Разработка рационального состава полиферментной композиции в технологии биоотварки хлопчатобумажных тканей

DOI:

Подготовка текстильных материалов из природных целлюлозных волокон включает комплекс операций, часть из которых носят характер чисто механического или физического воздействия на материал. К физико-химическим и химическим операциям отделочного производства относятся расшлихтовка, отварка, беление, мерсеризация (Кулигин и Евдокимова, 2012).

Известно, что удаление крахмальной шлихты с поверхности и из межволоконных пространств нитей повышают гидрофильные свойства ткани лишь на % от требуемого уровня капиллярности (Алеева, 2014). Для достижения требуемой смачиваемости и гидрофильности ткани необходимо проведение операции отварки. Процесс отварки хлопчатобумажных тканей способствует удалению природных примесей целлюлозы (воск, пектин, азотистые, зольные вещества и т. д.) и механических примесей, нанесенных в процессах прядения и ткачества (замасливатели, антистатики, шлихта и т. д.). Удаление примесей в свою очередь способствует приданию равномерной, высокой смачиваемости и сорбции (Барышева, 2006).

Ухудшение экологической обстановки заставляет задуматься об огромном количестве токсичных веществ, применяемых в отделочном производстве текстильных материалов (Рахматуллина и Панкова, 2022). На сегодняшний день современные методы получения отваренных хлопчатобумажных тканей основаны на применении экологически небезопасных химических реагентов (щелочи, кислоты, ПАВы), многозатратны и энергоёмки (Ясинская и др., 2021). Также известно, что при щелочной отварке наряду с процессом облагораживания происходит деструкция целлюлозы по глюкозидным связям, ведущая к деполимеризации цепных молекул в более короткие фрагменты (Калдыбаев и др., 2020).

Биоотварка с применением ферментов, обеспечивающего селективное воздействие на гетерополимерную волокнистую систему, может стать альтернативной подготовкой для устранения изъянов щелочного процесса целлюлозных материалов (Барышева, 2006; Топорищева и др., 2022). Выбор фермента для обработки текстильного материала определяется набором химических реакций, которые должны быть ускорены (Переволоцкая и др., 2002). Известно, что наилучшее качество подготовки целлюлозных текстильных материалов может быть получено в ходе биообработки препаратами, являющимися полиферментными. При этом главной отличительной особенностью этих препаратов является целлюлазная активность (Барышева, 2006). Ферментативные технологии, заменяющие щелочную отварку в процессах подготовки хлопчатобумажных тканей, основаны на обработке полиферментными композициями также содержащими пектиназы.

Несмотря на большой спрос на биотехнологии в текстильной промышленности, значительное количество исследований в этой области, существенного прогресса в промышленном использовании ферментных препаратов и их композиций на стадии отделки целлюлозосодержащих текстильных материалов не наблюдается. Внедрение биотехнологий в текстильное производство сдерживается вследствие необходимости сохранения высокой культуры производства, отсутствия теоретически обоснованного выбора биопрепаратов для процессов облагораживания текстильных материалов с учетом их избирательного действия на примеси различной природы.

В настоящее время в Республике Беларусь множество импортной продукции попали под санкции, что затронуло и товары текстильной химии. Кроме того, закупка дорогостоящих текстильно-вспомогательных веществ из-за рубежа предполагает увеличение производственных затрат в разы. Таким образом, для того чтобы сдержать рост себестоимости готовой отечественной продукции, актуальным является вопрос импортозаме-щения текстильной химии.

Ведущим белорусским производителем высокоэффективных ферментных препаратов является компания ООО «Фермент». Компания специализируется на выпуске ферментных препаратов для животноводства, кожевенной и меховой промышленности, пищевой промышленности, целлюлозно-бумажной промышленности. В связи с остро стоящей проблемой импортозамещения, сравнительно недавно ООО «Фермент» начало специализироваться на выпуске ферментов данного назначения. С учетом вышесказанного, актуальным является оценка возможности использования ферментных пре- паратов данного производителя в процессах заключительной отделки текстильных материалов.

