Сиббиофарм» (г. Новосибирск) и ЗАО «Энзим» (г. Ладыжин, Винницкой обл., Украина), а также получаемые совместно со специалистами кафедры микробиологии Ивановской государственной медицинской академии энзимные продукты культивирования специальных штаммов микроорганизмов из коллекции РосНИИгенетики. При подборе состава многокомпонентных биопрепаратов осуществляли оценку совместимости белковых катализаторов различного микробиологического происхождения и возможного проявления антагонизма при получении композиционных ферментных препаратов, а также допустимых вариантов их сочетания с текстильно-вспомогательными веществами, которые находят применение в текстильном производстве [11, 12, 269]. По итогам научных и технологических исследований для реализации биохимических методов подготовки льняного волокна в прядильном производстве 200 можно рекомендовать использование двух типов полиферментных композиций, различающихся набором действующих энзимов. Критерием их выбора является уровень исходного содержания лигнина в перерабатываемом льняном волокне, что на качественном уровне обычно характеризуется степенью его грубости. Первый тип полиферментной композиции для мацерации льна, условно именуемый Полифан МЛ, предназначен для подготовки льняной ровницы из мягких видов волокна и содержит в своем составе группу пектолитических ферментов и совместимые с ними нейтральные протеазы для разрушения углеводно-белкового комплекса соединительных тканей технического льняного волокна. Второй тип композиции для обеспечения эффектов мацерации и делигнификации льна Полифан МДЛ ориентирован на обработку волокна грубого и средней мягкости и в дополнение к ферментам композиции Полифан МЛ включает экзогенные гемицеллюлазы. Профиль активности технологических растворов биопрепаратов в соответствии с правоохранными документами [237, 267, 268] охарактеризован в табл. 4.5. Таблица 4.5. Характеристика каталитических свойств растворов биопрепаратов для подготовки технического льняного волокна к прядению Биопрепарат Полифан МЛ Полифан МДЛ Ферменты Активность в растворе, ед./мл эндополигалактуроназа пектинэстераза экзополигалактуроназа протеаза эндополигалактуроназа пектинэстераза протеаза экзополигалактуроназа экзогалактозидаза экзоксилозидаза 20…25 0,8…4,7 0,2…0,4 0,2…0,3 20…25 2,5…4,7 0,2…0,3 0,6…1,0 0,2…0,4 0,3…0,5 экзоглюканаза эндоглюканаза 0,6…0,8 не более 0,2 201 Следует еще раз обратить внимание на принципиальное отличие развиваемого подхода к практическому осуществлению процессов биомодификации льняных волокнистых материалов от описанных в технической литературе рекомендаций. В нашем случае состав биопрепаратов не регламентирован жестким количественным соотношением компонентов, и варьирование активности отдельных ферментов в пределах указанных диапазонов не ограничивается методами пропорционального изменения концентрации препарата в растворе. Состав технологического раствора подбирается в точном соответствии с требуемым уровнем проведения биокатализируемого расщепления полимерных спутников льняной целлюлозы и компонуется из нескольких базовых составляющих, что позволяет получать необходимые оптимальные сочетания показателей активности отдельных видов ферментов. Для обеспечения максимальной технологической эффективности разработок в сочетании с минимизацией производственных затрат на их реализацию совместно с малым инновационным предприятием ООО «Ивановское технологическое бюро «Наука» разработан и апробирован в условиях ОАО «Вологодский текстиль» комплекс мероприятий аналитического и организационно-технического сопровождения, проведение которого целесообразно как на начальной стадии отладки режимов, так и при постоянном их использовании. Совокупность мероприятий по сопровождению технологий включает следующие направления работ. 1. Анализ сырьевой базы предприятия, который осуществляется систематически по мере сезонного обновления поставок и региональной принадлежности производителей. Предполагается выполнение следующих видов работ: исследование полимерного состава льняного сырья и химического строения полиуронидной клеящей основы связующих веществ в структуре льняных комплексов; обоснование оптимального состава волокнистых смесок для производства льняной ровницы и планируемого потребления специализированных био- 202 препаратов под производственную программу биохимической подготовки ее к прядению; определение оптимального уровня удаления полимерных спутников целлюлозы на соответствующих стадиях технологического цикла на основании выявленных закономерностей влияния их количества на изменение свойств текстильных материалов. 2. Экспресс-анализ каталитических свойств биопрепаратов предусматривает своевременное проведение контроля поступающих партий базовых энзимных компонентов и получаемых на их основе технологических растворов полиферментной композиции с использованием стандартных и адаптированных для реализации на текстильном предприятии [135] методов анализа активности ферментов в многокомпонентных биопрепаратах. 3. Прогнозирование эффективности биомодифицирования волокнистых материалов по характеристикам каталитических свойств растворов предполагает использование разработанной системы проектирования качества биомодификации волокнистых материалов на основании выявленных закономерностей протекания процессов и регулирования свойств продукции, в том числе: закономерности «состав-свойство» для оптимизации остаточного содержания полимеров при подготовке льноволокна по качественным показателям пряжи; кинетическая модель биокатализируемой деструкции пектиновых веществ льняного сырья с учетом их химического строения; метод оценки качества подготовки ровницы и прогнозирования свойств пряжи по показателю степени мацерации комплексного льняного волокна [270, 271]. 4. Обеспечение предприятий необходимым ассортиментом биопрепаратов и ТВВ с учетом их совместимости и эффективности совместного действия; перевод показателей активности ферментов в объемно-весовые параметры составления рецептур технологических растворов и разработка рекомендаций по дозированию биопрепаратов и ТВВ. Коммерческим партнером в реализа- 203 ции разработок является украинское предприятие ЗАО «Энзим», имеющее наряду с мощностями для многотоннажного выпуска промышленных ферментов экспериментальную базу для обеспечения индивидуальных потребителей необходимыми биопрепаратами с объемом партий от 100 кг (см. приложение 4). 5. Корректировка рецептур технологических растворов полиферментных композиций, которая осуществляется при смене партии волокна или ферментов и обеспечивает рациональную материалоемкость процессов, достижение максимальной технологической и экономической эффективности и повышение заинтересованности потребителя. Для осуществления комплекса мероприятий подготовлено программноаналитическое обеспечение для корректировки рецептур ферментных препаратов и условий их применения при биохимической подготовке ровницы из смесок отечественных видов льняного волокна к прядению, алгоритм работы представлен в приложении 4. Программный комплекс позволяет в автоматизированном режиме получать обоснованные рекомендации для: оптимизации состава полиферментной композиции при переработке различных видов льняного сырья; подбора состава и соотношения смесок волокнистого сырья при получении льняной ровницы для достижения равномерного расщепления связующих веществ льняных комплексов, обеспечивающего снижение как минимум в 2 раза коэффициентов корреляции по структурным, прочностным и деформационным свойствам формируемой пряжи и, как следствие, снижение обрывности в прядении и ткацком производстве; поиска компромиссных вариантов длительности стадии ферментативной обработки для минимизации затрат на биокатализаторы. Эффективность реализации разработанного методологического подхода продемонстрирована ниже результатами биохимической подготовки к прядению льняной ровницы из смесок различных видов отечественного льняного сырья. 204 При переработке мягких сортов волокна по существующей технологии щелочно-пероксидной подготовки практикуемое вложение низкономерного сырья в ровнице не превышает 6 %. В табл. 4.6 представлена характеристика одного из вариантов смесовой ровницы № 16 для производства пряжи 56 Текс и данные анализа химической природы ее волокнистых компонентов, которые необходимы для оптимизации состава полиферментной композиции Полифан МЛ при реализации биохимического способа по патенту [237]. Таблица 4.6. Оптимизированный уровень каталитических свойств ферментного состава для переработки ровницы мягкого льноволокна Соотношение Вид Си, волокна компонентов, % (Nчв) % бийское 58 2,25 (30) вологодское 20 1,5 (36) костром16 1,5 ское (30) бийское 6 3,0 (24) Долевое содержание П0, звеньев в пектине, 0,01 масс. % G(ГК-Н) G(ГК-СН3) G(ГК-Са) Активность ферментов, ед./мл ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО 2,9 0,29 0,53 0,18 0,80 21,5 0,20 2,5 0,20 0,58 0,22 0,85 20,0 0,20 3,3 0,31 0,58 0,11 0,85 21,9 0,19 4,1 0,29 0,54 0,17 0,80 22,4 0,25 0,83 20,7 0,20 расчетные параметры активности раствора полиферментной композиции Полифан МЛ (ПрА = 0,2 ед./мл) По экспериментальным данным содержания пектина в образцах чесаного льняного волокна и содержания метоксилированной и кальций-пектатной форм мономерных звеньев в его макромолекулах по зависимостям (3.2) и (3.4) определены предпочтительные для каждого вида сырья параметры активности пектолитического МЭК для выхода в результате 2-часовой биообработки на остаточное содержание пектина 1 0,1 масс.%. В соответствии с изложенной в разделе 3.3.2 последовательностью проведена расчетная корректировка соотношения активностей в технологическом растворе для обработки смесового полуфабриката. Изменение состояния льняной ровницы после подготовки по ферментативно-пероксидному способу («проба») и ходовому режиму щелочно- пероксидной обработки («контроль») характеризуют данные табл. 4.7. 205 Таблица 4.7. Сопоставление свойств ровницы мягкого льняного волокна при подготовке по щелочно-пероксидной и ферментативно-пероксидной технологии Наименование показателей Разрывная нагрузка в мокром состоянии, РМ, Н Потеря массы волокна, % Гц Содержание П основных примесей, Б масс.%: Л Величина контролируемого параметра для образца волокна контроль проба исходный 16 12 7 12,6 2,83 1,50 4,11 18 5,4 0,52 0,38 2,15 13,2 7,3 0,38 0,34 2,12 Оценка качества подготовки волокна к дроблению по снижению показателя РМ свидетельствует о двукратном улучшении прядомых свойств биомодифицированной ровницы. При этом пространственно локализованное расщепление связующих веществ при ферментативной обработке обеспечивает сокращение в 1,36 раза общих потерь массы волокна при сохранении 60 % технологически необходимых гемицеллюлозных соединений. В то же время степень деструкции пектиновых веществ соответствует расчетному значению и их остаточное содержание, так же как и содержание лигнина близки к определенному в разделе 3.1.1 оптимальному уровню. Качественные показатели опытных партий пряжи, полученных мокрым способом на прядильной машине ПМ-88-Л8 с одинаковыми заправочными параметрами для номинального значения линейной плотности 56 Текс, сопоставлены в табл. 4.8. Совокупность результатов свидетельствует о комплексном повышении качества пряжи, сформированной из волокна, подготовленного по биохимической технологии. Главной особенностью реализации селективного воздействия ферментов на крупные структурные образования связующих веществ является достижение уникального сочетания одновременного повышения тонины пряжи и ее прочности. 206 Таблица 4.8. Качественные показатели пряжи при подготовке ровницы по традиционному способу (контроль) и биохимической технологии с использованием специализированной полиферментной композиции Полифан МЛ (проба) № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Показатели свойств Линейная плотность, Текс Номер Коэффициент вариации по линейной плотности, % Удельная разрывная нагрузка, сН/Текс Коэффициент вариации по разрывной нагрузке, % Разрывное удлинение, мм Удельная работа разрыва, Нсм/г Коэффициент вариации по работе разрыва , % Обрывность пряжи, обр./100 верч Сорт Величина показателя контроль проба 53,5 50,5 18,7 19,8 6,4 3,4 20,8 10 8 443 10 50 1ВЛ 25,1 8,3 11,8 486 8,6 32 1СЛ При одинаковых параметрах работы вытяжного прибора машины (вытяжка 12,4) линейная плотность пряжи снижается на 3 Текса. При этом величина коэффициента вариации по линейной плотности уменьшается в 1,9 раза, что свидетельствует о повышении равномерности дробления льняных комплексов. Получение полуфабриката с более равномерной структурой предопределяет снижение в 1,56 раза показателя обрывности на прядильной машине и повышение в 1,2 раза значения удельной разрывной нагрузки пряжи. При этом коэффициент вариации по разрывной нагрузке также уменьшается в 1,2 раза. Демонстрируемое увеличение показателей разрывного удлинения и работы разрыва являются предпосылкой для ожидаемого сокращения вероятности обрывов пряжи в процессах перемотки и ткачества. По совокупности нормируемых качественных показателей контрольная партия пряжи соответствует требованиям ГОСТ 10078-85 сорта 1 для группы «высокая льняная». В то же время пробный полуфабрикат классифицируется сортом 1 наиболее высокой группы «специальная льняная». Правильность определения рецептуры технологических растворов на основе полиферментных композиций мацерационно-делигнифицирующего дей- 207 ствия Полифан МДЛ демонстрируют результаты испытаний ферментативнопероксидного способа подготовки льняной ровницы средней мягкости и сырья повышенной жесткости. В табл. 4.9 представлены расчетно-аналитические данные для трехкомпонентной волокнистой смески, в которой доля средненомерных сортов чесаного волокна составляет 80 %. Таблица 4.9. Оптимизированный уровень каталитических свойств ферментного состава для переработки смесового волокна средней мягкости Вид волокна (Nчв) косромское (24) нерехтинское (28) калужское (36) Долевое содержание Активность ферментов П0, препарата, ед./мл звеньев в пектине, 0,01 масс. % G(ГК-Н) G(ГК-СН3) G(ГК-Са) ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО Соотношение компонентов, % Л, масс. % 32 5,5 4,6 0,31 0,59 0,10 2,8 21,3 0,72 48 5,1 3,9 0,23 0,62 0,15 2,5 20,8 0,68 20 3,9 5,9 0,19 0,61 0,20 3,0 23,9 0,60 2,7 21,6 0,68 расчетные параметры активности раствора полиферментной композиции Полифан МДЛ (ПрА = 0,3 ед./мл; КСЭНДО = 0,3 ед./мл; ГАЛЭКЗО= 0,2 ед./мл) Содержание лигнина в волокнистых составляющих определяет достаточно высокий уровень его усредненного значения – 5,0 %, что требует применения интенсифицированных методов делигнификации. В частности, из числа химических методов обработки в данном случае предпочтительно проведение одностадийной окислительной варки, осуществляемой, как было показано в разделе 1.3.1, при более высоких концентрационных параметрах щелочности раствора и Н2О2. Основной характеристикой, которую следует учитывать при подборе волокнистых компонентов текстильных полуфабрикатов для переработки по биохимической технологии, является близкий уровень степени метоксилирования пектиновых веществ. Это позволяет избежать непродуктивного завышения активности пектинэстеразы, требуемой для расщепления более метоксилированных полиуро- 208 нидов лишь в ограниченной части биомодифицируемого волокнистого материала. При этом общий уровень пектинэстеразной активности полиферментной композиции необходимо выбирать, руководствуясь данными исходного содержания в волокнистых компонентах как пектиновых веществ, так и лигнина. Во-первых, чем большее количество высокометоксилированного пектина требуется извлекать из волокна, тем выше должна быть активность ПЭ для деметоксилирования его макромолекулярных цепей и создания условий для эффективной работы основного деполимеризующего фермента эндополигалактуроназа. Во-вторых, с увеличением потребности в предварительных химических превращениях лигнина для интенсификации его последующего удаления в условиях пероксидной обработки также возрастает необходимость более полного деметоксилирования пектина для увеличения полноты конверсии его олигомеров пектиназами экзодействия для генерации мономеров галактуроновой кислоты. Исходя из этого базовый уровень пектинэстеразной активности для переработки волокна средней мягкости увеличен примерно в 3 раза относительно полиферментного состава для ровницы из высокономерного сырья (см. табл. 4.6), и от этого показателя проведен расчет оптимального соотношения пектолитических ферментов для индивидуальных волокнистых компонентов и смесовой ровницы. Сравнение состава биопрепаратов для переработки ровницы мягкого волокна и средней мягкости показывает, что для качественной подготовки в последнем случае потребуется увеличение показателей активности ПГЭНДО менее чем на 5 %, а ПЭ и ПГЭКЗО соответственно в 3,3 и 3,4 раза. При этом композиция пектолитических ферментов дополняется нейтральной протеазой и экзогенными гемицеллюлазами, уровень активности которых (см. табл. 4.9) можно ограничить минимальными значениями заявленного диапазона для композиций Полифан МДЛ, обеспечивающими достижение необходимой редуцирующей способности системы для химических превращений лигнина. Проведение корректировки рецептуры биопрепарата Полифан МДЛ для переработки ровницы грубого льняного волокна проследим по данным табл. 4.10. 209 Таблица 4.10. Оптимизированный уровень каталитических свойств ферментного состава для переработки смесовой ровницы грубого волокна СоотношеЛ, Вид ние компомасс. волокна (Nчв) нентов, % % калуж35 8,1 ское (18) тверское 35 5,6 (28) вологодское 30 6,8 (24) Долевое содержание Активность ферменП0, тов препарата, ед./мл звеньев в пектине, 0,01 масс. % G(ГК-Н) G(ГК-СН3) G(ГК-Са) ПЭ ПГЭНДО ПГЭКЗО 5,9 0,19 0,61 0,20 3,6 23,9 1,00 6,5 0,22 0,62 0,16 3,7 25,0 0,85 4,8 0,19 0,59 0,22 3,4 21,9 0,68 3,6 23,7 0,89 расчетные параметры активности раствора полиферментной композиции Полифан МДЛ (ПрА = 0,4 ед./мл; КСЭНДО = 0,5 ед./мл; ГАЛЭКЗО= 0,4 ед./мл) Следует отметить, что подобные смески с вложением 35 % низкономерного грубого волокна по ходовой технологии окислительной варки не перерабатываются и были получены специально для оценки технологических возможностей биохимического способа подготовки в плане увеличения доли использования трудноперерабатываемого сырья в текстильном льняном производстве. С учетом возросшего количества примесей, подлежащих удалению из волокнистых компонентов ровницы, определено, что наиболее близкие сочетания активностей пектиназного МЭК получаются при величине показателя ПЭ не менее 3,4 ед./мл. По индивидуальным оптимальным соотношениям каталитических свойств ферментов для волокнистых составляющих в соответствии с алгоритмом, изложенным в разделе 3.3.2, получен профиль активностей пектолитических ферментов для исследуемой волокнистой смески. В сопоставлении с рецептурными показателями для обработки ровницы мягкого волокна (табл. 4.6) для обеспечения выхода на 1%-ное остаточное содержание пектина при двухчасовой длительности биообработки данного вида ровницы значение ПГЭНДО повышено на 14,5 %, а уровень активности ПЭ в 4,5 раза в сочетании с двукратным увеличением активности протеаз. Обеспечение высокого выхода редуцирующих сахаров и стабильное поддержание восстановительного потенциала системы на высокотемпературной стадии биообработки 210 должно быть достигнуто в результате повышения в 4,45 раза показателя ПГЭКЗО и дополнительного введения максимально заявленного количества экзогенных гемицеллюлаз (см. табл. 4.10). Результаты анализа изменения полимерного состава и технологических свойств сравниваемых образцов ровницы представлены в табл. 4.11. Таблица 4.11. Сопоставление свойств ровницы с вложением грубого льняного волокна при подготовке методом окислительной варки и биохимической технологии Вид волокна Режим Исходное содержание Остаточное содержание Потеря М полимеров, масс.% полимеров, масс.% РП , Н массы волокна, % П Гц Л П0 Гц0 Л0 средней контроль 4,51 мягкости проба грубое контроль проба 5,77 13,4 5,0 17,2 6,9 0,41 0,42 0,53 0,45 5,6 7,6 5,4 8,0 3,2 2,2 3,0 2,5 21 19 28 23 18,7 11,7 19,5 16,4 Примечание: Величина разрывной нагрузки в мокром состоянии для суровой ровницы средней мягкости и грубого волокна составляют соответственно 30 и 33 Н. Сопоставительный анализ результативности достижения мацерационноделигнифицирующих эффектов при переработке волокна средней мягкости и высоколигнифицированного льняного сырья показал, что наряду с понижением в 1,6 и 1,2 раза общих потерь массы волокна в сравнении с химическим способом подготовки, обеспечивается более полное удаление пектиновых соединений, остаточное содержание которых попадает в диапазон оптимальных значений (см. раздел 3.1). При этом, несмотря на введение в полиферментную композициию гемицеллюлазной добавки интенсивной деструкции нейтральных полисахаридных примесей не происходит, и их общее остаточное количество в 1,3…1,5 раза выше, чем после ходового режима подготовки соответствующих ассортиментных групп ровницы. Действие экзогенных гемицеллюлаз направлено, главным образом, на деструкцию боковых ответвлений в макромолекулах полиуронидных соединений, разрушаемых пектиназами, что в совокупности с генерацией галактуроновой кислоты под действием экзогенных полигалактуроназ обеспе- 211 чивает образование на первой стадии ферментации значительного количества низкомолекулярных сахаров. Создание на высокотемпературной стадии биомодификации необходимых условия для активной работы генерируемых редуцирующих агентов обеспечивает протекание редокс-превращений в макромолекулах лигнина и частичную его деполимеризацию, что облегчает его окислительную деструкцию на стадии пероксидной обработки. Для режима «проба» при обработке грубых видов сырья и ровницы средней мягкости остаточное содержание лигнина в волокне сокращается в 1,2…1,5 раза в сравнении с химическим способом подготовки, достигая требуемый уровень его извлечения. Следовательно, задачу проектирования качества биомодификации волокнистых материалов и обоснование требуемой совокупности показателей активности полиферментной композиции можно считать решенной на вполне удовлетворительном уровне. Более благоприятные изменения полимерного состава волокнистых материалов предопределяют существенное повышение его мацерационной способности, традиционно оцениваемой по относительному снижению величины разрывной нагрузки мокрой ровницы в сравнении с исходным показателем. Для полуфабриката средней мягкости прирост данной технологической характеристики составил 1,6 раза, для ровницы грубого волокна – 2 раза. Эти значения согласуются и в существенной степени предопределяют снижение обрывности в прядении, значение которой для ходового варианта подготовки ровницы грубого волокна имеет, как показано в табл. 4.12, катастрофически высокий уровень. В табл. 4.12 представлена также полная совокупность характеристик структурных, физико-механических и деформационных свойств опытных партий пряжи, которые свидетельствуют, что биохимические методы подготовки высоколигнифицированых видов волокна с использованием полиферментной композиции мацерационно-делигнифицирующего действия позволяют реализовать пространственно локализованную деструкцию крупных образований примесей льняного волокна, что способствует комплексному улучшению качества получаемой продукции. 212 Таблица 4.12. Качественные показатели пряжи из ровницы с вложением грубого волокна при подготовке по традиционному (контроль) и биохимическому режимам (проба) № Показатели свойств пряжи 1 2 3 4 Линейная плотность, Текс Номер Толщина, средний диаметр dCР, мм Коэффициент вариации по линейной плотности, % Количество дефектов на 100 м пряжи: - утолщения, превышающие 1,5dСР; - утонения, менее 0,7dСР Крутка пряжи Коэффициент крутки Коэффициент вариации по крутке, % Удельная разрывная нагрузка, сН/Текс Коэффициент вариации по разрывной нагрузке,% Разрывное удлинение, мм Удельная работа разрыва, Нсм/г Коэффициент вариации по работе разрыва, % Выносливость к многократному изгибу и истиранию, циклы Доля компонентов относительного удлинения при одноцикловых испытаниях, %: - быстрообратимое бо, - медленнообратимое мо, - остаточное ост Обрывность пряжи, обр./100 верч Сорт 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Величина показателя для образцов из ровницы чесаного волокна средней мягкости грубого контроль проба контроль проба 54,0 51,0 58,9 53,6 17,0 18,8 18,5 19,6 0,38 0,30 0,35 0,29 7,2 4,2 10,8 6,4 412 433 537 41,2 8,5 18,9 108 183 550 40,3 7,4 20,5 280 400 540 41,5 9,4 16,4 201 123 557 41,8 7,3 19,8 21,1 11,5 27,8 14,4 8,7 417 11,7 552 10,4 6,2 6,1 393 12,5 9 479 5,7 5595 8049 5586 9738 0,43 0,12 0,45 0,41 0,27 0,32 0,42 0,12 0,46 0,44 0,24 0,32 66 2СрЛ 37 1ВЛ 80 2ОЛ 44 1ВЛ Как видно, и в этих ассортиментных группах фиксируется повышение тонины пряжи, причем в отличие от выше рассмотренного варианта обработки ровницы мягкого волокна в данных случаях повышение равномерности структуры пряжи позволяет снизить величину коэффициента корреляции по линейной плотности до нормативной величины для 1-го сорта (не более 6,9 %), в то время как контрольные образцы существенно превышают пороговый уровень. 213 Улучшение процесса формирования пряжи наглядно характеризует сопоставление статистических данных по числу дефектов с критическими отклонениями толщины пряжи. После биохимической модификации количество участков с утолщениями, превышающими 1,5-кратный средний диаметр волокна, снижается в 1,4…3,8 раза, что благоприятно для уменьшения числа пороков («шишковатость») и улучшения внешнего вида тканых полотен. Еще более важное значение имеет сокращение частоты участков с утонениями, поперечный размер которых менее 0,7dср. Как продемонстрировано на рис. 1.10, утонения образуются в результате обрыва группы волокон, входящих в плохо расщепленные льняные комплексы. При наложении внешних нагрузок на материал концентрация напряжений происходит на таких ослабленных участках. В связи с этим фиксируемое сокращение числа утонений в 2,4 раза для пряжи из биомодифицированной ровницы средней мягкости и в 3,2 раза для пробы из грубого волокна обусловливают снижение вероятности обрывов как непосредственно в процессе прядения, так и в последующих операциях перемотки и ткачества. Существенное значение имеют различия в достижении уровня нормируемых прочностных показателей пряжи. Величины удельной разрывной нагрузки и коэффициентов ее вариации для контрольного образца средней мягкости соответствуют лишь группе пряжи «средняя льняная», а для экспериментальной смески из грубого волокна лишь группе «обычная льняная». В тоже время оптимизированные условия мацерационно-делигнифицирующей биохимической подготовки волокна в обоих случаях обеспечивают соответствие требованиям 1 сорта группы «высокая льняная». Повышению прочности пряжи, безусловно, способствует увеличение ее крутки как в абсолютном, так и в относительных показателях. Поскольку параметры частоты вращения веретен на прядильной машине поддерживались постоянными (5300 об./мин), фиксируемый прирост числа кручений при снижении коэффициента вариации по крутке можно однозначно рассматривать как проявление более интенсивного и более равномерного расщепления в волокнистых материалах лигнинсодержащих одревеснений, понижающих деформационную способность льняных комплексов. 214 Показатели 14, 15 характеризуют перерабатываемость пряжи в процессах ткачества. Оценку выносливости пряжи к многократному изгибу и истиранию определяли на приборе ТКИ при следующих условиях: угол прохождения нити через глазки галев ремиз 10о, длина хода 40 мм, нагрузка 15 % от разрывной, частота колебаний 600 мин1. Устойчивость пряжи при многократном изгибе с одновременным истиранием о контактирующую поверхность оценивали по количеству циклов до полного разрушения. Условия испытаний моделируют воздействия на пряжу при ее переработке на ткацком станке. Как видно, выносливость биомодифицированной пряжи из волокна средней мягкости повышается в 1,44 раза и в 1,74 раза для грубого волокнистого сырья. Для переработки пряжи в ткацком производстве принципиальное значение имеют релаксационные свойства пряжи при воздействии многократных растягивающих усилий. В связи с этим с использованием релаксометра РМ-5 для испытуемых образцов пряжи проведено определение полной деформации и ее условных составных частей. Анализ изменения доли компонентов относительного удлинения текстильного материала свидетельствует, что биохимическое регулирование протекания мацерационных процессов обеспечивает повышение эластических свойств пряжи (мо) в 2…2,3 раза по сравнению с ходовым образцом за счет уменьшения ее склонности к пластической необратимой деформации (ост) и снижения упругой релаксации (бо). Последнее, безусловно, связано с повреждением сетчатых структур лигнина, инкрустирующих клетки элементарных волокон и образующих жесткие спайки, плохо поддающиеся деформациям. Создание механизмов научно-методического и организационного сопровождения инноваций позволило перейти в активную фазу промышленной реализации разработок. Ферментативно-пероксидная технология подготовки льняной пряжи принята к внедрению на ОАО «Вологодский текстиль» в 2013 г. Протокол соглашения представлен в приложении 4. Технологическую эффективность ее использования при подготовке ровницы №24-26 из смески (50:50) бельгийской чесаной ленты и трепаного льноволокна иллюстрируют данные табл. 4.13. 215 Таблица 4.13. Технические результаты биохимической подготовки льняной ровницы 24-26 из 50 % бельгийской чесаной ленты и 50 % трепаного льноволокна Показатели свойств пряжи Содержание полимеров в волокне (до / после подготовки), масс.%: - пектин - лигнин - гемицеллюлозы Разрывная нагрузка ровницы в мокром состоянии (до / после подготовки), РМ, Н Относительное снижение РМ, % Белизна ровницы, % Номинальная линейная плотность пряжи, Тном, Текс Модификация прядильной машины ПМ-88- . . Фактическая линейная плотность, ТФ, Текс Отклонение от Тном,% Коэффициент вариации, СТ, % Удельная разрывная нагрузка, Р0, сН/Текс Коэффициент вариации, СР,% Обрывность пряжи, обр./100 верч Сорт Величина показателя для образцов из ровницы чесаного волокна контроль проба 4,65/0,65 6,60/3,27 10,6/5,2 4,67 / 0,44 7,03 / 2,03 10,4 / 7,6 17 / 9,2 18,8 / 7,6 45,9 68,4…70,3 56 50 Л10 Л10 57,2 48,1 2,1 -3,8 4,6 3,0 19,5 18,7 17,6 19,9 66 68 1ВЛ 2ВЛ 59,6 68,1…69,5 50 Л10 51,2 2,4 2,7 19,8 15,9 44 1ВЛ 56 Л8 57,2 2,1 2,3 19,9 14,2 43 1ВЛ 33,3 Л8 34 2,1 4,0 20,2 23,1 31 2ВЛ Как видно, данный вид волокнистого сырья характеризуется очень высоким содержанием лигнина. Не описывая детали технологических условий подготовки как по ходовому, так и по биохимическому режимам, которые являются интеллектуальной собственностью ОАО «Вологодский текстиль», можно отметить, что подобный вид волокнистой смески перерабатывается на предприятии с использованием активирующего воздействия сильных восстановителей. Прядение осуществляют на прядильных машинах модификации ПМ-88-Л10, вытяжной прибор которых имеет более короткую зону вытяжки и снабжен ленточным протягивающим транспортером, обеспечивающим снижение обрывности при переработке укороченных льняных комплексов. Применяемый на предприятии режим подготовки обеспечивает достаточно высокий уровень делигнификации волокнистого материала, а подобранные условия прядения позволяют получать высококачественную пряжу 56 Текс. Качество пряжи 50 Текс балансирует между 1 и 2 сортом, так как значения показателей Р0 и СР колеблются в зоне пограничного уровня. Воплощенный на предприятии ферментативно-пероксидный режим, даже при неполной реализации его делигнифицирующих возможностей, значительно 216 стабилизировал качество пряжи 56 и 50 Текс и процесс ее формирования. Причем для производства пряжи 56 Текс могут использовать машины ПМ-88-Л8. Большое значение имеет снижение в 1,5 раза обрывности на прядильных машинах. Наряду с этим наиболее важным преимуществом является возможность получения пряжи с линейной плотность 33,3 Текс из сырья, которое сотрудники предприятия считают малопригодным для этих целей, причем для базового режима ферментативной обработки совокупность качественных показателей квалифицирована сортом 2ВЛ лишь по показателю СР, возможность повышения которого имеется как в направлении совершенствования процесса делигнификации, так и за счет корректировки заправочных параметров прядильной машины. Результаты главы 4 позволяют сделать следующие обобщения. 1. Выявлены пути и экспериментально обоснованы преимущества использования биохимической технологии для переработки грубых сортов льняного волокна, доля которых в отечественной сырьевой базе составляет около 40 %. 2. Развито новое направление применения ферментативного катализа в технологии облагораживания текстильных материалов, предусматривающее использование продуктов регулируемой биодеструкции полиуглеводов льняного волокна в качестве вторичных реагентов для протекания целевых химических реакций. 3. Впервые выявлены закономерности влияния стереоизомерного и химического строения моносахаридов, входящих в состав полиуглеводов льняного волокна, на проявление их восстановительной способности. Получены концентрационные, температурные и кинетические зависимости изменения восстановительного потенциала растворов моноз; определены и сопоставлены значения энергии активации образования оксоформы их молекул при рН 6,5 и 11, ретроальдольного распада моноз в щелочной среде и температурный порог его инициирования. Активность сахаров возрастает в ряду: GlcManGalGAXyl. 4. Тремя независимыми методами подтверждено протекание в щелочных растворах модельных сахаров реакций восстановления карбонильных группировок в структуре лигнина и частичной его деполимеризации, способствующей повышению полноты его окислительной деструкции пероксидом водорода. Результаты являются научным обоснованием для подбора ферментов осахаривающего действия, способных генерировать высокоактивные продукты деструкции полисахаридов льняного волокна. 217 5. Получено экспериментальное обоснование состава полиферментной композиции, обеспечивающей эффективное расщепление клеящей основы связующих веществ льняного волокна и глубокую деструкцию олигомеров пектина до низкомолекулярных продуктов, которые в условиях ретроальдольного распада развивают восстановительный потенциал выше минус 900 мВ, достаточный для протекания редокс-превращений лигнина и природных красителей из класса флаванолов. 6. Разработан и апробирован в условиях ОАО «Вологодский текстиль» комплекс мероприятий аналитического и организационно-технического сопровождения биохимических технологий на текстильных предприятиях, позволяющий оперативно осуществлять корректировку рецептур полиферментных композиций с учетом свойств перерабатываемых волокнистых материалов для получения воспроизводимых высоких технологических результатов при минимизации затрат на проведение ферментативной обработки льняной ровницы. 7. Экспериментально подтвержденные технологические преимущества ферментативно-пероксидной подготовки ровницы к прядению обусловлены повышением эффективности и равномерности дробления комплексного льняного волокна, что обеспечивает уникальное сочетание в изменении свойств пряжи: повышение ее тонины, снижение в 1,6…1,9 раза коэффициента вариации по линейной плотности, резкое (до 4 раз) сокращение структурных дефектов с критическими значениями утолщений и утонений; возрастание на 10…21 % прочности при сокращении до 2 раз коэффициента вариации по разрывной нагрузке; улучшение деформационной способности в процессах крутки мокрого волокна и деформационной устойчивости сформированной пряжи к многократным изгибающим, истирающим и растягивающим усилиям в процессах ткачества; снижение в 1,5…2 раза обрывности на прядильных машинах. 8. В промышленных условиях доказана возможность получения с использованием биохимической модификации высокотонкой (33,3 Текс) чистольняной пряжи из высоколигнифицированного льняного сырья, что недостижимо при реализации принятого на предприятии восстановительно-пероксидного способа. 9. Технология ферментативно-пероксидной подготовки льняного волокна в прядильном производстве принята к внедрению на ОАО «Вологодский текстиль». 218 Глава 5. НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОМОДИФИКАЦИИ ЛЬНЯНОГО ВОЛОКНА В ПРОЦЕССАХ ОБЛАГОРАЖИВАНИЯ ТКАНЫХ ПОЛОТЕН Признавая справедливость существующей точки зрения о том, что качество льняных тканей на ⅔ закладывается на стадии подготовки волокна к прядению, автор считает вполне оправданным и целесообразным использование биокатализируемых процессов в цикле беления и отделки тканей с учетом проанализированных в разделе 2.3 литературных сведений и рекомендаций о возможностях экологизации производства и повышения качества конечной продукции. При этом основной задачей совершенствования биохимических технологий на базе научных подходов, развиваемых в настоящем диссертационном исследовании, является их унификация с учетом разновариантного построения предшествующего цикла подготовки волокна к прядению. Разработка методов биохимической модификации льняных тканей в процессах бесхлорного беления или их заключительной отделки должна быть в равной степени ориентирована как на комбинированный вариант реализации совместно с ферментативно-пероксидной подготовкой волокна к прядению, так и на автономное использование на любой из стадий технологического процесса. Последнее сопряжено с проявляющимися отличиями обрабатываемых материалов не только по содержанию примесей, подлежащих дальнейшему удалению, но и по характеру их структурного распределения, что, как выяснилось, имеет место при химических или ферментативных способах обработки льняного волокна. 5.1. Научное обоснование регулируемой биохимической модификации волокнистого материала при подготовке и белении льняных тканей Достаточно глубокие изменения качественных и количественных характеристик состава льняного волокна в цикле получения пряжи делают вполне очевидным, что технологические задачи его модификации в структуре тканых полотен, а, следовательно, и критерии подбора полиферментных композиций для данных процессов обладают своими специфическими особенностями в сравнении с процессами переработки ровницы. 219 В частности, как установлено в разделе 1.3, для придания тканям высокой капиллярности определяющими параметрами являются характеристики полноты удаления полиуронидной компоненты естественных примесных образований и искусственно наносимых на нити основы крахмалсодержащих шлихтующих композиций. Для химических способов подготовки льняного волокна к прядению характерно неполное разрушение инкрустов и межклетных образований, включая лигнинсодержащие одревеснения, на расщепление которых должен быть ориентирован состав полиферментной композиции. При этом задачу повышения белизны ткани, достигаемой в результате разрушения хромофорных структур лигнина, целесообразно сочетать с сохранением полезного действия лигнина в стыковых спайках между элементарными волокнами и в клеточной стенке последних, поскольку их сорбционная способность в значительной степени определяется аморфностью межфибриллярного лигноуглеводного комплекса. Вместе с тем сложности решения технологических задач появляются уже в первой фазе обеспечения качественной биорасшлихтовки льняной ткани, что, как показано ниже, связано с особенностями распределения полимеров крахмала в структуре льняной пряжи и возможного его изменения при воздействии ферментов. 5.1.1. Оптимизация состава полиферментных композиций для повышения эффективности извлечения из льняных полотен крахмальной шлихты Согласно современным представлениям, процессы расщепления крахмала катализируют амилазы 13 видов. При этом эффективность извлечения крахмальной шлихты определяется, прежде всего, степенью расщепления разветвленных полимеров амилопектина, содержание которого в крахмале составляет 70…79 %. Известно [180, 181], что гидролиз -1,6-глюкозидной связи в макромолекулах амилопектина ускоряется деветвящими (debranching) ферментами. В частности, эффективным катализатором процесса является изоамилаза, которая в сравнении с другими представителями этой группы энзимов обеспечивает наиболее существенные изменения вязкости и редуцирующей способности крахмальных композиций, что широко используется в технологиях крахмалопаточного производства. 220 С целью выявления наиболее технологически эффективных амилолитических ферментных композиций в процессах расшлихтовки льняных материалов проведены исследования для дифференцированной оценки влияния гомогенных ферментов -амилаза, -амилаза, -амилаза, изоамилаза и их композиций на полимеры крахмальной шлихты. Результаты воздействия гомогенных ферментов на 1 %-ные растворы тестовых субстратов при 40оС в течение 20 мин суммированы в табл. 5.1 и описаны в работе [272]. Действие гомогенных ферментов оценено с помощью тестовых субстратов амилозы и амилопектина фирмы ICN, выделенных из кукурузного крахмала (степень очистки 99 %). Таблица 5.1. Действие гомогенных ферментов на растворы модельных субстратов Ферментный препарат -амилаза изоамилаза -амилаза -амилаза (глюкоамилаза) Концентрация препарата, мг белка/л 25 50 25 50 25 50 25 50 амилоза Свойства субстрата амилопектин , м2с / , % , м2с / , % RГ, масс. % / RГ, % 1,08 / 44 0,33 / 83 1,93 / 0 1,93 / 0 1,87 / 3,1 1,79 / 7,3 1,90 / 1,6 1,88 / 2,6 4,73 / 34 2,30 / 48 4,24 / 41 1,08 / 75 7,06 /1,7 7,03 / 2,1 2,73 / 62 2,44 / 66 7 / 40 9 / 80 8 / 60 11 / 120 14 / 170 23 / 360 7 / 40 11 / 120 Примечание: в числителе условной дроби приведены абсолютные значения показателей кинематической вязкости () и восстанавливающей способности (RГ) анализируемых субстратов, в знаменателе – их изменения относительно параметров исходного состояния полимеров (для амилозы =1,9310–2 м2с; для амилопектина =7,1810–2 м2с, RГ=5 масс.%). Анализ данных табл. 5.1 демонстрирует, что изоамилаза, отражающая действие всех разновидностей деветвящих ферментов, не изменяет реологических свойств раствора амилозы, а разжижающее действие экзодеполимераз -амилазы и -амилазы на этом субстрате несоизмеримо мало в сравнении с влиянием деполимеризующего эндогенного фермента -амилазы. Восприятию данных изменения свойств растворов амилозы и амилопектина способствует представленная на рис. 5.1 схема воздействия основных типов ферментов на амилопектин. 221 амилопектин -амилаза -амилаза изоамилаза -амилаза Рис. 5.1. Механизм деструкции амилопектина под действием амилолитических ферментов-деполимераз Сопоставляя данные табл. 5.1 и рис. 5.1, можно заметить, что разжижающая способность -амилазы в растворе амилопектина проявляется значительно меньше, чем на амилозе, поскольку ее действию доступны лишь внешние линейные участки разветвленной макромолекулы. По данным [181], длина комплементарного для -амилазы участка полимерной цепи составляет не менее 6 глюкозидных звеньев без ответвлений. Двукратное увеличение концентрации фермента обеспечивает эквивалентный прирост содержания редуцирующих группировок в результате разрыва глюкозидных связей. Вместе с тем изменения кинематической вязкости возрастают лишь в 1,4 раза, что свидетельствует о малой доступности макромолекулы амилопектина для данного вида ферментов. Деветвящее действие эндофермента изоамилазы также проявляется преимущественно на внешней поверхности «грозди» амилопектина. При этом более существенные изменения вязкости и редуцирующей способности раствора в сравнении с влиянием -амилазы (см. табл. 5.1) обусловлено отщеплением от макромолекулы полисахарида укрупненных структурных фрагментов (см. рис. 5.1). Увеличение изменений с ростом концентрации энзима свидетельствует, что в исследуемом концентрационном диапазоне насыщение поверхности субстрата биокатализатором не достигается, поскольку отщепление каждого бокового ответвления вскрывает дополнительное количество реакционно-способных центров макромолекулы. 222 -амилаза оказывает экзогенное воздействие на нередуцирующие концевые участки амилопектина (см. рис. 5.1), в большом количестве присутствующие в полимере. Отщепление остатков мальтозы обусловливает резкое возрастание показателя RГ (табл. 5.1), но существенной деполимеризации субстрата не происходит, что отражается в незначительных изменениях показателя вязкости. В отличие от -амилазы экзофермент -амилаза проявляет активность на редуцирующем конце макромолекулы (незафонованный кружок на рис. 5.1). В соответствии с описанным в литературе механизмом действия этот фермент последовательно отщепляет мономерные звенья и, приблизившись к месту ветвления, обеспечивает гидролиз -1,6-связи, продолжая свое движение по -1,4-связям бокового ответвления. При этом начальные акты деветвления в вершинной части макромолекулы сопровождаются распадом амилопектина на крупные декстрины, что приводит к резкому снижению вязкости раствора (табл. 5.1). Наращивание концентрации фермента обеспечивает увеличение количества отщепляемых мономеров глюкозы и рост показателя восстанавливающей способности, но более глубокое разукрупнение полимера сопровождается менее значительными темпами изменениями реологических свойств. Влияние биодеструкции крахмала всеми видами анализируемых ферментов и различных сочетаний двух и трехкомпонентных смесок композиций, схожих по составу с промышленно выпускаемыми препаратами, исследовано в модельных условиях проведения расшлихтовки ткани, включающих пропитку расшлихтовывающим агентом и вылеживание мокроотжатого полотна. Активность препаратов оценена с помощью тестовых субстратов амилозы и амилопектина с дифференциацией по показателям декстриногенной (АЭНДО) и осахаривающей (АЭКЗО) способности в соответствии с указаниями приложения 1 (раздел П1.4.2). Каталитическое действие debranching-деполимераз определяли по указанным методикам, поскольку результат их влияния на полимеры крахмала аналогичен разжижающему или осахаривающему эффектам при разрушении 1,4-связей другими представителями амилаз. 223 Ферментативную обработку льняной ткани арт. 590 раствором ферментов проводили путем ее пропитки при 40оС с последующей термостатируемой выдержкой без обсыхания в течение 20 мин, промывкой водой без ПАВ при 40оС и сушкой при 80оС для полной инактивации энзимов. Специфику протекаемых процессов оценивали по остаточному содержанию крахмала в ткани (Кр, масс. %) и результатам оригинального метода оценки долевого распределения полисахаридов в структуре волокнистого материала [273], основанного на анализе кинетических кривых десорбции крахмальной шлихты из льняной ткани арт. 590 в раствор амилосубтилина Г10х при 40оС и представленного в разделе П1.2.6 приложения 1. Метод позволяет оценить количество крахмала GУ, удаленного с ткани в процессе ферментативной расшлихтовки, и дифференцировать долевое соотношение оставшихся на ткани фракций крахмала, дислоцированных в трех структурных зонах: на поверхности нити GПОВ, в межволоконных пространствах нити GМВ и в структуре комплексных волокон GВ. Результаты представлены в табл. 5.2. Как видно, деструкция полимеров крахмала по -1,4-связям на поверхности нити и в межволоконных пространствах сопровождается преимущественным удалением продуктов гидролиза. Это в большей степени характерно для обработки амилазой, в меньшей – для -амилазы. Сопоставление результатов для воздействия debranching-деполимераз позволило выявить следующий принципиальный момент, имеющий ключевое значение для достижения полноты извлечения крахмала из ткани: олигосахариды, образующиеся под влиянием деветвящих энзимов, мигрируют вглубь материала, что затрудняет их удаление при промывке. В частности, результатом действия изоамилазы является миграция значительной части малоразветвленных декстринов в структуру волокон и их закрепление за счет образования множественных водородных связей с полимерами связующих веществ льняных комплексов. Как следствие доля фракции GВ повышается в 2,7 раза, что снижает на 20 % степень удаления крахмала по полунепрерывному способу расшлихтовки ткани относительно данных для фермента -амилаза. 