接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维的制备及其优化工艺

尹思力， 杨 洋， 江 文， 石业新， 周小华， 黄金洪

(1. 重庆大学 化学化工学院， 重庆 401331； 2. 四川省宜宾惠美线业有限公司， 四川 宜宾 644000)

粘胶纤维广泛应用于纺织领域，但因具有皮肤亲和性不佳、染色性差和伸缩性大等缺陷[1-2]，影响其在贴身面料领域的应用，因此，有必要改善其亲肤性。服饰面料仅表面与皮肤接触，所以在粘胶纤维表面负载与皮肤亲和的蛋白质等可有效改善其亲肤性。在纤维表面负载蛋白质的方法主要有共混法和接枝修饰法。共混法产品如粘胶蚕蛹蛋白丝[3-4]和玉米蛋白粘胶长丝[5]，该方法制备过程简单，但因无共价键连接，蛋白质与粘胶的抱合力差[6]，无论在抽丝，还是成品丝精炼、印染及洗涤等过程中易流失，进而影响后续加工性能，只能在家纺、丝线等领域应用。接枝修饰是在纤维表面进行化学反应，共价连接功能基团的方法，具有效率高、接枝物稳定，有利于进一步加工利用的特点，受到持续关注，成为制造修饰粘胶纤维的主要方法[7]；其产品有牛奶蛋白-丙烯腈纤维Chinon[8]，羊毛改性粘胶纤维[9]和接枝聚苯胺粘胶纤维等[10]。

粘胶纤维表面的葡萄糖半缩醛羟基在葡萄糖氧化酶催化下可氧化成葡萄糖酸[11]，葡萄糖酸在适宜条件下可与短肽的游离氨基形成酰胺键制备接枝短肽的羧基化粘胶纤维，而改善与皮肤的亲和性[12-13]。为此，本文以蚕蛹短肽和粘胶纤维为原料，以葡萄糖氧化酶(GOD)选择性氧化粘胶纤维制备羧基化粘胶纤维，再用N,N-二环己基碳二亚胺(DCC)将该纤维与蚕蛹肽交联，制备出接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维，研究其优化工艺并进行表征，旨在探索一种制备亲肤等性能优良的功能性粘胶纤维衍生物的方法和产品。

1 实验部分

1.1 原料及试剂

粘胶纤维、蚕蛹分离蛋白粉(分子质量为 11 000～35 000 u)，宜宾丝丽雅集团有限公司；碱性蛋白酶、木瓜蛋白酶、葡萄糖氧化酶，酶活性均为 100 u/mg，诺维信(中国)生物技术有限公司；盐酸、氢氧化钠、无水乙醇、氯化钠、水性苯胺蓝、碱性品红、双缩脲试剂，均为分析纯，重庆川东化工(集团)有限公司。

1.2 仪 器

FA1004N型电子天平，上海精密科学仪器有限公司；TU-1901型双光束紫外-可见光分光光度计，北京谱析通用仪器有限责任公司；550Ⅱ型傅里叶红外光谱分析仪，美国尼高力公司；JSM-7800F型扫描电子显微镜，日本电子株式会社；SHZ-82型水浴振荡器，上海允延仪器有限公司；7890A/5975C型液质联用仪，美国安捷伦公司；LC3000型高效液相色谱仪，北京创新恒通科学仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 羧基化粘胶纤维的制备

准确称取5 g粘胶纤维，分散于300 mL的pH值为4.0～6.0的水溶液中，升温至25～45 ℃，加入占粘胶纤维质量分数1%～10%的葡萄糖氧化酶反应2～4 h。反应结束后，升温至85 ℃以上灭酶 10 min。然后冷却至常温，用纯净水反复清洗3～5次，于60～70 ℃烘干得到羧基化粘胶纤维。

1.3.2 蚕蛹肽的制备

称取100 g蚕蛹分离蛋白粉在搅拌下缓慢分散于1 L纯净水中，调节pH值为10，升温至60 ℃，加入占蚕蛹分离蛋白粉质量分数为2.5%的碱性蛋白酶，恒温搅拌水解3 h；然后调节pH值为6.0，加入质量分数为2.5%的木瓜蛋白酶，继续恒温搅拌水解3 h后，升温到85 ℃以上，灭酶10 min；然后冷却至常温，于4 000 r/min离心10 min，收集上层清液，即得到蚕蛹肽溶液，其平均分子质量为682 u。

1.3.3 接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维的制备

先将0～2.0 g的 DCC用无水乙醇配制成质量分数为0～40% 的溶液，再取5 g羧基化粘胶纤维，浸没于300 mL按1.3.2节制备的蚕蛹肽溶液中，调节溶液pH值至3.0～5.5，控制温度为50～75 ℃，逐滴滴加DCC溶液反应0.5～2.5 h。反应完成后，先用纯净水洗涤接枝产物3～5遍，再用适量体积分数为95%的乙醇进行超声波清洗，以除去黏附的1,3-二环己基脲(DCU)和微量DCC。最后甩干机甩干后于50 ℃烘干，得到接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维。

