（纺织工程专业论文）聚乳酸纤维的生物酶改性[纺织工程专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 聚乳酸( p l a ) 纤维是一种新型的生态环保型纤维。它既具有合成纤维的基本特性又 有天然纤维的生物相容性和可降解性。聚乳酸纤维在许多方面比以石油为原料的各种纺 织产品更具有竞争力。但由于聚乳酸分子结构中有大量的酯键，导致其亲水性较差。 本文选用脂肪酶l 3 1 2 6 和脂肪酶l i p e x l 0 0 l 水解聚乳酸纤维的酯键，改善纤维性能。 通过减量率、沉降时间、染色性能、残液p h 值、乳酸含量等评价指标，扫描电镜、x p s 、 高效液相色谱等手段，分析酶处理前后，聚乳酸纤维性能变化及残液中的乳酸含量。初 步研究等离子体预处理对脂肪酶催化水解反应的影响。 通过单因素实验分析脂肪酶处理聚乳酸纤维的工艺。试验结果表明，脂肪酶l 3 1 2 6 对聚乳酸纤维进行处理的最佳工艺条件为：脂肪酶浓度0 5 l ，处理时间8 h ，处理液 p h 值8 5 ，温度4 5 ；脂肪酶l i p e x l 0 0 l 处理的最佳工艺条件为：脂肪酶浓度1 0 m l l ， 处理时间1 0 h ，处理液p h 值7 5 ，温度4 0 。 脂肪酶处理后p l a 纤维染色的表观深度明显高于未处理纤维。扫描电镜显示聚乳 酸纤维经脂肪酶催化水解后产生了刻蚀。x p s 分析表明经脂肪酶处理后，聚乳酸纤维表 面c 含量下降、o 含量上升，羧基和羟基含量增加。脂肪酶处理残液的p h 值呈下降趋 势；残液2 1 0 n m 下的紫外吸光度和h p l c 分析表明水解会产生乳酸类物质。脂肪酶l 3 1 2 6 的处理效果优于l i p e x l 0 0 l 。 采用等离子体预处理聚乳酸纤维，等离子体处理时间越长，放电功率越大，放电电 压越大，则经酶处理后聚乳酸纤维水解越强烈。水解产物分析和染色性能变化都表明了 等离子体处理对脂肪酶催化水解反应起促进作用。 关键词：聚乳酸纤维；脂肪酶；酶水解；润湿性；减量率 -， a b s t r a c t a b s t r a c t p o l y l a e t i ca c i d ( p l a ) f i b e ri san e we c o - f i b e r , w h i c hn o to n l yo w n st h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i c so fs y n t h e t i cf i b e r sb u ta l s oi san a t u r ef i b e rw i t hb i o c o m p a t i b i l i t ya n d b i o d e g r a d a b i l i t y p o l y l a c t i ca c i df i b e ri sm o r ec o m p e t i t i v et h a no t h e rt e x t i l ep r o d u c t sw h i c h u s i n go i l 懿r a wm a t e r i a li nm a n ya s p e c t s y e t 嬲ak i n do fa l i p h a t i cp o l y e s t e r s ，i tc o n t a i n s l a r g en u m b e r so fe s t e r sb o n d si ni t sm o l e c u l a rs t r u c t u r e ，w h i c hm a k e si tl o wh y d r o p h i l i c i t y t oi m p r o v es o m ep e r f o r m a n c e so fp l af i b e r , l i p a s el 312 6a n dl i p e xl0 0 lw a sc h o s et o h y d r o l y z ee s t e rb o n d so fp l af i b e ri nt h i sa r t i c l e t h r o u g he v a l u a t i o ni n d e x e ss u c h 嬲w e i g h t l o s s ，d r o pt i m e ，d y e i n gp e r f o r m a n c e ，u va b s o r b e n c y , p hv a l u e ，t h ec o n t e n to fl a c t i ca c i da n d b ym e a n so fs e m ，x p s ，h p l ca n ds oo n , t h ep e r f o r m a n c ec h a n g e so fp l af i b e ra n d e n z y