Đăng nhập
Tên đăng nhập:
Mật khẩu:
Đăng ký
Quên mật khẩu?
Liên kết Site

Quảng cáo Website

In bóc màu sinh học trên vải bông bằng enzym peroxidaza

Bằng cách dùng phương pháp in bóc màu bằng enzym peroxidaza, ta có thể loại trừ formaldehyt, tiết kiệm năng lượng và giảm sự giảm độ bền ngoài việc đây là phương pháp thân thiện với môi trường

Thời gian gần đây, các điều kiện môi trường và an toàn của ngành đã làm tăng tiềm năng sử dụng enzym trong gia công dệt để đảm bảo sản xuất thân thiện với môi trường. Formaldehyt sulphoxylat (NaHSO2.CH2O.2H2O) là một trong những tác nhân bóc màu mạnh; tuy nhiên nó được xem là độc và có formaldehyt là chất gây ung thư cho người gắn liền với ung thư khoang mũi và ung thư mũi hầu.

Hóa chất nguy hiểm này đã được thay thế bằng enzym peroxidaza từ cây cải ngựa thân thiện với môi trường trong in bóc màu hàng dệt. In bóc màu bằng enzym được thực hiện bằng các hệ thống enzym ô xy hóa phenol, như vậy thuốc nhuộm hoạt tính được bóc màu một cách chọn lọc ra khỏi vải bông tại các khu vực chọn lọc tạo nên bề mặt được in. Ảnh hưởng của nồng độ enzym, pH của hồ in, thời gian và nhiệt độ của quá trình xử lý bằng enzym đã được nghiên cứu. Các điều kiện tối ưu để in bóc màu enzym được thấy là pH 8, nhiệt độ 80oC và thời gian xử lý 30 phút.

In bóc màu

In bóc màu hàng dệt là phương pháp đa năng và quan trọng nhất được sử dụng để đưa thiết kế lên vải dệt. Đó là quá trình gia công đưa ý tưởng thiết kế, một hay nhiều màu và vải dệt lại cùng với nhau, bằng cách đưa các chất màu lên vải với độ chính xác nào đó.

Công nghệ sinh học đã làm gia tăng phạm vi ứng dụng của các hệ enzym trong tất cả các lĩnh vực gia công dệt. Enzym có thể được sản xuất ra theo đúng yêu cầu để thực hiện các phản ứng cụ thể, như là phân hủy, ô xy hóa và tổng hợp, cho nhiều ứng dụng khác nhau. Có sự thừa nhận tăng lên rằng enzym có thể được sử dụng trong nhiều quá trình gia công mang tính sửa chữa cho tới các mục đích cụ thể trong ngành dệt. Theo hướng này, các tiến bộ gần đây trong công nghệ sinh học đã cho phép sản xuất các enzym rẻ hơn và sẵn có thông qua các quy trình phân lập và tinh chế.

Các kiểu bóc màu cho thấy hoa văn được tạo ra bằng các phá hủy hóa học thuốc nhuộm ban đầu trong các khu vực đã in. Các tác nhân bóc màu được dùng có thể là các tác nhân ô xy hóa hoặc khử, các axit, các chất kiềm và nhiều loại muối. Nhưng các phương pháp quan trọng nhất của bóc màu được dựa trên formaldehyt sulphoxylat và Thioure dioxit.

Peroxidaza của cây cải ngựa là một protein có khối lượng phân tử khoảng 40.000, có chứa nhóm protoporphyrin IX hemegroup. Enzym này có thể xúc tác quá trình ôxy hóa nhiều chất nền bằng hydro peroxit.

Đặc tính cấu trúc của peroxidaza từ cây cải ngựa

Enzym peroxidaza từ cây cải ngựa (HRP), được tìm thấy trong cây cải ngựa, được sử dụng nhiều trong các ứng dụng sinh hóa chủ yếu vì khả năng khuyếch đại các tín hiệu yếu và làm tăng khả năng phát hiện phân tử đích.

Các enzym iso peroxidaza của cây cải ngựa là các enzym thuộc nhóm III (các peroxitdaza do cây tiết ra) của họ siêu peroxitdaza thực vật, gồm các peroxidaza của vi khuẩn, nấm và cây cối.

Hai nhóm còn lại gồm peroxidaza cytochrome c men, các peroxidaza vi khuẩn được sao chép gen và các peroxidaza ascobat (nhóm I) và các peroxidaza nấm (nhóm II).

HRP có chứa hai loại trung tâm kim loại khác nhau, sắt (III) protoporphyrin IX (thường được nói là ‘nhóm heme’) và hai nguyên tử canxi. Cả hai đều cần cho tính toàn vẹn của trúc và chức năng của enzym.