224 Таблица 5.2 Влияние биопрепаратов на изменение дислокации шлихты в мокроотжатой ткани (модельный эксперимент) и на эффективность ее расшлихтовки Ферментный препарат – -амилаза -амилаза изоамилаза -амилаза -амилаза + -амилаза -амилаза + -амилаза -амилаза + -амилаза + -амилаза -амилаза + изоамилаза + -амилаза -амилаза + -амилаза Активность ферментов, ед./мл АЭНДО АЭКЗО – – 4,8 – – 11,6 5,1 – 0,9 8,6 1,1 5,3 GУ – 19 5 13 5 14 Доля фракций крахмала, % GПОВ GМВ 22 63 7 57 19 61 7 34 18 62 12 58 GВ 15 17 15 46 15 16 Кр*, масс. % – 1,4 0,5 1,1 0,8 1,1 1,5 9,2 7 14 61 18 0,7 2,1 4,8 10 6 45 39 1,0 4,5 3,2 21 6 38 35 1,7 9,2 0,6 20 12 52 16 2,5 Примечание: исходное содержание крахмала в льняной ткани составляет 3,5 масс. %. Аналогичным образом проведена оценка особенностей декстриногенного, осахаривающего и деветвящего действия для ферментных композиций с различным сочетанием в них индивидуальных компонентов. Наилучший результат деструкции крахмальной шлихты и отсутствие эффектов миграции олигомеров вглубь волокна обеспечивает использование композиции - и -амилаз. Проявляя каталитическую активность как в отношении амилозы, так и амилопектина, данная композиция не увеличивает долевое содержание фракции GВ. Деструкция шлихты на поверхности нити и в межволоконных ее пространствах при обработке мокроотжатого полотна осуществляется до водорастворимых продуктов и олигомеров, которые экстрагируются из материала моющими средствами при промывке. Это позволяет удалить внешне нанесенные фракции шлихты при длительности их расщепления в мокроотжатой ткани 40 мин. Вместе с тем нежелательное проникновение крахмальной композиции в структуру комплексных волокон происходит еще на стадии шлихтования пряжи 225 [274]. При оценке долевого распределения крахмала в нитях основы экспериментально установлено [273], что содержание полимеров шлихтующей композиции, дислоцированных внутри льняных комплексов, в зависимости от способа ее приготовления и усилия в жале валов шлихтовального оборудования может достигать 20…25 %. Логично предположить, что полимеры крахмала, проникающие в межклеточные связующие вещества волокнистого материала, создают стерические препятствия для ферментативного расщепления оставшихся в волокне природных спутников льняной целлюлозы. Проблема низкой эффективности извлечения примесей и, как следствие, недостаточного достижения смачиваемости текстильных материалов отмечена, например, в работе [150] при реализации технологии биоподготовки хлопчатобумажных тканей с раздельным последовательным воздействием амилолитического и пектолитического препаратов. Результаты систематизированных исследований влияния мультиэнзимных комплексов на извлечение крахмальных и полиуронидных соединений и изменения показателя капиллярности ткани, являющегося одной из основных характеристик качества ее подготовки, представлены в материалах следующего подраздела. 5.1.2. Закономерности влияния полимерных примесей на изменение капиллярности льняной ткани в условиях ферментативной обработки Важным этапом в разработке научно-методических основ регулирования ферментативного воздействия при подготовке льняных тканей является изучение закономерностей достижения необходимого уровня их капиллярности. Оценка проведена в условиях модельного эксперимента, предусматривающего биообработку анализируемых образцов льняной ткани арт.778-3Э с разделением стадий ее расшлихтовки и мацерационного расщепления полиуронидов препаратами амило- и пектолитического действия, а также при совместном извлечении примесей с применением смесовых композиций. Уровни активности компонентов амилазного и пектиназного МЭК для осуществления деструкции крахмальной шлихты и пектиновых веществ опре- 226 делены с учетом рекомендаций подраздела 5.1.1. и анализа содержания полиуронидных примесей и их химического строения. Препарацией гомогенных ферментов фирмы ICN получены биопрепараты с варьируемым соотношением компонентов амилазного (АЭНДО, АЭКЗО) и пектиназного (ПЭ, ПГЭНДО, ПГЭКЗО) мультиэнзимных комплексов. Активность каталитических свойств ферментов в полученных препаратах измеряли в соответствии с ГОСТ 20264.4-89 и методиками указаниями в приложении 1 (разделы П1.4.2 и П1.4.3). Биобработку осуществляли путем пропитки растворами ферментов при температуре 40оС и рН 6,5 и изотермической выдержки мокроотжатой ткани в течение 1 ч. Для извлечения продуктов гидролиза полиуглеводов образцы промывали в растворе ПАВ с концентрацией 0,5 г/л при 80оС, а затем в холодной воде. Качество обработки оценивали по показателям степени расшлихтовки нитей основы льняного полотна (СКР, %) и эффективности удаления полиуронидов (П, %). Оценку гидрофильности материала проводили по высоте подъема влаги по полоске ткани, вырезанной в направлении нитей основы, при продолжительности эксперимента 30 мин (Н30). В качестве базы сравнения приведен результат контрольной обработки суровой льняной ткани в дистиллированной воде с последующей операцией промывки по вышеуказанному режиму. Результаты представлены в табл. 5.3. Сравнительный анализ эффективности удаления полимерных примесей при последовательном воздействии мультиэнизных комплексов амилаз и пектиназ (варианты 2, 3-3** в табл. 5.3) подтвердил, что раздельное удаление крахмальной шлихты и пектиновых веществ из льняного тканого полотна малоэффективно для повышения смачиваемости волокнистого материала. В частности, удаление крахмальной шлихты с поверхности и из межволоконных пространств нитей, достигаемое под действием высокоактивных амилазных препаратов, в совокупности с экстракцией масложировых ее компонентов в ходе промывки повышают гидрофильные свойства ткани лишь на ⅓ от требуемого уровня капиллярности (Н30 не менее 80 мм). Последующее воздействие пектолитическими 227 Таблица 5.3. Влияние состава амилазно-пектиназной композиции на достигаемый уровень капиллярности (Н30) льняной ткани после биообработки № Активность ферментов, ед./мл АЭНДО 1 АЭКЗО ПЭ ПГЭНДО контрольная обработка ПГЭКЗО СКР, % П, % Н30, мм 20 7 17,5 2 8,5 0,9 0 0 0 65 30,0 3 9,2 0,6 0 0 0 70 30,5 3* 0,4* 4* 0,4* 23* 40,0* 3** 1,5* 10* 0,5* 26* 60,0* 4 1,1 5,3 0,4 4 0,4 55 43 41,0 5 1,1 5,3 1 10 0,5 57 51 57,0 6 4,5 3,2 1 10 0,5 69 59 69,5 7 8,5 0,9 0,4 10 0,5 73 63 78,0 8 8,5 0,9 1,5 7 0,4 87 68 81,0 9 9,2 0,6 1,5 10 0,5 82 83 92,0 Примечание: звездочками отмечены результаты для двустадийной обработки амило- и пектолитическими препаратами. препаратами, несмотря на высокие показатели активности ферментов в варианте 3**, обеспечивает низкую эффективность расщепления пектиновых примесей в нитях основы, не превышающую 26 %, в то время как на неошлихтованных нитях утка мацерация связующих веществ протекает достаточно полно (П = 85 %). Как следствие, брутто-эффект поэтапного извлечения из нитей основы крахмала и замасливателей шлихтующей композиции и полиуронидной основы клеящих веществ волокна, проявляющийся в изменении показателя Н30, на 25 % ниже нормативного значения. Справедливость предположения о формировании гибридной фракции полиуглеводов в результате проникновении шлихты в структуру льняных комплексов подтверждается данными использования амилазно-пектиназной компо- 228 зиции. Нетрудно видеть, что при одинаковых значениях активности биокатализаторов однованный способ реализации технологии (вар. 9) обеспечивает увеличение показателей СКР, П и Н30 соответственно в 1,4; 3,2 и 1,5 раза относительно соответствующих значений для варианта 3**. При этом в серии экспериментов (варианты 4-9) прирост показателя гидрофильности ткани пропорционален увеличению активности ферментов каждой субстратной группы. Математическая обработка данных табл. 5.3 позволяет дифференцированно оценить влияние ферментативного удаления крахмальной шлихты, пектиновых веществ и десорбции масложировых примесей с помощью моющих веществ на капиллярность тканей. С учетом установленных закономерностей биокаталитического расщепления полимеров крахмала (уравнения 2.1, 2.2) и пектиновых веществ (3.2) совокупность результатов таблицы с достаточно высоким уровнем аппроксимации описана с помощью корреляционного уравнения: А А Н 17,5 0,0121 АЭНДО 0,0065 АЭКЗО 0,0270 ЭНДО ЭКЗО 9,5428 ПЭ АЭНДО АЭКЗО r = 0,9983 ПГЭНДО ПГЭКЗО (5.2). 0,9946 ПГЭНДО 0,9401 ПГЭКЗО 3,8125 0,3489 АЭНДО ПГЭНДО , ПГЭНДО ПГЭКЗО Выбранная форма зависимости удовлетворяет требованию единства размерности слагаемых в правой части уравнения. Получаемая при этом размерность активности ферментов (ед./мл) отражает каталитическую способность технологического раствора в расщеплении полиуглеводных примесных соединений, предопределяющем повышение гидрофильных свойств льняной ткани. Первый (свободный) член обобщенного уравнения (5.2) характеризует влияние удаления масложировых компонентов шлихты в процессе горячей промывки. Группа слагаемых в первых скобках отражает вклад действия амилаз на полимеры крахмальной шлихты, дислоцированной на поверхности нити и в межволоконных ее пространствах. Для описания деструкции полимерных примесей в структуре льняных комплексов волокнистого материала потребовалось дополнительно к характеристике каталитической способности пектолитических фер- 229 ментов (группа слагаемых во вторых скобках) ввести член, отражающий совместное воздействие амило- и пектолитических ферментов на гибридную фракцию полиуглеводов. При этом результаты раздельной обработки ферментными препаратами по вариантам 33** корректно описываются зависимостью (5.2) без введения последнего члена уравнения. Расчетные значения Н30 составляют (мм): вар.3 30,6; вар.3* - 39,9; вар.3** - 60,1. Дифференцированный анализ вклада компонентов экспериментальных полиферментных композиций по уравнению (5.2) позволил прояснить тенденции их влияния на изменение капиллярности ткани. Полученные результаты сведены в табл. 5.4. Таблица 5.4. Анализ составляющих изменения капиллярности льняной ткани в исследуемых вариантах биообработки Долевой вклад в изменение капиллярности ткани (Н, %) процессов № 1 2 3 3* 3** 4 5 6 7 8 9 деструкции полимеров эмульгирования масложировых веществ (промывка) шлихты пектинов 100 58,1 57,6 42,5 28,3 42,0 30,2 25,2 22,4 21,6 19,3 0 41,9 42,4 32,5 21,7 17,6 12,8 18,4 16,7 16,2 14,4 0 0 0 23,7 49,2 23,0 37,0 22,4 25,9 28,6 28,8 шлихты и пектинов 0 0 0 0 0 17,4 20,0 34,0 35,0 33,6 37,5 Примечание: номер применяемой полиферментной композиции соответствует табл. 5.3. Неизменная по абсолютной величине составляющая жировых примесей и замасливателей, удаляемых при промывке, в относительном выражении сни- 230 жается с 58 до 19 % по мере повышения активности ферментов и эффективности удаления полиуглеводных соединений. Это сопровождается симбатным увеличением вклада слагаемых уравнения (5.2) в первых и вторых скобках, отражающих соответственно интенсивность индивидуального извлечения гидрофобизирующих примесей крахмальной шлихты и полиуронидов. Вместе с тем определяющую роль в обеспечении гидрофильности ткани имеет совместное действие амило- и пектолитических ферментов на смешанную фракцию полимеров. Доля кооперативной составляющей в повышение капиллярности ткани для вариантов обработки 7, 9 с максимальными показателями активности ферментов достигает около 40 %. Таким образом, в ходе эксперимента выявлена специфика удаления загрязнений крахмальной шлихты и пектиновых примесей льняного волокна при биохимической подготовке льняных тканей с использованием амилазных и пектиназных препаратов, а также их полиферментных композиций. Разработанная математическая модель изменения капиллярности льняного полотна позволяет дифференцировать вклад индивидуального влияния амило- и пектолитических ферментов и совместного их действия для обеспечения комплексного разрушения гибридной фракции полимеров шлихтующей композиции и клеящего вещества в структуре льняных комплексов, а также определить предпочтительные уровни активности компонентов полиферментных систем для повышения технологической эффективности процесса биомодифицирования льняных текстильных материалов. 5.1.3. Экспериментальное обоснование состава полиферментной композиции и условий ее применения при подготовке и белении льняных материалов Одной из ключевых технологических проблем облагораживания льняных тканых полотен является обеспечение деструкции лигнина и обесцвечивания его хромофорных структур без использования экологически опасных хлорсодержащих окислителей. Представленные в литературе сведения [3, 94, 116, 238, 275-278] подтверждают возможность достижения эффектов делигнификации льняных 231 волокнистых материалов и применения бесхлорных биохимических режимов беления льняных тканей в альтернативу традиционному способу с многократным чередованием гипохлоритной и пероксидной окислительной обработок. Определяющим критерием для обоснования требуемой интенсивности проведения отбеливающей стадии и получения высокого уровня белизны полотна является содержание лигнина в суровой ткани, которое может значительно варьировать в зависимости от вида волокнистого сырья и способа его подготовки в прядильном производстве. Как показано в разделе 1.3, массовая доля лигнина в волокне может составлять от 1,7 до 4,3 масс.%. Вполне логично предположить, что при малом значении данного показателя решение задач повышения белизны материала можно обеспечить за счет выше показанных возможностей увеличения полноты биокатализируемого удаления примесей шлихты, что, во-первых, повышает доступность лигнина для воздействия пероксида водорода, во-вторых, уменьшает непроизводительные потери окислителя на деструкцию полимеров крахмала. Однако при переработке полотен из пряжи, содержащей более 3 масс.% лигнина, отказ от использования гипохлоритной обработки может быть проблематичным, и должен компенсироваться применением дополнительных методов инициирования делигнификации текстильного материала и разрушения хромофорных структур полимера. В этом случае вполне уместно использование развитого в главе 4 подхода к инициированию редокс-превращений лигнина с участием продуктов ферментативной деструкции полиуглеводных примесей льняного волокна. Необходимые для этого предпосылки создает проведение предварительной биорасшлихтовки в соответствии с рекомендациями подраздела 5.1.2. Приведенные на рис. 5.2 результаты анализа состава примесей в испытуемом образце ткани, сформированной из волокна после окислительной варки ровницы, позволяют определить основные источники генерации редуцирующих моносахаридов в ходе дальнейшего их ферментативного расщепления при подготовке тканых полотен. содержание полимерных примесей, масс. % 232 6 Рис. 5.2. Содержание примесей в суровой льняной ткани, полученной из пряжи после окислительной варки ровницы: 1 – крахмальная шлихта, 2 – гемицеллюлозы, 3 – лигнин, 4 – пектиновые вещества, 5 – белки, 6 – воска, 7 – зольные вещества. 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 Нетрудно видеть, что пектиновые вещества в силу малого их количества уже не могут выполнять роль потенциального поставщика необходимого количества редуцирующих агентов. Наибольшая массовая доля, по-прежнему, принадлежит гемицеллюлозным соединениям, которые способны дать высокоактивные формы низкомолекулярных альдоз. Вместе с тем обращает на себя внимание внушительное содержание искусственно привносимых в структуру волокнистого материала полисахаридов крахмальной шлихты, удаление которой, как показано выше, является одной из основных задач операции биоподготовки перед проведением беления тканых полотен. Оценка реакционной способности продуктов ферментативной деструкции полимеров крахмала на фоне сопутствующего разрушения естественных примесей льняного волокна проведена с соблюдением разработанной в разделе 4.3 последовательности осуществления научного поиска эффективно действующей полиферментной композиции. Отправной точкой является анализ редуцирующих свойств системы при воздействии состава для биорасшлихтовки и обеспечения гидрофильных свойств льняного полотна. С учетом указанного на рис. 5.2 содержания примесей в объекте воздействия и эффективности его обработки, оцениваемой по уравнению (5.2), профиль активностей базовой амилазно-пектиназной композиции характеризуется следующими показателями (ед./мл): АЭНДО = 9,2; АЭКЗО = 0,6; ПЭ = 1,5; ПГЭНДО = 10; ПГЭКЗО = 0,5. Для усиления осахаривающего действия системы, и, следовательно, повышения делигнифицирующего эффекта в базовую композицию 233 дополнительно вводили гомогенные (высокоочищенные) препараты амилазы, экзогалактозидазы и экзоксилозидазы, добавки которых обеспечивали показатели активности ГАЛЭКЗО = 0,4 ед./мл и КСЭКЗО = 0,3 ед./мл при увеличении суммарного уровня активности экзогенных амилолитических ферментов в модифицированной композиции АЭКЗО до 1,0 ед./мл. По аналогии с исследованием эффектов мацерационно- делигнифицирующего воздействия на льняную ровницу обработку ткани осуществляли в две стадии. При этом процесс биокатализируемой деструкции примесей в мокроотжатой ткани моделировали обработкой образца в растворе ферментов в течение 40 мин при температуре 40оС и рН 6,5 (стадия I) для контроля за протеканием деполимеризационных процессов по нарастанию числа концевых редуцирующих звеньев (CRED). Для моделирования и оценки возможностей активации редуцирующих агентов в условиях запарной обработки, осуществляли нагрев раствора до 98оС с изотермической выдержкой в течение 30 мин (стадия II), контролируя изменение окислительно-восстановительного потенциала системы. В качестве потенциального щелочного агента для достижения в нагретой жидкости рН 11 использован бикарбонат натрия в количестве 20 г/л. Данные рис. 5.3 отражают динамику постадийного накопления редуцирующих агентов и нарастания величины восстановительного потенциала (ОВП) при воздействии на ткань сопоставляемых полиферментных композиций. CRED, ммоль/л 22 стадия I биообработка ОВП, мВ стадия II термоактивация 20 1200 2 18 16 стадия I биообработка стадия II термоактивация 2 1000 800 14 600 12 1 10 1 400 8 200 6 4 0 2 , мин 0 0 20 40 60 80 , мин -200 0 20 40 60 80 а) б) Рис. 5.3. Изменение концентрации редуцирующих агентов (а) и восстановительного потенциала (б) при обработке ткани растворами базовой амилазнопектиназной (1) и модифицированной (2) полиферментной композиции 234 Анализ хода кривых 1 на обеих частях рисунка свидетельствует о преимущественном переходе в раствор олигомеров деструктируемых полимеров крахмала, что закономерно с учетом преимущественно декстриногенного характера действия амилаз базового состава. Как следствие, величина ОВП системы на первой стадии практически не меняется, и низкий темп ее нарастания при повышении температуры отражает ингибирующее влияние глюкопиранозных звеньев олигомерной цепочки на протекание реакций ретроальдольного распада. Увеличение накопления редуцирующих агентов на I стадии воздействия модифицированной полиферментной композиции (кр. 2 рис. 5.3а) преимущественно обусловлено осахаривающим действием амилазы, расщепляющей декстрины до мальтозы, которая, как свидетельствует дальнейший ход кривой, достаточно легко поддается ретроальдольному распаду на высокотемпературной стадии обработки. Как следствие, восстановительный потенциал системы достаточно быстро преодолевает уровень, необходимый для протекания редокспревращений лигнина, что отражается в замедлении роста и дальнейшем постепенном снижении показателей CRED и ОВП. Следует отметить, что при воздействии на ткань биокомпозиции, усиленной по отношению к базовой только добавкой амилазы, изменение контролируемых показателей практически совпадает с ходом кривых 2 на рис. 5.3. Фиксируемое суммарное увеличение показателя ОВП на стадии термоактивации редуцирующих агентов составляет 7…10 мВ, что не превышает точности измерения. Вместе с тем присутствие экзогенных ферментов галактозидазы, галактуроназы и ксилозидазы в модифицированной композиции оправдано необходимостью генерации сахаров в непосредственной близости с макромолекулами лигнина, то есть в одревеснелых межклетных образованиях связующих веществ льняного волокна, где полимерным окружением лигнина являются пектин и гемицеллюлозы. Ферментация низкомолекулярных продуктов из этих соединений с участием вышеуказанных экзогенных ферментов даст реагенты для атаки карбонильных группировок в структуре лигнина. При этом роль моносахаридов крахмала состоит в создании высокого уровня 235 восстановительного потенциала в растворе (применительно к реальным условиям запаривания – в микрованнах конденсационного слоя в структуре ткани) для преодоления энергетического барьера окислительно-восстановительной реакции. Исследование эффективности использования модифицированной ферментной композиции проведено с моделированием практически реализуемого варианта обработки, включающего пропитку раствором биопрепарата и лежку мокроотжатой ткани (стадия I) с последующим запариванием (стадия II). По аналогии с реализованными в разделе 3.2 методическими подходами изменение состояния лигнина оценивали по способности полимера к участию в реакциях сульфитирования (контроль по содержанию лигнина Класона) и пероксидного окисления (контроль по величине относительного снижения интенсивности поглощения диоксанлигнина при 280 нм ). Кроме того, для анализируемых образцов тканого полотна проведена оценка показателя белизны W. В табл. 5.5 приведены данные анализа для исходной суровой льняной ткани арт.07103 из ассортимента ОАО «Яковлевский льнокомбинат» и для вариантов ее обработки базовым расшлихтовывающим составом (образец «база») и модифицированной композицией (образец «проба»). Таблица 5.5. Влияние обработки льняной ткани базовой и модифицированной полиферментной композицией на повышение реакционной способности лигнина Образец ткани «исходный» «база» «проба» Лигнин Класона, масс. % 4,1 4,0 2,9 , ед. W, % – 1,20 1,89 63,6 72,6 84,3 Учитывая низкий уровень восстанавливающей активности системы, генерируемой при расщеплении полимеров расшлихтовывающим базовым препаратом, закономерно отмечаем, что его применение практически не изменяет содержание лигнина, не растворяющегося в 78%-ном растворе серной кислоты, определение которого осуществляем после завершения стадий ферментативной обработки. Это предопределяет низкую подготовленность полимера к окисле- 236 нию в последующем цикле беления ткани пероксидом водорода. В связи с низкой эффективностью деструкции хромоформых структур лигнина, что подтверждается малым приростом приведенного показателя I280, получение высоких значений белизны тканого полотна не обеспечивается. В то же время проведение многофункциональной ферментативной обработки с использованием модифицированной композиции позволяет снизить значения показателя лигнин Класона в 1,4 раза относительно исходного уровня для сурового полотна. В 4,5 раза возрастает прирост реакционной способности полимера по отношению к пероксиду водорода в сравнении с результатом базовой обработки. В сопоставлении с вариантом предварительной биорасшлихтовки («база») это обусловливает увеличение в 2,3 раза прироста показателя белизны ткани с выходом на уровень нормативных требований ГОСТ 10138-93 . Экспериментальная проверка применимости разработанной полиферментной композиции для подготовки льняных тканей Полифан ЛТ проведена в условиях ОАО «Вологодский текстиль» (акт испытаний в приложении 3). Для подготовки «серого» ассортимента тканей, сформированных из мягкого волокна с низким содержанием лигнина, осуществлена производственная апробация способа ферментативной обработки без осуществления пероксидного беления (проба 1) относительно классического режима расшлихтовки щавелевой кислотой (кисловка). Для отбеливаемого ассортимента льняных тканей из пряжи с вложением грубых видов волокна, характеризующихся высокой степенью одревеснелости, реализован сокращенный способ ферментативно-пероксидной подготовки (проба 2) по патенту [279], эффективность которого сопоставлена с традиционным режимом гипохлоритно-перекисного беления (ГПБ). Технологические параметры обработок представлены в разделе П1.5.3 приложения 1. Совокупность приведенных в табл. 5.6 экспериментальных данных для полотна арт. 584 позволяет оценить эффективность замены стадии расшлихтовки ткани щавелевой кислотой на двустадийную энзимную обработку для выпуска «серого» ассортимента. Согласующееся с результатами лабораторных испытаний 237 увеличение степени удаления шлихты (в 1,45 раза) и пектинов обусловливает повышение гидрофильных свойств ткани. Зафиксированное снижение содержания кислотонерастворимого лигнина демонстрирует эффективность разрушения его жесткосшитых структурных образований, что закономерно приводит к снижению в 1,2 раза показателя жесткости серого полотна. Восстановление ауксохромных карбонильных группировок лигнина и перевод в растворимое состояние флавонолов (см. раздел 4.3) обеспечивает повышение показателя светлоты полотна на 12,3 %. Таблица 5.6. Сопоставление качественных показатели подготовки льняных тканей с использованием существующих химических и биохимических технологий Наименование показателя CКР, % лигнин Класона, масс.% H30, мм (светлота*) белизна, % жесткость ткани, мкНсм2 разрывная нагрузка, Н: - по основе - по утку разрывное удлинение, мм: - по основе - по утку Качество подготовки льняных тканей по сопоставляемым технологическим режимам арт. 584 арт. 590 кисловка проба 1 ГПБ проба 2 60 3,1 62 (46,8*) 1993 87 2,5 83 (59,1*) 741 65 0,20 90 84,5 4740 99 0,28 92 84,2 946 91 90 92 89 82 77 84 78 13 12 14 12 6 10 10 12 В случае обработки отбеливаемого ассортимента тканей (арт. 590) ферментативно-пероксидный способ позволяет не только повысить степень расшлихтовки в 1,3 раза, но и обеспечить необходимую делигнификацию волокна сопоставимую с эффективностью использования хлорсодержащего окислителя. Остаточное содержание в материале лигнина Класона, достигая довольно низкого уровня, предопределяет получение высокого значения белизны. При этом по сравнению с результатом гипохлоритно-пероксидной обработки обеспечивается значительное (в 4,7 раза) снижение показателя жесткости. Улучшены прочностные ха- 238 рактеристики ткани: снижение разрывной нагрузки относительно суровья уменьшено в 3,3 раза при увеличении разрывного удлинения в 1,4 раза. Наряду с улучшением качественных характеристик отбеленных тканей следует отметить повышение экологических показателей производственного процесса и получаемой продукции, а также сокращение общей продолжительности технологического цикла в 2,5 раза, что обусловливает снижение затрат тепловой и электрической энергии в 1,4 раза. Таким образом, результаты исследований, анализируемых в данном разделе диссертационной работы, подтверждают реализуемость развиваемого научнометодического подхода совершенствования биохимических методов переработки и в технологическом цикле подготовки тканых полотен, в основу которого положен целенаправленный подбор состава биокатализатора в зависимости от гетерополимерного состояния модифицируемого волокнистого материала и спектра технологических задач на различных этапах облагораживания текстильных материалов. Применение композиций амило- и пектолитических ферментов, оптимизированных с учетом научно-обоснованных закономерностей последовательного и совместного воздействия энзимов для достижения необходимого уровня капиллярности и степени деструкции лигнина, и условий проведения ферментативной деструкции полисахаридных примесей в сочетании с действием окислителей на стадии подготовки и беления тканых полотен позволяет обеспечить комплексное повышение качества материалов, вырабатываемых из отечественного льняного сырья. При этом развиваемые ферментативные подходы делигнификации могут иметь самостоятельное значение для придания тканям важных потребительских свойств, традиционно осуществляемого в процессах заключительной отделки льняных полотен. 239 5.2. Новые эффекты биомодификации льняного волокна в процессах специальной отделки тканей и текстильных изделий Как отмечено разделе 1.3, среди различных видов специальной отделки льняных тканей на завершающей стадии облагораживания имеется особая операция - мягчение, направленная на преодоление природной жесткости льняного волокна, что, в частности, является существенным недостатком продукции из отечественного льняного сырья. Жесткость тканых полотен, безусловно, зависит от многих факторов, в том числе от структурных параметров, к числу которых относятся линейная плотность пряжи, вид и плотность переплетения и др. Но, прежде всего, избыточную жесткость связывают с присутствием в волокнистом материале лигнина, в связи с чем на его извлечение направлены многостадийные химические воздействия. Анализ литературных данных (см. рис. 1.17) действительно позволяет проследить тенденцию к снижению показателя жесткости EI при извлечении полимера из структуры волокнистого материала. Однако разброс показателя EI очень велик, особенно для тканей с малыми значениями массовой доли лигнина. Это позволяет предполагать о наличии дополнительных факторов, определяющих совокупный результат изменения жесткости льняного тканого полотна. Уместно заметить, что при анализе свойств чесаного льняного волокна (рис. 1.6) и льняной пряжи (рис. 3.1) на зависимостях изменения гибкости материалов от содержания в них лигнина имеются технологические оптимумы. Причем величина данного показателя определяется не только присутствием лигнина, но также зависит и от массовой доли полиуглеводных примесей. Это позволяет предполагать о возможном их влиянии и на деформационные свойства ткани. В литературе роль полисахаридов в изменении жесткости льняных тканых полотен не обсуждается. Впервые проведенное в настоящей работе исследование влияния компонентов гетерополимерной системы льняного волокна на упруго-деформационные свойства тканых полотен не только согласуются с разработанной концепцией совершенствования биохимических технологий переработки льняных текстильных материалов и логично замыкают спектр решений для всей технологической цепоч- 240 ки, но и вносят вклад в развитие современных представлений о физической химии полимеров природных растительных волокон и методах регулирования их взаимодействия для повышения потребительских свойств текстильной продукции. 5.2.1. Выявление зависимости «состав-свойство» для регулирования жесткости тканых льняных полотен Для дифференцированной оценки влияния полимерных примесей льняного волокна на жесткость ткани проведены [280] модельные эксперименты с использованием охарактеризованных в подразделе П1.5.4 приложения 1 приемов селективного извлечения полимеров из сурового «серого» полотна арт. 07103 с исходным содержанием лигнина (Л) и гемицеллюлоз (Гц) соответственно 5,1 и 8,4 масс.%. Оценку жесткости материала осуществляли консольным методом в соответствии с ГОСТ 10550-93. На рис. 5.4 проиллюстрированы экспериментальные значения показателя жесткости (EI) для двух серий образцов. Варьирование содержание лигнина при сохранении начальной величины Гц показано на образцах исходной ткани, подвергнутых в течение разных промежутков времени экстракционной обработке диоксаном. Влияние селективного разрушения гемицеллюлоз продемонстировано на образцах ткани, предварительно подвергнутой делигнифицирующей обработке диоксаном для выхода на Л = 3,5 масс.%. 8000 EI, 2 мкНсм Рис. 5.4. Влияние селективного извлечения лигнина (Л) и гемицеллюлоз (Гц) на изменение жесткости (EI) льняной ткани 6000 4000 Гц Условия селективного извлечения полимеров: Л – диоксан при содержании в волокне Гц=8,0 ± 0,05 масс.%; Л Гц – раствор ацетатного буфера при содержании Л=3,5 ± 0,05 масс.%. 2000 0 8 6 4 2 содержание примесей, масс.% 0 241 Представленные данные демонстрируют снижение жесткости льняной ткани при удалении лигнина до достижения остаточного его содержания в волокне 1,5 масс.%. Дальнейшая делигнификация сопровождается повышением жесткости полотна, достигая при Л = 0,2 масс.% 4-кратного приращения показателя. Очевидно, ниспадающая ветвь обусловлена удалением лигнина из остатков одревеснелых межклеточных образований в структуре не полностью расщепленных льняных комплексов, а возрастающая – разрушением лигноуглеводного комплекса клеточной стенки элементарных волокон, обеспечивающего их аморфизацию [281]. При селективном извлечении гемицеллюлоз вслед за небольшим понижением показателя EI в области Гц = 7,5…7 масс.% наблюдается существенное возрастание жесткости ткани. При остаточном содержании гемицеллюлоз в волокне на уровне 2 масс.% величина EI соизмерима с величиной показателя для образцов с высоким содержанием лигнина. Логично предположить, что специфика влияния гемицеллюлоз обусловлена разветвленным строением их макромолекул и осуществлением межцепных взаимодействий с соседними полимерами посредством образования Н-связей с участием звеньев в боковых ответвлениях. Благодаря этому разветвленные полисахариды обеспечивают сегментальную подвижность фрагментов фибриллярной и межволоконной структуры волокнистого материала при наложении изгибающих и растягивающих усилий. Избыточное извлечение гемицеллюлоз приводит к образованию множественных Н-связей между макромолекулами целлюлозы. При этом совокупная энергия межцепных взаимодействий настолько велика, что они не нарушаются в условиях деформационных воздействий, в частности изгибающих усилий, а при наложении значительных нагрузок возможен разрыв полимерных цепей, о чем свидетельствуют выявленные [173] закономерности снижения разрывной нагрузки и разрывного удлинения льняной пряжи при низком содержании в волокне нейтральных полисахаридных примесей. Полная совокупность результатов оценки влияния исследуемых полимерных примесей на жесткость испытуемых образцов ткани приведена в табл. 5.7. 242 Таблица 5.7. Зависимость уровня жесткости льняной ткани от содержания в волокне лигнина и гемицеллюлоз Показатель жесткости ткани (мкН·см2) при содержании в волокне полимеров лигнина, гемицеллюлозных соединений, масс. % масс.% 8,4 7,4 7,1 6,5 5,9 4,6 3,4 2,2 5,1 7365 7974 8135 8689 9164 10480 4,4 5031 5087 5153 5438 5810 6680 3,5 2957 2549 2480 2550 2687 3468 4541 6120 2,7 1408 1160 1035 989 1212 1890 2895 4202 2,1 672 538 522 503 632 1158 1892 2756 1,5 429 400 386 357 486 871 1529 2242 1,1 571 531 510 415 552 1172 2356 3470 0,2 1294 1082 1022 996 1323 2103 3327 4774 Анализируя общий массив экспериментальных данных, следует обратить внимание, что кривая варьирования содержания гемицеллюлоз при Л = 3,5 масс.% вынесена на рис. 5.4 не случайно. Лишь с этого максимального уровня массовой доли лигнина начинает проявляться экстремум зависимости EI =f (Гц). Примечательно, что по мере снижения содержания лигнина величина Гцmin смещается в сторону меньших значений. Это представляется вполне закономерным, поскольку увеличение доли жестких лигнинсодержащих фрагментов в структуре волокна требует большего компенсирующего влияния разветвленных цепей нейтральных полиуглеводов. По-видимому, минимум на концентрационной кривой EI =f (Гц) при Л = 5,1 масс.% находится в области больших значений содержания гемицеллюлоз. Проведение математической обработки данных [282] с использованием методов регрессионного анализа позволило получить адекватную модель «состав – свойство», которая позволяет оценить индивидуальный вклад компонентов гетерополимерной системы льняного волокна в изменение жесткости ткани и имеет вид полиномиальной функции второй степени по каждой переменной: EI 7527,4 1935,8 Л 774,3 Л 2 1535,1Гц 113,7 Гц 2 , r 0,9822 . (5.3) Для обоих видов полимерных примесей в уравнении имеются члены, характеризующие разнонаправленность их влияния на изменение показателя жесткости. Для лигниновой компоненты квадратичный и линейный переменные уравнивают 243 друг друга при Л = 2,5 масс.%. В интервале более высоких значений уменьшение жесткости материала при снижении содержания лигнина обусловливается преимущественными изменениями квадратичного члена уравнения. Показатель EI продолжает снижаться и при дальнейшем уменьшении массовой доли лигнина за счет преобладающего вклада линейного члена функции. Однако снижение продолжается только до значения Л = 1,25 масс.%, ниже которого величина суммарного вычитаемого вклада лигниновой компоненты начинает сокращаться, обращая эффект глубокой делигнификации в негативный результат повышения жесткости ткани. Аналогичный анализ вклада гемицеллюлоз показывает, что этот вид полимерных примесей также может обеспечивать резкое приращение жесткости, но за пределами экспериментально исследуемого интервала - при значении Гц= 13,5 масс.%, когда квадратичный и линейный члены уравновешивают друг друга. Физическая модель этого случая предполагает интенсивное отложение на поверхности льняных комплексов инкрустирующих образований. Но после минимума при Гц = 6,75 масс.% вычитаемый совокупный вклад от уменьшения данной переменной сокращается, и показатель жесткости начинает возрастать. Свободный член уравнения, по-видимому, отражает вклад целлюлозного каркаса волокнистого материала и структурных параметров полотна, и его величина может меняться при переходе на другой артикул ткани. Однако соотношение вклада примесей лигнина и гемицеллюлоз, реализующих материалистический принцип единства и борьбы противоположностей, останется неизменным. Разработанная математическая модель «состав – свойство» позволяет определить условия обеспечения наименьшего уровня жесткости льняной ткани: технологический оптимум остаточного содержания лигнина и гемицеллюлоз должен составлять соответственно 1,0…1,5 масс.% и 6,5…7 масс.%. Правомерность проведения модельного варьирования содержания примесей и адекватность зависимости (5.3) демонстрируют представленная в табл. 5.8 совокупность данных для реальных объектов, различающихся условиями подготовки волокна к прядению и режимами обработки тканого полотна. 244 Таблица 5.8. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений жесткости льняных тканей с различными технологическими режимами подготовки Арт. Режим ткани подготовки 01057 04303 1 Содержание в волокне, масс.% Л 0,1 Гц 0,1 5,1 6,3 Показатель жесткости, мкН·см2 EIРАСЧ EIЭКСП 8488 8593 2 3,1 4,3 2880 2890 3 0,2 2,0 4490 4621 4 2,5 8,0 722 721 5 0,3 6,5 1005 931 Влияние факторов структурной организации тканых полотен максимально снижено за счет сопоставления образцов двух видов ткани арт. 01057 («серое» полотно) и арт. 04303 (отбеливаемый ассортимент) из пряжи одинаковой линейной плотности (56 Текс), одного (полотняного) переплетения и близкой поверхностной плотности (соответственно 198 и 235 г/м2). Различие полимерного состава тканых полотен прослежено на переходах их подготовки по существующим химическим и экспериментальным биохимическим режимам, которые в соответствии с нумерацией в табл. 5.8 включают: 1- щелочная варка ровницы, расшлихтовка щавелевой кислотой (арт. 01057); 2- окислительной варки ровницы, расшлихтовка щавелевой кислотой (арт. 04303); 3- окислительной варки ровницы, гипохлоритно-пероксидное беление; 4- биохимическая подготовка ровницы, расшлихтовка Полифаном ЛТ (арт. 04303); 5- образец 4 + пероксидное беление. Прежде всего, отметим положительные результаты верификации модели, отклонения расчетных и экспериментальных значений показателя жесткости не превышают 3 % при 95%-ном доверительном интервале. Вместе с тем первоначально полученные экспериментальные данные, казалось, не имеют логических объяснений. Не вызывала сомнений только максимальная величина показателя EI для образцов ткани арт. 01057 из вареной пряжи, что связывалось с повышенным содержанием лигнина. Однако превышение жесткости ткани арт. 04303 после проведе- 245 ния гипохлоритно-пероксидного беления, обеспечивающего глубокую деструкцию лигнина, над величиной показателя EI для расшлихтованного образца представлялось хоть и достоверным, но малопонятным экспериментальным фактом. Сопоставление фактических характеристик материалов с выявленными в модельных экспериментах оптимальными значениями Л и Гц позволило прояснить результаты исследования и трактовать повышение жесткости ткани после ее беления, как неизбежный неблагоприятный результат сопутствующего извлечения из волокна разветвленных нейтральных полиуглеводов. Фактически получается, что минимальную жесткость волокнистый материал имел в подготовленной ровнице, несмотря на неоптимальное соотношение значений Л и Гц. Даже воздействие расшлихтовывающего раствора щавелевой кислоты, катализирующей гидролиз гемицеллюлоз, повышает уровень жесткости. Воздействие щелочных растворов окислителей усугубляет результат, что побуждает необходимость проведения специальной умягчающей отделки тканей на заключительной стадии цикла облагораживания. Поскольку обработка специальными вспомогательными препаратами позволяет вернуть льняной ткани утраченную мягкость (гибкость) логично предположить, что функции мягчителей заключаются в восполнении недостатка нейтральных полиуглеводов в волокне. Этому предположению получено экспериментальное подтверждение на примере обработки льняных тканей, охарактеризованных в табл. 5.8, препаратом Отексин КС. На рис. 5.5 приведены данные изменения показателя жесткости образцов испытуемых тканей при варьировании количества нанесенного мягчителя от 0,4 до 1 масс.%. Нетрудно видеть, что точки концентрационной зависимости для всех тканей удовлетворительно аппроксимируются с величинами показателя для исходных неумягченных образцов. Высокое содержание лигнина в образце 1 не удается эффективно компенсировать даже при введении 1 масс.% мягчителя: показатель EI уменьшается в 1,24 раза, но остается на достаточно высоком уровне. Из этого можно сделать заключение, что вводимый мягчитель не оказывает воздействия на зоны одревеснения волокна. 246 E I, 2 10000 мкНсм 1 3 1000 2 5 4 Рис. 5.5. Влияние количества нанесенного мягчителя Отексин КС на изменение жесткости образцов льняных тканей 1 5 (в соответствии с нумерации режимов подготовки ровницы и тканых полотен в табл. 5.8) 100 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 cодержание мягчителя, масс.% Образцы тканей, подвергнутые делигнифицирующим воздействиям, более чувствительно реагируют на изменение количества введенного мягчителя Отексин КС. Максимальная амплитуда отклонения показателя EI (более 3400 мкНсм2) зафиксирована для образца 3, волокнистый материал которого прошел циклы окислительной варки в ровнице и гипохлоритно-пероксидного беления в полотне. Высокий уровень делигнификации волокна предопределяет, что в достигнутом к моменту заключительной отделки структурном состоянии материала его жесткость может определяться интенсивностью межцепных взаимодействий между линейными участками макромолекул, чему способствует удаление сильно разветвленных гемицеллюлоз. При условии разрушения жесткосшитых структур лигнина в межклетных одревеснениях воспрепятствовать межцепным взаимодействиям полимеров в волокне могут прослойки веществ, способных блокировать (сольватировать) функциональные группировки волокнообразующего полимера. Полученные зависимости для образцов 2, 4 и 5 свидетельствуют, что повышение сохранности гемицеллюлоз в волокне сокращает эффективность действия мягчителя, подтверждая тем самым наличие в исходном материале определенного уровня подвижности структурных фрагментов, позволяющей перераспределить нагрузку изгибающего усилия. Таким образом, можно заключить, что функция мягчителей заключается в осуществлении расклинивающего действия их мицелл на структуру волокнистого 247 материала и препятствие образованию плотной сетки множественных водородных связей между макромолекулами целлюлозы как на межфибриллярном, так и на межволоконном уровне. Правомочность сделанного предположения подтверждают результаты математической обработки всей совокупности результатов эксперимента. Получена зависимость «состав-свойство», которая отражает специфику совместного влияния полимерных спутников льняной целлюлозы и применяемых мягчителей. Для варианта использования препарата Отексин КС она имеет вид: EI 7877 ,1 1942 ,1Л 775,6 Л 2 1534,9 Гц 115,5 Гц 2 2 От От r 0,9730 . 202,6 15,6 Гц Гц , (5.4) В данной математической модели влияние Отексина КС отражено в виде отношения его концентрации к величине остаточного содержания нейтральных полисахаридов. Это позволяет сооценить вклад препарата в изменение жесткости волокна с учетом действия гемицеллюлоз, поскольку именно их избыточное удаление, на наш взгляд, является основной причиной недостаточной мягкости ткани после гипохлоритно-пероксидного беления. Предлагаемая зависимость демонстрирует, что чем ниже концентрация гемицеллюлоз в волокнистом материале, тем выше необходимость и эффективность введения мягчителя. При этом использование модели (5.4) позволяет на основании данных полимерного состава волокна в тканых полотнах, прошедших цикл подготовительных операций, оптимизировать расход мягчителя на стадии заключительной отделки. Результаты проведенных исследований позволяют утверждать, что рациональное построение биохимических процессов облагораживания льняных материалов по патентам [267, 279], позволяющих осуществлять деструкцию клеящей основы связующих веществ и жесткосшитых лигнинсодержащих одревеснений с сохранением гемицеллюлозных соединений, может обеспечить достижение высокой мягкости ткани и без использования дополнительной операции специальной умягчающей отделки. Анализируя ход кр. 5 на рис. 5.5, можно отметить как, безусловно, положительный результат, что положение исходной точки для неумягченного 248 биомодифицированного материала уже находится ниже уровня образцов, обработанных мягчителем после традиционной совокупности операций химической подготовки. Вместе с тем наблюдаемое понижение показателя EI по мере увеличения концентрации мягчителя свидетельствует о неоптимальном состоянии волокнистого материала, что, на наш взгляд, является результатом интенсивной деструкции лигнина, затрагивающей и зоны клеточной стенки элементарного волокна. Повидимому, здесь необходим и возможен поиск компромиссных концентрационновременных условий проведения стадии пероксидного беления в цикле ферментативно-пероксидной подготовки льняных тканей для получения необходимого уровня белизны полотна при максимальном сохранении его мягкости. Несомненным преимуществом получения биомодифицированных льняных тканей является высокая стабильность показателя жесткости в условиях эксплуатационных обработок. В табл. 5.9 приведены результаты сопоставления эффекта биомодификации с качеством умягчающей отделки традиционными химическими мягчителями. Для исключения влияния структурных параметров тканого полотна эксперименты проведены на одной ткани арт. 04303 из волокна, подготовленного в прядении по технологии окислительной варки. Таблица 5.9. Влияние способа снижения жесткости льняной ткани на устойчивость эффекта мягчения к бытовым обработкам Технологии гипохлоритнопероксидное беление, умягчающая отделка (жесткость отбеленой ткани 4691 мкН/см2) ферментативнопероксидный способ беления Умягчающий препарат Жесткость ткани, EI 5, мкНсм2 в готовом виде после однократ- после пятикратной ной стирки стирки Персофталь 1074 1631 2058 Отексин КС 1238 1460 2308 Трацкан К 1100 1842 2091 Велан 1039 1430 2203 Неонол 9/10 1628 2115 2985 925 929 923 249 Обработку мягчителями осуществляли для образцов после гипохлоритно-пероксидного беления (привес 1 масс.