m a t i cs o l u t i o nw e r ea n a l y z e d e f f e c t so fp l a s m ap r e t r e a t m e n tt oh y d r o l y s i sw e r ea l s o p i l o ts t u d i e di nt h i sp a p e r t e c h n i c so ft r e a t m e n tb yt h et w ol i p a s e sw e r ei n v e s t i g a t e dt oe d u c et h eo p t i m a l c o n d i t i o n s a n dt r e a t m e n te f f e c tw i t hd i f f e r e n tl i p a s e sw a sc o m p a r e da l s o t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h eo p t i m a lc o n d i t i o n sf o rl i p a s el 312 6w e r ed e t e r m i n e d ：e n z y m ec o n c e n t r a t i o n0 5 e l p h8 5 t r e a t i n ga t4 5 f o r8h o u r s ；t h eo p t i m a lc o n d i t i o n sf o rl i p a s el i p e x l 0 0 lw e r e d e t e r m i n e d ：e n z y m ec o n c e n t r a t i o n10 m l l ，p h7 5 ，t r e a t i n ga t4 0 。cf o r10h o u r s a f t e rd y e i n gw i t hr e a c t i v eb l a c ks e o ，r e a c t i v eb l u eh n g ra n db a s i cb l u ex g b k s v a l u eo ft h et r e a t e df i b e rw a sh i g h e rt h a nu n t r e a t e df i b e ro b v i o u s l y t h es c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p yc o n f i r m e dt h a tt h et w ok i n d so fl i p a s e sw ec h o s ea l lh a de f f e c t so nt h ep o l y l a c t i c a c i df i b e r t h r o u g hx p sa n a l y s i si tw a si n d i c a t e dt h a ta f t e rt r e a t e dw i t hl i p a s e s t h ec o n t e n to f cd e s c e n d e d ，t h ec o n t e n to f0a s c e n d e da n dt h ec o n t e n to fc a r b o x y la n dh y d r o x y li n c r e a s e d p hv a l u eo fl i p a s es o l u t i o nw a st a k e no nd r o p p i n gc u r r e n t t h eh y d r o l y s i sc a np r o d u c el a c t i c a c i ds u b s t a n c ei nt e r m so fu va n a l y s i sa n dh p l c 1 1 1 ea c t i o nt op o l y l a c t i ca c i df i b e ro f l i p a s e l 312 6w a sb e t t e rt h a nl i p a s el i p e x10 0 l p l a s m ap r e t r e a t m e n tw a sa d o p t e di nt h i sp a p e r n e l o n g e rp l a s m at r e a t m e n tt i m ea n dt h e g r e a t e rd i s c h a r g ep o w e ra n dt h el a r g e rd i s c h a r g ep r e s s u r ew e r e ，t h eb i g g e ru va b s o r b e n c y w a s h y d r