（纺织工程专业论文）紫外辐照改性聚丙烯纤维固定溶菌酶的研究.pdf

摘要 摘要 聚丙烯( p o l y p r o p y l e n e ，p p ) 从2 0 世纪6 0 年代初开始纤维级的研究与工业生产，经过 9 0 年代的高速发展，现已成为纺织工业的主要纤维之一。生产的各种制品不仅用于纺织和农 业，在医疗和卫生等领域也得到大量使用，但由于是疏水性纤维需将其进行改性。国内外关 于聚丙烯纤维改性的研究报导，大多集中在其表面接枝上亲水或反应性基团，而对改性后纤 维上进行生物酶固定化的研究还尚不多见。 本文经紫外辐照引发接枝甲基丙烯酸甲酯( m m a ) ，在聚丙烯纤维表面引入反应性基团酯 基，再通过与己二胺的酰胺化反应后用交联剂一戊二醛将改性后纤维表面的胺基与酶分子偶 联，实现了生物酶在改性聚丙烯纤维上的共价固定化。主要研究内容包括光接枝反应因素对 m m a 接枝效果的影响，酰胺化反应及酶固定化条件对溶茵酶固定化酶活的影响。联合红外 光谱( f t i r a t r ) 、扫描电镜( s e m ) 、原子力显微镜( a f m ) 对聚丙烯纤维改性效果进行分析表征。 最后，对聚丙烯膜的光接枝改性进行了初步的研究。 实验结果表明：对聚丙烯纤维光接枝改性的最佳工艺条件为，b p 用量为0 3 m o l l ；预照 时间8 m i n ：m m a 浓度为4 0 ( v v ) ；紫外辐照时间：6 0 r a i n 。改性后纤维进行酰胺化反应的 较优条件为，己二胺用量3 0 ；反应时间：2 h 。当采用共价交联法固定化溶菌酶时，戊二醛 用量为：2 ；溶菌酶：4 m g m l ，固定化时间为1 0 h 。m m a 的接枝效果会影响到表面胺基含 量，进而对固定化溶菌酶的酶活产生影响，当接枝率为1 6 9 时，固定化的溶菌酶具有较高 的酶活，为1 8 u c m 2 。而改性纤维在固定化溶茵酶后具有良好的抗菌性能，抑菌率为6 8 6 0 。 通过对比改性前后聚丙烯纤维的f t i r a t r 、s e m 、a f m 与考马斯蓝染色，证实m m a 确实 接枝在了聚丙烯纤维表面、改性聚丙烯纤维实现了溶菌酶的固定化。光接枝改性后的聚丙烯 纤维和聚丙烯膜都可以进行漆酶的固定化，且固定化后的漆酶具有一定的脱色效果。而接枝 率也会对固定化漆酶的脱色效率和操作稳定性产生影响。 关键词：聚丙烯纤维；紫外辐照接枝；甲基丙烯酸甲酯；酶固定化；抗菌效果；漆酶脱色 a b s t r a c t a b s t r a c t p o l y p r o p y l e n ef r o mt h e2 0 t hc e n t u r y , t h eb e g i n n i n go ft h e6 0 s f i b e r c l a s sr e s e a r c ha n d i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，a f t e r9 0y e a r st h er a p i dd e v e l o p m e n th a sb e c o m eo n eo ft h em a i nf i b e ro ft h e t e x t i l ei n d u s t r y h o w e v e r , d u et ot h en o n - p o l a rp o l y p r o p y l e n ef i b e rm a t e r i a l ，t h el a c ko fp o l a r m o l e c u l a rc h a i nf u n c t i o n a lg r o u p ，s h o w e dac e r t a i nd e g r e eo fc h e m i c a li n e r t n e s s ，a n dt h u sa l s ot o s o m ee x t e n tl i m i t e dt h es c o p eo fi t sa p p l i c a t i o n m o d i f i c a t i o no fp o l y p r o p y l e n ef i b e ra th o m ea n d a b r o a do nr e s e a r c hr e p o r t s ，m o s to f t h e mc o n c e n t r a t e di nt h eg r a f to nt h es u r f a c eh y d r o p h i l i co r r e a c t i v eg r o u p ，w h i l et h ef i b e r so nm o d i f i c a t i o no fi m m o b i l i z e de n z y m er e s e a r c hi ss t i l lr a r e i nt h i sp a p e r , i no r d e rt or e a l i z ee n z y m a t i cf u n c t i