%). Ткань после подготовки по ферментативно-пероксидному способу [279] с использованием полиферментной композиции Полифан ЛТ дополнительному мягчению не подвергалась. Результаты анализа показали, что применяемые на предприятиях умягчающие препараты в целом обеспечивают решение технологической задачи, но с разной степенью эффективности снижают жесткость ткани в 3…4,5 раза. Рассмотренный ранее Отексин КС не является лучшим по уровню показателя готовой ткани, но демонстрирует неплохую устойчивость к десорбции в процессе бытовых стирок, что отражается в повышении показателя EI. Тем не менее, вымываемость характерна для всех препаратов и является объективным недостатком используемых химических методов умягчающей отделки. Жесткость ткани после 5 стирок практически удваивается. На этом фоне технология ферментативно-пероксидного беления ткани дает позитивно отличающийся результат даже в случае неоптимального варианта подготовки волокна в прядильном производстве. Превзойдя лучшие результаты химического мягчения, ткань сохраняет низкий показатель жесткости в течение многократных стирок. Это позволяет квалифицировать полученный технологический результат как н о в ы й к а ч е с т в е н н ы й у р о в е н ь получаемой продукции – эффект перманентного мягчения, т.е. устойчивого к бытовым обработкам изделия в ходе его эксплуатации. Как свидетельствуют данные рис 5.6, изменение упруго- деформационных свойств льняных тканей при достижении эффекта биохимического перманентного мягчения проявляется и в других потребительских характеристиках, в частности в улучшении драпируемости ткани. Контроль изменения упруго-деформационных свойств оценивали по двум основным показателям дапируемости: коэффициент драпируемости КД и величина отношения осевых линий проекции образца в направлении основных и уточных нитей В/A. Методы оценки анализируемых показателей приведены в подразделе П1.6.15 приложения 1. 250 Рис. 5.6. Сопоставление показателей драпируемости льняной ткани биомодифицированной (1) и обработанной мягчителями (2–6): 2- Персофталь; 3- Трацкан К; 4- Велан; 5- Неонол 9/10; 6- Отексин КС Данные рис. 5.6 наглядно демонстрируют, что в сравнении с использованием традиционных мягчителей способ биохимического перманентного мягчения позволяет повысить уровень коэффициента драпируемости в 1,4…2 раза. При этом величина показателя В/A сокращается в 1,4…1,6 раза, что свидетельствует о существенном улучшении равномерности образования драпируемых складок в направлениях основных и уточных нитей. Важно отметить, что предлагаемый подход к умягчению льняных волокнистых материалов имеет принципиальные преимущества в сравнении с аналогами [3, 197], предусматривающими применение для снижения жесткости тканей целлюлолитических ферментных препаратов. Представленные в работе [197] данные показали, что вопреки декларируемому тезису о высокой сохранности основного волокнообразующего полимера применение целлюлаз приводит к ухудшению прочностных характеристик полотна, которое признаются автором как технологически допустимое отклонение в пределах требований к готовой продукции. Более важной характеристикой потребительских свойств тканей, отражающей потери прочности материала в процессе длительной эксплуатации готового изделия, является величина износостойкости. В связи с этим 251 проведена комплексная оценка альтернативных вариантов снижения жесткости льняных тканей по изменению их механической устойчивости как в условиях полуцикловых испытаний, так и при многоцикловых воздействиях истирающих нагрузок. Результаты анализа свойств для испытуемых образцов ткани арт. 04303 суммированы в табл. 5.10. Таблица 5.10. Влияние способа снижения жесткости льняной ткани на показатели механической прочности Технологии гипохлоритнопероксидное беление, умягчающая отделка ферментативнопероксидный способ беления Модифицирующий препарат Устойчивость к истиранию, количество циклов – Разрывная нагрузка, Н основа уток 13317 897 861 Персофталь 17350 869 844 Отексин КС 17565 863 839 Трацкан К 17425 865 840 Велан 17214 859 835 Неонол 9/10 Целловеридин Г20х [197] 17116 856 842 9533 705 675 Полифан ЛТ 15955 915 892 Представленные данные свидетельствуют, что традиционная обработка мягчителями, незначительно снижая разрывную прочность текстильного материала, способствует повышению стойкости ткани к истиранию в 1,29…1,32 раза. Первое, по-видимому, связано с ослаблением межцепных взаимодействий полимеров в структуре материала, а второе – с проявлением наносимыми вспомогательными веществами функций смазки и уменьшением фрикционных свойств умягченной ткани. На этом фоне применение целлюлазного препарата существенно проигрывает: даже если признать снижение разрывной нагрузки в 1,25 раза допустимым отклонением, стойкость к истиранию падает в 1,4 раза. Реализация ферментативно-пероксидного беления льняной ткани, обеспечивая достижение эффекта перманентного мягчения, уменьшает потери механической прочности полотна в подготовительном цикле благодаря сокраще- 252 нию количества стадий и длительности воздействия агрессивных реагентов, а также повышению сохранности гемицеллюлозных соединений. Последние, прежде всего, страдают при воздействии препарата целловеридин, поскольку, они расщепляются не только присутствующими в составе препарата специфическими видами гемицеллюлаз, но и -глюканазой (или целлюлазой), являющейся ключевым компонентом целлюлазного МЭК. Как отмечалось в разделе 2.2, каталитическая активность -глюканазы не ограничивается действием на неразветвленные макромолекулы целлюлозы, а проявляется и в отношении разветвленных -глюканов, составляющих основу гемицеллюлозных соединений. Повышение износостойкости биомодифицированных льняных полотен проявляется в меньшей степени по сравнению с отработкой мягчителями, однако это является лишь сопутствующим эффектом и полярно отличающимся от аналогов по принципу достижения основного технологического результата. В целом можно констатировать, что обоснование условий биохимической обработки тканых льняных полотен позволяет реализовать новый вид их специальной отделки перманентного мягчения, который обеспечивает комплексное улучшение упруго-деформационных свойств материала и потребительских характеристик льняных изделий. 5.2.2. Обоснование способа получения и исследование свойств тканых льняных полотен с ворсовой фактурой Практическое воплощение разработанных физико-химических основ пространственно локализованной ферментативной деструкции полимерных спутников льняной целлюлозы открывает новые возможности регулирования структурного воздействия ферментов в льняном волокнистом материале на уровне лигноуглеводного комплекса клеточной стенки элементарного льняного волокна, что позволяет обеспечить получение оригинальных поверхностных эффектов изменения фактуры тканого полотна с формированием начесного ворса. Обычно выпускаемые текстильной промышленностью льняные ткани имеют гладкую фактуру, которая характеризуется равномерной, однообразной поверхностью по всей площади и чаще всего образована полотняными переплетениями. 253 Традиционные технологические режимы их отделки не позволяют проводить ворсование полотна, что широко применяется при производстве текстильной продукции из хлопка и шерсти и расширяет ее ассортиментный выбор. Применение изоформ ферментов с размером глобулы менее 10 нм позволяет обеспечить их проникновение в клеточную стенку элементарных волокон и катализировать процессы локализованной деструкции лигноуглеводного комплекса между макрофибриллами целлюлозы. Механизм получения ворсовой фактуры льняных тканей схематически изображен на рис. 5.7. Биохимическое расщепление лигноуглеводного комплекса клеточной стенки может быть осуществлено с точечным воздействием композиции ферментов лишь на участки элементарных волокон, выступающих на опорную поверхность тканого полотна, что позволяет подготовить льняную ткань для обработки на игловорсовальном оборудовании. При этом на обрабатываемом участке (вид «а») происходит деструкция компонентов межфибриллярных связующих веществ и распад клеточной стенки на макрофибриллярные целлюлозные кластеры (вид «б»), разрушаемые в поперечном направлении при воздействии гарнитуры ворсовальных машин с образованием равномерного слоя неориентированного ворса (вид «в»). Рис. 5.7. Механизм получения ворсовой фактуры льняных тканей: 1 – макрофибриллы целлюлозы; 2 – межфибриллярный лигноуглеводный комплекс связующих веществ Тонкие элементы макрофибрилл, сохраняющие свое конформационное строение в виде концентрической спирали, придают застилу специфическую мягкость и упругость. В то же время закрепленные в пряже нерасщепленные концы волокон предупреждают их высыпание из ткани. 254 Техническая схема реализации данного вида обработки предполагает использование методов маломодульного поверхностного нанесения раствора полиферментной композиции, например, в виде вспененных составов, выдержки материала 30…40 мин при температуре 255оС и запаривания в течение 5…7 мин. При обосновании состава полиферментной композиции учтены сведения о строении комплексного и элементарного льняных волокон, о составе и распределении в них нецеллюлозных полимеров, а также о предполагаемой направленности действия ферментов в структуре полимерного матрикса клеточной стенки. Для эффективного воздействия на компоненты лигноуглеводного комплекса клеточной стенки состав мацерационно-делигницифирующей композиции (см. табл. 4.5) целесообразно дополнить эндогенными ферментами галактаназы и ксиланазы (см. табл. 2.1), а также экзогенной -L-арабинофуранозидазой, отщепляющей боковые звенья арабинозы в арабиноксиланах и арабиногалактанах и тем самым способствующей биокатализируемой деполимеризации последних. Получение ферментов в необходимой наноразмерной форме обеспечивает использование бактериальных продуцентов. Размер наночастиц гидрозолей белковых катализаторов контролировали с использованием метода динамического светового рассеяния (см. рис. 2.1). С учетом малого количества наносимого раствора биопрепарата на текстильный материал (20…40 мл/м2) необходимо использование относительно высокой концентрации белковых катализаторов. Профиль каталитических свойств полиферментной композиции для подготовки к ворсованию льняных полотен Полифан ВЛ представлен в табл. 5.11. Поскольку в данном варианте ферментативной обработки льняной ткани оценка действия полиферментной композиции по общему содержанию полимеров в волокне и по изменению их вязкости не показательна, проведен анализ влияния условий биомодификации полотна на его качественные характеристики. Наиболее значимыми в этом случае являются изменения тактильных ощущений, связанных не столько с механическим поведением поверхности полотна, сколько с упруго-эластическими свойствами выступающих ворсовых фрагментов и улучшением контакта с телом человека. 255 Таблица 5.11. Характеристика каталитических свойств растворов биопрепаратов для подготовки льняных тканей к ворсованию Полифан ВЛ Ферменты эндополигалактуроназа пектинэстераза экзополигалактуроназа эндо-1,3(4)--эндогалактаназа экзо--галактозидаза эндо-1,3(4)--эндоксиланаза экзо-1,3(4)--экзоксилозидаза -L-арабинофуранозидаза Активность обозначение диапазон значений, ед./мл ПГЭНДО 15…40 ПЭ 1,5…7,5 ПГЭКЗО 0,4…2,5 ГАЛЭНДО 15…25 ГАЛЭКЗО 0,8…1,7 КСЭНДО 20…35 КСЭКЗО 0,7…1,5 АРА 12…20 Наряду с органолептической оценкой фактуры ворсованных полотен использованы инструментальные методы контроля технологических и потребительских свойств материала. Результаты измерений для двух артикулов тканей, различающихся показателями поверхностной плотности полотна и линейной плотности пряжи, представлены в табл. 5.12. Таблица 5.12. Результаты инструментальной оценки качества ворсования льняных полотен Артикул Образец без ворсования 00035 24708 основа уток Устойчивость к истиранию, количество циклов 840 772 13830 Высота ворса*, мм Разрывная нагрузка, Н ворсованный без подготовки ворсованный после биомодификации 820 750 8883 0,38 835 764 15580 без ворсования 903 883 15365 885 830 10664 0,59 894 855 17625 ворсованный без подготовки ворсованный после биомодификации Приложение: высота ворса для традиционного ассортимента ворсовых тканей: фланель х/б– 0,56 мм; байка х/б – 0,91 мм; сукно п/ш– 2,25 мм. Количественная оценка состояния ворсового застила на полученных образцах ткани проведена с использованием оригинального компьютеризирован- 256 ного метода на основе обработки сканированного изображения, разработанного сотрудниками Ивановской государственной текстильной академии (в настоящее время Текстильного института Ивановского государственного политехнического университета) [283]. Настройки распознающих программ позволяют фиксировать не максимальную высоту выступающих ворсинок, а усредненную толщину сплошного застила над уровнем опорной поверхности полотна. Следует заметить, что высота ворса hВ по пред- hB лагаемому способу его формирования объективно ограничивается длиной дуги на волне переплетения lД: lД Поскольку поперечный разрыв биомодифицированных участков статистически может осуществляться на любом участке волны, можно ожидать, что hВ = 0,75lД. Экспериментальные измерения подтверждают ориентировочные расчеты, причем достигаемая величина высоты ворса, полученного на биомодифицированных образцах льняных тканей, сопоставима с результатами для традиционного ассортимента ворсованных хлопчатобумажных тканей – фланели и байки. Обработка немодифицированного льняного полотна на игловорсовальном оборудовании приводит к выдергиванию окончаний элементарных волокон из структуры полотна. Это происходит очень неравномерно по поверхности полотна, что экспериментально фиксируется трехкратными колебаниями значений высоты ворсового застила. Немаловажно, что наряду с непривлекательностью внешнего вида такие образца неприятны на ощупь в связи с жесткостью выступающих на поверхность окончаний элементарных волокон: Предлагаемый вид отделки в отличие от ворсования неподготовленной ткани не приводит к потере механической прочности полотна, поскольку биомодификации подвергаются лишь небольшие участки элементарных волокон в поверхностном слое нити. Причем в результате ее крутки в каждой волне переплетения модифицированию подвергается новая группа волокон. При этом за- 257 фиксировано повышение на 12…15 % устойчивости ткани к истиранию в случае обработки образца по ворсованной поверхности, в то время как для немодифицированного полотна ворсовальная обработка снижает величину показателя в 1,44…1,56 раза. Очевидно мягкий слой макрофибриллярного ворса, обладая упругостью фибриллярных пучков целлюлозы, способен демпфировать действие касательных напряжений и, тем самым, замедлять процесс разрушения материала. Противоположный результат в случае обработки ворсованного материала без предварительного биомодифицирования связан, по-видимому, с дополнительным абразивным действием срываемых окончаний элементарных волокон, выдернутых на поверхность при ворсовании. Особое значение для ассортимента тканей бытовой и одежной группы имеют их гигиенические свойства. В соответствии с ГОСТ 3816-81 оценено изменение сорбционных свойств образцов ворсованных льняных тканей по показателям гигроскопичности, характеризующей способность впитывать влагу из среды с влажностью 98 %, высоты подъема воды по полоске ткани за 30 и 60 мин (соответственно Н30 и Н60), отражающей скорость движения влаги по поверхности материала, а также величины водопоглощения ткани при погружении ее в жидкость. Эффективность полотен десорбировать жидкость в среде с пониженным содержанием влаги охарактеризована величиной влагоотдачи и данными исследования кинетики высыхания материала. Сопоставление показателей для исследуемых тканей арт. 00035 и 24708 в классическом варианте и после получения ворсовой фактуры представлено в табл. 5.13. Анализ совокупности свойств льняных тканей с новым видом отделки показал, что формирование ворсовой фактуры повышает способность материала впитывать пары воды в 1,3…1,5 раза. Нормируемый показатель капиллярности (за 60 мин) возрастает на 16…22 %. Причем в начальной стадии (Н30) скорость капиллярного впитывания имеет более существенное различие – 1,45…1,48 раза, обеспечивая за 30 мин достижение итоговых значений показателя капиллярности для немодифицированных аналогов. 258 Таблица 5.13. Гигиенические свойства ворсованных льняных тканых полотен Артикул 00035 24708 Образец Гигроскопичность, Wг, % без ворсования Капиллярность, мм ВодопоВлагоотдача, глощение, Во, % % Н30 Н60 8 80 118 51 4,8 ворсованный после биомодификации 10 114 137 72 8,7 без ворсования 12 71 102 59 2,3 ворсованный после биомодификации 18 105 124 94 14,2 По истечении требуемой часовой продолжительности замеров гидрофильность ворсованных льняных тканей приближается к уровню, характерному для хлопчатобумажных материалов. Величина сорбционной емкости ткани возрастает в 1,4…1,6 раза. Примечательно, что наряду с высокой поглотительной способностью биомодифицированные материалы обладают улучшенной влагоотдачей. Сопоставительный анализ значений показателя Во с уровнем гигроскопичности соответствующих образцов показал, что ворсованные материалы легче отдают сорбированную влагу в сравнении с немодифицированными объектами. Остаточное содержание влаги после выдержки тканей в эксикаторе с серной кислотой составляет 1,3…3,8 %, несмотря на повышенную сорбцию паров влаги Wг. В аналогичных условиях исходные образцы материалов сохраняли более значительное количество влаги. Особенно разительные отличия между немодифицированным и ворсованным образцами получены для тканей с большим объемным весом и толстой рыхлой структурой (арт. 24708). Интересную информацию дают представленные на рис.5.8 кинетические кривые испарения влаги при 20оС с гладкой необработанной стороны материала и с ее ворсованной поверхности. Как видно, образование слоя неориентированного ворса обеспечивает создание развитой поверхности испарения влаги, содержащейся в материале. Благодаря этому внешний слой ткани быстрее обезвоживается, что увеличивает 259 величину градиента влагосодержания по толщине волокнистого материала и интенсифицирует массоперенос во внутренних его слоях. В результате скорость испарения влаги (численные значения представлены на рис. 5.8) с ворсованной стороны увеличивается в 1,5…1,6 раза в сравнении с показателями для тех же образцов, но с немодифицированной поверхности. m, г m, г 0,37 1,2 2 0,32 1 2 1,1 V2 = 7,388 г/с V2 = 2,582 г/с 1 V1 = 4,930 г/с 1 V1 = 4,134 г/с 0,9 0,27 0,8 0,7 0,22 0,6 0,17 0,5 0 10 20 30 40 50 время, мин 60 70 80 0 50 100 150 200 250 300 350 время, мин а) б) Рис. 5.8. Кинетика испарения влаги из льняных тканей арт. 00035 (а) и 04942 (б): 1 – с не ворсованной стороны; 2 – с биомодифицированной поверхности Наблюдаемые эффекты улучшения гигиенических показателей имеют важное потребительское значение не только для тканей бытовой и одежной ассортиментных групп, но также и для материалов медицинского назначения, в частности, для текстильных перевязочных средств, в ассортименте которых использование льноволокнистых материалов неуклонно возрастает [284, 285]. Причем в данном случае просматриваются варианты получения разнонаправленных эффектов при использовании материалов с ворсованной поверхностью. Материал, обращенный к обрабатываемому участку тела ворсованной поверхностью, может обеспечить быстрое впитывание жидких выделений, либо после предварительного увлажнения, обладая повышенной сорбционной емкостью, может более длительное время удерживать капиллярно впитанную жидкость в контактной зоне, обеспечивая, например, длительный выход лекарственного пре- 260 парата. Для поддержания сухого состояния очага поражения целесообразна наружная ориентация ворсованной поверхности, что обеспечит ускоренный перенос физиологических выделений вглубь повязки и к поверхности испарения. Для костюмно-плательного ассортимента текстильных изделий в зависимости от структуры ткани и применяемого переплетения предлагается получение двух разновидностей ворсовых эффектов: «персиковая кожа» и «замшеподобный вид». Представленные на рис. 5.9 фотографии образцов демонстрируют изменения на фронтальной поверхности и на сгибе материала. а) б) Рис. 5.9. Разновидности ворсовой фактуры льняных биомодифицированных тканей: «персиковая кожа» (а) и «замшеподобный вид» (б): 1 исходное состояние; 2 после ферментативной обработки и ворсования В первом случае материалу придается легкая бархатистость, которая устраняет ощущение холодности и жесткости ткани, улучшает ее гигроскопичность. Такой вид фактуры более предпочтителен для обработки тыльной (изнаночной) стороны костюмных тканей, что повышает комфортность эксплуатации одежды, соприкасающейся с телом человека. При обеспечении «замшеподобного вида» ворсовое покрытие полностью маскирует переплетение ткани, создавая впечатление сплошной поверхности. Такой вид фактуры может представлять интерес для оформления лицевой стороны тканей с высокой поверхностной плотностью для ассортимента верхней одежды. Наряду с эстетическими свойствами «замшеподобные» поверхностные эффекты могут обеспечить придание льняным тканям кондици- 261 онирующей способности за счет сочетания ощущений прохладной поверхности льняных волокон и уменьшения теплопроводности полотна. Экспериментально подтверждено, что изменение теплофизических свойств ворсованных льняных полотен непосредственно связано с показателем высоты слоя ворса и плотностью образования ворсового застила. Результаты исследований, проведенных в соответствии с описанными в подразделах П1.6.16 приложения 1 общепринятыми методиками, представлены в табл. 5.14. Таблица 5.14. Теплофизические свойства ворсованных льняных тканых материалов Артикул 00035 04942 Образец Высота ворса, мм Вт/мК Коэффициент теплового сопротивления, м2К/Вт Коэффициент теплопроводности, исходный 0,041 0,116 ворсованный после биомодификации 0,38 0,048 0,112 без ворсования 0,044 0,113 ворсованный после биомодификации 0,59 0,033 0,134 Учитывая, что текстильные материалы обладают сложной пористой структурой при сравнительно малой площади контакта между отдельными волокнами, теплопередача в тканях осуществляется в значительной степени через слой сравнительно неподвижного воздуха, заключенного в материале. Получение фактуры с малой высотой ворса не нарушает системы незамкнутых сквозных пор в материале и обеспечивает создание развитой поверхности для конвективного теплообмена со средой. Как следствие, теплопроводность образца с отделкой «персиковая кожа» повышается в 1,2 раза. Снижение теплового сопротивления связано, по-видимому, также и с продемонстрированным в табл. 5.13 ускорением влагоотдачи ворсованной поверхности. Образование сплошного ворсового застила, как например, для образца арт. 04942 снижает воздухопроницаемость материала и повышает содержание в структуре материала воздуха, обладающего малой теплопроводностью. В связи с этим 262 коэффициент теплового сопротивления ткани с отделкой «замшеподобный вид» возрастает в 1,19 раза, а коэффициент теплопроводности снижается в 1,33 раза. Разработанные приемы биохимической отделки и ворсования по патенту [286] можно реализовывать и в готовых льняных изделиях. Проверка применимости метода осуществлена в условиях малого предприятия ТМ «Savosina». С учетом модных трендов 2013 г. обработке подвергнуты платья и костюмы весенне-летнего сезона. Выпуск авторских изделий с оригинальными ворсовыми эффектами на всей поверхности или на отдельных декоративных элементах составила более 100 единиц. Результаты апробации метода выявили высокий покупательский спрос на данный вид продукции: объем реализации составил 225000 руб. Вместе с тем вскрыты дополнительные преимущества реализации технологии в готовых изделиях, имеющие важное значение при решении проблем швейного производства. В частности при подборе тканей для производства жакетов и пиджаков предъявляются повышенные требования к формоустойчивости материалов при обеспечении ее мягкости и драпируемости. Наличие первого параметра необходимо для предотвращения растяжения плечевых швов, второй совокупности – для достижения хорошей посадки изделия на фигуре. Установлено, что модификация поверхности льняной ткани после пошива изделия позволяет сохранять природные формообразующие свойства льняных материалов в области плечевого соединения деталей кроя, при этом проведение модифицирующей обработки сшитого изделия обеспечивает идеальное его прилегание к телу и препятствует образованию складок и заминов. Таким образом, в развитие разработанной концепции совершенствования биохимических технологий переработки льняных текстильных материалов в настоящей главе определены технологические задачи и пути целенаправленного регулирования полимерного состояния волокна в структуре тканых полотен для достижения требуемой совокупности потребительских свойств льняных изделий. При этом получены следующие научные результаты: 263 1. По результатам исследования деструкции полимеров крахмала в растворе и на текстильном материале обоснованы, во-первых, недопустимость присутствия в полиферментной композиции для расшлихтовки льняных тканей эндогенных амилаз деветвящего действия, во-вторых, высокая деполимеризующая способность смеси - и -амилаз, обладающих характерным синергизм в расщеплении амилопектина со стороны редуцирующего звена макромолекулы. 2. Экспериментально подтверждено проникновение полимеров шлихтующей композиции в структуру льняных комплексов. Получена математическая модель изменения капиллярности льняной ткани при удалении примесей и дифференцирован вклад индивидуального влияния амило- и пектолитических ферментов и совместного их действия для обеспечения комплексного разрушения гибридной фракции полимеров крахмала и пектиновых веществ в структуре ошлихтованных нитей. 3. Определено многофункциональное назначение полиферментной композиции для подготовки льняных тканей в технологической цепочке с пероксидным белением. Обоснование ее состава осуществлено на базе выявленных закономерностей проявления восстановительных свойств растворами продуктов биокатализируемой деструкции полимеров крахмала и создания условий для редокспревращений лигнина под влиянием редуцирующих агентов, генерируемых при целенаправленном расщеплении крахмальной шлихты и нецеллюлозных полиуглеводов льняного волокна. 4. Впервые проведено исследование дифференцированного и совместного влияния содержания в льняном волокне лигнина и гемицеллюлозных соединений на изменение жесткости льняных тканых полотен, позволившее выявить и объяснить экстремальный характер зависимостей для обоих видов примесей. Разработана математическая модель взаимосвязи характеристик, позволившая определить оптимальные значения содержания полимерных компонентов на уровне Л= 1,0…1,5 масс.% и Гц= 6,5…7 масс.%. 5. Вскрыто альтернативное влияние гемицеллюлозных компонентов льняного волокна и вводимых на стадии заключительной отделки химических мягчителей на 264 изменение жесткости ткани. Получена математическая модель, позволяющая оптимизировать количество наносимых мягчителей с учетом остаточного содержания лигнина и гемицеллюлоз в льняном волокне подготовленных тканых полотен. 6. Созданы научно-технологические основы получения нового качественного уровня выпускаемой продукции с эффектом биохимического перманентного мягчения, устойчивого к многократным стиркам изделия и обеспечивающего улучшение драпируемости ткани, повышение ее износостойкости и механической прочности. 7. Получен экспериментальный научно-технологический задел для реализации нового вида отделки льняных полотен с уникальными поверхностными эффектами формирования начесного ворса. Обоснованы требования к компонентному составу полиферментной композиции для подготовки льняных тканей к ворсованию, уровни активностей ферментов и условия их использования. 8. Оценены технологические и потребительские преимущества ворсованных льняных тканей, выражающиеся в сочетающемся для одного материала повышении характеристик сорбционной способности и влагоотдачи, а также в возможности разнонаправленного регулирования теплофизических свойств тканей в зависимости от выбираемой плотности и высоты образования ворсового застила. 265 ГЛАВА 6. ОЦЕНКА РЕНТАБЕЛЬНОСТИ ИННОВАЦИОННЫХ БИОХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ЛЬНЯНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Основным потребителем созданных в диссертационном исследовании технических решений и научно-методических разработок являются текстильные льноперерабатывающие предприятия. Оценка динамики развития рынка льнопродукции в России за последние десять лет, в течение которых автором проведен основной объем научно-исследовательских и технологических работ по теме диссертации, свидетельствует о повышении роли льняного комплекса в экономике страны. Вслед за периодом 1998-2004 г.г., когда производство льна в России существенно уступало экономическому уровню зарубежных стран с развитым производством и переработкой льняных волокон и тканей, к концу первого десятилетия ХХI века льняной комплекс РФ представлял собой многопрофильный конкурентоспособный сектор, организационно и технологически способный производить современный ассортимент продукции изо льна в соответствии с требованиями и вкусами потребителей. По данным Росстата [287] объем выработки льняного волокна в России за период 2004-2006 годы возрос с 36,4 тыс. тонн до 135 тыс. тонн. Как видно из данных рис. 6.1, на этот период пришелся основной пик развития производства льняных тканей, прирост составил 26,7 % [288]. Объем производства льняных тканей, тыс. кв. м 140 120 100 80 Рис. 6.1. Динамика развития производства льняных тканых полотен в России в период 2004-2012 г.г. 60 40 20 0 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 годы 266 Позитивная динамика сохранилась и в дальнейшем, с 2007 по 2008 годы зарегистрирован рост выпуска льняных тканей с 100991 до 101917 тыс. кв.м. При этом их экспорт за данный период увеличился в 5,8 раза, а хлопчатобумажных тканей лишь в 1,8 раза. Доход от экспорта льняных тканей за эти годы превысил 300 млн. долл. США. В 2009 г. на долю экспорта приходилось около 82 % производимой текстильной льняной продукции, причем основными покупателя являлись страны дальнего зарубежья (Италия 22 %, Турция 31 %, Испания 10 %). Объективно отражая современную ситуацию, приходится констатировать, что и льняная промышленность не избежала последствий мирового экономического кризиса, что проявляется в существенном снижении объемов производства. Так, выпуск тканых полотен изо льна в 2011 г. составил лишь 38,9 млн. м2, а за девять месяцев 2012 г. снижение достигло еще 3,0 % [289]. Вместе с тем специалисты отмечают, что спад происходит, главным образом, за счет сокращения объемов экспорта продукции, а на внутреннем рынке наблюдается хоть и небольшие, но позитивные результаты. Причем повышается доля использования отечественного льняного волокна, для чего созданы объективные предпосылки в связи с увеличением посевных сельскохозяйственных площадей и объемов производства лубоволокнистого сырья в результате последовательной реализации мероприятий государственной поддержки и повышения предпринимательской активности. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций производство льноволокна в мире за 2001-2010 годы составило 7697 тыс. тонн. В России в этот период произведено 490,3 тыс. тонн, или 6,3 % к мировому уровню. По прогнозам экспертов, к 2020 г. выработка льноволокна в отечественном агропромышленном секторе возрастет до 730 тыс. тонн. Важным фактором интереса к лубяным волокнистым культурам является крайне нестабильная ситуация на хлопковом рынке: из-за резкого сокращения запасов волокна (на протяжении нескольких лет в хлопкосеющих странах они уменьшились на 84 %) цены на него в 2010-2011 г.г. резко возросли. Так, по данным агентства «Анитекс» с января по май 2011 г. хлопок подорожал на 44 %, а с 267 августа начала торгового сезона мировой индикатор цен на хлопок вырос в 2,6 раза (с 1903 до 4993 долл. США за тонну). Несмотря на то, что в начале 2012 г. наблюдалось определенное снижение цен, оптимистичных прогнозов на будущую стабильность хлопкового рынка аналитики не дают. В связи с этим, согласно оптимистичным прогнозам федеральной целевой программы «Развитие льняного комплекса России на период до 2020 года» планируется, что в период с 2011 по 2020 годы объем производства льняной и полульняной пряжи увеличится в 4,8 раза (с 6,5 до 31 тыс. тонн в год), льняных и полульняных тканей в 4,9 раза (с 46,9 до 231,3 млн. кв. м.), нетканых материалов в 4,5 раза (с 39,7 до 179 млн. кв. м.). Достижение планируемых показателей предполагается за счет реализации прорывных инноваций, к числу которых с полным правом относятся технологические процессы переработки льняных текстильных полуфабрикатов с использованием методов ферментативного катализа. Биотехнологии объективно причисляются к числу наиболее динамично развивающихся сфер экономики. По данным исследовательского агентства Freedonia Group, ежегодный рост объема производства ферментов в мире составляет 8…15 %. Интенсивно ферментная промышленность развивается в США, Японии, Англии, Германии, Дании, Нидерландах, Франции. Примечательно, что 60 % мировых поставок энзимов приходится на страны Европы, а около 40 % на США и Японию. В частности по данным аналитических компаний объем продаж только европейскими производителями за последние годы составил более 80 млдр. долл. США. Ведущими зарубежными производителями промышленных ферментных препаратов являются следующие компании: Novozymes и Danisco (Дания), Genzyme и Roche (США), Allergen, DSM и BASF (Германия). По данным исследовательского агентства Freedonia Group, компания Novozymes контролирует 46 % рынка ферментных препаратов. Остальная часть (36 %) поделена между Danisco, Genzyme, Roche, Allergen, DSM и BASF. Менее крупными производителями ферментных препаратов являются такие компании как Rapidase (Франция), Gist Brocades (Нидерланды), Primalco Ltd 268 Biotec (Финляндия), Megazyme (Ирландия), а также японские компании Аmano, Djennihon Seikage, Sankjo, Meito, Sangys, Nagase и др. В связи с тем, что в СССР основная часть предприятий микробиологической промышленности размещалась в союзных республиках, прежде всего в Прибалтике, после его распада собственное производство ферментных препаратов в России развито недостаточно. По данным аналитических служб, на долю российского производства ферментов на внутреннем рынке приходится немногим более 30 %, остальные 70 % продаж принадлежат ведущими компаниями мира (Novozymes, Genzyme и др.). В настоящее время в России работают только несколько заводов, выпускающих ферменты микробного синтеза, среди них ОАО «Восток» (Кировская область), ООО ПО «Сиббиофарм» (Новосибирская область), ОАО «Московский завод сычужного фермента». Вместе с тем по оценкам исследовательской компании Abercade, объем продаж ферментов на российском рынке за 2008 г. составил около 70 млдр. долл. США. В процентном выражении его прирост с 2007 по 2008 г.г. равен 4,3%. Несмотря на то, что в настоящее время совокупная доля использования ферментов в целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности составляет лишь 3 % от всего объема их потребления российским сектором «белой» биотехнологии (то есть биохимических производств), их развитие за счет создания специализированного ассортимента биокатализаторов и биокатализируемых процессов включено в приоритетные направления Стратегической программы развития биотехнологической отрасли промышленности в Российской Федерации до 2020 года [290]. По мнению международных аналитиков, текстильная индустрия России может стать одним из наиболее перспективных потребителей ферментных препаратов и биотехнологий на их основе. Зарубежный опыт убедительно подтверждает актуальность их применения особенно в условиях современного состояния окружающей среды, роста техногенных, биологических катастроф, аллергических заболеваний населения, поскольку замена традиционных технологических регламентов на экологически безопасные, материало- и 269 энергосберегающие биотехнологии производства текстиля позволяют выпускать высококачественную продукцию, обладающую комплексом уникальных и улучшенных функциональных свойств. Среди производителей, специализирующихся на выпуске текстильных вспомогательных веществ, ферментсодержащие препараты предлагают следующие фирмы: Clariant Consalding, Sandoz, Ciba (Швейцария); Hoechst, Cognis (Германия), Rudolf (Чехия) и др. Композиционные препараты с добавками энзимов появились в ассортименте отечественных производителей ТВВ – ОАО «Ивхимпром» (Иваново), фирмы «Траверс» (Москва), «Фермтек» (Москва), «БК Восток» (Москва) и др. Проведенные совместно со специалистами ЗАО «Энзим» маркетинговые исследования показали, что прогнозируемая емкость рынка биохимических технологий в отечественном текстильном производстве составляет 600…1500 млн. руб. в год. Однако в настоящее время насыщенность рынка не превышает 10 %. При этом основная доля использования биопрепаратов (около 80 %) приходится на хлопчатобумажное производство. Около 13 % биопрепаратов используется в процессах переработки шерсти и шелка. Лишь 7 % от общего объема биопрепаратов находят применение в льняном производстве, но в основном это препараты низкой ценовой категории и узкого назначения для разрушения примесей крахмальной шлихты. Вместе с тем, именно лубоволокнистые материалы являются наиболее перспективным и инновационно привлекательным объектом для применения ферментативных технологий с их уникальными возможностями селективного воздействия на отдельные виды примесей. Это обусловлено сложностью морфологического строения волокнистого материала и необходимостью сохранения части полимерных спутников в структуре волокнистых полуфабрикатов, что практически невозможно при использовании традиционных химических реагентов, не обладающих избирательностью проявляемого действия. Востребованность разработок на российском рынке обусловлена наличием спроса текстильных предприятий на новые высокоэффективные техноло- 270 гические решения для выпуска продукции из трудноперерабатываемых сортов льняного волокна повышенной жесткости. Специфика российского льна такова, что повсеместное распространение в льносеющих регионах приобретают неполегающие сорта льна-долгунца с прочным одревесневшим стеблем, дающие грубое высоколигнифицированное волокно. Доля грубых сортов волокна в сырьевой базе отечественных текстильных предприятий составляет около 40 %. Замена классических технологий их переработки особенно актуальна в связи с ужесточением экологических ограничений в применении хлорсодержащих окислителей и необходимостью обеспечения соответствия льняной продукции требованиям международных стандартов. Основными конкурентными преимуществами созданных инноваций, являются: - существенное (1,5…2 раза) снижение энергозатрат в сравнении с методами интенсификации химических способов обработки волокнистых материалов; - исключение экологически опасных и агрессивных реагентов, применение которых характерно для традиционно используемых химических технологий; - возможность переработки высокозасоренных сортов льняного сырья и увеличение доли его вложения в смесках до 35 % при формировании текстильных материалов, что существенно расширит полноту использования отечественной сырьевой базы и снизит себестоимость продукции; - высокая стабильность технологических показателей льняных полуфабрикатов и готовой продукции независимо от свойств исходного волокнистого материала, что не обеспечивают существующие биохимические аналоги; - повышение выхода готовой продукции за счет снижения на 25 % непроизводительных потерь сырья в прядении; - уменьшение обрывности пряжи в процессах перемотки и ткачества; - получение уникальных потребительских эффектов специальной отделки тканей, недостижимых для существующих аналогов; - расширение ассортимента получаемой текстильной продукции с новыми видами специальной отделки; - возможность реализации на имеющемся технологическом оборудовании без реорганизации производства, а при необходимости легкость перехода на классические режимы производства текстильных материалов. 271 Вместе с тем именно многокомпонентность объекта ферментативного воздействия и многофакторность условий, влияющих на его эффективность, определяют высокую наукоемкость биохимических технологий переработки льняных текстильных материалов. Залогом успешного их развития является диверсификация передовых научных знаний, накопленных в прикладной микробиологии и энзимологии и ориентированных на решение стратегических задач здравоохранения, биоэнергетики и рационального природопользования, в сферу производства товаров народного потребления, что в свою очередь должно дать быструю окупаемость инвестиций. Опыт создания промышленных образцов разработанных технических решений показал наличие заинтересованности в промежуточном звене как со стороны производителей промышленных ферментов, не имеющих достаточного уровня представлений о специфике переработки текстильных материалов и перспективных направлениях использования биокатализируемых процессов, так и со стороны специалистов текстильного производства, программа вузовской подготовки которых до настоящего времени не включает изучение основ биотехнологий, практических методов исследования ферментов и их применения. Слабая подготовленность текстильщиков порождает настороженность в освоении ферментативных способов обработки, неспособность самостоятельно оценить качество поступающих биопрепаратов и стабилизировать эффективность их применения. В связи с выше изложенным создание комплекса услуг для освоения биохимических технологий на текстильных предприятиях является своевременным и объективно необходимым шагом для координации совместных действий специалистов в области биохимического и текстильного производства, способствующим развитию практического применения наукоемких энзимных технологий в текстильной индустрии. Формирование спектра мероприятий по научно-методическому сопровождению инноваций и достижению максимальной технико-экономической эффективности их практической реализации осуществлялось посредством создания малого инновационного предприятия ООО «Ивановское технологическое бюро 272 «Наука». В нем под руководством автора объединены специалисты с необходимой совокупностью знаний и практических навыков исследований в области энзимологии, физической химии растворов и гетерогенных систем, химии природных полимеров, химической технологии волокнистых материалов и текстильного материаловедения, что является залогом гармоничного комплексного решения поставленных научно-технических задач, достижения высоких и стабильных показателей технологической результативности процессов в сочетании с максимальной технико-экономической эффективностью. В экономическом аспекте ферментативные технологии рассматриваются специалистами как высокозатратные в связи с относительно высокой стоимостью биопрепаратов. Это объективная трудность, сдерживающая объемы реализации биокатализируемых процессов в текстильном производстве. Вместе с тем стоимость ферментных препаратов соизмерима, например, с некоторыми видами красителей (кубовый краситель чисто-синий ОД – 1697,30 руб./кг; краситель кубовый хакки VAT GRIN 8 – 998,80 руб./кг; краситель кубовый ярко-зеленый ЖД VAT Green 2 - 963,60 руб./кг; кубовый краситель темно-синий ОД – 2063,60 руб./кг и т.д.), использование которых считается вполне оправданным для обеспечения высокого покупательского спроса на выпускаемую продукцию. В этом плане перспективы применения биохимических методов переработки льняных текстильных материалов также просматриваются вполне позитивными. Получение максимально возможного дохода от реализации энзимных технологических решений при минимизации затрат на дорогостоящие ферментные препараты возможно при рациональном их сочетании с хемокатализируемыми процессами на всех производственных переходах цикла модификации льняных материалов «ровницапряжатканое полотнобеление суровьяспециальная отделка». При этом использование заведомого избытка ферментов или применения компонентов, не требующихся в том или ином процессе, значительно повышает стоимость биотехнологий. Наиболее рентабельным, на наш взгляд, является своевременная корректировка применяемых рецептур с учетом свойств модифицируемого волокнистого материала, что позволит избежать нецелевого расходования 273 ферментов, гарантировать получение стабильно воспроизводимых результатов при смене льняного сырья и партий ферментных препаратов, а следовательно, повысить инновационную привлекательность технологических решений в производстве льняного текстиля. В разделе 4.4 представлены результаты технологической эффективности продвижения системы аналитического и организационно-технологического сопровождения биохимической технологии подготовки льняного волокна к прядению в условиях ОАО «Вологодский текстиль». Для продемонстрированных технологических вариантов переработки ровницы из разных волокнистых смесок проведен анализ ожидаемых технико-экономических показателей. Как показано на рис. 6.2, одной из основных составляющих для компенсации затрат на используемые полиферментные композиции является сокращение непроизводительных затрат сырья. Рис. 6.2. Объем выработки текстильных полуфабрикатов при использовании технологических вариантов химической подготовки (1) и биомодификации льняного волокна (2) Достигаемый результат обусловлен снижением технологического уровня убыли массы волокна при подготовке ровницы благодаря рациональному извлечению нецеллюлозных компонентов, а также предупреждением элементаризации льняных комплексов и уменьшением на 25 % потерь с пуховыми отходами прядения. Дополнительными резервами предприятия являются уменьшение в 1,1…1,37 раза потребления пара благодаря снижению температуры со 100оС для щелочной варки до 40оС при проведении биообработки, а также повышение тонины и сортности и, как следствие, ценовой категории производимой пряжи. 