Enzymatic treatment of wool with modified proteases
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| Publication Date: | 2005 |
| Language: | eng |
| Source: | Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) |
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Summary: | Tese de doutoramento em Engenharia Têxtil. |
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Enzymatic treatment of wool with modified proteases677.3677.01Tese de doutoramento em Engenharia Têxtil.The tendency of wool to felt and shrink is mainly due to its scaly structure. The chlorine-Hercosett is the most widespread process used to modify the scales of wool fibres with the purpose of providing resistance to felting and shrinkage. There have been many attempts to replace this chlorine process by an environmental friendly enzymatic process that wouid similarly degrade the scales. However, although proteases are large molecuies, their attack is not oniy Iimited to the scales; they penetrate inside the fibre causing unacceptabie weight and strength ioss. lt is believed that if the proteases are chemicaliy modified in order to increase their molecular weight, then they will act just on the surface of the fibres, thus providing wool with anti-shrinking behaviour, which is the main idea of this research. In this work the screening of the attack of the proteoiytic enzymes inside the fibre was made by means of several techniques. Among them, special attention was paid to the study of the protein adsorption inside the wool fibres. It was demonstrated that the penetration of protein (measured as the maximum adsorption capacity in g protein/g wool) was higher when the wool was previously subjected to a surfactant washing and bleaching. Furthermore, it was observed that the diffusion of the proteases into wool was dependent on their size. The free enzyme penetrated into wool fibre cortex while the modified enzyme, with a bigger size, was retained at the surface, in the cuticle layer. lt was also confirmed that the diffusion of proteases was facilitated by the hydrolytic action. Scanning electron microphotographs were also used to observe the intensity of the proteolytic attack. Some techniques of increasing the proteases molecular weight were attempted, namely the covalent crosslinking method using the bifunctional reagent glutaraldehyde. It was observed that the Iow amount of free Iysine residues available in the protease for crosslinking was affecting the process A more successful technique was attained by covalently coupling the enzyme to a soluble-insoluble polymer of high molecular weight. An enzyme conjugated to such a carrier may be used as a catalyst in its soluble form and then be recovered via the insoluble state. Moreover, this system overcomes the problem of the non accessibility of the enzyme to the macromolecular substrate, wool, whilst in the soluble state. When comparing to the native enzyme, the immobilized form presented a lower specific activity towards high molecular weight substrates but a higher thermal stability at ali temperatures tested. lt also exhibited a good storage stability and reusability, which makes this enzyme conjugate quite interesting from an industrial point of view. Wool fabrics were treated with the immobilized serine protease using harsh conditions and subjected subsequently to several machine washings, after which they presented a significant Iower weight loss than wool treated with the native enzyme, in the same conditions. Using a moderate enzymatic treatment, a reduction to about half of the initial area shrinkage was attained, both for free and immobilized enzymes. However, the immobilized Esperase presented 92% of the original tensile strength resistance while native Esperase kept only 75% of its initial resistance. The coupling of the protease to the polymer, Eudragit S-100, was optimized by using experimental design techniques. This optimization strategy allowed for an enzyme conjugate wherein the enzyme was covalently crosslinked to the polymer, with high activity yield and high operational stability at 6000. Ali these results prove that modified proteases attained by this immobilization method, using a soluble-insoluble polymer of high molecular weight, can be a promising alternative for wool bio-finishing processes at an industrial levei, since it is an effective way of removing wool scales and can be an environmental friendly option to the conventional chiorine treatments. This process needs to be further characterized for its complete understanding and optimization.A tendência da lã para feltrar e encolher é devida, principalmente, à sua estrutura em