Nhóm heme được đính vào enzym tại đơn vị histidin gần đấy bởi liên kết phối trí giữa nguyên tử mạch nhánh của histidin và nguyên tử sắt heme. Vị trí phối trí trục thứ hai không bị chiếm ở trạng thái enzym không hoạt động nhưng có vị trí phối trí trục cho hydro peroxit trong khi enzym biến đổi vật liệu nền.

Cơ chế của peroxidaza của cây cải ngựa với hydro peroxit

Hydro peroxit phản ứng với peroxidaza sắt của cây cải ngựa và chuyển đổi nó thành oxyperoxidaza theo trình tự hai phản ứng. Phản ứng đầu là phản ứng của peroxidaza sắt với H2O2 để hình thành hợp chất II; phản ứng thứ hai là phản ứng của hợp chất II với H2O2 để hình thành oxydroperoxidaza.

Hầu hết các phản ứng được xúc tác bởi HRP C và các isoenzym peroxidaza khác của cây cải ngựa có thể được biểu thị bằng phương trình sau, trong đó AH2 và AH* lần lượt là chất nền khử và sản phẩm gốc tự do của nó. Các chất nền khử điển hình gồm các phenol thơm, các axit phenolic, các indole, các amin và các sulfonat.

H2O2 + 2AH2 HRP C 2H2O + 2AH*

Cơ chế xúc tác

Các đặc tính quan trọng của chu kỳ xúc tác được minh họa trong hình 1 với chất nền khử là axit ferulic. Việc tạo ra các gốc tự do trong hai bước khử một điện tử có thể dẫn đến profile phức hợp của các sản phẩm phản ứng, gồm các dimme, các trime và các oligome cao hơn, bản thân chúng có tác dụng như là chất nền khử trong các bước biến đổi vật liệu nền tiếp theo.

Bước đầu tiên trong chu kỳ xúc tác là phản ứng giữa H2O2 và trạng thái không hoạt động của Fe (III) của enzym để tạo nên hợp chất I, một chất trung gian có trạng thái ô xy hóa cao gồm một trung tâm oxyferryl Fe (IV) và porphyrin dựa trên gốc tự do cation. Trong các thuật ngữ chính thức, hợp chất I là hai đương lượng ô xy hóa ở trên trạng thái không hoạt động.

Bước khử một điện tử đầu tiên yêu cầu sự tham dự của chất nền khử và dẫn tới tạo ra hợp chất II, và các gốc oxoferryl Fe (IV) là một đương lượng ô xy hóa ở trên trạng thái nghỉ. Cả hai hợp chất I và II là các chất ô xy hóa mạnh, với các thế redox được ước tính là gần +1V. Bước khử một điện tử thứ hai biến hợp chất II trở lại trạng thái không hoạt động của enzym.

Vật liệu và phương pháp

Vật liệu

Vải bông 100% dệt vân điểm (sẵn sàng cho nhuộm) được sử dụng cho nhuộm và in bóc màu. Các tính chất của vải được đưa ra trong bảng 1.

Bảng 1 – Các tính chất của vải bông 100%

Vải

Số sợi dọc/cm

Số sợi ngang/cm

Gm/m2

Chi số sợi dọc (Ne)

Chi số sợi ngang (Ne)

100% bông

34

33

140

40

40

Thuốc nhuộm và hóa chất

Chi tiết về thuốc nhuộm và hóa chất được đưa ra trong bảng 2.

Bảng 2 – Các chức năng của thuốc nhuộm và hóa chất

Sl No.

Thuốc nhuộm và hóa chất

Chức năng

1

Reactive Black CLS (tên thương mại)

Nhuộm

2

Muối Glauber

Tác nhân tận trích

3

Natri Carbonat (Na2CO3)

Tác nhân gắn màu

4

Peroxidaza từ cây cải ngựa (Hi Media RM)

Tác nhân bóc màu

5

Natri Alginat

Chất hồ

6

Hydro Peroxit

Tác nhân ô xy hóa

7

Natri Perborat

Tiền chất H2O

Phương pháp nhuộm

Vải được nhuộm bằng thuốc nhuộm hoạt tính bằng quy trình được nhà máy nhuộm khuyến nghị. Nhuộm tận trích được thực hiện tại dung tỷ 1:30. Nhuộm vải được thực hiện tại 60oC trong 60 phút. Gắn màu được tiến hành trong 20 phút bằng cách dùng 6 tới 8 g/l Na2CO3 và 0,01 tới 0,5 g/l dung dịch xút ăn da. Các điều kiện của quá trình gia công được đưa ra trong bảng 3.

