蠶絲纖維表層酪氨酸含量及其與活性染料染色性能的關系

葉夢妮, 邵 敏

(浙江理工大學先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室, 杭州 310018)

蠶絲纖維表層酪氨酸含量及其與活性染料染色性能的關系

葉夢妮, 邵 敏

(浙江理工大學先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室, 杭州 310018)

通過高效液相色譜法(HPLC)和紅外光譜法(FT-IR)分析酪氨酸在絲素纖維表層的分布狀況,并在此基礎上探明酪氨酸和活性染料反應性能之間的關系。實驗結果表明:絲素纖維的外表層和次表層多為結構疏松的無定形區,且酪氨酸在外表層和次表層分布較多;酪氨酸的酚羥基與一氯均三嗪型活性染料反應性能優于和乙烯砜型活性染料的反應性能,并且酪氨酸與染料分子反應絕大部分發生在結構疏松的最外表層。

桑蠶絲; HPLC; FT-IR; 酪氨酸; 活性染料

0 引 言

活性染料是唯一一類能與纖維以共價鍵結合的染料,應用活性染料對蠶絲進行染色可以提高其染色牢度,在弱堿性條件下,蠶絲表面富集的酚羥基是與活性染料反應的重要基團[1]。高效液相色譜法具有高效、簡便、準確等優點,常被用于活性染料與纖維素纖維的結合能力研究、活性染料自身的水解性能研究[2-3]以及蠶絲親核基團與活性染料鍵合性能研究。在選用對甲酚模擬蠶絲絲素上的酚羥基與活性染料進行模擬反應的實驗中[4],發現酚羥基與不同類型的活性染料反應性能亦存在差異。然而蠶絲纖維的實際染色過程更為復雜,除了親核基團對染色性能有影響外,蠶絲表面與本體之間在物理結構上的差異性也會對染色性能造成一定的影響。

鄭今歡等[5]通過福林試劑法和紫外光譜法對桑蠶絲和柞蠶絲中酪氨酸分布狀態以及光照后對蠶絲中酪氨酸分布狀態的影響進行了初步的探討。本文利用酪氨酸在紫外區有特征吸收這一特性,通過高效液相色譜法并結合紅外光譜法來測定絲素表層中酪氨酸的含量,在模擬染色的基礎上對蠶絲進行實際染色,在探明了蠶絲表層中酪氨酸含量的基礎上,結合蠶絲纖維結構上的特點,研究酪氨酸的酚羥基與活性染料在實際染色過程中的反應情況。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

纖維和染料:桑蠶絲(浙江湖州產春蠶絲),一氯均三嗪(MCT)型活性染料:活性艷橙K-G和活性翠藍K-GL、乙烯砜(VS)型活性染料:活性翠藍KN-G和活性艷藍KN-R染料均為為商用染料(泰興市錦雞染料有限公司)。

化學試劑:L-酪氨酸(上海康捷生物科技發展有限公司),鹽酸(分析純),燒堿(分析純),甲酸(分析純),乙腈(分析純)。

1.2 實驗儀器

HP1100高效液相色譜儀(美國安捷倫科技有限公司),Nicolet 5700傅里葉變換紅外光譜儀(美國賽默飛世爾公司),萬分之一電子天平(上海精密科學儀器有限公司),電熱恒溫水浴鍋(上海精宏實驗設備有限公司);DGG-9070A電熱恒溫鼓風干燥箱(上海森信實驗儀器有限公司),KQ-100DB數控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司),pHS-2F pH計(上海儀電科學儀器股份有限公司)。

1.3 蠶絲的染色

a) 染液配方

染料 2%(owf);

Na2SO440 g/L;

Na2CO316 g/L;

NaHCO34 g/L;

浴比 1∶50。

b) 工藝流程

染色總時間為100 min,染色過程見圖1。

1.4 蠶絲水解液的制備

a) 絲素全溶:將1 g蠶絲絲素以及染色后蠶絲分別置于100 mL容量瓶中,加入6 mol/L的HCl溶液50 mL然后在沸水浴中加熱12 h,使得蠶絲全部水解,待蠶絲水解液冷卻后再加入6 mol/L的NaOH溶液50 mL使其中和,取樣,過濾后注入HPLC分析用的樣品瓶中。

b) 絲素表層的溶解:將1 g蠶絲絲素置于100 mL容量瓶中,加入4 mol/L的鹽酸50 mL,置于40℃水浴鍋中加熱4 h或12 h,冷卻后再加入HCl配置成6 mol/L的蠶絲水解液,再在沸水浴中加熱12 h,蠶絲水解液冷卻后加入6 mol/L的NaOH溶液使其中和,取樣,過濾后注入HPLC分析用的樣品瓶中。經過4 h和12 h水解后殘余的蠶絲絲素用去離子水清洗,烘干,測定處理過程絲素的失重率。

1.5 紅外光譜分析

將未經處理的蠶絲絲素原樣和經HCl溶解一定時間后的殘余絲素水洗烘干,用哈氏切片器切成粉末,取1 mg絲素粉末與100 mg溴化鉀充分混合研磨,壓片后進行紅外光譜測試,利用傅里葉紅外光譜來分析溶蝕前后的絲素的結晶度以及絲素中的酪氨酸含量的變化。