Так, авторами проводились исследования по биоотварке хлопчатобумажных тканей полиферментными композициями белорусского производства, состоящими из препаратов целлюлолитического и пектолитического действия, в ходе которых наблюдались недопустимые потери прочности материалов после обработки (Ленько и Ясинская, 2022; Котко и др., 2020). Учитывая данное явление, дальнейшая работа направлена на выбор рациональной концентрации целлюлолитических и пектоли-тических ферментных препаратов, которые в большей степени влияют на структуру целлюлозного волокна. Объект и методы исследования

Проведена биоотварка предварительно расшлихтованной хлопчатобумажной ткани полотняного переплетения арт. 854 (ОАО «Барановичское производственное хлопчатобумажное объединение») по схеме, представленной на рисунке 1. Эксперимент проводился по матрице Кано с двумя повторностями серии опытов. Для определения количества опытов проводили пробную серию дублирующих опытов, производили статистическую обработку результатов эксперимента и определяли минимально необходимое количество повторов (Бойко и Кудеников, 2016). В качестве входных факторов

Смачивание с ПАВ t = 30 °C, т = 10 мин

Биоотварка: Энзитекс ЦКО Энзитекс Био-К

АУкусная кислота до pH = 4,5 t = 45-50 °C, т ~ 40 мин

Промывка

Дезактивация фермента t - 90 °C, т - 10 мин

СТромывка. ]

Рисунок 1 – Схема проведения биоотварки Figure 1 – Schematic of the bioscouring выбраны концентрации ферментных препаратов производства ООО «Фермент», обладающие целлюлазной и пектиназной активностью – Энзитекс ЦКО и Энзитекс Био-К соответственно.

Энзитекс ЦКО – кислая целлюлаза активностью 10000 ед/г (оптимальные условия действия: pH от 4,5 до 5,5, рабочая температура 40–60 оС). Энзитекс Био-К – кислая пектиназа активностью 6500 ед/г (оптимальные условия действия: pH от 3,0 до 4,5, рабочая температура 40–60 оС).

В качестве выходных параметров выбраны капиллярность, гигроскопичность и разрывная нагрузка ткани. Капиллярность и гигроскопичность ткани исследовали в соответствии с ГОСТ 3816-81 «Полотна текстильные. Методы определения гигроскопических и водоотталкивающих свойств» (с Изменениями N 1-4). Разрывную нагрузку ткани исследовали на разрывной машине РМ 3 согласно ГОСТ 6611.2-73 «Нити текстильные. Методы определения разрывной нагрузки и удлинения при разрыве» .

Интервалы и уровни варьирования входных факторов представлены в таблице 1.

В результате обработки экспериментальных данных в программе Statistica for Windows получены теоретико-экспериментальные зависимости гигиенических и физико-механических свойств хлопчатобумажных тканей после биоотварки от качественного и количественного состава полиферментной композиции. Значимость коэффициентов регрессии полученных моделей оценивали по p-level уровню, который должен принимать значения p ≤ 0,05. Только в этом случае коэффициент считается значимым. Достоверность моделей подтверждается высоким значением коэффициента детерминации.

Экспериментальные исследования и обсуждение результатов

Модель зависимости гигроскопичности от концентрации целлюлолитического и пектолитического фер- ментных препаратов (R2 = 0,99215):

.                   (1)

Модель зависимости капиллярности от концентрации целлюлолитического и пектолитического ферментных препаратов ( R² = 0,94187):

К = 166,32 + 18,67 • %! + 8,56 • Х₂ .       (2)

Модель зависимости разрывной нагрузки от концентрации целлюлолитического и пектолитического ферментных препаратов:

– по основе ( R² = 0,95606)

. (3)

– по утку ( R² = 0,97847)

.      (4)

Данные показателя гигроскопичности описываются моделью первого порядка, что указывает на отсутствие влияния концентрации фермента пектолитической активности на указанное свойство (Марущак и др., 2023). Данные коэффициента капиллярности описываются линейной зависимостью от анализируемых факторов. Экспериментальные данные по разрывной нагрузке хлопчатобумажной ткани представлены моделями второго порядка. При этом очевидно, что с увеличением концентрации двух препаратов прочность материала снижается одновременно в двух направлениях (по основе и утку).

По полученным моделям построены графические образы зависимости свойств хлопчатобумажных тканей после биоотварки от качественного и количественного состава полиферментной композиции, позволяющие выявить области рациональных решений при выборе гигиенических и физико-механических свойств (рисунки 2–4).