274 В табл. 6.1 сопоставлены основные технико-экономические показатели (без учета сокращения обрывности на прядильных машинах) процессов получения пряжи из мягких сортов льноволокна по существующему варианту щелочной варки и пероксидного беления (контроль) и ферментативно-пероксидному способу с использованием полиферментной композиции Полифан МЛ. Таблица 6.1. Результаты расчета технико-экономической эффективности биохимической технологии подготовки к прядению ровницы из мягких видов волокна № Наименование показателя 1 расчетный объем обрабатываемой суровой ровницы, В, кг 2 удельный расхода пара, кг 3 Величина показателя Полифан контроль МЛ 1000 1000 16815 14154 удельные затраты на тепловую энергию, Е, руб. 27241,01 22930,27 4 удельные затраты на химические реагенты, ЗХР, руб. 97557,44 88523,52 5 линейная плотность суровой ровницы, ТСУР, Текс 650 650 6 линейная плотность получаемой ровницы, Т, Текс 552,5 565,5 7 коэффициент потерь волокна в виде пуховых отходов, а, % 6,1 5,3 8 количество вырабатываемой пряжи, П = (ВТ / ТСУР)(1-а*) 805 825 9 линейная плотность вырабатываемой пряжи, Т, Текс 56 50 229,97 256,51 11 стоимость вырабатываемого объема пряжи, А = П·ЦП, руб. 185125,85 211620,75 12 удельный расход ферментного препарата, R, кг/т волокна 44 13 цена ферментного препарата, ЦФ, руб./кг 500 22000 10 цена пряжи, ЦП, руб./кг П 14 затраты на ферментный препарат для биомодификации ровницы, ЗФ = RЦФ, руб. 15 изменение удельных затрат на реагенты, Р= ЗХР - ЗФ, руб. Экономический эффект прядильного цикла, ЭП = АП +Е +Р, руб./т волокна 16 приведенный коэффициент полезного времени оборудования ткацкого производства, КПВТП 17 коэффициент потерь пряжи в ткачестве, b, % 18 удельный выход суровой ткани из 1 т волокна, ТК = П (1-b), кг 19 цена суровой ткани, руб. 20 стоимость объема выработанной суровой ткани, АТК, руб. Экономический эффект ткацкого перехода, ЭТК = АТКБИО· КПВТП – АТККОНТРОЛЬ·КПВТП, руб. -12966,08 17839,55 0,7 0,73 4,5 3,4 768,775 796,95 66 66 50739,15 52598,76 2879,65 275 Как видно, несмотря на повышение удельных затрат на реагенты, биохимический режим подготовки волокна является рентабельным при стоимости биопрепарата 500 руб./кг благодаря достигаемому увеличению выхода пряжи из 1 т перерабатываемого волокна, снижению удельных затрат на тепловую энергию и соответствию получаемого продукта с более высоким ценовым показателем. Экономический эффект в цикле прядильного производства составляет более 17 тыс. рублей на 1 тонну перерабатываемого волокна. Достижение более высокого качества пряжи обеспечивает снижение ее обрывности в процессах перемотки, шлихтования и ткачества, что способствует повышению производительности оборудования на каждой из стадий. Это отражают представленные на рис. 6.3 результаты статистического анализа изменения производительности машин на переходах прядильно-ткацкого производства для существующих и биохимических режимов подготовки ровницы. Рис. 6.3. Величина коэффициента полезного времени работы оборудования (КПВ, ед.) на последовательных стадиях технологического цикла переработки льняной пряжи из мягкого (1) и грубого (2) волокна и приведенного показателя для совокупности переходов ткацкого производства (КПВТП) Выявлено, что более эффективное дробление волокна при реализации биохимических технологий переработки мягких и грубых сортов льна позволяет не только облегчить процессы получения высококачественной пряжи, но и существенно повысить производительность на всех технологических переходах ткацкого производства благодаря снижению обрывности текстильного полуфабриката. Наибольший прирост приведенного показателя КПВТП для совокупности технологической цепочки получения тканых полотен наблюдается для текстильных материалов из грубых сортов льняного волокна. При этом величина КПВТП приближается к уровню показателя для процессов переработки пряжи из мягких видов текстильного сырья. 276 В случае переработки пряжи из мягких сортов волокна (см. табл. 6.1) повышение стабильности работы оборудования в цикле ткацкого производства от внедрения биохимических технологий способствует дополнительному увеличению экономической эффективности технологического процесса, общий положительный баланс превышает 20 тыс. рублей в удельном выражении на 1 тонну перерабатываемого льняного сырья. Переработка волокнистых смесок с вложение грубого волокна требует использования более дорогостоящей полифементной композиции Полифан МДЛ при увеличении удельного ее расхода. Кроме того, в случае смесок средней мягкости в отличие от одностадийного процесса окислительной варки ровницы используется биохимический режим с двустадийным проведением ферментативной обработки включающей нагрев раствора и 20-минутную выдержку при 98оС. Как показано в табл. 6.2, это существенно увеличивает статьи расходов предлагаемого режима. Тем не менее, и в этом случае баланс прядильного цикла остается положительным благодаря возрастающему вкладу полезного использования сырья и увеличению выхода высококачественной продукции. В таблице не показан вариант расчета совокупности затрат в случае использования при переработке данного вида волокнистых смесок операции восстановительной варки для делигнификации и повышения прядомых свойств волокна. Однако легко просчитать, что в этом случае удельные затраты на тепловую энергию удваиваются, эквивалентно увеличивая сумму экономического эффекта с 12,7 до 18,0 тыс. рублей на 1 тонну перерабатываемого волокна. Это имеет место для варианта переработки смесок с большим (до 35 %) вложением грубого волокна, где также максимально проявляются преимущества в сокращении непроизводительных потерь сырья и улучшении сортности получаемой продукции. Суммарно это полностью компенсирует значительные затраты на применяемую полиферментную композицию с экономическим эффектом прядильного цикла около 12,5 тыс. рублей на 1 т перерабатываемого волокна, к чему добавляет свой вклад повышение производительности оборудования на каждой из последующих стадий перемотки и ткачества. 277 Таблица 6.2. Результаты расчета технико-экономической эффективности биохимических технологий подготовки к прядению льняной ровницы из волокна с вложением грубого волокна № Наименование показателя Величина показателя для образцов ровницы из чесаного волокна средней мягкости грубого (35 %) Полифан Полифан контроль контроль МДЛ МДЛ расчетный объем обрабатываемой суровой 1000 1000 ровницы, В, кг 2 удельный расхода пара, кг 10314 11315 удельные затраты на тепловую энергию, 3 16708,97 18330,26 Е, руб. удельные затраты на химические реаген4 102087,70 82247,52 ты, ЗХР, руб. линейная плотность суровой ровницы, 5 650 650 ТСУР, Текс линейная плотность получаемой ровницы, 6 533 557 Т, Текс коэффициент потерь волокна в виде пухо7 7,5 5,6 вых отходов, а, % количество вырабатываемой пряжи, 8 758,5 811 П = (ВТ / ТСУР)(1-а*) линейная плотность вырабатываемой 9 56 50 пряжи, Т, Текс 10 цена пряжи, ЦП, руб./кг 215,65 256,51 стоимость вырабатываемого объема пряжи, 11 163570,53 208029,61 АП = П·ЦП, руб. удельный расход ферментного препарата, 12 50 R, кг/т волокна 13 цена ферментного препарата, ЦФ, руб./кг 1000 затраты на ферментный препарат для био14 50000 модификации ровницы, ЗФ = RЦФ, руб. изменение удельных затрат на реагенты, 15 -30159,82 Р= ЗХР - ЗФ, руб. Экономический эффект прядильного цикла, 12677,63 ЭП = АП + Е + Р, руб./т волокна приведенный коэффициент полезного 16 времени оборудования ткацкого произ0,67 0,68 водства, КПВТП 17 коэффициент потерь пряжи в ткачестве, b, % 5,9 4,8 удельный выход суровой ткани из 1 т во18 714 772 локна, ТК = П (1-b), кг 19 цена суровой ткани, руб. 66 66 стоимость объема выработанной суровой 20 47107,40 50956,75 ткани, АТК, руб. Экономический эффект ткацкого перехода, 3088,63 ЭТК = АТКБИО· КПВТП – АТККОНТРОЛЬ·КПВТП, руб. 1 1000 1000 16048 11768 25997,65 19064,12 138099,72 105479,16 650 650 520,5 567,5 6,8 5,4 799,8 825 56 56 202,42 229,97 161895,52 190875,10 60 1000 60000 -27379,44 8533,68 0,61 0,66 5,7 5,1 754 788 66 66 49777,95 51986,22 3946,35 278 Объем производственной программы ОАО «Вологодский текстиль» в 2010 г. включал переработку 4,4 тыс. т льняного волокна. При долевом соотношении полуфабрикатов в смесках мягкого волокна, средней мягкости и повышенной жесткости (в т.ч. оческовое волокно) 0,20 : 0,45 : 0,35 замена существующих технологических режимов может обеспечить экономический эффект в сумме 54 373,9 тыс. рублей в год. С учетом представленных на рис. 6.4 сведений о соотношении выпуска льняной текстильной продукции российскими производителями в разных регионах страны, несложно подсчитать наиболее оптимистичный вариант реализации биохимической технологии подготовки льняного волокна в прядении в масштабах отрасли: ожидаемый эффект составляет 353 077,4 тыс. рублей в год. Рис. 6.4. Распределение объемов производства льняных тканей в 2010 г. по регионам [291] Технологическая эффективность рассмотренной в главе 5 ферментативно-пероксидной подготовки льняных тканей включает придание материалу необходимого уровня мягкости, что позволяет исключить проведение специальной умягчающей отделки. Следовательно, замена существующих режимов гипохлоритно-пероксидного беления на биохимические оправдана не только решением экологических проблем, и ожидаемое повышение качества продукции не потребует компенсации расходов за счет покупателя. Для этого имеются реальные статьи снижения себестоимости готовой продукции. Как свидетельствуют данные табл. 6.3, замена в существующем варианте гипохлоритной обработки, осуществляемой без подогрева, на двустадийную ферментативную с операцией запаривания ткани сопряжено с увеличением затрат на вспомогательные реагенты при снижении расходов на энергоносители. При этом удельная себестоимость отбеленного полотна возрастает незначительно: прирост составляет лишь 178,60 руб./тыс. пог. м. 279 Таблица 6.3. Анализ технико-экономических показателей процессов гипохлоритнопероксидного беления (ГПБ), ферментативно-пероксидного беления (ФПБ) и заключительной умягчающей отделки (ЗУО) льняных тканей № Наименование показателя Величина показателя технологического процесса ГПБ ФПБ расчетный объем обрабатываемой суро1 1000 1000 вой ткани, ТК, пог. м 2 удельный расхода пара, кг 2425 1992,0 удельные затраты на тепловую энер3 3928,50 3226,50 гию, Е, руб. удельные затраты на химические реа4 15884,62 14765,22 генты, ЗХР, руб. удельный расход ферментного препа5 2 рата, R, кг/тыс. пог. м цена ферментного препарата, ЦФ, 6 1000 руб./кг затраты на ферментный препарат, ЗФ = 7 2000 RЦФ, руб. изменение удельных затрат на реаген8 15884,62 31265,22 ты, Р = ЗХР + ЗФ, руб. ТК 9 суммарные затраты, i = Аi + Еi + Рi, 19813,12 2612,50 руб./тыс. пог. м Экономический эффект на стадии беления, -178,60 ЭБ = ГПБ - ФПБ, руб./тыс. пог. м Экономический эффект цикла получения отбеленных и умягченных полотен 2433,90 ОБЩ Б Э = Э + ЗУО, руб./тыс. пог. м ЗУО 1000 625 1012,50 1600,00 1600,00 2612,50 - Вместе с тем исключение полного комплекса расходов на обработку тканых полотен растворами мягчителей и их сушку (без учета дополнительных расходов на заработную плату основных и вспомогательных работников) перекрывает вынужденное увеличение затрат на биомодификацию волокна, и общая экономия в расчете на 1000 пог. м готовых тканей составляет 2,4 тыс. рублей. Затратным является технологический процесс получения биомодифицированных льняных полотен с ворсовой фактурой. Причем главной статьей расходов являются капитальные затраты на ворсовальное оборудование, ранее никогда не использовавшееся на льняных текстильных предприятиях. Финансовые затраты на применяемую отделочную композицию в связи с маломодульным методом ее нанесения составляют лишь 900…1500 руб./1000 пог. м ткани. 280 Как показано в разделе 5.2.2, биохимические методы умягчения и получения ворсовой фактуры применимы в процессах производства льняных швейных изделий, что с успехом реализовано при изготовлении опытных партий для предприятий малого и среднего бизнеса. Это стало важной сферой деятельности малого инновационного предприятия «Ивановское технологическое бюро «Наука», созданного в 2010 г. при финансовой поддержке Фонда содействия малому предпринимательству в научно-технической сфере для реализации в своей практике научно-методических положений настоящей диссертации и создания наиболее благоприятных условий для коммерциализации запатентованных разработок. Наряду с выполнением комплекса научных исследований по программе «СТАРТ» Фонда (грант №10478) малое предприятие в период становления своей производственной деятельности осуществило реализацию научно- технической продукции по теме диссертации с общим объемом за 2011-2013 г.г. более 3,3 млн. рублей (см. приложение 4). Сумма налоговых отчислений, перечисленных предприятием в бюджеты разного уровня, составила 572,21 тыс. рублей. 281 ВЫВОДЫ 1. Сформирована концепция совершенствования биохимических процессов переработки льняных текстильных материалов, для реализации которой разработаны научно-методические основы регламентации постадийного извлечения из волокна нецеллюлозных полимерных соединений, прогнозирования эффективности биомодификации волокнистых материалов из различных видов отечественного льняного сырья, обоснования состава применяемых полиферментных композиций и корректировки их рецептур для стабильного получения новых и улучшенных функциональных свойств полуфабрикатов и готовой продукции. 2. Уточнены представления о структурной организации комплексного льняного волокна с вычленением наноразмерных (срединные пластинки, стыковые спайки элементарных волокон и лигноуглеводный комплекс клеточной стенки) и микрометровых (поверхностные инкрусты и межклетные образования) формирований связующих веществ и о различиях в характере подготовки его к дроблению на более тонкие комплексы за счет преимущественного воздействия химических реагентов на первую группу структурных элементов и пространственно локализованного расщепления второй их группы под действием глобул белковых катализаторов. 3. При обобщении литературных и экспериментальных данных выявлено определяющее влияние полимерных спутников льняной целлюлозы на свойства волокнистых материалов и наличие корреляций для описания эффективности первичной обработки лубоволокнистого сырья и химических методов облагораживания тканых полотен, что определяет необходимость регламентации остаточного содержания примесей в структуре волокна на последовательных стадиях подготовки и облагораживания текстильных полуфабрикатов. 4. Проведено экспериментальное исследование и получено математическое описание влияния содержания полимерных спутников льняной целлюлозы на технологические свойства пряжи и выявлены диапазоны оптимальных значений остаточного содержания в подготовленном к прядению льняном волокне пектина 282 (0,35…0,45 масс.%), лигнина (2,0…2,5) и гемицеллюлоз (7,0…8,0). С учетом дифференцированного вклада в деструкцию полимеров стадии пероксидной обработки рекомендованы уровни остаточного содержания примесей после энзимной обработки (масс.%): пектин - 1,0 0,1; лигнин - 3,9 0,3; гемицеллюлозы - 11,0 1,0. 5. Впервые проведены исследования и выявлены особенности химического строения пектиновых веществ в импортных и отечественных видах льняного сырья. Получена адекватная модель зависимости «состав-свойство» для описания деструкции льняного пектина с дифференциацией индивидуального и кооперативного действия ферментов пектолитического комплекса, которая учитывает содержание в полиуронидах мономерных звеньев в метоксилированной и кальцийпектатной формах, что имеет важное научно-практическое значение для управления технологическими процессами биомодификации волокнистых материалов путем корректировки состава биопрепаратов при смене вида перерабатываемого льняного сырья. 6. Разработана кинетическая модель биокатализируемого извлечения пектиновых примесей при подготовке льняного волокна к прядению, позволяющая рассчитать длительность процесса биомодификации для выхода на оптимальный уровень их остаточного содержания и оптимизировать состав полиферментной композиции для переработки смесовой льняной ровницы с учетом доли вложения высоко- и низкономерного волокнистого сырья, содержания в них пектина и его химического строения. 7. Развито новое направление применения ферментативного катализа в процессах переработки льняных текстильных материалов, основанное на использовании продуктов регулируемого расщепления нецеллюлозных полисахаридов в качестве вторичных реагентов для целевых химических реакций, включая редокспревращения лигнина. Выявлены кинетические закономерности генерации в системе редуцирующих агентов, условия их активации и взаимодействия с полифенольными соединениями и лигнином, на базе которых созданы технологические процессы подготовки к прядению льняного сырья, включая сорта повышенной 283 жесткости, бесхлорного беления льняных тканей и перманентного мягчения льняных полотен. 8. Для совершенствования биохимической технологии расшлихтовки и беления тканых льняных полотен разработана математическая модель изменения капиллярности льняной ткани, позволяющая дифференцировать индивидуальный вклад амило- и пектолитических ферментов, а также совместного их действия для обеспечения комплексного разрушения гибридной фракции полимеров крахмала и пектиновых веществ в структуре льняных комплексов ошлихтованных нитей. 9. Определено многофункциональное назначение полиферментной композиции для подготовки льняных тканей в технологическом цикле с пероксидным белением. Экспериментальное обоснование эффективности применения биопрепарата осуществлено на базе выявленных закономерностей проявления восстановительных свойств растворами продуктов деструкции полимеров крахмала различными видами ферментов и создания условий для редокс-превращений лигнина под влиянием редуцирующих агентов, генерируемых при целенаправленном расщеплении крахмальной шлихты и нецеллюлозных полиуглеводов льняного волокна. 10. Впервые выявлена зависимость «состав-свойство» для описания изменения жесткости тканых льняных полотен, которая позволяет определить технологический оптимум остаточного содержания лигнина 1,0…1,5 масс.%, гемицеллюлоз 6,5…7 масс.% и оптимизировать количество наносимых мягчителей с учетом полимерного состава льняного волокна в подготовленных тканых полотнах. На основании разработанной модели созданы научно-технологические основы получения нового качественного уровня выпускаемой продукции с эффектом биохимического перманентного мягчения, устойчивого к многократным стиркам изделия и обеспечивающего улучшение драпируемости ткани и повышение ее износостойкости. 11. Созданы научно-технологические основы нового вида отделки для получения льняных тканей с уникальными эффектами формирования начесного ворса, что обеспечивает расширение возможностей художественно-декоративного оформления продукции, а также позволяет получать разнонаправленные измене- 284 ния сорбционных и теплофизических свойств материалов для разных видов ворсовой фактуры. 12. Созданный научно-технологический задел реализован в комплексе технических решений, охватывающих полный цикл подготовки волокна к прядению и обработки тканых полотен, техническая новизна которых защищена четырьмя патентами на изобретения (№№ 2366770, 2366771, 2372429, 2372430). Их применение обеспечивает расширение возможностей применения отечественной сырьевой базы, одновременное повышение тонины, прочности и деформационных свойств формируемой пряжи, снижение ее обрывности; сокращение энергоемкости и длительности цикла производства беленых льняных полотен; исключение использования экологически опасных хлорсодержащих окислителей; получение уникальных потребительских эффектов финишной отделки льняных тканей. 13. Сформирована система аналитического и научно-методического сопровождения запатентованных биохимических процессов на текстильных предприятиях, использование которого обеспечивает максимальную технологическую эффективность и стабильное достижение высоких качественных показателей продукции при минимизации расхода ферментных препаратов за счет проведения корректировки рецептур полиферментных композиций при смене перерабатываемых видов сырья и текстильных полуфабрикатов. 285 Список литературы 1. Пестовская, Е. А. Развитие теории, совершенствование и внедрение технологических процессов мокрого прядения: дисс. … докт. техн. наук. – Кострома. – 2010. – 230 с. 2. Шарнина, Л. В. Научные основы и технологии отделки текстильных материалов с использованием низкотемпературной плазмы, новых препаратов и способов колорирования: дисс. … докт. техн. наук. – Иваново. – 2006. – 335 с. 3. Чешкова, А. В. Ферментативная модификация природных волокнообразующих полимеров на различных стадиях подготовки текстильных материалов: дисс. … докт. техн. наук. – Иваново. – 2005. – 338 с. 4. Кукин, Г. Н. Текстильное материаловедение (волокна и нитей) / Г. Н. Кукин, А. Н. Соловьев, А. И. Кобляков. М.: Легпромбытиздат. – 1989. 352 с. 5. Кричевский, Г. Е. Химическая технология текстильных материалов / Г. Е. Кричевский, М. В. Корчагин, А. В. Сенахов. М.: Легпромбытиздат. – 1985. – 640 с. 6. Справочник по прядению льна / Под ред. С. В. Тарасова // – М.: Легкая индустрия. – 1979. – 376 с. 7. Ордина, Н. А. Структура лубоволокнистых растений и её изменение в процессе переработки / Н. А. Ордина. М.: Лёгкая индустрия. – 1978. 127 с. 8. Мельников, Б. Н. Физико-химические основы процессов отделочного производства / Б. Н. Мельников, Т. Д. Захарова, М. Н. Кириллова.– М.: Легкая и пищевая промышленность. – 1982. – 280 с. 9. Абрамова, Л. И. Анатомия, морфология и систематика растений / Л. И. Абрамова, Н. А. Березина. – М.: Изд-во МГУ. – 1990. – 131 с. 10. Пектин. Производство и применение / Под ред. Н. С. Карповича. – Киев: Урожай. – 1989. – 88 с. 11. Неманова, Ю. В. Обоснование подбора ферментных препаратов для биохимических способов подготовки льняных текстильных материалов: дисс. … канд. техн. наук. – Иваново. – 2005. – 190 с. 286 12. Алеева, С. В. Конкретизация технологических требований к биопрепаратам для биохимической подготовки льняной ровницы к прядению / С. В. Алеева, С. А. Кокшаров, Ю. В. Неманова, Г. В. Чистякова // Текстильная химия. – 2004. – №4. – С. 39-44. 13. Матусевич, Л. Г. Изменение нецеллюлозных компонентов лубяной части льняного стебля в процессе его термохимической обработки / Л. Г. Матусевич, Т. С. Селиверстова, Б. В. Званский, В. М. Резников // Химия древесины. – 1982. – №1.– С. 113-114. 14. Званский, Б. В. Изучение технологических свойств льняного волокна в процессе термической обработки / Б. В. Званский, В. М. Резников, Н. Н. Осипова, Б. П. Осипов // Сб. науч. трудов. Новое в технологии лубяных волокон. – М.: ЦНИИТЭИлегпром. – 1983. – С. 146-149. 15. Щербухина, Н. К. Состав и архитектура углеводно-белкового каркаса растительной клетки / Н. К. Щербухина // Рост растений. Первичные механизмы. – М.: Наука. – 1978.– С. 13-37. 16. Kashayp, D. R. Degumming of buel (Grewia optiva) bast fibres by pectinolytic enzyme from Bacillus sp. DT7 / D. R. Kashayp, P. K. Vohra, S. K. Soni // Biotechnol. Lett. – 2001. – V. 23. – P. 1297-1301. 17. Оводов, Ю. С. Современные представления о пектиновых веществах/ Ю. С. Оводов // Биоорганическая химия. – 20009. – Т.35. – № 3. – С. 293-310. 18. ONeill, M. A. Methods in plant biochemistry. / M. A. ONeill, Р. Albersheim, A. G. Darvill // Ed. Dey P. M. V.2. Carbohydrates – London: Acad. Press. – 1990. – P. 415-441. 19. ONeill, M. A. Rhamnogalacturonan-II, a pectic polysaccharide in the walls of growing plant cell, forms a dimer that is covalently cross-linked by a borate ester / M. A. ONeill, D. Warrenfeltz, K. Kates et al. // J. Biol. Chem. – 1996. – V. 271. – P. 22923-22930. 20. Дудкин, М. С. Гемицеллюлазы / М. С. Дудкин, В. С. Громов, Н. А. Ведерников. – Рига: Зинатне. – 1991. – 480 с. 287 21. Marchessault, R. H. Application of infra-red spectroscopy to cellulose and wood polysaccharides / R. H. Marchessault // Pure Appl. Chem. – 1962. – N 5. – P. 107-130. 22. Иванов, А. Н. Физико-химические основы технологии приготовления льнотресты: дисс. … докт. техн. наук. – Кострома. – 1989. – 535 с. 23. Реймерс, Н. Ф. Популярный биологический словарь / Н. Ф. Реймерс. – М.: Наука. – 1990. – С. 253-254. 24. Городов, В. В. Испытание лубоволокнистых материалов / В. В. Городов, С. Б. Лазарева, И. Я. Лунев. – М.: Легкая индустрия. – 1969. – 208 с. 25. Борухсон, Б. В. Товароведение лубяных волокон / Б. В. Борухсон, В. В. Городов, А. Г. Скворцов. – М.: Легкая индустрия. – 1974. – 189 с. 26. Красивская, А. А. Исследование состава и свойств пектиновых веществ на различных стадиях произрастания стебля льна / А. А. Красивская // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 1962. – №5. – С. 60-65. 27. Щербухина, Н. К. Состав и архитектура углеводно-белкового каркаса первичной стенки растительной клетки / Н. К. Щербухина // Рост растений. Первичные механизмы. – М.: Наука. – 1978. – С. 13-37. 28. Лазарева, С. Е. Улучшает ли лигнин льняного волокна его прядильные свойства? / С. Е. Лазарева // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 1990. – №3 (195). – С. 17- 20. 29. Lüdtke, M. Über die Aminosäuren der Hautsubstanz planzlicher Faserzellen / M. Lüdtke, B. Lerch // Holzforschung. – 1950. – №2. – P. 65. 30. Гурусова, А. А. Влияние структурных факторов на прядильную способность льняных волокон различных селекционных сортов / А. А. Гурусова, А. Н. Иванов // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 1989. – №1 (187). – С. 19-21. 31. Yamasari, T. Characterization of residual lignin in kraft-pulp / T. Yamasari et al. // Ekman Days Ist Symp, Wood and Pulping Chemistry. – Stockholm.: 1981. – V. 2. – P. 34-42. 32. Иванов, А. Н. Влияние промышленных способов приготовления тресты на химический состав льняных волокон / А. Н. Иванов, А. А. Гурусова // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 1984. – №6. – С. 17-20. 288 33. Эриньш, П. П. Строение древесинного вещества / П. П. Эриньш и др. – Рига: Известия АН Латв. ССР. – 1979. – №10.– С. 100-110. 34. Иванникова, Е. И. Изучение зависимости между составом льна и способностью отбеливаться / Е. И. Иванникова, З. К. Якубенко // Лен-пеньково-джутовая промышленность. – 1938. – №2. – С. 34-41. 35. Соболев, М. А. Изменение химического состава льняного стебля при его обработке / М. А. Соболев // Научно-исслед. труды КТИ. – 1947. – С. 51-73. 36. Шехонина, Г. П. К вопросу о химизме процесса пропаривания стебля льна, конопли и других лубяных растений / Г. П. Шехонина // Сб. трудов ЦНИИЛВ. – М.: Гизлегпром. 1954. – С. 87-115. 37. Марков, В. В. Первичная обработка лубяных волокон / В. В. Марков, Н. Н. Суслов, В. Г. Трифонов. – М.: Ростехиздат. 1961. – 155 с. 38. ГОСТ 2975-73. Треста льняная. Технические условия. – М.: Издательство стандартов. – 1973. – 14 с. 39. ГОСТ 10330-76. Лен трепаный. Технические условия. – М.: Издательство стандартов. – 1976. – 18 с. 40. ГОСТ Р 53486-2009. Очес льняной. Технические условия. – М.: Издательство стандартов. – 2009. – 19 с. 41. ГОСТ Р 54590-2011. Лен чесаный в ленте. Технические условия. – М.: Издательство стандартов. – 2011. – 16 с. 42. Юдаева, Л. В. Исследование влияния промышленных способов приготовления тресты на структуру и качество льняных волокон / Л. В. Юдаева, Ф. Х. Фазлыев, А. Н. Иванов // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 1985. – №2. – С.21-23. 43. Кудряшов, А. Ю. Влияние селекционного сорта, способа получения тресты и зоны по длине стебля на изменчивость химического состава льняного волокна / А. Ю. Кудряшов, С. А. Кокшаров, Е. Л. Пашин // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 2009. – № 5 (320). – С. 3-5. 289 44. Пестовская, Е. А. Развитие теории и совершенствование технологических процессов мокрого прядения льня / Е. А. Пестовская. – Иваново: ИГТА. – 2010. – 200 с. 45. Соболев, М. А. Химия льна и лубоволокнистых материалов / М. А. Соболев. – М.: Гизлегпромю – 1963.– 141 с. 46. Кричевский, Г. Е. Химическая технология текстильных материалов / Г. Е. Кричевский // В 3 т. Т. 1. – М.: Изд. РосЗИТЛП. – 2000. – 436 с. 47. Алеева, С. В. Роль полимерных компонентов луба селекционных сортов льнадолгунца в изменении физико-механических свойств чесаного волокна / С. В. Алеева, С. А. Кокшаров, О. В. Лепилова, А. Ю. Кудряшов // В сб. ««Льноводство: реалии и перспективы». – Могилев: 2008. – С. 278-286. 48. Фридлянд, Г. И. Отделка льняных тканей / Г. И. Фридлянд. – М.: Легкая и пищевая промышленность. – 1982. – 460 с. 49. Алеева, С. В. Определяющая роль полимерного состава чесаного волокна селекционных сортов льна в изменении его физико-механических свойств / С. В. Алеева // В сб. «Физика волокнистых материалов». – Иваново: ИГТА. – 2008. – С. 76-82. 50. Кудряшова, Т. А. Влияние условий выращивания льна-долгунца сорта «Алексим» и первичной обработки льнотресты на свойства трепаного волокна / Т. А. Кудряшова, А. Ю. Кудряшов, С. А. Кокшаров, С. В. Алеева // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 2008. – №2. – С. 31-34. 51. Алеева, С. В. Технология биомодификации льняного волокна: особенности строения и ферментативной деструкции полиуронидов селекционных сортов льна-долгунца / С. В. Алеева // В сб. "Физика волокнистых материалов". – Иваново: ИГТА. – 2011. – С. 85-91. 52. Алеева, С. В. Полимерный состав трепаного льняного волокна селекционных сортов льна-долгунца «Зарянка» и «Могилевский-2» / С. В. Алеева, С. А. Кокшаров, О. А. Скобелева, А. Ю. Кудряшов // Известия вузов Химия и химическая технология. – 2011. – Т. 54. – вып. 6. – С. 93-96. 53. Кокшаров, С. А. Формирование полимерного состава лубяных пучков в процессах роста и переработки льна-долгунца / С. А. Кокшаров, С. В. Алее- 290 ва, О. А. Забываева, Т. А. Кудряшова // В сб. ««Льноводство: реалии и перспективы». – Могилев: 2008. – С. 268-277. 54. Кокшаров, С. А. Свойства льняного волокна селекционного сорта льнадолгунца «А-93» с опытных участков в тверской и костромской областях / С. А. Кокшаров, С. В. Алеева, Т. А. Кудряшова, А. Ю. Кудряшов // Химия растительного сырья. – 2008. – № 3. – С. 51-54. 55. Лебедев, Я. Л. Методические указания по проведению технологической оценки льносоломы и опытов по первичной обработке льна / Я. Л. Лебедев, М. Е. Егоров. – Торжок: ВНИИЛ. – 1972. – 58 с. 56. Азаров, В. И. Химия древесины и синтетических полимеров / В. И. Азаров, А. В. Буров, А. В. Оболенская. – СПб.: СПбЛТА. – 1999. – 629 с. 57. Химия биологически активных природных соединений (углевод-белковые комплексы, хромопротеиды, липиды, липопротеиды, обмен веществ) / Под ред. Н. А. Преображенского и Р. П. Евстигнеевой. – М.: Химия. – 1976. – С.79-81. 58. Донченко, Л. В. Фирсов Г. Г. Пектин: основные свойства, производство и применение / Л. В. Донченко, Г. Г. Фирсов. – М.: ДеЛи принт. – 2007. – 276 с. 59. Pavasars, I. Alkaline degradation of cellulose: mechanisms and kinetics / I. Pavasars, J. Hagberg, H. Boren, B. Allard // Journal of polymers and environment. – 2003. – V.11. – N2 – P. 39-47. 60. Knill, C. J. Degradation of cellulose under alkaline conditions / C. J. Knill, J. F. Kennedy // Carbohydrate Polymers. – 2003. – V.51. – N3. – P. 281-300. 61. Головлева, Л. А. Микробная деградация лигнина / Л. А. Головлева, Х. Г. Ганбаров // АН СССР. Успехи микробиологии. – 1982. – Т.17. – С. 137 – 158. 62. Оболенская, А. В. Химия лигнина / А. В. Оболенская. – СПб.: ЛТА. – 1993. – 80 с. 63. Афанасьева, В. А. Новые отечественные препараты для подготовки льняных полуфабрикатов и тканей из них Афанасьева / В. А. Афанасьева, Т. Г. Башилова, С. А. Шкиперова. // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева). – 2002. –Т. ХLVI. – №2. – С. 36-42. 291 64. Губина, С. М. Изучение эффективности действия восстановителей при различных режимах щелочной отварки / С. М. Губина, В. И. Лебедева, В. Г. Стокозенко. // в сб. «Новая техника и технология отделочного производства». – Иваново: 1984. – С. 14-20. 65. Мельников, Б. Н. Роль текстильных вспомогательных веществ. Прогресс текстильной химии и технологии / Б. Н. Мельников // Российский химический журнал. – 2002. – Т.XLVI – №1. – С. 9-19. 66. Стокозенко, В. Г. Растворимость и химические превращения лигнинсодержащих примесей хлопка в процессах восстановительной отварки / В. Г. Стокозенко, С. М. Губина, Б. Н. Мельников // Известия вузов. Химия и химическая технология. – 1984. – Т.27. – вып.4. – С. 442-445. 67. Демин, В. А. Активация и окисление лигнина при отбелке целлюлозы кислородосодержащими реагентами: дисс…докт. хим. наук. – СПб. – 1995. – 388 с. 68. Лебедева, В. И. Влияние сульфопроизводных антрахинона на процесс удаления лигнинсодержащих примесей хлопчатобумажных тканей / В. И. Лебедева, В. Г. Субботин, Б. Н. Мельников // Известия вузов Технология текстильной промышленности. – 1987. – №1. – С. 70-73. 69. Субботин, В. Г. Подготовка хлопчатобумажных тканей с использованием катализаторов отварки на основе антрахинона: дисс…канд. техн. наук. – Иваново. – 1988. – 188 с. 70. Сафонов, В. В. Влияние антрахинона на ускорение процессов отварки и беления хлопчатобумажных тканей / В. В. Сафонов, Н. П. Дубанкова, Е. А. Волкова // Текстильная химия. – 1984. – №5. – С. 58-60. 71. Стокозенко, В. Г. Исследование специфики взаимодейстция восстановителей с лигнином хлопка / В. Г. Стокозенко, С. М. Губина, Б. Н. Мельников // Известия вузов Химия и хим. Технология. − 1988. – Т.29. − № 8. – С. 99 – 102. 72. Закис, Г. Ф. Функциональный анализ лигнинов и их производных / Г. Ф. Закис. – Рига: Зинатне. – 1987. – 230 с. 292 73. Лигнины: структура, свойства и реакции / под ред. К. В. Сарканена и К. Х. Людвига. – М. : Лесн. Промышленность. – 1975. – 632 с. 74. Шорыгина, Н. Н. Реакционная способность лигнина / Н. Н. Шорыгина, В. М. Резников, В. В. Елкин. – М.: Наука. – 1976. – 368 с. 75. Никитин, В. М. Химия древесины и целлюлозы / В. М. Никитин, А. В. Оболенская, В. П. Щеголев. – М.: Лесная промышленность. – 1978. – 368с. 76. Вершаль, В. В. Исследование разложения пероксида водорода в щелочной среде и его влияние на отбелку лигноцеллюлозы и гомогенное окисление лигнина / В. В. Вершаль, Е.Н. Медведева, Н.А. Рыбальченко, В.А. Бабкин // Химия растительного сырья. – 1998. – №1. – С. 45-50. 77. Никитин, В. М. О делигнификации осиновой древесины перекисью водорода / В. М. Никитин, В. М. Скачков // Химия древесины. – 1968. – вып. 2. – С. 43–45. 78. Древесина (химия, ультрастуруктура, реакции) / Под ред. А. А. Леоновича. – М.: Лесная промышленность. –1988. – 512 с. 79. Резников, В. М. Превращения лигнина при окислении пероксидом водорода и молекулярным кислородом / В. М. Резников // Химия древесины. – 1997. – №2 – С.3-11. 80. Пен, Р. З. Катализируемая делигнификация древесины пероксидом водорода и пероксикислотами (Обзор) / Р. З. Пен, Н. В. Каретникова // Химия растительного сырья. – 2005. – №3. – С. 61–73. 81. Тарабанько, В. Е. О механизме окислительного расщепления углеродуглеродной связи лигнинов в щелочной среде / В. Е. Тарабанько, И. И. Ильина, Д. В. Петухов, Е. П. Первышина // Химия растительного сырья. – 1997. – №3. – С. 51-58. 82. Ossola, M. Scouring of flax rove with aid of enzymes / M. Ossola, Y. M. Galante // Enzyme and Microbial Technology. – 2004. – V.34.– P.177-186. 83. Справочник по химической технологии обработки льняных тканей. – М.: Легкая индустрия. – 1973. – 406 с. 84. Регламентированные технологические процессы обработки ровницы, пряжи, ткани. – М.: ФГУП ЦНИИЛКА. – 1982. – 104 с. 293 85. Лазарева, С. Е. Прядение льна с варкой ровницы / С. Е. Лазарева, Н. Д. Королева, Г. И. Фридлянд. – М.: Легкая индустрия. – 1966. – 126 с. 86. Якимчук, Р. П. Применение кубовых красителей (физико-химические основы) / Р. П. Якимчук, А. В. Мищенко, Н. Е. Булушева. – М.: Легпромбытиздат. – 1985. – С. 135-157. 87. Алеева, С. В. Сопоставительный анализ содержания полимерных спутников целлюлозы для химических способов подготовки льняной ровницы / С. В. Алеева // Сб. тез. докладов Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», Прогресс-2013. – Иваново: ИГТА. – 2013. – С. 227-229. 88. Алеева, С. В. Влияние вида волокна и способа химической подготовки на единичные показатели качества льняной пряжи / С. В. Алеева // Сб. тез. докладов Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», Прогресс-2013. – Иваново: ИГТА. – 2013. – С. 296-298. 89. Павлова, В. А. Разработка бессиликатного способа беления пероксидом водорода с использованием полиэтиленгликолей: дисс. …канд. техн. наук. – М. – 1995. – 144 с. 90. Шибашова, С. Ю. Пероксидное беление тканей с использованием в качестве стабилизатора производных антрахинона: дисс. …канд. техн. наук. – Иваново – 1997. – 136 с. 91. Шарнина, Л. В. Решение проблемы налипообразования в процессах пероксидного беления текстильных материалов / Л. В. Шарнина, И. Б. Блиничева, М. А. Жбанов // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 2003. - №2. – С. 51-54. 92. Атаханов, А. А. Новые бессиликатные стабилизирующие системы для пероксидного беления целлюлозного волокна / А. А. Атаханов, А. Д. Тихоновецкая, Д. С. Набиев, С. Ш. Рашидова // Химия растительного сырья. – 2004. - №4. – С. 5-9. 294 93. Шибашова, С. Ю. Пероксидное беление льняных тканей / С. Ю. Шибашова // Известия вузов Технология текстильной промышленности. – 2007. - № 1 (296). – С. 64-66. 94. Башилова, Т. Г. Бесхлорная пероксидная отделка льняных тканей и ровницы / Т. Г. Башилова, В. К. Переволоцкая, Г. Н. Савосина, А. В. Артемов // Сб. материалов Международной научно-практической конференции «Пути повышения конкурентоспособности продукции из льна». – Вологда: ЦНИИЛКА. – 2004. – С. 143-144. 95. Афанасьева, В. А. Перспективы получения высококаачественной льняной продукции на базе экологически безопасных технлогических процессов отделки / В. А. Афанасьева, Т. Г. Башилова, В. К. Переволоцкая // Сб. материалов Международной научно-практической конференции «Высокоэффективные технлогии производства и переработки льна». – Вологда: ЦНИИЛКА. – 2002. – С. 124-129. 96. Квач, И. М. Плазмохимическая обработка льняных тканей / Н. М. Квач, Т. В. Тюркина, С.Ф. Садова. // Текстильная промышленность. – 1995. – №1-2. – С. 33 – 35. 97. Панкратова, Е. В. Воздействие тлеющего разряда на отбеленную и суровую льняную ткань / Е. В. Панкратова, С. Ф. Садова, А. Б. Гильман. // Текстильная промышленность. – 1996. – № 5. – С. 32 – 34. 98. Wong, K. K. Lon temperature plasma treatment of linen / K. K. Wong // Textile Research Journal. – 1999. – № 11. – P. 846 – 855. 99. Владимирцева, Е. Л. Исследование активирующего воздействия энергии ТВЧ на кинетику разложения пероксида водорода и интенсификацию процесса беления целлюлозсодержащих тканей / Е. Л. Владимирцева, А. Л. Никифоров, Е. П. Новоселова. // Сб. материалов Межд. науч.-техн. конф. – Кострома: 1998. – 303 с. 100. Procedue pentru tratarea fibrelar de in / Valu F., Iliescu E., Neculaiasa // Patent CS № 80751, опубл. 28.02.83. 295 101. Коломейцева, Э. А. Исследования процесса беления льносодержащих тканей с использованием УФ-активации / Э. А. Коломейцева, В. С. Побединский. // Сб. материалов II межд. конф. «Актуальные проблемы химии и химической технологии». – Иваново: ИГХТУ. – 1999. – С. 217. 102. Ренби, В. Фотодеструкция, фотоокисление, фотосенсибилизация полимеров / В. Ренби, Я. Рабэк. : под ред. Н. М. Эммануэля. – М. : Мир. – 1978.– 675 с. 103. Панкратова, Е. В. Применение низкотемпературной плазмы для совершенствования технологии отделки льняных материалов: дисс. …канд. техн. наук. – М. – 2007 – 190 с. 104. Гост 10138-93. Ткани чистольняные, льняные, полульняные бельевые. Общие технические условия. – М.: Изд-во стандартов. – 1995. – 8 с. 105. Алеева, С. В. Комплексный подход к ферментативному разрушению полимерных примесей при облагораживании льняных тканей / С. В. Алеева, О. В. Лепилова // Текстильная химия. – 2005. – №1. – С. 28-34. 106. Алеева, С. В. Обоснование подбора биокатализаторов для процессов приготовления крахмальной шлихты и расшлихтовки текстильных материалов: дисс…канд. техн. наук – Иваново. – 2002.– 158 с. 107. Сафонов, В. В. Амилолитические ферменты в процессах крашения хлопчатобумажных тканей / В.В. Сафонов, И.М. Шкурихин // Текстильная промышленность. – 2000. – № 6. – С. 29-30. 108. Лепилова, О. В. Новые возможности использования ферментативного катализа при подготовке и белении льняных тканей / О. В. Лепилова, С. В. Алеева, С. А. Кокшаров // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 2009. – №3. – С. 51-53. 109. Мельников, Б. Н. Современное состояние и перспективы использования биохимических процессов в текстильной промышленности / Б. Н. Мельников, А. В. Чешкова, В. И. Лебедева // Текстильная химия. – 1998. - №1(13). – С. 75-81. 110. Неманова, Ю. В. Обоснование подбора ферментных препаратов для биохимических способов подготовки льняных текстильных материалов: дисс. … канд. техн. наук. – Иваново, 2005. – 190 с. 296 111. Кулигин, М. Л. Разработка технологии расшлихтовки текстильных мтериалов // М. Л. Кулигин, В. А. Евдокимова // Вестник Хмельницкого национального университета. – 2012. – №5. – С. 107-111. 112. Шибашова, С. Ю. Изучение влияния ферментативной и пероксидной обработок на льняные текстильные материалы / С. Ю. Шибашова, А. В. Чешкова // Известия вузов Технология текстильной промышленности. – 2004. №4(279). – С. 46-48. 113. Nelson, S. The use of xylanase for peroxide bleaching of kraft pulps derived from different softwood species / S. Nelson, K.K.Y. Wong, J.N. Saddler, R.P. Beatson // Intl. Pulp Bleaching Conf. – 1994. – P. 51-55. 114. Билялетвинова, Р. Д. Технология беления льносодержащих тканей / Р. Д. Билялетвинова, В. М. Ракитина // Инф. сообщение ЦНИИЛВ. Текстильная промышленность. – 1987. – № 11. – С. 10-11. 115. Мельников, Б. Н. Прогресс текстильной химии за 50 лет / Б. Н. Мельников // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 2007. – № 6(303). - С. 33-47. 116. Кузьмин, А. П. Разработка бесхлорных способов подготовки льносодержащих текстильных материалов: дисс…канд. техн. наук – Иваново. – 2004.– 215 с. 117. Марш, Дж. Т. Заключительная отделка текстильных материалов / Дж. Т. Марш. – М.: Гизлегпром. – 1956. – 572 с. 118. Епишкина, В. А. Научное обоснование и разработка ресурсосберегающих и экологически ориентированных технологий отделки текстильных материалов: дисс…докт. техн. наук – Санкт-Петербург. – 2011.– 270 с. 119. Кротова, М. Н. Проблемы выбора текстильных вспомогательных веществ для процессов колорирования и заключительной отделки текстильных материалов / М. Н. Кротова, Ю. А. Рукавишникова, О. И. Одинцова, О. К. Смирнова // Известия вузов технология текстильной промышленности. – 2011. – №1(330). – С. 70-74. 297 120. Захарченко, А. С. Полимеры в заключительной отделке технического текстиля / А. С. Захарченко, О. В. Козлова// Сб. «Медтекстиль-2012». – М. – 2012. – С. 78-79. 121. http://rustm.net 122. http://www.travers.su 123. http://ivchimprom.com 124. http://www.basf.ru 125. Шигаева, И. В. Экологические аспекты применения ферментных обработок при облагораживании льняной пряжи / И. В. Шигаева, Н. Р. Туркина, И. И. Шамолина // Текстильная промышленность. – 2002. – № 4. – С.27-28. 126. Шибашова, С. Ю. Льняные ткани нового поколения: мягкость, комфорт, практичность / С. Ю. Шибашова, A. B. Чешкова, A. B. Кузьмин // Текстильная промышленность. – 2002. – №8. – С. 29-31. 127. Ленинджер, А. Основы биохимии: в 3-х томах. Т1 / А. Ленинджер. – М.: Мир. – 1985. – 367; 128. Мосолов, В. В. Протеолитические ферменты / В. В. Мосолов. – М.: Наука. – 1971. – 404 с. 129. Степанов, В. М. Структура и функция белков / В. М. Степанов – М.: Высшая школа. – 1996. – 335 с.; 130. Макурина, О. Н. Химия белка и ферментов / О. Н. Макурина. – Самара: Издво «Универс групп». – 2007. – 100 с. 131. Кокшаров, С. А. Биохимическая модификация полисахаридов в процессах текстильного производства / С. А. Кокшаров, С. В. Алеева // Глава 9. в монографии: Научные основы химической технологии углеводов. – Отв. ред. А. Г. Захаров. – М.: Изд. ЛКИ. 2008. – С.401-523. 132. Аналитическая химия полимеров / Под ред. Г. Клайна. – М.: Изд. Мир. – 1965. – С.31-36. 133. Алеева, С. В. Целлюлозосохраняющая технология подготовки льняной ровницы с использованием мацерирующих ферментов / С. В. Алеева, О. В. Ле- 298 пилова, С. А. Кокшаров, С. Г. Оботурова // Текстильная промышленность. Научный альманах. 2005. №7-8. С. 45-48. 134. Алеева, С. В Освоение методов малотоннажного синтеза в лабораторных условиях ферментных препаратов для текстильной промышленности / С. В. Алеева, И. В. Куликова, С. А. Кокшаров // Текстильная химия. – 2001. – №1(19). – С. 62-68. 135. Кокшаров, С. А. Метрологический контроль качества ферментных препаратов на текстильном предприятии / С. А. Кокшаров, С. В. Алеева: учеб. пособие. Иваново. – 2004. 48 с. 136. Владимиров, Г. Е. Энзимология / Г. Е. Владимиров, С. Н. Лызлова. – Л.: Изд. ЛГУ. – 1962. – 256 с. 137. Березов, Т. Т. Биологическая химия / Т. Т. Березов, Б.Ф. Коровкин. – М.: Медицина. –1998. –704 с. 138. Диксон, М. Ферменты / М. Диксон, Э. Уэбб – М.: Мир. – 1982. – Т. 1-3. – 1120 с. 139. Овчинников, Ю.А . Биоорганическая химия / Ю. А. Овчинников. – М.: Просвящение. – 1987. – 815 с. 140. Березин, И. В. Основы физической химии ферментативного катализа / И. В. Березин, К. Мартинек. – М.: Высш.школа. – 1977. – 280 с. 141. Клесов, А. А. Ферментативный катализ. Ч. II. / А. А. Клесов. – М.: Изд. МГУ. – 1984. – 216 с. 142. Фридрих, П. Ферменты: четвертичная структура и надмолекулярные комплексы / П. Фридрих // Пер. с англ. – М.: Мир. – 1986. – 374 с. 143. Гусаков, А. В. Биокатализаторы на основе грибных целлюлаз: Фундаментальные и прикладные аспекты: дисс. … докт. техн. наук. – Москва. – 2005. – 385 с. 144. Номенклатура ферментов // Перевод с англ. под ред. акад. А. Е. Браунштейна. – М.: ВИНИТИ. – 1979. – 321с. 145. Кокшаров, С. А. Создание и применение специализированных биопрепаратов для отделки текстиля / С. А. Кокшаров, А. П. Морыганов, А. Г. Захаров // Текстильная химия. – 2003. – № 3(23). – С.14-24. 299 146. Traore, M. K. K. Environmentally friendly scouring processes / M. K. K. Traore, G. Buschle-Diller // Textile Chemist Colorist. – 2000. – V. 32. – № 12. – P. 40-43. 147. Buchert, J. Scouring of cotton with pectinases / J. Buchert, J. Pere, A. Puolakka, P. Nousiainen // Textile Chemist Colorist. – 2000. – V. 32. – № 5. – P. 48-52. 148. Гришутин, С. Г. Ферментная обработка суровой хлопчатобумажной ткани для придания ей устойчивой смачиваемости и сорбционной способности / С. Г. Гришутин, А. В. Гусаков, А. П. Синицын и др. // Текстильная промышленность. – 2000. – №4. – С. 19-21. 149. Гришутин, С. Г. Биоотварка хлопчатобумажных тканей / С. Г. Гришутин, А. В. Гусаков, А. П. Синицын и др. // Текстильная химия. – 2000. – №2(18). – С. 65-70 150. Барышева, Н. В. Разработка основ ферментативной технологии отварки хлопчатобумажных тканей: дисс. … канд. техн. наук. – Москва – 2006. –176 с. 151. Kubicek ,C. P. Trichoderma reesei Celloloses / C. P. Kubicek, D. E. Eveleigh, H. Esterbauer et al. // Royal Society of Chemistry. London. – 1990. – P. 1345-1358. 152. Srisodsuk, M. Mode of action of Trichoderma reesei cellobiohydrolase I on crystalline cellulose / M. Srisodsuk // VTT Publications. Espoo. – 1994. – P. 75-81. 153. Марков, А. В. Биоотварка хлопчатобумажных тканей ферментными препаратами: сравнение эффективности действия разных препаратов, выявление ключевых ферментов / А. В. Марков, А. В. Гусаков, С. Г. Гришутин и др. // Текстильная химия. – 2003. – №3. – С.25-27. 154. Ooshima, H. Enhancement of enzymatic-hydrolysis of cellulose by surfactant / H. Ooshima, M. Sakata, Y. Harano // Biotechnology and Bioengineering. – 1986. – Vol. 28. – P. 1727-1734. 155. Ueda, M. Cellulase Treament of cotton fabrics: ingibitions effect of surfactants on cellulose catalytic reaction / M. Ueda, H. Koo, T. Wakida // Textile Research Journal. – 1994. – V. 64. – № 10. – P. 615-618 156. Kaya, F. Influence of surfactants on the enzymatic-hydrolysis of xylan and cellulose / F. Kaya, J.A. Heitmann, T.W. Joyce // TAPPI Journal. – 1995. – V. 78. – № 10. – P. 150-157. 300 157. Eriksson, K. E. Extracellular enzyme system utilized by the fungus Sporotrichum pulverulentum (Chrysosporium lignorum) for the breakdown of cellulose / K. E. Eriksson, B. Pettersson // Eur. J. Biochem. – 1975. – Vol. 51. – P. 193-218. 158. Черноглазов, В. М. Получение высокоочищенных, различающихся по адсорбционной способности множественных форм эндо--глюканаз Trichoderma viride методами аффинной хроматографии на целлюлозу и высокоэффективного хроматофокусирования / В.М. Черноглазов, О.