Bảng 3 – Các điều kiện của quá trình nhuộm

Tỷ lệ phần trăm thuốc nhuộm (trên khối lượng vải) %

5 tới 7

Nhiệt độ nhuộm

60oC

Muối Glauber

60 g/l

Na2CO3

20 g/l

pH

10-11

Thời gian nhuộm

60 phút

Thời gian gắn màu

20 phút

In bóc màu sinh học

Các mẫu vải bông được in bằng hồ in, dùng kỹ thuật in lưới thủ công theo đơn dưới đây (in bóc màu trắng):

Peroxidaza của cây cải ngựa: 30, 50, 70, 80, 90 g/kg

Natri Alginat: 20 g

Hyro peroxit: 20 ml.

Các mẫu vải bông đã in được để khô tại điều kiện không khí xung quanh; sau đó được để vào trong tủ sấy với các khoảng thời gian khác nhau và tại các nhiệt độ khác nhau. Cuối cùng thực hiện giặt.

Giặt

Vải đã in được rũ bằng nước lạnh tiếp theo đó là giặt có sử dụng natri perbonat tại 60oC trong 30 phút. Sau khi giặt, vải đã được ủ lại được giặt bằng chất tẩy rửa EEC (4 g/l) tại 60oC trong 30 phút. Cuối cùng các mẫu được giữ trong phòng có không khí khô.

Thử nghiệm

Đánh giá sự thay đổi màu: ISO J03: 1997

Sự sai khác màu được xác định bằng cách dùng máy quang phổ X-Rite tại khu vực nền và khu vực in tại đó các giá trị L*a*b* được phân tích trong điều kiện quan sát D65 10o (1976 CIE LAB).

Các tính chất vật lý

Các tính chất vật lý của các mẫu vải nhuộm và dụng cụ được đưa ra trong bảng 4.

Bảng 4 – Các tính chất cơ lý của các mẫu vải bông in

No.

Tính chất

Tiêu chuẩn

Thiết bị sử dụng

1

Hàm lượng formaldehyt

ISO 14184-1:1998

Quang phổ kế UV-Vis

2

Các thử nghiệm hút nước

AATCC 79:2007

Máy thử độ thấm nước

3

Độ bền màu ma sát

AATCC-08 /2005

Máy mài mòn

4

Độ bền kéo

ASTM D5034-2009

Máy thử độ bền kéo Instron

5

Độ bền mài mòn

ISO 12947-2:1999

Máy thử độ bền mài mòn Martindale

Kết quả và bàn luận

Enzym peroxidaza của cây cải ngựa đã được dùng thay cho tác nhân khử độc hại, tức là formaldehyt sulphoxylat có thể giải phóng ra formaldehyt là chất gây ung thư cho người trong nhiều điều kiện khác nhau. Hiệu quả của nồng độ enzym, pH, thời gian và nhiệt độ xử lý trên công năng bóc màu trắng đã được nghiên cứu.

Ảnh hưởng của giá trị pH lên DL*

Sự sai khác về giá trị độ trắng giữa hình in và vải xung quanh chỉ ra ảnh hưởng của việc bóc thuốc nhuộm bằng enzym peroxidaza. Các kết quả của giá trị CIE DL* được đưa ra trong bảng 5.

Bảng 5 – Giá trị DL* của các mẫu in

pH

L*

7,0

33,12

7,5

35,00

8

37,02

8,5

41,20

9

39,00

Từ bảng trên thấy được các điều sau.

Dữ liệu cho thấy rằng enzym peroxidaza và H2O2 có hoạt tính ô xy hóa tối ưu tại pH 8, tức là DL* cao. Các enzym là protein có các tính chất ion lưỡng cực. Các nhóm cho proton hoặc nhận proton tại các vị trí xúc tác enzym là ở trạng thái ion hóa cần thiết tại pH chọn lọc cho thấy hoạt tính tối ưu của enzym. Sự biến thiên của pH trong quá trình phản ứng có thể mang lại sự thay đổi của cấu trúc protein với ảnh hưởng khử hoạt tính lên enzym hoặc quá trình ion hóa của vị trí hoạt tính.

Ảnh hưởng của nồng độ enzym len giá trị DL*

Sự sai khác về độ trắng giữ hình in và vải xung quanh chỉ ra hiệu quả của bóc màu thuốc nhuộm bằng enzym peroxidaza. Các kết quả của giá trị CIE DL* được giới thiệu trong bảng 6.

