接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維的制備及其優(yōu)化工藝

尹思力， 楊 洋， 江 文， 石業(yè)新， 周小華， 黃金洪

(1. 重慶大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 重慶 401331； 2. 四川省宜賓惠美線業(yè)有限公司， 四川 宜賓 644000)

粘膠纖維廣泛應(yīng)用于紡織領(lǐng)域，但因具有皮膚親和性不佳、染色性差和伸縮性大等缺陷[1-2]，影響其在貼身面料領(lǐng)域的應(yīng)用，因此，有必要改善其親膚性。服飾面料僅表面與皮膚接觸，所以在粘膠纖維表面負(fù)載與皮膚親和的蛋白質(zhì)等可有效改善其親膚性。在纖維表面負(fù)載蛋白質(zhì)的方法主要有共混法和接枝修飾法。共混法產(chǎn)品如粘膠蠶蛹蛋白絲[3-4]和玉米蛋白粘膠長絲[5]，該方法制備過程簡單，但因無共價(jià)鍵連接，蛋白質(zhì)與粘膠的抱合力差[6]，無論在抽絲，還是成品絲精煉、印染及洗滌等過程中易流失，進(jìn)而影響后續(xù)加工性能，只能在家紡、絲線等領(lǐng)域應(yīng)用。接枝修飾是在纖維表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，共價(jià)連接功能基團(tuán)的方法，具有效率高、接枝物穩(wěn)定，有利于進(jìn)一步加工利用的特點(diǎn)，受到持續(xù)關(guān)注，成為制造修飾粘膠纖維的主要方法[7]；其產(chǎn)品有牛奶蛋白-丙烯腈纖維Chinon[8]，羊毛改性粘膠纖維[9]和接枝聚苯胺粘膠纖維等[10]。

粘膠纖維表面的葡萄糖半縮醛羥基在葡萄糖氧化酶催化下可氧化成葡萄糖酸[11]，葡萄糖酸在適宜條件下可與短肽的游離氨基形成酰胺鍵制備接枝短肽的羧基化粘膠纖維，而改善與皮膚的親和性[12-13]。為此，本文以蠶蛹短肽和粘膠纖維為原料，以葡萄糖氧化酶(GOD)選擇性氧化粘膠纖維制備羧基化粘膠纖維，再用N,N-二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)將該纖維與蠶蛹肽交聯(lián)，制備出接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維，研究其優(yōu)化工藝并進(jìn)行表征，旨在探索一種制備親膚等性能優(yōu)良的功能性粘膠纖維衍生物的方法和產(chǎn)品。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及試劑

粘膠纖維、蠶蛹分離蛋白粉(分子質(zhì)量為 11 000～35 000 u)，宜賓絲麗雅集團(tuán)有限公司；堿性蛋白酶、木瓜蛋白酶、葡萄糖氧化酶，酶活性均為 100 u/mg，諾維信(中國)生物技術(shù)有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇、氯化鈉、水性苯胺藍(lán)、堿性品紅、雙縮脲試劑，均為分析純，重慶川東化工(集團(tuán))有限公司。

1.2 儀 器

FA1004N型電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司；TU-1901型雙光束紫外-可見光分光光度計(jì)，北京譜析通用儀器有限責(zé)任公司；550Ⅱ型傅里葉紅外光譜分析儀，美國尼高力公司；JSM-7800F型掃描電子顯微鏡，日本電子株式會(huì)社；SHZ-82型水浴振蕩器，上海允延儀器有限公司；7890A/5975C型液質(zhì)聯(lián)用儀，美國安捷倫公司；LC3000型高效液相色譜儀，北京創(chuàng)新恒通科學(xué)儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 羧基化粘膠纖維的制備

準(zhǔn)確稱取5 g粘膠纖維，分散于300 mL的pH值為4.0～6.0的水溶液中，升溫至25～45 ℃，加入占粘膠纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～10%的葡萄糖氧化酶反應(yīng)2～4 h。反應(yīng)結(jié)束后，升溫至85 ℃以上滅酶 10 min。然后冷卻至常溫，用純凈水反復(fù)清洗3～5次，于60～70 ℃烘干得到羧基化粘膠纖維。

