Биоповреждения шерстяных волокон

Шерстью называют волосяной покров животных, который ши­роко используется в текстильной и легкой промышленности. По своему строению и химическому составу шерстяное волокно зна­чительно отличается от всех других видов волокон и характеризу­ется большим разнообразием и неоднородностью свойств. В каче­стве шерстяного сырья используют овечью шерсть, а также верб­люжью, козью и кроличью.

После тщательной очистки шерстяное волокно можно считать состоящим практически полностью из белка — кератина. В состав шерсти входят следующие элементы (в %): углерод — 50, водо­род — 6 — 7, азот — 15 — 21, кислород — 21—24, сера — 2 — 5 и другие элементы.

Химической особенностью шерсти является высокое содержа­ние различных аминокислот. Известно, что шерсть является сопо­лимером не менее 17 аминокислот, в то время как большинство синтетических волокон представляет собой сополимеры двух мо­номеров.

Различное содержание аминокислот в шерстяных волокнах обус­ловливает особенности их химических свойств. Большое значение имеет количество цистина, содержащего почти всю серу, которая оказывает большое влияние на свойства шерстяного волокна. Чем выше содержание серы в шерсти, тем лучше ее технологические свойства, более высокая устойчивость к химическим и другим воз­действиям, выше физико-механические свойства.

Слои шерстяного волокна в свою очередь также различаются между собой по содержанию серы: в корковом слое ее больше, чем в сердцевинном.

Из всех текстильных волокон шерсть имеет наиболее сложную структуру.

Волокно тонкой мериносовой шерсти состоит из двух слоев: наружного чешуйчатого или кутикулы, и внутреннего коркового слоя — кортекса. У более грубых волокон имеется третий слой — сердцевинный.

Кутикула состоит из сплющенных, находящих одна на другую клеток (чешуек), которые крепко связаны друг с другом и с нахо­дящимся внутри корковым слоем.

Кутикулярные клетки со всех сторон окружены мембраной, на­зываемой также эпикутикулой. Установлено, что эпикутикула со­ставляет около 2 % массы волокна. Ограниченные мембранами клет­ки кутикулы достаточно плотно прилегают друг к другу, но, тем не менее, между ними существует тонкая прослойка белкового меж­клеточного вещества, его масса составляет 3 — 4% массы волокна.

Корковый слой — кортекс находится под кутикулой и состав­ляет основную массу волокна, а, следовательно, определяет ос­новные физико-механические и многие другие свойства шерсти. Кортекс построен из веретенообразных клеток, плотно прижа­тых друг к другу. Между клетками также находится межклеточ­ное белковое вещество.

По данным английского исследователя Д. Лидера (J.D.Leeder) волокно шерсти можно рассматривать как собрание чешуйчатых и корковых клеток, скрепленных клеточно-мембранным комплек­сом, который таким образом образует единственную непрерыв­ную фазу в кератиновом веществе волокна. Именно этот межкле­точный цемент и может легко подвергаться химической и микро­биологической деградации.

Сердцевинный слой присутствует в волокнах более грубой шер­сти и содержание сердцевинных клеток может составлять до 15 %. Расположение и форма клеток сердцевинного слоя значительно изменяется в зависимости от типа волокна. Этот слой может быть непрерывным (проходящим по всей длине волокна), а может пре­рываться на отдельные участки. Каркас клеток сердцевинного слоя построен из белка, подобного белку микрофибрилл кортекса.

Основной химический компонент шерсти — белок кератин мо­жет являться питательной средой для развития микроорганизмов.

Белковые вещества не могут поступать непосредственно в клетки микроорганизмов, поэтому использовать белки могут только мик­робы, которые обладают протеолитическими ферментами — экзопротеазами, выделяемыми клетками в окружающую среду.

Повреждение шерсти может начинаться еще до стрижки овец, в руне, где создаются благоприятные условия питания (секреты сальных желез, воск, эпителий), температуры, аэрации, влаж­ности.

В отличие от микроорганизмов, вызывающих повреждение ра­стительных волокон, микрофлора шерсти непостоянна и пред­ставлена в основном видами, свойственными почве и разлагаю­щимся растительным остаткам.

Повреждения шерстяного волокна, начавшись в руне, могут усиливаться при его хранении переработке и транспортировке в неблагоприятных условиях.

Известно, что потери от биодеструкции шерсти (включая пря­мые потери и переработку) в британской текстильной промыш­ленности оцениваются в 8 — 10 млн. фунтов стерлингов в год.

На поверхности волокна всегда находится специфическая, свой­ственная только этому волокну микрофлора — эпифитная микро­флора. Представители этой микрофлоры выделяют протеолити-ческие ферменты (в основном пепсин), которые вызывают гид­ролитическое расщепление кератина по полипептидным связям до отдельных аминокислот.

