Биоразрушение волокон шерсти под действием ферментного комплекса Bacillus licheniformis

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биоразрушение волокон шерсти под действием ферментного комплекса Bacillus licheniformis

В последнее время достигнуты успехи в получении комплексных ферментных препаратов с помощью культур бактерий Bacillus licheniformis [1-2]. Эти препараты характеризуются высокой активностью, повышенными термо- и рН-стабильностью и перспективны для развития экологически чистых процессов переработки и утилизации шерсти. В комплекс ферментов, продуцируемых штаммами бактерий B.licheniformis, входят ферменты активные по отношению к белкам: кератиназа и протеаза. Как известно, шерсть устойчива к большинству протеолитических ферментов [3]. Известно, что кератиназы мицелиальных грибов относятся к агрессивным метаболитам - деструкторам шерсти, однако устойчивость шерсти к действию бактериальных кератиназ изучена мало [4].

Цель данной работы состояла в оценке деструктивной активности комплексного ферментного препарата B.licheniformis по отношению к шерстяному волокну.

Материалы и методы исследования

Объектами исследования являлись волокна полугрубой овечьей шерсти, предварительно промытые с мылом и кальцинированной содой, средний диаметр волокон составлял 70 мкм, длина - 280 мм (рисунок 1).

В качестве ферментного препарата была выбрана протеазный препарат B.licheniformis ?181-1003, полученный в результате проведения ферментации бактериального штамма-продуцента B.licheniformis-60.4 в 10-л ферментере с последующим лиофильным высушиванием культуральной жидкости. Характеристики ферментного препарата приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристика ферментного препарата B.licheniformis ?182-1003

Условия обработки. Обработка проводилась при комнатной температуре Т=20±2С и постоянном значении рН = 8, создаваемого смесью 0,5М трисбуфера и HCl, при котором наблюдается максимум активности ферментного препарата; варьировалось время выдержки волокна в растворе и концентрация ферментного препарата. Для исследований было выбрано два значения концентрации: 0,5 и 1,0г/л. Концентрация первой робы Сф=0,5г/л выбрана с учетом рекомендаций производителя на основании критерия экономической эффективности. Концентрация второй пробы Сф=1,0г/л предполагала усиление и ускорение деструктирующего эффекта, так как задачей наших исследований являлось установление механизма действия фермента на шерстяное волокно. Объем жидкости в каждом из стаканов был равен 50 мл, а масса навески шерстяного волокна 2 г. Таким образом, в первом случае процентное отношение фермента к субстрату составляло 1,25%, а во втором - 2,5%. Учитывая, что протеазная активность ферментного препарата в условиях эксперимента равна 180 ед/г, то при концентрации 0,5 г/л количество протеолитических единиц фермента на грамм субстрата составило 2,2 ед, а при концентрации 1,0 г/л - 4,4 ед. Продолжительность обработки определялась временем необходимым для максимально возможного разрушения волокон.

Для оценки деструктивной активности ферментного препарата была разработана механическая методика испытания одиночных волокон шерсти, которая позволяет не только оценивать изменение механических характеристик, но также дает возможность судить и о структурных процессах, происходящие в шерстяном волокне под действием ферментного препарата. Испытания проводили в режиме активного нагружения с записью диаграммы растяжения на универсальной установке INSTRON 1122. Скорости при растяжении была равной 50 мм/мин.

Также проводился статистический учет длин волокон в пучке после выдержки в растворе ферментативного препарата. Распределение длин волокон рассчитывалось путем измерения не менее 200 волокон в каждой из исследуемых проб.

Через заданное количество времени после начала обработки проводили оценку деструктирующего действия ферментного препарата на шерстяное волокно: оценивали длину волокон в пучке и изменение механических свойств по диаграмме растяжения одиночного шерстяного волокна.

Результаты и их обсуждение

Первые заметные деструкционные явления волокон шерсти наблюдали спустя 6 суток после начала обработки. Однако разрушение волокон наблюдалось только для второй пробы, где доза ферментного препарата составляла 4,4 ед. протеазной активности на грамм субстрата. В указанной пробе, после воздействия ферментным препаратом, произошел распад волокон на участки длинной от 1 до 15 см, распределение длин волокон в пучке представлялось следующим образом: одна часть волокон в пробе преимущественно имела длину 2-3 см, другая 7-9 см (рисунок 2). Спустя такое же количество времени, для пробы с концентрацией ферментного препарата 2,2 ед. протеазной активности на грамм субстрата, никаких заметных изменений выявлено не было.

На 13-е сутки после начала ферментной обработки произошел распад волокон в первой пробе; средняя длина волокон в пучке составляла 2,0 см (рисунок 3, 4б). Волокна шерсти во второй пробе подверглись еще большей деструкции, а средняя длина волокон в пучке достигла 1,0 см (рисунок 3, 4в).

Максимальное время выдержки проб в растворе ферментного препарата B. licheniformis составило 40 суток, в результате чего средняя длина волокон шерсти в пучке уменьшилась до 0,5 см (рисунок3, 4г).

Так как под действием ферментного препарата с течением времени произошло разрушение волокон шерсти, то для испытания механических свойств в режиме активного нагружения использовали отдельные участки деструктировавших волокон.

Диаграммы растяжения волокон шерсти после обработки ферментным препаратом концентрацией Сф= 1,0 г/л в течение 1,2,3,6 и 13 суток, а также контрольных образцов представлены на рисунке 5. Так как для первой и второй пробы диаграммы растяжения после обработки идентичны, здесь приводятся только результаты исследований для волокон во второй пробе.

