Enzymatic treatment of polyamide 6.6 fibres

Abstract

The controlled hydrolysis of polyamide fibres surfaces leads to the formation of amino and carboxylic end groups. The presence of these groups improves hydrophilicity and creates further starting points for covalent bonding of certain compounds. The coupling of flame retardants, proteins and other compounds bring extra added value to polyamide fibres. Chemical hydrolysis, tradicionally used to modify the surface of these fibres, is an “all-or-nothing” event leading always to yellowing and loss of fibres resistance. Given that enzymes are large globular proteins, their catalytic action remains at the surface of the fibres, therefore preserving their intrinsic structure. This dissertation successfully presents the use of enzymes to functionalise the surface of polyamide 6.6 fibres. The ability of a cutinase from Fusarium solani pisi and a protease, a Subtilisin from Bacillus sp. to hydrolyse polyamide 6.6 fibres was evaluated. Different methodologies were developed in order to monitor the formation of the products resulting from enzymatic hydrolysis. The first one is based on the reaction of the compound 2,4,6-trinitrobenzenesulfonic acid (TNBS) with the amino groups released to the bath treatment and the other one is based on the reaction of a specific wool reactive dye with the terminal amino groups at the surface of the treated fabrics. In this work it was proved that the enzymatic hydrolysis with cutinase or protease leads only to surface modifications, being the reaction selective. Studies were performed in order to reduce the treatment time and increase enzyme adsorption, hence increasing hydrolysis efficiency towards polyamide 6.6 fibres, by incubating polyamide 6.6 fabrics with cutinase in the presence of organic solvents. The organic solvents used were benzyl alcohol (BA) and dimethylacetamide (DMA), which are commonly used in polyamide processing as dyeing assistants. The stability of cutinase in the presence of these solvents was evaluated. It was observed that cutinase activity is preserved for several hours in the presence of low amounts of organic solvents (half-life time of 26 hours for 1.5% of benzyl alcohol and half-life time of 14 hours for 1.5% benzyl alcohol+10% dimethylacetamide). In the presence of these organic solvents, the polyamide structure became more suitable to be modified by enzymatic action. The results obtained confirmed an increase of terminal amino groups at the surface of the fabrics incubated with cutinase in the presence of the referred organic solvents. Cutinase was presented as a versatile enzyme with unusual stereolytic activity towards polyamide substrates however turnover rates were very low. The analysis of the 3D structure of cutinase from Fusarium solani pisi, (PDB code 1CEX), showed that the external, but closed active site, was hindering the access to the fibre substrate. In order to overcome this difficulty, the genetic modification of native cutinase was performed. The site-directed mutagenesis was performed by changing specific amino acid residues around the active site by alanine (L81A, N84A, L182A, V184A and L189A) and five mutations were obtained. All mutations were done to create more space in order to fit the large inaccessible polymer in the active site of the cutinase. Molecular modelling studies were performed by docking the synthetic model substrate of polyamide 6.6 at the cutinase active site. These studies predicted that L182A mutation provided the best stabilization of polyamide model substrate which support the experimental results obtained (+19% of amines in the bath solution treatment; 25% of protein adsorption). Cutinase and protease were not designed by nature to interact with synthetic substrates like polyamide 6.6, therefore the accessibility of these enzymes to the fibre surface as well as their adsorption can be restricted by the compacted structure of polyamide fibres. As other authors have reported, the process of enzyme adsorption is of major importance to the enzymatic hydrolysis of synthetic fibres. Different studies have revealed that the adsorption of proteins follows different steps and that mechanical agitation plays an important role in all of them. In order to study the synergism among mechanical agitation, enzyme adsorption