بررسی تأثیر عملیات بیولوژیکی به وسیله آنزیم پروتئاز بر خواص فیزیکی و مکانیکی نخ پشمی

در میان تمامی مواد شیمیائی که در فرایندهای مرطوب نساجی استفاده می شوند آنزیم ها از جایگاه ویژه ای برخوردارند تکنولوژی استفاده ازا ین مواد یکی از شاخه های بیوتکنولوژی بوده و منجر به صرفه جوئی در انرژی و مواد شیمیائی می گردد و چون یک تجزیه گر بیولوژیکی می باشند هیچ گونه تأثیر مخرب بر روی محیط زیست ندارند

● مقدمه

در میان تمامی مواد شیمیائی که در فرایندهای مرطوب نساجی استفاده می‌شوند. آنزیم‌ها از جایگاه ویژه‌ای برخوردارند. تکنولوژی استفاده ازا ین مواد یکی از شاخه‌های بیوتکنولوژی بوده و منجر به صرفه‌جوئی در انرژی و مواد شیمیائی می‌گردد و چون یک تجزیه‌گر بیولوژیکی می‌باشند هیچ‌گونه تأثیر مخرب بر روی محیط زیست ندارند. کاتالیزورهای زیستی با داشتن قابلیت‌هائی هم‌چون خصوصیت کاتالیزوری، دامنه وسیع کاربرد، گزینشی بودن (۱) و مؤثر بودن (۲) می‌توانند در صنایع و فرایندهای مختلفی به کار روند.

پشم یک لیف طبیعی پروتئینی می‌باشد که از زنجیره‌های پلی پپتاید تشکیل شده است و معمولاً آنزیم‌های تکمیلی پشم پروتئازها می‌باشند این آنزیم‌ها باعث شکسته شدن باندهای پپتیدی در مولکول‌های پروتئین می‌شوند.

درمورد کالاهای پشمی آنزیم‌های پروتئاز در ایجاد نرمی زیر دست، از بین بردن پرزهای سطحی پارچه‌ و کاهش گلوله‌ای شدن سطح و جلادهی به آن و برطرف کردن فلس‌ها و کاهش تمایل به نمدی شدن و آب رفتگی و افزایش لطافت و صافی سطح و بهبود ویژگی‌های رنگرزی از قبیل افزایش میزان جذب رنگ و ثبات شستشوئی در این کالاها استفاده می‌شوند.

بایستی توجه داشت که این اصلاحات و تکمیل‌ها در مقایسه با روش‌های مرسوم آنها بدون داشتن تنزل در خصوصیات الیاف و آلودگی‌های زیست محیطی انجام می‌پذیرند. زمان زیاد عملیات آنزیمی باعث شدیدتر شدن تجزیه آنزیمی می‌شود و افزایش این زمان، کاهش شدید استحکام پارچه را در پی دارد و بایستی با کنترل یک زمان بهینه از این عمل جلوگیری شود.

تصاویر الیاف پشم مورد عملیات قرار گرفته با دو آنزیم مختلف در شکل ۲ نشان داده شده است. می‌توان دید که آنزیم A فقط در غلظت بالا الیاف را تحت تأثیر قرار داده است و می‌توان در شکل (C-۲) دید که لبه‌های بیشتر فلس‌ها در غلظت‌های بالای این آنزیم کنده شده است.

می‌توان دید که آنزیم B شکل (d-۲) حتی در غلظت‌های پائین فلس‌ها، پوسته پوسته شده است. تأثیر مشخص بر روی ساختار فلس‌ها و یا بر روی کورتکس الیاف پشمی در غلظت‌های بالاتر این آنزیم به خوبی مشهود است. شکل (e,f - ۲)

آنزیم پروتئاز در ابتدا از طریق مجاری تحتانی (۳) فلس‌های کوتیکول نفوذ کرده و به مجموعه‌ سلول‌های غشائی CMC حمله می‌کند و می‌تواند آنها را هیدرولیز کرده و به آنها آسیب برساند مگر این‌که عملیات به‌طور کاملاً کنترلی انجام گیرد. به هر حال باید گفت که عملیات آنزیمی تأثیر یکنواختی بر روی الیاف ندارد. در نتیجه عدم کنترل بر روی عملیات آنزیمی، آسیب‌های غیرقابل بازگشتی (۴) به الیاف وارد می‌سازد. بنابراین فرایندهای آنزیمی بایستی به‌طور دقیق مورد کنترل قرار گیرند.

