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生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 摘要 生物酶具有高度的专一“陆以及商效的催化能力并且无环境污染，因丽在纺织 品的染整d n z 中具有j 一泛的应用前景。本文比较了腈纶纤维抗静电整理的传统改 性方法和生物酶改性方法，对生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用进行研究。 本文首先对腈纶纤维的生物酶表面改性的工艺条件进行了优化。主要优化的 工艺参数为：助剂、温度、p h 值、时间、摇瓶的转速、酶浓度。检验腈纶纤维 表面吸湿性及抗静电性变化的性能参数为：回潮率、体积比电阻、静电压半衰期、 接触角以及酸性染料在艚纶纤维上的k s 值。测试表明：经酶处理改性的腈纶纤 维上述各项性能指标均有较大的改善。 为提高腈水合酶对腈纶纤维表面氰基的可及度，增强腈纶纤维的生物酶改性 效果，本文选用了碱处理和有机溶剂处理两种预处理方法。 碱处理是通过n a o h 的水解作用使腈纶纤维上的部分氰基水解成羧基，削弱 腈纶大分子链间的作用力，并通过新形成的羧基间的库仑斥力扩大分子链间隙， 以提商酶分子和腈纶纤维表面上氰基的接触几率，从而增强酶的催化水解作用。 实验结果表明：碱法预处理可以在一定程度上提高酶改性效果，但是该预处理方 法存在一定的弊端。首先，高温下腈纶上的氰基在碱性条件下水解释放出的氨会 与未被水解的氰基反应生成脒，该基团会使纤维泛黄；其次，碱性条件下腈纶纤 维中的第二单体一酯也会发生部分水解，导致腈纶纤维的手感变差；最后，氰基 在碱性条件f 的水解程度很难控制，如果纤维内部的氰基也发生部分水解可能会 导致腈纶纤维某些优异的物理机械性能的降低。 根据“相似者相容”的原理，本文选取了五种溶解度参数与聚丙烯腈相似的 有机溶剂对腈纶纤维进行预处理，通过腈纶纤维表面的膨化和塑化作用，增强腈 水合酶对纤维表面的氰基的催化水解作用，从而改善腈纶纤维的表面改性效果。 实验结果表明：经过溶剂预处理和酶整理后，腈纶纤维的吸湿性和抗静电性均得 到很大提高，五种溶剂中苯甲醇对酶改性效果的促进作用最大。本文还对苯甲醇 的预处理工艺条件进行了正交优化。经测试：所得预处理及酶处理的腈纶纤维的 表面吸湿性及抗静电性等各项性能指标均得到较大幅度的提高。 关键词腈水合酶腈纶纤维发面改在亲水性抗静电可染性 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 e n z y m a t i ca p p l i c a t i o n i nt h es u r f a c e m o d i f i c a t i o no f p o l y a c r y l i c f i b e r s a b s t r a c t e n z y m e h a sv e r yp a r t i c u l a ra n de f f i c i e n tc h a r a c t e ro f c a t a l y s i sa n d w i l ln o t1 e a dt o p o l l u t i o n ，s o i t s a p p l i c a t i o n i nt e x t i l e p r o c e s s h a sab r o a df u t u r e a st ot h e m o d i f i c a t i o nm e a n so fp o l y a c r y l i cf i b e r s ，t h et h e s i sh a sc o n t r a s t e dt h ee n z y m a t i c m e a n sw i t ht h et r a d i t i o n a lo n e s ，a n dm a d ear e s e a r c ha b o u tt h ea p p l i c a t i o no f e n z y m e i nt h es n r f a c em o d i f i c a t i o no fp o l y a c r y l i cf i b e r s t h em a i nm o d i f i c a t i o np r i n c i p l ei s t h a tt h en i t r i l eg r o u p so nt h es u r f a c eo fa c r y l i cf i b e r sc o u l db es e l e c t i v e l yh y d r o l y z e d t ot h e c o r r e s p o n d i n g a m i d i c g r o u p sb yn i t r i l eh y d r a t a s e f r o ma r t h r o b a c t e r s p e c u l l 0 1 t h et h e s i sh a so p t i m i z e dt h ep r o c e s sp a r a m e t e r so fe n z y m a t i cm o d i f i c a t i o na