and enzyme activity, studies were performed using different levels of mechanical agitation. The results obtained revealed that the surface functionalisation of polyamide fibres with cutinases or protease should be performed using low levels of mechanical agitation for short periods of time (4 hours using a vertical agitation – Rotawash MKIII machine, in absence of discs). A practical application was found for the functionalised surfaces obtained. The amine-enriched surfaces obtained by enzymatic action of a protease from Bacillus sp. were used to immobilise an enzyme (a laccase from Trametes hirsuta). An immobilisation procedure was developed to immobilise laccase onto woven polyamide 6.6 supports using glutaraldeyde as the crosslinking agent with the inclusion of a spacer (1,6-hexanediamine) in some cases. A 24 full factorial design was applied to study the influence of pH, spacer, enzyme and crosslinker concentration on the efficiency of immobilisation. The factors enzyme dosage and spacer have played a critical role in the immobilisation process. Under optimised working conditions (29 UmL-1 of laccase, 10% of glutaraldehyde, pH=5.5, with the presence of the spacer), the half-life time attained was about 78 h (18% higher than that of free enzyme), the protein retention was about 34% and the immobilisation yield was 2%. Laccase immobilisation onto polyamide 6.6 matrices can be a promising system for bioremediation of contaminated soils, wastewater treatment, wine and other beverage stabilisation, and even biosensor applications. The results obtained reveal that cutinase and protease are able to modify the surface of polyamide 6.6 fibres and that these enzymes can be used in different steps of fibre processing. Higher added value products can be obtained by polyamide 6.6 functionalisation with enzymes, however the process of enzymatic hydrolysis needs to be characterized in more detail in order to be applied into an industrial process.

A hidrólise controlada da superfície das fibras de poliamida conduz à formação de grupos terminais amina e carboxílicos. A presença destes grupos melhora a hidrofilidade das fibras e cria possíveis locais para a ligação de certos compostos. A ligação de agentes retardadores da chama, de proteínas e outros compostos conduz à obtenção de fibras com maior valor acrescentado. No entanto, a hidrólise química tradicionalmente usada para modificar a superfície destas fibras, é um mecanismo “tudo-ou-nada” que provoca o amarelecimento e perda de resistência das fibras. Dado que as enzimas são proteínas globulares grandes, a sua acção catalítica reduz-se somente à superfície das fibras, preservando assim a sua estrutura. Esta dissertação apresenta com sucesso o uso de enzimas na funcionalização da superfície de fibras de poliamida 6.6. Foi testada a capacidade de uma cutinase, do fungo Fusarium solani pisi, e de uma protease, da bactéria Bacillus sp., para hidrolisar as fibras de poliamida 6.6. Foram desenvolvidas diferentes metodologias para monitorizar a formação dos produtos resultantes da hidrólise enzimática. Uma delas é baseada na reacção do composto 2,4,6 - ácido trinitrobenzenosulfónico (TNBS) com os grupos amina libertados para o banho de tratamento. A outra baseia-se na reacção de um corante reactivo específico para a lã com os grupos amina terminais que permanecem na superfície dos tecidos tratados após hidrólise. Neste trabalho, foi provado que a hidrólise enzimática com a cutinase ou com a protease, conduz apenas a uma modificação superficial, sendo a reacção selectiva. Foram efectuados estudos para reduzir o tempo de tratamento e aumentar a adsorção da enzima, aumentando assim a eficiência hidrolítica sobre as fibras de poliamida 6.6. Para isso, os tecidos de poliamide 6.6 foram incubados com cutinase na presença de solventes orgânicos. Os solventes orgânicos usados foram o álcool benzílico e a dimetilacetamida, os quais são geralmente usados no processamento da poliamida como auxiliares no seu tingimento. Foi também avaliada a estabilidade da cutinase na presença destes solventes. Constatou-se que a actividade da cutinase é preservada durante algumas horas na presença de baixas concentrações de solventes orgânicos (tempo de meia-vida de 26 horas para 1.5% álcool benzílico e tempo de meia-vida de 14 horas para 1.5% álcool