● آزمایشات

برای بررسی تأثیر عملیات آنزیمی بر خواص فیزیکی و مکانیکی نخ پشمی یک‌سری از آزمایشات شامل عملیات آنزیمی و تست‌های فیزیکی و مکانیکی شامل اندازه‌گیری‌های میزان کاهش وزن و کاهش میانگین استحکام و ازدیاد طول تا حد پارگی برای نمونه‌ها انجام گرفت.

در انجام آزمایشات برای کاستن اندازه نمونه‌ها، جلوگیری از تکرار بیش از اندازه و ایجاد شرایط تصادفی، همراه با حذف خطاهای ایجاد شده به واسطه انتخاب نادرست اندازه نمونه، نیاز به یک طرح آماری داریم. طرح آزمایش برای این پروژه به وسیله نرم افزار Design Expert گرفته شده است که متغیرهای ورودی ما در این طرح آزمایش غلظت آنزیم، دما و زمان علمیات و متغیر گسسته سولفات سدیم می‌باشد. این نرم افزار یک طرح آماری با ۴۰ آزمایش را پیشنهاد کرده است. که این آزمایشات تحت شرایط مختلف از قبیل، غلظت‌های مختلف از آنزیم اسپراز، دما و زمان‌های متفاوت عملیات آنزیمی و وجود و یا عدم وجود سولفات سدیم در حمام عملیات آنزیمی پیشنهاد شده است. طرح آزمایش اولیه گرفته شده با این نرم افزار را می‌توان در جدول (۱) مشاهده کرد.

● مواد و وسائل مورد

نخ صد در صد پشمی فاستونی نمره ۴۲ متریک دولا تولید کارخانه وطن اصفهان، آنزیم Esperase۸.۰L که نوعی از آنزیم پروتئاز قلیائی و ساخت شرکت نووزیمز می‌باشد، سولفات سدیم (M=۱۴۲/۰۴, ۹۹% Na۲So۴) به میزان ۵/۱ درصد نسبت به وزن کالا، ۵/۱ گرم بر لیتر تری اتانول آمین (۵) برای ایجاد محیط بافر مورد نیاز فعالیت آنزیم اسپراز در عملیات آنزیمی TEA,M=۱۴۹/۱۹ g/mol, Merk) C۶H۱۵No۳) شوینده نانیونیک آلاپول ۸۰۰ ـ N بر پایه آلکیل آریل پلی گلایکول اتر و آلکانول آمیدهای اسیدهای چرب، به میزان ۱درصد، جهت اندازه‌گیری استحکام و ازدیاد طول نمونه‌ها از دستگاه‌ استحکام‌سنج اینسترون و هم‌چنین جهت انجام عملیات آنزیمی از دستگاه نمونه رنگ‌کنی در شرکت وطن اصفهان استفاده شده است. در این آزمایشات جهت اندازه‌گیری وزن نمونه‌ها قبل و بعد از عملیات آنزیمی از ترازوی دیجیتال با دقت ۰۰۰۱/۰ گرم (Satorius - ۳۲۰) استفاده شده است.

پس از این‌که نمونه‌های ۳ گرمی از نخ پشمی فاستونی آماده شد، نمونه‌ها را برای برطرف شدن کثیفی احتمالی بر روی آنها در دمای ۵۰ درجه به مدت ۱۰ دقیقه شستشو می‌دهیم و پس از آبکشی در آون در دمای ۷۰ درجه قرار می‌دهیم تا نمونه‌ها به آرامی خشک شوند.