t f i r s t t h em a i np r o c e s sp a r a m e t e r sa r ea sf o l l o w s ：s i l l f a c t a n t s ，t e m p e r a t u r e ，p h ，t i m e ， r o t a t e s p e e d o ff l a s k s ， e n z y m a t i c c o n c e n t r a t i o n s a t i e rm o d i f i c a t i o nt h e h v d r 0 d h i l i c i t i e sa n dt h ea n t i s t a t i cp r o p e r t i e so f t h ef i b e r sh a v ea l s ob e e ni m p r o v e d i no r d e rt os t r e n g t ht h ec o n t a c to fe n z y m ew i t hf i b e r s ，t h et h e s i sh a st a k e nt h e p r e t r e a t r n e n tb ym e a n s o fa l k a l ia n do r g a n i cs o l v e n t s a l k a l ip r e t r e a t m e n tc a r lm a k eal i t t l ea r n o n n to fn i t r i l eg r o u p so fa c r y l i cf i b e r s h y d r o l y z ea n df o r mc a r b o x y lg r o u p si nt h ea l k a l ic o n d i t i o n w h i c he a r lw e a k e nt h e f o r c eb e t w e e nt h em o l e c u l e so nt h es t i r f a c eo fa c r y l i cf i b e r sa n de n h a n c et h er u l eo f e n z y m et os o m ee x t e n t b u tt h em e a n sw i l lc h a n g et h ef i b e r si n t oy e l l o wc o l o ra n d m a k et h eh a n d l ew o r s e i na d d i t i o n t h ea l k a l ih y d r o l y z a t i o ne x t e n ti sd i t t i c u l tt o c o n t r o l ，w h i c hm a y b el e a dt od e s t r o ys o m ee x c e l l e n tp h y s i c a lf e a t u r e so f a r y l i cf i b e r s p r e t r e a t m e n to fs o m ek i n d so f o r g a n i cs o l v e n t sc o u l dh e l pt h ea c r y l i cf i b e r st ob e m o r ea c c e s s i b l et on i t r i l e h y d r a t a s e a n de n h a n c e e n z y m a t i c m o d i f i c a t i o n f r o m e x p e r i m e n t a t i o n w ec a nc o n c l u d et h a tb e n z y la l c o h 0 1i st h eb e s ts o l v e n tt op r o m o t e t h ee n z y m a t i cm o d i f i c a t i o nt h e nt h et h e s i sh a so p t i m i z e dt h ep r e t r e a t m e n tc o n d i t i o n s t o o i nt h ee n d ，t h ef i b e r sw a st r e a t e di nt h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n so f p r e t r e a t m e n ta n d e n z y m a t i cm o d i f i c a t i o n t h em o d i f i e da c r y l i cf i b e r sb e c a m em o r eh y d r o p h i l i ca n d a n t i s t a t i c ，w h i c hw e r es h o w nb yt h ec h a n g eo fh u m i d i t yr e g a i n ，w a t e rc o n t a c ta n g l e a n dh a