В. Ермолова, А.А. Клесов // Биохимия. – 1985. – Т.50. – С. 1108-1119. 159. Labudova, I. Multiple enzyme forms in the cellulase system of Trichoderma reesei during its growth on cellulose / I. Labudova, V. Farkas // Biochem. Biophys. Acta. – 1983. – V. 744. – P. 515-523. 160. Farkas, V. Characterization of cellulase complexes from Trichoderma reesei QM 9414 and its mutants by means of analytical isoelectrofocusing in polyacrylamide gels / V. Farkas, A. Jalanko, N. Kolarova // Biochem. Biophys. Acta. – 1982. – V. 706. – P. 105-110. 161. Сoolbear, T. Enzymes and products from bacteria, fungi and plant cells / T. Сoolbear // Berlin: Springer. – 1992. – Р.144. 162. Фридрих, П. Ферменты: четвертичная структура и надмолекулярные комплексы / П. Фридрих. – М.: Мир. – 1986. – 374 с. 163. Синицын, А. П. Влияние состава целлюлазного препарата на эффективность ферментативного гидролиза хлопкового линта / А. П. Синицын, Б. Наджеми, A. A. Клесов // Химия древесины. – 1982. – №2. – С.91-96. 164. Синицын, А. П. Условия возникновения синергизма между эндо- и экзодеполимеразами при ферментативной деструкции полисахаридов / А. П. Синицын, А. В. Гусаков // Вестник МГУ. Серия 2. Химия. – 1989. – Т. 30. – № 2. – С. 196-200. 165. Синицын, А. П. Биоконверсия лигноцеллюлозных материалов / А. П. Синицын, А. В. Гусаков, В. М. Черноглазов. – М.: Изд-во МГУ. 1995. - 224 с. 301 166. Рабинович, М. Л. Синергизм при совместном действии эндоглюканаз с высоким и низким сродством к целлюлозе / М.Л. Рабинович, Нгуен Ван-Вьет, А.А. Клесов // Прикл. биохим. и микробиол. – 1986. – Т. 22, – №1. – С.70-79. 167. Karapinar, E. Scouring of cotton with cellulases, pectinases and proteases / E. Karapinar, M. Sariisik // Fibres & textiles in Eastern Europe. – 2004. – V. 12.– № 3(47).– P. 79-82. 168. Etters J. N. Cotton preparation with alkaline pectinase: an environmental advance // Textile Chemist and Colorist. – 1999. – V. 1. – №3. – P. 33-36. 169. Belghith, H. Biostoning of denims by Penicillium occitanis (Pol6) cellulases / H. Belghith, S. Ellouz-Chaabouni, A. Gargouri // J. Biotechnol. – 2001. – Vol. 89. – №2-3. – P. 257–262. 170. Николов, А. Энзимы фирмы «Novo Nordisk» для текстильной промышленности / А. Николов // Текстильная химия. – 1998. – № 2 (14). – С. 65-67. 171. Новорадовский, А. Г. Применение ферментов концерна «Клариант» в отделке текстильных материалов / А. Г. Новорадовский // Текстильная химия. – 1998. – № 2 (14). – С. 73-84. 172. Изгородин, А.К. Особенности структурного и энергетического состояния волокон хлопка разной зрелости / А. К. Изгородин, М. Ю. Кумошенский // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 2007. – №2. – с. 28-32. 173. Алеева, С. В. Новые эффекты биохимической технологии и дизайна льняных материалов на основе ферментативной генерации вторичных реагентов / С. В. Алеева, О. В. Лепилова, С. А. Кокшаров // Дизайн. Материалы. Технология. – 2009. – №4(11). – С. 110-116. 174. Ежова, А.Ю. Разделение и характеристика ферментного комплекса культуры Bac. macerans / А. Ю. Ежова, Э. А. Шишкова, Г. Б. Бравова и др. // Биотехнология. – 2002. – №1. – С. 21-27. 175. Li, Y. Enzymatic scouring of cotton: effeсts on structure and properties / Y. Li, I.R. Hardin // Textile chemist and colorist. – 1997. – V.29. – №8. – P. 71-76. 302 176. Оводов, Ю. С. Современные представления о пектиновых веществах / Ю. С. Оводов // Биоорганическая химия. – 2009. – Т. 35. – № 3. – С. 293-310. 177. Грачева, И. М. Технология ферментных препаратов / И. М. Грачева, А. Ю. Кривова. // – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Элевар. – 2000. –512 с. 178. Preša, P. Pektinaze kot sredstvo za bioizkuhavanje / P. Preša, P. Forte Tavčer. //Tekstilec. – 2007. – V. 50. – № 1–3. – P. 16–34. 179. Галич, И. П. Амилазы микроорганизмов И. П. Галич // – Киев.: Наукова думка. – 1987. – 192 с. 180. Dauville´e, D. The debranching enzyme complex missing in glycogen accumulating mutants of Chlamydomonas reinhardtii displays an isoamylase-type specificity / D. Dauville´e et al. // Plant Science. – 2000 – V.157.– P. 145-156. 181. Allen, J. D. Subsite mapping of enzymes. Depolymerase computer modeling / J. D. Allen, J.A. Thoma // Biochem. J. – 1976. – V.159. – №1. – P. 105-120. 182. http://www.freedoniagroup.com 183. Бюл. иностр. ком. инф. 11.01.2011 184. Li, Y. Treating cotton with cellulases and pectinases: effects on cuticle properties / Y. Li, I. R. Hardin // Textile Res. J. – 1998. – V. 68. – № 9. – P. 671-679. 185. Sawada, K. Bioscouring of cotton with pectinase enzyme / K. Sawada et al. // JSDC. – 1998. – V. 114. – P. 333-336. 186. Hartzell, N. M. Enzymatic scouring to improve cotton fabric wettability / N. M. Hartzell, Y-L. Hsich // Textile Res. J.– 1998. – V. 68.– № 4.– P. 233-241. 187. Karapinar, E. Scouring of cotton with cellulases, pectinases and proteases / E. Karapinar, M. Sariisik // Fibres & textiles in Eastern Europe. – 2004. – V. 12.– № 3(47).– P. 79-82. 188. Husain, P. Biopreparation – a new industrial enzyme process / P. Husain et al. // In. Book of papers, AATCC conf. – 1999. –P. 170-182. 189. Морозова, В. В. Роль препаратов нейтрально-щелочных пектатлиаз в процессе отварки хлопчатобумажных тканей / В. В. Морозова и др. // Прикладная биохимия и микробиология. – 2006. – Т.42. – №6. – С. 686-691. 303 190. Новожилов, Е. В. Изменение структуры клеточной стенки и свойств волокон лиственной целлюлозы при ферментативном воздействии / Е. В. Новожилов, Д. Г. Чухчин, К. Ю. Терентьев, И.А. Хадыко // Химия растительного сырья. – 2012. – №2. – С.15-20. 191. Сафонов, В. В. Облагораживание текстильных материалов / В. В. Сафонов. – М.: Легпромбытиздат. – 1991. – 135 с. 192. Чешкова, А. В. Ферментативная расшлихтовка в технологиях подготовки льняных тканей / А. В. Чешкова и др. // Текстильная промышленность. – 1999. – №1. – С.13-16. 193. Сафонов, В. В. Изучение условий применения -амилазы амилосубтилина Г3х при расшлихтовке хлопчатобумажных тканей / В. В. Сафонов и др. // Биотехнология. – 1991. – №2. – С. 61-64. 194. Сафонов, В. В. Кинетика биорасшлихтовки хлопчатобумажных тканей и оценка ее качества / В. В. Сафонов и др. // Известия вузов. Технология текстильной промышлености. – 1990. – №3(195) . – С. 60-63. 195. Чешкова, А. В. Использование ВЧ-нагрева при ферментативной расшлихтовке и перекисном белении / А. В. Чешкова, В. С. Побединский, В. И. Лебедева // Известия вузов. Технология текстильной промышлености. – 1994. – №6. – С. 51-54. 196. Николов, А. Эволюция применения энзимных препаратов в текстильной / А. Николов, Н. Н. Сычев // Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф. «Достижения текстильной химии – в производство» (Текстильная химия-2000). – Иваново. – 2000. – С. 33. 197. Головина, Л. А. Разработка и теоретическое обоснование технологии заключительной отделки льняных тканей с использованием биопрепаратов на основе целлюлаз: дисс… канд. техн. наука. – Москва. – 2007. – 167 с 198. Разумеев, К. Э. Основные мировые тенденции в производстве и переработке шерсти / К. Э. Разумеев // Текстильная промышленность. - 1999. - N 4. - С. 7-10. 304 199. Bishop, D. The use of proteolytic enzymes to reduce wool-fibre stiffness and prickle / D. Bishop, J. Shen, E. Heine et al. // J. Text. Inst. – 1998 – V. 89 – P. 546-553. 200. Михайлова С.Л. Модификация шерсть-содержащих волокнистых материалов в процессе промывки и беления: дисс…канд. техн. наук – Иваново. – 2003.– 199 с. 201. Chesson, A. Maceration in relation to the post-harvest handling of plant material: a review / A. Chesson. // J. Appl. Bacteriol. – 1980. – V. 48. – P. 1-45. 202. Baracat, M. C. Selection of pectinolytic fungi for degumming of natural fibres / M. C. Baracat. // Biotechnol. Lett. – 1989. – V. 11. – P. 899- 902. 203. Bruhlmann, F. Pectinolytic enzymes from actinomycetes for the degumming of ramie bast fibres / F. Bruhlmann et al. // Appl. Environ. Microbiol. – 1994. – V. 60. – P. 2107-2112. 204. Zhang, J. Polygalacturonase is the key component in enzymatic retting of flax / J. Zhang, G. Henriksson, G. Johansson. // J. of Biotechnology. – 2000. – V. 81. – P. 85-89. 205. Бравова, Г. Б. Биосинтез пектолитических ферментов анаэробными бактериями рода Clostridium : дисс…. канд. биол. наук. – Москва. – 1972. – 182 с. 206. Бравова, Г. Б. Характеристика пектолитических ферментных препаратов и их использование в мочке льна / Г. Б. Бравова и др. // Труды ВНИИсинтезбелок. – 1972. – вып. 1. – С. 254 – 263. 207. Капитонова, Л. С. Пектолитические ферменты Clostridium felsineum шт. 5, мацерирующие стебли льна: дисс. … канд. биол. наук. – Москва. – 1973. – 158 c. 208. http://www.gusmerenterprises.com 209. http://biosciences.dupont.com 210. Das, T. Enzyme Treatment of Wool and Specialty Hair Fibers / T. Das, G. N. Ramaswamy //Textile Research Journal. – 2006. – V.76. – Р. 126-133. 211. Abdel-Halim, E. S. Bioscouring of linen fabric in comparison with conventional chemical treatment / E. S. Abdel-Halim, H. M. Fahmy, M. M. G. Fouda // Carbohydrate Polymers. – 2008. – V.7. – Р. 707-711. 305 212. Надтока, И. Б. Создание хлопкоподобных гигроскопичных материалов на основе отходов льняного производства: дисс. ... канд. техн. наук. – Иваново. – 2000. – 166 с. 213. Кундий, С. А. Разработка энергосберегающих экологически безопасных технологий подготовки льняных материалов на основе биопроцессов: дисс. … канд. техн. наук. – Иваново. – 1999. - С.114-119. 214. Чешкова, А. В. Разработка энергосберегающих технологий подготовки тканей на основе биохимических катализаторов: автореф. … дисс. ... канд. техн. наук. – Иваново. – 1994. – 24 с. 215. Панкова, М. В. Теоретическое обоснование и разработка низкотемпературной ферментативной технологии промывки хлопчатобумажных напечатанных тканей: дисс. ... канд. техн. наук.– Иваново. – 2001. – 191 с. 216. Кузьмин, А. В. Разработка бесхлорных способов подготовки льносодержащих текстильных материалов: автореф. … дисс. канд. техн. наук. – Иваново. – 2004. – 20 с. 217. Мирнчик, Т. Г. Почвенная микробиология / Т. Г. Мирнчик. – М.: Изд-во МГУ. – 1976. – 145 с. 218. Kaplan, D. I. Decomposition of lignins by microorganisms / D. I. Kaplan, R. Hartenstein // Soil. Biol and Biochem. – 1980. – V. 12. – P.65. 219. Kirk, K. Farrell: Production of Ligninases by Phanerochaete chrysosporium / K. Kirk, M. Tien, S. Croan et al. // Ibid. – 1986. – Р.5. 220. Синицын, А. П. Энзимные биотехнологии в отделке текстиля / А. П. Синицын, Г. Е. Кричевский. // Текстильная пром-сть. – 2000, – №6. – С. 22-28. 221. Paniel, G. F. Degradation of lignocellulosics by unique tunnel-forming bacteria / G. F. Paniel, T. Nilsson, A. P. Singh. // J. Microbiol. – 1987. – Vol. 33. – P. 943- 948. 222. Головлева, Л. А. Лигнолитическая активность дереворазрушающих грибов / Л. А. Головлева, А. А. Леонтьевский // Микробиология. – 1998. – Т.67. – № 5. – С. 581-587. 306 223. Позднякова, Н. Н. Внеклеточные оксидазы твердофазной культуры лигнинолитического гриба Panus tigrinus 8/18 II / Н. Н. Позднякова, А. А. Леонтьевский, Л. А. Головлева // Биохимия. – 1999. – Т. 64. – № 4. – С. 526-532. 224. Берлин, Х. А. Исследование тополитических эндоглюконаз и ксиланаз ферментных комплексов Penicileum verruculosum и Truchederma reesei: дисс. … канд. техн. наук. − М., 1999. − 179 с. 225. Valchev V., Valchev I., Christova E. Introduction of an enzyme stage in bleaching of hardwood kraft pulp // Cellulose Chem. Technol. – 1998. – №32. – P. 457462. 226. Biotechnology in textiles Prozessen // Textiltechnick. − 1986. − Bd. 94. − P 696-697. 227. Obaidat, A. Characterization of glucose dependent Gel-Sol phase transition of the polymeric glucose concanavalin A hydrogel system / A. Obaidat, K. Park // Pharmaceutical Research. – 1996. – V.13. – Р. 989. 228. Петрова, В. И. Современные антиоксиданты в медицине / В. И. Петрова. Волгоград: Скоропринт. – 2001. – 56 с. 229. Лабораторный практикум по курсу химической технологии волокнистых материалов / Под ред. Ф. И. Садова. – М. : Гизлегпром. – 1963. – 428 с. 230. Состав пасты для печати целлюлозосодержащих материалов кубовыми красителями С. А. Кокшаров, С. В. Алеева, Г. В. Чистякова, Е. А. Венедиктов, Л.Ф. Шевченко // Патент РФ №2196855, БИ № 2, опубл. 20.01.2003. 231. Якимчук, Р. П. Применение кубовых красителей (физико-химические основы) / Якимчук Р. П., Миценко А. В., Булушева Н. Е. – М.: Легпромбытиздат – 1985. – 192 с. 232. Кокорина, Л. Ю. Разработка совмещенной технологии химической котонизации и крашения кубовыми красителями короткого волокна: дисс. … канд. техн. наук. – Иваново. – 2002. – 155 с. 233. Алеева, С. В. Дифференцированная оценка влияния примесей льняного волокна на свойства пряжи / С. В. Алеева, С. А. Кокшаров // Известия вузов. Химия и химическая технология. – 2011. – Т.54. – вып.1. – С.66-70. 307 234. Алеева, С. В. Решение задач повышения сохранности целлюлозы сквозь призму биотехнологий / С. В. Алеева, О. В. Лепилова, О. А. Забываева // Текстильная химия. – 2006. – №1(29). – С. 68-75. 235. Кокшаров, С. А. Биохимические технологии в текстильном производстве – реалии и перспективы. Развитие ферментативной подготовки текстильных материалов из льна и хлопка / С. А. Кокшаров, С. В. Алеева, О. Ю. Кузнецов, Ю.В. Неманова // Текстильная промышленность. – 2003. – № 5. – С. 42-45. 236. Алеева, С. В. Новый подход к прогнозированию эффективности биохимической деструкции полиуронидов при переработке льняного волокна / С. В. Алеева // В сб. «Физика волокнистых материалов». – Иваново: ИГТА. – 2010. – С. 137-143. 237. Способ ферментативно-пероксидной подготовки льняной ровницы к прядению / С. А. Кокшаров, С. В. Алеева, Г. В. Чистякова, А. Г. Захаров // Патент РФ №2366770, БИ №25, опубл. 10.09.2009. 238. Алеева, С. В. Особенности биохимической мацерации отечественного и импортного льняного сырья: сопоставительный анализ химического строения пектиновых веществ / С. В. Алеева, С. А. Кокшаров // Химия растительного сырья. – 2010. – № 3. – С.11-16. 239. Кокшаров, С. А. Химия и технология биокатализируемого наноконструирования льняных текстильных материалов / С. А. Кокшаров, С. В. Алеева // Рос.хим.ж. (Ж.Рос.хим.общества им. Д.И. Менделеева). – 2011. – т.LV. – вып. 3. – С. 46-58. 240. Алеева, С. В. Сравнительный химический анализ пектиновых веществ отечественных и импортных сортов льняного сырья / С. В. Алеева, Г. В. Чистякова, О. В. Лепилова // Сб. тез. докладов III Всероссийской научной конференции «Физико - химия процессов переработки полимеров». – Иваново: ИГХТУ. – 2006. – С. 135-136. 241. Филиппов, М. П. Инфракрасные спектры пектиновых веществ / М. П. Филиппов // – Кишинев: Штиинца. – 1978. – 75 с. 308 242. Тарутина, Л. И. Спектральный анализ полимеров / Л. И. Тарутина, Ф. О. Позднякова // – Л.: Химия. – 1986. – 248 с. 243. Алеева, С. В. Особенности биохимической мацерации отечественного и импортного льняного сырья: закономерности расщепления полиуронидных соединений ферментами пектолитического комплекса / С. В. Алеева, С. А. Кокшаров // Химия растительного сырья. – 2010. – №4. – С.5-10. 244. ОСТ Р 17-05-012-94. Лен чесаный. Технические требования. – М.: Издательство стандартов. – 1994. – 24 с. 245. Алеева, С. В. Закономерности расщепления крахмальной шлихты мультиэнзимными амилолитическими препаратами / С. В. Алеева, А. Л. Сибирев, С. А. Кокшаров // Известия вузов. Химия и химическая технология. – 2004. – Т.47. – вып. 4. – С. 77-81. 246. Сорочинская, Е. И. Биоорганическая химия: Поли- и гетерофункциональные соединения. Биополимеры и их структурные компоненты / Е. И. Сорочинская // – С-Пб.: Изд-во С.-Петербургского университета. – 1998. – 148 с. 247. Абросимов, В. К. Биологически активные вещества в растворах: структура, термодинамика, реакционная способность / В. К. Абросимов, А. В. Агафонов, Р. В. Чумакова и др. // – М.: Наука. – 2001. – 403 с. 248. Hills, В. P. Multinuclear NMR studies of water in solutions of simple carbohydrates. I. Proton and deuterium relaxation / В. P. Hills // Molecular Physics. – 1991. – V. 72. – № 5. – P. 1099-1121. 249. Данилова, B. A. Константы спин-спинового взаимодействия 13С-13С в структурных исследованиях. XXXIII. Стереохимические исследования пиранозного цикла / B. A. Данилова, Л. Б. Кривдин // ЖОрХ. – 2003. – Т.39. – вып.5. – С.708-717. 250. Miljkovic, M. Carbohydrates: Synthesis, Mechanisms and Stereoelectronic affects. – London: Sprinder. – 2010. – 543 р. 251. Лепилова, О. В. Проявление редуцирующих свойств продуктов ферментативной деструкции нецеллюлозных полисахаридов льна / О. В. Лепилова, С. 309 В. Алеева, С. А. Кокшаров // Известия вузов. Химия и химическая технология. – 2006. – Т. 49. – вып. 7. – С. 69-73. 252. Лепилова, О. В. Ферментативная генерация восстанавливающих сахаров для стабилизации ронгалитсодержащих красящих составов / О. В. Лепилова, С. В. Алеева, С. А. Кокшаров // Вестник ИГТА. – № 4. – 2006. – С. 45-50. 253. Лепилова, О. В. Сопоставление редуцирующей способности растворов альдоз / О. В. Лепилова, С. В. Алеева, С. А. Кокшаров // Журнал органической химии. – 2011. – Т 48. – В 1. – С. 88-93. 254. Тюкавкина, Н. А. Биоорганическая химия / Н. А. Тюкавкина, Ю. И. Бауков // – М.: Медицина. –1991. – 402 с. 255. Грандберг, И. И. Органическая химия / И. И. Грандберг // – М.: Дрофа. – 2001. – 672 с. 256. Goldberg, R. N. Mechanisms of Nonexponential Relaxation in Supercooled Glucose Solutions: the Role of Water Facilitation / R. N. Goldberg, Y. B. Tewari // J. Phys. Chem. Ref. Data. – 1989. – V. 18. – P. 809-838. 257. Кочетков, Н. К. Химия углеводов / Н. К. Кочетков, А. Ф. Бочков, Б. А. Дмитриев, А. И. Усов, О. С. Чижов, В. Н. Шибаев // – М.: Химия. – 1967. – 672 с. 258. Franks, F. Physical chemistry of small carbohydrates: equilibrium properties / F. Franks // Pure Appl. Chem. – 1982. – V. 59. – Р.1189-1198. 259. Кочетков, Н. К. Химия природных соединений / Н. К. Кочетков, И. В. Торгов, М.М. Ботвинник // – М.: Изд-во АН СССР. –1961. – 550 с. 260. Ким, А. М. Органическая химия / А. М. Ким // – Новосибирск: Изд-во Сиб. универ. – 2002. – 971 с. 261. Скобелева, О. А. Окислительная жеструкция целлюлозы в щелочной среде и разработка целлюлозосохраняющих методов подготовки текстильных материалов: дисс… канд. хим. наук. – Иваново. – 2010. – 185 с. 262. Скобелева, О. А. Окислительная деструкция целлюлозы в условиях щелочной отварки: интенсифицирующие факторы и методы ингибирования / О.А. 310 Скобелева, С.В. Алеева, С.А. Кокшаров //Дизайн. Материалы. Технология. – 2009. – №4 (11). – С. 100-106. 263. Скобелева, О. А. Антиоксидантная защита целлюлозы в условиях ферментативнощелочной обработки хлопчатобумажных тканей / О. А. Скобелева, С. А. Кокшаров // Сб. тез. докладов Международной научно-практической конференции «Нано-, био, информационные технологии в текстильной и легкой промышленности» («Текстильная химия -2011»). – Иваново: ИХР РАН. – 2011. – С. 69-70. 264. Лепилова, О. В. Новые технологические эффекты биохимической переработки льняного волокна на основе генерации вторичных реагентов / О. В. Лепилова, С. В. Алеева // В сб. "Физика волокнистых материалов". – Иваново: ИГТА. – 2009. – С. 127-132. 265. Smith, D. C. Functional analysis of lignin model compounds / D. C. Smith // Nature. – 1955. – Vol. 176. – P. 927-928. 266. Способ количественного определения флавоноидов в растительной среде / В. В. Беликов, Н. Т. Колесник // Авт. Свидетельство № 1507394, БИ №3, опубл. 23.01.89. 267. Способ ферментативно-пероксидной подготовки к прядению высоколигнифицированной льняной ровницы / С. А. Кокшаров, С. В. Алеева, О. В. Лепилова // Патент РФ № 2366771, БИ № 25, опубл. 10.09.2009, 268. Совмещенный способ подготовки к прядению и крашения льняного волокна / С. А. Кокшаров, С. В. Алеева, О.В. Лепилова, О. А. Забываева // Патент РФ № 2366769, БИ № 25, опубл. 10.09.2009. 269. Кокшаров, С. А. Комплексное решение проблем повышения сохранности целлюлозы в процессах расщепления примесей текстильных материалов из природных волокон / С. А. Кокшаров, Г. В. Чистякова, С. В. Алеева // Сб. трудов "Химия растворов и технология жидкофазных материалов. Достижения и перспективы". – Иваново: ИХР РАН. – 2006. – С. 259-275. 270. Алеева, С. В. Мацерация технического льняного волокна и комплексный показатель качества подготовки льняной ровницы к прядению / С. В. Алеева 311 // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 2006. – № 5. – С. 26-29. 271. Алеева, С. В. Оценка качества подготовки льняного волокна к прядению с использованием единичных показателей пряжи / С. В. Алеева, С. А. Кокшаров // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 2008. – № 4. – С. 9-12. 272. Алеева, С. В. Оценка действия гомогенных и полиферментных препаратов при расшлихтовке льняных тканей / С. В. Алеева, С. А. Кокшаров // Известия вузов. Химия и химическая технология. – 2009. – Т.52. – вып. 12. – С. 85-89. 273. Алеева, С. В. Количественный метод оценки распределения крахмальной шлихты в структуре пряжи / С. В. Алеева, С. А. Кокшаров // Известия вузов Технология текстильной промышленности. – 2005. – № 1. – С. 19-22. 274. Алеева, С. В. Влияние способа клейстеризации крахмала на распределение клеящего вещества в структуре пряжи / С. В. Алеева, С. А. Кокшаров // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 2009. – №2. – С. 42-45. 275. Лепилова, О. В. Обоснование ферментативно-пероксидной технологии беления льняных тканей / О. В. Лепилова // В сб. «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2008). – Иваново: ИГТА. – 2008. – С.104-105. 276. Чешкова, А. В. Бесхлоритная технология беления льносодержащих материалов / А. В. Чешкова, С. Ю. Шибашова, А. П. Кузьмин // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 2002. – № 4-5 (286). – С.75-78. 277. Киселев, А. М. Экологические аспекты процессов отделки текстильных материалов / А. М. Киселев // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). – 2002. – т. XLVI. – № 1. – С.20-30. 278. Чешкова, А. В. Текстильные биохимические технологии - сегодня и завтра / А. В. Чешкова, Б. Н. Мельников // Текстильная химия. – 2000. – № 2 (18). – С.117-123. 279. Способ ферментативно-пероксидного беления льносодержащих тканей / С. А. Кокшаров, С. В. Алеева, О. А. Забываева // Патент РФ №2372430, БИ №31, опубл. 10.11.2009. 312 280. Алеева, С. В. Обоснование биохимических методов перманентного мягчения и ворсования льняных полотен / С. В. Алеева // В сб. «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2012). – Иваново: ИГТА. – 2012. – С. 115-116. 281. Иванов, А. И. Влияние химического состава и структуры на прядильные свойства льняных волокон различных селекционных сортов / А. И Иванов, А. А. Гурусова, Т. В. Ремизова. // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 1986. – №4. – С. 13-16. 282. Алеева, С. В. Разработка математической модели «состав-свойство» для описания эффективности умягчающей отделки льняных тканей / С. В. Алеева // В сб. «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2012. – Иваново: ИГТА. – 2012). – С. 191-193. 283. Гладков, С. В. Компьютерное исследование ворсистости тканых полотен С. В. Гладков, Н. А. Коробов, М. А. Сташева и др. // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 2004 – №1. – С. 116-119. 284. Коровина, М. А. Использование льна для создания аппликационных лечебных материалов / М. А. Коровина // Текстильная промышленность. – 2011. – № 2. – С.48-51. 285. Галашина, В. Н. Модифицированное льноволокно для медицинских изделий / В. Н. Галашина, Н. С. Дымникова, А. Р. Данилов, А. П. Морыганов // Текстильная промышленность. – 2011. – № 2. – С.52-56. 286. Ферментативный способ заключительной умягчающей отделки льняных тканей / С. А. Кокшаров, С.В. Алеева // Патент РФ №2372429, БИ №31, опубл. 10.11.2009. 287. Бизнес-справочник. Рынок льняного и пенькового волокон России. – М.: Агентство «Анитекс». – 2013. – 18 с. 288. Иванова, В. Н. Состояние, проблемы и перспективы развития льняного комплекса России / В. Н. Иванова // Текстильная промышленность. – 2008. - № 1-2. – С. 37-41. 313 289. Жуков, Ю. В. Рынок тканей (обзор за 9 месяцев 2012 г.) / Ю. В. Жуков // Швейная промышленность. – 2013. – №1. – С. 3-12. 290. http://www.economy.gov.ru. 291. Фомченкова, Л. Н. Возрождение российского льна и развитие льняного комплекса продолжается вглубь веков – загадочный лен / Л.Н. Фомченкова // Текстильная промышленность. – 2011. – № 2. – С. 36-39. 292. Корчагин, М. В. Лабораторный практикум по химической технологии волокнистых материалов / Корчагин, М. В. [и др.] – М.: Легкая индустрия, 1976. – 352 с. 293. Иванов, А. Н. К вопросу о количественном методе анализа лигнина / А. Н. Иванов, И. А. Измайлова, М. В. Осипова. // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. 1982. №1. С. 23-25. 294. Рихтер, М. Избранные методы исследования крахмала / М. Рихтер, З. Аугустат, Ф. Ширбаум. – М.: Пищевая промышленность. – 1975. – 185с. 295. Итоги науки и техники. Методы изучения и свойства целлюлолитических ферментов // под ред. д. х. н. С. Д. Варфоломеева. – М.: ВИНИТИ – 1993. – С. 31. 296. Вайсберг, С. Г. Аналитическая химия полимеров / С. Г. Вайсберг, С. Ротман, М. Уэйлс. – М.: Мир. 1965. – 471 с. 297. Рухлядева, А. П. Методы определения гидролитических ферментов / А. П. Рухлядева, Г. В. Полыгалина. – М.: Легпищпром. 1981. – 290 с. 298. Лившиц, Д. Б. К вопросу вискозиметрического определения эндополигалактуроназной активности ферментных препаратов / Д. Б. Лившиц // Труды ВНИИ синтезбелок. – 1974. – вып. 2. – С. 29 – 39. 299. Химия процессов целлюлозно-бумажного производства. Ч. 1. Структура, свойства и химические реакции лигнина.: Учеб. пособ./ авт-сост. В.А. Демин; СЛИ. – Сыктывкар. 2008. 64 с. 300. Бузов, Б. А. Материаловедение швейного производства / Б. А. Бузов, Т. А. Модестова, Н. Д. Алыменкова. М.: Легкая индустрия. – 1978. – 480 с. 301. ГОСТ 10078-85. Пряжа из лубяных волокон и их смесей с химическими волокнами. Общие технические условия. – М.: Издательство стандартов. – 1985. – 28 с. 314 302. ГОСТ 3074.1–72. Волокно хлопковое. Методы определения разрывной нагрузки и линейной плотности. – М.: Издательство стандартов. – 1972. – 30 с. 303. Лабораторный практикум по материаловедению швейного производства: Учеб. пособие для вузов / Б. А. Бузов, Н.Д. Алыменкова, Д. Г. Петропавловский. – М.: Легпромбытиздат. – 1991. – 432 с. 304. ГОСТ 6611.2–73. (ИСО 2062–72, ИСО 6939–88) Нити текстильные. Методы определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве. – М.: Издательство стандартов. – 1973. – 26 с. 305. Побединский, В. С. Математическое моделирование цвета ткани и создание нового цветоизмерительного комплекса / В. С. Побединский. Сб. тез. Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», Прогресс-98. – Иваново: ИГТА. – 1998. С. 186. 306. ГОСТ 3816-81. Полотна текстильные. Методы определения гигроскопических и водоотталкивающих свойств. – М.: Издательство стандартов. – 1981. – 14 с. 307. ГОСТ 16218.5-93. Изделия текстильно-галантерейные. Метод определения разрывной нагрузки и разрывного удлинения при растяжении. – М.: Издательство стандартов. – 1993. – 10 с. 308. ГОСТ 18054-72. Материалы текстильные. Метод определения белизны. – М.: Издательство стандартов. – 1972. – 14 с. 309. ГОСТ 10550-93. Материалы текстильные. Полотна. Методы определения жесткости при изгибе. – М.: Издательство стандартов. – 1993. – 12 с. 310. ГОСТ 18976-73. Ткани текстильные. Метод определения стойкости к истиранию. – М.: Издательство стандартов. – 1973. – 6 с. 311. ГОСТ 20489-75. Материалы для одежды. Метод определения суммарного теплового сопротивления. – М.: Издательство стандартов. – 1976. – 12 с. 315 ПРИЛОЖЕНИЯ 316 Приложение 1 (методическая часть) 317 П1.1. Характеристика объектов исследования и используемых химических материалов В качестве объектов исследования в работе использованы льняные волокнистые материалы отечественных и зарубежных производителей, в том числе: образцы селекционных сортов льна-долгунца «Зарянка», «Алексим», «Ленок», «А-93» и «Могилевский-2» урожая 2008-11 г.г., выращенные в двух регионах - на опытных полях ВНИИЛ (Тверская обл.) и НИИСХ (Костромская обл.); образцы льносоломы (луба), стланцевого и моченцового волокна предоставлены сотрудниками ВНИИЛ (г. Торжок); - суровая стланцевая льняная ровница из мягкого волокна бийского и голландского сырья, образцы из смеси средней мягкости, сформированной из отечественных сортов соответственно нерехтинского и костромского чесаного льна с вложением в смески 28 % грубого льна вологодского производства, а также двух образцов повышенной жесткости, содержащих 35 % грубых видов соответственно калужского и вологодского чесаного льна; - льняная чесаная лента, поставляемая на текстильные предприятия из разных регионов России (бийское, тверское, костромское, калужское, вологодское) и из-за рубежа (голландский, французский) урожая 2009 г.; - виды смесовой льняной ровницы из сырьевой базы ОАО «Вологодский текстиль», сформированной из чесаного волокна различной степени огрубления. При проведении исследований также использовались льняные ткани арт. 778-3Э, 584, 590, 07103, 01057, 04303, 00035, 24708. Основные технические характеристики тканей приведены в табл. 2.1. В процессах биохимической подготовки льняных материалов применяли отечественные промышленно выпускаемые ферментные препараты производственных фирм ОАО «Сиббиофарм» (г. Новосибирск) и ЗАО «Энзим» (г. Ладыжин, Винницкая обл., Украина). Кроме того, использовали лабораторные образцы биопрепаратов, предоставленные сотрудниками кафедры химической энзимологии химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, а также гомогенные препараты фирмы ICN. Таблица П1.1. Характеристика текстильных материалов Наименование ткани Арт. полотно серое Волокнистый состав Линейная плотность пряжи Ширина, см Поверхностная плотность ткани, г/м2 основа уток основа уток 778-3Э лен лен 69 69 166 1857 полотно серое 584 лен лен 56 56 85 2005 полотно белое 590 лен лен 69 69 166 1857 полотно серое 07103 лен лен 69 69 150 1776 полотно серое 01057 лен лен 56 56 150 1985 полотно белое 04303 лен лен 86 86 150 2356 полотно гладкокрашеное 00035 лен лен 56 56 150 1657 полотно серое 24708 лен лен 86 69 150 2547 Характеристики ферментных препаратов приведены в табл. 2.2. 318 Таблица П1.2. Характеристика ферментных препаратов Наименование препарата Пектофоетидин Г3х Целловиридин Г20х Мацеробациллин Г3х-СХ Палформ Полифан МЛ Полифан МДЛ Полифан ЛТ Полифан ВЛ пектиназа пектинэстераза ксиланаза Характеристика препарата Отечественные промышленные биопрепараты комплекс пектолитических Aspergillus ферментов, протеазы, ксилаfoetidus назы и β-глюканаза Продуцент целлюлолитические и пектолитические ферменты, гемицеллюлазы Bacillus пектин-лиаза, экзополигалакcirculans туронат-лиаза целлюлолитические и пектоErw. carotovora литические ферменты, протеазы, гемицеллюлазы Лабораторные образцы ферментных препаратов пектинэстераза, эндополигаB. circulans, B. subtilis лактуроназа, экзополигалактуроназа, протеаза пектинэстераза, эндополигаB. circulans, B. subtilis, лактуроназа, протеаза, экзопоErv. caratovora лигалактуроназа, экзоксилозидаза, экзогалактозидаза пектинэстераза, эндополигаB. circulans, B. subtilis, лактуроназа, протеаза, экзопоErv. caratovora лигалактуроназа, экзоксилозидаза, экзогалактозидаза пектинэстераза, эндополигалактуроназа, протеаза, экзопоB. circulans, B. subtilis, Erv. лигалактуроназа, экзоксилозиcaratovora даза, экзогалактозидаза, арабинофуранозидаза пектинэстераза, эндополигаB. circulans лактуроназа, экзополигалактуроназа, Trichoderma viride B. circulans пектинэстераза эндоксилозидаза, эндогалактозидаза, экзоксилозидаза, экзогалактозидаза Гомогенные ферментные препараты фирмы ICN Erv. caratovora экзо-галактозидаза экзо-маннозидаза экзо-1,4--Dксилозидаза экзо-1,3-ксилозидаза КФ 3.2.1.23 лактаза КФ 3.2.1.25 манназа КФ 3.2.1.37 ксилобиаза КФ 3.2.1.72 -амилаза КФ 3.2.1.1 -амилаза КФ 3.2.1.2 -амилаза КФ 3.2.1.3 Условия применения Т=40…50оС рН 5,5…6,5 Т=45…60оС рН 5,5…7,5 Т=40...55оС рН=5...6 Т=45…50оС рН 3,4…5,5 Т=40...55оС рН=5...6 Т=40...55оС рН=5...6 Т=40...55оС рН=5...6 Т=40...55оС рН=5...6 Т=35...45оС рН=4...5 Т=35...45оС рН=4...5 Т=45…50оС рН 3,4…5,5 Т=35...55оС рН=5...6 Т=35...40оС рН=5...6 Т=40...55оС рН=5...6 Т=30...45оС рН=5...6 Т=30...40оС рН=4...6 Т=35...45оС рН=5...6 Т=40...50оС рН=4...6 319 В составе технологических растворов для обработки текстильных материалов применяли традиционно используемые химические реагенты, а также моносахариды производства фирмы ICN (-глюкоза, галактоза, ксилоза, манноза, галактуроновая кислота) продукты ферментативной деструкции полимерных спутников целлюлозы льна, которые приведены в табл. 2.3. Таблица П1.3. Характеристики химических реагентов и текстильных вспомогательных веществ Препарат Бикарбонат натрия Химическая формула Серная кислота Квалификация NaНCO3 техн. H2SO4, 98%-ная, =1,835г/см3 техн. H2O2 техн. Na2SiO3 техн. NaOH ч.д.а. NaHSO2·CH2O·H2O техн. Пероксид водорода Метасиликат натрия Гидроксид натрия Ронгалит H Глюкоза CH2OH H HO O H HO H техн. OH (H) OH H (OH) HO CH2OH O H 4 OH H H 2 OH HO H H ч.д.а. Ксилоза HO H O H OH 4 H 2 H OH H HO H ч.д.а. Манноза H СH2OH O OH OH 4 H HO 2 H H HO H ч.д.а. Галактоза HO COOH H 4 Галактуроновая кислота H HO H O H 2 OH H ч.д.а. OH CnH2n+1С6Н4О(C2H4O)mH, где n = 9, m = 10 Неонол 9/10 четвертичные аммонийные производные структуры неионогенных ПАВ R2 CH 2 N + R1 Отексин КС R N R2 R O NH 2 CH Si Si CH 3 техн. R C HN CH 3 (CH 2CH 2 O) n H O R 3 - CH 2 CH 3; CH 3 Трацкан К C H R 2 - CH 2 CH 3; CH 2CH 2 OH O O (CH 2 CH 2O) nH Cl - R3 где R 1-линейный алкил С 1-С 30 H 2C техн. (CH 2CH 2O) n H CH CH 3 3 O Si O O CH 3 3 Si CH 2 CH 3 ; n = 30 ...4 0 0 n NHR (-H) техн. (CH 2 ) 3 NHR гд е R - H; CH OH Велан CH 2 CH 2 O C C O CH CH 2 2 3 RO(C2H4O)mSO3M где R - жирный алкил С10-С18, m= 2…6, M - солеобразующий катион техн. 320 П1.2. Методы анализа количественного определения полимерных примесей и их химического строения в льняных волокнистых материалах П1.2.1. Спектрофотометрический метод дифференцированной оценки полимерного состава льняных волокнистых материалов Содержание основных углеводов и уроновых кислот льна определяли путем их последовательной экстракции, спектрофотометрического (СФ) анализа экстрактов по окрашенному комплексу полимеров с о–толуидином при длине волны 360 нм и математической обработки спектрограмм в соответствии с методиками [22]. Определение содержания лигнина в льняном волокне осуществляли сернокислотным методом [229]. Для получения о-толуидинового реагента в колбе на 500 мл смешивали 150 мл ледяной уксусной кислоты, 20 мл свежеперемешенного над цинковой пылью о-толуидина, 50 г лимонной кислоты (х. ч.), 0,75 г тиомочевины, 5 г борной кислоты и доводили полученный раствор до метки дистиллированной водой. Пектиновые вещества извлекали 1%-ным раствором лимоннокислого аммония с последующим спектрофотометрическим измерением. В частности, навеску волокнистого материала 20,0002 г обрабатывали 100 мл дистиллированной воды в колбе емкостью 250 мл на кипящей водяной бане в течение 20 мин с обратным холодильником. Раствор фильтровали через фильтр с красной лентой, а остаток в колбе промывали 2-3 раза горячей водой. После промывки волокно количественно переносили с фильтра в колбу со 100 мл 1%-ного раствора лимоннокислого аммония и кипятили на водяной бане в течение 2-х часов с обратным холодильником. По окончании кипячения раствор отфильтровывали через фильтр. Затем отбирают 30 мл охлажденного фильтрата и смешивали с равным объемом раствора 8 н. H2SO4. Кипятили в колбе с обратным холодильником 1 час. Далее гидролизат нейтрализовали 8 н. раствором гидроксида натрия. Нейтрализованный гидролизат количественно переносили в мерную колбу на 100 мл, охлаждали и доводили до метки для определения в нем содержания пектиновых веществ СФ-методом. Для определения гемицеллюлоз использовали волокно, оставшееся на фильтре после анализа содержания пектиновых веществ. Для этого его смывали 2%-ным раствором HCl в колбу до общего объема 150 мл и кипятили с обратным холодильником 3 часа на водяной бане. Затем раствор отфильтровали через фильтр с красной лентой. Осадок с фильтра смывали в колбу 75 мл 2%-ного раствора соляной кислоты и кипятили еще 1 час. Далее раствор вновь фильтровали, остаток промывали горячей водой, промывные воды присоединяли к фильтрату. Полученный фильтрат нейтрализовали карбонатом натрия по метилоранжу. Затем раствор количественно переносили в мерную колбу на 500 мл и доводили содержимое колбы до метки. В нейтрализованном фильтрате определяли содержание гемицеллюлоз. После удаления гемицеллюлоз волокно использовали для определения целлюлозы. Для этого высушенный остаток волокна с фильтра тщательно переносили в ступку и добавляли 25 мл 78%-ной серной кислоты. Всю массу растирали пестиком в течение 60 мин и после растворения переносили в колбу, содержащую 10 мл горячей воды. Остаток в чашке смывали дополнительно 100 мл горячей воды и всю смесь кипятили 1 час с обратным холодильником. Скоагулированный лигнин фильтровали через фильтр с белой лентой. Фильтрат вместе с промывными водами использовали для определения целлюлозы спектрофотометрическим методом. Для количественного определения в волокне кислотонерастворимого лигнина (лигнина Класона) нерастворившийся его осадок после обработки серной кислотой промывали до отсутствия реакции на ионы SO42- (делали пробы с BaCl2) и сушили до постоянной массы. По массе остатка рассчитывали содержание лигнина (СЛ, %) по формуле: А (П1.1) С Л 100, В где А - навеска абсолютно сухого осадка, г; В - навеска абсолютно сухого волокнистого материала, г. 321 Точность анализа при определении нерастворимого лигнина составляет ±0,2 %. Для СФ-анализа углеводов отбирали 0,5 мл гидролизата, смешивали его с 4 мл отолуидинового реагента и кипятили 30 минут на водяной бане. Далее снимали оптические плотности раствора при 360, 390, 530 и 630 нм и рассчитывали концентрацию углеводов в анализируемом растворе по уравнениям: СГ= 21,4D36038,5D39032,2D530+518,2D630 , (П1.2) СП= 71,3D360+ 282,7D390+21,9D530+255,8D630 , (П1.3) СУК= 459,9D360279,8D390492,0D530+23,1D630 , (П1.4) СФ=10,2D36054,1D390+336,1D5305,82D630, (П1.5) где СГ, СП, СУК, СФ – концентрации гексоз, пентоз, уроновых кислот, фурфурола, мг/л; D360, D390, D530, D630 – оптические плотности растворов при соответствующих длинах волн. Точность определения углеводов составляет: гексоз ±2,70 мг/л, пентоз ±3,37 мг/л, уроновых кислот ±3,81 мг/л, фурфурола ±1,50 мг/л. Количественное содержание гексозанов ХГ, пентозанов ХП, полиуронидов и фурфурола ХФ, входящих в состав пектинов рассчитывали по формуле: С Vг Vэ К 100 (П1.6) Х , Vп М где Х − содержание полисахарида в волокне, %; С − концентрация моносахаридов в анализируемом гидролизате, мг/л; Vг − объем гидролизата пектинов, л; Vп − объем пробы экстракта лимоннокислого аммония, взятого для гидролиза, мл; Vэ − общий объем экстракта лимоннокислого аммония, мл; М − навеска абсолютно сухого волокна, мг; К − коэффициент для перерасчета моносахаридов в полисахариды (для гексозанов К=0,9, для пентозанов К=0,88, для полиуроновых кислот К=0,907, для полиуроновых кислот по фурфуролу К=1,88). Расчет пектиновых веществ в структуре льняного волокна осуществляли по формуле: П = ХГ + ХП +ХУК +ХФ (П1.7) Содержание полисахаридов гемицеллюлоз определяли по формуле: С Vг К 100 Х , (П1.8) М где Х − содержание полисахарида в волокне, %; С − концентрация моносахаридов в гидролизате, мг/л; VГ − объем гидролизата, л; М − навеска абсолютно сухого волокна, мг; К − переводной коэффициент. Расчет гемицеллюлозных соединений осуществляли по формуле: Гц = ХГ + ХП +ХУК +ХФ (П1.9) Для анализа целлюлозы отбирали 10 мл нейтрализованного сернокислотного гидролизата, разбавляли в 10 раз и определяли СФ-методом содержание полисахаридов, входящих в состав целлюлозной фракции, аналогично анализу гемицеллюлоз с учетом разбавления. П1.2.2. Оценка количественного содержания в волокне белковых веществ Метод основан на способности органических веществ, содержащих азот, при окислении концентрированной кислотой превращаться в углекислый газ и воду и выделять азот в виде аммиака, который может быть определен количественно [292]. Волокнистый материал массой 1,5 г, растворенный в 20 мл концентрированной H2SO4 (ρ = 1,84), сжигали при нагревании в колбе Кьельдаля. Вначале нагрев осуществляли очень осторожно до более спокойного газовыделения, 322 затем после добавления 30%-ного раствора H2O2 при слабом кипении до окончания процесса окисления. Аммиак, образовавшийся в результате разложения сернокислого аммония реакционной смеси под действием избытка щелочи, отгоняли и количественно улавливали 0,02 N раствором H2SO4 объемом 50 мл. Параллельно ставили контрольный опыт, в котором отсутствовал волокнистый материал. На основании результатов титрования основного и контрольного опытов вычисляют содержание азота СА (%) в исследуемом волокнистом материале: СА 0,00028 V1 V2 100 , a (П1.10) где 0,00028 – количество азота, соответствующее 1 мл 0,02 N раствора H2SO4, г; V1 , V2 – количество 0,02 N раствора NaOH, пошедшее на титрование соответственно основного и контрольного опытов, мл; а – навеска абсолютно сухого материала, г. Перерасчет определяемой величины СА в концентрацию белка Б осуществлен по формуле: Б = 6,25СА, (П1.11) где 6,25 - коэффициент преобразования, рассчитанный с учетом известного соотношения 1 грамм белка эквивалентен 0,16 г азота. П1.2.3. ИК-спектроскопический метод оценки химического состояния карбоксильных групп пектиновых веществ льняного волокна Пропускание ИК-спектроскопические исследования сформированных пленок проводили на спектрофотометре AVATAR-360 в режиме на пропускание в интервале 500…4000 см1 в соответствии с рекомендациями [241, 242]. Вид спектрограммы исходного пектина представлен на рис. П1.1. Волновое число, см-1 Рис.П1.1.ИК-спектр пектина льняного волокна. Для учета различия толщины пленок пектина и изменений величины фона, обусловленных дефектами их поверхности, оценку осуществляли с применением метода базовой линии, проводимой через минимумы поглощения при 1900 и 860 см1, поскольку измерения ведутся по соотношению оптических плотностей близко лежащих полос [241]. Анализ спектра пектинов проводили на основании измерений интенсивности полосы, относящейся к валентным колебаниям ионизированного карбоксила – νas(СОО) = 1615 см1 и являющейся характеристической частотой поглощения для всех разновидностей образования пектатов с одно- и двухвалентными ионами металлов [241]. В качестве внутреннего стандарта, характеризующего содержание мономерных звеньев, использована интенсивная и подвергающаяся наименьшим отклонениям полоса валентных колебаний связей СС и СО 323 1 в пиранозном цикле 1020 см . При расшифровке спектров пропускания величину оптической плотности определяли из соотношений: i D lg Ii0 Ii dDn (П1.12); D1615 D1020 (П1.13), где Di – оптическая плотность в максимуме i-й полосы; Ii и I0i – интенсивность поглощения света соответственно i-й полосы спектра и фона (по положению базовой линии); dDn – показатель относительной оптической плотности образца пленки на соответствующей стадии анализа (n = 1…4); D1020 и D1615 – оптическая плотность полосы внутреннего стандарта и максимума полосы as(COO). Для дифференцированной оценки долевого соотношения неэтерифицированной, метоксилированной и Са-пектатной форм мономерных звеньев в главной цепи макромолекул пектина использовали прием последовательных химических превращений свободной неметоксилированной и метоксилированной форм в пектат кальция по схеме: ГК-Са ГК-СН3 ГК-Н СаCl2 пектин dD1 ГК-Са ГК-СН3 NаOH ГК-Н СаCl2 ГК-Са HCl пектинат кальция dD2 пектовая кислота dD3 пектат кальция dD4 После снятия спектра исходного пектина на первой стадии осуществляли количественный перевод входящей в его состав фракции ГК-Н в пектинат путем обработки образца в 0,1 N растворе хлорида кальция в течение 1 ч при комнатной температуре. Затем посредством гидролиза метоксилированной формы раствором едкого натра и последующей нейтрализации пектинат кальция превращали в незамещенную кислоту ГК-Н. На заключительной стадии раствором хлорида кальция образующуюся пектовую кислоту трансформировали в пектат кальция. Во избежание искажений в спектре анализируемых образцов, связанных с образованием и отщеплением молекул воды, все операции проводили в 70 %-ном этаноле. После каждой обработки образцы пленок промывали для обезвоживания 70 и 96 %ным этанолом, отжимали, сушили 15…20 мин при 50оС и спектрофотометрировали. Долевое соотношение групп в субстрате рассчитывали из соотношений: GГК - Н dD 4 dD 2 dD1 dD 3 dD 2 dD1 ; GГК - Са , ; G ГК - СН 3 dD 4 dD 3 dD 4 dD3 dD 4 dD3 где G ГК - Н , G ГК - СН 3 , G ГК - Са долевое содержание соответственно неэтерифицированной, метоксилированной и Са-пектатной форм мономерных звеньев в макромолекулах пектина. П1.2.4.Методы определения содержания лигнина в льняном волокне П1.2.4.1.Определение содержания нерастворимого лигнина в льняном волокне Метод основан на том, что при действии концентрированной серной кислоты на волокнистый материал лигнин остается не затронутым [293]. Навеску материала 1 г, предварительно экстрагированную в спирто-бензольной смеси (1:1) в течение 8…12 ч, обрабатывали 100 мл 2%-ного раствора Na2CO3 в колбе на 250 мл на кипящей водяной бане с обратным холодильником в течение 1 ч. Материал фильтровали, промывали на фильтре горячей водой 324 до отсутствия щелочности по фенолфталеину и сушили до постоянной массы. Сухой материал количественно переносили в фарфоровую ступку, добавляли 15 мл 72%-ной H2SO4 и растирали до образования однородной массы. Затем эту массу переносили в колбу с 200 мл горячей воды и кипятили в течение 30 мин. Нерастворившийся осадок лигнина фильтровали через фильтр с белой лентой, предварительно доведенный до постоянной массы, промывали до отсутствия реакции на ионы SO42- (делали пробы с BaCl2) и сушили до постоянной массы. По массе остатка рассчитывали содержание лигнина СЛ (%) по формуле (П1.1). П1.2.4.2.Определение содержания растворимого лигнина и полифенольных соединений Метод основан на УФ-спектроскопии диоксановых экстрактов лигнина из льняного волокна [229]. Поглощение при 280 нм характеризует содержание в растворе фенольных групп лигнина, способного экстрагироваться диоксаном из волокна. Из пробы мелко измельченной льняной ровницы отбирали навеску 0,01 г, взятую с точностью ±0,00005 г, помещали в пробирку и смачивали 0,2 мл 1 N раствора соляной кислоты. Затем добавляли 5±0,1 мл диоксана и термостатировали при 80оС в течение 2 ч. Смесь центрифугировали, после чего супернатант подвергали фотометрической оценке на УФспектрофотометре относительно кюветы сравнения с диоксаном (толщина кюветы 1 см). Точность в определении растворимых полифенольных соединений и лигнина 5,0 %. П1.2.4.3.