o n a l i z a t i o no fp pf i b e r s ，p pf i b e r sw e r e s u c c e s s i v e l ym o d i f i e db yu vp h o t o - i n d u c e dg r a f t i n go fm e t h y lm e t h a c r y l a t e ( m m a ) ，a m i d a t i o n r e a c t i o na n dl y s o z y m ei m m o b i l i z a t i o n t h e s t u d y i n c l u d e sl i g h ta n do t h e rf a c t o r so nt h e m m a - g g - r e s p o n s ee f f e c t ，a m i d a t i o nr e a c t i o na n de n z y m ei m m o b i l i z a t i o nc o n d i t i o n so nt h ea c t i v i t y o fi m m o b i l i z e dl y s o z y m ea c t i v i t y t h es t r u c t u r e sa n dm o r p h o l o g i e so ft h em o d i f i e df a b r i c sw e r e c o m p a r e du s i n gf o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t i r - a t g ) 、s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n da t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ( a f m ) f i n a l l y , w ea l s oh a dap r e l i m i n a r ys m d yo ft h eo p t i c a l f i l mo f p o l y p r o p y l e n eg r a f t e dc o n d u c t e d t h er e s u l td e m o n s t r a t e dt h a tt h eo p t i m a lc o n d i t i o n sf o rg r a f t i n gy i e l do np pf i b e rs u r f a c ew e r e a sf o l l o w s ：b pd o s a g e ：0 3 m o l l ，a c c o r d i n gt ot h et i m ep r e - 8 m i n ；m m ac o n c e n t r a t i o no f 4 0 ( v v ) ； u vi r r a d i a t i o nt i m e6 0 m i n m o d i f i e df i b e r st h eb e t t e ra m i d a t i o nr e a c t i o nc o n d i t i o n sw a st h ea m o u n t o fh e x a m e t h y l e n ec o n c e n t r a t i o n ：3 0 ( v v ) ，r e a c t i o nt i m e ：2 h w h e nc r o s s l i n k e d c o v a l e n t l y i m m o b i l i z e dl y s o z y m e ，t h ea m o u n to fg l u t a r a l d e h y d e ：2 ；l y s o z y m e ：4 m g m l ，f i x e dt i m e ：10 h t h e e f f e c to ft h eg r a f t e dm m aw i l la f f e c tt h es u r f a c ea m i n ec o n t e n t ，a n dt h u st h ea c t i v i t yo f i m m o b i l i z e dl y s o z y m eh a v ea ni m p a c t ，w h e nt h eg r a f t i n gy i e l dw a s1 6 9 o ft h el y s o z y m e i m m o b i l i z e dw i t hh i g ha c t i v i t yf o rl8 u c m 2 m o d i f i e df i b e r sa f t e rl y s o z y m ei m m o b i l i z e dw i t h g o o da n t i m i c r o b i a