1.3.2 蠶蛹肽的制備

稱取100 g蠶蛹分離蛋白粉在攪拌下緩慢分散于1 L純凈水中，調(diào)節(jié)pH值為10，升溫至60 ℃，加入占蠶蛹分離蛋白粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的堿性蛋白酶，恒溫?cái)嚢杷? h；然后調(diào)節(jié)pH值為6.0，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的木瓜蛋白酶，繼續(xù)恒溫?cái)嚢杷? h后，升溫到85 ℃以上，滅酶10 min；然后冷卻至常溫，于4 000 r/min離心10 min，收集上層清液，即得到蠶蛹肽溶液，其平均分子質(zhì)量為682 u。

1.3.3 接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維的制備

先將0～2.0 g的 DCC用無水乙醇配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～40% 的溶液，再取5 g羧基化粘膠纖維，浸沒于300 mL按1.3.2節(jié)制備的蠶蛹肽溶液中，調(diào)節(jié)溶液pH值至3.0～5.5，控制溫度為50～75 ℃，逐滴滴加DCC溶液反應(yīng)0.5～2.5 h。反應(yīng)完成后，先用純凈水洗滌接枝產(chǎn)物3～5遍，再用適量體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇進(jìn)行超聲波清洗，以除去黏附的1,3-二環(huán)己基脲(DCU)和微量DCC。最后甩干機(jī)甩干后于50 ℃烘干，得到接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維。

1.4 測試與表征

1.4.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)測試

取適量試樣粉末與KBr混合、研磨并壓片，然后用紅外光譜分析儀測試其化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，掃描范圍為4 000～400 cm-1。

1.4.2 氨基酸組成測試

采用柱前衍生反相高效液相色譜(HPLC)法[14]分析目標(biāo)物的構(gòu)成。將1 g待測物置于20 mL的安培瓶中，加入濃度為6 mol/L的鹽酸4 mL，用酒精噴燈燒結(jié)封口，在110 ℃下水解24 h后，將水解液反復(fù)蒸干，除盡其中的HCl，直至溶解液pH值為6～7時(shí)定容，最后采用高效液相色譜儀分析其氨基酸組成。

1.4.3 形貌觀察

取適量試樣纖維，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的NaCl溶液浸泡1 h后于70 ℃烘干，再粘于樣品臺(tái)上，用掃描電子顯微鏡觀察其形貌。

1.4.4 氧化和接枝效果測試

稱取5 g接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維，分別置于500 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的水溶性苯胺藍(lán)溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的堿性品紅溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的雙縮脲試劑中，在50 ℃下處理2 h，用純凈水清洗至洗滌液無顏色時(shí)止，最后于70 ℃烘干，通過染色前后顏色變化分析氧化和接枝效果。

1.4.5 粘膠纖維氧化率測試

首先用紫外分光光度法繪制堿性品紅標(biāo)準(zhǔn)曲線y=99.233x+ 0.184 6，R2=0.993 2(其中：x為堿性品紅質(zhì)量濃度,mg/ml；y為吸光度)，然后采用1.4.4節(jié)的堿性品紅法染色試樣，取染色后溶液的上清液于543 nm測定吸光度值，并計(jì)算粘膠纖維的氧化率。

1.4.6 蠶蛹肽接枝率測試

首先采用凱氏定氮法[15]測定接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維的含氮量，再按下式計(jì)算接枝率：

式中：X為蛋白質(zhì)含量，%；V和V0分別為試樣和對照樣標(biāo)準(zhǔn)鹽酸消耗體積，mL；C為標(biāo)準(zhǔn)鹽酸濃度，mol/L；m為試樣質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 羧基化粘膠纖維結(jié)構(gòu)分析

圖1 粘膠纖維及羧基化粘膠纖維的紅外光譜Fig.1 Infrared spectra of viscose and carboxyl viscose fiber

圖2示出羧基化粘膠纖維的高分辨率質(zhì)譜圖。其中質(zhì)荷比為195.91處的基峰為羧基化粘膠纖維中葡萄糖酸的負(fù)離子碎片，而197.92處為葡萄糖結(jié)合一分子水的負(fù)離子碎片。這證明葡萄糖氧化酶成功氧化制備出羧基化粘膠纖維。

