漆酶/TBHP催化黄麻接枝丙烯酰胺的研究

周帅红， 王 强， 范雪荣， 张 亚， 袁久刚， 王 平， 崔 莉

(江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏 无锡 214122)

麻纤维与乙烯类单体接枝共聚，可提高其染色性、皱折回复性、耐磨性和防污性等[1]。传统的接枝方法有射线辐射接枝法、光引发接枝法、低温等离子引发接枝法和溶液自由基接枝法[2-3]。辐射接枝法的操作工艺简单，不需引发剂，可以得到较纯净的接枝共聚物，但辐射接枝法射线的穿透力强，会损伤基材性能。A.M.EL-Naggar等[4]发现无论是在何种辐射气氛下进行处理，剑麻纤维的韧性都变差。光引发接枝聚合中，麻织物经过紫外光照射后，其断裂强力、断裂伸长率均降低。低温等离子接枝法是一种新型的接枝方法，但目前仍处于实验室研究阶段。溶液自由基法是目前运用最广泛，工艺最成熟的接枝方法，郭雅琳[5]利用硝酸铈铵引发丙烯腈与亚麻纤维接枝共聚反应，能获得具有较高接枝率的产物，但是反应中容易生成均聚物，导致接枝效率较低。随着生物技术的发展，发现越来越多的酶可以作为催化剂用于接枝反应。由于生物酶的环保性、专一性和高效性等优点，使得生物接枝法作为一个新的研究热点，被世界各国的研究人员所关注[6-8]。

漆酶是一种多酚氧化酶，能够催化酚类物质产生酚氧自由基，从而引发乙烯基类单体进行接枝共聚[9]。木质素是由4种醇单体(对香豆醇、松柏醇、5-羟基松柏醇和芥子醇)形成的一种复杂酚类化合物[10]。但有研究表明，木质素在漆酶催化作用下产生的酚氧自由基不能直接与乙烯基类单体接枝共聚，而只有在小分子介质如叔丁基过氧化氢(TBHP)存在时才能实现木质素与丙烯酰胺(AM)单体的接枝共聚[11]。C.Mai[11]等发现TBHP介质作用机理如下：漆酶引发木质素形成的酚氧自由基传递一个电子给TBHP，使之生成过氧自由基，同时酚氧自由基变成苯酚。随后过氧自由基引发丙烯酰胺单体生成“活性”聚丙烯酰胺链，最后“活性”聚丙烯酰胺链与酚氧自由基结合形成共价键。

麻纤维富含木质素，基于上述原理可以利用漆酶/TBHP体系催化麻纤维表面的木质素引发乙烯基类单体(乙烯类单体是指含有乙烯基(CH2=CH-)的单体，如丙烯酰胺，丙烯酸，丙烯酸酯等)进行接枝聚合，实现对麻纤维的功能化改性。

本文以木质素含量较高的黄麻织物(经测试该黄麻织物中木质素的含量为16.5%～17.0%)为原料，在TBHP存在下，利用漆酶催化麻纤维表面木质素氧化生成的酚氧自由基进行丙烯酰胺接枝改性。利用红外光谱(FT-IR)和扫描电镜(SEM)对接枝产物进行了表征，并考察了反应温度，pH值，单体用量以及漆酶浓度对接枝参数的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

黄麻织物(7S/4×7S/4，常熟市奥村龙泰织造有限公司)；叔丁基过氧化氢(TBHP)、丙酮、硫酸、盐酸、硫酸铜、硫酸钾、溴甲酚绿、甲基红等均为分析纯；丙烯酰胺(AM)，化学纯；漆酶Denilite IIS(经ABTS法[12]测试酶活为60 U/g)，工业品，诺维信生物技术有限公司。

Nexus470傅里叶变换红外光谱仪(美国Thermo Nicolet公司)，L-20A-10型水浴恒温振荡器(厦门瑞比精密机械有限公司)，AL-204分析天平(瑞士Mettler-Toledo公司)，PHS-2C型酸度计(上海伟业仪器厂)，101A-1B型电热鼓风干燥箱(上海安亭科技仪器有限公司)，SU1510型扫描电镜(日本日立公司)，SH220型石墨硝解仪和K9840型凯氏定氮仪(济南海能仪器有限公司)。

1.2 黄麻织物退浆处理

将黄麻织物置于沸水中煮沸2 h进行退浆处理，经碘-碘化钾测试已无残留淀粉或PVA浆料，水洗，烘干备用。

1.3 黄麻织物接枝丙烯酰胺工艺

将一定量经过退浆处理的黄麻织物放入锥形瓶，加入一定pH值的柠檬酸缓冲溶液，浴比1∶30，先后加入 TBHP、漆酶和丙烯酰胺，将其移至一定温度的恒温振荡水浴中反应24 h。反应结束后取出黄麻，用去离子水洗净并烘干，再用丙酮抽提12 h，充分去除黄麻织物上的均聚物和未反应单体，再经去离子水洗净，低温烘干，获得接枝共聚产物。