lp r o p e r t i e s ，i n h i b i t o r yr a t eo f6 8 6 0 b yc o m p a r i n gb e f o r ea n da f t e rm o d i f i e d p o l y p r o p y l e n ef i b e rf t i r - a t r ，s e m ，a f ma n dc o o m a s s i eb l u es t a i n i n gc o n f i r m e dt h a tm m a w a sg r a f t e di np o l y p r o p y l e n ef i b e rs u r f a c e ，a n dm o d i f i e dp o l y p r o p y l e n ef i b e rh a dt oa c h i e v et h e i m m o b i l i z a t i o no fl y s o z y m e p h o t o g r a i t i n gm o d i f i e dp o l y p r o p y l e n ef i b e ra n dp o l y p r o p y l e n e m e m b r a n ec o u l db ei m m o b i l i z e dl a c c a s ea n di m m o b i l i z e dl a c c a s eh a ss o m ee f f e c to fd e c o l o r i z a t i o n a n dg r a f t i n gy i e l do ft h ei m m o b i l i z e dl a c c a s ed e c o l o r i z a t i o ne f f i c i e n c ya n di m p a c to no p e r a t i o n a l s t a b i l i t y k e y w o r d s ：p o l y p r o p y l e n e ( p p ) ；u vp h o t o i n d u c e dm o d i f i c a t i o n ；m e t h y lm e t h a c r y l a t e ( m m a ) ； i m m o b i l i z a t i o no fe n z y m e ；a n t i b a c t e r i a le f f e c t ；d e c o l o r a t i o no fl a c c a s e l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签 名：壁蠢罄 日 期： 堡! ! 篓! 匹 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签 名：官恁觞 导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 聚丙烯( p o l y p r o p y l e n e ，p p ；商品名：丙纶) ，是由丙烯作原料经聚合、熔体纺丝制得的 纤维。丙纶于1 9 5 7 年正式开始工业化生产，是合成纤维中的后起之秀【1 1 。我国的聚丙烯研究 生产经过9 0 年代的高速发展，到2 0 0 0 年产量达到了2 0 2 5 万吨，占同期国内合纤总量的7 左右。由于丙纶具有生产工艺简单，产品价廉，强度高，相对密度轻等优点，所以发展得很 快，目前丙纶已是合成纤维的第四大品种，是常见化学纤维中最轻的纤维。 过去的5 年中，新产品的不断开发，新工艺新技术的应用，聚丙烯及其纤维迅速进入市 场。聚丙烯纤维的消费趋势主要表现在：柔性的半成品散货集装袋、卫生保健品、农用纺织 品、汽车用装饰品、土工布及建筑用纺织品。在材料的代用品和新应用方面，非织造布产品 保持着快速发展状态【2 】。无纺布( 又称不织布英文名为n o nw b v e l l ) 是由定向的或随机的纤 维而构成。多采用聚丙稀( p p 材质) 粒料为原料，经高温熔融、喷丝、铺纲、热压卷取连续一 步法生产而成。因具有布的外观和某些性能而称其为布。截止2 0 0 7 年，全世界的无纺布消费 量已达到4 0 0 万吨。目前，聚丙烯纤维支配着无纺布的生产，在全世界范围内用于无纺布生 产的纤维中聚丙烯为6 3 ，2 3 为聚酯，8 为粘胶，2 为丙烯酸纤维，1 5 为聚酰胺，剩 余的3 为其他纤维。无纺布由于具有通气性、过滤性、保温性、不蓬乱、与纺织布相比生产 性高、生产速度快等众多优点，近年来在卫生吸收材料、医药用、交通工具用、制鞋用纺织 材料上的应用量有明显增长。 聚丙烯纤维具有种种优良的性质但由于是非极性材料，导致其染色性差、拉伸强度低、 吸湿性差，手感硬等，因此在应用中受到一定的限制。随着科技的进展，细旦，超细旦纤维 的研发，开发出来的新型聚丙烯纤维也越来越多，对聚丙烯纤维的改性研究也随着科技的发 展而获得了长足的进步，从而得到了具有功能化的纤维。 