o l y s i sp r o d u c t i o na n a l y s i sa n dt h ec h a n g eo fd y e i n gp e r f o r m a n c ea 1 1i n d i c a t e dt h e p l a s m ap r e t r e a t m e n ta c c e l e r a t e dt h er e a c t i o no f h y d r o l y s i sc a t a l y z e db yl i p a s e s k e y w o r d s ：p l af i b e r ；l i p a s e ；e n z y m a t i ch y d r o l y s i s ；w e t t a b i l i t y ；w e i g h tl o s s i l 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。 期弼岔f 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：墨：警鸳：导师签名： 日 期： 步一笙玺血 第一章绪论 第一章绪论 1 1 聚乳酸纤维 1 1 1 聚乳酸纤维概述 聚乳酸纤维( p o l y l a c t i ea c i df i b e r ，简称p l a ) 是采用可再生的玉米、小麦、大豆等 中的淀粉原料经发酵转化为乳酸，然后经聚合、溶液或熔融纺丝而制成的纤维，是完全 来源于可再生资源的人造纤维。商业化生产的p l a 纤维是以玉米淀粉发酵制成乳酸， 经脱水聚合反应制得聚乳酸酯溶液进行纺丝加工而成，所以p l a 纤维又被称为玉米纤 维f t , 2 】。 早在1 9 3 2 年，c a r o t h e r s 在真空条件下加热乳酸就得到了低分子量的聚乳酸，但因 其未能进一步提高分子量而放弃了对聚乳酸的研究【3 1 。1 9 5 4 年d u p o n t 公司采用新的聚 合方法制备出了高分子量的聚乳酸。聚乳酸纤维首先是由美国著名的谷物公司c a r g i l l 公司研制成功的，在1 9 9 7 年该公司和d o w p o l y m e r s 公司合股成立了c a r g i l ld o w p o l y m e r s 公司，全力开发聚乳酸，生产的p l a 纤维商品名为i n g e o 。日本钟纺、尤尼契卡和可乐 丽公司生产的p l a 纤维商品名分别为l a c t r o n 、t e r r a m a c 、p l a s t a r c h 【4 p j 。 p l a 纤维的降解性能优良。研究表明，聚乳酸纤维降解不同于天然纤维微生物酶解 的方式，聚乳酸降解的根本原因是聚合物链上酯键的水解。其降解后产生二氧化碳和水， 随后在植物光合作用下，它们又会成为淀粉的起始原料【6 】，这个循环过程见图1 1 1 7 j 。 图1 - 1 聚乳酸纤维生态循环图 f i g 1 1p i c t u r eo f e c o l o g i c a lc y c l eo f p l af i b e r 1 1 2 聚乳酸纤维的特性和应用 聚乳酸纤维是一种高结晶性、高取向性和高强度的纤维，具有较好的物理机械性能。 与聚酯和聚酰胺纤维相比，p l a 纤维具有更好的手感和悬垂性，比重低，抗紫外线( u v ) 性能好，可燃性差，发烟量小，有较好的卷曲性和保型性。聚乳酸纤维与聚酯、棉纤维 的性能见表1 1 【8 1 。 江南大学硕士学位论文 聚乳酸纤维具有以下突出的优点【弘1 2 l ： ( 1 ) 原料丰富，资源和能源消耗少：聚乳酸纤维是迄今为止最名副其实的由人工合 成的有机高分子“绿色产品和“环保产品”。其综合能耗是目前大类化学纤维生产中 最低的。 ( 2 ) 可生物降解：涤纶( p e t ) 等三大合成纤维的废弃物不能生物降解，而聚乳酸纤维 具有良好的生物降解性，与其他有机废弃物同时埋入地下，几个月之内就能分解为c 0 2 和h 2 0 。 ( 3 ) 物理机械性能和加工性能好：聚乳酸纤维的强度、伸长等与涤纶和锦纶相差不 大，但熔点和模量较低，具有良好的手感，弹性回复率高，玻璃化温度适宜。 ( 4 ) 染色性好：聚乳酸纤维的染色以分散染料为好，能染浅、中或深的色泽，由于 其折射率较低，所以能染成深色。其染品的耐洗牢度和染料移染速率良好，色牢度高于 3 级，耐紫外线。 ( 5 ) 舒适性好：模拟人体干燥和出汗皮肤状态下的对比测试表明，p l 棉混纺织物 与同规格的p e t 棉混纺织物相比有更大的舒适感。 ( 6 ) 有一定的阻燃性：聚乳酸纤维的极限氧指数是常用纤维中最高的，接近于国家 标准对阻燃纤维极限氧指数的要求( 2 8 3 0 ) ，燃烧时发热量最低，只有轻微的烟雾释放出， 易自熄，火灾危险性小。 ( 7 ) 聚乳酸所用的原材料都没有毒性，发酵污水的处理不存在难题；聚合物合成过 程无环境污染；纤维生产过程采用的熔融法纺丝在化纤工艺中最简洁、最干净，没有难 处理的三废问题。