漆酶/TBHP催化黃麻接枝丙烯酰胺的研究

周帥紅， 王 強， 范雪榮， 張 亞， 袁久剛， 王 平， 崔 莉

(江南大學生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

麻纖維與乙烯類單體接枝共聚，可提高其染色性、皺折回復性、耐磨性和防污性等[1]。傳統(tǒng)的接枝方法有射線輻射接枝法、光引發(fā)接枝法、低溫等離子引發(fā)接枝法和溶液自由基接枝法[2-3]。輻射接枝法的操作工藝簡單，不需引發(fā)劑，可以得到較純凈的接枝共聚物，但輻射接枝法射線的穿透力強，會損傷基材性能。A.M.EL-Naggar等[4]發(fā)現(xiàn)無論是在何種輻射氣氛下進行處理，劍麻纖維的韌性都變差。光引發(fā)接枝聚合中，麻織物經(jīng)過紫外光照射后，其斷裂強力、斷裂伸長率均降低。低溫等離子接枝法是一種新型的接枝方法，但目前仍處于實驗室研究階段。溶液自由基法是目前運用最廣泛，工藝最成熟的接枝方法，郭雅琳[5]利用硝酸鈰銨引發(fā)丙烯腈與亞麻纖維接枝共聚反應，能獲得具有較高接枝率的產(chǎn)物，但是反應中容易生成均聚物，導致接枝效率較低。隨著生物技術的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)越來越多的酶可以作為催化劑用于接枝反應。由于生物酶的環(huán)保性、專一性和高效性等優(yōu)點，使得生物接枝法作為一個新的研究熱點，被世界各國的研究人員所關注[6-8]。

漆酶是一種多酚氧化酶，能夠催化酚類物質(zhì)產(chǎn)生酚氧自由基，從而引發(fā)乙烯基類單體進行接枝共聚[9]。木質(zhì)素是由4種醇單體(對香豆醇、松柏醇、5-羥基松柏醇和芥子醇)形成的一種復雜酚類化合物[10]。但有研究表明，木質(zhì)素在漆酶催化作用下產(chǎn)生的酚氧自由基不能直接與乙烯基類單體接枝共聚，而只有在小分子介質(zhì)如叔丁基過氧化氫(TBHP)存在時才能實現(xiàn)木質(zhì)素與丙烯酰胺(AM)單體的接枝共聚[11]。C.Mai[11]等發(fā)現(xiàn)TBHP介質(zhì)作用機理如下：漆酶引發(fā)木質(zhì)素形成的酚氧自由基傳遞一個電子給TBHP，使之生成過氧自由基，同時酚氧自由基變成苯酚。隨后過氧自由基引發(fā)丙烯酰胺單體生成“活性”聚丙烯酰胺鏈，最后“活性”聚丙烯酰胺鏈與酚氧自由基結合形成共價鍵。

麻纖維富含木質(zhì)素，基于上述原理可以利用漆酶/TBHP體系催化麻纖維表面的木質(zhì)素引發(fā)乙烯基類單體(乙烯類單體是指含有乙烯基(CH2=CH-)的單體，如丙烯酰胺，丙烯酸，丙烯酸酯等)進行接枝聚合，實現(xiàn)對麻纖維的功能化改性。

本文以木質(zhì)素含量較高的黃麻織物(經(jīng)測試該黃麻織物中木質(zhì)素的含量為16.5%～17.0%)為原料，在TBHP存在下，利用漆酶催化麻纖維表面木質(zhì)素氧化生成的酚氧自由基進行丙烯酰胺接枝改性。利用紅外光譜(FT-IR)和掃描電鏡(SEM)對接枝產(chǎn)物進行了表征，并考察了反應溫度，pH值，單體用量以及漆酶濃度對接枝參數(shù)的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

黃麻織物(7S/4×7S/4，常熟市奧村龍?zhí)┛椩煊邢薰?；叔丁基過氧化氫(TBHP)、丙酮、硫酸、鹽酸、硫酸銅、硫酸鉀、溴甲酚綠、甲基紅等均為分析純；丙烯酰胺(AM)，化學純；漆酶Denilite IIS(經(jīng)ABTS法[12]測試酶活為60 U/g)，工業(yè)品，諾維信生物技術有限公司。