1 1 聚丙烯纤维表面改性 聚合物表面接枝的实现方式主要有：溶液、熔融、固相三种【3 1 。表l 列出了这三种接枝方 法的一些特点比较。 表1 聚合物表面接枝方案 t a b 1t h em o d i f i c a t i o no f p o l y m e rs u r f a c e 江南人学硕士论文 溶液接枝法反应副产物少、p p 降解轻、接枝率高，但涉及到溶剂的回收，且反应时间长 f 卜3 h ) ，因而在工业上很少聚用，目前仅限于在实验室中操作。熔融接枝法是将p p 接枝物、 引发剂等在一定条件下反应挤出。但反应挤出有两大缺点，首先由于反应温度较高，大分子 自由基的降解严重，挤出温度的波动对反应过程影响较大，因此反应过程难以控制，产物接 枝率低，材料的性能不稳定另外，未反应的单体和引发剂残留在产物中难以除去影响接枝 物的使用性能。固相接枝法是将接枝单体和引发剂配成少量溶液，与粉未状p p 在低于其熔点 的温度及惰性气体保护下进行接枝反应。 其中，利用紫外线光把单体接枝到聚合物表面的方法也可以分为液相和气相接枝两类。1 ) 气相法是将聚合物和反应溶液放在充有惰性气体的密闭容器中，加热使溶液蒸发，从而在弥 漫着溶剂、单体和引发剂的气氛中进行光反应：2 ) 液相法是把光敏剂、单体配在一起制成溶 液，直接将实验样品置于溶液中进行光接枝聚合，也可将光敏剂先和样品进行预处理，再放 在溶液中。该体系的特点是：光还原反应可以定量进行，一个b p 分子可以夺取一个h 产生 一表而自由基；表面自由基的活性较高，因此接技率高。因此，本研究采取液相光敏聚合法 对聚丙烯纤维材料表面进行改性，即以b p 为光敏剂，紫外引发甲基丙烯酸甲酯在纤维表面 接枝。 1 1 1 光接枝岗陛聚丙烯纤维 国外对合成纤维的酶法功能化主要有两种思路：用酶对合成纤维材料的催化降解，从而 使其表面出现功能性官能团，如：t zi v a n o v a 等人研究了角质酶对聚乙二醇( p e g ) 和p l 共 聚物的水解作用；还有就是在改性后的纤维材料上固定生物酶，如美国的jm g o d d a r d 在膜 表面固定肝素 4 , 3 2 j 。为了后期改性纤维对生物酶的固定化研究的简便，本研究采用目前应用较 多的表面改性手段光辐射处理中的紫外辐照接枝口。7 l 。改性后的纤维可以利用接枝改性后 的表面功能基团与酶蛋白上的官能团进行共价交联，从而实现生物酶的固定化，其实验思路 可如图1 1 所示。 _ - - _ - _ - 囤卜1 生物酶回定化机理 f i g l 一1m e e h a n is m so fi t a r a o b i j iz a t i o no fe n z y m e 在对聚合物表面进行紫外辐照接枝改性时，有两种方法【8 】：一种是先在聚合物表面生成带 有光活性基团的高分子链，然后与接枝物接触，在紫外光照射下使其接枝在聚合物表面；第 二种是先在聚合物表面产生活性中心，然后活性中心增长，在聚合物表面形成接枝链。两种 反应方式见下图。 -上。一 ，i 蛾一 i，一 第一章绪论 “d 、囝8 l 国 ，h 。 5，k ? 、r 愁薯曩热r & 爱陵g 磊蔓l 瓣熬! i ；嚣? 囊玲 i ( a 】 ( b ) 图卜2 聚音物光接枝改性方法 f i g 卜2p h o t o i n d u c e dt l o d i f i c a t i o no fp o l y m e r 这两种方法都是为了在聚台物表面产生表面活性中心，然后单体再接枝聚合在基体表面。 由于后者是利用光敏引发剂受紫外光照射生成的三线志含羰基化合物夺取聚合物表面的氢， 形成表面大分子自由基，然后引发单体接枝聚合，这样会减少对原材料性能造成损伤，所以 较为常用。外加光敏剂法工艺简单、反应速度高，应用广泛。高的三线态能量、强烈的u v 吸收、稳定的分子结构和相应低活性的游离自由基是成为高效光敏剂的必要条件，因此，光 敏引发剂以酮类居多，主要是烷基酮、苯基酮、烷苯酮和双酮。 接枝反应过程中先将光敏剂预覆于聚合物表面，然后用紫外光预照射，再放入单体溶液中 进行光接枝反应p ”l 。预照射后光敏剂与基体材料咀弱化学键结合，在紫外光照射下生成表面 太分子自由基和频呐醇自由基，由于频呐醇自由基的活性低，几乎不引发聚合反应，因而接 枝效率较高。 1 1 2 影响聚丙烯光接枝的因素 光接枝聚合具有突出的优点，他既能获得不同于本体性能的表面特性，又可保持本体性 能。但有许多的因素会影响到聚合物表面光接枝，如聚合物基体、引发剂、单体、接枝气氛 以及紫外光强、光照时间，另外第三组分对接枝也有极大影响i ”。1 q 。 聚合物基体：由于表面光接枝反应是从聚合物表面脱氢开始的，因此聚合物表面的物理 化学性质对光接枝有很大影响，脱氢越容易的聚合物越容易发生表面光接枝聚合反应。y 虮g 和r a n b ，”1 以b p 为光敏剂、从为单体研究了不同聚合物光接枝行为，发现聚合物脱氢难 易程度的顺序为： n y l o n p e t p p l d p e h d p e o p p 尽管n “o n 和p e t 中只有仲氢。但n 、o 的负电性使氢活性增加，因而活性晟高。