Анализ полученных моделей показывает, что увеличение концентрации препаратов ухудшает прочностные

Таблица 1 – Уровни и интервалы варьирования факторов Table 1 – Levels and intervals of factor variations

Факторы	Нижний уровень (-1)	Основной уровень (0)	Верхний уровень (+1)	Интервал варьирования
Концентрация Энзитекс ЦКП, г/л, Õ1	0,5	2,5	4,5	2
Концентрация Энзитекс Био-К, г/л, Õ2	0,5	2,5	4,5	2

Рисунок 2 – Графическая зависимость гигроскопичности (%) от концентрации целлюлолитического и пектолитического ферментных препаратов Figure 2 – Graphical dependence of hygroscopicity (%) on the concentration of cellulolytic and pectolytic enzyme preparations

Рисунок 3 – Графическая зависимость капиллярности (мм/час) от концентрации целлюлолитического и пектолитического ферментных препаратов

Figure 3 – Graphical dependence of capillarity (mm/hour) on the concentration of cellulolytic and pectolytic enzyme preparations

а

б (b)

Рисунок 4 – Графическая зависимость разрывной нагрузки (Н) по основе (а) и утку (б) от концентрации целлюлолитического и пектолитического ферментных препаратов Figure 4 – Graphical dependence of breaking load (N) on the warp (a) and weft (b) on the concentration of cellulolytic and pectolytic enzyme preparations свойства материала, улучшая при этом гидрофильные. Увеличение гигроскопичности и капиллярности хлопчатобумажной ткани обусловлено гидролитическим расщеплением пектиновых веществ целлюлозного волокна и самой целлюлозы (Koksharov et al., 2015). Таким образом, придание текстильному материалу высокой гидрофильности достигается за счет деструкции гидрофобных примесей (воскообразных веществ, пектина, зольных веществ), а также нарушения связей между примесями волокна и непосредственно целлюлозой (Чешкова, 2007).

На все свойства в большей степени оказывает влияние концентрация препарата, обладающего целлюлолитической активностью. На показатель гигроскопичности концентрация пектиназы не оказывает влияния вовсе. Полученные результаты позволяют предположить, что наиболее ценными ферментами для лучшей подготовки хлопковых тканей являются целлюлазы, частично разрушающие первичную стенку целлюлозных волокон (Барышева, 2006).

Разрывная нагрузка ткани в обоих направлениях уменьшается после биообработки вне зависимости от вида используемого фермента. Это происходит за счет гидролиза целлюлозы. Целлюлозные материалы являются по физической структуре аморфно-кристаллическими полимерами, у которых большей доступностью отличаются аморфные области, поэтому с них и начинается гидролиз, так как в эти структурные области в первую очередь проникают белковые молекулы фермента (Алеева и др., 2018).

Для выявления области рациональных решений необходимо установить ограничения на выходные параметры (свойства материала), которые регламентируются ГОСТ 29298-2005 «Ткани хлопчатобумажные и смешанные бытовые. Общие технические условия», а также рекомендациями производителя хлопчатобумажных постельных тканей ОАО «БПХО»:

– разрывная нагрузка по основе – не менее 294 Н;

– разрывная нагрузка по утку – не менее 196 Н;

– гигроскопичность – не менее 15 %;

– капиллярность – не менее 150 мм/60 мин.

Анализ графиков позволяет выбрать область рациональных значений концентрации ферментных препаратов в составе полиферментной композиции: концентрация Целлюлаза VI – 2,5–3 г/л, концентрация Пектиназа – 2,5–3 г/л.

Выводы

В результате обработки экспериментальных данных получены теоретико-экспериментальные зависимости эксплуатационных свойств хлопчатобумажных тканей после биоотварки от качественного и количественного состава полиферментной композиции белорусского производства. По полученным моделям построены графические образы зависимости свойств хлопчатобумажных тканей после биоотварки от качественного и количественного состава полиферментной композиции. Согласно анализу полученных моделей, установлено:

– увеличение концентрации препаратов ухудшает прочностные свойства материала, улучшая при этом гидрофильные;

– разрывная нагрузка ткани в обоих направлениях уменьшается после биообработки вне зависимости от вида используемого фермента;

– на все исследуемые свойства (капиллярность, гигроскопичность, разрывная нагрузка по основе и утку) в большей степени оказывает влияние концентрация препарата, обладающего целлюлолитической активностью.

Исходя из анализа графиков зависимости гигиенических и физико-механических свойств хлопчатобумажных тканей после биоотварки от состава полиферментной композиции определены рациональные концентрации ферментных препаратов белорусского производства: Энзитекс ЦКО – 2,5–3 г/л, Энзитекс Био-К – 2,5–3 г/л.