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.
138
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.
139
На поверхности волокна всегда находится специфическая, свойственная только этому волокну микрофлора - эпифитная микрофлора. Представители этой микрофлоры выделяют протеолитические 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 (× 3000); 2,
3 - бактериальные клетки на поверхности волокна (× 3000);
4 - фибриллизация волокна после воздействия микроорганизмов в течение 4-х нед. (× 1000)
140
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;
141
- 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.
142