圖2 羧基化粘膠纖維的質(zhì)譜圖Fig.2 Mass spectrometry of carboxyl viscose fiber

圖3示出羧基化粘膠纖維染色堿性品紅的效果。可知，羧基化粘膠纖維著色堿性品紅后顏色顯著加深。這是因?yàn)椋簤A性品紅為陽離子染料，可與羧基化粘膠纖維的游離羧基結(jié)合而染色；而粘膠纖維只有羥基，不能與堿性品紅結(jié)合成鹽。

圖3 堿性品紅染色粘膠纖維及羧基化粘膠纖維的效果Fig.3 Effect of basic fuchsin dyeing on viscose (a) and carboxylated viscose(b) fiber

2.2 接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維結(jié)構(gòu)分析

圖4 接枝蠶蛹肽前后羧基化粘膠纖維的紅外光譜Fig.4 Infrared spectra of graft carboxyl viscose fiber before and after grafting silkworm chrysalis peptide

表1示出通過計(jì)算蠶蛹肽及其接枝產(chǎn)物液相色譜圖中各峰的峰面積所得的氨基酸比例。相較于原蠶蛹肽，接枝產(chǎn)物中的天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸以及異亮氨酸的含量有明顯提高，而胱氨酸和賴氨酸的比例顯著下降。

表1 氨基酸種類及比例Tab.1 Types and proportions of amino acids

圖5示出接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維的雙縮脲染色效果?？芍又πQ蛹肽羧基化粘膠纖維染色雙縮脲呈現(xiàn)紫藍(lán)色，且顏色加深，這是因?yàn)殡p縮脲試劑中的Cu2+在堿性條件下和蠶蛹肽形成螯合物所致。

圖5 雙縮脲試劑的染色效果Fig.5 Effect of biuret reagent dyeing on viscose fiber. (a) Carboxyl viscose fiber;(b) Grafted silkworm chrysalis peptide carboxylic viscose fiber

圖6示出羧基化粘膠纖維和接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維水溶性苯胺藍(lán)、堿性品紅的染色效果?？芍?，2種染料染色接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維的著色度遠(yuǎn)大于羧基化粘膠纖維。顯然這是由于接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維含有大量游離氨基和羧基[16]，易與染料成鹽。

圖6 水溶性苯胺藍(lán)與堿性品紅的染色效果Fig.6 Effects of water soluble aniline blue and basic fuchsin dyeing on viscose fiber. (a) Aniline blue dyeing on carboxyl viscose fiber; (b) Aniline blue dyeing on grafted silkworm chrysalis peptide carboxylic viscose fiber; (c) Basic fuchsin dyeing on carboxyl viscose fiber; (d) Basic fuchsin dyeing on grafted silkworm chrysalis peptide carboxylic viscose fiber

圖7示出粘膠纖維和接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維的掃描電子顯微鏡照片?？芍又πQ蛹肽羧基化粘膠纖維表面粗糙，黏附有大量不規(guī)則顆粒，與表面光滑的粘膠纖維差異顯著。進(jìn)一步表明羧基化粘膠纖維表面接枝了較多的蠶蛹肽分子。

圖7 粘膠纖維接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維的掃描電鏡照片(×8 000)Fig.7 SEM images of viscose (a) and grafted silkworm chrysalis peptide carboxylic viscose(b) fiber (×8 000)

2.3 羧基化粘膠纖維制備工藝優(yōu)化

圖8示出GOD制備羧基化粘膠纖維的pH值、溫度、加酶量活力曲線。由圖8(a)可知：pH值在4～5.5區(qū)間時(shí)，粘膠纖維氧化率隨著pH值升高而逐漸增大，并在pH值為5.5時(shí)達(dá)到最大值，為26.34%；當(dāng)pH值高于5.5后，粘膠纖維氧化率則隨pH值升高而下降，因此，GOD制備羧基化粘膠纖維的最適pH值為5.5。