由于 p p 存在大量的叔氢，也比较容易脱氢这也在理论上说明可以通过光接枝的方法对聚丙烯纤 维表面进行改性处理。 单体：接技反应所选用的反应单体、单体的极性等都能直接影响到反应的进行程度和反 应程度。其中，反应单体对基体的润湿性能主要表现为对纤维材料的润湿、扩散能力直接 影响反应深度。而单体的浓度也会对接枝反应产生影响，随着单体浓度的增大接枝效果会 有所上升；但同时其对光敏剂的溶解有所上升而产生屏蔽作用，也会产生自交联而使接枝率 下降。为了获得目的性产物，选用甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 作为接枝单体。 引发荆：二苯甲酮( b p ) 满足光敏剂的必要条件，它吸收了远紫外曲为2 5 0 a m ) 被激发 形成s 2 单线态( 能级1 l o k c a l m o l ，寿命l 一2 s ) ；然后很快转变为s i 单线态( 能级7 6 k e a l m o l ，寿 江南人学硕十论文 命1 0 。9 s ) ，同时具有3 4 k c a l m o l 的额外能量；其与基体膜表面碰撞，本身转变为t 三线态，基 体材料受到激发变为“p ；当再反应时就会生成基体自由基具有反应能力。 d - o 一b b p + p h p + b p h b p + q b p + 2 0 * 图卜3b p 反应示意图 注：( a ) b p 能级示意图；( b ) b p 光催化示意图 f i g 1 3r e a c ti o nd i a g r a mo f b p 接枝气氛：按照自由基反应聚合理论，氧分子可使自由基失活，它的存在对聚合反应不 利。因此，在接枝反应过程中采用冲氮气的方法，使反应发生在惰性气体的氛围中。 紫外光：u v 对接枝反应的影响体现在三个方面，u v 强度、时间及波长。利用u v 接枝 改性的一大原因是由于紫外光的能量低、对材料的穿透力差，可以使接枝反应限制在表面而 不改变其本体性能。但接枝反应能否进行的关键在于是否有足够的能量打开聚合物中的碳氢 键，生成表面大分子自由基，这就要求u v 的波长不能太长。杨万泰【1 4 】等研究l d p e 接枝马 来酸配时发现，增加光密度，接枝效率和单体转化率都随之升高。 1 2 改性聚丙烯酶的固定化 从上世纪6 0 年代开始，一项新的技术：固定化酶技术开始发展起来。最初主要是将水溶 性酶与不溶性载体结合起来，成为不溶于水的酶的衍生物，称为“水不溶酶 或“固相酶 。 后来发现，也可以把酶包埋在凝胶内或置于超滤装置中。把酶置于超滤装置中时，高分子底 物与酶被截留在超滤膜一侧，而反应物可以透过膜流出，在这种情况下，酶自身仍是可溶的， 只不过被固定在一个很有限的空间内，因此用水不溶酶和固相酶的名称不恰当。1 9 9 7 年第1 届国际酶工程会议正式建议采用“固定化酶”的名称【1 6 】。 酶在水溶液中一般不太稳定，并且酶只能与底物作用一次，使用起来很不方便。因此， 将酶固定在各种载体上使用具有重要意义：( 1 ) 当酶被固定时，可以很快的从反应混合物中分 离，并能重复使用；( 2 ) 对固定化酶的微环境进行合理的控制，可增强其稳定性。 1 2 1 酶的固定化方法 用物理或化学方法处理水溶性的酶使之变成不溶于水或固定于固相载体的但仍具有酶活 性的酶衍生物。在催化反应中，它以固相状态作用于底物，反应完成后，容易与水溶性反应物分 离，可反复使用。固定化酶不但仍具有酶的高度专一性和高催化效率的特点，且比水溶性酶 稳定，可较长期使用，具有较高的经济效益【1 7 】。 酶的催化反应依赖于它的活性部位的完整性，因此在固定某一酶时必须选择适当条件， 使其活性部位的基团不受影响，并避免高温、强酸及强碱等条件，不使蛋白质变性。酶固定 化方法简述于下【1 7 。1 9 】： 4 第一章绪论 酶的固定化方法 毅体筘合法 交联法 包建法 厂_ 1 厂 共价结合法离子结合法物理吸附法格子型徼胶囊型 载体结合法：最常用的是共价结合法，即酶蛋白的非必需基团通过共价键和载体形成不 可逆的连接。在温和的条件下能偶联的蛋白质基团包括：氨基、羧基、半胱氨酸的巯基、组 氨酸的咪唑基、酪氨酸的酚基、丝氨酸和苏氨酸的羟基。参加和载体共价结合的基团，不能 是酶表现活力所必需的基团。 此外，酶通过物理吸附或离子吸附于载体制备固定化酶也是常用的方法。经非水溶性载 体物理吸附或离子结合作用使生物酶固定，称为吸附法。吸附法是最简单、最具经济吸引力 的方法，操作简单，可供选择的载体类型多，吸附过程可以同时达到纯化和固定化的目的， 且酶失活后可重新活化再生。吸附的牢固程度与溶液的p h 值、离子强度、温度、溶剂性质 和种类以及酶的浓度有关。所以为了得到最好的吸附并保持最高的活性，控制实验条件十分 重要。吸附法分为物理吸附法和离子交换吸附法。常用的载体有无机载体、有机载体、有机 大分子物质等。 交联法：依靠双功能团试剂使酶分子之间发生交联凝集成网状结构，使之不溶于水从而 形成固定化酶。常采用的双功能团试剂有戊二醛、顺丁烯二酸酐等。酶蛋白的游离氨基、酚 基、咪唑基及巯基均可参与交联反应。 r - n h 2 + o h c - ( c h ：) 3 - c h o+ n h 2 - e t r - n = c h - ( c h 0 3 - c h = n - e 。 