Дифференциальный метод УФ-спектроскопии для определения функциональных групп лигнина Метод основан на использовании известного в ультрафиолетовой спектроскопии свойства спектральных полос фенольных соединений батохромно смешиваться при ионизации фенольных гидроксильных групп [72]. Если из коэффициента экстинкции спектра исследуемого фенола в щелочной среде вычесть соответствующие коэффициенты экстинкции спектра, снятого в нейтральной среде, то получиться дифференциальный ∆-спектр. Сопоставляя значения для исследуемого вещества при 250, 300 и 350-360 нм со значениями соответствующих модельных соединений, количественно оценивали содержание ионизирующихся фенольных гидроксильных групп. Для анализа навеску волокна 1 г обрабатывали 10 мл диоксана. В две 50миллилитровые мерные колбы отбирали по 2 мл диоксан-лигнинового экстракта: одну из колб заполняли до метки буферным раствором с рН=6, вторую – 0,2 N раствором NaOH. После тщательного перемешивания растворы заливали в кварцевые кюветы толщиной 1мл и измеряли оптическую плотность. П1.2.5. Методика проведения каталитического расщепления шлихты и экспрессанализа остаточного крахмала на ткани При проведении экспериментов по оценке влияния ферментных препаратов на кинетику гидролиза крахмальной шлихты в структуре текстильного материала процесс осуществляют в условиях, исключающих побочные эффекты, связанные с присутствием традиционно применяемых ТВВ или с использованием гидродинамических методов активации массообмена. Лимитирование десорбции крахмала с текстильного носителя стадией расщепления полимеров до водорастворимых фракций надежно и воспроизводимо реализуется при изотермической выдержке образцов суровой ткани в растворе расшлихтовывающего агента без принудительного перемешивания. В экспресс-методе анализа содержания крахмала на текстильном материале используется цветная реакция образования иодкрахмального комплекса с фотометрической оценкой интенсивности окрашивания выделенных пучков нитей основных в соответствии с требованиями ГОСТ Р ИСО 105 –J01-99, ГОСТ Р ИСО 105 –J03-99. Измерения можно осу- 325 ществлять, в частности, на компьютеризованном цветоизмерительном комплексе с автоматической фиксацией показателя светлоты L (%). Предлагаемый метод оценки позволяет получить интегральные характеристики содержания на волокне шлихтующей композиции как в виде исходных полимеров, так и в виде нерастворимых и не перешедших в раствор продуктов гидролиза различной степени расщепления. Калибровочные зависимости между содержанием крахмала на волокне Кр (г/кг волокна) и показателем светлоты нитей строят по данным предварительного йодометрического титрования. Вид получаемого калибровочного графика представлен на рис. П1.2. Для используемого оборудования получена корреляционная зависимость: Кр = (-0,618597 + 71,4951 / L)2 , r= 0,9741. (П1.15) На аналитических весах берут навеску ферментного препарата 0,5 г с точностью 0,0001 г, тщательно растирают в небольшом количестве воды, затем количественно переносят в мерную колбу на 500 мл и доводят раствор до метки. Затем раствор фильтруют. Элементарные пробы суровой ткани с ошлихтованными нитями основы 5050 мм кондиционируют в эксикаторе в течение 24 час при относительной влажности воздуха 65 %. На аналитических весах определяют массу проб и рассчитывают объем раствора ферментного препарата для получения модуля ванны М=40. С Кр К, г/кг волокна 4,5 4,0 3,5 3,0 Рис. П1.2. Калибровочный график для фотометрического определения содержания крахмала на ткани 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 L,% 0,0 20 30 40 50 60 70 80 90 Необходимое количество расшлихтовывающей жидкости, измеренное с точностью не менее 0,1 мл, помещают в коническую колбу и нагревают до температуры термостатирования. Пробу ткани погружают в полученный раствор ферментного препарата с концентрацией 1 г/л и выдерживают в течение 60 мин при температуре 25…60оС. Для полного извлечения продуктов гидролиза полисахарида образцы ткани перед анализом промывают в холодной дистиллированной воде и сушат на воздухе. Анализируемые образцы ткани обрабатывают в 20 мл рабочего раствора йода в течение минуты при 20…25оС, высушивают при комнатной температуре и колориметрируют. Приготовление рабочего раствора йода: 18 г KJ и 12,7 г J2 растворяют в 500 мл дистиллированной воды и доводят объем раствора до 1 л. Перед проведением анализа исходный раствор йода разбавляют водой в соотношении 1:19. Предельная абсолютная погрешность определения содержания крахмала на ткани составляет 0,05 г/кг волокна, степени расшлихтовки – ±2 %. Порог чувствительности метода – 0,2 г/кг волокна. 326 П1.2.6. Определение долевого распределения крахмальной шлихты в льняных тканых полотнах В процессе шлихтования клеящая крахмалсодержащая композиция под действием усилий в жале валов шлихтовального оборудования в большей или меньшей степени проникает в структуру нити. Микроскопический анализ поперечных срезов пряжи позволяет лишь качественно оценить наличие кольцевого или сплошного проклеивания материала. Данный метод, основанный на ферментативной деструкции полимера, обеспечивает количественное измерение массовой доли крахмала, распределенного на поверхности пряжи, в межволоконных пространствах, а также в трещинах и крупных порах волокон. Метод позволяет сопоставить различные способы клейстеризации и модификации крахмальной композиции с учетом технологических требований процессов ткачества (минимизация поверхностно нанесенной фракции) и подготовки тканей в красильно-отделочном производстве (скорость и полнота удаления шлихты). Для построения изотерм десорбции крахмала с ткани раствором ферментного препарата необходимо произвести измерения остаточного содержания полисахарида в соответствии с разделом П.1.2.5, варьируя для набора элементарных проб длительность обработки от 0 до 120 мин с шагом 5…10 мин. На рис. П1.3 показан вид кинетических кривых расщепления крахмальной шлихты, катализируемого препаратом амилосубтилин Г10х с концентрацией 1 г/л (общая амилолитическая активность по Бюхнеру АБ= 3,0 усл. ед.). Экспериментальные значения содержания крахмала на ткани Кр образуют несколько прямолинейных участков, которые характеризуются различной скоростью удаления примеси. Наличие изломов на кинетической кривой обусловлено различной глубиной распределения крахмала в структуре нити под действием усилий отжимного устройства. В условиях модельного эксперимента без использования вспомогательных веществ и гидродинамических воздействий на пленку шлихты амилолитические ферменты вызывают последовательное расщепление полимерного субстрата от периферии к более глубоко расположенным слоям. Кр, С К, 4,0 G ПОВ масс. % 3,5 25 оС 3,0 2,5 G МВ 40 о С 2,0 1,5 60 о С 1,0 GВ Рис.П1.3. Изотермы расшлихтовки льняной ткани арт. 05257 в растворе препарата амилосубтилин Г10х (1 г/л) 0,5 0,0 0 20 40 60 80 100 120 время лежки, мин Прямолинейные участки разных кривых при экстраполяции на начальный момент расшлихтовки пересекаются, характеризуя при этом долю вещества, дислоцированного в соответствующей структурной области волокнистого материала. В частности, в представленном образце ткани распределение крахмала шлихтующей композиции произошло следующим образом: 19 % на поверхности основной нити GПОВ, в межволоконных ее пространствах GМВ - 55 %, а 26 % проникло в доступное пóровое пространство волокон GВ. В табл. П1.4 для примера представлены результаты анализа изотерм десорбции шлихты, приготовленной с использованием классических методов термолиза и химического катализа процесса клейстеризации крахмала. 327 Таблица П1.4. Влияние способа приготовления шлихты на распределение крахмала в структуре пряжи и скорость его извлечения раствором амилосубтилина Г10х Способ приготовления шлихты термический с едким натром с хлорамином с соляной кислотой Долевое содержание крахмала в структуре нити G 1, % GПОВ GМВ GВ 42 58 29 60 11 19 55 26 13 50 32 Скорость десорбции крахмала V 0,04 , гкг вол-1мин-1 VПОВ VМВ VВ 0,57 0,17 0,84 0,27 0,05 1,02 0,39 0,05 0,96 0,31 0,16 П1.2.7. Определение восстанавливающей способности полимеров крахмала Метод основан на восстановлении Cu2+ в щелочной среде 294. Предварительно готовили раствор Луффа: растворяли 50,0 г лимонной кислоты в 50 мл дистиллированной воды, смешивали с раствором 388,0 г кристаллического карбоната натрия в 300...400 мл теплой воды, а затем в мерной колбе на 1 л прибавляли раствор сульфата меди (25,0 г CuSO45 H2O в 100 мл воды) и доводили до метки. Для анализа навеску крахмального полисахарида массой 250…500 г смешивали с 5 мл воды, прибавляли 5 мл 2N раствора КОН и полностью диспергировали. Полученный раствор смывали 20 мл воды в колбу и нейтрализовали 1N раствором соляной кислоты. Добавив 5 мл раствора Луффа и соединив колбу с обратным холодильником, содержимое доводили за 2 мин до кипения и кипятили 10 мин, затем охлаждали холодной водой. Для определения избытка ионов Cu2+ прибавляли 0,6 мл 15 %-ного раствора йодистого калия, 4 мл 25 %-ного раствора соляной кислоты и 2 мл 20 %-ного раствора роданида калия. После добавления 5 мл раствора крахмала, как индикатора, титровали с 0,1N раствором тиосульфата натрия. Холостой опыт проводили отдельно без добавления полисахарида. Восстанавливающую способность крахмальных полисахаридов (RГ, %) вычисляли по формуле: RГ = 0,990 СГ 100 / GК (П1.16) где СГ – количество редуцирующих крахмальных полисахаридов, мг; GК – навеска полимера, мг. П.1.2.8. Оценка изменения кинематической вязкости растворов амилозы и амилопектина под действием амилолитических ферментов В вискозиметр ВПЖ-2, термостатируемый при 40,00,1оС, пипетировали 100,1 мл раствора субстрата (1%-ный раствор амилозы или амилопектина). Через 5 мин приливали 50,01 мл раствора фермента. Время начала реакции отмечали по секундомеру сразу после введения фермента и одновременно тщательно перемешивали содержимое вискозиметра. Через 3 мин после введения фермента замеряли вязкость по времени истечения реакционной смеси (t). Замеры периодически повторяли в течение 20 мин. Параллельно ставили контрольное определение вязкости исходного раствора субстрата, которое проводили аналогично опытному, но вместо раствора фермента к раствору субстрата добавляли 5 мл дистиллированной воды. П1.3. Методы оценки свойств альдоз и продуктов деструкции полиуглеводов П1.3.1. Определение окислительно-восстановительного потенциала редуцирующих систем и рН среды Измерение окислительно-восстановительных свойств традиционных восстановителей, гидролизатов полимерных примесей льна и модельных моносахаридов проводили в условиях изотермической выдержки растворов в интервале температур от 20 до 95оС на потенциометри- 328 ческой установке, включающей цифровой рН-метр ОР-211/1 и систему ультратермостатирования. Разность потенциалов определяли между платиновым и хлорсеребряным электродами. Последний использовался в качестве электрода сравнения. Измерение концентрации ионов водорода [Н+] проводили на цифровом рН-метре с помощью комбинированного электрода марки ЭСК- 10601/7. П1.3.2. Метод определения содержания восстанавливающих сахаров Метод основан на спектрофотометрическом определении окрашенных комплексов восстанавливающих сахаров с динитросалициловым реагентом (ДНСР) [295]. Для приготовления ДНСР в 1416 мл дистиллированной воды растворяли 10,6 г 3,5динитросалициловой кислоты и 19,8 г NaOH. Далее к полученному раствору добавляли 306 г тартрата калия-натрия, 7,6 мл расплавленного фенола и 8,3 г Na2S2O5. Далее 3 мл раствора титровали с фенолфталеином и 0,1 н HCl. Для определения восстанавливающих сахаров 0,5 мл анализируемого раствора помещали в градуированную пробирку объемом 25-30 мл и добавляли 3 мл ДНСР. Смесь кипятили 5 мин на водяной бане, охлаждали до комнатной температуры, добавляли 20 мл дистиллированной воды, тщательно перемешивали и определяли оптическую плотность раствора при длине волны 540 нм относительно кюветы сравнения, содержащей буфер, обработанный ДНСР аналогичным образом. Концентрацию восстанавливающих сахаров определяли по калибровочному графику, построенному с использованием в качестве стандарта глюкозы (рис. П1.4). оптическая плотность, D 1 0,8 0,6 0,4 0,2 СГЛЮКОЗЫ, мг/мл 0 0 1 2 3 Рис. П1.4. Калибровочный график для определения восстанавливающих сахаров П1.4.Методы анализа свойств ферментных препаратов П1.4.1. Метод оценки размерных характеристик компонентов мультиэнзимных препаратов П1.4.1.1. Способ предобработки образцов ферментных препаратов Для получения максимально достоверных результатов фильтраты культуральной жидкости бактериальных продуцентов Вac. circulans, Bac. subtilis, Erwinia carotovora концентрировали путем 50 %-ного упаривания при 40оС под разряжением. Далее для получения высокоактивных белковых ультрафильтратов образцы ферментного препарата отфильтровывали через бактериальный фильтр №2 для отделения спор и клеток продуцента и обрабатывали 70 %-ным раствором этилового спирта в соотношении 1:3 с целью освобождения мультиэнзимных композиций от сопутствующих примесей. Затем коагулят отделяли центрифугированием суспензии при 3000 об/мин в течение 20 мин. Отделение препаратов от сопутствующих нецелевых ферментов – протеаз и амилаз – проведено в адсорбционных колонках с соответствующими видами субстратов. 329 П1.4.1.2. Метод динамического рассеяния света (ДРС) Оценка размера белковых глобул ферментов, входящих в состав мультиэнзимных композиций, осуществлена с использованием метода ДРС в соответствии с рекомендациями [296]. Замеры проведены на оборудовании Zetasizer Nano S90. Анализ водных растворов очищенных ферментных препаратов проводили при варьировании концентрации в интервале 0,1…1,0 г/л. Приготовление аликвот исследуемых образцов осуществляли при термостатировании растворов в течение 5…10 мин при 30±0,2оС и постоянном перемешивании магнитной мешалкой. В качестве базы сравнения использована дистиллированная вода, характеризующаяся показателем дисперсности 1,33 при Т=22оС. Для ферментного препарата согласно литературным данным приняты следующие параметры: показатель преломления вещества – 1,44; коэффициент абсорбции при 630 нм – 0,10. С учетом заданной модели формы белковой молекулы пектолитических ферментов в виде беспорядочно свернутого клубка анализатор осуществляет расчет размера частиц (r) в автоматическом режиме и выдает данные в виде графической зависимости I=f(r), где I интенсивность. П1.4.2. Методы определения каталитических свойств амилолитических ферментных препаратов П1.4.2.1. Оценка декстриногенной активности амилолитических препаратов Стандартный метод по ГОСТ 20264.489 основан на оценке изменения цветности йодокрахмального комплекса под влиянием амилолитических ферментов, способствующих разрыву срединных связей в макромолекулах полимеров крахмала с образованием декстринов. Ферментативная реакция гидролиза крахмала проводится в строго определенных стандартных условиях 135: температура 30 о С, рН 6, продолжительность реакции 10 мин. Для анализа в две пробирки наливали по 100,1мл 1%-ного раствора крахмала и термостатировали в течение 5 мин при 300,2оС. Затем, не вынимая пробирок из термостата, в первую добавляли 5 мл дистиллированной воды (контрольная проба), во вторую – 5 мл раствора ферментного препарата, предварительно нагретого до 30оС. Смеси быстро перемешивали и выдерживали в ультратермостате 10 мин, после чего 0,50,01 мл анализируемого раствора переносили в колбу с предварительно налитыми в нее 50 мл рабочего раствора йода в 0,1 N растворе соляной кислоты. Оптическую плотность растворов после смешивания определяли при =545 нм, применяя кюветы толщиной 1 см. Значение декстриногенной активности (АЭНДО, ед/мл) определяли по уравнению: АЭНДО= 6,062 (DК-DР) / D1 0,1 – 0,00172 105/ Vф, (П1.17) где DК и DР – оптическая плотность контрольного и исследуемого рабочего растворов; Vф – объем вводимого раствора фермента, мл. Погрешность косвенного измерения показателя активности декстриногенных ферментов определяли точностью пипетирования растворов, а также погрешностью прямых фотометрических измерений. Предельная абсолютная погрешность вычисления показателей АЭНДО Δ10 ед./мл. П1.4.2.2. Определение осахаривающей активности ферментных препаратов Стандартный метод по ГОСТ 20264.489 измерения активности основан на определении скорости ферментативной реакции превращения крахмала в редуцирующие сахара 297]. Для определения активности экзоферментов в коническую колбу вносили 201 мл 1%-ного раствора крахмала, выдерживали при температуре 30оС в течение 10 мин и затем вводили в зависимости от активности препарата 1…100,1 мл ферментного раствора. В уль- 330 тратермостате реакционную смесь выдерживали в течение 10 мин, чтобы произошла ферментативная реакция гидролиза крахмала. Далее к исследуемому раствору добавляли 2 мл 1N раствора соляной кислоты для прекращения действия фермента. В полученном гидролизате определяли содержание сахаров. Раствор количественно переносили в колбу на 300 мл и добавляли 100,1 мл 0,1N раствора йода, а также 26,25 мл 0,1N раствора гидроксида натрия или калия. Через 15 мин выдержки в защищенном от света месте к раствору приливали 1 мл разбавленной (1:4) серной кислоты и оттитровывали оставшийся после реакции свободный йод 0,1 N раствором тиосульфата натрия. Одновременно ставили контрольный опыт с тем же количеством всех реагентов, только ферментный раствор вводили после добавления 2 мл 1N соляной кислоты. Осахаривающую активность (АЭКЗО, ед/мл) определяли по формуле: АЭКЗО = е / Vф , (П1.18) где е – число единиц глюкозидных связей, определяемое согласно [297] (по разности титрований в контрольной и опытной пробах 0,1N раствором тиосульфата натрия), мкэкв; Vф – объем вводимого раствора фермента, мл; – продолжительность гидролиза, мин. П1.4.3. Методы определения каталитических свойств пектолитических ферментных препаратов П1.4.3.1 Определение пектинэстеразной активности Метод основан на определении скорости гидролиза сложноэфирных связей по количеству освобожденных карбоксильных групп, которые определяются ацидиметрическим методом [135]. В стакан с 20 мл 1%-ного раствора пектина после 15 мин термостатирования при 30оС добавляли 100,1 мл ферментного раствора. Параллельно проводили эксперимент по определению исходного содержания карбоксильных групп в субстрате. В контрольном опыте прибавляли раствор инактивированного фермента. Через 1 ч после введения ферментного препарата проводили потенциометрическое титрование опытного и контрольного растворов 0,1N раствором NaOH. Пектинэстеразную активность ПЭ (ед./мл, ед./г) вычисляли по формуле: ПЭ = 100 · (V1 - V2) k ЭМ / ЭФ VФ , (П1.19) где V1 и V2 – количество 0,1 N раствора NaOH, пошедшее на титрование опытного и контрольного растворов, мл; k – поправочный коэффициент титра гидроксида натрия; VФ – объем ферментного препарата, взятого на анализ, мл; – длительность гидролиза, ч; ЭМ / ЭФ – отношение максимально возможной степени этерификации пектина (ЭМ=100 %) и фактического показателя для используемого субстрата. Предельную абсолютную погрешность измерения активности пектинэстеразы ΔПЭ определяли точностью пипетирования растворов субстрата и ферментного препарата, а также точностью проведения потенциометрического титрования. Величина ΔПЭ не превышает 0,05 ед/мл. П1.4.3.2. Определение эндополигалактуроназной активности В основе метода оценки степени расщепления пектина или пектовой кислоты под действием полигалактуроназы эндодействия исследуемого фермент-ного препарата лежит контроль снижения вязкости тестового субстрата [197, 198]. В вискозиметр ВПЖ-2, термостатируемый при 30,00,1оС, пипетировали 100,1 мл раствора субстрата (1%-ный раствор пектина). Через 5 мин приливали 50,01 мл раствора фермента. Время начала пектолиза отмечали по секундомеру сразу после введения фермента 331 и одновременно тщательно перемешивали содержимое вискозиметра. Через 3 мин после введения фермента замеряли вязкость по времени истечения реакционной смеси (t). Замеры периодически повторяли в течение промежутка времени t, пока вязкость не снизилась на 30…35 % от исходного уровня. Параллельно ставили контрольное определение вязкости исходного раствора субстрата, которое проводили аналогично опытному, но вместо раствора фермента к раствору субстрата добавляли 5 мл дистиллированной воды. Для каждого промежутка времени t рассчитывали степень гидролиза пектина (В) по формуле: В = (К – t) ·100/ (К – В), (П1.20) где К – длительность истечения контрольного раствора пектина с водой или инактивированным ферментным раствором, с; t – длительность истечения опытного раствора (после пектолиза), с; В – длительность истечения дистиллированной воды, с. Из экспериментальной зависимости В = f(t) интерполированием находили время 30, за которое взятое на анализ количество ферментного препарата снизило вязкость раствора пектина на 30 % от исходной величины. Найденное значение t30 использовали для расчета активности эндополигалактуроназы ПГЭНДО (ед/мл, ед/г) по формуле: ПГЭНДО = 100/ (VФ t30), (П1.21) где 100 содержание пектина (или пектовой кислоты) во взятом на определение растворе субстрата, мг; VФ объем ферментного раствора, мл. Предельную погрешность измерения активности эндополигалак-туроназы (ΔПГЭНДО) определяли точностью пипетирования растворов субстрата и ферментного препарата, а также точностью отсчета времени истечения жидкости в вискозиметре. Величина ΔПГЭНДО не превышает 0,1 ед/мл. П1.4.3.3. Определение экзополигалактуроназной активности Метод основан на определении скорости ферментативной реакции гидролиза пектина, которая устанавливается по количеству гидролизованных связей, определяемых по увеличению числа концевых альдегидных групп [297]. В 5 мерных колб вносили по 100,1 мл 1%-ного раствора пектовой кислоты и термостатировали при температуре 30оС в течение 10 мин. Затем в колбы приливали 5 мл раствора ферментного препарата и через определенное время инкубации в колбы добавляли по 1,8 мл 1М раствора Na2CO3 по 100,1 мл 0,1N раствора J2. После выдерживания реакционной смеси в течение 20 мин в защищенном от света месте к ней приливали 2 мл 2М раствора H2SO4 и оттитровывали избыток йода 0,05N раствором Na2S2O3. Титрование осуществляли в присутствии индикатора 1%-ного раствора крахмала до обесцвечивания раствора. Одновременно ставили контрольное определение с таким же количеством всех реагентов, как и в опытном, но ферментный раствор вводили после добавления раствора карбоната натрия непосредственно перед прибавлением раствора йода. Показатель активности экзополигалактуроназы ПГЭКЗО (ед/мл, ед/г) вычисляли по формуле: ПГЭКЗО = 51,3 · (V1 – V2)/(2 VФ ), (П1.22) где 51,3 число микроэквивалентов альдегидных групп, соответствующих 1 мл 0,1N раствора йода (или тиосульфата); V1 и V2 – количество 0,05N раствора Na2S2O3, пошедшее на титрование соответственно контрольного и опытного растворов, мл; – длительность гидролиза, мин; VФ объем ферментного раствора, мл. 2 коэффициент пересчета 0,05N раствора тиосульфата на 0,1N раствор. 332 Предельную абсолютную погрешность измерения активности полигалактуроназы ΔПГЭКЗО определяли точностью пипетирования растворов субстрата и ферментного препарата, а также точностью конечного титрования избыточного йода раствором тиосульфата. Значение ΔПГЭКЗО не превышает 0,01 ед/мл. П1.4.4. Определение протеолитической активности Метод основан на определении скорости ферментативной реакции гидролиза казеината натрия под действием протеолитических ферментов [297]. В пробирку с 2 мл субстрата после 5 мин термостатирования при 30оС приливали 2 мл рабочего ферментного раствора, смесь перемешивали и инкубировали в течение 10 мин при температуре 30оС. Затем в пробирку вносили 4 мл 0,3 М раствора трихлоруксусной кислоты для инактивации фермента и осаждения высокомолекулярных продуктов гидролиза белка. Смесь быстро перемешивали и выдерживали при той же температуре в течение 20 мин, а затем фильтровали через бумажный фильтр. В сухую пробирку вносили 1 мл фильтрата и 5 мл 0,5 М раствора Na2CO3, перемешивали и приливали 1 мл рабочего реактива Фолина 297. Реакционную смесь выдерживали при комнатной температуре в течение 20 мин. Раствор приобретал голубую окраску, интенсивность которой измеряли на приборе Спекол 11 в сравнении с контрольной пробой при λ 656…670 нм в кювете с шириной грани 10 мм. Одновременно ставили контрольное определение с таким же количеством всех реагентов, как и в опытном, но добавление 5 мл 0,5 М раствора Na2CO3 осуществляли непосредственно перед измерением. Протеолитическую активность ПрА (ед/мл, ед/г) определяли по формуле: ПрА = 4 D ЭТ 10 VФ , (П1.23) где 4 отношение объемов реакционной смеси и раствора ферментов после добавления трихлоруксусной кислоты; D – оптическая плотность исследуемого раствора; ЭТ – тирозиновый эквивалент; определяли из соотношению ЭТ = D/CТ, где СТ – содержание тирозина в 1 мл раствора (мкмоль), вычисляемое по градуировочной кривой, составленной для модельных растворов тирозина; 10 длительность гидролиза субстрата, мин; VФ объем ферментного раствора, мл. Точность результатов эксперимента составила 5%. П1.4.5. Методы анализа каталитических свойств глюканазных препаратов П1.4.5.1. Вискозиметрический метод определения эндоглюканазной активности Сущность метода состоит в том, что активность эндоглюканазы определяется по его способности снижать вязкость раствора -глюкана с применением вискозиметра Оствальда при температуре 30оС. За единицу ферментативной активности принято такое количество фермента, которое приводит в условиях опыта к увеличению 1/SP, равному 1 мин-1. Для анализа готовили 0,5 %-ный раствор глюкана и ферментный раствор 297. Определение проводили в вискозиметре Оствальда, помещенного в водяную баню с температурой 30оС. Перед определением эндоглюканазной активности устанавливали значение контроля продолжительность истечения реакционной смеси, в которой вместо испытуемого раствора содержался 1 мл воды. В вискозиметр вносили 5 мл раствора субстрата и через 5 7 мин быстро добавляли 1 мл испытуемого ферментного раствора, включая при этом секундомер. Реакционную смесь перемешивали продуванием воздуха каждые 10 с и сразу же измеряли длительность истечения, получая нулевое значение. Через 3 мин определение повторяли. Активность (ГЛЭНДО, ед./г) рассчитывали по увеличению величины, обратной удельной вязкости 1/SP реакционной смеси: 333 ГЛ ЭНДО b 1000 , аt (П1.24) где b – разность между 1/SP смеси через 3 мин и нулевым определением; 1000 – пересчет миллиграммов в граммы; а количество ферментного препарата в реакционной смеси, мг; t длительность действия фермента, мин. Разность b определяли по времени истечения реакционной смеси: 3 0 b 1 / SP 1 / SP , (П1.25) t t SP СМ В , (П1.26) tВ где tСМ и tВ продолжительность истечения реакционной смеси и воды, с. С целью повышения точности измерения соблюдали условия: продолжительность истечения реакционной смеси в нулевом определении не должна быть меньше 90 % от таковой в контроле; длительность истечения реакционной смеси через 3 мин не должна быть меньше 50 % от таковой в контроле. П1.4.5.2. Колориметрический метод определения экзоглюканазной активности Метод основан на определении количества глюкозы, образующейся при гидролизе глюкана глюканазой. За единицу активности принято такое количество фермента, которое катализирует гидролиз взятого на анализ субстрата с образованием за 20 мин 1 мл глюкозы в принятых условиях. Для анализа в пробирку наливали 4 мл 1 %-ного раствора глюкана в 0,3 М фосфатно-цитратном буферном растворе (рН 4,6) и приливали 1 мл ферментного раствора. Смесь перемешивали и инкубировали в ультратермостате в течение 20 мин при 30 о С. Затем пробирку помещали на 10 мин в кипящую водяную баню для инактивации фермента, охлаждали и отбирали 1 мл реакционной смеси для определения содержания образовавшейся глюкозы. Контрольный раствор готовили аналогично испытуемому, но с применением предварительно инактивированного кипячением в течение 5 мин ферментного раствора. На фотоэлектроколориметре при длине световой волны 400 нм измеряли оптическую плотность раствора, с помощью которой определяли по калибровочному графику концентрацию глюкозы (рис.П1.1.5). Расчет активности (ГЛЭКЗО) проводили по формуле: С 1000 ГЛ ЭКЗО , (П1.27) а где С количество образовавшейся глюкозы, мг; 1000 – перевод миллиграммов в граммы; а количество исследуемого препарата, взятого для гидролиза субстрата, мг. оптическая плотность, D 0,36 0,27 Рис. П1.5. Калибровочный график зависимости оптической плотности растворов после реакции гексацианоферроата калия с глюкозой от ее содержания. 0,18 0,09 СГЛЮКОЗЫ, мг/мл 0 25 50 75 100 125 150 175 200 334 П1.4.6. Определение экзоксиланазной активности Метод основан на определении количества редуцирующих сахаров, образовавшихся в результате ферментативного гидролиза ксилана. Пробирку с 50,1 мл 1%-ного раствора ксилана помещали в ультратермостат при о 40 С на 5 мин и приливали 10,1 мл ферментного раствора интересующей концентрации. Содержимое пробирки перемешивали и инкубировали в течение 1 ч. До и после инкубации отбирали по 20,1 мл смеси и в них определяли количество редуцирующих сахаров. В колбу на 50 мл помещали по 1 мл растворов Фелинга I и Фелинга II, 2 мл дистиллированной воды и 2 мл гидролизата (реакционной смеси). Содержимое колбы перемешивали, доводили до кипения и кипятили 2 мин. После охлаждения колбы до комнатной температуры приливали 1 мл 30%-ного йодида калия, 1 мл 25%-ного раствора серной кислоты и 2 мл 1%-ного раствора крахмала. После перемешивания содержимое титровали 0,1N раствором тиосульфата натрия до появления молочно-белой окраски. Количество 0,1N раствора тиосульфата натрия, пошедшего на титрование образовавшихся сахаров, пересчитывали на ксилозу. Показатель экзоксиланазной активности КСЭКЗО (ед./мл) рассчитывали по формуле: КСЭКЗО=(Vк – Vo) 3.22 6 / 2 VФ, (П1.28) где Vк и Vo количество тиосульфата натрия, пошедшее на титрование соответственно контрольной и опытной пробы, мл; 3,22 количество ксиланаз, эквивалентное 1 мл тиосульфата натрия; 6 общий объем фермент-субстратной смеси, мл; 2 объем смеси, отобранной на определение, мл; длительность гидролиза, ч; VФ объем ферментного раствора, взятого на анализ, мл. Предельная абсолютная погрешность измерения ксиланазной активности ΔКА не превышает 0,5 ед/мл. П1.4.7. Метод определения целлюлазной активности Анализ основан на измерении скорости образования восстанавливающих сахаров методом Нельсона-Шомоди при гидролизе Na-соли карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ) [165]. Приготовление реактива Шомоди: 24 г безводного карбоната натрия и 12 г тартрата калия-натрия растворяли в 250 мл воды, а затем добавляли при перемешивании раствор CuSO45H2O (4 г в 40 мл дистиллированной воды) и 16 г бикарбоната натрия. Полученный раствор смешивали с предварительно приготовленным раствором сульфата натрия (180 г безводного Na2SO4 в 500 мл горячей дистиллированной воды) и доводили объем смеси до 1 л. Реактив Нельсона готовили растворением 25 г безводного молибдата аммония в 450 мл горячей воды. После охлаждения раствора до 10оС добавляли 21 мл 98%-ной серной кислоты, содержащей 3 г арсената натрия. Полученный раствор выдерживали при 40оС в течение 24 ч. В пробирку вносили 0,25 мл 1%-ного раствора Na-КМЦ и термостатировали при 50оС в течение 5 мин. Затем добавляли 0,25 мл исследуемого ферментного препарата, предварительно нагретого до 50оС. Реакционную смесь быстро перемешивали и выдерживали в термостате 5 мин. По окончании реакции в анализируемый раствор добавляли 0,5 мл реактива Шомоди с последующим выдерживанием на кипящей водяной бане 40 мин. Далее в охлажденную смесь вносили 0,5 мл реактива Нельсона, доводили объем раствора до 5 мл и после перемешивания инкубировали 10 мин при комнатной температуре. Параллельно готовили контрольный раствор, содержащий вместо субстрата 0,25 мл 0,05 М ацетатного буфера. Оптическую плотность растворов определяли при 610 нм. Активность целлюлазного комплекса АС (ед/мл) рассчитывали по формуле: АС=1/ tg(D1-D2)2,22 , (П1.29) где D1 и D2 – оптическая плотность исследуемого и контрольного растворов; 335 2,22 – коэффициент, учитывающий разбавление фермента непосредственно в реакционной смеси; 1/tg – величина, обратная тангенсу угла наклона калибровочной кривой, равная 0,098 135]. П.1.5. Методы подготовки льняных волокнистых материалов П.1.5.1. Химические режимы подготовки льняного волокна к прядению Подготовка ровницы осуществлялась на аппарате марки АЛ 210/1 в полном соответствии с известными химическими способами. Режимы обработки приведены в табл. П1.5. П.1.5.2. Биохимические режимы подготовки льняного волокна к прядению Условия проведения биомодификации льняной ровницы в технологическом цикле ферментативно-пероксидной подготовки волокнистого материала к прядению проводили растворами ферментных препаратов в сочетании с традиционными химическими реагентами. При осуществлении процессов варьировали параметры температуры, времени и концентрации. Последовательность технологических процессов представлена в табл. П.1.6. П.1.5.3. Традиционные и биохимические режимы подготовки и беления льняных тканых полотен Технологические схемы традиционной и предлагаемой биохимической обработки «серого» и отбеливаемого льняного полотна представлены на рис. П1.6. Как альтернативный вариант выпуска кислованных серых льняных полотен схема биохимического режима предполагает проведение ферментативной расшлихтовки вместо обработки щавелевой кислотой в цикле полного гипохлоритно-пероксидного беления ткани на линии ЛЖО-1Л. П.1.5.4. Методика селективного извлечения нецеллюлозных полимеров из волокнистого материала (из пряжи, ткани для мягчения) Последовательные этапы селективной экстракционной обработки образцов льняной ровницы реализованы в соответствии с рекомендациями [22]. Предварительно из волокна удаляли жиро-восковые примеси в растворе неионогенного смачивателя в течение 1 ч при 85оС. Для извлечения пектиновых веществ, не затрагивая гемицеллюлозы и лигнин, образцы обрабатывали растворами лимоннокислого аммония при 90оС варьированием продолжительности воздействия реагентов 20…120 мин с шагом 20 мин. Избирательное удаление гемицеллюлоз из сложной гетерополимерной матрицы соединительных тканей лубяных комплексов осуществляли при мягком гидролизе в растворах ацетатного буфера с рН 4,0 при температуре 95оС с варьированием продолжительности обработки 0,5…30 часов. Далее ровницу промывали, нейтрализовали. Лигниновые примеси извлекали диоксаном при 80оС. Варьирование количества извлекаемых примесей обеспечивали регулированием длительности воздействия реагентов в интервале 20…120 мин. Полученные образцы ровницы после отбора волокна на анализ полимерного состава подвергались пробному прядению мокрым способом при одинаковых условиях работы прядильной машины ПМ-88-Л8. 1.5.5. Методика получения растворов диоксанлигнина из целлюлозосодержащих материалов Лигноцеллюлозный материал промывали в 1 %-ном растворе Na2CO3 для удаления механических загрязнений. Затем в соответствии со стандартным методом Бьеркмана [299] из целлюлозного образца путем тонкого размола в вибрационной шаровой мельнице в толуоле получали мелкодисперсную фракцию с размером частиц 0.43-0.87 мм. Далее размолотый образец отделяли от толуола, высушивали и использовали для экстрагирования лигнина. Максимальное извлечение полимера из сырья обеспечивали за счет трехкратной экстракции раствором водного диоксана (1:9) в аппарате Сокслета. При этом образцы в мелкодисперсной форме помещали в аппарат в капсулах, изготовленных из фильтровальной бумаги марки Ф. Отфильтрованный раствор диоксанлигнина использовали для исследования. 336 мягкого ЩПО 1 кисловка H2SO4 –1,3 г/л ПАВ – 0,25 г/л Таблица П1.5. Характеристика условий подготовки льняной ровницы к прядению Технологические режимы для подготовки волокна средней мягкости грубого ЩПО ОВ ОВ ХОВ 2 3 4 5 кисловка H2SO4 –1,5 г/л ПАВ – 0,25 г/л кисловка H2SO4 –1,5 г/л ПАВ – 0,25 г/л кисловка H2SO4 –1,7 г/л ПАВ – 0,3 г/л ОСВ 6 хлоритная обработка NaNO3 – 3,0 г/л NaClO2 (80%-ной)– 4,8 г/л H2SO4 –1,7 г/л Т=45оС; =60 мин кисловка H2SO4 –1,7 г/л ПАВ – 0,3 г/л Т=35оС; =25 мин Т=35оС; =25 мин Т=35оС; =25 мин Т=35оС; =25 мин Т=35оС; =25 мин нейтрализация NaOH до конечной щелочности по фенолфталену 0,1-0,2 г/л Т=35оС; =5 мин нейтрализация NaOH до конечной щелочности по фенолфталену 0,1-0,2 г/л Т=35оС; =5 мин нейтрализация NaOH до конечной щелочности по фенолфталену 0,1-0,2 г/л Т=35оС; =5 мин нейтрализация NaOH до конечной щелочности по фенолфталену 0,1-0,2 г/л Т=35оС; =10 мин нейтрализация NaOH до конечной щелочности по фенолфталену 0,1-0,2 г/л Т=35оС; =10 мин нейтрализация NaOH до конечной щелочности по фенолфталену 0,1-0,2 г/л Т=35оС; =10 мин щелочная варка щелочная варка окислительная варка H2O2 (по активному NaOH – 3 г/л NaOH – 5 г/л кислороду) – 1,4 г/л Na2CO3 – 5 г/л Na2CO3 – 7 г/л Na2CO3 – 3,2 г/л ПАВ – 0,5 г/л ПАВ – 0,5 г/л Na2SiO3 – 12 г/л Общая щелочность 5,8 Общая щелочность 7,5 Общая щелочность 10,5 г/л г/л г/л Na5Р3O10 – 0,3 г/л MgSO4 – 0,1 г/л нагрев до Т=98оС; нагрев до Т=98оС; =45 нагрев до Т=98оС; =45 мин; выдержка при =45 мин; выдержка мин; выдержка при Т=98оС; =60 мин при Т=98оС; =75 мин Т=98оС; =75 мин окислительная варка H2O2 (по активному кислороду) – 2,1 г/л Na2CO3 – 4,3 г/л Na2SiO3 – 16 г/л NaOH до общей щелочности 12,0 г/л Na5Р3O10 – 0,4 г/л MgSO4 – 0,1 г/л нагрев до Т=98оС; =45 мин; выдержка при Т=98оС; =75 мин окислительная варка H2O2 (по активному кислороду) – 1,6 г/л Na2CO3 – 3,7 г/л Na2SiO3 – 13 г/л NaOH до общей щелочности 5,2 г/л Na5Р3O10 – 0,4 г/л MgSO4 – 0,1 г/л нагрев до Т=98оС; =45 мин; выдержка при Т=98оС; =75 мин окислительная варка H2O2 (по активному кислороду) – 1,6 г/л Na2CO3 – 3,7 г/л Na2SiO3 – 13 г/л NaOH до общей щелочности 6,9 г/л Na5Р3O10 – 0,4 г/л MgSO4 – 0,1 г/л нагрев до Т=98оС; =45 мин; выдержка при Т=98оС; =75 мин 336 337 1 промывка 1) ПАВ – 0,5 г/л Т=70оС;=10мин; 2-4) вода Т=70оС; =10 мин пероксидная обработка H2O2 (по активному кислороду) – 1,1 г/л Na2CO3 – 2,5 г/л Na2SiO3 –11 г/л Общая щелочность 7,0 г/л Na5Р3O10 – 0,1 г/л MgSO4 – 0,1 г/л нагрев до Т=98оС; =45 мин; выдержка при Т=98оС; =45 мин промывка 1)ПАВ – 0,5 г/л Т=70оС;=10мин; 2-4) вода Т=70оС; =10 мин антимикробная обработка Уксусная кислота 1 г/л Т=50оС; =15 мин 2 промывка 1) ПАВ – 0,5 г/л Т=70оС;=10мин; 2-4) вода Т=70оС; =10 мин пероксидная обработка H2O2 (по активному кислороду) – 1,2 г/л Na2CO3 – 2,7 г/л Na2SiO3 –12 г/л Общая щелочность 9,0 г/л Na5Р3O10 – 0,3 г/л MgSO4 – 0,1 г/л нагрев до Т=98оС; =45 мин; выдержка при Т=98оС; =75 мин промывка 1) ПАВ – 0,5 г/л Т=70оС;=10мин; 2-4) вода Т=70оС; =10 мин антимикробная обработка Уксусная кислота 1 г/л Т=50оС; =15 мин 3 промывка 1) Na5Р3O10 – 0,5 г/л Т=70оС;=10мин; 2-3) вода Т=70оС; =10 мин нет 4 промывка 1) Na5Р3O10 – 0,5 г/л Т=70оС;=10мин; 2-3) вода Т=70оС; =10 мин нет 5 промывка 1) Na5Р3O10 – 0,5 г/л Т=70оС;=10мин; 2-3) я вода Т=70оС; =10 мин нет нет нет нет антимикробная обработка Уксусная кислота 1 г/л Т=50оС; =15 мин антимикробная обработка Уксусная кислота 1 г/л Т=50оС; =15 мин антимикробная обработка Уксусная кислота 1 г/л Т=50оС; =15 мин 6 промывка 1) Na5Р3O10 – 0,5 г/л Т=70оС;=10мин; 2-3) вода Т=70оС; =10 мин сульфитная варка Na2SO3 – 8,0 г/л Na2CO3 – 7,2 г/л NaOH до общей щелочности 12,0 г/л нагрев до Т=98оС; =45 мин; выдержка при Т=98оС; =75 мин промывка 1) Na5Р3O10 – 0,5 г/л Т=70оС;=10мин; 2-3) вода Т=70оС; =10 мин антимикробная обработка Уксусная кислота 1 г/л Т=50оС; =15 мин 337 Примечание: принятые сокращения – способ щелочно-пероксидного отбеливания (ЩПО), окислительная варка (ОВ), технологии окислительно-сульфитной варки (ОСВ) и хлоритно-окислительной варки (ХОВ); давление Р=23,5 атм.; после антимикробной обработки образцы отправляли на мокрое прядение. 338 Таблица П1.6. Характеристика условий ферментативно-пероксидной подготовки льняной ровницы к прядению Биохимические режимы для подготовки волокна мягкого средней мягкости грубого раскисловка раскисловка раскисловка (вода) (вода) (вода) о о Т=40-42 С; =10 мин Т=40-42 С; =10 мин Т=40-42оС; =10 мин биообработка биообработка биообработка (ферментные препараты) (ферментные препараты) (ферментные препараты) о о Т=40-50 С; =120 мин выдержка при Т=40-50 С; =95 мин; выдержка при Т=40-50оС; =120 мин; нагрев до Т=98оС; выдержка =20 мин нагрев до Т=98оС; выдержка =20 мин промывка промывка промывка о о 1) ПАВ – 0,5 г/л; Т=70 С;=10мин; 1) ПАВ – 0,5 г/л; Т=70 С;=10мин; 1) ПАВ – 0,5 г/л; Т=70оС;=10мин; о о 2-3) вода; Т=70 С; =10 мин 2-3) вода; Т=70 С; =10 мин 2-3) вода; Т=70оС; =10 мин пероксидная пероксидная пероксидная обработка обработка обработка H2O2 (по активному кислороду) – 1,1 г/л H2O2 (по активному кислороду) – 1,2 г/л H2O2 (по активному кислороду) – 1,4 г/л Na2CO3 – 2,5 г/л Na2CO3 – 2,7 г/л Na2CO3 – 3,2 г/л Na2SiO3 –11 г/л Na2SiO3 –12 г/л Na2SiO3 – 12 г/л Общая щелочность 7,0 г/л Общая щелочность 9,0 г/л Общая щелочность 10,5 г/л Na5Р3O10 – 0,1 г/л Na5Р3O10 – 0,3 г/л Na5Р3O10 – 0,3 г/л MgSO4 – 0,1 г/л MgSO4 – 0,1 г/л MgSO4 – 0,1 г/л о о нагрев до Т=98 С; =45 мин; нагрев до Т=98 С; =45 мин; нагрев до Т=98оС; =45 мин; выдержка при Т=98оС; =45 мин выдержка при Т=98оС; =75 мин выдержка при Т=98оС; =75 мин промывка промывка промывка о о 1) ПАВ – 0,5 г/л; Т=70 С;=10мин; 2) ПАВ – 0,5 г/л; Т=70 С;=10мин; 3) ПАВ – 0,5 г/л; Т=70оС;=10мин; о о 2-3) вода; Т=70 С; =10 мин 2-3) вода; Т=70 С; =10 мин 2-3) вода; Т=70оС; =10 мин антимикробная антимикробная антимикробная обработка обработка обработка Уксусная кислота 1 г/л Уксусная кислота 1 г/л Уксусная кислота 1 г/л Т=50оС; =15 мин Т=50оС; =15 мин Т=50оС; =15 мин 338 339 Рис.П1. 6. Технологические схемы подготовки льняных полотен по существующему режиму химической обработки (а) и разработанному ферментативно-пероксидному способу (б) 339 340 П1.6. Определение качества облагораживания льняных волокнистых материалов П1.6.1. Анализ свойств комплексного льняного волокна Для анализа использованы селекционные сорта льна-долгунца, выращенные в Тверской области на опытном поле ВНИИЛ и в Костромской области на опытном поле Костромского НИИСХ. Теребление осуществлено в раннюю желтую спелость. Расстил стеблей соломы на льнище произведен непосредственно после теребления и обмолота в один и тот же срок, а подъем льнотресты осуществлялся по мере ее вылежки (отделяемость в пределах 4,5-6,0 ед.). Для сопоставления экспериментальные партии льносоломы подвергнуты тепловой мочке при 35…37ОС в течение 4 суток без смены мочильной жидкости с контролируемым подкислением раствора от исходного уровня 7,07 ед. рН и поддержанием минимального значения не ниже 4,5…5,5. Оценка важнейших свойств сравниваемых видов материалов осуществлена по результатам статистической обработки данных выборки из ста образцов для каждого анализируемого варианта. Определение качественных показателей проводили в соответствии со стандартными методиками: - оценка массовой доли инкрустов – по ОСТ Р 17-05-012-94 [244]; - расчет номера волокна в ленте – по ГОСТ Р 54590—2011 [41]. П1.6.2. Определение потери массы волокна Метод основан на определении относительной величины изменения массы абсолютно сухого материала после обработки к исходной массе. Для этого навеску волокна (5 ± 0,0002 г), помещенную в бюкс, высушивали в течение 1 ч при температуре 70оС, а затем в течение 4 ч при температуре 105оС. После охлаждения в эксикаторе с СаСl2 бюкс закрывали крышкой и взвешивали. Потери массы волокна ΔGВ (%) рассчитывали по формуле: m m1 ΔGВ 100 , (П1.30) m где m и m1 – навески абсолютно сухого волокнистого материала до и после обработки, г. П1.6.3. Метод оценки количества дефектов на пряже В соответствии с рекомендациями [300] регистрировали на поверхности льняной пряжи число утолщений, превышающих полутократное и двухкратное превышение среднего диаметра полуфабриката (1,5dСР и 2 dСР шт/100м), а также утонений, составляющих менее 0,7dСР. Средний диаметр пряжи рассчитывают средний диаметр (dСР, мм) рассчитывается по формуле: d р d усл d СР (П1.31) 2 где d р 0,0357 Т Пр срв на – расчетный диаметр пряжи, мм; Т Пр – условный диаметр нити, мм; срв ва срв на , срв ва – средняя плотность соответственно волокна (равная 1,38) и вещества, мг/мм. d усл 0,0357 Показатели оценивают с помощью монокулярного оптического светового микроскопа Биолам Р-11 при 70-кратном увеличении. П1.6.4. Определение сортности пряжи В соответствии ГОСТ 10078-85 [301] сорт пряжи определяется по физикомеханическим свойствам полуфабриката и наличию пороков внешнего вида и подразделяется на 1 и 2-й сорта с подразделением на группы: СЛ – специальная льняная; ВЛ – высокая льняная; СрЛ – средняя льняная; ОЛ – обыкновенная льняная; СО – специальная оческовая; ВО – высокая оческовая; 341 СрО – средняя оческовая; ОО – обыкновенная оческовая. П1.6.5. Определение линейной плотности Линейная плотность (ТЧЛ) чесаного волокна определена для комлевой части горстей путем вырезки из прядей отрезков длиной 10 мм, взвешивания 5 проб массой по 10 мг с точностью до 0,001 г и последующего подсчета под увеличительным стеклом количества волоконец в каждой пробе [55]. При этом комплексы, расщепленные на половину длины и более, считают числом волокон в расщепленном конце. Количество волокон длиной менее 10 мм, но более 5 мм делят на 2, а волокна короче 5 мм в расчет не принимают. Суммируя число волокон по пяти пробам, определяют среднее значение показателя для расчета линейной плотности из соотношения: m (П1.32) Т ЧЛ , l n где m – масса пробы, мг; l – длина волокон, м; n – среднее число волокон в пробе, шт. Линейную плотность льняной ровницы (ТПр) определяли в соответствии с ГОСТ 3074.1-72 [302] и рассчитывали в тексах после кондиционирования и взвешивания элементарных проб материала: Т Пр 1000 mПр lПр nПр , (П1.33) где ∑mПр – общая масса элементарных проб, г; lПр – длина нити в элементарной пробе, м; nПр – число элементарных проб. Неровноту нити по массе оценивают коэффициентом вариации CТ, который определяют по формуле: (П1.34) СТ R 100 , m где R mi m n 1 2 – среднеквадратическое отклонение; m – среднеарифметическое значение массы отрезков нити, мг. n – число взвешиваемых элементарных проб отрезков. П1.6.6. Определение гибкости Гибкость чесаного волокна или пряжи (ГЧЛ, ГПр) определена на гибкомере Г-2 как среднее арифметическое для 30 прядок каждого вида волокна, вырезанных по шаблону длиной 29 см и доведенных на квадранте ПО-2 до массы 425 мг, по высоте провиса свободных концов анализируемых отрезков [303]. П1.6.7. Определение удельного усилия разрыва чесаного волокна и разрывной нагрузки пряжи Согласно методическим указаниям [55] разрывное усилие чесаного волокна РУ получено как среднее арифметическое результатов испытания тех же 30 проб на динамометре ДКВ-60 с точностью до 0,1 дН. Разрывную нагрузку ровницы Ро в сухом и мокром состоянии (надстрочные индексы С и М) определяли на разрывной машине РМ-30-1 в соответствии с ГОСТ 6611.2 – 73 [304]. Для этого приготавливали 30 отрезков длиной 10 см, каждый закрепляли между зажимами и подвергали деформированию. Измерение разрывной нагрузки ровницы в мокром состоянии осуществляли после предварительного смачивания волокнистого материала в дистиллированной воде в течение 2 ч и отжима. П1.6.8. Метод определения крутки пряжи Метод осуществляется в соответствии с ГОСТ 6611.3 – 73 [304]. Его суть заключается в раскручивании отрезка нити определенной длины, закрепленного в зажимах, до пол- 342 ной параллелизации волокон пряжи. Фактическую крутку в пересчете на 1 м нити определяли по формуле [303]: КФ=nоборот103/l, (П1.35) где nоборот – число оборотов зажима, соответствующее числу кручений нитей на зажимной длине l. П1.6.9.