1.4 测试与表征

1.4.1 化学结构测试

取适量试样粉末与KBr混合、研磨并压片，然后用红外光谱分析仪测试其化学结构变化，扫描范围为4 000～400 cm-1。

1.4.2 氨基酸组成测试

采用柱前衍生反相高效液相色谱(HPLC)法[14]分析目标物的构成。将1 g待测物置于20 mL的安培瓶中，加入浓度为6 mol/L的盐酸4 mL，用酒精喷灯烧结封口，在110 ℃下水解24 h后，将水解液反复蒸干，除尽其中的HCl，直至溶解液pH值为6～7时定容，最后采用高效液相色谱仪分析其氨基酸组成。

1.4.3 形貌观察

取适量试样纤维，用质量分数为0.5%的NaCl溶液浸泡1 h后于70 ℃烘干，再粘于样品台上，用扫描电子显微镜观察其形貌。

1.4.4 氧化和接枝效果测试

称取5 g接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维，分别置于500 mL质量分数为0.1%的水溶性苯胺蓝溶液、质量分数为0.1%的碱性品红溶液、质量分数为1%的双缩脲试剂中，在50 ℃下处理2 h，用纯净水清洗至洗涤液无颜色时止，最后于70 ℃烘干，通过染色前后颜色变化分析氧化和接枝效果。

1.4.5 粘胶纤维氧化率测试

首先用紫外分光光度法绘制碱性品红标准曲线y=99.233x+ 0.184 6，R2=0.993 2(其中：x为碱性品红质量浓度,mg/ml；y为吸光度)，然后采用1.4.4节的碱性品红法染色试样，取染色后溶液的上清液于543 nm测定吸光度值，并计算粘胶纤维的氧化率。

1.4.6 蚕蛹肽接枝率测试

首先采用凯氏定氮法[15]测定接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维的含氮量，再按下式计算接枝率：

式中：X为蛋白质含量，%；V和V0分别为试样和对照样标准盐酸消耗体积，mL；C为标准盐酸浓度，mol/L；m为试样质量，g。

2 结果与讨论

2.1 羧基化粘胶纤维结构分析

图1 粘胶纤维及羧基化粘胶纤维的红外光谱Fig.1 Infrared spectra of viscose and carboxyl viscose fiber

图2示出羧基化粘胶纤维的高分辨率质谱图。其中质荷比为195.91处的基峰为羧基化粘胶纤维中葡萄糖酸的负离子碎片，而197.92处为葡萄糖结合一分子水的负离子碎片。这证明葡萄糖氧化酶成功氧化制备出羧基化粘胶纤维。

图2 羧基化粘胶纤维的质谱图Fig.2 Mass spectrometry of carboxyl viscose fiber

图3示出羧基化粘胶纤维染色碱性品红的效果。可知，羧基化粘胶纤维着色碱性品红后颜色显著加深。这是因为：碱性品红为阳离子染料，可与羧基化粘胶纤维的游离羧基结合而染色；而粘胶纤维只有羟基，不能与碱性品红结合成盐。

图3 碱性品红染色粘胶纤维及羧基化粘胶纤维的效果Fig.3 Effect of basic fuchsin dyeing on viscose (a) and carboxylated viscose(b) fiber

2.2 接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维结构分析

图4 接枝蚕蛹肽前后羧基化粘胶纤维的红外光谱Fig.4 Infrared spectra of graft carboxyl viscose fiber before and after grafting silkworm chrysalis peptide

表1示出通过计算蚕蛹肽及其接枝产物液相色谱图中各峰的峰面积所得的氨基酸比例。相较于原蚕蛹肽，接枝产物中的天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸以及异亮氨酸的含量有明显提高，而胱氨酸和赖氨酸的比例显著下降。

表1 氨基酸种类及比例Tab.1 Types and proportions of amino acids

图5示出接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维的双缩脲染色效果。可知，接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维染色双缩脲呈现紫蓝色，且颜色加深，这是因为双缩脲试剂中的Cu2+在碱性条件下和蚕蛹肽形成螯合物所致。

图5 双缩脲试剂的染色效果Fig.5 Effect of biuret reagent dyeing on viscose fiber. (a) Carboxyl viscose fiber;(b) Grafted silkworm chrysalis peptide carboxylic viscose fiber