Nexus470傅里葉變換紅外光譜儀(美國Thermo Nicolet公司)，L-20A-10型水浴恒溫振蕩器(廈門瑞比精密機械有限公司)，AL-204分析天平(瑞士Mettler-Toledo公司)，PHS-2C型酸度計(上海偉業(yè)儀器廠)，101A-1B型電熱鼓風干燥箱(上海安亭科技儀器有限公司)，SU1510型掃描電鏡(日本日立公司)，SH220型石墨硝解儀和K9840型凱氏定氮儀(濟南海能儀器有限公司)。

1.2 黃麻織物退漿處理

將黃麻織物置于沸水中煮沸2 h進行退漿處理，經(jīng)碘-碘化鉀測試已無殘留淀粉或PVA漿料，水洗，烘干備用。

1.3 黃麻織物接枝丙烯酰胺工藝

將一定量經(jīng)過退漿處理的黃麻織物放入錐形瓶，加入一定pH值的檸檬酸緩沖溶液，浴比1∶30，先后加入 TBHP、漆酶和丙烯酰胺，將其移至一定溫度的恒溫振蕩水浴中反應24 h。反應結束后取出黃麻，用去離子水洗凈并烘干，再用丙酮抽提12 h，充分去除黃麻織物上的均聚物和未反應單體，再經(jīng)去離子水洗凈，低溫烘干，獲得接枝共聚產(chǎn)物。

1.4 接枝黃麻織物含氮量測定及接枝率、接枝效率的計算

黃麻纖維中有微量的含氮物質(zhì)(纖維素共生物)，丙烯酰胺的含氮量為19.7%，因此，黃麻織物接枝丙烯酰胺后含氮量會顯著提高。本文按照GB/T5009.5-2003規(guī)定的方法，利用微量凱氏定氮法測定黃麻-丙烯酰胺接枝共聚物的含氮量，并計算接枝AM支鏈的質(zhì)量。黃麻接枝丙烯酰胺的接枝率(GP)是指接枝共聚物中接枝支鏈質(zhì)量占初始黃麻的質(zhì)量百分比，接枝效率(GE)是指接枝共聚物中接枝支鏈質(zhì)量占初始投入的丙烯酰胺單體質(zhì)量的百分比，計算公式分別如下：

(1)

M1=X×0.0710/0.0140

(2)

(3)

(4)

X—樣品含氮量，g；

V1—接枝共聚物試樣消耗鹽酸標準溶液的體積，mL；

V2—試劑及未接枝試樣空白消耗鹽酸標準溶液的體積，mL；

c—鹽酸標準溶液濃度，mol/L；

0.0140—與1 mL鹽酸[c(HCl)]=1.000 mol/L]標準溶液相當?shù)牡馁|(zhì)量，g；

0.0710—與1 mL鹽酸[c(HCl)=1.000 mol/L]標準溶液相當?shù)谋０返馁|(zhì)量，g；

N—消化液稀釋定容后的體積，mL；

V—蒸餾過程移取的稀釋消化液的體積，mL；

M1—接枝共聚試樣接枝支鏈的質(zhì)量，g；

M0—初始投入丙烯酰胺單體的質(zhì)量，g；

m—接枝前黃麻樣品的質(zhì)量，g；

1.5 紅外光譜(FT-IR)測試

用Nexus470傅里葉變換紅外光譜儀測試黃麻織物的紅外吸收光譜，掃描范圍4000 cm-1～650cm-1，掃描次數(shù)32次，分辨率4 cm-1。

1.6 掃描電鏡(SEM)測試

將黃麻織物上的纖維抽絲壓片，在SU1510型掃描電子顯微鏡上對其進行測試，電壓5 kV，放大2000倍，觀測接枝纖維表面物理形態(tài)的變化。

2 結果與討論

2.1 接枝產(chǎn)物的表征

2.1.1 黃麻織物接枝前后含氮量的變化

微量凱氏定氮法是測定物質(zhì)含氮量的經(jīng)典方法。黃麻纖維本身含有極少量的氮，通過漆酶催化黃麻纖維表面木質(zhì)素氧化生成的酚氧自由基接枝AM并充分萃取去除均聚物和未反應單體后，測定反應產(chǎn)物(共聚物)的含氮量變化，可以反映接枝共聚是否發(fā)生及進行的程度。表1是黃麻織物在不同反應體系中接枝前后含氮量的變化。