由圖8(b)可知：當(dāng)溫度在25～35 ℃之間時(shí)，粘膠纖維氧化率隨著溫度升高而增大，并在35 ℃時(shí)達(dá)到最大值24.39%；當(dāng)溫度高于35 ℃后，粘膠纖維氧化率則隨溫度升高而下降。該趨勢與溫度影響酶促反應(yīng)的規(guī)律一致[17]，因此，GOD制備羧基化粘膠纖維的最適溫度為35 ℃。

圖8 pH值、溫度、葡萄氧化酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)對粘膠纖維氧化率的影響Fig.8 Effect of pH value(a), temperature(b) and glucose oxidase mass ratio (c) on oxidation ratio of viscose fiber

由圖8(c)可知：隨著葡萄糖氧化酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，粘膠纖維氧化率逐漸升高，并在酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)達(dá)到最大值25.06%；當(dāng)葡萄糖氧化酶質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于6%后，粘膠纖維氧化率呈緩降趨勢。這是由于葡萄糖氧化酶催化粘膠纖維的游離半縮醛羥基羧基化，游離半縮醛羥基羧化后，酶促反應(yīng)速率緩慢降低，有逐漸平穩(wěn)的趨勢，因此，GOD制備羧基化粘膠纖維的最適加酶量為6%。

2.4 接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維優(yōu)化工藝

圖9示出交聯(lián)劑DCC質(zhì)量分?jǐn)?shù)、交聯(lián)溫度、反應(yīng)時(shí)間對羧基化粘膠纖維蠶蛹肽接枝率的影響?？芍?，羧基化粘膠纖維的蠶蛹肽接枝率在DCC用量為羧基化粘膠纖維質(zhì)量的40%時(shí)達(dá)到最大值5.01%，因此，接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維的最適DCC用量為粘膠纖維質(zhì)量的40%。由圖9(b)可知，交聯(lián)溫度在40～60 ℃區(qū)間時(shí)，羧基化粘膠纖維的蠶蛹肽接枝率隨著溫度的升高而上升，并在60 ℃時(shí)達(dá)到最大值4.44%；當(dāng)交聯(lián)溫度超過60 ℃，繼續(xù)升高溫度則導(dǎo)致接枝率不斷下降。這是由于：在較低溫度區(qū)間，主要為羧基化纖維素蠶蛹肽酰胺反應(yīng)，而水解反應(yīng)速度較低；隨著交聯(lián)溫度升高，一方面催化合成接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維的速度提升，交聯(lián)率增加，但另一方面，其水解速度亦加快，因此，接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維的最適溫度為60 ℃。由圖9(c)可知，羧基化粘膠纖維的蠶蛹肽接枝率隨交聯(lián)時(shí)間增加而提升，并在2 h時(shí)達(dá)到最大值4.28%，時(shí)間繼續(xù)增加易導(dǎo)致自交聯(lián)而使接枝率降低，因此，接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維的最適時(shí)間為2 h。

圖9 DCC用量、交聯(lián)溫度、交聯(lián)時(shí)間對粘膠纖維接枝率的影響Fig.9 Effect of DCC amount(a), temperature(b) and time(c) on graft ratio of viscose fiber

綜上，接接蠶蛹肽羧基化粘膠纖維的最佳DCC用量為40%，交聯(lián)溫度為60 ℃，交聯(lián)時(shí)間為2 h。

3 結(jié) 論

本文以蠶蛹肽和粘膠纖維為原料，首先采用葡萄糖氧化酶(GOD)選擇性氧化粘膠纖維成羧基化粘膠纖維，再用N,N-二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)將羧基化粘膠纖維與蠶蛹肽交聯(lián)，制備接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維。通過工藝優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)和性能分析，得出以下結(jié)論：在GOD用量為粘膠纖維質(zhì)量的6%、pH值為5.5、溫度為35 ℃條件下可獲最優(yōu)制備工藝的的羧化粘膠纖維；在DCC用量為羧基化粘膠纖維質(zhì)量的40%，pH值為 4.0，溫度為60 ℃條件下可得到蠶蛹肽接枝率最優(yōu)的接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維，并提高了粘膠纖維對苯胺藍(lán)和堿性品紅的染色性。

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