聚乳酸纤维植入体内无毒副作用，并且有一定的耐菌性能，因此安全 性好，不但用作可吸收的手术缝合线和组织工程材料，而且很适于室外应用领域和室内 装饰织物。其废弃的制品可生物降解，对环境也不造成污染。 2 第一章绪论 鉴于聚乳酸纤维以上突出的优点，它在多种领域具有良好的应用前景f j 3 1 4 1 。 ( 1 ) 服装领域：聚乳酸织物手感柔软，具有良好的抗折皱性与抗变形能力，因此可 以做成各种类型的服装面料，同时为了改善它的吸湿性，也可将它与棉、毛、天丝等纤 维混纺，取长补短，生产出性能更为优异的环保型面料，或者与涤纶、锦纶等纤维混纤， 生产出具有丝质手感与外观的产品。 ( 2 ) 家用纺织品领域：利用聚乳酸纤维的回弹性，可以制成十分蓬松柔软的纺织品， 如床上用品，也可直接采用聚乳酸纤维用做填料，如枕芯、被芯等。同时，它的难燃性， 是使其能用于家用纺织品领域的原因之一。 ( 3 ) 医药领域：聚乳酸是最有发展i j 途的可生物降解的高分子材料，主要用于药物 控制释放、骨材料、手术缝合线和眼科材料等。聚乳酸在生物体内经过酶分解，最终降 解为二氧化碳和水，对人体完全无害。 ( 4 ) 其它领域：可将聚乳酸材料制成非织造布或包装薄膜、包装袋、包装盒等，广 泛应用于食品、卫生、农业等多个领域。 1 2 酶催化反应 1 2 1 酶催化功能的特点 酶是一种由活细胞产生的具有生理功能或生理活性的蛋白质，能够催化有机材料的 特定化学反应。酶的作用特点主要有以下几个方面【”】： ( 1 ) 高效性：酶是自然界中催化活性最高的一类催化剂，催化效率比一般无机催化 剂高1 0 5 1 0 1 3 倍，远远高于普通化学催化剂效能。 ( 2 ) 专一性：具备反应专一性和底物专一性，即酶一般只能选择性的催化一种或一 类化学反应，几乎不产生副反应，同时一种酶只能作用于某一种或某一类结构相似和性 质相似的物质。 ( 3 ) 反应条件温和：酶能使许多生物化学反应可以在温和的条件下( 如室温、常压和 水溶液中) 以很高的速度和效率进行。 ( 4 ) 酶是复合体，具有很高的分子量，可以在反应中自动调节活性。 ( 5 ) 酶是蛋白质，对周围环境条件极为敏感。 ( 6 ) 酶的催化反应具有可逆性。 ( 7 ) 酶的催化反应过程不污染环境，是一种绿色环保生产过程。 1 2 2 酶催化反应的影响因素i m i ( 1 ) 温度 温度对酶的影响有两个方面：a 随着温度的增加，反应速度也增加，直至达到最大 反应速度为止。一般而言，温度每升高1 0 ，反应速度相应的增加1 2 倍。b 随着温度 升高，酶蛋白变性，减少了有效的酶量，导致酶促反应速度降低。酶促反应的最适温度 是上述两个相反温度效应综合影响的结果。 ( 2 ) p h 值 江南大学硕士学位论文 p h 值对酶活性的影响主要是：a 使酶的空间结构破坏，引起酶活性丧失。b 影响 的解离状态，使其不能与底物结合。d 影响底物的解离状态，使底物不能和酶结合，或 许多金属离子可以作为酶的活化剂。在已知的酶中，大约有三分之一需要金属离子 当底物过量存在时，酶促反应的速度随着酶浓度增加而加快。在反应开始时，反应 速度和底物浓度成正比，当反应慢慢加快时，速度不再随底物浓度而变化。 激活剂是一种促使酶成为活性催化剂的物质，又是一种提高酶催化效率的物质。抑 制剂是能引起催化反应速度降低但不引起酶蛋白变性的物质。酶的抑制剂有可逆和不可 逆之分。反应为可逆抑制时，移除抑制剂后，酶能恢复其活力；在不可逆抑制的情况下， 催化剂的作用是通过形成新的反应途径降低反应活化能，从而加速反应速率。在酶 催化反应中，第一步是酶与底物以非共价键结合形成酶一底物中间复合物，此时底物结 合在酶的特定功能区域活性中心上。许多研究都已经间接或直接地证明了此复合物 是一种过渡状态的络合物，该络合物通常是不稳定的。酶和底物达到过渡态时，有一部 分能量放出，这一部分的结合能使过渡态络合物的能级降低，因而整个反应的活化能降 低，从而使整个反应速度加快17 1 。 酶与底物作用机理学说目前主要有两种：锁匙假说和诱导契合假说。锁匙假说是一 种刚性模式，最早由f i s c h e r 提出，这个模式对有些酶而言并不全面。更有说服力的一 个模式是诱导契合假说中的饶性模式，该理论认为酶的初始状态的活性基团并非处于它 们起催化作用的最适位置，但是酶分子与底物相互接近时，酶蛋白受底物分子的诱导， 其构象将发生有利于与底物结合的变化，从而使酶与底物相互契合而进行化学反应。目 前公认诱导契合假说比较符合实际，见图1 - 2 e 1 8 】。 甫一m e s 复合体 4 第一章绪论 1 3 研究的内容和意义 聚乳酸作为一种无毒、可完全生物降解的聚合物材料，它具有较好的化学惰性、易 加工性，所以近年来应用越来越广泛。然而，聚乳酸纤维属于脂肪族聚酯纤维，性能与 典型的芳香族聚酯纤维涤纶很相似。由于其分子结构中存在疏水性酯键，使得聚乳酸纤 维的亲水性较差，这对其大量使用造成了限制。因此，有必要对聚乳酸纤维进行改性， 来扩大它的应用领域，使得其纯纺织物也能满足服用的要求。 