带胺基载体 戊- - - e酶蛋白 一图卜4 戊二醛交联法固定酶蛋白 f i g 1 4g l u t a r a l d e h y d ec r o s s l i n k i n gm e t h o df i x e dp r o t e i n 包埋法：包埋法是将载体与酶混合后，借助引发剂进行聚合反应，通过物理作用将酶限 定于载体网格里，从而实现酶的固定化，分为凝胶包埋法和微囊化法。例如可用明胶及戊二 醛包埋具有青霉素酰化酶活力的菌体。酶的固定化方法是多种多样的，某些方法之间的界定 也不是很明显。 1 2 2 固定化酶的性质 由于固定化也是一种化学修饰，酶本身的结构必然受到扰动，同时酶固定化后其催化作 用由均相转移到异相。由此，带来的扩散限制效应、空间障碍、载体性质造成分配效应等因 素会对酶的性质产生影响。 ( 1 ) 固定化后酶活力的变化。固定化酶的活力在大多数情况下比天然酶小，其专一性也能 发生转变。原因可能是：1 ) 酶分子在固定化过程中，空间构想会有所变化，甚至会影响活性 中心的氨基酸；2 ) 固定化后，酶分子空间自由度收到限制，会直接影响到活性中心对底物的 定位作用；3 ) 内扩散阻力是底物分子与活性中心的接近受阻。 ( 2 ) 固定化对酶稳定性的影响。在大多数情况下酶经过固定化后其稳定性都有所增加，这 5 江南人学硕士论文 对酶性质是十分有利的。首先，固定化酶表现在热稳定性提高。作为生物催化剂，酶也和普 通化学催化剂一样，温度越高，反应速率越快。其次，对各种有机试剂及酶抑制剂的稳定性 提高。此外，固定化对不同p h 稳定性、对蛋白酶稳定性、对储存稳定性和操作稳定性都有 所提高。 ( 3 ) 固定化酶酶的最适温度变化。由于固定化后，酶的热稳定性提高，所以最适温度也随 之提高，这是非常有利的结果。 ( 4 ) 固定化酶的最适p h 变化。酶对外部环境特别是p h 非常敏感。酶固定化后，对底物 作用的最适p h 和酶活力p h 曲线常常发生偏移。偏移的的原因是微环境比安眠电荷性质的影 响。一般来说，用带负电荷载体制备的固定化酶，其最适p h 较游离酶偏高，反之，使用带 正电荷的载体其最适p h 向酸性偏移。 另外，酶经固定化后，表观米氏常数k m 随载体的带电性能变化。由于高级结构变化及载 体影响会引起底物亲和力变化，从而使k m 变化。例如，当酶结合于电中性载体时，带电载体 和底物之间的静电作用会引起底物分子在扩散层和整个溶液之间不均匀分布，导致表观l ( i n 上升。 1 3 酶制剂简介 酶在纺织中的运用在我国具有悠远的历史，而随着7 0 年代基因工程的出现，生物技术在 纺织工业领域的运用既纺织生物技术，也日益增长。纺织工业是我国的传统产业和支柱产业， 在国内生产总值和外贸出口总值中占有重要的比例。目前，在纺织中的应用的酶制剂品种不 多，主要为水解酶制剂：纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶、过氧化氢酶、漆酶等，一些其他新型 的纺织用酶制剂也在研究中。将生物技术应用在纺织印染上，一方面可以增加其附加产值， 扩大运用范围；另一方面，实现纤维材料的酶固定化后可以减缓生产污染的现象，达到环境 友好的目的。 1 3 1 溶菌酶 1 3 1 1 溶菌酶的定义和分类 溶菌酶( l y s o z y m e ) 是一种专门作用于微生物细胞壁的水解酶，又称细胞壁溶解酶【2 0 之3 1 。 人们对溶菌酶的研究始于本世纪初，英国细菌学家弗莱n ( f l e m i n g ) 在发现青霉素的前6 年 ( 1 9 2 2 年) 发现人的唾液、眼泪中存在有溶解细菌细胞壁的酶，因其具有溶菌作用，故命名为 溶菌酶。此后人们在人和动物的多种组织、分泌液及某些植物、微生物中也发现了溶菌酶的 存在。随着研究的不断深入，发现溶菌酶不仅有溶解细菌细胞壁的种类，还有作用于真菌细 胞壁的种类，同时对其作用机制也有了更进一步的了解。近几年，人们根据溶菌酶的溶菌特 性，将其应用于医疗、食品防腐及生物工程中，特别是在食品防腐方面，以代替化学合成的 食品防腐剂，具有一定的潜在应用价值。 溶菌酶广泛地分布于自然界中，在人的组织及分泌物中可以找到，动物组织中也有，以 鸡蛋清中含量最多。其它植物组织及微生物细胞中也存在【2 3 1 。根据来源不同，其性质及作用 6 第一章绪论 机制略有差异。溶菌酶来源广泛，大致可以分为以下三类： ( 1 ) 动物溶菌酶 鸡蛋清溶菌酶是动物源溶菌酶的典型代表，也是目前结构了解最清楚的溶菌酶之一。它 由1 2 9 个氨基酸组成，具有4 个s s 键，分子量约为1 4 0 0 0 k d a ，等电点为1 1 ，最适温度为5 0 。c ， 最适p h 值为6 7 ，是一种稳定的碱性蛋白质。此外，从其它鸟类蛋白、哺乳动物乳汁及体液中 也能分离得到溶菌酶。 ( 2 ) 植物溶菌酶 植物溶菌酶大多从木瓜、无花果、芜菁、大麦等植物中分离提取，其分子量较大，约为 2 4 0 0 0 2 9 0 0 0 k d a 。植物溶菌酶对溶壁小球菌的溶菌活性不超过鸡蛋清溶茵酶的1 3 ，但对胶 体状甲壳质的分解活性则是鸡蛋清溶菌酶的1 0 倍。 ( 3 ) 微生物溶菌酶 微生物产生的溶菌酶一般分为7 类：内n 乙酰已糖胺酶，此酶的作用机理与鸡蛋清溶 茵酶相同，都能破坏细菌细胞壁肽聚糖中的肛1 ，4 糖苷键；酰胺酶，能切断细菌细胞壁肽 聚糖中n a m 与肽“尾一之间的n 乙酰胞壁酸l 丙氨酸键；内肽酶和蛋白酶，能分解细胞 壁缩氨酸聚糖的缩氨酸键；p 1 ，3 、p 1 ，6 葡聚糖酶和甘露聚糖酶( 葡甘聚糖酶) ，能分解 酵母细胞的细胞壁；壳多糖酶，与葡聚糖酶共同作用，可分解霉菌和酵母；磷酸甘露糖 酶，与p 1 ，3 、p 1 ，6 葡聚糖酶和甘露聚糖酶共同作用，可分解原生质；脱乙酰壳多糖酶， 主要分解毛霉菌( m u c o r ) 和根霉菌( r h i z o p u s ) 。 1 3 1 2 溶菌酶的作用机理 溶菌酶主要通过破坏细胞壁中的n 乙酰胞壁酸和n 乙酰氨基葡糖之间的p 1 ，4 糖苷键， 使细胞壁不溶性黏多糖分解成可溶性糖肽，导致细胞壁破裂内容物逸出而使细菌溶解。溶菌 酶还可与带负电荷的病毒蛋白直接结合，与d n a 、r n a 、脱辅基蛋白形成复盐，使病毒失活。 因此，该酶具有抗菌、消炎、抗病毒等作用【2 0 】。 1 3 2 漆酶 漆酶( 1 a c c a s e ) 又称氧氧化还原酶( e c i 1 0 3 2 ) ，是一类含铜的多酚氧化酶。由于漆酶具有特 殊的催化性能和广泛的作用底物，其在生物制浆、生物漂白，以及有毒化合物的降解等方面 具有潜在的应用价值，因此引起人们越来越多的研究兴趣，成为环境保护用酶的研究热点 1 2 4 - 2 6 o 漆酶催化作用主要表现在底物自由基的生成和漆酶分子中4 个铜离子的协同作用。当漆 酶催化酚类( 如氢醌) 氧化时，首先是底物氢醌向漆酶转移一个电子，生成半醌2 氧自由基中 间体。其次是不均等非酶反应，二分子半醌生成一分子对苯醌和一分子氢醌。氢自由基中间 体还能转变成碳自由基中间体，它们可以自身结合或相互偶联，产物中除醌外还有聚合物和 c o 、c c 偶联产物。在0 2 存在下还原态漆酶被氧化，0 2 被还原成水，漆酶催化底物氧化 和对0 2 的还原是通过4 个铜离子协同地传递电子和价态变化实现的【2 6 1 。 7 江南人学硕十论文 。曩怕，佛：譬+ 拿手三一，c ，c zc 分一兰塑c 2 + c z + c 三 c ：黯+ 鲁叭纵c 驯+ 毒a 胃惦， 图1 - 5 漆酶催化作用机理 f i g 1 5l a c c a s ec a t a l y t i cm e c h a n i s a t 从漆酶发现至今已有1 0 0 多年，经过各国科学工作者坚持不懈的努力，漆酶的研究取得 很大的进展【2 刀。在纺织领域，漆酶现在还主要用来对牛仔布进行旧化处理。但由于漆酶独特 的催化特性使其在生物检测中有广泛的应用。如g h i n d i l i s 等运用纤维质的d e a e 一纤维素固 定漆酶，制成两种类型高活力的稳定的传感器，来检测茶叶加工过程中儿茶酚的变化情况。 由于这几年环保意识逐渐被人所重视，因此近年来漆酶也成为众多学者的研究对象1 2 8 洲。 1 4 研究的意义及内容 目前工业化生产中对聚丙烯纤维的改性大多采用物理共混方法。但由于诸多未完善的内 容，表面改性的应用越来越多，方法主要有：酸蚀处理，过氧化物处理，等离子体表面处理， 光辐射处理等【3 0 3 3 1 。其中光辐射处理中的紫外光照法接枝是目前应用较多的表面改性手段。 而实验室研究见诸报导的主要是在对聚丙烯膜的改性，对纤维的内容研究不多，将p p 纤维进 行改性后固定化生物酶的就更加的稀少，随着国外的研究进展，国内的学者也开始将目光转 到这一方面。 聚丙烯材料表面改性实验室常用的两种方法：一是等离子体处理，使表面出现功能性官 能团；二是光接枝法，引发剂条件下选择紫外光照射而使材料表面接上官能团，单体主要是 丙烯酸类【3 4 ，3 5 1 。因为表面改性具有其他改性方法所不具备的有点，它可以不改变材料的本体 性能仍能保持良好的服用性能。德国杜伊斯堡埃森大学的m a t h i a su l b r i c h t 是膜科学改性功 能化研究的专家，功能性膜( 如超滤膜、纳米过滤膜等) 的研究比较多，对紫外光光接枝表面 改性p p 膜的机理阐述的很详细。国内对材料进行光接枝改性研究的比较多的有北京化工大学 的杨万泰教授和浙江大学的徐志康教授等。他们现在也是对聚丙烯纤维进行表面改性，使纤 维的亲水性，可染性得到改善，但进一步的研究也较少。现在光接枝法表面改性研究的机理 与工艺比较成熟，但距工业化生产还有一定距离【3 6 3 9 】。 总体而言，对聚丙烯材料进行改性功能化还是在医药、生物方面，而在纺织上对聚丙烯 纤维及无纺布的研究还不多。因此，本研究课题旨在将聚丙烯纤维材料进行表面改性，使之 能够进行生物酶的固定化，从而实现聚丙烯纤维适合于高性能应用的目的。 主要研究内容如下： ( 1 ) 对聚丙烯纤维进行光接枝改性，使纤维表面具有反应性的特征官能团。研究了b p 处 理时间及用量、m m a 单体用量、紫外辐照时间对接枝率的影响，并得出较优工艺。 ( 2 ) 对改性后的聚丙烯纤维进行进一步处理。