● عملیات بیولوژیکی بر روی پشم

حمام‌های آنزیمی بر طبق طرح آزمایش گرفته شده و شامل درصدهای مختلف از آنزیم نسبت به وزن کالا تهیه می‌شوند. L:R در این حمام‌ها یکسان و ۲۰:۱ است. ماده تری اتانول آمین به میزان ۵/۱ گرم بر لیتر حجم حمام (owb) (۶) استفاده می‌گردد. که این ماده برای ایجاد pH= ۸/۵-۹ می‌باشد که محدوده pH بهینه آنزیم اسپراز می‌باشد و در این محدوده pH این آنزیم بیشترین اثرگذاری را داراست. در ادامه شوینده نانیونیک آلاپول ۸۰۰ ـ N برای افزایش نفوذ و تأثیرگذاری بهتر عملیات آنزیمی به کار می‌رود. سولفات سدیم در این تحقیق به منظور بررسی و تأثیر آن در کمک کردن به عملیات آنزیمی به کار می‌رود که طبق طرح آزمایش گرفته شده به میزان ۵/۱ درصد نسبت به وزن کالا (owf) (۷) استفاده می‌شود.

برای برطرف کردن خطای ناشی از روش و شرایط محیطی ۴۰ آزمایش را به‌طور مجزا در دستگاه نمونه رنگ‌کنی انجام می‌دهیم. لازم به ذکر است که دما در طی مدت زمان انجام عملیات آنزیمی برای هر نمونه، بایستی به‌طور دقیق کنترل شود تا تغییرات دمائی حداقل باشد.

پس از انجام عملیات آنزیمی بایستی آنزیم‌ها غیرفعال گردند تا از بروز خسارت به کالا جلوگیری به عمل آید. به این منظور کالا در دمای ۸۰ درجه سانتیگراد بری مدت زمان ۱۰ دقیقه عمل می‌شود. پس از عملیات خنثی‌سازی آنزیمی نمونه‌ها را با آب مورد شستشو قرار گرفت و به مدت یک ساعت در آون با دمای ۷۰ درجه سانتیگراد قرار گرفت تا نمونه‌ها به آرامی خشک شده و پس از آن در دمای محیط به تعادل رسیدند.

● اندازه‌گیری تغییرات فیزیکی و مکانیکی حاصل از عملیات آنزیمی بر روی نخ پشمی

همان‌گونه که می‌دانیم با انجام عملیات آنزیمی بر روی کالای پشمی، خصوصیات فیزیکی و مکانیکی لیف تغییر می‌کند. این تغییرات می‌تواند در کاهش وزن نمونه‌ها، کاهش استحکام و کاهش ازدیاد طول نمونه‌ها نمایان شود.

درصد کاهش وزن نمونه‌ها پس از عملیات آنزیمی بر روی آنها با در نظر گرفتن وزن اولیه هر نمونه نخ پشمی قبل از عملیات آنزیمی و وزن به تعادل رسیده نمونه عمل شده با روش آنزیمی طبق رابطه (۱) برای هر نمونه محاسبه می‌شود.

رابطه (۱) محاسبه درصد کاهش وزن نمونه‌ها، W۰ وزن قبل از عملیات، W۱ وزن بعد از عملیات آنزیمی

WeightLoss= (W۰ - W۱)/W۰ * ۱۰۰

هر نمونه نخ پشمی پس از انجام عملیات آنزیمی بر روی آن و به تعادل رسیدن با محیط پس از دو روز برای هر نمونه با ۷ مرتبه تکرار مورد تست استحکام و ازدیاد طول قرار می‌گیرد و میانگین این تست‌ها را با میانگین استحکام و ازدیاد طول گرفته شده در ۴۰ تست برای همان نخ پشمی خام مورد مقایسه قرار می‌دهیم. طرز کار به این شکل می‌باشد که ۵۰ سانتی‌متر از نخ را بین دو فک این دستگاه قرار داده و میزان استحکام نمونه را بر حسب سانتی نیوتن و ازدیاد طول آن را برحسب درصد به ما می‌دهد که این تست ۷ مرتبه برای هر نمونه تکرار می‌شود و میانگین مقادیر استحکام و ازدیاد طول هر نمونه را می‌توانیم به‌دست آوریم. مقادیر درصد کاهش میانگین استحکام و ازدیاد طول نمونه‌های عمل شده با روش آنزیمی در مقایسه با میانگین استحکام و ازدیاد طول نمونه خام طبق روابط زیر به‌دست آمده است.