1 3 1 聚乳酸纤维改性方法 目前，医用聚乳酸的改性方法主要有以下几种，如图1 3 所示【1 9 ，2 0 1 。 r 共混改性 ，物理改性 fl 增塑改性 i ir 嵌断共聚改性 改性方法弋化学改性 ll 接枝共聚改性 l l 厂纤维复合改性 复合改性 l 纳米复合改性 图1 3 聚乳酸的改性方法 f i g 1 - 3m o d i f i c a t i o nm e t h o d so fp o l y l a c t i ca c i d 1 3 2 聚乳酸纤维的生物酶改性 表面改性是改善聚酯纤维性能的重要方法。其中碱减量法是目前聚酯纤维表面处理 技术工业化的成功实例。但是在碱减量过程中易损伤纤维，从而使纤维强度和质量下降， 并且由于碱减量后纤维对光有漫反射的原因，织物染色的效果在视觉上不够丰满。为了 获得一般聚酯织物的同样效果，往往需要使用未经碱减量处理织物的1 5 2 倍染料。另 外，耗水量大和对环境的污染问题也已引起人们的重视1 2 。生物酶作为一种温和、高选 择性和高特异性的催化剂，用于纺织品的湿加工具有独特的优点。生物酶改性处理工艺 简单，处理条件温和，对环境友好，是一种很有前途的加工方法，在纺织湿加工中应用 也越来越广泛。 利用生物酶来改性合成纤维或织物，可以使纤维中疏水性的酯基转变为亲水性的羟 基或羧基f 2 2 1 ，从而改善纤维的各项性能。脂肪酶作为水解酶的一种，其作用位点是脂肪 酸或羧基酯。p l a 纤维含有酯键，所以能被脂肪酶水解，使其化学结构产生变化，产生 极性的羟基和羧基。由于酶分子为大分子蛋白质，进入p l a 纤维内部进行催化水解比 较困难，所以脂肪酶的催化水解只能发生在p l a 纤维的表面，反应中酯键的断裂基本 上只发生在聚酯链的端部f 2 3 1 。 1 3 3 酶改性聚乳酸纤维研究现状 目前，国内外的学者对聚乳酸纤维的生物酶水解研究都只局限于医学方面，在纺织 江南火学硕士学位论文 领域还未见相关报道。第四军医大学孙磊等人的研究表明脂肪族聚酯比芳香族聚酯更容 易酶降解 2 4 1 。t z i v a n o v a 等人研究了角质酶对聚g _ , - - 醇( p e g ) 和p l a 共聚物的水解作用， 尤其是对酶水解的动力学以及水解模型做了详细的研列巧j 。 合成纤维的酶法改性研究始于2 0 世纪末。开展这方面研究的国家主要有美国、日 本、德国等国 2 6 1 。目前，用于合成纤维改性的生物酶主要有脂肪酶、酯酶和角质酶，主 要来源于c a n d i d a 属，p s e u d o m o n a s 属，a s p e r g i l l u s 属，r h i z o p u s 属，h u m i c o l a 属，m u e o r 属。另外，从大麦皮和猪脏或猪胰中提取的酯酶或脂肪酶也经常被用来改性合成纤维 2 7 - 2 9 1 o h s i e h 等人于1 9 9 8 年首先报道了酶水解对改善涤纶织物润湿性和吸水性的作用1 3 0 1 。 他们使用6 种脂肪酶对几种不同的涤纶织物进行了处理。结果表明，与碱处理相比，酶 处理的反应条件温和，这些条件包括相对低的浓度，较短的反应时间以及较温和的反应 温度。酶处理在改性涤纶织物润湿性的同时，并没有降低涤纶织物的纤维强度。日本京 都工艺纤维大学及其合作单位报道了酶对涤纶碱量的研究结剽3 l j 。他们认为p e t 通过 微生物的分解相当困难，但自然界中确实存在一种能够分泌胞外酶的微生物，它能分解 p e t 的单体酯。文中选用了几种能使脂肪族聚酯产生明显分解的商品脂肪酶来处理涤纶 织物。结果表明，涤纶织物经处理后，吸水速度加快，抗静电性能增强，染色性能提高。 m e e y o u n gy o o n 等人做了以下研究【3 2 1 。他们使用一种聚酯酶，即一种丝氨酸酯酶来处 理涤纶织物，得到了很好的处理效果。酶处理降低了涤纶的起球性，提高了涤纶表面的 亲水性，增加其与阳离子染料的亲和力，去除了涤纶表面的浆料和油污，同时也使涤纶 表面的泛光现象得到改善。a k b a r 等人研究了酶对涤纶长丝纱线的改性作用1 3 引。两种复 合长丝涤纶纱线在不同的温度下，以不同的拉伸率被拉伸后，在相似的条件下用酶进行 水解。结果表明，酶水解后，涤纶纱线的失重率小于0 5 ，强度损失达1 0 ，水吸收 率升高达到5 0 ，但酶水解仅限于纤维表面，与纤维的拉伸率相比，纤维的表面积对酶 水解作用的影响更大。m a m e v e r t o m m e 等人的研究明确肯定了一种特定的角质酶能 够有效水解涤纶【3 4 1 。结果表明，结晶度会对角质酶水解聚酯键产生影响，角质酶更易水 解聚酯纤维的非结晶区，在高结晶区水解很弱。角质酶在水解了底物无定形区五天后还 显示了很高的活性。a l e x a n d r e0 n e i l l 等研究了经过改性的角质酶对涤纶的作用1 35 。结 果显示，经改性的角质酶比未改性的角质酶更易水解涤纶的酯键，同时，反应时的机械 振荡频率也会对水解产生影响。国内也有学者对此进行了研究。