通过与己二胺的酰胺化反应将纤维表面基 团转变为胺基，再通过交联剂一戊二醛的作用将溶菌酶及漆酶固定在改性纤维上。以红外光 谱、扫描电镜、原子力显微镜等技术，对聚丙烯纤维改性效果进行分析比较。 8 第一章绪论 ( 3 ) 对改性纤维固定化的溶菌酶进行了考马斯蓝检验、酶活测定及抗菌效果测试。将改 性纤维进行漆酶固定化实验，对固定后的漆酶进行脱色效果及操作稳定性的测试。 ( 4 ) 对聚丙烯膜的光接枝改性后固定化漆酶进行了初步的研究。 9 第二章实验材料、仪器和测试方法 第二章实验材料、仪器和测试方法 2 1 实验材料与药品 聚丙烯纤维、聚丙烯无纺布( 无锡宏得利实业有限公司) ，规格为4 5 9 m 2 。 蛋清溶菌酶( 2 0 0 0 0 u m g ，广西庞博生物工程有限公司) ，微球菌粉( 南京建成生物工程 研究所) ，漆酶d e n i l i t ei i s ( 工业品，诺维信生物技术有限公司) 。 试验药品及试剂：二苯甲酮( b p ) 、甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 均为化学纯，己二胺、丙 酮、乙醇、戊二醛、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、盐酸、氢氧化钠、无水硫酸钠、酸性橙7 均 为分析纯，蛋白胨、琼脂粉、牛肉浸膏为生化试剂；活性深蓝b 2 g l n ( 工业品，上海万得 化工有限公司) 。 2 2 实验仪器 表2 实验仪器 t a b 2a p p a r a t u so fe x p e r i m e n t a t i o n 2 3 实验及测定方法 甲基丙烯酸甲酯使用前需经减压蒸馏。在5 0 0 m 1 分液漏斗中加2 5 0 m l 甲基丙烯酸甲酯， 用5 0 m l5 的n a o h 水溶液洗涤至无色。再用5 0 8 0 m l 蒸馏水多次洗至中性，分尽水层后加 入单体量5 的无水硫酸钠，充分摇动，放置干燥2 4 h 以上，再减压蒸馏搜集5 0 c1 6 5 k p a 的馏分，得到的纯品放置棕色瓶中冷藏备用。 江南人学硕十论文 以下实验操作所需纤维和布样均经过预处理。将聚丙烯试样用丙酮振荡洗涤1 2 h ，取出后 冲洗、干燥，以除去布样表面杂质及纤维中残留添加剂，储存于干燥器中备用。 2 3 1 聚丙烯纤维的光接枝改性 采用两步光照法对聚丙烯无纺布试样进行光接枝改性【7 , 1 5 , 1 9 】。以二苯甲酮为光引发剂，将 精确称重的聚丙烯布样预辐照8 m i n 后将浸入4 0 ( v v ) 甲基丙烯酸甲酯溶液中，在氮气保 护下紫外光照射5 5 m i n ( 紫外光波长入为2 5 4 n m ，布样距光源8 c m ，实验装置图如下所示) 。接 枝试样用乙醇冲洗后再浸入丙酮中于3 0 振荡洗涤4 h 。处理后的试样盛于干燥器中备用。 1 ：石英试管2 ：紫外灯 图2 - 1 紫外辐照接枝实验装置图 f i g 2 - 1 t h ep i c t u r eo f p pp h o t o i n d u c e dm o d i f i c a ti o n 2 3 2 改性聚丙烯纤维固定化溶茵酶 。光接枝后的试样先进行酰胺化反应，将纤维表面接枝上的酯基转化为更具反应活性的胺 基。将处理后的试样浸入2 0 的己二胺溶液中于6 0 下反应2 h ，再用去离子水多次洗涤，然 后浸渍于2 ( v v ) 戊二醛溶液中，于2 5 水浴中振荡反应l h ，取出后先用去离子水洗涤3 次，再置于5 9 l 溶菌酶缓冲溶液中4 c 下反应2 0 h ，反应完毕后取出洗涤、晾干，得样品，于 4 c 下储存备用。 2 3 3 改性纤维在漆酶固定化中的应用 将酰胺化后的改性试样浸渍于2 ( v v ) 戊二醛溶液中，于2 5 水浴中振荡1 h ，取出后 先用去离子水洗涤3 次，再置于5 9 l 漆酶缓冲溶液中4 c 下反应2 0 h 。反应完毕后取出洗涤、 晾干，得样品，于4 c 下储存备用。 2 3 4 接枝率的测定 聚丙烯纤维接枝甲基丙烯酸甲酯效果用接枝率g ( ) 表示： 接枝率g ( ) ：m l - m o 1 0 0 式中：n l o 为改性前丙酮洗涤后的纤维重量；接枝改性后的纤维在用丙酮彻底洗涤以除去 表面残留的反应单体和均聚物后，于5 0 下真空干燥至恒重，称重为m l 。 1 2 第二章实验材料、仪器和测试方法 2 3 5 茚三酮定性检验 茚三酮是一个有机化合物，与氨基酸及具有游离q 氨基的肽反应会产生蓝紫色物质。茚 三酮与它们反应时产生深蓝色或紫色，称为罗曼紫【删，因此可以用茚三酮来定性检验纤维表 面的胺基。取适量茚三酮和无水乙醇，配制成2 茚三酮一乙醇溶液，存在放于密封棕色玻璃 容器中备用。 称取0 5 9 改性前后的织物，浸入量取2 0 m l 配制好的茚三酮溶液中，于8 0 下充分反应 3 0 r a i n ，取出多次水洗，烘干，数码相机拍照。 2 3 6 改性聚丙烯纤维润湿性的测定 聚丙烯纤维改性后，纤维表面基团将会发生变化，可能会对性能产生影响。因此，测试 改性前后纤维水接触角来考察改性纤维的润湿性。 采用去离子水，将水滴滴于织物表面lr a i n 后进