l f - d e c a yt i m e s b e s i d e st h o s e ，t h ea m i d eg r o u p sf o r m e dd u r i n ge n z y m a t i c m o d i f i c a t i o ne n a b l e dt h ea c r y l i cf i b e r st ob ed y e dw i t ha c i dd y e s y i n x u ( a p p l i e dc h e m i s t r y ) s u p e r v i s e db yd a n i a nl u k e y w o r d s ：n i t r i l eh y d r a t a s e ，a c r y l i c f i b e r s ，s u r f a c em o d i f i c a t i o n ，h y d r o p h i l i c i t y a n t i s t a t i c ，d y e a b i l i t y 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进行研究i 作所取得的成果。除文中已明确注明和；用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的 乍品及成果的 _ i = | 容。论文为本人亲自撰写，我列 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：；年娴 日期：m 4 年月r 日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定。同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可 蛆将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位沦文属于 不保密口。 学位论文作者签名：年勃司 日期：知m 4 年月，妇 指导教师签名：似玮 日期：弘p z f 年) 月珀 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 第一章引言 1 1 概述 自从1 9 5 0 年杜邦公司开始工业化生产腈纶以来，腈纶以其优异的强度、膨 松的外观、鲜艳的色泽得到了人们的钟爱，迅速成为世界上合纤的三大主要品 种之一。它的许多性能与羊毛相似，甚至超过羊毛，被人们称为“合成羊毛” 或“人造羊毛”。但由于它是疏水性纤维，吸湿性差，易起静电，其穿着舒适 性远远不及羊毛，从而限制了它的进一步发展。 为了适应腈纶生产的迅速发展，满足人们对于高品质面料不断增长的需 求，寻求对腈纶进行直接改性的方法，使其具有天然纤维般的吸湿性和抗静电 性就成为世界各国化学纤维和染整工作者研究的重要课题。 传统的腈纶抗静电改性工艺根据其作用机理可分为两种：化学改性和物理 改性忆 1 ，2 化学改性 纤维的带电现象，本质上是由于电荷的产生速度大于其逸散速度所造成。 增加纤维的导电性能即减小纤维的电阻，是防止静电发生的有效措施。 丙烯腈纤维般由三部分组成：以丙烯腈为主( 8 5 ) ；为改善纤维手 感加入的第二单体如丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯酯约为1 0 ：为 提高其染色性能加入的第三单体如衣康酸、甲基丙烯磺酸钠等含量约为1 。1 2 腈纶不像涤纶与丙纶那样没有亲水性极性基团，它的分子上存在着大量强 极性基团氰基。本来氰基也可以通过氢键与水分子发生缔合，但事实上腈纶的 吸湿性很差，这是因为腈纶纤维的大分子呈不规则的螺旋状空间立体构象，同 一大分子上相邻氰基之间因极性方向相同而相互排斥，而相邻大分子的氰基之 间因极性方向相反而以偶极配对键互相吸引。同时，由于氰基的极性具有很强 的负诱导效应，使氰基所联结的叔碳原子的碳氢键被极化，腈纶分子之间又可 以形成很强的偶极性氢键。氰基的偶极效应和负诱导效应使它们中的绝大部分 无能力再与水分子建立氢键的缔合了，所以，在腈纶中真正能吸引水分子，通 过氢键而与水分子缔合的只有少数分布在纤维表面的没有形成偶极配对键和偶 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 极性氢键的自由氰基。腈纶的吸湿性比较差，在合成纤维中属中等。在标准条 件下，腈纶纤维的凰潮率为i 2 20 ，即使捐对湿度提高到9 5 ( 2 0 时) ， 固潮率也仅约1 5 3 0 。纤维的回潮率主要决定于纤维的分子结构和超分子结 构，因此在不同相对湿度的空气中纤维的拉伸性能变化不大，并且在水中的溶 胀较小。 性能是结构的宏观体现，比较腈纶纤维与棉纤维的结构不难发现，正是由 于腈纶缺乏亲水性基团，回潮率低，所以导电性能比天然纤维差( 见表1 ) 。 腈纶等疏水性台纤的体积比电阻为1 0 q m ，比棉纤维离达1 0 0 万倍。一般认 为，如果体积比电阻降低到1 0 7 1 0 s f 2 m ，大多数情况下，可使其引起的静电闽 题减少到可控制的范围内。 表1腈纶与其他纤维的回潮率和体积比电阻 1 21 大分子结构亲水共聚改往 通过与丙烯酸、乙烯基吡啶和二羰基吡咯化合物等亲水性单体共聚，在大 分子的基本结构中引进大量亲水性基团。 