表1 不同反應體系中黃麻織物接枝前后含氮量的變化

黃麻1 g；AM 2 g；反應溫度50℃；pH值5；反應時間20 h。

由表1可以看出，黃麻纖維本身的含氮量為1.17 mg/g，單獨使用TBHP不能引發(fā)黃麻接枝丙烯酰胺，但是單獨使用漆酶時黃麻織物的含氮量略有提高，黃麻織物接枝了少量丙烯酰胺，這說明單獨的漆酶能引發(fā)木質(zhì)素形成酚氧自由基接枝丙烯酰胺，但接枝率、接枝效率很低。在漆酶/TBHP體系中，黃麻織物的含氮量明顯增多，達到5.19 mg/g，說明該反應確實使黃麻表面接枝上了丙烯酰胺，接枝率為2.73%，接枝效率為1.36%。

2.1.2 接枝黃麻織物的FT-IR分析

對比圖1(a)、(b)可以看到，黃麻接枝AM共聚物的紅外譜圖上在1660.41 cm-1處有一個尖銳的吸收峰，對應于酰胺Ⅰ(C=O)的伸縮振動吸收峰，1610 cm-1處為酰胺Ⅱ(N-H彎曲振動)的特征吸收峰，1260 cm-1為酰胺Ⅲ(C-N)的特征吸收峰，說明接枝產(chǎn)物中確定存在-CONH2接枝鏈。

圖1 接枝前后黃麻織物的紅外光譜圖

2.2 反應條件對接枝參數(shù)的影響

2.2.1 溫度對接枝參數(shù)的影響

高溫有助于麻纖維溶脹，有利于單體與麻纖維接觸引發(fā)接枝反應，但酶在高溫時會失活，只有在最適溫度下，酶催化反應才表現(xiàn)出最大的反應速度，可見溫度是影響酶催化接枝聚合的重要因素之一。在pH值為5，AM/黃麻 2∶1，漆酶濃度2 U/mL的條件下，不同反應溫度對接枝參數(shù)的影響如圖2所示。

圖2 反應溫度對接枝參數(shù)的影響

分析圖2可知，在50℃以下，接枝率隨著溫度的升高逐漸提高。30℃時接枝率僅為1.44%，當溫度升至50℃時，接枝率達到2.87%，但是超過50℃以后，接枝率開始下降。接枝效率在30℃～70℃范圍內(nèi)也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。這是由于溫度升高，漆酶催化活性提高，等量漆酶能催化更多木質(zhì)素產(chǎn)生自由基，并增加了木質(zhì)素上的酚氧自由基與“活性”聚丙烯酰胺鏈的接觸幾率，所以接枝率、接枝效率有較大幅度增加；同時，溫度升高，有利于纖維溶脹，AM易于擴散至纖維附近而利于接枝共聚反應的發(fā)生。但是溫度過高，影響漆酶活力，接枝效果變差。因此，黃麻接枝丙烯酰胺最適溫度為50℃。

2.2.2 pH值對接枝參數(shù)的影響

對于酶參與的生物化學反應，pH 值是一個重要的影響因素。酶作為一種蛋白質(zhì)，當溶液pH值超過一定范圍時，微觀結構會發(fā)生改變而引起酶的失活。在反應溫度為50℃，AM/黃麻 2∶1，漆酶濃度2 U/mL的條件下，不同pH值對接枝參數(shù)的影響如圖3所示。

圖3 pH值對接枝參數(shù)的影響

分析圖3可以看出，在pH值4～6范圍內(nèi)，接枝率、接枝效率較高，pH值為5時接枝效果最好，接枝率達到2.87%。這與已知漆酶Denilite IIS最適pH值范圍4.5～5一致。同時可以看到在pH值3和pH值7時接枝率仍然有2.17%左右，僅比pH值5時減小0.72%，說明一定pH值范圍內(nèi)，漆酶酶活具有較高穩(wěn)定性。