Разрушение шерсти протекает в несколько стадий: вначале микроорганизмы разрушают чешуйчатый слой, а затем прони­кают в корковый слой волокна, хотя сам корковый слой не раз­рушается, так как питательной средой служат расположенные между клетками прослойки межклеточного вещества. В результа­те нарушается структура волокна: чешуйки и клетки больше не связаны между собой, волокно растрескивается и распадается (рис. 24).

Механизм гидролиза волокон шерсти при воздействии микро­организмов предложенный американским ученым Е. Рейсом (Е. Race), представляет цепь превращений: протеин — пептоны — полипептиды — аминокислоты — вода + аммиак + карбоновые кислоты.

Рис. 24. Микрофотографии мериносового шерстяного волокна:

1 — исходное неповрежденное волокно (х 3000); 2, 3 — бактериальные клетки на поверхности волокна (х 3000); 4 — фибриллшация волокна после воздействия микроорганизмов в течение 4-х нед. (х1000)

С поверхности шерстяных волокон были выделены наиболее активные бактерии Alkaligenes bookeri, Pseudomonas aeroginosa, Proteus vulgaris, Bacillus agri, B.mycoides, B. mesentericus, B. megatherium, B. subtilis и микроскопические грибы: Aspergillus, Alternaria, Cephalothecium, Dematium, Fusarium, Oospora, Penicillium, Trichoderma.

Преобладающую роль в разрушении шерсти, однако, играют бактерии. Грибы на шерсть действуют менее активно. Грибы, ис­пользуя жир, кожные выделения, создают условия для последую­щей жизнедеятельности бактерий-разрушителей. Роль микроско­пических грибов может сводиться также к расщеплению верхушек волокон, в результате механических усилий растущих гиф. Такое расщепление позволяет проникать во внутрь волокна бактериям. Шерсть в качестве источника углерода грибами используется слабо.

В 1960-х гг. были опубликованы исследования о влиянии нали­чия жира и грязи на поверхности шерстяных неотмытых волокон на биоповреждаемость шерсти. Выявлено, что неотмытая грязная шерсть повреждается намного быстрее, чем отмытая. Наличие жи­ровых веществ в немытой шерсти способствует развитию грибко­вой микрофлоры.

Активность микробиологических процессов, развивающихся на шерсти, зависит от механических повреждений волокна и предва­рительной обработки шерсти.

Установлено, что проникновение микроорганизмов может про­исходить через срезы волокна или через микрощели в чешуйча­том слое. Щели могут быть различного происхождения — механи­ческого, химического и т.д. Установлено также, что подвергавша­яся интенсивной механической или химической обработкам шерсть легче разрушается микроорганизмами, чем шерсть, которая не подвергалась таким обработкам.

Так, например, установлена высокая активность микроорга­низмов при отбелке шерсти перекисью водорода в присутствии щелочных агентов, а также в шерсти, мойка которой проводилась в щелочной среде. При обработке шерсти в слабокислой среде ак­тивность микроорганизмов резко подавляется. Подавление актив­ности микроорганизмов происходит также на шерсти, окрашен­ной хромовыми и металлсодержащими красителями. Средняя ак­тивность микроорганизмов наблюдается на шерсти, окрашенной кислотными красителями.

Под воздействием микроорганизмов наблюдаются структурные изменения шерсти — повреждение чешуйчатого слоя, полное его отслоение, расщепление коркового слоя.

Повреждения шерстяных волокон можно свести к нескольким обобщенным видам, обусловленным особенностями их структуры:

пятнистость и обрастание — скопление бактерий или гифов гри­бов и продуктов их жизнедеятельности на поверхности волокна;

повреждение чешуйчатого слоя, местное и распространенное;

расслоение коркового слоя до веретенообразных клеток;

распад веретенообразных клеток (см. рис. 24).

Помимо нарушения структуры волокна, некоторые бактерии и грибы снижают его качество тем, что придают шерсти синюю и зеленую грязную окраску, несмываемую водой и моющими сред­ствами. Цветные пятна, например появляются на шерсти также при воздействии бактерий Pseudomonas aeruginosa, при этом на цвет вли­яет рН среды: в слабощелочной среде появлялись пятна зеленого цвета; а в слабокислой — красного. Зеленый цвет пятен на шерсти может быть обусловлен также развитием грибов Dermatophilus congolensis. Черный цвет шерсти придают грибы Pyronellaea glomerata.

Таким образом, повреждение шерсти приводит к снижению ее прочности, увеличению количества отходов при гребнечесании, а также в приобретении нежелательной синей, зеленой или гряз­ной окраски и появлению гнилостного запаха.

Однако процесс разрушения шерсти под влиянием микроор­ганизмов протекает медленнее, чем подобные разрушения расти­тельных волокон.