1.4 接枝黄麻织物含氮量测定及接枝率、接枝效率的计算

黄麻纤维中有微量的含氮物质(纤维素共生物)，丙烯酰胺的含氮量为19.7%，因此，黄麻织物接枝丙烯酰胺后含氮量会显著提高。本文按照GB/T5009.5-2003规定的方法，利用微量凯氏定氮法测定黄麻-丙烯酰胺接枝共聚物的含氮量，并计算接枝AM支链的质量。黄麻接枝丙烯酰胺的接枝率(GP)是指接枝共聚物中接枝支链质量占初始黄麻的质量百分比，接枝效率(GE)是指接枝共聚物中接枝支链质量占初始投入的丙烯酰胺单体质量的百分比，计算公式分别如下：

(1)

M1=X×0.0710/0.0140

(2)

(3)

(4)

X—样品含氮量，g；

V1—接枝共聚物试样消耗盐酸标准溶液的体积，mL；

V2—试剂及未接枝试样空白消耗盐酸标准溶液的体积，mL；

c—盐酸标准溶液浓度，mol/L；

0.0140—与1 mL盐酸[c(HCl)]=1.000 mol/L]标准溶液相当的氮的质量，g；

0.0710—与1 mL盐酸[c(HCl)=1.000 mol/L]标准溶液相当的丙烯酰胺的质量，g；

N—消化液稀释定容后的体积，mL；

V—蒸馏过程移取的稀释消化液的体积，mL；

M1—接枝共聚试样接枝支链的质量，g；

M0—初始投入丙烯酰胺单体的质量，g；

m—接枝前黄麻样品的质量，g；

1.5 红外光谱(FT-IR)测试

用Nexus470傅里叶变换红外光谱仪测试黄麻织物的红外吸收光谱，扫描范围4000 cm-1～650cm-1，扫描次数32次，分辨率4 cm-1。

1.6 扫描电镜(SEM)测试

将黄麻织物上的纤维抽丝压片，在SU1510型扫描电子显微镜上对其进行测试，电压5 kV，放大2000倍，观测接枝纤维表面物理形态的变化。

2 结果与讨论

2.1 接枝产物的表征

2.1.1 黄麻织物接枝前后含氮量的变化

微量凯氏定氮法是测定物质含氮量的经典方法。黄麻纤维本身含有极少量的氮，通过漆酶催化黄麻纤维表面木质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应单体后，测定反应产物(共聚物)的含氮量变化，可以反映接枝共聚是否发生及进行的程度。表1是黄麻织物在不同反应体系中接枝前后含氮量的变化。

表1 不同反应体系中黄麻织物接枝前后含氮量的变化

黄麻1 g；AM 2 g；反应温度50℃；pH值5；反应时间20 h。

由表1可以看出，黄麻纤维本身的含氮量为1.17 mg/g，单独使用TBHP不能引发黄麻接枝丙烯酰胺，但是单独使用漆酶时黄麻织物的含氮量略有提高，黄麻织物接枝了少量丙烯酰胺，这说明单独的漆酶能引发木质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体系中，黄麻织物的含氮量明显增多，达到5.19 mg/g，说明该反应确实使黄麻表面接枝上了丙烯酰胺，接枝率为2.73%，接枝效率为1.36%。

2.1.2 接枝黄麻织物的FT-IR分析

对比图1(a)、(b)可以看到，黄麻接枝AM共聚物的红外谱图上在1660.41 cm-1处有一个尖锐的吸收峰，对应于酰胺Ⅰ(C=O)的伸缩振动吸收峰，1610 cm-1处为酰胺Ⅱ(N-H弯曲振动)的特征吸收峰，1260 cm-1为酰胺Ⅲ(C-N)的特征吸收峰，说明接枝产物中确定存在-CONH2接枝链。

图1 接枝前后黄麻织物的红外光谱图

2.2 反应条件对接枝参数的影响

2.2.1 温度对接枝参数的影响

高温有助于麻纤维溶胀，有利于单体与麻纤维接触引发接枝反应，但酶在高温时会失活，只有在最适温度下，酶催化反应才表现出最大的反应速度，可见温度是影响酶催化接枝聚合的重要因素之一。在pH值为5，AM/黄麻 2∶1，漆酶浓度2 U/mL的条件下，不同反应温度对接枝参数的影响如图2所示。

图2 反应温度对接枝参数的影响

分析图2可知，在50℃以下，接枝率随着温度的升高逐渐提高。30℃时接枝率仅为1.44%，当温度升至50℃时，接枝率达到2.87%，但是超过50℃以后，接枝率开始下降。接枝效率在30℃～70℃范围内也呈现先升高后降低的趋势。这是由于温度升高，漆酶催化活性提高，等量漆酶能催化更多木质素产生自由基，并增加了木质素上的酚氧自由基与“活性”聚丙烯酰胺链的接触几率，所以接枝率、接枝效率有较大幅度增加；同时，温度升高，有利于纤维溶胀，AM易于扩散至纤维附近而利于接枝共聚反应的发生。但是温度过高，影响漆酶活力，接枝效果变差。因此，黄麻接枝丙烯酰胺最适温度为50℃。