رابطه (۲) محاسبه درصد کاهش میانگین استحکام نمونه‌ها پس از عملیات آنزیمی، S۰ میانگین استحکام نمونه خام، S۱ میانگین استحکام نمونه عمل شده با آنزیم

درصد کاهش میانگین استحکام = S۰ - S۱)/ S۰ * ۱۰۰)

رابطه (۳) محاسبه درصد کاهش میانگین ازدیاد طول نمونه‌ها پس از عملیات آنزیمی، E۰ میانگین ازدیاد طول نمونه خام، E۱ میانگین ازدیاد طول نمونه عمل شده با آنزیم

درصد کاهش میانگین ازدیاد طول تا پارگی = E۰ - E۱)/E۰* ۱۰۰)

نتایج کلی این محاسبات به همراه داده‌های به‌دست آمده از اندازه‌گیری‌های درصد کاهش وزن، درصد کاهش استحکام و درصد کاهش ازدیاد طول در جدول ۱ آورده شده است.

● تجزیه و تحلیل نتایج آزمایشات

پس از انجام آزمایشات بر طبق طرح آزمایش و به‌دست آمدن داده‌های حاصل از آنها به تحلیل نتایج می‌پردازیم. برای این کار باید برای هر متغیر پاسخ از قبیل درصد کاهش استحکام و ازدیاد طول و درصد کاهش وزن یک معادله به‌دست آوریم که این معادله پیشنهادی بتواند با درصد زیاد منطبق بر داده‌های به‌دست آمده از آنها باشد. لذا بایستی تأثیرات متقابل متغیرها را نیز لحاظ ک نیم و یک مدل مطلوب به‌دست آوریم.

در ادامه با استفاده از معادلات ذکر شده، یک میزان بهینه از شرایط عملیات آنزیمی را به‌دست می‌آوریم که این مقادیر شرایط بهینه می‌تواند به ما بیشترین میزان برداشت لایه کوتیکول را همراه با کمترین خسارت به کالا از لحاظ کاهش وزن و کاهش استحکام و ازدیاد طول، می‌دهد.

الف) تجزیه و تحلیل داده‌های حاصل از اندازه‌گیری درصد کاهش وزن نمونه‌ها پس از عملیات آنزیمی

انجام عملیات آنزیمی باعث کاهش وزن در کالا می‌شود و این به خاطر برداشت لایه سطحی و تخریب احتمالی لیف است. این کاهش وزن به شکل درصد بیان می‌شود.

در ابتدا باید دید درصد کاهش وزن ایجاد شده از چه معادله‌ای تبعیت می‌کند. با استفاده از تحلیل آنالیز واریانس ANOVA بهترین نوع مدل برای تحلیل این داده‌ها مدل چند جمله‌ای مرتبه دوم (۸) شامل اثرات خطی، اثرات مرتبه دوم و اثرات متقابل، پیشنهاد شده است.

پس از مشخص شدن نوع مدل مطلوب برای داده‌های مربوط به درصد کاهش وزن با استفاده از تحلیل ANOVA فرض معنی‌دار بودن اثر متغیرها (غلظت آنزیم، دما و زمان انجام عملیات و وجود و عدم وجود سولفات سدیم در عملیات) و هم‌چنین اثرات متقابل آنها را بررسی می‌کنیم. این آزمون در جدول (۲) آورده شده است.

همان‌گونه که در این تحلیل دیده می‌شود اگر برای بررسی اثر متغیرها p-value از ۵/۰ کمتر باشد آن جمله در مدل معنی‌دار و اثرگذار می‌باشد.

میانگین استحکام نمونه‌های عمل شده در عملیات آنزیمی، نسبت به میانگین استحکام نمونه شاهد کاهش یافته است که این نیز به واسطه عمل آنزیم مورد نظر در برداشت لایه سطحی کوتیکول و در ادامه تخریب احتمالی شدید لایه درونی کورتکس می‌باشد و باعث می‌شود تا استحکام لیف را کم کند. عدم کنترل این فاکتور می‌تواند خسارات غیرقابل جبرانی را به الیاف و در نتیجه کالای نهائی ایجاد نماید. این کاهش استحکام را نسبت به میانگین استحکام نمونه‌ها براساس درصد کاهش میانگین استحکام بیان می‌کنیم. با استفاده از آنالیز آماری دیده می‌شود که مدل مطلوب برای داده‌های حاصله از اندازه‌گیری‌های میانگین استحکام نمونه‌ها، مدل خطی (۹) می‌باشد.