该方法虽能显著改善腈纶的抗静电性。但由于大分子主链结构发生变化， 势必影响到腈纶的物理机械性能，顾此失彼，不宜采用。 1 2 、2 表面接枝酚l 生 聚丙烯腈可与甲基丙烯酸等亲水性单体接枝共聚，改善其吸湿性。该工艺 的缺点是亲水性物质接枝的量不易控制。量少则效果不明显，量多则会使腈纶 丧失原有的一些优良性质，如手感变差，染色牢度下降等。 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 1 2 3 氰基水解改性 在强酸性或碱性条件下腈纶纤维表面的部分氰基发生水解，得到亲水性基 团酰胺基，如果进一步在酸性高温或过氧化氢存在的碱性条件下水解，可得到 亲水性基团羧基。也i l + 采用增加丙烯腈共聚物中第二单体丙烯酸甲酯含量的办 法，因为这种聚台物的纤维经过碱处理，酯就被水解成酸，最终达到在丙烯腈 大分子中引进羧基的目的。 以上方法虽然可有效改善腈纶纤维的抗静电性，但在高温、强酸、碱、氧 化剂处理条件下，不仅纤维表面的氰基发生水解，大分子主链上的氰基也会发 生不同程度的水解，造成纤维的物理机械性质发生变化，强度和手感都有明显 下降，且纤维易泛黄，由此带来的废水污染也不容忽视。 1 24 用抗静电剂表面改性 用抗静电剂( 多为聚醚类或离子型表面活性剂) 处理纤维。表面活性剂分 子在纤维表面定向排列，亲水基朝外，在纤维表面形成一层连续的亲水性薄 膜，从而提高纤维的吸湿性能和导电性能。 该工艺操作简单，成本低廉，能够在基本保持纤维原有物理机械性能的情 况下，提高纤维的抗静电性。但该种整理效果的耐久性差，特别是耐洗涤性 差，且常常使纤维的力学性能或手感、色调变差，也不十分理想。 1 3 物理改性 1 31 共混纺丝 在纺丝之前，把亲水性物质混入高聚物熔体或高聚物浓溶液中，然后按常 规方法进行纺丝。该种方法工艺实施存在困难：选择的亲水性物质要与丙烯腈 具有相同的熔融条件、能在同一凝固浴中成形、力学性质和热学性质相似。否 则，复合纤维易发生剥离。同时，两者的比例应适当，亲水性物质偏少，改性 不明显：亲水性物质偏多，腈纶的原有性质得不到保证。 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 1 3 2 纤维结构微子l 化 由于聚丙烯胯纤维是用原液经湿法或干法纺丝来制造的，在纺丝之前将低 分子物、低聚物或高聚物与聚丙烯腈充分混合，制成纺丝溶液，通过控制纺丝 过程中溶剂脱除的条件，比较容易实现纤维的微细孔化。或者在纺丝原液中添 加可溶性物质，在后加工中在将之溶解掉，也是一种形成微细孔的有效方法。 该类方法可利用毛细效应显著提高纤维的吸水性，但对于纤维吸湿性、抗 静电性的改善微乎其微。 1 3 3 与导电纤维共混 人们也曾尝试在腈纶纤维中混入少量导电纤维( 如炭纤维) ，使产生的静 电荷迅速逸散，从而赋予纤维抗静电效能。但因为导电纤维的着色性能差，该 方法不适于服用面料加工，从而限制了它在纺织服装领域的应用。 1 4 酶催化表面改性 近年来，随着“绿色生产”呼声的提高，生物酶在纺织、染整工业上的应 用日渐提高。酶是一种生物催化剂，它具有高度的专一性，其催化效率高( 比 一般催化剂高1 0 3 1 0 1 3 倍) ，催化反应条件温和，催化活性可调节控制，而且 酶本身又无毒，容易生物降解，排放污水少，不会引起环境污染，所以生物酶 加工工艺作为绿色生产工艺具有极大的发展潜力1 4 】。国内外的科研工作者对于 天然纤维用酶，如纤维素酶、淀粉酶、果胶酶、蛋白质酶、脂肪酶等酶的研究 已较深入，其中部分酶制品已成功地应用到纺织工业中。相对而言，人们对于 生物酶在合成纤维改性方面的研究还很欠缺。 141 腈转化酶的种类及作用机理 早在三十年代，为了解释一些化学合成的氰基衍生物对植物生长的促进作 用，就有人提出某些植物器官能将氰化物转化成酸。哈佛大学的t h i m a i m 和 m a h a d e v a n 认为这是一个酶促反应，并于1 9 6 4 年从大麦叶子中正式分离到这个 酶，定名为腈水解酶( n i t r i l a s e ) p j 。1 9 8 0 年，a s a n o 首次报道了种可与酰胺 酶一起降解乙腈的酶，定名为腈水合酶( n i t r i l eh y d r a t a s e ) 6 1 。 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 通常所说的广义的氰基转化酶即包括上述的腈水解酶、腈水合酶、酰胺酶 三种酶。目前已筛选出很多产催化腈水解的酶类的微生物菌株( 如表2 所示) 【7 】， 有些已用于工业生产丙烯酰胺。 