효소(enzyme)가 섬유산업에 도입되기 시작한 것은 면섬유의 호발에 아밀라아제가 사용되기 시작하면서부터이다. 아밀라아제는 19세기 중반부터 전분 호제를 제거하는데 사용된 효소로서 섬유산업에서 가장 잘 알려진 효소 중하나이며이 후 셀룰라아제가 시장에 나오기까지 꽤 오랜 세월이 소요되었다. 섬유산업에의 효소의 이용은 최근 들어 급속히 증가하고 있는 추세다. 이는 차별화 제품 개발에 대한 소비자들의 요구, 유럽 선진국들의 강화된 환경규제와 눈부신 바이오테크놀로지의 발전에 기인한다.

효소란 생체세포로부터 생산되는 고분자 유기촉매인 단순단백질 또는 복합단백질로서 생체 내에서 분해, 합성, 산화, 환원 등의 화학반응을 일으키는데 이 중에서 섬유가공에 응용 가능한 효소는 주로 가수분해 효소로 전분을 분해시키는 아밀라아제, 셀룰로오스를 분해시키는 셀룰라아제, 단백질을 분해시키는 프로테아제, 지방을 분해시키는 리파아제를 비롯하여 펙틴질 분해에 관여하는 펙티나아제가 있다. 섬유산업에서 응용되는 효소 공정은 그림 1과 같이 전통적으로 사용해 온 화학 약품을 사용한 습식 공정을 대체하는 역할을 한다.

효소처리에 의한 공정의 주 장점은 상압 및 40-60℃의 저온 반응에 의한 에너지절약, 화학약품 사용의 감소 및 효소의 우수한 생분해성으로 인한 수질오염물질의 감소, 취급의 안전성에 있다. 그리고 효소작용은 연쇄식으로 이루어져 하나의 효소 분자가 수백만 분자에 촉매작용을 할 수 있으므로 소량으로 원하는 처리가 가능하다.

2.섬유가공에 사용되고 있는 효소 공정

섬유산업에서 효소 기술이 사용될 수 있는 공정은 호발, 정련, 표백 등의 섬유 전처리 공정과 염색가공 공정으로 그림 2와 같이 도식화할 수 있다.
현재 국내 염색공장에서 실용화되어 주로 사용되고 있는 효소 공정
○ 아밀라아제를 사용한 호발 공정
○ 셀룰라아제를 사용한 데님 워싱(denim-washing)
○ 셀룰라아제를 사용한 면섬유의 감량유연 가공(bio-polishing)
○ 카탈라아제를 사용한 표백 수세공정(표백 후 잔류하는 과산화수소 제거)
해외에서 실용화되었거나 국내에서 일부 시도되고 있는 최신 효소 공정 :

○ 펙티나아제를 사용한 면섬유의 정련 공정(bioscouring)
○ 라카아제를 사용한 데님 워싱
○ 프로테아제를 이용한 견의 정련 (degumming of silk)
○ 프로테아제를 이용한 모섬유의 축융방지가공
연구가 진행되고 있는 효소 공정 :
○ 에스터라제(esterase), 아미다아제(amidase), 니트릴라아제(nitrilase)를 이용한 PET, PTT, PLA, 나일론, 아크릴 등의 합성섬유 가공
○ 글루코오스 옥시다아제를 사용한 섬유의 표백
○ 퍼옥시다제를 사용한 섬유의 표백
○ 퍼옥시다제를 사용한 염색수세 공정
미고착 반응성염료를 분해하여 수세횟수를 줄이면서 견뢰도를 향상시킴
○ 퍼옥시다제를 사용한 염색폐수 처리 공정(페수내 염료 분해)
○ 펙티나아제를 사용한 마섬유의 정련 (retting of flax)
○ 프로테아제 또는 에스터라제를 이용한 DP 가공직물의 강도회복
○ 셀룰라아제를 사용한 형태안정 가공
면섬유는 구조 특성 상 건조 시 섬유가 주저앉으며 꼬임을 형성하여 수축하는 성질이 있는데 이와 같은 성질은 셀룰라아제를 이용하여 외곽에 있는 셀룰로오스 체인을 부분적으로 분해시켜 장력을 줄여줌으로서 개선이 가능하며, 형태안정성이 5-10% 증가될 수 있다고 보고됨

○ 헥소키나제(Hexokinase)를 이용한 면의 방염 처리
헥소키나제는 phosphoryl을 adenosine-5‘-triphosphate(ATP)로부터 셀룰로오즈의 6-hydroxyl 그룹으로 전이하는데 참여하는 효소로서, phosphorylation된 면섬유는 방염효과가 있음
헥소키나제(Hexokinase)를 이용한 면의 방염 처리
○ 리파아제를 이용한 모섬유 염색성의 증가
○ 라카아제를 이용한 모섬유의 염색

라카아제는 다중 이중결합의 큰 분자(염료 등)를 분해할 뿐만 아니라 작은 분자를 출발물질로 합성에도 참가하는 효소로서 고분자나 염료의 합성에 사용이 가능하여 모섬유 특히 모발의 염색에 사용 가능성이 검토되고 있다. 염색을 위한 반응물질로는 hydroquinone, catechol, dopamine, guaiacol 등의 페놀류 화합물이 사용됨

이상의 효소 공정 중 주요 공정에 대하여 개요를 알아보면 다음과 같다.

2.1 아밀라아제를 이용한 면직물의 호발 (desizing)호발은 제직 전에 경사에 가해지는
호제를 제거하기 위한 공정으로 종래에는 산화 호발제를 사용하였으나 오래 전부터 효소에 의한 호발이 행해져왔다. 호발에 사용하는 효소는 아밀라아제로서 이 효소는 면의 주성분인 셀룰로오즈에는 전혀 손상을 주지 않으며 아밀로오즈 성분인 녹말 호제만을 제거한다. 아밀라제는 불용성인 아밀로오즈의 긴 분자사슬을 수용성인 작은 분자 사슬로 가수분해하여 섬유로부터 제거한다. 아밀라아제의 활성 온도와 pH는 아밀라아제의 종류에 따라 달라서 종전의 제품은 60℃ 근처에서 활성이 있으며 호발시간도 10-15분이었으나, 근래에는 고온용 아밀라아제의 출시로 섭씨 90℃ 이상에서 짧은 시간에 효소를 사용한 호발이 가능하게 되었다. 보통 전분호제와 함께 사용되는 유제 성분인 triglycerides는 지방분해효소인 리파아제로 분해가 가능하여 효소 호발 시 아밀라아제와 리파아제를 혼합하여 사용하기도 한다.

▶다음 호에 계속

발 췌 : 한국섬유신문 2006년 8월 10일