با استفاده از تحلیل ANOVA فرض معنی‌دار بودن اثر متغیرها (غلظت آنزیم، دما و زمان انجام عملیات و وجود و عدم وجود سولفات سدیم در عملیات) را بررسی می‌کنیم جدول (۳).

ج) تحلیل داده‌های حاصل از اندازه‌گیری درصد کاهش میانگین ازدیاد تا حد پارگی نمونه‌ها پس از عملیات آنزیمی

با استفاده از آنالیز واریانس بهترین نوع مدل پیشنهادی برای داده‌های درصد کاهش میانگین ازدیاد طول نمونه‌ها، مدل خطی می‌باشد. پس از این‌که نوع مدل برای این تغییرات را به‌دست آوردیم بایستی ضرایب معادله پیشنهادی را پیدا کنیم که برای این کار در ابتدا باید میزان تأثیرگذاری هر یک از متغیرهای اولیه ورودی شامل غلظت آنزیم در عملیات، دما و زمان عملیات و تأثیر وجود و یا عدم وجود ماده سولفات سدیم را در عملیات آنزیمی پیدا کنیم که برای این کار از تحلیل ANOVA استفاده می‌کنیم.

در جدول ۴ دیده می‌شود که عامل فرض تأثیرگذاری غلظت، درجه حرارت و وجود سولفات سدیم بر کاهش میانگین ازدیاد طول در این سطح اطمینان معنی‌دار بوده و بیشتر از اثر زمان عملیات آنزیمی بر آن می‌باشد. روابط زیر معادلات خطی به‌دست آمده برای محاسبه درصد کاهش میانگین ازدیاد طول نمونه‌ها با استفاده از مقادیر متغیرهای اولیه را نشان می‌دهند.

● نتیجه‌گیری

با استفاده از تکمیل آنزیمی کالای پشمی به وسیله آنزیم‌های خانواده پروتئاز هم‌چون اسپراز می‌توان خصوصیات مختلفی را برای آن ایجاد کرد که به این تکمیل‌ها به‌طور اجمالی در مقدمه اشاره شد. در اثر استفاده از این آنزیم‌ها، خواص فیزیکی و مکانیکی کالاهای پشمی کاهش می‌یابد. این اثرات بر روی درصد کاهش وزن، درصد کاهش میانگین استحکام و درصد کاهش میانگین ازدیاد طول تا پارگی برای نمونه‌ها، پس از انجام عملیات آنزیمی نسبت به نمونه‌های خام، بررسی می‌شود.

لایه بیرونی یا کوتیکول پشم تقریباً ۱۰% از وزن کل پشم را تشکیل می‌دهد و شامل میزان زیادی از پروتئین‌های کراتین می‌باشد که در مقابل تجزیه و تخریب بسیار پایدار می‌باشد. همان‌طور که گفتیم با برطرف شدن این لایه، به وسیله عملیات آنزیمی انتظار کاهش وزن را در این الیاف داریم و این درصد کاهش وزن می‌تواند معیاری برای میزان اثرگذاری آنزیم باشد. به‌طوری که می‌توان این‌چنین گفت که کاهش وزن زیاد برای الیاف پشمی، پس از عملیات آنزیمی ناشی از عدم کنترل فرآیند آنزیمی و احتمالاً تخریب لایه زیرین کوتیکول و اثرگذاری بیش از حد آنزیم بر روی الیاف است.

با مشاهده کاهش وزن و کاهش استحکام نمونه‌ها پس از عملیات آنزیمی می‌توان پی به اثر تخریبی آنزیمی پروتئازی اسپراز بر روی الیاف پشمی برد. دیدیم که مقدار ازدیاد طول تا پارگی برای نمونه‌های عمل شده با عملیات آنزیمی نسبت به نمونه خام، کم شده است که بخشی از این کاهش می‌تواند ناشی از تخریب زنجیره‌های طولی و بخشی نیز ناشی از تخریب زنجیره‌های عرضی و کروس لینک باشد.