benzílico + 10% dimetilacetamida). Na presença destes solventes, a estrutura da poliamida torna-se mais apta a ser modificada por acção enzimática. Os resultados confirmam um aumento de grupos terminais à superfície da fibra nos tecidos incubados com cutinase na presença dos referidos solventes. A cutinase foi assim apresentada como uma enzima versátil com invulgar actividade esteriolítica sobre substratos de poliamida, no entanto os níveis de modificação obtidos foram muito baixos. A análise da estrutura tridimensional da cutinase do fungo Fusarium solani pisi (PDB code 1CEX), mostrava que o centro activo externo, mas fechado, da enzima impedia o acesso ao substrato. De modo a ultrapassar esta dificuldade, foi efectuada a modificação genética da cutinase nativa. A técnica de mutagénese dirigida foi usada para efectuar modificações na enzima, substituindo aminoácidos específicos perto do centro activo por alanina, obtendo-se cinco mutações (L81A, N84A, L182A, V184A e L189A). Todas as mutações foram feitas de modo a criar mais espaço no centro activo onde o substrato polimérico pudesse encaixar. Os estudos de modelação molecular foram efectuados incorporando o substrato modelo de poliamida 6.6 no centro activo da enzima. Estes estudos mostraram que a mutação L182A apresentou os melhores resultados de estabilização do substrato modelo, os quais são suportados pelos resultados experimentais obtidos (+19% aminas na solução do banho de tratamento; 25% de adsorção de proteína) A cutinase e a protease não foram “desenhadas” pela natureza para interagir com substratos sintéticos como a poliamida 6.6, pelo que a sua acessibilidade à superfície das fibras assim como a sua adsorção pode ser restringida pela estrutura compacta das fibras de poliamida. Como referido por outros autores, o processo de adsorção enzimática é de extrema importância na hidrólise de fibras sintéticas. Diferentes estudos revelaram que a adsorção de proteínas segue diferentes passos e que a agitação mecânica tem um papel importante em todo o processo. De modo a estudar o sinergismo entre a agitação mecânica, adsorção de enzima e actividade enzimática, foram realizados estudos usando diferentes níveis de agitação mecânica. Os resultados revelaram que a funcionalização da superfície das fibras de poliamida com cutinases ou com a protease deve ser efectuada usando níveis baixos de agitação mecânica durante curtos períodos de tempo (4 horas usando agitação vertical – Rotawash MKIII, sem discos). Foi posteriormente encontrada uma aplicação prática para os tecidos previamente funcionalizados. As superfícies dos tecidos ricas em grupos amina, obtidas por acção enzimática de uma protease do Bacillus sp., foram usadas para imobilizar uma enzima (lacase de Trametes hirsuta). Foi desenvolvido um procedimento para a imobilização da lacase nos suportes de poliamida 6.6 usando o glutaraldeído como agente bifuncional, incluindo a 1,6-hexanodiamina em alguns casos, de forma a aumentar a distância entre a matriz e a enzima. Neste estudo foi usado o design factorial (24) para estudar a influência do pH, da 1,6-hexanodiamina, da concentração de enzima e de glutaraldeído, na eficiência da imobilização. A dosagem de enzima e a presença de 1,6-hexanodiamina tiveram um papel determinante no processo de imobilização. Em condições the trabalho optimizadas (29 UmL-1 de lacase; 10% de glutaraldeído, pH=5.5, na presença de 1,6-hexanodiamina), o tempo de meia-vida obtido foi de cerca de 78 h (18% mais elevado do que o obtido para a enzima livre), a retenção de proteína foi de cerca de 34% e o rendimento de imobilização foi de 2%. A imobilização da lacase em matrizes de poliamida 6.6 pode ser um sistema promissor na bioremediação de solos contaminados, no tratamento de águas residuais, na estabilização de vinhos e outra bebidas e até mesmo na aplicação de biosensores. Os resultados obtidos demonstram que a cutinase e a protease são enzimas capazes de modificar a superfície de fibras de poliamida 6.6 e podem ser usadas em diferentes etapas do processamento da fibra. Através da funcionalização da poliamida 6.6 com enzimas podem ser obtidos produtos de maior valor acrescentado, no entanto o processo de hidrólise enzimática necessita de ser mais detalhadamente caracterizado de forma a poder ser aplicado num processo industrial.