天津工业大学的张健飞 等曾以对苯二甲酸二乙酯为p e t 的模拟物，选用4 种脂肪酶对该模拟物和p e t 的降解 性能做了研究【3 6 1 。结果表明脂肪酶对p e t 纤维有降解作用，但其降解率很低。 1 3 4 研究的主要内容 本文主要选用诺维信公司的脂肪酶l i p e x l 0 0 l 和美国s i g m a 公司的脂肪酶l 3 1 2 6 对 聚乳酸纤维进行处理。通过研究纤维改性前后性能变化和测试酶水解产物，对脂肪酶催 化水解纤维的可行性和处理效果进行评价。 主要研究内容有： ( 1 ) 通过测定减量率和纤维的沉降时间，进行单因素分析( 酶浓度、处理时间、处 6 第一章绪论 理温度、p h 值) ，得出两种脂肪酶的最佳工艺条件。 ( 2 ) 改性后纤维性能变化：s e m 观测处理后纤维表面形态的变化；x p s 分析纤维表 面元素含量的变化：阳离子和活性染料染色表征纤维表面极性基团的增加情况。 ( 3 ) 酶水解产物分析：测试酶处理残液耗碱量和p h 值变化；紫外吸光度值表征水 解液中乳酸类物质的生成；h p l c 测定酶水解液中乳酸的含量。 ( 4 ) 通过测定反应体系中残液紫外吸光度及纤维用阳离子和活性染料染色的表观深 度，评价等离子体预处理对酶促反应的影响。 7 第二章试验材料、仪器和方法 第二章试验材料、仪器和方法 2 1 试验材料和药品 聚乳酸纤维、聚乳酸针刺无纺布( 无锡市益宏化纤有限公司) ，规格为1 5 6 d ，直径 3 8 7 6 9 m 。 脂肪酶：l i p e x l 0 0 l ( 诺维信生物技术有限公司) 为工业品，液体，酶活力1 0 0 k l u g ； l 3 1 2 6 ( 美国s i g m a 公司) 为工业品，固体，酶活力3 0 - 9 0 u n i t m g 。 试验药品及试剂：磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、盐酸、氢氧化钠、三羟甲基氨基甲烷、 甘氨酸、碳酸钠、硫酸钠、丙酮均为分析纯；渗透剂j f c 、活性黑s - e o 、活性蓝h n g r 、 阳离子翠蓝x g b 为工业级。 2 2 试验仪器 表2 1 试验仪器 t a b 2 1a 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 试验及测定方法 2 3 1 脂肪酶处理聚乳酸纤维 称取一定重量的聚乳酸纤维，放入装有去离子水的锥形瓶中，于5 0 。c 水浴中振荡 l h 后取出，再放入按预定条件配制好的脂肪酶溶液中，于规定温度反应一定时间后，取 出纤维，用蒸馏水充分洗涤后浸入2 9 ln a 2 c 0 3 溶液中，于5 0 下振荡l h ，水洗，晾干， 9 江南大学硕士学位论文 备用。 2 3 2 等离子体预处理 调节等离子体至所需压强和功率，将5 锄5 c m 的聚乳酸纤维无纺布试样水平放入 等离子体反应室中，抽真空，反应一定时间后，取出试样。 由于经等离子体处理的织物均有时效性问题，所以在后续实验中，经等离子体处理 的纤维均放置2 4 h 后再进行其它测试。 2 3 3 聚乳酸纤维的染色 按配方配制染液，将温度调至6 0 c 染色1 5 h 。取出聚乳酸纤维，用去离子水于5 0 。c 振荡水浴中水洗1 h ，再在6 0 c 烘箱中烘干。 ( 1 ) 活性染料染色处方 染料用量( o w 0 5 n a 2 c 0 3 2 0g l n a 2 s 0 4 4 0g l 浴比 1 ：5 0 ( 2 ) 阳离子染料染色处方 染料用量( o w f ) 5 冰醋酸( o w f ) 1 5 醋酸钠( o w 0 1 0 浴比 l ：5 0 2 3 4 减量率的测定 脂肪酶处理前，将约1 0 0 0 9 聚乳酸纤维试样放在1 0 5 c 烘箱中烘1 5 h 后，再放入干 燥器中平衡0 5 h 。此时，称其质量为g 0 。脂肪酶处理完毕后，纤维在自然条件下风干， 再在相同条件下烘干、平衡后，称其质量为g l ，根据下面公式计算减量率： 减量率= 掣x 1 0 0 ( 2 1 ) u o g d 一一纤维酶处理前质量( g ) g 厂一纤维酶处理后质量( g ) 2 3 5 沉降时间的测定 在2 5 0 m l 烧杯中放入2 0 0 m l 水，将空白样和经脂肪酶处理的聚乳酸纤维约0 5 0 0 9 试样轻轻横放在烧杯中的水面上。记录纤维从接触水面到沉到烧杯底部的时间。 2 3 6k s 值的测定 采用c o l o r - e y e 7 0 0 0 a 测配色仪，选用l a b e y e 软件测试。开机预热3 0 m i n 后，首先 进行黑白板校正；然后设定测试环境：1 0 0 视场、d 6 5 光源、测色次数：2 次，分别测试 1 0 第二章试验材料、仪器和方法 空白样和脂肪酶处理后纤维，记录c 、l 、a 、b 以及最大吸收波长处的k s 值。 2 3 7s e m 测试 将聚乳酸纤维表面镀金后，在q u a n t a2 0 0 电子显微镜上对其进行测试，电压10 k v ， 放大倍数4 0 0 0 倍，观测纤维表面物理形态的变化。 