Метод исследования разрывного удлинения Разрывное удлинение ровницы определяли на разрывной машине РМ-30-1 в соответствии с ГОСТ 6611.273 [304]. Абсолютное полное разрывное удлинение (LP, мм) представляет приращение длины растягиваемого образца к моменту его разрыва. Данный показатель определяли по формуле: LP=lK lO, где lK конечная длина волокна перед разрывом, мм; lO начальная длина образца (перед растяжением, мм). (П1.36) П1.6.10. Определение работы разрыва льняной ровницы Работа разрыва (RP,кгсмм/г), то есть работа, совершаемая внешней силой при растяжении образца, показывает, какое количество энергии затрачено, чтобы преодолеть энергию связи между элементами структуры этого образца при его разрушении. Данный показатель определяли в соответствии с ГОСТ 6611.273 [304] по формуле: RP=PLP, где коэффициент полноты диаграммы растяжения; Pразрывная нагрузка, сН; LP разрывное удлинение, мм. (П1.37) П1.6.11. Оценка выносливости пряжи при многократном изгибе Выносливость пряжи характеризует стойкость текстильного полуфабриката к деформациям на изгиб [303]. Замер числа циклов многократного изгибы, которое выдерживает материал до разрушения, проводили на приборе ДР-5 при частоте колебаний 200 мин-1. П1.6.12. Определение полной деформации текстильных материалов Полную деформацию ровницы определяли на разрывной машине Релаксометр РМ5 [303]. Абсолютно полное удлинение Lабс, мм в соответствии с ОСТ17.53475 состоит из трех компонентов: быстрообратимого (упругое) LБО , медленнообратимого (эластическое) LМО и остаточного LОСТ (пластическое) удлинений: Lабс=LБО+LМО+LОСТ, (П1.38) где LБО, LМО, LОСТ соответственно упругая (быстрообратимая), эластическая (медленнообратимая), пластическая (остаточная) части деформации. При проведении испытаний задавали следующие параметры: зажимная длина 500 мм; нагрузка (от разрывной) 25%; продолжительность действия нагрузки 120 мин; время после разгрузки до замера упругой деформации до 5 с; время отдыха после разгрузки испытуемой пробы 90 мин; число испытаний 20. Для оценки механических свойств волокон использовали доли компонентов относительного удлинения при одноцикловых испытаниях. Сумма этих частей равна единице: LБО/Lабс +LМО/Lабс +LОСТ/Lабс = ΔБО+ΔМО+ΔОСТ=1, (П1.39) П1.6.13. Метод колористической оценки состояния льняного волокна Колористическую оценку состояния льняного волокна до и после обработок осуществляли с использованием цветоизмерительного комплекса «Колорист» 305. В состав комплекса входили персональный компьютер 5Х86-150/16/PCI 1 MB/SVGA 14’’, цветной 343 сканер НР Scan Jet IIC и принтер HP Desc Jet 690c. Программное обеспечение «Колорист» соответствует версии 3.3.1994,97. Комплекс позволяет измерять координаты цвета в системе XYZ в режиме, соответствующем стандартному источнику освещения D 65. Фиксирование показателей светлоты (L,%), насыщенности (С, %), цветового тона (Н, град.) окраски или белизны материалов (W, %) проводилось автоматически. П1.6.14. Методы оценки качества льняных тканей Определение качественных показателей тканей проводили в соответствии со стандартными методиками: - капиллярность ткани – по ГОСТ 3816-81 (точность метода ± 3,0%) [306]; - разрывные характеристики – по ГОСТ 16218.5-93 (точность метода ± 3,0%) [307]; - белизна текстильных материалов – по ГОСТ 18054-72 (точность метода ± 0,1%) [308]; - жесткость ткани при изгибе консольным методом – по ГОСТ 10550-93 (точность метода ± 3,0%) [309]; - устойчивость к истиранию - по ГОСТ 18976-73 (точность метода ± 3,0%) [310]; - гигроскопические свойства - по ГОСТ 3816-81 (точность метода ± 3,0%). П1.6.15. Методы оценки драпируемости тканей Драпируемость материала в разных направлениях оценивали дисковым методом [300] по контролю двух основных величин, характеризующих данное свойство: - по соотношению размеров осевых линий А и В, проведенных через центр площади проекции в направлении соответственно основных и уточных нитей; - по коэффициенту драпируемости КД, рассчитываемому по формуле: КД Sо S П , Sо (П1.40) где Sо – площадь образца, мм2; SП – прощадь проекции образца, мм.2 Соотношение размеров осевых линий В/А, равное 1±0,5, показывает, что драпируемость материала в обоих направлениях одинаковая. Если показатель больше 1,1 ед. – материал имеет хорошую драпируемость в поперечном направлении, если В/А меньше 0,95 ед. лучшую драпируемость в продольном направлении. П1.6.16. Определение теплофизических свойств материалов Теплофизические свойства текстильных материалов оценивали по коэффициенту теплопроводности [303] и суммарного теплового сопротивления RСУМ [311]. Коэффициент теплопроводности оценивали при стационарном тепловом режиме на приборе ЦНИИшерсти, который позволяет определить количество теплоты, необходимой для сохранения постоянной разности температур двух поверхностей, изолированных друг от друга испытуемым материалом. Пробу материала располагали между нагревательным элементом и холодильником. Устанавливая постоянное значение температур нагревателя Т2 и холодильника Т1 контролировали с помощью вольтметра и амперметра расход электроэнергии, идущей на поддержание постоянного перепада температур. По полученным значениям силы тока I и напряжения U рассчитывали мощность теплового потока Q, Вт: Q = 0,86IU (П1.41) Коэффициент теплопроводности (, Вт/мК) определяют по формуле, которая характеризует какое количество тепла проходит за 1 ч через 1 м2 материала толщиной 1 м при разности температур 1 К: Q , (П1.42) T1 T2 S где Q – величина теплового потока, Вт; - толщина материала, м; Т1, Т2 – температура поверхности материала, К; S – площадь материала, м2; - длительность прохождения теплового потока, ч. Определение суммарного теплового сопротивления проводили на приборе ПТС-225 по методу нестационарного, или регулярного, режима, при котором определяется скорость охлаждения нагретото тела, изолированного от окружающей среды испытываемым материалом. Этот подход позволяет воспроизвести условия теплообмена в одежде, когда изделие одной сто- 344 роной прилегает к нагретому телу, а другой соприкасается с окружающей средой, в частности с воздухом. Пробу укрепляли на пластине с электронагревателем, которая смонтирована на передней крышке корпуса. С помощью текстолитового кольца между пластиной и пробой создается воздушная прослойка толщиной 5 мм. Аэродинамическое устройство позволяет создавать воздушный поток определенной скорости и направления. Температуры пластины и окружающего воздуха измеряли с помощью термопар. Пластину нагревали до определенного значения перепада температур пластины и воздуха и измеряли время охлаждения пластины до заданного перепада температур. По темпу охлаждения вычисляли значения суммарного теплового сопротивления испытываемого материала, (RСУМ, м2с/Вт): RСУМ E , Ф K m B E (П1.43) где Е – коэффициент, учитывающий соотношение теплоемкости пластин и теплоемкости образца; Ф – фактор прибора, Вт/(м2К); К - коэффициент, учитывающий рассеяние теплового потока в пробе; В – поправка на рассеяние теплового потока в приборе, с-1. П1.7. Методы математической обработки результатов испытаний Обработка экспериментальных данных выполняли с помощью стандартных пакетов прикладных программ. Для получения корреляционных зависимостей между свойствами биопрепаратов и результатами их применения в текстильных технологиях использовали математический аппарат многофакторных линейных регрессий (программа S-PLUS 2000 Professional). С целью определения доверительного интервала точности измерений в процессе исследований для всех показателей проводили вычисление сводных математических характеристик результатов испытаний. Основной величиной сводной характеристики является среднее арифметическое ( ) значение, определяемое по формуле: Χ 1 n Χi , n i 1 (П1.44) где Хi – результаты отдельных испытаний; n – число измерений. Среднее квадратичное (Sn) отклонение вычисляли по формуле: n Χ Χ 2 i i 1 , (П1.45) n 1 Коэффициент вариации (Св) рассчитывали по формуле: S (П1.46) С B n 100% , Χ Достоверность результатов испытаний оценивали с помощью определения доверительного интервала (): t Sn δ , (П1.47) n где t – критерий Стьюдента. По доверительному интервалу оценивали необходимое число испытаний. Число измерений при определении содержания восстанавливающих сахаров в растворе составляет не менее 3, для оценки каталитических свойств ферментных препаратов – не менее 5, а при определении разрывных и деформационных характеристик пряжи – не менее 100; при определении качественных характеристик ткани – не менее 5. Представленные в работе экспериментальные данные получены как средние значения из минимально необходимого числа параллельных опытов. Sn 345 Приложение 2 (массив экспериментальных данных) 346 Таблица П2. 1. Полимерный состав и физико-механические свойства образцов трепаного волокна селекционных сортов льна-долгунца по зонам льняного стебля (вершина/средина/комель) и результаты расчета показателя добротности пряжи по первой (Др1.4) и второй (Др1.5) зависимости (1.4-1.5) Физико-механические свойства волокна Добротность, сН/текс Содержание полимеров, масс. % Регион Вид льноСорт Др1.4 Др1.5 онтогенеза тресты целлюлоза пектин гемицеллюлозы лигнин Ро, сН/Текс ГЧЛ, мм ТЧЛ, Текс «Ленок» «Алексим» «Зарянка» 1 2 Тверская область Костромская область Тверская область Костромская область Тверская область Костромская область 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 луб 62,0/63,7/63,0 6,7/7,1/7,4 15,5/14,1/14,8 5,1/5,8/5,9 - - - - - моченец 64,8/64,9/64,8 3,0/3,4/3,5 12,3/12,6/12,2 5,1/5,7/5,8 2,2/2,2/2,2 62,5/58,3/57,6 3,2/3,3/3,1 9,5 9,4 стланец 66,4/65,3/65,7 2,1/3,0/2,5 12,6/12,8/12,2 5,0/5,5/5,5 1,3/1,9/1,7 63,6/59,7/62,5 5,2/5,7/5,0 10,1 10,1 луб 64,5/66,1/65,7 7,6/7,7/7,8 16,5/17,0/18,9 10,8/12,1/12,5 - - - - - моченец 64,4/62,7/61,9 4,2/4,5/4,3 14,8/14,9/15,5 9,9/11,0/11,3 1,9/2,7/2,5 29,0/35,3/37,4 6,0/5,6/5,6 8,3 8,4 стланец 68,6/67,9/65,8 6,3/6,0/6,9 15,9/16,1/17,7 5,6/6,1/7,1 3,4/3,4/3,9 41,4/55,3/39,3 3,6/3,5/3,6 8,8 8,9 луб 57,7/60,6/60,2 5,7/5,1/5,4 18,6/15,4/16,3 6,6/7,2/7,5 - - - - - моченец 64,2/64,6/65,2 3,5/3,7/3,7 14,0/13,8/13,7 5,7/5,9/6,2 2,6/2,3/1,9 55,4/58,1/59,2 3,0/3,5/3,8 9,5 9,5 стланец 64,9/65,5/65,5 3,2/2,3/2,3 14,5/14,2/13,7 6,0/6,2/6,2 2,1/1,8/1,8 46,2/47,8/55,3 4,1/5,6/5,2 9,0 9,1 луб 58,3/59,6/58,9 7,1/7,3/7,4 19,7/19,9/19,3 12,1/13,3/14,5 - - - - - моченец 63,6/60,2/58,8 2,2/2,7/2,5 16,0/17,4/17,5 11,6/12,6/14,0 1,5/1,4/1,9 31,0/33,2/26,2 6,6/8,1/8,1 7,6 7,6 стланец 64,5/63,1/62,9 5,5/6,1/6,5 16,2/17,0/17,1 8,8/9,8/9,9 3,4/3,6/3,7 28,0/31,3/30,2 4,6/4,4/4,4 8,3 8,2 луб 59,9/61,8/61,4 7,6/7,3/8,1 18,9/16,6/17,6 5,6/5,6/5,7 - - - - - моченец 63,5/63,6/63,3 6,5/6,2/7,0 12,0/12,0/12,2 5,5/5,4/5,7 3,4/3,2/3,7 61,4/62,1/59,1 4,2/4,4/3,9 11,1 11,0 стланец 63,9/64,0/64,3 5,3/4,9/4,3 14,0/13,1/12,4 5,6/5,6/5,7 3,0/2,8/2,5 53,4/56,8/58,3 4,8/5,1/5,6 10,6 10,7 луб 58,6/59,4/59,2 7,9/8,0/8,1 19,1/18,9/20,4 9,0/9,6/10,3 - - - - - моченец 64,9/64,7/65,2 2,6/2,9/2,4 14,9/15,3/17,0 8,8/9,4/10,2 2,2/2,3/1,9 34,8/32,0/24,8 6,5/6,2/7,3 8,1 8,1 стланец 63,4/63,2/63,2 6,0/6,7/6,7 13,4/10,9/11,1 8,1/8,2/8,5 3,6/3,9/3,9 42,3/50,9/49,3 4,1/3,8/3,6 9,8 9,8 346 347 Могилевский-2 «А-93» 1 2 Тверская область Костромская область Тверская область Костромская область 3 луб 4 5 6 59,1/61,4/60,9 7,0/7,4/7,5 21,5/20,8/20,3 7 5,9/6,0/6,1 8 - 9 - 10 - 11 - 12 - моченец 63,4/63,3/63,4 6,4/6,0/6,5 16,0/14,5/13,5 5,8/5,6/6,0 3,5/3,7/3,6 49,9/51,3/52,6 4,1/3,9/4,0 10,1 10,0 стланец 64,7/64,5/64,2 3,8/4,2/4,5 13,5/13,9/12,6 5,5/5,6/5,9 2,2/2,4/2,7 55,8/53,7/56,2 6,3/5,8/5,3 10,5 10,6 луб 57,6/58,1/57,6 6,6/6,2/6,7 20,7/20,2/20,0 11,2/11,7/12,0 - - - - - моченец 64,7/64,6/65,2 3,5/4,0/3,1 16,7/17,0/15,1 10,9/11,4/11,7 2,3/2,4/2,0 25,7/24,9/30,7 6,2/6,0/7,1 7,7 7,7 стланец 63,6/63,5/63,5 5,2/5,2/5,5 14,8/16,3/15,6 8,1/8,8/8,8 3,3/3,3/3,4 37,5/29,9/32,2 4,4/4,4/4,3 8,4 8,3 луб 63,5/64,3/63,8 5,2/5,5/5,5 16,9/15,5/16,1 6,2/6,2/6,5 - - - - - моченец 66,5/65,0/66,5 2,5/2,3/2,6 13,8/13,2/13,2 6,0/5,8/6,1 1,3/2,1/1,3 51,1/61,0/55,7 4,4/3,9/4,3 9,0 9,0 стланец 65,7/64,9/65,9 2,3/3,1/2,7 14,9/15,0/14,6 5,8/6,3/6,4 1,7/2,2/1,6 45,7/43,3/51,0 5,3/4,9/5,3 8,7 8,7 луб 62,1/63,8/62,9 7,0/7,4/7,5 16,9/17,4/18,5 9,1/9,5/10,9 - - - - - моченец 66,6/64,6/60,9 2,1/2,8/2,3 15,8/16,0/17,9 8,3/9,4/10,6 1,9/2,3/1,8 24,8/30,3/25,4 6,2/6,0/8,0 7,5 7,6 стланец 67,4/65,6/63,2 5,4/5,4/4,8 15,6/16,9/17,2 7,1/8,2/9,8 3,4/3,7/3,1 28,3/32,2/20,3 5,1/4,9/5,2 8,2 8,2 347 348 Таблица П2.2. Соотношение форм мономерных звеньев в полиуронидах различных видов льняного волокна Относительная оптическая плотность, dDn Льняное сырье 1 калужский тверской бийский Долевое содержание звеньев dD1 dD2 dD3 dD4 G(ГК-СН3) G(ГК-Н) G(ГК-Са) 2 3 4 5 6 7 8 0,9141 1,0209 0,7983 1,3701 0,6107 0,1868 0,2025 0,9156 1,0446 0,7776 1,469 0,6138 0,1866 0,1996 0,8708 0,9979 0,7406 1,4032 0,6117 0,1918 0,1965 0,8854 1,0135 0,7445 1,4383 0,6123 0,1846 0,2031 0,61 0,19 0,2 0,8831 1,0182 0,7895 1,3695 0,6057 0,2329 0,1614 0,8996 1,0408 0,7937 1,4387 0,6169 0,2189 0,1642 0,8424 0,992 0,7321 1,4204 0,6224 0,2173 0,1602 0,8622 1,0075 0,7557 1,4236 0,6230 0,2175 0,1594 0,62 0,22 0,16 0,8968 1,0604 0,8005 1,3684 0,5423 0,2881 0,1696 0,8856 1,066 0,7798 1,4023 0,5402 0,2898 0,1699 0,8508 1,043 0,7315 1,4157 0,5447 0,2809 0,1744 0,8644 1,0609 0,7512 1,4264 0,5413 0,2910 0,1677 0,54 0,29 0,17 348 349 1 вологодский костромской французский голландский 2 3 4 5 6 7 8 0,9102 1,0319 0,7736 1,3992 0,5871 0,1945 0,2183 0,9346 1,0643 0,7867 1,4683 0,5927 0,1903 0,2170 0,8998 1,0219 0,7541 1,4123 0,5931 0,185 0,2213 0,9104 1,0403 0,7645 1,4374 0,5901 0,1930 0,2168 0,59 0,19 0,22 0,8506 1,0339 0,7934 1,3762 0,5873 0,3145 0,0981 0,8462 1,0559 0,7835 1,4531 0,593 0,3132 0,0936 0,8347 1,0294 0,7716 1,3932 0,5853 0,3132 0,1015 0,8291 1,0282 0,7654 1,4008 0,5864 0,3133 0,1002 0,59 0,31 0,1 0,8221 1,1831 0,7713 1,4009 0,3459 0,573 0,0807 0,8394 1,1994 0,7875 1,4196 0,3484 0,569 0,0821 0,8083 1,1729 0,7562 1,3973 0,3500 0,5687 0,0813 0,8301 1,1883 0,7793 1,4083 0,3498 0,5695 0,0808 0,35 0,57 0,08 1,18 0,7536 1,4391 0,3780 0,5192 0,1028 0,8494 1,1822 0,7828 1,4196 0,3728 0,5226 0,1046 0,8465 1,1791 0,7806 1,4227 0,3790 0,5180 0,1026 0,8140 1,1753 0,7475 1,4362 0,3788 0,5246 0,0965 0,38 0,52 0,1 349 0,8241 350 Таблица П2.3. Влияние состава ферментов пектолитических препаратов на деструкцию полиуронидов из промышленных видов льняного волокна Активность ферментов ПМЭК, ед./мл № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 ПГэндо ПГэкзо ПЭ 17,8 17,8 17,8 17,8 17,8 0,2 11,1 12,3 17,9 27,9 12,3 12,3 12,3 12,3 0 11,1 12,3 17,8 27,9 27,7 27,7 27,7 27,7 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,05 0,2 0,33 0,45 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,05 0,2 0,33 0,45 0 0,12 0,23 0,29 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,29 0,29 0,29 0,29 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,4 0,4 0,4 0,4 Характеристики строения и степень удаления пектиновых веществ (П, масс.%/ч) из льняного волокна вологодского тверского бийского голландского костромского калужского французского G(ГК-СН3)=0,59; G(ГК-СН3) =0,62; G(ГК-СН3) =0,54; G(ГК-СН3) =0,38; G(ГК-СН3) =0,59; G(ГК-СН3) =0,61; G(ГК-СН3) =0,35; G(ГК-Са)=0,22; G(ГК-Са) =0,16; G(ГК-Са) =0,17; G(ГК-Са) =0,10; G(ГК-Са) =0,10; G(ГК-Са) =0,20; G(ГК-Са) =0,08; G(ГК-Н)=0,19 G(ГК-Н) =0,22 G(ГК-Н) =0,29 G(ГК-Н) =0,52 G(ГК-Н) =0,31 G(ГК-Н) =0,19 G(ГК-Н) =0,57 31 25 41 64 38 26 72 33 26 43 69 40 27 77 34 26 44 71 41 28 79 34 27 44 71 41 28 80 34 27 45 72 41 29 80 16 11 19 28 15 13 30 32 24 40 61 35 26 68 32 25 41 64 37 27 71 37 29 48 76 44 30 84 43 35 58 55 36 25 19 32 51 29 20 57 30 23 38 60 34 25 66 34 26 43 67 38 28 73 37 28 47 72 42 30 80 12 9 15 22 13 10 24 32 24 40 61 35 26 66 32 25 41 63 37 27 69 37 29 47 75 44 30 83 43 35 58 55 36 36 30 49 48 30 41 34 55 53 35 45 36 60 57 38 49 39 64 61 41 - 350 351 Таблица П2.4. Влияние состава ферментов пектолитических препаратов на деструкцию полиуронидов при обработке стланцевого волокна селекционных сортов льна долгунца, выращенных в Тверской области Активность ПМЭК, ед./мл № п/п ПГэндо ПГ экзо ПЭ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0,2 0,2 11,1 11,1 12,3 12,3 12,3 12,3 12,3 17,8 17,8 17,8 17,9 17,9 27,7 27,7 27,7 27,7 27,9 27,9 0,35 0,80 0,35 0,80 0,29 0,29 0,29 0,35 0,80 0,03 0,12 0,35 0,35 0,80 0,40 0,40 0,40 0,40 0,35 0,80 0,27 0,22 0,27 0,22 0,05 0,22 0,45 0,27 0,22 0,20 0,20 0,20 0,27 0,22 0,05 0,22 0,33 0,45 0,27 0,22 Характеристики строения и степень расщепления пектиновых веществ ( П, масс.%/ч) селекционных сортов льна «А-93» «Алексим» «Ленок» «Могилевский-2» «Зарянка» G(ГК-СН3) =0,39; G(ГК-СН3) =0,37; G(ГК-СН3) =0,38; G(ГК-СН3) =0,52; G(ГК-СН3) =0,58; G(ГК-Са) =0,14; G(ГК-Са) =0,14; G(ГК-Са) =0,22; G(ГК-Са) =0,06; G(ГК-Са) =0,10; G(ГК-Н) =0,47 G(ГК-Н) =0,49 G(ГК-Н) =0,40 G(ГК-Н) =0,42 G(ГК-Н) =0,32 Эксп Расчет Эксп Расчет Эксп Расчет Эксп Расчет Эксп Расчет 8 8,2399 7 7,2091 10 10,3111 9 9,2017 8,5 8,7550 11 11,3276 11 11,3300 11,5 11,8450 12,5 12,8275 11,5 11,8405 22,5 23,1750 20 20,5997 21 21,6299 20 20,6967 19 19,5367 25,5 26,2650 24 24,7197 23,5 24,2059 22,5 23,0175 21,5 22,0145 22,5 23,1749 20,5 21,1148 20 20,5976 19,5 20,0850 18,5 19,0505 23 23,6890 21 21,6249 20,5 21,1115 20 20,6954 19 19,5074 23,5 24,2050 21,5 22,1447 21 21,6295 20,5 20,9150 19,5 20,0085 24 24,7200 21,5 22,1450 22 22,6511 21 21,6300 19,5 19,9885 27 27,8097 25 25,7435 24,5 25,1235 23,5 24,0275 22,5 23,0175 23,5 24,2049 20,5 21,1150 18,5 19,0055 16,5 16,9950 15 15,4547 27 27,8057 23,5 24,2050 23,5 24,0205 22 22,1066 20 20,5998 30,5 31,4148 26,5 27,2949 26,5 27,0295 24,5 25,2350 23 23,6875 30,5 31,4150 27 27,8031 26,5 27,0325 25 25,7500 23 23,6900 33,5 34,5044 30,5 31,1415 29 29,8117 27,5 28,3205 25,5 26,0265 41,5 42,7448 36 37,0108 34 35,0002 31 31,6693 28 28,8411 42 43,2600 36,5 37,1595 34,5 35,4535 31,5 32,0445 28,5 29,0355 42,5 43,7750 37 38,1111 35 36,1005 32 32,3496 29 29,8517 43 44,2867 37,5 38,1625 35,5 36,0565 32,5 33,0475 29,5 30,0385 42 43,2596 36 37,2008 34,5 35,4549 31,5 32,0445 28,5 29,0364 45 46,3500 40 40,2358 37 38,0011 34 34,6702 31 31,3093 351 352 Таблица П2.5. Влияние состава ферментов пектолитических препаратов на деструкцию полиуронидов при обработке стланцевого волокна селекционных сортов льна долгунца, выращенных в Костромской области Активность ПМЭК, ед./мл № п/п ПГэндо ПГ экзо ПЭ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0,2 0,2 11,1 11,1 12,3 12,3 12,3 12,3 12,3 17,8 17,8 17,8 17,9 17,9 27,7 27,7 27,7 27,7 27,9 27,9 0,35 0,80 0,35 0,80 0,29 0,29 0,29 0,35 0,80 0,03 0,12 0,35 0,35 0,80 0,40 0,40 0,40 0,40 0,35 0,80 0,27 0,22 0,27 0,22 0,05 0,22 0,45 0,27 0,22 0,20 0,20 0,20 0,27 0,22 0,05 0,22 0,33 0,45 0,27 0,22 Характеристики строения и степень расщепления пектиновых веществ (П, масс.%/ч) селекционных сортов льна «А-93» «Алексим» «Ленок» «Могилевский-2» «Зарянка» G(ГК-СН3) =0,51; G(ГК-СН3) =0,66; G(ГК-СН3) =0,64; G(ГК-СН3) =0,69; G(ГК-СН3) =0,51; G(ГК-Са) =0,26; G(ГК-Са) =0,14; G(ГК-Са) =0,15; G(ГК-Са) =0,11; G(ГК-Са) =0,29; G(ГК-Н) =0,23 G(ГК-Н) =0,20 G(ГК-Н) =0,21 G(ГК-Н) =0,20 G(ГК-Н) =0,20 Эксп Расчет Эксп Расчет Эксп Расчет Эксп Расчет Эксп Расчет 7 7,1561 8 8,2934 8 8,0492 7 7,2064 7,5 7,7025 11 11,0313 11,5 11,8045 11,5 11,9157 11 11,0313 11 11,1884 18 18,0534 18 18,5154 16,5 16,9095 17,5 18,0295 20 20,3654 22 22,6426 21,5 22,0145 20 20,3069 21 21,2963 23,5 24,0205 18 18,0328 17,5 18,0025 16 16,4118 18,5 19,0505 19,5 20,0521 18,5 19,0155 18 18,1159 16,5 16,9095 19 19,5647 20 20,4495 19 19,1257 18,5 19,1055 17,5 18,0205 19,5 20,0174 20,5 21,0115 19 19,1562 18,5 18,9963 17,5 17,9580 18 18,5399 21,5 22,0145 23 23,4169 22 22,6116 21 21,6003 21,5 22,1450 25 25,7185 16,5 16,9950 15 15,4745 13 13,3169 16 16,4468 19,5 20,0649 19,5 20,0085 19 19,1507 17 17,3051 17,5 18,0215 23 23,5479 22,5 23,0175 21,5 22,1446 19,5 20,0085 20 20,5378 26 26,5931 22,5 23,1996 22 22,4589 20 20,5920 18,5 19,0589 26,5 27,1952 26,5 27,0295 25,5 26,0265 23,5 24,2050 24,5 25,0235 30 30,4679 28,5 29,1355 27 27,8100 23,5 24,0622 25,5 26,2650 28,5 29,3017 29,5 30,0385 27,5 28,0325 24 24,4572 26 26,1728 29,5 29,8452 30 30,2679 28 28,0184 24,5 25,0235 26,5 27,0295 30 30,5418 31 31,9043 28,5 29,0355 26 26,2178 27 27,1861 31 31,831 29 29,1817 27 27,8691 24 24,7052 26,5 27,0295 35 36,0125 33 33,0990 30,5 31,0415 27,5 28,0325 28,5 29,0355 38,5 39,0655 352 353 Таблица П2.6. Влияние каталитических свойств пектолитических ферментных препаратов на кинетику удаления пектина из льняной ровницы Льняное волокно, (номер волокна) бийское (28) тверское (14) вологодское (24) костромское (24) калужское (18) голландское (36) французское (36) Активность ферментов препарата, ед./мл Остаточное содержание пектиновых веществ (ПОСТ, масс.%) в анализируемых видах льняного волокна при длительности ферментативной обработки (, ч) ПЭ 2,2 1,7 3,4 4,7 4,7 5,5 3,4 2,2 5,5 3,4 2,4 3,4 4,7 3,4 5,5 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0 3,9 3,9 3,9 6,5 6,5 6,5 4,8 4,8 4,8 4,6 4,6 4,6 5,9 5,9 5,9 2,7 2,7 2,7 2,5 2,5 ПГэндо ПГэкзо 15,5 0,20 12,3 0,27 27,7 0,37 25,0 0,4 17,9 0,27 38,5 0,45 22,3 0,35 15,5 0,2 38,5 0,45 16,5 0,25 17,9 0,15 27,7 0,37 23,9 0,37 16,5 0,25 38,5 0,45 7,4 0,15 5,8 0,14 12,3 0,15 5,8 0,14 7,4 0,15 0,25 3,4 3,5 3,2 5,5 5,7 5,4 4,2 4,3 3,9 4,1 4,2 3,7 5,1 5,3 4,9 2,3 2,4 2,3 2,2 2,1 0,5 2,9 3,1 2,5 4,7 5,0 4,3 3,6 3,8 3,1 3,5 3,6 3,0 4,3 4,6 3,9 2,0 2,1 1,9 1,9 1,8 0,75 2,4 2,7 1,8 3,9 4,2 3,2 2,9 3,4 2,3 2,9 3,2 2,2 3,5 4,0 2,9 1,7 1,8 1,5 1,6 1.5 1,0 2,0 2,3 1,4 3 3,4 2,4 2,3 2,9 1,8 2,3 2,7 1,7 2,7 3,4 2,2 1,4 1,5 1,3 1,3 1,2 1,25 1,6 1,9 1,05 2,2 2,7 1,8 1,9 2,5 1,35 1,9 2,2 1,3 2,2 2,7 1,6 1,3 1,33 1,1 1,2 1,1 1,5 1,3 1,7 0,9 1,8 2,1 1,4 1,5 2,1 1,0 1,6 1,9 1,0 1,7 2,2 1,2 1,2 1,3 1,0 1,1 1,05 1,75 1,15 1,5 2,0 1,0 1,3 2,25 2,5 2,75 1,2 1,0 0,9 1,4 1,7 1,0 1,2 1,8 1,0 1,3 1,1 0,9 1,0 1,5 1,3 1,1 1,0 1,3 1,7 1,0 1,5 1,3 1,1 0,9 1,3 1,8 1,0 1,1 1,25 1,0 1,5 1,2 1,0 1,0 1,2 1,15 1,1 1,05 1,0 1,0 1,05 353 354 Таблица П2.7. Влияние каталитических свойств пектолитических ферментных препаратов на кинетику удаления пектина из льняной ровницы Исследуемый образец волокна, (Nчв) №1 (36) №2 (30) №3 (28) №4 (26) №5 (22) №6 (36) №7 (16) №8 (14) Активность ферментов препарата, ед./мл ПЭ 2,0 1,8 2,7 2,2 2,0 3,4 1,7 1,5 3,4 1,9 1,4 4,7 0,7 2,2 5,5 1,1 0,4 3,8 4,7 5,5 5,2 4,7 5,5 эндоПГ 6,7 4,3 12,5 8,5 6,7 16,5 19,1 12,5 27,7 20,8 15,5 27,7 28,7 18,6 38,5 3,2 7,4 26,7 19,9 35,5 29,8 17,9 55,5 экзоПГ 0,11 0,15 0,21 0,15 0,11 0,25 0,24 0,10 0,37 0,22 0,22 0,37 0,52 0,20 0,45 0,10 0,15 0,42 0,27 0,45 0,45 0,27 0,45 фрасч, мин 120 165 90 120 150 90 120 180 105 120 150 105 120 150 105 120 75 120 135 105 120 150 105 0 2,9 2,9 2,9 3,3 3,3 3,3 4,1 4,1 4,1 4,9 4,9 4,9 5,4 5,4 5,4 2,3 2,3 6,3 6,3 6,3 6,7 6,7 6,7 30 2,01 2,24 2,76 3,28 3,55 1,71 4,15 - ПОСТ, масс.% в анализируемых видах льняного волокна при длительности ферментативной обработки (, мин) 45 60 75 90 105 120 135 150 1,35 1,22 1,14 1,03 1,35 1,25 1,15 1,08 1,03 1,55 1,25 1,05 0,95 1,52 1,31 1,15 1,08 1,56 1,35 1,23 1,16 1,05 1,63 1,25 1,02 0,91 1,72 1,44 1,21 1,04 1,55 1,46 1,25 2,05 1,65 1,33 1,09 0,91 1,98 1,91 1,35 1,01 1,96 1,63 1,47 1,22 1,04 2,34 1,81 1,35 1,09 0,97 2,07 1,66 1,32 1,08 2,16 1,81 1,53 1,25 1,02 2,63 1,95 1,41 1,07 0,92 1,28 1,15 1,07 1,02 1,35 1,15 1,04 2,26 1,84 1,47 1,05 2,13 1,66 1,37 1,03 3,23 2,37 1,82 1,33 1,01 2,30 1,86 1,45 1,06 1,84 1,45 1,10 1,06 2,55 1,81 1,35 1,02 - 165 0,93 1,11 - 180 1,01 - 354 355 Таблица П2.8. Интенсивность максимумов поглощения (D) и динамика редокс-превращений (D) ионизированных фенилпропановых единиц лигнина, содержащих ауксохромную карбонильную группировку (I) и присутствующих в формах кониферилового (II) и n-кумарового (III) спиртов, при длине волны соответственно 350, 300 и 250 нм Характеристики дифференциальной УФ-спектроскопии для основных форм структурных звеньев макромолекулы лигнина I II III L Восстановительная система ОВП при 98 оC, мВ O L CH2OH CH C O R O- O L CH2OH CH O HCOH HCOH (R = H; OCH3) O- CH2OH CH OCH 3 O- D350 D350, ед./мин D300 D 300, ед./мин D250 D 250, ед./мин 0,190 0,30 0,48 NaBH4 1205 0,037 0,0026 0,64 0,0057 0,95 0,0078 HMS 1030 0,052 0,0023 0,60 0,0050 0,86 0,0063 Gal 848 0,151 0,0007 0,44 0,0023 0,74 0,0043 GA 918 0,105 0,0014 0,52 0,0037 0,79 0,0052 Xyl 945 0,070 0,0020 0,57 0,0045 0,84 0,0060 Gal+ GA+ Xyl 980 0,062 0,0021 0,59 0,0048 0,85 0,0062 355 356 Приложение 3 (акты производственных испытаний) 357 АКТ испытаний и производственной оптимизации технологического режима подготовки льняной ровницы с использованием специализированного полиферментного препарата Полифан МЛ В Институте химии растворов РАН разработан специализированный полиферментный препарат Полифан МЛ для биохимической технологии подготовки льняной ровницы, который содержит оптимальное сочетание пектолитических ферментов и совместимые с ними протеазы для разрушения углеводнобелкового комплекса соединительных тканей технического льняного волокна. Экспериментальный образец препарата получен совместно с ОАО «Сиббиофарм» и представлен в виде высокоактивного белкового ультрафильтрата со следующими физико-химическими свойствами: - жидкость желто-коричневого цвета, без запаха, не горючая, не содержащая вредных органических стабилизаторов, легко смешиваемая с водными растворами при комнатной температуре; - содержание белка 2,250,75 г/л, водородный показатель рН 6,5; - температура замерзания 51,0оС; - условия хранения: при температуре 255оС в течение 2 недель, при 0…+5оС - 30 суток (возможно длительное или многократное замораживание с потерей активности ферментов на 10…30 %). Расход препарата в жидкой или сухой выпускных формах соответствует следующим рекомендуемым минимальным уровням активности ферментов в технологическом растворе (ед./мл): - ПЭаза ≥ 0,4; ПГЭНДО ≥ 20; ПГЭКЗО ≥ 0.2; АПРОТЕО ≥ 0,2; - температурный оптимум применения 50 10 оС; - температура инактивации ферментов выше 80оС. Технологические требования к специализированному ассортименту ферментных препаратов для переработки льняной ровницы определяются в соответствии с основной задачей ее подготовки, связанной с обеспечением равномерного дробления технического волокна на более тонкие комплексы при последующих механических воздействиях на прядильном оборудовании. При этом нужно максимально сократить потери массы волокна и его прочностных характеристик. 358 Преимущества применения ферментативного катализа для повышения дробимости комплексных волокон поясняет схема, представленная на рис. 1. 3 1 2 Рис. 1 Строение комплексного льняного волокна Основываясь на принятой биологами градации связующих веществ в растительных материалах в зависимости от массивности их отложения, соединительные ткани в структуре выделенных лубяных пучков следует подразделить на три основные группы: 1- срединные пластинки – тонкие прослойки клеящего вещества, соединяющие две плотно прилегающие друг к другу клетки элементарных волокон; 2- межклетники – крупные отложения соединительных тканей, одновременно скрепляющие группу элементарных волокон; 3- покровные ткани – массивные образования остатков паренхимных тканей, окружавших лубяные пучки в льняном стебле. В процессах чесания волокнистого материала происходит продольное расщепление пучков за счет механического разрушения связующих веществ. Для придания техническому волокну прядомых свойств, то есть дальнейшего уменьшения толщины комплексов, повышения их гибкости и способности к скручиванию, требуется химическим путем разрушить клеящую основу соединительных тканей и обеспечить возможность продольного перемещения групп элементарных волокон в процессах мокрого прядения. При этом деструкция примесей в соединительных тканях пучков должна обеспечивать размягчение клеящих веществ (мацерацию волокна) без отщепления отдельных растительных клеток (без элементаризации волокна). Последнее обстоятельство нежелательно, поскольку в связи с гладкостью поверхности и отсутствием извитости элементарные льняные волокна не обладают сцепляемостью, не урабатываются в пряжу и теряются с пуховыми отходами прядильного производства. Традиционные химические методы подготовки льняного волокна к прядению сопряжены с проникновением реагентов (кислот, щелочей, окислителей) и протеканием деструктивных процессов во всем объеме доступных капиллярнопоровых пространств. В связи с этим более тонкие срединные пластинки (позиция 1 на рис. 1) повреждаются более существенно, чем массивные образования 359 межклетников (2) и покровных тканей (3), которые главным образом и препятствуют дроблению комплексного волокна. Кроме того, химические реагенты способны наряду с деструкцией примесей вызывать повреждение и основного волокнообразующего полимера – целлюлозы. Большую опасность представляет высокая склонность целлюлозы к окислительной деструкции в щелочной среде. Ферменты, в силу большого размера своей молекулы ( 40Å), соизмеримого с толщиной срединных пластинок (100Å), осуществляют каталитическое влияние, прежде всего, в крупных структурных образованиях соединительных тканей. Разрушение межклетников и остатков покровных тканей необходимо не только для повышения продольной подвижности фрагментов комплексного волокна в тянульных устройствах прядильного оборудования, но также и для сближения и параллелизации групп волокон в высушенной пряже, что способствует повышению ее механической прочности. Для устранения отмеченного выше недостатка химических методов подготовки ровницы, связанного с частичной элементаризацией волокна и непроизводительными потерями волокнистого материала, может быть использован прием поверхностной эрозии отделившихся элементарных волокон с помощью целлюлолитических ферментов. Вопрос о целесообразности использования данного вида ферментов дискутируется в научной литературе как зарубежными, так и отечественными специалистами. В частности, опыт сотрудников ИГХТУ по применению существующих биопрепаратов для переработки льняных текстильных материалов на Гаврилов-Ямском льнокомбинате показал, что без добавок целлюлаз промышленно выпускаемые пектолитические препараты не позволяют провести качественную подготовку сырья из отечественных высокозасоренных сортов льна. Возможным положительным действием целлюлаз является нарушение гладкости волокон и повышение их сцепляемости. Для экспериментальной проверки эффективности этого приема к испытуемому препарату Полифан МЛ вводилась добавка целлюлолитических ферментов в соответствии с пропорциями, определенными по результатам лабораторных исследований. Цели производственных испытаний включали подработку технологического режима ферментативного воздействия экспериментального полиферментного препарата Полифан МЛ в цикле ферментативно-пероксидной технологии подготовки льняной ровницы. В отличие от лабораторного моделирования процессов на данном этапе имеется возможность оценить равномерность прохождения деструктивных процессов при обработке катушек ровницы массой 1,25 кг, провести пробное прядение волокнистого материала с осуществлением контроля эффективности применения биопрепарата по показателям получаемой пряжи. В условиях ОАО «Вологодский текстиль» обработке подвергалась мягкая льняная ровница №16 из смеси бийского и голландского льняного волокна для выработки пряжи с номинальной линейной плотностью 56 Текс. Обработку ровницы проводили на аппарате марки АЛ 210/1 в полном соответствии с принятым на предприятии режимом («контроль»), а также по ферментативно-пероксидной технологии («проба»), представленной в табл. 1. Режим «проба 1» преду- 360 Таблица 1 Последовательность и краткая характеристика технологических процессов подготовки льняной ровницы к прядению Операция, (реагенты) кисловка (H2SO4) нейтрализация (NaOH) щелочная варка раскисловка (вода) биообработка (ферментные препараты) промывка окислительная варка промывка антимикробная обработка (уксусная кислота) Технологические режимы «контроль» «проба» Т=30-35оС; =15 мин нет Т=30-35оС; =10 мин 1) нагрев до 98оС; 45 мин; 2) Т=98оС; =60 мин нет нет нет нет Т=40-42оС; =10 мин Т=50оС; =120 мин 1) Т=65-70оС; =10 мин +ПАВ; 2-4) Т=65-70оС; =10 мин 1) нагрев до 98оС; = 45 мин; 2) Т=98оС; =45 мин 1) Т=65-70оС; =10 мин +ПАВ; 2-4) Т=65-70оС; =10 мин 1) Т=65-70оС; =10 мин +ПАВ; 2) Т=65-70оС; =10 мин 1) нагрев до 98оС; = 45 мин; 2) Т=98оС; =45 мин 1) Т=65-70оС; =10 мин +ПАВ; 2-4) Т=65-70оС; =10 мин Т=50оС; =15 мин Т=50оС; =15 мин Примечание: давление при окислительной варке Р=2-3,5 атм., после антимикробной обработки образцы отправляли на мокрое прядение 360 361 сматривает проведение ферментативной обработки препаратом Полифан МЛ. В режиме «проба 2» используется препаратом Полифан МЛ с добавкой целлюлолитических ферментов. Последующее прядение осуществлялось мокрым способом в сопоставимых условиях на прядильной машине ПМ-88-Л8. Результаты сопоставления контролируемых показателей текстильных полуфабрикатов суммированы в табл. 2-3. Таблица 2 Результаты испытаний подготовки льняной ровницы Наименование показателя Величина показателя для образцов «контроль» «проба 1» «проба 2» Снижение разрывной нагрузки в мокром состоянии к уровню необработанной ровницы, % 30 41 59 Потеря массы волокна, % 18 14 19 Содержание пектиновых веществ, масс. % 0,52 0,36 0,38 Содержание гемицеллюлоз, масс. % 5,42 8,58 5,09 Содержание лигнина, масс. % 2,15 2,43 2,56 Белизна, % 52,8 52,9 53,1 Примечание: Содержание пектиновых, гемицеллюлозных примесей и лигнина в необработанной ровнице составляет соответственно 2,83; 12,44 и 5,05 масс. %. Основными контролируемыми на предприятии показателями качества подготовки ровницы являются уровень снижения прочности материала в мокром состоянии, что имитирует поведение прядки волокна в натяжном приборе прядильной машины, а также потери массы волокна. Как видно из приведенных данных, биохимический способ подготовки мягкого волокна с применением препарата Полифан МЛ обеспечивает дополнительное понижение разрывной нагрузки мокрой ровницы в 1,4 раза в сравнении с ходовым режимом обработки при уменьшении количества извлекаемых примесей в 1,29 раза. Добавка целловиридина увеличивает снижение прочностного показателя в 1,4 раза относительно уровня пробы 1, но при этом потери массы волокна возрастают в 1,36 раза. Дополнительно проведенный анализ полимерного состава спутников целлюлозы показал, что убыль массы связана не с уменьшением содержания лигнина, а, главным образом, с деструкцией нейтральных полисахаридов, что закономерно в связи с известным проявлением активности целлюлазы не только по отношению к целлюлозному субстрату, но также и к -глюканам и ксилоглюканам, входящим в состав гемицеллюлозных соединений льняного волокна. Такое влияние композиции препаратов на компоненты льняного волокна находит отражение в изменении основных свойств формируемой пряжи, что иллюстрируют данные табл. 3. 362 Таблица 3 Качественные показатели пряжи при подготовке ровницы из мягкого льноволокна по традиционному и биохимическому режимам Наименование показателя Величина показателя для образцов проба 1 проба 2 контроль Полифан МЛ Полифан МЛ+ Целловиридин 56,7 55,2 60,0 4,1 2,2 5,5 7,7 7,7 5,7 Разрывная нагрузка, сН 1374 1410 1193 Удельная разрывная нагрузка, сН/Текс 24,2 25,5 19,9 Коэффициент вариации по разрывной нагрузке, % 18,2 17,2 22,6 Разрывное удлинение, мм 1,9 2,1 1,6 Линейная плотность, Текс Коэффициент вариации по линейной плотности, % Фактическая влажность пряжи, % Сортность пряжи I высокольI высоняный кольняный I среднельняный Представленные результаты свидетельствуют, что применение препарата Полифан МЛ в сравнении контролем позволяет на 2,7 % уменьшить тонину получаемой пряжи при одинаковых заправочных параметрах работы натяжного прибора прядильной машины. Испытания выявили комплексное улучшение деформационных характеристик пряжи из биохимически подготовленной ровницы. В совокупности с увеличением в 1,29 раза массы подготовленной ровницы это обеспечивает дополнительный прирост выхода (длины) полуфабриката на 32,5 %. При этом почти в 2 раза снижается вариабельность линейной плотности пряжи, на 5,4 % возрастает удельная разрывная нагрузка при повышении равномерности этого показателя. Существенным преимуществом является возрастание разрывного удлинения, обеспечивающее повышение перерабатываемости пряжи в последующих процессах перемотки и ткачества. По совокупному показателю сортности пряжа оценивается как более высококачественная. На рис. 2 и 3 приведены микроскопические снимки анализируемых образцов ровницы, демонстрирующие основные проблемы деструкции примесей технического льняного волокна. Покровные примеси могут располагаться на поверхности льняных комплексов в виде сплошного слоя (рис. 2а) или дискретных налипов (рис. 2б-в), которые не разрушаются в процессе химиче- 363 а) б) г) д) в) е) Рис. 2. Микроснимки поверхности льняных комплексов в образцах неподготовленной ровницы (ав) и после ее обработки по ходовой технологии (г, д) и по режиму «проба 2» (е) а) б) в) г) Рис. 3. Микроснимки поперечных срезов льняных комплексов в образцах неподготовленной ровницы (а) и после ее обработки по ходовой технологии (б, в) и ферментативнопероксидному режиму «проба 2» (г) СП 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 и сходн ое " к он тр ол ь" "п роба 1" волокно "проба 2" Рис. 4. Изменение степени полимеризации (СП) целлюлозы льна после подготовки ровницы по традиционной и биохимической технологии 364 ской подготовки (рис. 2г), но полностью удаляются при ферментативном воздействии полиферментного препарата Полифан МЛ (рис. 2е). Дробление комплекса (рис. 3а) сдерживается как внешним слоем покровных тканей, так и внутренними отложениями межклеточных соединительных тканей. При воздействии химических реагентов разрушение массивных примесных структур сопровождается интенсивной элементаризацией волокнистого материала (рис. 2д; рис. 3б-в). Рациональное сочетание ферментов пектинэстеразы, эндо- и экзополигалактуроназ и протеолитических ферментов в препарате Полифан МЛ позволяет разрушить углеводно-белковую основу клеящего вещества в лубяных пучках и провести дробление комплексов без потери элементарных волокон (рис. 3г). Добавки целловиридина ухудшают равномерность дробления льняных комплексов, что, по-видимому, связано с излишним удалением гемицеллюлоз, оказывающих аморфизирущее влияние на структуру межклеточного соединительного вещества и обеспечивающих легкость перемещения структурных фрагментов при наложении продольных растягивающих усилий. Неравномерность дробления проявляется в повышении усредненных показателей линейной плотности и разрывной нагрузки пряжи и их статистического разброса для различных анализируемых участков материала, что в целом снижает сортность продукции (см. табл. 3). Причины наблюдаемых отклонений вскрываются при анализе данных степени полимеризации целлюлозы в сравниваемых образцах полученной пряжи, представленных на рис. 4. Контроль осуществлялся, исходя из данных вязкости 0,1 %-ных медно-аммиачных растворов полимера, выделенного из волокнистого материала путем последовательной экстракции из него восков, нецеллюлозных полисахаридов и полифенольных соединений. Результаты определены по данным трех параллельных определений для каждого образца. Обнаружено, что ходовой режим подготовки льняной ровницы вызывает снижение степени полимеризации льняной целлюлозы на 160,5 %, что можно признать технологически допустимым отклонением, не оказывающим существенного влияния на физико-механические свойства волокнистого материала. При ферментативно-пероксидном способе обработки ровницы с добавками в полиферментную композицию целлюлюлаз степень полимеризации волокнообразующего полимера падает на 413,5 %. Получаемый уровень показателя отражает усредненное изменение длины полимерных цепей во всем объеме макрофибрилл элементарных волокон. Вместе с тем механизм гетерофазного биокатализируемого процесса предполагает периферийное воздействие ферментов на твердофазный полимерный субстрат. Следовательно, на поверхности растительной клетки происходит очень существенная деструкция целлюлозы, что может вызывать локальное ослабление элементарных волокон в результате концентрации внешних напряжений на наиболее поврежденных участках. Наличие ослабленных участков на внешней поверхности волокон, входящих в состав плохо расщепленных комплексов, приводит к поперечному их разрушению под действием растягивающих усилий на прядильном оборудовании. Приведенный на рис. 5 микроснимок демонстрирует результат такого разрыва 365 нерасщепленного комплекса волокон в утолщении пряжи, сформированной из ровницы с биомодификацией по режиму «проба 1». В связи с экспериментально установленным повышением неровноты подготовки волокнистого Рис. 5. Обрыв волокон материала следует признать нецелесообразнерасщепленного пучка в ным использование целлюлолитических ферменутолщении льняной пряжи тов в составе биопрепаратов для подготовки льняной ровницы к прядению. Полиферментный комплекс препарата Полифан МЛ рассчитан на деструкцию пектиновых примесей при переработке льняной ровницы из мягкого стланцевого волокна, отличительной чертой которого является высокая степень метоксилирования полиуронидных веществ, достигающая 62 % для тверского льна против 38 % для импортного (бельгийского) льна. Благодаря этому, препарат обеспечивает эффективную мацерацию (расщепление клеящей основы) технического льняного волокна без использования целлюлаз. Дополнительным преимуществом его применения в температурном режиме подготовки ровницы «проба 2» является то, что степень полимеризации в этом случае снижается лишь на 11,30,5 %, то есть в 1,5 раза меньше, чем по ходовому режиму. Таким образом, новый полиферментный препарат Полифан МЛ позволяет реализовать целлюлозосохраняющую технологию биохимической подготовки льняной ровницы к прядению, обеспечивающую получение высококачественной льняной пряжи, характеризующейся комплексным улучшением деформационных характеристик, повышающих ее дальнейшую переработку в прядильно-ткацком производстве. При этом непроизводительные потери волокнистого материала снижаются на 25 %, что является резервом для компенсации затрат на применение биопрепарата и обеспечения рентабельности новой технологии. 366 АКТ испытаний биохимического режима подготовки льняной ровницы с использованием специализированного полиферментного препарата Полифан МЛГ В условиях предприятия ОАО «Вологодский текстиль» проведена производственная проверка эффективности использования опытных образцов специализированных полиферментных препаратов Полифан МЛ и Полифан МЛГ для оптимизации технологического режима подготовки льняной ровницы из высокозасоренных сортов льняного волокна с повышенным содержанием лигнина. Экспериментальные образцы препаратов получены на базе Института химии растворов РАН совместно с ОАО «Сиббиофарм» и представлены в виде высокоактивного белкового ультрафильтрата со следующими физико-химическими свойствами: - жидкость желто-коричневого цвета, без запаха, не горючая, не содержащая вредных органических стабилизаторов, легко смешиваемая с водными растворами при комнатной температуре; - содержание белка 2,250,75 г/л, водородный показатель рН 6,5; - температура замерзания 51,0оС; - условия хранения: при температуре 255оС в течение 2 недель, при 0…+5оС - 30 суток (возможно длительное или многократное замораживание с потерей активности ферментов на 10…30 %). Расход препаратов в жидкой или сухой выпускных формах соответствует следующим рекомендуемым минимальным уровням активности ферментов в технологическом растворе (ед./мл), величины которых представлены в табл.1. Обработке подвергалась ровница чесаного льна №16 средней жесткости, сформированная из смеси сортов бийского, тверского, вологодского и нерехтинского льна. Подготовка ровницы осуществлялась на аппарате марки АЛ 210/1 в полном соответствии с принятым на предприятии режимом («контроль»), а также по ферментативно-пероксидной технологии, представленной в табл. 2. Режим «проба 1» предусматривает проведение ферментативной обработки в растворе препарата Полифана МЛ при температуре 50оС без дополнительного нагрева. В режиме «проба 2» использован препарат Полифан МЛГ, раствор которого содержал 25 г/л бикарбоната натрия, и режим ферментации дополнительно включал стадию нагрева и выдержки при 98оС (см. табл. 2). 