escamas. O tratamento anti-feltragem normalmente utilizado para modificar as escamas das fibras de lã utiliza cloro, pelo que, várias tentativas têm sido levadas a cabo para substituir este processo por um processo enzimático amigo do ambiente. Estes processos recorrem à utilização de proteases que, apesar do seu tamanho, atacam não só a cutícula mas também penetram rapidamente dentro da fibra, provocando perdas de peso e resistência nas fibras, inaceitáveis do ponto de vista comercial. Assim sendo, este trabalho teve como principal objectivo o desenvolvimento de técnicas que permitissem modificar as proteases, aumentando o seu peso molecular e restringindo, deste modo, o seu ataque à superfície da fibra, removendo apenas a cutícula. Várias técnicas foram utilizadas para a monitorização do ataque das enzimas proteolíticas ao interior da fibra, como por exemplo a adsorção de proteína nas fibras. Verificou-se que a penetração de proteína (medida como a máxima capacidade de adsorção em g proteina/g lã) foi superior quando a lã foi sujeita a um pré-tratamento de lavagem alcalina com surfactante e posterior branqueamento. Foi ainda constatado que a difusão das proteases na lã depende do seu tamanho. A enzima livre penetrou no córtex da fibra de lã enquanto que a enzima modificada, de maior tamanho, ficou retida à superfície, na cutícula. Foi também confirmado que a difusão das proteases no interior da fibra foi facilitada pela sua acção hidrolítica. A técnica de microscopia electrónica foi também utilizada para observar a intensidade do ataque proteolitico. Para aumentar o peso molecular das proteases foram tentadas algumas estratégias, entre as quais o método de ligação covalente ao glutaraldeldo, um reagente bifuncional. Demonstrou-se que o baixo teor em resíduos usina da protease, disponíveis para ligação, afecta o processo. Uma técnica mais eficaz foi a ligação covalente da enzima a um polímero solúvel-insolúvel de elevado peso molecular. De facto, as enzimas ligadas a este tipo de suportes podem ser utilizadas como catalisadores na sua forma solúvel sendo posteriormente recuperadas no seu estado insolúvel. Para além disso, este tipo de imobilização contorna os problemas da não acessibilidade da enzima ao seu substrato macromolecular, a lã. A enzima imobilizada, quando comparada com a enzima nativa, apresentou uma actividade específica menor para substratos de elevado peso molecular, mas uma estabilidade térmica superior, a todas as temperaturas testadas. A protease imobilizada no polímero entérico exibiu ainda uma boa estabilidade de armazenamento e boa reutilização, o que torna este conjugado enzimático muito interessante do ponto de vista industrial. Foram tratados tecidos de pura lã em condições severas com a protease imobilizada, que foram depois sujeitos a várias lavagens domésticas à máquina. Os tecidos tratados com a enzima modificada apresentaram uma menor perda de peso do que a lã tratada com a enzima nativa, nas mesmas condições. Usando um tratamento enzimático moderado, verificou-se uma redução para cerca de metade no encolhimento da lã, para ambas as enzimas. No entanto, a Esperase imobilizada conservou cerca de 92% da sua resistência à tracção enquanto a Esperase nativa apresentou apenas 75% da sua resistência original. O processo de acoplamento da protease ao polímero, Eudragit S-100, foi optimizado usando técnicas de desenho experimental. Esta estratégia de optimização permitiu obter um conjugado no qual a enzima se encontra covalentemente ligada ao polímero, com elevado rendimento em actividade e uma alta estabilidade operacional a 60°C. Os resultados obtidos mostram que as proteases modificadas pelo método de imobilização descrito neste trabalho, (usando um polimero solúvel-insolúvel de elevada massa molecular), podem ser uma alternativa promissora para os processos de bio-acabamento da lã, uma vez que, constituem um modo eficaz de remover as escamas da lã, podendo ser uma opção ambientalmente aceite para substituir os tratamentos convencionais com cloro. Este processo necessita, no entanto, de ser melhor caracterizado para a sua completa compreensão e optimização.Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT).Paulo, Artur CavacoUniversidade do MinhoSilva, Carla J. S. M.20052005-01-01T00:00:00Zdoctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1822/3378enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-05-11T04:12:03Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/3378Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T14:42:07.618623Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse |
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