紅外光譜測試條件:波數范圍4 000～400 cm-1,掃描次數32次,分辨率4 cm-1。

1.6 高效液相色譜分析

a) 酪氨酸標準曲線:配制不同濃度標準酪氨酸溶液,分別稱取0.001、0.002、0.006、0.010、0.014、0.018、0.022、0.026、0.030、0.035、0.040 g酪氨酸粉末溶解在100 mL去離子水中,超聲震蕩至澄清。對制備好的標準酪氨酸溶液應用高效液相色譜分析定量,制成酪氨酸定量標準曲線,如圖2所示。

L-酪氨酸線性方程為y=8 642.1x+42.465,相關系數為0.998 9,通過測定絲素溶解后的峰面積,可求得其中酪氨酸的含量(g·L-1)。

b) 將1.4中制備好的樣品用高效液相色譜進行分離檢測,對樣品中的酪氨酸進行定量。

c) 測試條件:SB-C18(150 mm×4.6 mm,5 μm);流速1.0 mL/min;進樣量20 μL; 柱溫30℃;梯度0～9 min流動相比例從V乙腈∶V甲酸=5∶95轉變到V乙腈∶V甲酸=95∶5,9 min后流動相比例維持在V乙腈∶V甲酸=95∶5;停止時間12.50 min;后運行時間12.50 min;檢測波長276 nm。

2 結果與討論

2.1 蠶絲絲素表面結晶度分析

對未經過處理的蠶絲纖維和經過HCl溶液分別處理4 h和12 h的殘余絲素溴化鉀壓片,再進行紅外光譜測試,其原始紅外光譜圖見圖3。

如圖3所示,1 230 cm-1歸屬于蠶絲酰胺Ⅲ帶中無規線團(構成無定形區)的特征吸收,1 263 cm-1歸屬于蠶絲酰胺Ⅲ帶中呈反平行β-折疊結構(構成結晶區)的特征吸收[6]。通過求這兩個譜帶的峰面積比值,可獲得纖維表面結晶度變化的有關信息[6-7]。

計算相對結晶度的平均值。表1比較了未處理絲素及HCl處理不同時間后殘余絲素的相對結晶度。

由表1可以發現,未經處理時蠶絲原樣的相對結晶度為62.9%,經HCl處理4 h,絲素的失重率為10.03%,其相對結晶度為63.5%;處理12 h,失重率是37.32%時,結晶度是64.7%。表明蠶絲絲素纖維表面部分結晶度隨HCl溶蝕時間的延長而逐漸增大,4 mol/L的HCl溶液在40℃下處理蠶絲絲素時條件比較溫和,蠶絲首先進入的是蠶絲纖維中易被溶落的區域,該部分區域結構較相對蠶絲纖維內部疏松。

2.2 蠶絲絲素中酪氨酸的含量分析

2.2.1 絲素中酪氨酸含量的紅外分析

從表2可以看出,未處理蠶絲中酪氨酸相對含量為22%,HCl處理4 h減少到14%,相比之下,酪氨酸的含量減少為原來的7/11;處理12 h時殘余絲素酪氨酸相對含量為9%,與原蠶絲的22%相比含量大幅度減少為原來的9/22,說明HCl處理時蠶絲纖維中結構疏松的無定型區先被破壞,剩余絲素表面酪氨酸相對含量逐漸減少,表明在蠶絲纖維中易被溶落的結構較為疏松的區域中分布著較多的酪氨酸,含量占蠶絲中酪氨酸總量的60%左右。

2.2.2 絲素中酪氨酸含量的高效液相色譜分析

蠶絲中的酪氨酸和色氨酸都存在著共軛雙鍵,在紫外部分均有吸收[3],最大吸收波長為276 nm,但絲素經HCl處理后溶落層中的色氨酸已經被破壞,所以可以用HPLC來檢測酪氨酸的含量,且酪氨酸、苯丙氨酸、組氨酸的保留時間分別為2.33、3.66 min和1.37 min。

圖5為絲素全部水解后的樣品的HPLC色譜圖,酪氨酸的保留時間為2.3 min,與標樣一致,根據峰面積測得酪氨酸占絲素纖維的11.71%。

蠶絲纖維進行HCl溶落水解反應是一個由表及里的漸進過程。蠶絲在4 mol/L的HCl溶液中40℃下水解4 h和12 h,對溶落層中的絲素蛋白、肽鏈進一步在6 mol/L的HCl溶液中100℃下水解12 h后用HPLC分析,得到的酪氨酸含量變化見表3。

將高效液相色譜中所測得的色譜峰峰面積代入酪氨酸的標準曲線,得到溶解液中酪氨酸的濃度c(g/L),根據下面公式計算溶落層中酪氨酸的百分含量：

溶落層中酪氨酸含量百分比=(c×V)/m0×100%.

