接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維的制備及其優化工藝

尹思力， 楊 洋， 江 文， 石業新， 周小華， 黃金洪

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

粘膠纖維廣泛應用于紡織領域，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域的應用，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載與皮膚親和的蛋白質等可有效改善其親膚性。在纖維表面負載蛋白質的方法主要有共混法和接枝修飾法。共混法產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，但因無共價鍵連接，蛋白質與粘膠的抱合力差[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，進而影響后續加工性能，只能在家紡、絲線等領域應用。接枝修飾是在纖維表面進行化學反應，共價連接功能基團的方法，具有效率高、接枝物穩定，有利于進一步加工利用的特點，受到持續關注，成為制造修飾粘膠纖維的主要方法[7]；其產品有牛奶蛋白-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-二環己基碳二亞胺(DCC)將該纖維與蠶蛹肽交聯，制備出接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維，研究其優化工藝并進行表征，旨在探索一種制備親膚等性能優良的功能性粘膠纖維衍生物的方法和產品。

1 實驗部分

1.1 原料及試劑

粘膠纖維、蠶蛹分離蛋白粉(分子質量為 11 000～35 000 u)，宜賓絲麗雅集團有限公司；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)生物技術有限公司；鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇、氯化鈉、水性苯胺藍、堿性品紅、雙縮脲試劑，均為分析純，重慶川東化工(集團)有限公司。

1.2 儀 器

FA1004N型電子天平，上海精密科學儀器有限公司；TU-1901型雙光束紫外-可見光分光光度計，北京譜析通用儀器有限責任公司；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，日本電子株式會社；SHZ-82型水浴振蕩器，上海允延儀器有限公司；7890A/5975C型液質聯用儀，美國安捷倫公司；LC3000型高效液相色譜儀，北京創新恒通科學儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 羧基化粘膠纖維的制備

準確稱取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 ℃，加入占粘膠纖維質量分數1%～10%的葡萄糖氧化酶反應2～4 h。反應結束后，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，調節pH值為10，升溫至60 ℃，加入占蠶蛹分離蛋白粉質量分數為2.5%的堿性蛋白酶，恒溫攪拌水解3 h；然后調節pH值為6.0，加入質量分數為2.5%的木瓜蛋白酶，繼續恒溫攪拌水解3 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量分數為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節制備的蠶蛹肽溶液中，調節溶液pH值至3.0～5.5，控制溫度為50～75 ℃，逐滴滴加DCC溶液反應0.5～2.5 h。反應完成后，先用純凈水洗滌接枝產物3～5遍，再用適量體積分數為95%的乙醇進行超聲波清洗，以除去黏附的1,3-二環己基脲(DCU)和微量DCC。最后甩干機甩干后于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 化學結構測試

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結構變化，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]分析目標物的構成。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，用酒精噴燈燒結封口，在110 ℃下水解24 h后，將水解液反復蒸干，除盡其中的HCl，直至溶解液pH值為6～7時定容，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，用質量分數為0.5%的NaCl溶液浸泡1 h后于70 ℃烘干，再粘于樣品臺上，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質量分數為0.1%的水溶性苯胺藍溶液、質量分數為0.1%的堿性品紅溶液、質量分數為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準曲線y=99.233x+ 0.184 6，R2=0.993 2(其中：x為堿性品紅質量濃度,mg/ml；y為吸光度)，然后采用1.4.4節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，再按下式計算接枝率：

式中：X為蛋白質含量，%；V和V0分別為試樣和對照樣標準鹽酸消耗體積，mL；C為標準鹽酸濃度，mol/L；m為試樣質量，g。

2 結果與討論

2.1 羧基化粘膠纖維結構分析

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譜圖。其中質荷比為195.91處的基峰為羧基化粘膠纖維中葡萄糖酸的負離子碎片，而197.92處為葡萄糖結合一分子水的負離子碎片。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。這是因為：堿性品紅為陽離子染料，可與羧基化粘膠纖維的游離羧基結合而染色；而粘膠纖維只有羥基，不能與堿性品紅結合成鹽。

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構分析

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示出通過計算蠶蛹肽及其接枝產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。可知，接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維染色雙縮脲呈現紫藍色，且顏色加深，這是因為雙縮脲試劑中的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、堿性品紅的染色效果。可知，2種染料染色接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維的著色度遠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。可知，接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維表面粗糙，黏附有大量不規則顆粒，與表面光滑的粘膠纖維差異顯著。進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區間時，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時達到最大值，為26.34%；當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：當溫度在25～35 ℃之間時，粘膠纖維氧化率隨著溫度升高而增大，并在35 ℃時達到最大值24.39%；當溫度高于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的規律一致[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、葡萄氧化酶質量分數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量分數的增加，粘膠纖維氧化率逐漸升高，并在酶質量分數為6%時達到最大值25.06%；當葡萄糖氧化酶質量分數高于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，酶促反應速率緩慢降低，有逐漸平穩的趨勢，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化工藝

圖9示出交聯劑DCC質量分數、交聯溫度、反應時間對羧基化粘膠纖維蠶蛹肽接枝率的影響。可知，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量的40%時達到最大值5.01%，因此，接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維的最適DCC用量為粘膠纖維質量的40%。由圖9(b)可知，交聯溫度在40～60 ℃區間時，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 ℃時達到最大值4.44%；當交聯溫度超過60 ℃，繼續升高溫度則導致接枝率不斷下降。這是由于：在較低溫度區間，主要為羧基化纖維素蠶蛹肽酰胺反應，而水解反應速度較低；隨著交聯溫度升高，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時間增加而提升，并在2 h時達到最大值4.28%，時間繼續增加易導致自交聯而使接枝率降低，因此，接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維的最適時間為2 h。

圖9 DCC用量、交聯溫度、交聯時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%，交聯溫度為60 ℃，交聯時間為2 h。

3 結 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-二環己基碳二亞胺(DCC)將羧基化粘膠纖維與蠶蛹肽交聯，制備接枝蠶蛹肽羧基化粘膠纖維。通過工藝優化以及結構和性能分析，得出以下結論：在GOD用量為粘膠纖維質量的6%、pH值為5.5、溫度為35 ℃條件下可獲最優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和堿性品紅的染色性。

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