表2催化腈水解的酶类 酶类菌株 腈水合酶 腈水解酶 腈水台酶和 腈水解酶 r h o d o c o c c u ss p 3 6 1 ，r h o d o c o c c u s e q u it g 3 2 8 ，r h o d o c o c c u ss p n c i m b l 2 2 1 r h o d o c o c c u s s pd s m 113 9 7 ，r h o d d o c o c c u s s p n 一7 7 1 ，r c h l o r o r a p h i sb 2 3 ， b a c i l l us p a l l i d u sd a c 5 2 1 ，b r e v i b a c t e r i u m s p r 3 1 2 r h o d o c o c c u sr h o d o c h r o u sp a 一3 4 ，a l c a l i g e n e s sf a e c a l i sa t c c 8 7 5 0 ， r h o d o c o c c u sr h o d o c h r o u sk 2 2 ，a l c a l i g e n e sf a e c a l i sj m 3 ，a c i n e t o b a c t e rs p a k 2 2 6 n o c a t r d i ar h , t o d o c h r o u s r h t o d o c o c c u sr h o d o c h r o u si f 0 1 5 5 6 4 ，r h o d o c o c c u sr h , t o d o c h r o u sj 1 ， r h o d o c o c c u ss p a j 2 7 0 、r h o d o c o c c u sn c i m bl1 2 1 6 腈转化酶作为一种生物催化剂，不仅可降低能耗、节省能源，而且由于氰 基转化酶多为大分子蛋白质，腈纶分子结构致密，所以酶主要催化水解腈纶纤 维表面的氰基，不致于影响纤维大分子主链的结构，以致改变腈纶纤维原有的 优异的物理机械性能。最重要的是，随着人们对于生态保护的日益重视，腈转 化酶作为一种生物蛋白，易降解，无污染，可从很大程度上减轻后期废水处理 的负荷。 现有的研究表明，腈化物在腈转化酶作用下的水解途径有两种：一是通过 腈水解酶( n i t r i l a s e ) 直接将氰基转化为羧酸( 方程式1 ) ：二是先通过腈水合酶 ( n i t r i l eh y d r a t a s e ) 将氰基转化为酰胺，再通过酰胺酶( a m i d a s e ) 的作用转化 成羧酸阁( 方程式2 ) 。 n i t r i l a s e r c n 十2 h2 0 + r - , c o o h + n h 3 ( ! ) n i tr j l e a m i d a s e r - c n + h2 0 骘r - c o n h 2 当r - c o o h + n h3 ( 2 ) 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 腈水解酶和腈水合酶是两种不同的酶，它们不仅来源不同，而且结构和反 应机理显然不同。腈水合酶由两个亚单位( a 、1 3 ) 组成，并含有三价铁或钻 离子，这些离子与。亚单位结合形成的活性中心位于n 、b 亚单位的交界处， 对腈的水解起催化作用，而腈水解酶不含有金属离子，活性中心由一个半胱氨 酸残基起催化作用“1 。有关腈的酶法水解反应机理虽已建立，但它们仍然不能 完全清楚地解释不同微生物细胞中的酶催化过程。迄今，发现的能催化腈水解 的酶都是胞内酶，它们的底物专性、立体选择性、分子量、底物和产物的抑 制特性有很大的差异，有待于进一步深入研究。 最初人们认为腈水解酶能用来水解芳香族腈化合物和不饱和脂肪族腈化 物，而脂肪族腈化物则是由腈水合酶与酰胺酶共同作用水解的。但从近年的研 究看来，这种看法未免简单化，实际上腈化物的反应途径取决于底物的立体因 素及电子因素”。 1 42 影晌酶催化腈水解的主要因素1 1 4 21 底物和产物的抑制 底物和产物的抑制作用会大大降低酶的催化活性。当底物的浓度超过 2 0 0 5 0 0 m m o l l 时，就会抑制酶的催化活性，并使酶迅速发生不可逆失活。底 物的抑制作用可以通过控制底物的浓度来克服，如周期性或连续性的向反应体 系中流加底物，使酶催化反应保持在恒定的低底物浓度下进行。底物和产物的 抑制作用还可以通过优化酶的生产来解决，如在产酶培养基中添加诱导物，提 高产酶量。然而，在大规模的工业生产过程中，产物的抑制问题较难解决，这 可能会妨碍腈化物酶法水解的广泛应用。 对于那些在水相中溶解度较低又抑制酶催化水解的底物和产物，可以用有 机溶剂如烷烃、醚和酯等作为反应介质，这不仅2 解除底物和产物对酶的抑制 作用，而且能增大腈化合物的溶解性，大大提高反应速度。因此，研究酶在非 水体系和水一有机溶剂两相体系中的对氰的催化水解具有很大的理论意义和应用 价值。 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 1 4 ，2 2 反应介质的影响 s h e l l 等人用微生物细胞r h o d o c o c c u ss p n c i m b1 2 2 1 产的腈水合酶，在含 有9 95 正庚烷的介质中催化2 ，6 一二氟苯腈，水解生成的2 ，6 - 氟苯酰胺，产 率达到9 0 以上，而以水相为介质时，底物发生了副反应，无法得到所需产 物；又如a 一羟基氰( 氰醇) 在水溶液中很不稳定，易发生副反应生成醛或酮， 难以得到目的产物羧酸及衍生物；另外，氰醇在水相中分解产生的氢氰酸对腈 水合酶有抑制作用。但以微水有机溶剂( 如乙酸乙酯、异丁醚等) 为反应介 质，就可以克服以上缺点，获得光学活性羧酸及其衍生物”。w i l l e t t s 等人研究 了腈在微水相中的酶催化水解反应，发现微生物r h o d o c o c c u ss p d s m l l 3 9 7 产 的腈水台酶在l o g p 值大于4 的有机溶剂( 如碳原子数为8 1 6 之间的脂肪族烷 烃) 中仍然保持很高的活性，能催化外消旋腈化合物水解转化成光学活性羧酸 和酰胺”“。