其中:m0為蠶絲的重量,V是溶解液的體積。

隨著失重率的增加,溶落層中酪氨酸含量也在逐漸增加,殘余絲素中酪氨酸含量則慢慢減少。溶解4 h時,即失重率為10%時,溶落層中酪氨酸含量只占溶落蠶絲水解液重量的1.13%;溶解12 h時,失重率達35%左右,溶落層中酪氨酸含量為5.67%,已經達到全溶絲素中酪氨酸總量的50%左右。表明蠶絲表層中就易溶落的區域中分布著相對較多的酪氨酸,占酪氨酸總量的50%左右,與紅外光譜測定的酪氨酸含量基本相符。

2.3 活性染料染色前后的蠶絲絲素中酪氨酸含量 分析

在活性染料與絲素的模擬反應研究中發現,不同類型的活性染料與絲素中酪氨酸的酚羥基反應,其反應性能存在較大的差異[4]。一氯均三嗪型活性染料以及乙烯砜型活性染料是最有代表性的兩類活性染料,前者與酚羥基的反應性能很好,相比之下,后者與酚羥基的反應性能則較差。本研究選用這兩類活性染料對蠶絲進行實際染色,比較染色后蠶絲中的酪氨酸含量,分析實際染色中不同類型活性染料與絲素中酪氨酸的反應性差異。

表4比較了蠶絲經一氯均三嗪型活性染料和乙烯砜型活性染料實際染色時蠶絲中酪氨酸含量變化的差異。染料與蠶絲中酪氨酸的酚羥基結合得越多,經HCl全部溶蝕后剩余的酪氨酸就越少,經表4數據顯示,兩種類型的染料與蠶絲反應后酪氨酸減少的量均相對較少,蠶絲經MCT型活性染料和VS型活性染料染色后酪氨酸分別減少了1.2%和0.1%左右,前者減少的量是后者的十幾倍,說明MCT型染料與酪氨酸的酚羥基結合比VS型活性染料多,這與模擬反應[4]得到的結果一致。

注:Δ(4 h-12 h)表示HCl處理4～12 h之間溶落的酪氨酸的百分含量。

將染色后的蠶絲分別用HCl溶液水解4 h和12 h,經計算分析可得,全溶時經活性翠藍K-GL染色后的蠶絲中酪氨酸減少總量為1.1%;水解4 h時酪氨酸已經減少了0.85%,占全溶時減少總量的80%左右;經過12 h水解后,由于結晶度變大,結構較外表層稍微緊密一些,此時酪氨酸的減少的量微乎其微。蠶絲經活性艷橙K-G染色后,全溶時蠶絲中酪氨酸減少總量為1.3%;溶解4 h時酪氨酸已經減少的量占全溶時減少總量的45%;溶解12 h時,酪氨酸減少占減少總量的91%,表明蠶絲和活性艷橙K-G的反應絕大部分發生在結構較為疏松的外表層;這與活性翠藍K-GL情況基本一致。活性翠藍KN-G、活性艷藍KN-R對蠶絲進行染色后,酪氨酸減少的量非常少,但也幾乎都是發生在蠶絲纖維結構疏松的外表層。通過以上分析結果表明染料分子容易進入蠶絲結構疏松的外表層,也易與其內的酪氨酸結合,越靠近內層結晶度越大,結構也越致密,染料很難進入并與酪氨酸結合反應。

3 結 論

a) 由紅外光譜分析可知,蠶絲絲素纖維表面部分結晶度隨HCl溶蝕時間的延長而增大,蠶絲纖維的外表層結構較內層相對比較疏松;b) 通過高效液相色譜法檢測蠶絲中酪氨酸含量顯示,在失重率達到35%時,酪氨酸含量占全溶絲素中酪氨酸含量的50%左右,表明酪氨酸在易溶落的外表層含量相對較多;c) 蠶絲酪氨酸上的酚羥基與一氯均三嗪型活性染料反應性能優于與乙烯砜型活性染料的反應性能,且酪氨酸與染料分子反應絕大部分發生在結構疏松的外表層。

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(責任編輯： 許惠兒)

Tyrosine Content on Surface of Silk Fiber and Its Relationshipwith Dyeing Properties of Reactive Dyes

YE Meng-ni, SHAO Min

(The Key Laboratory of Textile Materials and Manufacturing Technology,Ministry of Education, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

This paper analyzes the distribution of tyrosine on the surface layer of fibroin fiber with high performance liquid chromatography (HPLC) and infrared spectroscopy (FT-IR) and explores the relationship between tyrosine and the reactive performance of reactive dye on this basis. The experimental result shows that the outer surface and subsurface of fibroin fiber are mostly amorphous regions with loose structure and tyrosine is mostly distributed on the outer surface and subsurface; the reactive performance of phenolic hydroxyl group of tyrosine and monochlorotriazine reactive dye is better than that of it and vinyl sulfone reactive dye; the reaction between tyrosine and dye molecule mostly occurs on the outer surface with loose structure.

silk fiber; HPLC; FT-IR; tyrosine; reactive dye

1673- 3851 (2015) 05- 0596- 05

2014-11-11

葉夢妮(1989-),女,浙江臺州人,碩士研究生,主要從事新型紡織材料及生態紡織品的研究。

TS141.8

A