Bảng 6 – Giá trị DL* của các mẫu in

Nồng độ enzym (g/kg)

Giá trị L*

60

33,2

50

34,18

70

36,99

80

41,53

90

39,16

Giá trị ΔL* tăng lên trong khi nồng độ enzym tăng lên tới 80 g nhưng dường như không đều do với mức dùng 90 g thì ΔL* giảm;

Quan sát trên chỉ ra rằng điều kiện tối ưu để bóc màu trắng, tức là ΔL*cao nhất phụ thuộc vào bản chất của thuốc nhuộm hoạt tính được dùng. ΔL* của vải in bóc màu tăng lớn nhất là khi nồng độ enzym peroxidaza trong khoảng 70 tới 80 g/kg. Sự biến thiên về lượng enzym để nhận được sai khác lớn nhất về giá trị độ trắng khi sử dụng thuốc nhuộm hoạt tính có thể là do sai khác trong cấu trúc hóa học, hoạt tính, cấu hình cấu trúc, năng lượng liên kết.

Ảnh hưởng của nhiệt độ lên giá trị ΔL*

Sai khác về giá trị độ trắng giữa hình in và vải xung quanh chỉ ra hiệu quả bóc màu thuốc nhuộm bằng enzym peroxidaza. Các kết quả giá trị CIE ΔL* được đưa ra trong Bảng 7.

Bảng 7 – Giá trị DL* của các mẫu in

Giá trị DL*

60

65,20

70

37,20

80

41,50

Có báo cáo rằng enzym có hoạt tính tối đa tại nhiệt độ cụ thể và quan sát trên chỉ ra nhiệt độ 80oC là tối ưu cho phản ứng của peroxidaz với H2O2 để tạo ra hiệu quả bóc màu tối đa trên vật liệu dệt.

Hàm lượng formaldehyt và đánh giá các tính chất vật lý khác

Các kết quả độ bền kéo, độ bền mài mòn, độ bền màu, hàm lượng formaldehyt được đưa ra trong Bảng 8.

Bảng 8 – Các tính chất cơ lý của các mẫu in bóc màu cổ truyền và bóc màu sinh học

Mẫu

Độ bền kéo (N) – Băng dọc

Độ bền kéo (N) – Băng ngang

Độ bền mài mòn (số chu kỳ)

Hàm lượng formaldehyt (ppm)

Độ bền màu

Thử nghiệm thấm nước (giây)

Mẫu in bóc mầu cổ truyền

328,0

256,0

16600

90

4

2

Mẫu in bóc mầu sinh học

348,0

276,0

18500

10

4

2

Hàm lượng formaldehyt

Các mẫu in được thử theo ISO 14184-1:1998 – Xác định formaldehyt (formaldehyt tự do và thủy phân – phương pháp chiết bằng nước). Từ đó, các tác giả quan sát thấy rằng hàm lượng formaldehyt trog vải in bóc mầu cổ truyền vượt quá giới hạn chấp nhận của tiêu chuẩn OKO-TEX 100 (tiếp xúc với da 75 ppm).

Độ bền kéo: thử nghiệm độ bền đứt của các mẫu vải bông được thực hiện cả theo hướng sợi dọc và ngang khi sử dụng máy thử độ bền kéo. Độ bền đứt của vải in bóc màu cổ truyền cho thấy giảm độ bền đứt hơi cao hơn so với vải in bóc màu sinh học theo cả hướng sợi dọc và sợi ngang.

Độ bền mài mòn: các kết quả cũng cho thấy độ bền mài mòn thấp hơn trên vải in cổ truyền. Độ bền màu và độ thấm nước của vải là như nhau cho cả hai phương pháp in.

Kết luận

Công nghệ sinh học và ứng dụng enzym là công cụ không thể thiếu được trong công nghiệp hiện đạo khi khía cạnh môi trường đóng vai trò quan trọng để làm thị trường cạnh tranh bền vững. Phương pháp đổi mới sử dụng công thức peroxidaza của cây cải ngựa và H2O2 trong in bóc màu vật liệu dệt đã thực hiện thành công. Có thể hoàn toàn tránh việc giải phóng formaldehyt trong loại hình in bóc màu sinh học này.

Các điều kiện tối ưu để dùng công thức peroxidaza là pH 8,0, 80oC và thời gian ủ 30 phút. Bằng cách dùng phương pháp in bóc màu bằng enzym peroxidaza, đã quan sát được các ưu điểm sau:

* Loại trừ formaldehyt

* Tiết kiệm năng lượng

* Giảm được độ giảm bền

* Thân thiện với môi trường

Nguyễn Hoàng Minh - Theo www.indiantextilejournal.com