可见，反应介质对酶催化腈水解反应的选择性、反应速度、酶的稳 定性等均有很大的影响。 1 423 温度的影响 温度对酶的作用具有双重影响，一方面与一般的化学反应一样，在一定范 围内提高温度可以加速酶与底物的反应：另一方面，由于酶是一种生物蛋白， 温度过高可以加速酶蛋白的变性，导致酶的失活。在p h 值、底物浓度等其他 条件一定的情况下，每一种酶都有它的最佳作用温度。多数酶的温度一活力曲 线为钟罩型，但需要注意的是，以一定底物测得的某种酶的最佳作用温度，在 其处理织物时会发生一定偏移。所以，使用商品化的酶制剂处理织物时，一定 要以处理织物的品质如毛效、白度、毡缩性等对温度做曲线，以确定其最佳作 用温度。 1 4 2 4p h 值的影响 p h 值对酶活性的影响也极为显著。通常，酶只有在一定的p h 值范围内才 表现出活性，在特定条件下都有其最佳p h 值，p h 值可以通过各种因素影响酶 的活性，这是因为在酶的活性部位具有很多的酸型或碱性氨基酸的侧链基团， 它们司随着p h 值的变化而发生解离，并处于不同的正负高价离子或等电荷状 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 态，它们将直接影响到酶的活力及酶与底物的亲和力，而酶要表现活性，它的 活性部位和结合部位各有关基团都必须具有一定的解离形式，才最适合于酶与 底物的作用，表现出最高的活性。同时，p h 值还可能影响底物的解离状态并影 响反应系统中其他组份的解离状念，从而影响酶促反应。另外，因为酶的化学 本质是蛋白质，在过酸或过碱的条件下会使酶的空间结构破坏，使酶的蛋白质 变性，引起酶的活性丧失，因而p h 值对酶的稳定性的影响不可忽视。 1 42 5 超声波的影晌 超声波与声波一样，是物质介质中的种弹性机械波。超声波在物质介质 中形成介质离子的机械振动，这种含有能量的超声振动在亚微观范围内引起的 机械作用有：机械传质作用、加热作用和空间作用。 超声波对酶反应的影响在不同条件下结果有很大的不同，甚至完全相反。 通常人们采用较高强度的超声波破碎或使酶失活，然而许多研究发现在较低强 度的超声波强度下，不会破坏细胞的完整结构，而可增强其代谢过程及增加细 胞膜的透性和选择性。同时较低强度的超声波可促进酶的生物催化活性，这主 要源于超声波的空化、振荡作用，可使酶分子构想及催化部位微环境发生变 化，影响了酶的催化活性；同时振荡加速了底物与酶的接触和产物的释放，使 催化反应速度提高。用超声波协同酶催化反应时所采用的超声波声功率不宜过 大，否则将使酶失活。 1 4 26 表面活。| 生剂的影晌 u e d a 等人证明了阴离子和阳离子表面活性剂对纤维素酶的抑制作用，但非 离子型表面活性剂没有这种性质。k a y a 等人的研究工作较详细的检测了表面活 性剂对纤维素酶水解作用的影响。他们断定，表面活性剂特别是非离子型的， 通过减小结合强度，有利于酶在纤维上移动，酶可以较容易的解吸并移动到其 他结合位置上；而且非离子表面活性剂可以减小纤维的表面引力，帮助酶向微 孔或裂隙渗透，并帮助他们向着对催化作用有利的位置取向。在酶的催化作用 完成以后，它们可咀重新进入溶液中，再在非离子表面活性剂和机械搅动的帮 助下，去连接新的位置。纤维素酶的活性随着几乎所有非离子型的浓度的增大 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 而增加。阳离子型表面活性剂在低浓度时可以提高酶的活力，但阴离子型通常 起着抑制剂的作用。 1 43 腈转化酶在聚丙烯腈纤维改性方面的应用 葡萄牙的学者m m t a u b e r 等，用红球菌r r h o d o c h r o u s n c i m b1 1 2 1 6 的细胞粉碎液处理p a n 颗粒( 4 0 和1 9 0 k d a ) 和第二单体为乙烯基乙酸酯的聚 丙烯腈纤维。结果发现，p a n 4 0 和p a n l 9 0 的氰基都部分转变为相应的羧基， 而腈纶纤维的氰基仅水解成酰胺基。这一实验结果显示：r r h o d o c h r o u s n c l m b11 2 1 6 产生的腈水合酶将腈纶纤维表面的氰基水解成酰胺基，而生成的 酰胺基与酰胺酶没有发生作用 1 ”。据报道，红球菌r r h o d o c h r o u sn c i m b 1 1 2 1 6 和a j 2 7 0 产生的酰胺酶比腈水合酶具有更高的立体选择性，无法催化腈 纶纤维表面的酰胺基水解| l ”。 究其原因，是腈纶大分子之间的聚集态结构在起作用。腈纶大分子呈不规 则的螺旋状空间立体构象，同一大分子上相邻大分子之间的氰基因极性方向相 同而相互排斥，而相邻大分子之间的氰基因极性方向相反而以偶极配对键互相 吸引。同时，由于氰基的极性具有很强的负诱导效应，腈纶分子之间又可以形 成很强的偶极性氢键。所以，腈纶无序区的序态规整程度比一般高分子高。正 是由于腈纶的这种高序态的超分子结构阻碍了酰胺酶对腈纶纤维的可及度坫 。 