پس از این‌که تأثیرات عملیات آنزیمی بر روی خصوصیات مورد نظر از قبیل درصد کاهش میانگین استحکام، درصد کاهش میانگین ازدیاد طول و درصد کاهش وزن مورد بررسی آماری قرار گرفت و معادلات مربوطه برای هر یک از این تغییرات به‌دست آمد، لازم است تا یک میزان بهینه از شرایط اولیه عملیاتی را پیدا کنیم. در این شرایط بهینه علاوه بر این‌که میزان برداشت لایه کوتیکول سطحی باید زیاد باشد خسارت وارد بر خواص فیزیکی و مکانیکی کالا نیز باید تا حد ممکن کم باشد.

می‌توان این‌چنین گفت که برداشت لایه سطحی پس از عملیات آنزیمی حتماً خسارت به این خصوصیات را در پی داشته است و اگر شدت عملیات زیاد بوده و یا عملیات آنزیمی کنترل شده نباشد این خسارت بیش از اندازه در کاربرد نهائی کالا ما را با مشکل مواجه می‌سازد. البته تا یک رنج خاصی از این خسارات با توجه به خواص تکمیلی که این عملیات به ما می‌دهد، قابل قبول می‌باشد. ۱۴ حالت بهینه از شرایط عملیات آنزیمی را می‌توان در جدول (۵) مشاهده کنیم.

جدول (۵) صفحهٔ ۶۱

در مورد شرایط بهینه می‌توان گفت عملیات کاملاً کنترلی بوده و خسارات در حدی است که با توجه به خصوصیاتی که به این کالاها می‌بخشد، قابل قبول است و کاهش وزنی در حدود (۴ـ۳)% داشته‌ایم و کاهش استحکام برای این شرایط (۲۰ـ۱۸)% و کاهش ازدیاد طول برای نمونه‌ها (۲۰ـ۱۳)% بوده است.

در این جدول دیده می‌شود که برای حالات ۱۴ـ۸ که از سولفات سدیم در عملیات آنزیمی استفاده کرده‌ایم کاهش شدید برای میانگین ازدیاد طول تا پارگی را نسبت به حالاتی که در آنها از سولفات سدیم استفاده نشده، داشته‌ایم. همان‌طور که در تحلیل واریانس داده‌های درصد کاهش میانگین ازدیاد طول تا پارگی جدول (۴) دیدیم در سطح اطمینان ۹۵ درصد، فرض اثرگذاری عامل سولفات سدیم بر درصد کاهش میانگین ازدیاد طول تا پارگی، معنی‌دار شده است. می‌توان این‌چنین استدلال کرد که ماده سولفات سدیم بر روی پیوندهای دی سولفیدی در پشم اثر می‌گذارد و آنها را تخریب می‌کند.

همان‌طور که می‌دانیم پیوندهای دی سولفیدی از جمله پیوندهای عرضی مهم در پشم بوده و یک عامل مهم در تعیین ازدیاد طول تا حد پارگی برای این لیف می‌باشد. با تخریب این پیوندها زنجیره‌های طولی راحت‌تر بر روی هم سر خورده و پارگی در لیف نهائی زودتر پدید می‌آید. البته باید به این عامل اثر تخریبی آنزیم را نیز اضافه کنیم.

تهیه و تنظیم: مهندس یاسر عسگری، کارشناس ارشد مهندسی نساجی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد یزد

دکتر محمد اسماعیل یزدانشناس، دکتر محمد میرجلیلی، مهندس رامین عبقری ـ استادیار و عضو هیئت علمی دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد یزد

زیرنویس‌ها

۱) Selectively

۲) Efficiently

۳) Channelling beneath

۴) Unacceptable degradation

۵) Tri ethanol amine TEA

۶) (On The Wight of Bath (owb

۷) (On The Weight of Fiber (owf

۸) Quadratic

۹) Linear