Как разрывные значения, так и форма кривых растяжения волокон шерсти после обработки практически не изменились. Разрывные значения волокон, прошедших ферментативную обработку в течение 1-13 суток входят, в область допустимой погрешности для необработанного шерстяного волокна и лежат в пределах: 235МПа?ур?270МПа - для разрывных напряжений, и 47%?ер?53% - для разрывных удлинений. В тоже время на диаграмме сохраняются три характерные области деформирования: зона «гуковой» деформации (0%<ер?4%), «текучести» (4%<ер?28%) и «после текучести» (ер>28%), описанные ранее [5-6]. Из диаграмм изменения тангенциального (текущего) модуля жесткости, полученных дифференцированием кривых растяжения волокон шерсти (рисунок 6), также видно, что под действием обработок модуль жесткости не изменился ни в одной из указанных областей деформирования.

Ожидаемым результатом могло бы быть изменение характеристик механических свойств в зоне «после текучести»: падение модуля жесткости в указанной области или сокращение ее протяженности. В соответствии с работами [7,8], под действием микроорганизмов (продуцентов ферментов), а также ферментных растворов, в первую очередь разрушаются аминокислоты, содержащие в своем составе дисульфидные связи, которые, на основании структурных моделей [5,9-10], отвечают за механическую жесткость именно в зоне «после текучести». Однако, заметных изменений характеристик механических свойств ни в одной из областей деформирования выявлено не было.

Объяснение этому может заключаться в том, что ферментный препарат приводит к образованию локальных дефектов на наиболее «слабых участках» волокна, но не затрагивает всей его структуры в целом. Под «слабыми участками» могут пониматься области с уже нарушенной структурой кутикулы или кортекса. С течением времени под действием данного препарата, как это было установлено ранее [11], происходит постепенное разрушение чешуйчатого слоя и образование новых «слабых участков», что и приводит к постоянному сокращению средней длины волокон в пучке. Мгновенного проникновения ферментного препарата глубоко в структуру шерстяного волокна не происходит. Тем не менее, делать выводы о том, что структура осталась не затронутой только по диаграммам растяжения нельзя. Шерстяное волокно имеет сложную многокомпонентную структуру, и можно предположить, что те структурные элементы, которые могли бы быть затронуты в результате ферментативного воздействия, не вносят большого вклада в процесс деформирования при растяжении. К таким элементам в первую очередь может относиться гидрофильная матрица, насыщенная дисульфидными связями, влияние которой на механические свойства шерстяного волокна до сих пор дискутируется в литературе [5].

По данным исследования механических свойств и сравнения длины волокон шерсти установлено, что продолжительность обработки в растворе ферментного комплекса бактерий B.licheniformis [1-2] менее 6 суток не вызывает изменения механических свойств шерстяного волокна или сокращения длины волокон в пучке. Однако дальнейшее увеличение продолжительности обработки приводит к распаду волокон с образованием в конечном итоге частиц длинной менее 1 см. Особенность действия данного ферментного комплекса на шерстяное волокно заключается в том, что разрушение происходит за счет накопления локальных дефектов на наиболее «слабых участках» шерстяного волокна, между которыми сохраняются прочностные и эластические свойства.

Список использованных источников

bacillus licheniformis ферментный шерстяной

1. Патент РФ №2177994, C12N1/20, Штамм бактерий Bacillus licheniformis - продуцент кератиназы/ Цурикова Н.В, Нефедова Л.И., Окунев О.Н., Синицын А.П., Черноглазов В.М., Опубл.10.10.2002, Дата подачи заявки 17.01.2000.

2. Патент РФ №2177995 Штамм бактерий C12N1/20, Bacillus licheniformis - продуцент комплекса термостабильных амилолитических и протеолитических ферментов/ Цурикова Н.В, Нефедова Л.И., Окунев О.Н., Синицын А.П., Черноглазов В.М., Опубл. 10.01.2002, Дата подачи заявки 05.02.1998 г.

3. Грачева И.М., Кривова А.Ю. // Технология ферментных препаратов, М., 2000 г., 512 с.

4. Ильичев В.Д., Бочаров Б.В., Анисимов А.А. и др. // Биоповреждения, М. 1987,352 с.

5. Hearle, J.W. //Int. J. of Biological Macromolecules, 2000, V.27, p. 123.

6. Дарвиш Д.М., Аксакал Б., Фошкина С., Цобкалло Е.С. // Сборник научных трудов «Физико-химия полимеров», Тверь, 2007, с. 83-87

7. Пехташева Е.Л., Неверов А.Н., Синицын Н.М. // «Экологические проблемы биодеградации промышленных, строительных материалов и отходов производства», Пенза, 2000 г.

8. Wojciechowska E., Rom M., Wlochowicz A., Wysocki M., Weselucha-Birczynska A. // Journal of Molecular structure, v. 704, 2004, p. 315-321

9. Worthmann, F.-J., Zahn, H. // Textile Research Journal, 1994, V.64 (12): p. 737.

10. W.G. Crewther // Text. Res. Journal 42, 77-85 (1972).

11. Д.М. Дарвиш, И.И. Шамолина, Е.С. Цобкалло, А.П. Синицын // Сборник материалов международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (ПРОГРЕСС 2007), часть I, Иваново, 2007 г., с. 177-178

Размещено на Allbest.ru