意大利的学者e z i ob a t t i s t e l 等用短杆菌b r e v i b a c t e r i u mi m p e r i a l e 和棒状杆 菌c o r y n e b a c t e r i i u mn i t r i l o p h i l u s 制得的粗酶液处理聚丙烯腈纤维，并用x p s 法 ( x 射线光电子光谱) 对改性后的腈纶纤维进行表面元素分析，发现纤维表面 部分氰基选择性水解为酰胺基。改性后的腈纶纤维吸湿性、抗静电性及酸性染 料可染性均有显著提高【1 7 j 。 5 本文的研究内容 本文通过腈水合酶对腈纶纤维表面氰基的催化水解作用来改善腈纶纤维的 吸湿性及抗静电性。研究内容主要是优化腈水合酶处理腈纶纤维的工艺条件， 以及筛选较好的纤维预处理方法，并对预处理的工艺条件进行优化。 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 第二章实验部分 弟一草 头妊部分 2 1 实验仪器和药品 2 1 1 主要实验药品 名称纯度生产厂家 酵母浸膏生化试剂br 中国医药集团上海化学试剂公司 糊精分析纯a r 中国医药集团上海化学试剂公司 蛋白胨生化试剂b r 中国医药集团上海化学试剂公司 蔗糖分析纯a r 上海试剂厂 麦芽糖生化试剂b r 中国医药集团上海化学试剂公司 硫酸铵分析纯a r 中国上海四厂 牛肉浸膏生化试剂b r 中国医药集团上海化学试剂公司 n ，n 一二甲基乙酰胺化学纯c p 中国医药集团上海化学试剂公司 丙腈化学纯c p 上海试剂一厂 乙腈分析纯a r ， 中国医药集团上海化学试剂公司 丙烯腈化学纯c p 上海试剂三厂 苯甲腈化学纯c p 中国医药集团上海化学试剂公司 吐湿- 8 0工业纯 上海试剂总厂 j f c工业纯 上海文山化工颜料行 平平加o生化试剂b r 佛山市化工实验厂 o p 一1 0工业纯 普拉红b lc i b a 普拉兰r lc i b a 麦西隆红s lc i b a 麦西隆蓝s lc i b a 酸性红b天津染料三厂 酸性蓝b g a 天津染料三厂 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 2 1 2 主要实验仪器 电脑测色配色仪d a t a c o l o rs p e c t r a f l a s hp l u s c o l o rs y s t e m s i n c 纤维比电阻仪 y g 3 2 1常州纺织仪器厂 接触角测定仪 j y 8 2承德市验机有限责任公司 织物感应静电测试仪l f y 一4 b山东省纺织科学研究院 回转式恒温调速摇瓶柜 y p w i上海通特电讯设备厂制造 高温染色机 r y 一2 5 0 1 2上海隆达化工公司 超级恒温器上海市实验仪器厂 8 0 0 型离心沉淀器上海手术器械厂 干燥箱上海市实验仪器总厂 振荡培养箱 b s 1 e金坛市富华电器有限公司 手提式压力蒸汽灭菌器上海医用核子仪器厂 恒温磁力搅拌器 8 5 2上海青浦沪西仪器厂 旋涡混合器x w 一8 0 a上海琪特分析仪器有限公司 7 5 2 型紫外分光光度仪上海精密科学仪器有限公司 x p s 分析测试仪 p h l 5 5 0 e a c s a m上海测试中心 2 2 实验材料 腈纶纤维由金山腈纶部提供，未经消光处理。第一单体丙烯腈，第二单体 丙烯酸甲酯，第三单体丙烯磺酸钠。 2 3 酶整理工艺 腈纶纤维精炼一溶剂预处理一酶处理一充分洗涤一烘干 2 3 1 腈纶纤维的精炼 非离子净洗剂 2 9 l 温度 9 0 。c 浴比 1 ：5 0 时间6 0 m i n 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 2 3 ，2 酶整理工艺优化条件 温度 4 0 浴比 1 ：4 0 时间4 8 h j f c0 1 ( v v ) p h 7 0 转速1 6 0 r m i n 酶浓5 ( v v ) 2 3 3 酸性染料、阳离子染料染色工艺 酸性染料染浴组成： 酸性染料2 ( o wf )n a 2 s 0 4 5 浴比 l ：4 0 p h 值( h a c - n a a c )4 5 ( 弱酸性染料) j f c 0 1 d h 值( 硫酸)2 0 ( 强酸性染料) 弱酸性染料染色升温曲线： 6 0 强酸性染料染色升温曲线 阳离子染料染浴组成： 阳离子染料 0 5 ( o w f ) 浴比 1 ：4 0 阳离子染料染色升温曲线 1 2 2 7 p h o 1 4 5 水洗 水洗 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 水洗 2 4 测试方法 2 4 1x 射线光电子能谱分析( x p s ) 因为生物酶分子较大，而腈纶大分子排列紧密，酶分子难以进入纤维内 部，仅有纤维表面的部分氰基发生水解，发生水解反应的氰基只占纤维中氰基 总量的很少一部分，红外光谱、质谱等测试手段无法准确有效的表征酶对腈纶 纤维的改性程度，而x p s 法( x 射线光电子能谱) 可以分析纤维表面6 纳米左 右深度的元素组成，是测试纤维表面改性程度的最佳手段。不同元素的化学位 移不同，可根据x p s 谱图中原子谱线的化学位移判断元素性及其周围电子环 境。元素的电负性越强，结合能越大，化学位移增大。因为电负性强的结合原 子( 如o 、n 、f ) 降低了c 原子价键轨道上的电子密度，从而减少了核电荷对 内层电子的屏蔽作用，增加了它们的结合能，因此可以根据原子谱线的化学位 移来分析其周围的电子环境。