图6示出羧基化粘胶纤维和接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维水溶性苯胺蓝、碱性品红的染色效果。可知，2种染料染色接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维的着色度远大于羧基化粘胶纤维。显然这是由于接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维含有大量游离氨基和羧基[16]，易与染料成盐。

图6 水溶性苯胺蓝与碱性品红的染色效果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

图7示出粘胶纤维和接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维的扫描电子显微镜照片。可知，接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维表面粗糙，黏附有大量不规则颗粒，与表面光滑的粘胶纤维差异显著。进一步表明羧基化粘胶纤维表面接枝了较多的蚕蛹肽分子。

图7 粘胶纤维接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维的扫描电镜照片(×8 000)Fig.7 SEM images of viscose (a) and grafted silkworm chrysalis peptide carboxylic viscose(b) fiber (×8 000)

2.3 羧基化粘胶纤维制备工艺优化

图8示出GOD制备羧基化粘胶纤维的pH值、温度、加酶量活力曲线。由图8(a)可知：pH值在4～5.5区间时，粘胶纤维氧化率随着pH值升高而逐渐增大，并在pH值为5.5时达到最大值，为26.34%；当pH值高于5.5后，粘胶纤维氧化率则随pH值升高而下降，因此，GOD制备羧基化粘胶纤维的最适pH值为5.5。

由图8(b)可知：当温度在25～35 ℃之间时，粘胶纤维氧化率随着温度升高而增大，并在35 ℃时达到最大值24.39%；当温度高于35 ℃后，粘胶纤维氧化率则随温度升高而下降。该趋势与温度影响酶促反应的规律一致[17]，因此，GOD制备羧基化粘胶纤维的最适温度为35 ℃。

图8 pH值、温度、葡萄氧化酶质量分数对粘胶纤维氧化率的影响Fig.8 Effect of pH value(a), temperature(b) and glucose oxidase mass ratio (c) on oxidation ratio of viscose fiber

由图8(c)可知：随着葡萄糖氧化酶质量分数的增加，粘胶纤维氧化率逐渐升高，并在酶质量分数为6%时达到最大值25.06%；当葡萄糖氧化酶质量分数高于6%后，粘胶纤维氧化率呈缓降趋势。这是由于葡萄糖氧化酶催化粘胶纤维的游离半缩醛羟基羧基化，游离半缩醛羟基羧化后，酶促反应速率缓慢降低，有逐渐平稳的趋势，因此，GOD制备羧基化粘胶纤维的最适加酶量为6%。

2.4 接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维优化工艺

图9示出交联剂DCC质量分数、交联温度、反应时间对羧基化粘胶纤维蚕蛹肽接枝率的影响。可知，羧基化粘胶纤维的蚕蛹肽接枝率在DCC用量为羧基化粘胶纤维质量的40%时达到最大值5.01%，因此，接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维的最适DCC用量为粘胶纤维质量的40%。由图9(b)可知，交联温度在40～60 ℃区间时，羧基化粘胶纤维的蚕蛹肽接枝率随着温度的升高而上升，并在60 ℃时达到最大值4.44%；当交联温度超过60 ℃，继续升高温度则导致接枝率不断下降。这是由于：在较低温度区间，主要为羧基化纤维素蚕蛹肽酰胺反应，而水解反应速度较低；随着交联温度升高，一方面催化合成接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维的速度提升，交联率增加，但另一方面，其水解速度亦加快，因此，接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维的最适温度为60 ℃。由图9(c)可知，羧基化粘胶纤维的蚕蛹肽接枝率随交联时间增加而提升，并在2 h时达到最大值4.28%，时间继续增加易导致自交联而使接枝率降低，因此，接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维的最适时间为2 h。

图9 DCC用量、交联温度、交联时间对粘胶纤维接枝率的影响Fig.9 Effect of DCC amount(a), temperature(b) and time(c) on graft ratio of viscose fiber

综上，接接蚕蛹肽羧基化粘胶纤维的最佳DCC用量为40%，交联温度为60 ℃，交联时间为2 h。

3 结 论

本文以蚕蛹肽和粘胶纤维为原料，首先采用葡萄糖氧化酶(GOD)选择性氧化粘胶纤维成羧基化粘胶纤维，再用N,N-二环己基碳二亚胺(DCC)将羧基化粘胶纤维与蚕蛹肽交联，制备接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维。通过工艺优化以及结构和性能分析，得出以下结论：在GOD用量为粘胶纤维质量的6%、pH值为5.5、温度为35 ℃条件下可获最优制备工艺的的羧化粘胶纤维；在DCC用量为羧基化粘胶纤维质量的40%，pH值为 4.0，温度为60 ℃条件下可得到蚕蛹肽接枝率最优的接枝蚕蛹肽羧基化粘胶纤维，并提高了粘胶纤维对苯胺蓝和碱性品红的染色性。

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