367 Таблица 1. Характеристика каталитических свойств растворов биопрепаратов для подготовки технического льняного волокна к прядению Биопрепарат Компонент Активность в растворе, ед./мл Полифан МЛ пектинэстераза эндополигалактуроназа экзополигалактуроназа протеаза пектинэстераза эндополигалактуроназа экзополигалактуроназа протеаза экзогалактозидаза экзоксилозидаза экзоглюканаза эндоглюканаза 0,4 – 0,8 20 – 25 0,2 – 0,4 0,2 – 0,3 0,4 – 0,8 20 – 35 0,6 – 1,2 0,2 – 0,3 0,2 – 0,4 0,3 – 0,5 0,6 – 0,8 не более 0,2 Полифан МЛГ Таблица 2. Характеристика условий подготовки льняной ровницы к прядению Операция, (реагенты) Технологические режимы «контроль» «проба 1» «проба 2» кисловка (H2SO4) Т=30-35оС; =15 мин нет нет нейтрализация (NaOH) Т=30-35оС; =10 мин нет нет 1) нагрев до 98оС; 45 мин; 2) Т=98оС; =60 мин нет нет щелочная варка (NaOH+ Na2CO3) раскисловка (вода) нет биообработка (энзимные препараты) нет 1) ПАВ, Т=65-70оС;=10мин; 2-4) Т=65-70оС; =10 мин 1) нагрев до 98оС; 45 мин; пероксидная обработка 2) Т=98оС; =45 мин 1) ПАВ, Т=65-70оС;=10мин; промывка 2-4) Т=65-70оС; =10 мин антимикробная Т=50оС; =15 мин обработка (уксусная кислота) промывка Т=40-42оС; =10 мин Т=40-42оС; =10 мин 1)Т=50оС; =95 мин 1) ПАВ, Т=65-70оС;=10мин; 2-3) Т=65-70оС; =10 мин 1) нагрев до 98оС; 45 мин; 2) Т=98оС; =45 мин 1) ПАВ, Т=65-70оС;=10мин; 2-4) Т=65-70оС; =10 мин 1)Т=50оС; =95 мин; 2) Т=98оС; =20 мин 1) ПАВ, Т=65-70оС;=10мин; 2-3) Т=65-70оС; =10 мин 1) нагрев до 98оС; 45 мин; 2) Т=98оС; =45 мин 1) ПАВ, Т=65-70оС;=10мин; 2-4) Т=65-70оС; =10 мин Т=50оС; =15 мин Т=50оС; =15 мин Примечание: давление при окислительной варке Р=23,5 атм.; после антимикробной обработки образцы отправляли на мокрое прядение 368 Вводимая дополнительно операция нагрева обеспечивает интенсификацию гидролитических процессов, экстракцию воскообразных примесей и денатурацию ферментов, а также термическую активацию продуктов ферментативной деструкции полисахаридных примесей волокна для протекания редокспревращений в полимерном лигнине. Результаты анализа качественных показателей получаемых полуфабрикатов представлены в табл. 34. Таблица 3. Результаты испытаний подготовки льняной ровницы Наименование показателя Величина показателя для образцов «контроль» «проба 1» «проба 2» 38 31,3 70 18 14 15 Содержание пектиновых веществ, масс. % 0,41 0,46 0,33 Содержание гемицеллюлоз, масс. % 5,62 8,75 8,56 Содержание лигнина, масс. % 3,20 4,11 2,64 Белизна, % 49,76 38,12 56,9 Снижение разрывной нагрузки в мокром состоянии к уровню необработанной ровницы, % Потеря массы волокна, % Примечание: Содержание пектиновых, гемицеллюлозных примесей и лигнина в необработанной ровнице составляет соответственно 2,86; 14,12 и 8,05 масс. %. Основными контролируемыми технологическими показателями при подготовке ровницы являются разрывная нагрузка полуфабриката в мокром состоянии и величина потерь массы волокнистого материала. Изменение прочностных характеристик характеризует ослабление адгезионного связывания структурных элементов комплексного волокна и способность его дробиться под действием внешних усилий. В табл. 3 для наглядности приведено относительное выражение показателя, характеризующее снижение необходимого уровня нагрузки для растяжения подготовленного полуфабриката в сравнении с необработанной ровницей. Как видно, условия ферментативной обработки по режиму «проба 1» оказываются малоэффективными и качество мацерации значительно (более чем в 2 раза) повышается при переходе к режиму «проба 2». В этом случае, наряду с понижением в 1,2 раза общих потерь массы волокна в сравнении с химическим способом подготовки, обеспечивается более полное удаление пектиновых соединений. При этом, несмотря на присутствие гемицеллюлазной добавки в препарате Полифан МЛГ, содержание нейтральных полисахаридных примесей относительно их уровня после обработки по режиму «проба 1» меняется незначительно, а их общее остаточное количество в 1,5 раза выше, чем после ходового режима подготовки ровницы. Действие экзогенных гемицеллюлаз направлено, главным 369 Таблица 4 Качественные показатели пряжи при подготовке ровницы по традиционному и биохимическому режимам Величина показателя для образцов Наименование показателя «контроль» «проба 1» Номер пряжи, м/г 15,7 16,69 «проба 2» 16,9 Линейная плотность Т, Текс 60,0 63,7 56,2 Отклонения линейной плотности, % 4,1 7 1,3 Коэффициент вариации по линейной плотности СТ, % 5,4 6,5 2,8 Фактическая влажность пряжи, % 7,5 6,7 6,7 Разрывная нагрузка РР, сН 963 1046 1047 Удельная разрывная нагрузка РУ, сН/Текс 16,1 16,4 18,6 Коэффициент вариации по разрывной нагрузке Ср, % 21,1 22,6 17,6 Разрывное удлинение, мм 1,94 2,00 2,22 I среднельняный II среднельняный I высокольняный Сортность пряжи образом,на деструкцию боковых ответвлений в макромолекулах разрушаемых пектиназами полиуронидных соединений, что в совокупности обеспечивает образование на первой стадии ферментации значительного количества низкомолекулярных продуктов, обладающих редуцирующими свойствами. Возрастание восстановительной способности моносахаридов во второй фазе биомодификации волокна, связанной с повышением температуры и щелочности среды, обеспечивает протекание редокс-превращений в макромолекулах лигнина и частичную его деполимеризацию, что облегчает его окислительную деструкцию на стадии пероксидной обработки. Остаточное содержание лигнина в волокне для режима «проба 2» сокращается в 1,21 раза в сравнении с химическим способом подготовки и в 1,56 раза относительно уровня достигаемого при обработке препаратом Полифан МЛ. Более низкое содержание лигнина в контрольном образце, очевидно, связано с частичной его деструкцией и повышением растворимости образующихся продуктов в результате сульфитирования на стадии кисловки, входящей в цикл операций по ходовой технологии подготовки ровницы. В результате повышенного содержания лигнина в волокне при использовании двух первых вариантов подготовки ровницы линейная плотность получаемой пряжи существенно превышает номинальное значение, задаваемое заправочными параметрами работы прядильного оборудования (56 Текс), которое фактически достигается в технологии с применением препарата Полифан МЛГ. При этом резко уменьшается амплитуда отклонений линейной плотности биомодифициро- 370 ванной пряжи и в 2 – 2,3 раза снижается коэффициент вариации по линейной плотности СТ. Оба варианта биохимической подготовки ровницы обеспечивают повышение прочности получаемой пряжи, причем для образцов «проба 2» это сопровождается понижением линейной плотности полуфабриката. Как следствие показатель удельной разрывной нагрузки пряжи из ровницы, биомодифицированной с использованием препарата Полифан МЛГ, в 1,13-1,15 раза выше, чем для образцов сравнения. Эффективное дробление связующих веществ в структуре льняных комплексов, в том числе и лигниновых образований в одревеснелых межклетниках при реализации последнего варианта биохимической технологии, способствует повышению равномерности прочностных характеристик пряжи, и величина коэффициента вариации по разрывной нагрузке СР существенно снижается. По общей совокупности нормируемых показателей качества пряжи (РУ, СТ, СР) в соответствии с требованиями ГОСТ 10078-85 определена сортность полуфабрикатов. Как видно из данных табл. 4, при замене ходовой технологии подготовки ровницы ферментативно-пероксидной обработкой сорт получаемой пряжи предопределяется составом ферментного препарата. Применение модифицированного препарата Полифан МЛГ в отличие от его базового варианта позволяет получать пряжу более высокого сорта. Существующий режим подготовки волокна позволяет производить пряжу, квалифицируемую сортом I высокольняный, только после изменения заправочных параметров прядильной машины на выпуск полуфабриката номинальной линейной плотности 68 Текс. Не меняя общую массу получаемой пряжи, это сокращает на 21,4 % ее длину. При этом снижается цена полуфабриката. В табл. 5. приведены основные показатели для оценки экономической целесообразности перехода на ферментативно-пероксидный способ подготовки ровницы из высокозасоренных сортов льна с использованием препарата Полифан МЛГ по режиму «проба 2». При этом учитываются только экспериментально подтвержденные данные о снижении потерь массы волокна в процессе подготовки ровницы, а также об уменьшении доли пуховых отходов в процессе прядения за счет предупреждения элементаризации льняных комплексов. При этом дополнительными резервами предприятия будут являться сокращение затрат за счет исключения стадии кисловки волокна, сокращения энергозатрат на первой стадии подготовительного цикла, а также обеспечиваемое более высоким качеством пряжи снижение ее обрывности в процессах перемотки и ткачества. Объемы нарабатываемой в ходе испытаний пряжи не позволили получить достоверные статистические данные о ее перерабатываемости на подготовительном и ткацком участках. Тем не менее, результаты расчетов свидетельствуют, что биохимическая технология с использованием препарата Полифан МЛГ позволяет снизить непроизводительные потери волокна на 19,3 %. Благодаря этому существенно повышается количество вырабатываемой пряжи, что в совокупности с повышением цены на полуфабрикат более высокого номера обеспечивает не только компен- 371 Таблица 5. Экономический расчет окупаемости затрат на ферментные препараты для биохимической технологии подготовки льняной ровницы к прядению Величина показателя для технологического режима подготовки ровницы биохимический химический (Полифан МЛГ) № п/п Наименование показателя 1 расчетный объем обрабатываемой суровой ровницы, В, кг 1000 1000 2 линейная плотность суровой ровницы, ТСУР, текс 650 650 3 линейная плотность получаемой ровницы, Т, текс 533 552,5 4 коэффициент потерь волокна в виде пуховых отходов, а, % 7,5 5,3 5 количество вырабатываемой пряжи, П = (ВТ / ТСУР)(1-а*), кг 758,5 805 6 линейная плотность вырабатываемой пряжи, Т, текс 68 56 7 цена пряжи, ЦП , руб./кг 180,78 186,51 АХ = 137122 АФ = 151260 35 300 10500 стоимость вырабатываемого объема пряжи, А = П·ЦП, руб. удельный расход ферментного препарата, R, кг/т волокна 8 9 10 11 цена ферментного препарата, ЦФ, руб./кг затраты на ферментный препарат для биомодификации ровницы, ЗФ = RЦФ, руб. Экономический эффект, Э = АФ – АХ – ЗФ, руб./т волокна 2519 Примечание: а* - коэффициент потерь волокна в виде пуховых отходов выражен в долях. сацию затрат на используемый ферментный препарат, но и получение экономического эффекта в сумме более 2,5 тыс. рублей на 1 тонну перерабатываемого волокна в ценах 2005 года. Таким образом, результаты производственных испытаний подтверждают целесообразность использования нового полиферментного препарата мацерационно-делигнифицирующего действия Полифан МЛГ для подготовки льняной 372 ровницы из высокозасоренных отечественных сортов льняного волокна. Это позволяет обеспечить получение высококачественной пряжи, характеризующейся комплексным улучшением деформационных характеристик, повышающих ее дальнейшую переработку в прядильно-ткацком производстве. При этом непроизводительные потери волокнистого материала снижаются на 19 %, что обеспечивает рентабельность биохимической технологии. 373 27 марта 05 апреля АКТ производственных испытаний биохимической технологии подготовки льняной ровницы к прядению с использованием экспериментальных образцов полиферментных препаратов Сотрудниками Института химии растворов РАН в соответствии с планом НИР по теме «Разработка методов получения специализированных гидролаз для биохимического облагораживания текстильных материалов» (№ гос. регистрации 01.2.00 1 03070) осуществлена конкретизация технологических требований к специализированному ассортименту ферментных препаратов для избирательного разрушения примесей комплексного льняного волокна на последовательных этапах переработки льняных полуфабрикатов. На основании результатов фундаментальных исследований специфики разрушения полиуронидно-белковой основы клеящего вещества в отечественных сортах технического льняного волокна определены необходимые показатели активности ключевых ферментов пектолитического и протеолитического действия для эффективного разрушения крупных межклеточных образований, препятствующих его дроблению на более тонкие комплексы в процессах мокрого прядения. Эффективность введения биообработки в цикл подготовки ровницы показана в ходе испытаний, проведенных в 2004 г. Настоящие испытания проведены в октябре 2005 г. и являются третьим этапом производственной проверки экспериментальных ферментных препаратов, полученных в соответствии с критериями их подбора для реализации комбинированного ферментативно-пероксидного режима подготовки льняной ровницы к прядению. Для проведения испытаний предприятию ОАО «Вологодский текстиль» предоставлены две разновидности полиферментных композиций, включающие компоненты промышленного производства (ОАО «Сиббиофарм», г. Новосибирск) и продукты лабораторного биосинтеза недостающих ферментов. В соответствии с принятой системой обозначений экспериментальные препараты имеют рабочие наименования: - Полифан МЛ – полиферментный препарат для мацерации льняного волокна; - Полифан МДЛ – полиферментный препарат мацерирующего и делигнифицирующего действия. Обработке подвергалась ровница чесального льна №16, сформированная из смеси нескольких сортов тверского и калужского льна. Подготовка ровницы осуществлялась на аппарате марки АЛ 210/1 в полном соответствии с принятым 374 на предприятии режимом (контроль), а также по ферментативно-пероксидной технологии (проба), условия обработки описаны в табл. 1. Последующее прядение осуществлялось мокрым способом в сопоставимых условиях обработки на прядильной машине ПМ-88-Л8 для выработки пряжи с номинальной линейной плотностью 56 Текс. Таблица 1 Характеристика технологий подготовки льняной ровницы к прядению операция, (реагенты) Технологические режимы «контроль» «проба» кисловка (H2SO4) Т=30-35оС; =15 мин нет нейтрализация (NaOH) Т=30-35оС; =10 мин нет 1) нагрев до 98оС; 45 мин; 2) Т=98оС; =60 мин нет нет щелочная варка раскисловка (вода) биообработка (ферментные препараты) промывка окислительная варка промывка антимикробная обработка (уксусная кислота) нет Т=40-42оС; =10 мин 1) Т=50оС; =95 мин; 2)нагрев до 98оС; =20мин 1) ПАВ, Т=65-70оС;=10мин; 2-4) Т=65-70оС; =10 мин 1) нагрев до 98оС; 45 мин; 2) Т=98оС; =45 мин 1) ПАВ, Т=65-70оС;=10мин; 2-4) Т=65-70оС; =10 мин 1) ПАВ, Т=65-70оС;=10мин; 2-3) Т=65-70оС; =10 мин 1) нагрев до 98оС; 45 мин; 2) Т=98оС; =45 мин 1) ПАВ, Т=65-70оС;=10мин; 2-4) Т=65-70оС; =10 мин Т=50оС; =15 мин Т=50оС; =15 мин Примечание: давление при окислительной варке Р=2-3,5 атм., после антимикробной обработки образцы отправляли на мокрое прядение На испытания отбирались образцы ровницы после ферментативного воздействия и полного цикла ферментативно-пероксидной обработки. Полуцикловые характеристики механических свойств ровницы в увлажненном и высушенном состоянии определены специалистами ОАО «Вологодский текстиль» и дополнены расчетным показателем степени мацерации волокна М, определяемой из соотношения: М [( РУС РУМ ) РУС ] 100, % , а также количественной оценкой изменения содержания пектиновых, гемицеллюлозных примесей и лигнина в волокне, проведенной в ИХР РАН. Результаты сопоставления контролируемых показателей ровницы суммированы в табл. 2. Представленные результаты свидетельствуют о целесообразности одновременного контроля изменения прочностных показателей обрабатываемого полуфабриката как в мокром, так и сухом состоянии. Это обусловлено основной 375 Таблица 2 Изменение характеристик льняной ровницы при ее подготовке по химическому и биохимическому режимам Технологические режимы Показатели Разрывная нагрузка, г/Текс: в сухом состоянии, РСУ в мокром состоянии, РМУ Степень мацерации М, % Разрывная нагрузка отбеленной ровницы, г/Текс: в сухом состоянии, РСУ в мокром состоянии, РМУ Степень мацерации после беления МБ, % Потеря массы волокна, % ходовой Полифан МЛ Полифан МДЛ 3,5* 3,0* 14* 3,2 2,4 25 3,2 2,0 38 3,2 1,9 3,3 2,1 3,6 1,1 41 36 13,8 69,4 Содержание лигнина Л, % 18,3 3,03 Содержание пектина П, % Содержание гемицеллюлоз Гц, % 0,53 5,45 4,56 14,1 2,85 0,28 8,90 0,39 8,75 Примечание: Со звездочкой приведены физико-механические показатели необработанной ровницы, в которой содержание примесей составляет Л = 8,4 %, П = 2,71 %, Гц = 13,4. технологической направленностью процессов мацерации, сущность которых заключается в размягчении и разрушении связующих веществ в структуре комплексного льняного волокна. На предприятиях обычно практикуется проведение текущего контроля качества подготовки волокна только по снижению прочности ровницы в мокром состоянии, что связывают с улучшением дробимости технического льняного волокна на более тонкие комплексы, благоприятствующей получению более тонкой пряжи. Вместе с тем пряжа должна соответствовать определенному уровню прочности, что, как известно, определяется суммарной энергетикой взаимодействий между группами волокон, восстанавливающихся в текстильном материале после удаления влаги. Предварительную информацию о плотности образования межмолекулярных связей дает оценка прочности подготовленной ровницы в высушенном состоянии. Как видно из результатов анализа, чем полнее происходит удаление пектиновых и лигниновых примесей из волокнистого материала, тем ниже величина РМ и выше показатель РС. Наличие неразрушенных крупных образований соединительных тканей, препятствующих параллелизации и сближению элементарных волокон, закономерно отражается в меньшем значении показателя РС. Вместе с тем на стадии подготовки ровницы к прядению необходимо лишь частичное удаление спутников целлюлозы. Определение рационального количе- 376 ства удаляемых примесей и методов их разрушения представляет собой сложную технологическую задачу. В связи с этим для прогнозирования физикомеханических свойств получаемой льняной пряжи предлагается использовать комплексный показатель качества подготовки ровницы – степень мацерации волокна М. Этот показатель отражает относительное снижение энергетики взаимодействий между структурными элементами комплексного волокна при его увлажнении. Повышению комплексного показателя в равной мере способствуют снижение разрывной нагрузки ровницы в мокром состоянии, а также ее упрочнение после удаления влаги. При сопоставлении разных способов подготовки волокна следует руководствоваться тем, что большему приросту степени мацерации по сравнению с показателем необработанной ровницы соответствуют более благоприятные условия расщепления соединительных тканей. Справедливость последнего заключения подтверждают результаты анализа структурных и механических показателей получаемой пряжи. В табл. 3 приведены данные оценки, проведенной специалистами ОАО «Вологодский текстиль». В более широком объеме анализируемых показателей проведено сопоставление полученных образцов пряжи специалистами кафедры материаловедения и товароведения Ивановской государственной текстильной академии, результаты суммированы в табл. 4. Таблица 3 Результаты анализа свойств пряжи на ОАО «Вологодский текстиль» Показатели Линейная плотность пряжи Т, Текс Кондиционная влажность пряжи, % Коэффициент вариации по линейной плотности СТ , % Разрывная нагрузка РР , сН Коэффициент вариации по разрывной нагрузке СР, % Сортность пряжи Технологические режимы Полифан Полифан ходовой МЛ МДЛ 68,0 56,0 55,4 7,7 7,3 7,9 3,4 4,6 2,6 1410 1374 1193 18,2 19,7 14,9 1ВЛ 2ВЛ 1ВЛ Нетрудно видеть, что, несмотря на некоторые отличия в абсолютных значениях аналогичных показателей, полученных при проведении анализа пряжи на разном оборудовании, наблюдаются общие тенденции их изменения при переходе от традиционного режима химической подготовки к биохимическим вариантам с использованием сравниваемых биопрепаратов. Введение в технологический цикл энзимной обработки способствует повышению тонины получаемой пряжи: снижение линейной плотности пряжи в результате воздействия мацерирующего ферментного комплекса составило 3,6…9,9 %, а в присутствии делигнифицирующей добавки – 4,7…10,5 %. Коэффициент вариации по линейной плотности для биомодифицированного полуфабриката снижается в 1,3…2,1 раза. Эти данные согласуются с результатами анализа толщины получаемых образцов пряжи (табл. 4). При неболь- 377 Таблица 4 Результаты анализа свойств пряжи на кафедре МТ ГОУ ВПО «Ивановская государственная текстильная академия» Показатели Линейная плотность, Текс Номер Толщина, средний диаметр dCР, мм Коэффициент вариации по диаметру, % Количество дефектов в расчете на 100 м пряжи: - утолщения, превышающие 1,5dСР; - утонения, менее 0,7dСР,; Крутка пряжи, Кф Коэффициент крутки, LТ Коэффициент вариации по крутке СК, % Разрывная нагрузка Рр, сН Удельная разрывная нагрузка Ру, сН/Текс Коэффициент вариации по разрывной нагрузке СР, % Разрывное удлинение, L, мм Удельная работа разрыва, r, кгссм/г Коэффициент вариации по работе разрыва Сr, % Доля компонентов относительного удлинения при одноцикловых испытаниях, %: - быстрообратимое бо, - медленнообратимое мо, - остаточное ост Выносливость к многократному изгибу и истиранию nИ, циклы Технологические режимы ходовой Полифан Полифан МЛ МДЛ 68,9 17,0 0,31 32,5 53,6 18,8 0,30 37,0 53,3 18,7 0,29 22,4 412 433 214 283 178 95 536,8 41,2 8,5 1327 19,3 12,1 550 40,3 9,4 1108 20,7 12,5 562,4 41,1 7,2 1298 24,4 10,2 8,7 41,7 10,0 42,6 11,4 43,4 10,4 7,9 5,1 0,43 0,12 0,45 5595 0,42 0,18 0,40 6436 0,37 0,25 0,38 6897 шом снижении среднего показателя dCР наблюдается существенное улучшение равномерности геометрических параметров полуфабриката, характеризу-емой уменьшением коэффициента вариации по диаметру пряжи в 1,2…1,5 раза, а также фиксируемого количества утолщений и утонений. Причем, если после биомодификации число «узлов», превышающих 1,5dСР, снижается в 1,9…2,3 раза, то участки толщиной более 2dCР полностью отсутствуют, в то время как при химическом способе подготовки ровницы обнаружено более 70 подобных дефектов в расчете на 100 м пряжи. Причиной появления «узлов» является неравномерное расщепление крупных отложений клеящих веществ (межклетников) в структуре 378 пучков и образование толстых коротких комплексов, не поддающихся дроблению при обработке волокна на прядильном оборудовании. Замена химической обработки ферментативным воздействием предупреждает разрушение тонких срединных пластинок и нежелательную элементаризацию комплексного волокна, что обеспечивает снижение числа фиксируемых утонений пряжи в 1,5…4,6 раза. Уменьшение подобных дефектов должно повышать перерабатываемость пряжи на последующих стадиях ее перемотки и получения тканых полотен. Целенаправленное воздействие энзимов препарата Полифан МЛ на углеводнобелковые вещества межклетников и частичная деструкция лигниновых спаек между элементарными волокнами под действием препарата Полифан МДЛ обеспечивают повышение гибкости расщепленных льняных комплексов. Благодаря этому достигаются более высокая (Кф) и более равномерная (СК) крутка пряжи, а также возрастает выносливость пряжи к многократному изгибу и истиранию (nИ). Последний показатель определяли на приборе ТКИ при следующих условиях: угол прохождения нити через глазки галев ремиз 10о, длина хода 40 мм, нагрузка 15 % от разрывной, частота колебаний 600 мин1. Устойчивость пряжи при многократном изгибе проб с одновременным истиранием о контактирующую поверхность оценивали по количеству циклов до полного разрушения. Условия испытаний моделируют воздействия на пряжу при ее переработке на ткацком станке. Как видно, выносливость биомодифицированной пряжи повышается в 1,15 и в 1,23 раза соответственно при использовании препаратов Полифан МЛ и Полифан МДЛ. Полный анализ полуцикловых характеристик свидетельствует, что по удельным показателям разрывной нагрузки РУ, разрывному удлинению L, удельной работе разрыва r и коэффициентам вариации СР и Сr наблюдаются позитивные изменения качественных характеристик пряжи, получаемой из биомодифицированной ровницы. При этом практически по всем показателям преимущество имеет режим подготовки ровницы с использованием экспериментального полиферментного препарата Полифан МДЛ. Для переработки пряжи в ткацком производстве принципиальное значение имеют релаксационные свойства пряжи при воздействии многократных растягивающих усилий. В связи с этим с использованием релаксометра РМ-5 для испытуемых образцов пряжи проведено определение полной деформации и ее условных составных частей. В табл. 4 представлены итоговые результаты изменения доли компонентов относительного удлинения текстильного материала. Как видно, при подготовке ровницы с использованием препарата Полифан МЛ повышение эластических свойств пряжи (мо) обусловлено уменьшением ее склонности к пластической необратимой деформации (ост). В случае применения препарата Полифан МДЛ эластическая составляющая деформации получаемой пряжи возрастает в 2,25 раза по сравнению с ходовым образцом как за счет снижения доли пластических изменений, так и за счет уменьшения упругой релаксации (бо). Последнее, безусловно, связано с повреждением сетчатых структур лигнина, инкрустирующих клетки элементарных волокон и образующих жесткие спайки, плохо поддающиеся деформациям. В связи с этим полиферментный комплекс препарата Полифан МДЛ оказывает более универсальное действие, снижая склонность волокнистого материала к накоплению остаточной деформации пряжи при воздействии многократных растягивающих усилий на ткацком оборудо- 379 вании и вместе с тем уменьшая вероятность локальной концентрации напряжения на малодеформируемых участках, приводящей к разрушению материала. ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Показана высокая технологическая эффективность введения в технологический цикл подготовки льняной ровницы к прядению операции ферментативной обработки специализированными биопрепаратами, обеспечивающими локализованное селективное расщепление определенной части примесей в структуре комплексных льняных волокон. Для оценки качества подготовки льняной ровницы рекомендован новый комплексный показатель – степень мацерации волокна, отражающий относительное снижение прочности льняной ровницы при ее увлажнении. Показана высокая прогностическая способность нового показателя: более существенное увеличение прироста показателя для ровницы, подготовленной по определенному технологическому режиму, над его исходным значением для необработанного полуфабриката свидетельствует о более эффективном протекании процессов мацерации, способствующих улучшению дробимости технического волокна и повышению качественных показателей получаемой пряжи. На основании результатов анализа свойств текстильных материалов с широким набором методов инструментальной оценки показано, что испытуемые экспериментальные полиферментные препараты Полифан МЛ и Полифан МДЛ обеспечивают комплексное повышение технологических свойств полуфабрикатов в сравнении с ходовым режимом окислительной варки ровницы. Вместе с тем препарат Полифан МДЛ практически по всем показателям имеет преимущества перед своим аналогом, благодаря более широкому спектру действия на примеси льняного волокна. Специализированные препараты Полифан МЛ и Полифан МДЛ и технологии биохимической подготовки льняной ровницы могут быть востребованы для переработки отечественных высокозасоренных сортов льняного волокна на текстильных предприятиях. 380 «УТВЕРЖДАЮ» Зам. директора ИХР РАН по научной работе, д.х.н, проф. «УТВЕРЖДАЮ» Директор по производству ОАО «Вологодский текстиль» ___________ А.М. Колкер __________ Г.К. Бородулина «_11_»__ноября__2013 г. «_11_»_ноября__2013 г. АКТ производственных испытаний технологического режима биохимической подготовки льняной ровницы к прядению В соответствии с первоочередной задачей, поставленной специалистами ОАО «Вологодский текстиль», осуществлен поиск условий биомодификации ровницы из смески 50 % бельгийской льняной чесаной ленты и 50 % перерабатываемого на предприятии бельгийского трепаного льноволокна для получения отбеленной пряжи Т33,3Б, Т50Б, Т56Б. Для обоснования состава полиферментной композиции и условий ее применения проведена оценка содержания полимерных спутников льняной целлюлозы в структуре льняных комплексов перерабатываемого сырья путем последовательной их экстракции и дифференцированной оценки. Результаты приведены в табл. 1. Таблица 1. Содержание полимерных примесей в исследуемых образцах льняной ровницы Номер катушки 1 2 3 4 5 Массовая доля полимерного компонента, масс.% пектины лигнин Класона гемицеллюлозы 4,65 6,60 10,6 4,65 6,85 10,5 4,67 7,03 10,5 4,66 7,07 10,9 4,56 6,92 10,6 На основании количественной оценки содержания полимерных спутников целлюлозы в льноволокнистом сырье и анализа химического строения пектиновых веществ выявлены специфические особенности перерабатываемых видов льняного сырья. Установлено, что анализируемые объекты характеризуются высоким уровнем содержания лигниновых примесей (до 7,07 масс.%) при относительно низких показателях степени метоксилирования пектиновых веществ. 381 Совокупность экспериментальных данных полимерного состава анализируемых видов чесаного льняного волокна и его химических свойств использована в качестве ключевых показателей для определения предпочтительных уровней каталитической активности полиферментной композиции мацерационноделигнифицирующего действия. Проведена расчетная корректировка соотношения активностей в технологическом растворе для обработки смесовых полуфабрикатов. Обработку ровницы осуществляли на лабораторном аппарате АЛ 210/1 в объеме одной катушки на каждый режим биохимической подготовки с разрывом стадий ферментативной модификации и пероксидного беления для получения экспериментальных образцов серой и отбеленной пряжи. В ходе испытаний проведена комплексная оценка технологической эффективности ферментативного режима биоотварки ровницы №24-26, а также условий ферментативно-пероксидного получения отбеленного волокна. Результаты использования экспериментальной полиферментной композиции («проба») сопоставлены с эффективностью принятого на предприятии режима восстановительно-пероксидной обработки («контроль»). Технологические условия подготовки как по ходовому, так и по биохимическому режимам являются интеллектуальной собственностью ОАО «Вологодский текстиль. После отбора образцов для анализа качества подготовки ровницы полуфабрикат направлялся на прядение мокрым способом. Прядение осуществляли на прядильных машинах модификации ПМ-88-Л8 и ПМ-88-Л10. Специфика реализации процесса формирования пряжи на используемых видах оборудования заключаются в том, что вытяжной прибор машины с маркировкой Л10 имеет более короткую зону вытяжки и снабжен ленточным протягивающим транспортером, обеспечивающим снижение обрывности при переработке укороченных льняных комплексов. Данные изменения технологических показателей ровницы для сопоставляемых режимов подготовки приведены в табл. 2. Таблица 2 Технические результаты подготовки льняной ровницы Наименование показателя Разрывная нагрузка ровницы в мокром состоянии (до / после подготовки), РМ, Н Относительное снижение РМ, % Содержание полимеров - пектин в волокне (до / после - лигнин подготовки), масс.% - гемицеллюлозы Белизна, % Величина показателя для образцов контроль проба 17 / 9,2 18,8 / 7,6 45,9 4,65/0,65 6,60/3,27 10,6/5,2 68,4…70,3 59,6 4,67 / 0,44 7,03 / 2,03 10,4 / 7,6 68,1…69,5 382 Оценка качества подготовки волокна к дроблению по снижению показателя Р свидетельствует о двукратном улучшении прядомых свойств биомодифицированной ровницы. При этом пространственно локализованное расщепление связующих веществ при ферментативной обработке обеспечивает сокращение при сохранении 60 % технологически необходимых гемицеллюлозных соединений. Степень деструкции пектиновых веществ и их остаточное содержание, так же как и содержание лигнина соответствует оптимальному уровню извлечения полимеров для придания материалам высоких прядомых свойств. Качественные показатели опытных партий льняной пряжи, сформированной из подготовленной ровницы, сопоставлены в табл. 3. Таблица 3. Качественные показатели пряжи при подготовке ровницы по традиционному способу (контроль) и биохимической технологии (проба) М Показатели свойств пряжи Номинальная линейная плотность пряжи, Тном, Текс Модификация прядильной машины ПМ-88- . . Фактическая линейная плотность, ТФ, Текс Отклонение от Тном,% Коэффициент вариации, СТ, % Удельная разрывная нагрузка, Р0, сН/Текс Коэффициент вариации, СР,% Обрывность пряжи, обр./100 верч Сорт Величина показателя для образцов из ровницы чесаного волокна контроль проба 56 50 56 50 33,3 Л10 57,2 2,1 4,6 19,5 17,6 Л10 48,1 -3,8 3,0 18,7 19,9 Л8 7,2 2,1 2,3 19,9 14,2 Л10 51,2 2,4 2,7 19,8 15,9 Л8 34 2,1 4,0 20,2 23,1 66 68 43 44 31 1ВЛ 2ВЛ 1ВЛ 1ВЛ 2ВЛ Применяемый на предприятии режим подготовки обеспечивает достаточно высокий уровень делигнификации волокнистого материала, а подобранные условия прядения позволяют получать высококачественную пряжу 56 Текс. Качество пряжи 50 Текс балансирует между 1 и 2 сортом, так как значения показателей Р0 и СР колеблются в зоне пограничного уровня. Определенный в ходе лабораторных исследований базовый режим ферментативной модификации льняного волокна с последующим проведением стадии пероксидной отбелки по принятой на предприятии технологии обеспечил наилучшие условия подготовки волокна для получения отбеленной пряжи. Воплощенный на аппарате АЛ 210/1 вариант ферментативно-пероксидной обработки, даже при неполной реализации его делигнифицирующих возможностей, зна- 383 чительно стабилизировал качество пряжи 56 и 50 Текс и процесс ее формирования. Причем для производства пряжи 56 Текс могут использоваться машины ПМ-88-Л8. Большое значение имеет снижение в 1,5 раза обрывности на прядильных машинах. При наблюдении мест обрыва при формировании пряжи 56 и 50 Текс из биомодифицированной ровницы отмечено, что прядки не выдергиваются из первых цилиндров вытяжного прибора, что может быть связано с характерной большой длины льняных комплексов в результате отмечавшегося ранее сохранения стыковых лигниновых спаек между элементарными волокнами; предположение согласуется с тем, что: а) ленточный механизм вытяжного прибора машин ПМ-88-Л10 изначально ориентирован на переработку укороченных льняных комплексов, б) при близких заправочных параметрах машины для производства пряжи 56 Текс уменьшение параметра вытяжки (11,1 против 12,0) сокращает обрывность, в) на машине ПМ-88-Л8 с более высоким значением общей разводки цилиндров (160 против 1500 на ПМ-88-Л10) в течение 1,5 ч переработки обрывов не происходило. Наряду с этим наиболее важным преимуществом является возможность получения пряжи с линейной плотность 33,3 Текс из сырья, которое сотрудники предприятия считают малопригодным для этих целей, причем для базового режима ферментативной обработки совокупность качественных показателей квалифицирована сортом 2ВЛ лишь по показателю СР, возможность повышения которого имеется как в направлении совершенствования процесса делигнификации, так и за счет корректировки заправочных параметров прядильной машины. Преимущественной причиной снижения уровня сортности пряжи 33,3 Текс является низкая ее прочность, причем даже в тех случаях, когда достигается очень низкий уровень коэффициента вариации по линейной плотности, что свидетельствует о высокой равномерности получаемого текстильного полуфабриката. Для преодоления этого недостатка целесообразно в будущем осуществлять поиск не только в направлении интенсификации химических превращений в структуре примесей, но и в усовершенствовании механики процесса прядения и, в частности, в подборе оптималь-ных условий крутки полуфабриката ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Таким образом, на основании результатов анализа изменения содержания в волокне пектиновых веществ, лигнина и гемицеллюлозных соединений, согласующихся с данными разрывной нагрузки мокрой ровницы и до- 384 достигаемого уровня белизны материала после пероксидной обработки определены технологические режимы ферментативно-пероксидной подготовки ровницы из бельгийской чесаной ленты 24-26 для последующей экспериментальной проверки на аппарате АЛ 210/1 с получением образцов биомодифицированной пряжи. Экспериментально определены состав компонентов полиферментной композиции и параметры их активности в технологическом растворе на дистиллированной воде для обеспечения биокатализируемой деструкции пектиновых веществ и лигнина в льняном волокне до остаточного их содержания, сопоставимого с уровнем ходовых режимов подготовки ровницы для получения отбеленной пряжи Т33,3Б, Т50Б и Т56Б. Настоящий акт подписали: От ИХР РАН: Гл. научн. сотр., д.т.н. __________С.А. Кокшаров Ст. научн. сотр., к.т.н. __________С.В. Алеева Научн. сотр., к.т.н. __________О.В. Лепилова От ОАО «Вологодский текстиль» Нач. произв. лаборатории __________ Л.П. Проворова 385 АКТ производственных испытаний эффективности применения для биохимической подготовки льняных тканей нового ферментного препарата «ПОЛИФАН – Л» В условиях АО «Вологодский текстиль» проводилась оценка технологической эффективности полиферментного препарата «ПОЛИФАН – Л» для использования в качестве биокатализатора расщепления крахмальных, белковых и пектиновых примесей на первой стадии облагораживания различных льноматериалов. Разработанный в Институте химии растворов РАН препарат «ПОЛИФАН – Л» является композиционным и содержит комплекс амилолитических и протеолитических ферментов целенаправленно подобранного штамма Bac. subtilis и энзимов мацерирующего действия бактерий Bac.circulans. Преимущества биохимической технологии облагораживания тканей обусловлены селективным воздействием ферментов на примеси. Однако в настоящее время отечественной промышленностью не выпускается специализированный ассортимент биопрепаратов для текстильного производства. Необходимость его создания обусловлена технологическими задачами процессов облагораживания волокнистых материалов. Неориентированные на решение задач текстильной промышленности выпускаемые амилолитические, пектолитические препараты зачастую содержат и целлюлолитические ферменты, при длительном воздействии которых происходит деструкция целлюлозы льна и ослабление прочности ткани. В основе развиваемого нового направления биохимической подготовки тканей лежит использование нативных, неиммобилизованных ферментов в виде фильтратов культуральных жидкостей целенаправленно подбираемых бактериальных штаммов. Основным преимуществом получаемых препаратов является доминирующее содержание целевых ферментов с повышенной каталитической активностью, а также низкая себестоимость в связи с отсутствием энергоемких операций выделения и лиофильной сушки энзимов. В ИХР РАН функционирует экспериментальное оборудование по получению ферментативных фильтратов. Разработаны и апробированы режимы периодического и непрерывного культивирования различных микрорганизмов. Производительность ферментера с рабочим объемом 20 л составляет 3 л/ч. Подобное малогабаритное оборудование мо- 386 жет обеспечить получение ферментных препаратов в объемах, достаточных для практической реализации биотехнологий. Условия хранения препарата «ПОЛИФАН –Л» : температура +5…+30 0С. Период стабильности показателей активности при 200С –20 дней. Предварительные исследования выявили, что присутствие в технологической воде ионов металлов Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, Cu2+ оказывает большое влияние на активность амилолитических, пектолитических ферментов, и, следовательно, на получаемые технологические эффекты. В таблице 1 представлены показатели, характеризующие качество технологической воды. Таблица 1. Показатели качества технологической воды в отбельном цехе АО «Вологодский текстиль» Содержание Ионы Относительная металлов, мг/л Использованный метод металлов погрешность,% Текущее Норма Ca2+ и Mg2+ Титриметрический метод сЭДТА Fe3+ и Fe2+ Фотометрический метод с сульфосалицилатом натрия Фотометрический метод с купризоном Cu2+ 2-5 общее 150,0 общее 100,0 5-10 общее 1,0 общее 0,1 5-10 0,01 0,01 Качественный анализ используемой в отбельном производстве воды выявил превышение текущих показателей общей жесткости (в 1,5 раза), содержания железа (в 10 раз). Содержание меди в анализируемой воде не превышало 0,01 мг/л, что соответствует основным требованиям. Ионы Ca2+, Mg2+ оказывают стабилизирующее влияние не только на белящие перекисные составы, и на активность ферментных препаратов. Повышенное содержание железа, не оказывая отрицательного воздействия на активность ферментов, может привести к появлению ржавых пятен на материале. Таким образом, в ходе анализа технологической воды, поступающей в отбельный цех, не выявлено факторов, которые могут оказать негативное влияние на ферментативный катализ примесей целлюлозы льна. Технологические схемы традиционной и предлагаемой биохимической обработки серого льняного (арт. 584) и белого льняного полотна (арт. 590) представлены соответственно на рис.1 и рис.2. Показатели качества тканей приведены в табл. 2. Сравнительный анализ представленных в табл. 2 технологических характеристик серого и белого полотна, подготовленного по традиционной и предлагае мой биохимической технологии, подтвердил высокую эффективность использования нативных ферментов препарата «ПОЛИФАН –Л» в качестве катализаторов удаления крахмальных, белковых и пектинсодержащих примесей льна. В сравнении с расшлихтовкой тканей щавелевой кислотой в течение 2 часов при обработке ферментами уже за 40 мин. выдержки достигаются более высокие качественные показатели. Степень удаления крахмала повышается с 60 до 77..87 % для 387 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТРАДИЦИОННОЙ ПОДГОТОВКИ СЕРОГО ЛЬНЯНОГО ПОЛОТНА арт. 584 * Пропитка на МС-260-Л-1 2,5...5 г/л щавелевой к-той Т = 50...55оС Лежка в ямах = 120 мин Промывка на МС-260Л-1 горячей водой (Т = 50оС) Промывка на МС-260-Л-1 холодной водой (Т = 25...30оС) Нейтрализация на МС-260-Л-1 1 г/л соды (Т = 50оС) Промывка на МС-260Л-1 горячей водой (Т = 50оС) Промывка на МС-260-Л-1 холодной водой (Т = 25...30оС) ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ БИОХИМИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ СЕРОГО ЛЬНЯНОГО ПОЛОТНА арт. 584 * Пропитка на МС-260-Л-1 10...20 г/л ПОЛИФАНЛ Т = 50...55оС Лежка в ямах = 40 мин Кисловка на МС-260-Л-1 1 г/л щавелевой к-той (Т = 50оС) Промывка на МС-260-Л-1 холодной водой (Т = 25...30оС) Нейтрализация на МС-260-Л-1 1 г/л соды (Т = 50оС) Промывка на МС-260Л-1 горячей водой (Т = 50оС) Промывка на МС-260-Л-1 холодной водой (Т = 25...30оС) *Примечание: Сушка тканей проводилась на линии «ТЕКСТИМА» по установленному на предприятии регламенту 387 388 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТРАДИЦИОННОЙ ПОДГОТОВКИ БЕЛОГО ЛЬНЯНОГО ПОЛОТНА арт. 590 * Пропитка на МС-260-Л-1 2,5...5 г/л щавелевой к-той Т = 50...55оС Лежка в ямах = 120 мин Промывка на МС-260Л-1 горячей водой (Т = 50оС) Промывка на МС-260-Л-1 холодной водой (Т = 25...30оС) Перекисное Л беление на ЛЖО-1Л Ж 2,7...2,9 г/л Т = 95оС, О = 20...30 мин - Промывка на МС-260-Л-1 горячей водой (Т = 70...80оС) Промывка на МС-260-Л-1 горячей водой (Т = 70...80оС) ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ БИОХИМИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ БЕЛОГО ЛЬНЯНОГО ПОЛОТНА арт. 590 * Пропитка на МС-260-Л-1 10...20 г/л ПОЛИФАНЛ Т = 50...55оС Лежка в ямах = 40 мин Кисловка на МС-260-Л-1 1 г/л щавелевой к-той (Т = 50оС) Промывка на МС-260-Л-1 холодной водой (Т = 25...30оС) Перекисное Л Промывка на беление на ЛЖО-1Л Ж МС-260-Л-1 2,7...2,9 г/л горячей водой Т = 95оС, О (Т = 70...80оС) = 20...30 мин - Промывка на МС-260-Л-1 горячей водой (Т = 70...80оС) 388 *Примечание: Сушка тканей проводилась на линии «ТЕКСТИМА» по установленному на предприятии регламенту 389 Таблица 2 Качественные показатели серого льняного (арт. 584) и белого льняного полотна (арт. 590) Арт. Катализатор расшлихтовки Концен- Удаление Капилляр- Белизна, трация, крахмала, ность, мм/ч % г/л % Щавелевая к-та Разрывное удлинение, мм основа уток 2,5 60 82 - 110 91 90 13 12 10 77 88 - 125 90 89 16 11 «ПОЛИФАН –Л» 20 87 93 - 135 92 89 14 12 Щавелевая к-та 2,5 65 90 84,48 115 84 77 6 10 10 86 90 84,51 145 84 79 7 11 20 91 90 85,88 155 82 78 10 12 584 590 Жесткость Разрывная угол провиса, нагрузка, кГс град. основа уток «ПОЛИФАН –Л» Примечание: Для улучшения смачивания сурового материала ферментным препаратом «ПОЛИФАН –Л» в пропиточную ванну вводили смачиватель неионогенного типа «Феноксол АФ 9/10» в количестве 0,1 г/л. 389 390 серого полотна (арт.584), с 65 до 86…91 % для белого полотна (арт. 590). Полученные по биохимической технологии материалы характеризуются высоким уровнем капиллярности –88..93 мм/ч. Значение показателя белизны готовых тканей арт.590 составило 84,51...85,88 %. Комплексная оценка физико-механических характеристик готовых тканей показала, что замена расшлихтовки щавелевой кислотой на биообработку приводит к снижению жесткости, повышению эластичности льноматериалов. Для серого полотна арт.584 угол провиса повышется с 110 до 125…135 град. Для белого полотна арт. 590 аналогичный показатель повышается с 115 до 145…155 град. Прочностные показатели тканей, характеризующие сохранность целлюлозы льна практически не изменяются, что обусловлено отсутствием целлюлолитических ферментов в составе композиционного препарата «ПОЛИФАН –Л». При неизменной разрывной нагрузке регистрируемое значение удлинения тканей, подготовленных по биохимической технологии, несколько выше соответствующих показателей материалов, выпускаемых по традиционному регламенту. ВЫВОДЫ: Полученные результаты производственных испытаний показали, что новая технология биохимической подготовки тканей, предусматривающая замену кислотной обработки на ферментативную, при сокращении длительности воздействия с 120 до 40 мин. позволяет повысить степень расшлихтовки серого полотна в 1,3…1,45 раза, белого полотна – в 1,32…1,4 раза. Относительный показатель жесткости в сравнении с тканями, которые подготовлены по традиционному регламенту, снижается для серого полотна в 1,75…2,25 раза, для белого полотна в 2,2…2,6 раза. Обработанные по новой технологии материалы характеризуются требуемым уровнем капиллярности и белизны и, наряду с высокой сохранностью целлюлозы льна, характеризуются мягким грифом, повышенной эластичностью и гибкостью, что в целом совершенствует комплекс потребительских свойств льноматериалов. 391 Приложение 4 392 393 АКТ о создании научно-технического продукта Разработано программно-аналитическое обеспечение для корректировки рецептур ферментных препаратов и условий их применения при биохимической подготовке ровницы из смесок отечественных видов льняного волокна к прядению. Научный продукт предназначен для использования на льноперерабатывающих предприятиях текстильной промышленности с целью эффективного применения экологически ориентированной технологии получения льняной пряжи с улучшенными структурными и физико-механическими свойствами по патентам РФ №№ 2366770, 2366771 и решения важной научно-технической задачи обеспечения равномерной биомодификации материала во всем объеме смесовой ровницы из различных сортов льняного волокна. Разработка базируется на получении исходной информации о сырьевой базе текстильного предприятия с использованием методов оперативного анализа полимерного состава перерабатываемых видов волокнистого материала и ИКспектроскопического определения химического строения пектиновых веществ, о каталитических свойствах комплектующих полиферментных препаратов и получаемых на их основе технологических растворов, а также на аналитических решениях кинетической модели ферментативного расщепления полиуронидов льняного волокна с учетом степени их метоксилирования и содержания кальцийпектатной формы. Алгоритм работы представлен на рисунке. Программный комплекс позволяет в автоматизированном режиме получать обоснованные рекомендации для: оптимизации состава полиферментной композиции при переработке различных видов льняного сырья; подбора состава и соотношения смесок волокнистого сырья при получении льняной ровницы для достижения равномерного расщепления связующих веществ льняных комплексов, обеспечивающего снижение как минимум в 2 раза коэффициентов корреляции по структурным, прочностным и деформационным свойствам формируемой пряжи и, как следствие, снижение обрывности пряжи в ткацком производстве в 1,5 раза; поиска компромиссных вариантов длительности стадии ферментативной обработки при минимизации затрат на биокатализаторы. 394 Рисунок. Алгоритм процесса корректировки рецептур ферментных препаратов (ФП) и условий их применения при биохимической подготовке ровницы из смесок отечественного сырья Разработчик Е. С. Пухов Заведующий научнотехнологическим отделом, д.т.н. С.А. Кокшаров 395 ОАО «Вологодский текстиль» № 00304/03 11 ноября 2013 г. В Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук СПРАВКА Подтверждаем, что в рамках договора № 31-144/2013 от 28.06. 2013 г. проведен комплекс подготовительных мероприятий к внедрению на ОАО «Вологодский текстиль» в 2013 г. технологии биохимической подготовки льняной ровницы к прядению по патенту РФ № 2366770 Способ ферментативно-пероксидной подготовки льняной ровницы к прядению /Кокшаров С.А (RU), Алеева С.В. (RU), Чистякова Г.В. (RU), Захаров А.Г. (RU); патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов РАН (ИХР РАН). Опубл. 10.09.2009, Бюл. № 25. В соответствии с п. 5.1 договора № 31-144/2013 от 28.06. 2013 г. переход в стадию промышленной реализации технологии предполагает заключение лицензионного договора с патентообладателем. Комплекс мероприятий по аналитическому сопровождению реализуемой технологии биохимической подготовки льняной ровницы к прядению осуществляет Общество с ограниченной ответственностью «Ивановское технологическое бюро «Наука» на основании лицензионного соглашения №РД0063285 от 14.04.2010. Директор по производству ОАО «Вологодский текстиль» __________________ Бородулина Г.К. 396 Общество с ограниченной ответственностью «Ивановское технологическое бюро «Наука» ____________________________________________________________ 153002, г. Иваново, ул. 9-го Января, д. 7-а, оф. 404, Тел. +7(4932)337209, E-mail: sva@isc-ras.ru ____________________________________________________________ «_18_» _сентября_ 2013 г. № 131809 СПРАВКА В период становления своей производственной деятельности предприятие ООО «ИТБ Наука» осуществило реализацию научно-технической продукции по теме диссертации Алеевой С.В. в следующем объеме за 2011-2013 г.г. тыс. руб.: ФГБОУ ВПО «ИВГПУ» 500,0; ООО «НПЦ Велес» 2000,0; ООО «ТексПро» 173,2; ООО «Волжский текстиль» 73,8; ООО «Ивпромресурс» 45,6; ООО «Леситекс» 40,0; ООО «Агентство реконструкции и развития» 36,0; ООО «Полимертекс» 35,8; ООО «Бонус» 5,9; ИП Савосина 225,0; ИП Шаммут Ф. 88,3; ИП Комарова 82,5. Итого объем реализации НТП 2011-2013 г.г. соствил 3306,1 тыс. руб.