此外，x p s 分析法还可对固体表面元素百分含量 做半定量分析，根据元素谱线的面积大小计算各种元素在固体表层的相对含 量。本实验采用了p h i5 5 0 0e a c a 系统( x v = 1 0 k v ，w x = 4 0 0 w ，e p = 5 0 e v ， m g 靶) 对改性前后的腈纶纤维表面c 、n 、o 元素组份含量的变化进行了分 析，并由谱图的化学位移推断出氰基水解形成的是酰胺基还是羧基。我们在本 实验中对未处理和经酶处理的腈纶纤维进行x p s 分析，从而定性分析酶处理引 起腈纶纤维表面元素c 、n 、o 的变化，进一步推断基团的变化。各元素百分含 量计算方法如下： c ，= l 。 7 s ； i i ? 石| c x ：x 元素的原子百分浓度； i x ：x 元素对x p s 峰高或峰面积 s x ：x 元素的相对灵敏度因子 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 表2 1x p s 有关参数 注：x f l o k v ，x i = 4 m a ，w x = 4 0 0 w ，e v = 5 0 e v ，m g 靶 2 42 回潮率的测定【1 8 j 根据g b t1 4 3 4 1 9 3 ，将腈纶纤维在1 0 5 。c 11 0 。c 温度下烘至恒重，称干重 w o ，然后在2 0 。c ，相对湿度6 5 的标准条件下平衡2 4 小时，称重w t 。 回潮率= ( w t - w o ) w 0 1 0 0 。 ( 2 ) 纤维的回潮率越高，吸湿性越强，抗静电能力越强。 2 ，4 3k s 值自每测定 染色纤维的k s 值用电脑测色配色仪( d a t a c o l o rs p e c t r a f l a s hp l u s ) 测得， 为减少测试误差，每份测试样品耿多点分别测其k s 值，直至偏差在0 0 1 以 下，取其平均值。 如果酶处理后腈纶纤维上的氰基水解得到相应的酰胺基，在酸性染浴中纤 维结合质子带正电荷，可与带负电的酸性染料通过离子键紧密结合，从而提高 酸性染料在酶改性腈纶纤维上的上染能力，表现为相应的k s 值提高。如果酶 催化氰基水解生成羧基，同样带负电的腈纶纤维与酸性染料相互排斥，改性后 腈纶纤维的酸性染料得色能力反而会更低，表现为k s 值下降 1 9 】。 2 4 ，4 接触角的测定 分别从每份待测纤维中选取l o 根纤维，以蒸馏水作液相，用j y 一8 2 接触角 测试仪测试纤维和蒸馏水的接触角，并取平均值。 接触角也反映了改性后腈纶纤维的吸湿性能，即接触角越小，纤维的吸湿 性越强，反之，吸湿性越差。 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 2 45 纤维体积比电阻的测定 称取在标准条件下达到吸湿平衡的纤维1 5 9 ，用y g 3 2 1 纤维比电阻仪测其 体积比电阻。测试中如有读数不断增大现象，读取通电1 分钟后的读数。 体积比电阻( p 。) 反应了纤维的导电性能与抗静电性能，即体积比电阻越 小，纤维的导电性能、抗静电性能越强；反之，纤维的导电性能、抗静电性能 越差。 24 6 静电压半衰期的测定 取一定质量的待测纤维3 份，均匀缠绕在6 x 8 c m 的纸片上，测试前在恒 温恒湿箱内平衡6 个小时。利用电晕放电机理使试样带电，记录最大静电压值 及该电压衰减至一半时所需的时间。试验用大气条件：相对湿度3 5 士5 ，温度 2 0 土2 ，测试前纤维应先进行消静电处理。 用静电压半衰期t 1 2 表征静电荷在纤维上的逸散能力，它是衡量纤维消除静 电荷性能的一个重要指标，也说明了纤维的导电性能强弱，半衰期越小，说明 纤维的导电性能及抗静电性能越强。 2 4 7 保水率 保水率是单位绝干重量纤维所含有的不能用机械方法除去的水分，以重量 百分率表示。保水率是纤维吸水性能强弱的体现，通常吸湿性强的纤维，其保 水率也较大。 n ( ) = ( ( g r g ) g ) x 1 0 0 n 是保水率，g 。是经一定机械方法去除水份后纤维的重量，g 是绝干纤维的 重量。 美国材料试验标准和德国工业标准中对保水率的测试方法都采用离心法， 二者主要差异在于水中浸渍时间和离心时间不同。本实验参照美国材料实验标 准a s t md 2 4 0 2 6 9 测试保水率。具体步骤：将1 克左右的腈纶纤维在标准状态 下浸没在4 0 m l 蒸馏水中，纤维必须浸没达到完全充分润湿，时间为l h 。自然 状态下排水2 3 m i n 后，在3 0 0 0 r p m 离心脱水t 5 t a i n ，将离心管底部水倒出， 生物酶在腈纶纤维表面改性中的应用研究 继续在相同条件下脱水4 5 m i n ，离心结束后称重g 。将离心称重后的纤维在 1 0 5 1 1 0 。c 烘干2 h ，移入干燥箱内冷却3 0 m i n 至室温，称重g ，计算保水率。 2 4 8 腈水合酶活力测试方法 取ol m l 适当稀释的酶液，加入p h 值为7 0 的1 0 0 m m 磷酸钾缓冲溶液 2 6 m l ，在4 5 水浴中预热2 m i n ，迅速加入o 3 m t 浓度为o 2 m 的底物( 腈化合 物或酰胺类化合物) 溶液，振荡摇匀，并开始计时，在4 5 。c 恒温反应1 5 m i n 后 立即取出。用移液管迅速吸取l m l 反应液，移入装有3 5 m lb 液的试管中，并 随后迅速向该试