2.2.2 pH值对接枝参数的影响

对于酶参与的生物化学反应，pH 值是一个重要的影响因素。酶作为一种蛋白质，当溶液pH值超过一定范围时，微观结构会发生改变而引起酶的失活。在反应温度为50℃，AM/黄麻 2∶1，漆酶浓度2 U/mL的条件下，不同pH值对接枝参数的影响如图3所示。

图3 pH值对接枝参数的影响

分析图3可以看出，在pH值4～6范围内，接枝率、接枝效率较高，pH值为5时接枝效果最好，接枝率达到2.87%。这与已知漆酶Denilite IIS最适pH值范围4.5～5一致。同时可以看到在pH值3和pH值7时接枝率仍然有2.17%左右，仅比pH值5时减小0.72%，说明一定pH值范围内，漆酶酶活具有较高稳定性。

2.2.3 单体用量对接枝参数的影响

在反应温度为50℃，pH值为5，漆酶用量2U/mL的条件下，不同单体用量对接枝参数的影响如图4所示。

单体的加入量对接枝共聚反应有较大影响。由图4可以看到，随着单体与黄麻质量比的增加，黄麻的接枝率先增大，随后逐渐趋于平衡，而接枝效率则逐渐降低。这是因为增加体系中丙烯酰胺的质量，有利于过氧自由基引发丙烯酰胺生成“活性”聚丙烯酰胺链。但是由于黄麻上接枝位点数量有限，AM/黄麻大于2∶1时，接枝率趋于平衡。接枝效率是指接枝共聚物中接枝支链质量占初始投入的丙烯酰胺的质量百分比，增加单体的质量虽然有利于接枝反应的发生，但是投入的单体不可能完全参与反应，所以随着丙烯酰胺加入量增加，接枝效率反而降低。为了得到具有较高接枝率且接枝效率相对较高的接枝产物，选择单体与黄麻质量比为2∶1。

图4 单体用量与接枝参数的关系

2.2.4 漆酶浓度对接枝参数的影响

酶作为生物化学反应催化剂，其浓度对接枝共聚反应有较大影响。在反应温度为50℃，AM/黄麻 2∶1，pH值为5的条件下，不同漆酶浓度对接枝参数的影响如图5所示。

图5 漆酶用量与接枝参数的关系

漆酶浓度为0.4U/mL时，接枝率为1.08%，接枝效率0.54%，当漆酶浓度达到2U/mL时接枝效果最佳，继续增加漆酶浓度，接枝率、接枝效率开始缓慢降低。这是因为在接枝过程中，漆酶氧化木质素上的酚羟基为酚氧自由基，漆酶浓度越高，“活性”聚丙烯酰胺链和黄麻上的接枝位点越多，接枝率和接枝效率提高。但漆酶/介质体系同时具有降解和去除木质素的作用[13]，有可能漆酶浓度较高时反而不利于木质素的接枝共聚反应。综合看来，在漆酶浓度为2U/mL时，接枝效果最好。

2.3 黄麻接枝聚丙烯酰胺后表面形态的变化

图6是扫描电子显微镜(SEM)观察到的接枝聚丙烯酰胺前后黄麻织物上纤维的表面形态。

由图6(a)可以看到，未接枝的黄麻织物上的纤维表面比较光滑，但有少量胶状物质存在，这是因为未接枝的黄麻织物虽然经过退浆处理，但水煮的退浆处理作用条件温和，仅能去除黄麻织物表面的淀粉浆料或PVA浆料，黄麻纤维上仍附着有一些残留的胶质。由图 6(b )可以看到，接枝后的黄麻织物上的纤维保持原有的管型结构，但其表面粗糙，可见明显的外物“嵌入”。因为该黄麻已经过丙酮萃取去除均聚物和未反应单体，因此可认为，观察到的絮状物质可能是黄麻与丙烯酰胺的接枝共聚产物。

图6 黄麻纤维接枝聚丙烯酰胺后的表面形态变化

3 结论

1)含氮量和红外光谱测试表明，漆酶确实可以催化氧化黄麻上的木质素接枝丙烯酰胺，但单独用漆酶接枝丙烯酰胺的接枝率和接枝效率很低，在漆酶/TBHP介质体系下黄麻接枝丙烯酰胺的接枝率和接枝效率可显著提高。

2)漆酶/TBHP体系下，黄麻接枝丙烯酰胺较好的工艺条件为：温度50℃，pH 值5，AM/黄麻2∶1，漆酶浓度2 U/mL。该条件下黄麻接枝丙烯酰胺的接枝率可以达到2.87%，接枝效率为1.43%。但总的来说，漆酶催化黄麻接枝丙烯酰胺的接枝率和接枝效率比较低。

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