2 3 8x p s 测试 测试条件为铝镁靶，高压1 4 0 k v ，功率2 5 0 w ，真空优于1 1 0 。8 t o r r 。采用美国 r b d 公司的r b d l 4 7 数据采集卡和a u g e r s c a n 3 2 1 软件分别采集样品的0 1 2 0 0 ( 1 0 0 0 ) e v 的全扫描谱( 通能为9 3 9 e v ) ，而后采集各元素相关轨道的窄扫描谱( 通能为2 3 5 e v 或 4 6 9 5 e v ) ，并采用a u g e r s c a n 3 2 1 软件进行数据分析。以c l s = 2 8 4 6 e v 为基准进行结合 能校正。 聚乳酸纤维经脂肪酶处理后，用x 射线光电子谱仪测试处理前后纤维表面元素的含 量。 2 3 9 酶处理液p h 值的测定 分别将1 0 0 9 的聚乳酸纤维浸入1 0 0 m l 预先配制好的酶溶液( l 3 1 2 6 ：0 5 9 l ，4 5 c ； l i p e x1 0 0 l ：1 0 m l l ，4 0 * c ) d p 。用n a o h 溶液调节溶液p h 值至脂肪酶反应活性最佳值 ( l 3 1 2 6 ：8 5 ；l i p e x1 0 0 l ：7 5 ) 。每隔一定时间用酸度计测定反应液的p h 值。 2 3 1 0 耗碱量的测定 配制浓度为10 。5 m o l l 的n a o h 标准溶液。用0 0 1 m o l l n a o h 溶液调节酶反应液p h 值，同时其空白实验( 除不加入脂肪酶外，其他条件皆同) 也调p h 值一致。称取1 o o g 的 聚乳酸纤维，加入酶溶液中。反应初始2 h 内每隔3 0 m i n 用n a o h 标准溶液滴定p h 至 反应初始p h 值，随后每隔l h 滴定一次，记录每次滴定所消耗的碱量。 2 3 1 1 乳酸标准曲线 准确配制不同浓度的乳酸溶液，在其特征吸收波长2 1 0 n m 下测定其紫外吸光度。以 溶液浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，得到溶液浓度与吸光度相关的标准曲线，如图2 一l 所示。 乳酸浓 ：( m o l l ) 图2 1 乳酸标准曲线 f i g 2 1s t a n d a r dc u r v eo f p o l y l a c t i ca c i d 江南火学硕士学位论文 2 3 1 2 酶处理残液紫外分析 吸取酶处理残液2 m l 稀释至2 5 m l 。用紫外分光光度计测试不同脂肪酶浓度处理和 不同处理时间下2 1 0 n m 的紫外吸光度值。参比样为相同条件下不加入p l a 纤维的脂肪 酶溶液。 2 3 1 3 脂肪酶处理残液h p l c 测试 h p l c 的测试条件如下：色谱柱：d i a m m s i ll 184 6 x 2 5 0 m m ：流动相：0 0 5 h 3 p 0 4 ： 检测波长：u v2 1 0 n m ：流速：l m l m i n ：检测温度：3 0 ；进样：1 0 9 l 。 1 2 第三章脂肪酶处理聚乳酸纤维 第三章脂肪酶处理聚乳酸纤维 - 堪一h 。3 夕c _ 等一k h h 一 1 c 7 3 1 脂肪酶l 3 1 2 6 处理聚乳酸纤维 3 1 1 酶浓度对减量率和沉降时间的影响 聚乳酸纤维经脂肪酶l 3 1 2 6 处理后，纤维减量率及沉降时间随脂肪酶浓度变化趋势 如图3 2 和3 3 所示。 脂肪酶浓度( g l ) 图3 - 2 脂肪酶l 3 1 2 6 浓度对减量率的影响 f i g 3 - 2e f f e c to ft h ec o n c e n t r a t i o no fl i p a s el 3 12 6o nw e i g h tl o s s 脂肪酶浓度( g 图3 3 脂肪酶l 3 1 2 6 浓度对沉降时间的影响 f i g 3 - 3e f f e c to ft h ec o n c e n t r a t i o no fl i p a s el 3 12 6o nd r o pt i m e 江南大学硕士学位论文 由图3 2 和3 3 可知，未经脂肪酶l 3 1 2 6 处理的聚乳酸纤维沉降时间超过1 2 0 m i n ， 表明未处理的纤维与水的亲和力较小，润湿性差；当脂肪酶浓度较低时，聚乳酸纤维的 减量率较小，沉降时间较长，接近1 2 0 m i n 。这表明聚乳酸纤维在脂肪酶浓度较低时水 解较少，润湿性并没有得到很大的改善。随着脂肪酶浓度的增加，减量率快速增加，当 脂肪酶浓度达到0 s g l 时，减量率曲线出现拐点。此后，继续增加脂肪酶浓度，减量率 几乎不再变化。沉降时间曲线呈现相同变化趋势。这说明聚乳酸纤维表面脂肪酶的作用 位点逐渐减少，而又由于聚乳酸纤维的高度致密性，使得脂肪酶不能进入纤维内部进一 步水解纤维。所以在曲线的拐点之后，即使再增加脂肪酶的浓度，水解的纤维酯键数量 也不会增加。