2.2.3 單體用量對接枝參數(shù)的影響

在反應溫度為50℃，pH值為5，漆酶用量2U/mL的條件下，不同單體用量對接枝參數(shù)的影響如圖4所示。

單體的加入量對接枝共聚反應有較大影響。由圖4可以看到，隨著單體與黃麻質(zhì)量比的增加，黃麻的接枝率先增大，隨后逐漸趨于平衡，而接枝效率則逐漸降低。這是因為增加體系中丙烯酰胺的質(zhì)量，有利于過氧自由基引發(fā)丙烯酰胺生成“活性”聚丙烯酰胺鏈。但是由于黃麻上接枝位點數(shù)量有限，AM/黃麻大于2∶1時，接枝率趨于平衡。接枝效率是指接枝共聚物中接枝支鏈質(zhì)量占初始投入的丙烯酰胺的質(zhì)量百分比，增加單體的質(zhì)量雖然有利于接枝反應的發(fā)生，但是投入的單體不可能完全參與反應，所以隨著丙烯酰胺加入量增加，接枝效率反而降低。為了得到具有較高接枝率且接枝效率相對較高的接枝產(chǎn)物，選擇單體與黃麻質(zhì)量比為2∶1。

圖4 單體用量與接枝參數(shù)的關系

2.2.4 漆酶濃度對接枝參數(shù)的影響

酶作為生物化學反應催化劑，其濃度對接枝共聚反應有較大影響。在反應溫度為50℃，AM/黃麻 2∶1，pH值為5的條件下，不同漆酶濃度對接枝參數(shù)的影響如圖5所示。

圖5 漆酶用量與接枝參數(shù)的關系

漆酶濃度為0.4U/mL時，接枝率為1.08%，接枝效率0.54%，當漆酶濃度達到2U/mL時接枝效果最佳，繼續(xù)增加漆酶濃度，接枝率、接枝效率開始緩慢降低。這是因為在接枝過程中，漆酶氧化木質(zhì)素上的酚羥基為酚氧自由基，漆酶濃度越高，“活性”聚丙烯酰胺鏈和黃麻上的接枝位點越多，接枝率和接枝效率提高。但漆酶/介質(zhì)體系同時具有降解和去除木質(zhì)素的作用[13]，有可能漆酶濃度較高時反而不利于木質(zhì)素的接枝共聚反應。綜合看來，在漆酶濃度為2U/mL時，接枝效果最好。

2.3 黃麻接枝聚丙烯酰胺后表面形態(tài)的變化

圖6是掃描電子顯微鏡(SEM)觀察到的接枝聚丙烯酰胺前后黃麻織物上纖維的表面形態(tài)。

由圖6(a)可以看到，未接枝的黃麻織物上的纖維表面比較光滑，但有少量膠狀物質(zhì)存在，這是因為未接枝的黃麻織物雖然經(jīng)過退漿處理，但水煮的退漿處理作用條件溫和，僅能去除黃麻織物表面的淀粉漿料或PVA漿料，黃麻纖維上仍附著有一些殘留的膠質(zhì)。由圖 6(b )可以看到，接枝后的黃麻織物上的纖維保持原有的管型結構，但其表面粗糙，可見明顯的外物“嵌入”。因為該黃麻已經(jīng)過丙酮萃取去除均聚物和未反應單體，因此可認為，觀察到的絮狀物質(zhì)可能是黃麻與丙烯酰胺的接枝共聚產(chǎn)物。

圖6 黃麻纖維接枝聚丙烯酰胺后的表面形態(tài)變化

3 結論

1)含氮量和紅外光譜測試表明，漆酶確實可以催化氧化黃麻上的木質(zhì)素接枝丙烯酰胺，但單獨用漆酶接枝丙烯酰胺的接枝率和接枝效率很低，在漆酶/TBHP介質(zhì)體系下黃麻接枝丙烯酰胺的接枝率和接枝效率可顯著提高。

2)漆酶/TBHP體系下，黃麻接枝丙烯酰胺較好的工藝條件為：溫度50℃，pH 值5，AM/黃麻2∶1，漆酶濃度2 U/mL。該條件下黃麻接枝丙烯酰胺的接枝率可以達到2.87%，接枝效率為1.43%。但總的來說，漆酶催化黃麻接枝丙烯酰胺的接枝率和接枝效率比較低。

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