脂肪酶催化水解聚乳酸纤维，会在纤维表面形成刻蚀，使得纤维产生一定 的减量；刻蚀的产生也会提高聚乳酸纤维的润湿性，从而沉降时间随之减少，减量率与 沉降时间存在一定的关系。因此，选择o 5 l 为脂肪酶l 3 1 2 6 的最佳酶浓度。 3 1 2 酶处理时间对减量率和沉降时间的影响 聚乳酸纤维经脂肪酶l 3 1 2 6 处理后，纤维减量率及沉降时间随脂肪酶处理时间的变 化趋势如图3 4 和3 5 所示。 图3 _ 4 脂肪酶l 3 1 2 6 处理时间对减量率的影响 f i g 3 4e f f e c to ft h et r e a tt i m eo fl i p a s el 312 6o nw e i g h tl o s s 脂肪酶处理时间( h ) 图3 5 脂肪酶l 3 1 2 6 处理时间对沉降时间的影响 f i g 3 5e f f e c to ft h et r e a tt i m eo fl i p a s el 3 12 6o nd r o pt i m e 1 4 第三章脂肪酶处理聚乳酸纤维 由图3 _ 4 和3 5 可知，当脂肪酶l 3 1 2 6 处理时间低于4 h 时，减量率小于0 4 ，沉 降时间大于4 0 m i n ，而当脂肪酶处理时间大于8 h 时，减量率大于o 8 ，沉降时间小于 1 5 m i n 。这是由于脂肪酶水解聚乳酸纤维酯键的数目随着时间的延长而增加，纤维的润 湿性得到较大改善。当处理时间大于8 h 时，减量率仍有上升的趋势，沉降时间仍有下 降的趋势，但是上升或下降的速度非常缓慢。这说明在脂肪酶催化水解反应后期，聚乳 酸纤维表面脂肪酶催化水解的作用位点渐渐减少。所以选择处理时间8 h 为脂肪酶l 3 1 2 6 的最佳处理时间。 3 1 3 酶处理液p h 值对减量率和沉降时间的影响 脂肪酶l 3 1 2 6 在不同p h 条件下处理聚乳酸纤维，纤维减量率和沉降时间的变化趋 势分别如图3 - 6 和3 7 所示。 脂肪酶处理液p h 值 图3 - 6 脂肪酶l 31 2 6 处理液p h 值对减量率的影响 f i g 3 - 6e f f e c to ft h ep h v a l u eo fl i p a s el 312 6s o l u t i o no nw e i g h tl o s s 脂肪酶处理液p h 值 图3 7 脂肪酶l 3 1 2 6 处理液p h 值对沉降时间的影响 f i g 3 - 7e f f e c to f t h ep h v a l u eo f l i p a s el 3 1 2 6s o l u t i o no nd r o pt i m e 由图3 - 6 和3 7 可知，当p h 值小于7 时，空白样和酶处理样的减量率都较小，纤 维沉降时间较大，润湿性较差。这表明在中性或弱酸性条件下，聚乳酸纤维几乎不会被 脂肪酶催化水解。当p h 值大于7 时，脂肪酶处理样的减量率急剧上升，沉降时间快速 江南大学硕士学位论文 减小。这是因为脂肪酶对聚乳酸纤维产生了比较强烈的催化水解作用。在p h 为8 5 时， 脂肪酶处理样的两条曲线都出现拐点。空白样的减量率曲线和沉降时间曲线在p h 大于 9 的时候也有所上升。在p h 为l o 时，酶处理样的减量率超过o 9 ，沉降时间低于5 r a i n ， 纤维的润湿性与空白样相比得到了较大的提高。这时，减量有一部分是由于处理液中 o h 离子浓度增加，使得聚乳酸纤维酯键断裂引起的。另外，由于p h 值的升高，可能 会引起脂肪酶的不可逆失活，从而降低其催化效率。综合空白样和脂肪酶处理样考虑， 脂肪酶处理液最佳p h 值为8 5 。 3 1 4 处理温度对减量率和沉降时间的影响 脂肪酶l 3 1 2 6 在不同温度下处理聚乳酸纤维，纤维减量率和沉降时间分别随温度变 化趋势如图3 8 和3 - 9 所示。 脂肪酶处理温度( ) 图3 8 脂肪酶l 3 1 2 6 处理温度对减量率的影响 f i g 3 8e f f e c to fl i p a s el 3 12 6t r e a t m e n tt e m p e r a t u r eo i lw e i g h tl o s s 脂肪酶处理温度( ) 图3 - 9 脂肪酶l 3 1 2 6 处理温度对沉降时间的影响 f i g 3 - 9e f f e c to f l i p a s el 3 1 2 6t r e a t m e n tt e m p e r a t u r eo nd r o pt i m e 由图3 8 和3 - 9 可知，温度小于3 5 。c 时，脂肪酶处理样的减量率很小，沉降时间超 过9 0 m i n 。这说明脂肪酶在此温度下催化水解作用很弱，并未显著改善纤维的润湿性。 之后，随着温度的升高，脂肪酶处理样的减量率一度上升很快，而沉降时间急剧下降， 1 6 第三章脂肪酶处理聚乳酸纤维 于4 5 。c 时达到峰值。此时，纤维水解最强烈，润湿性最好。当温度大于4 5 。c 时，减量 率又迅速下降，沉降时间曲线有回复到初值的趋势。在较低温度范围内，酶的催化活性 随着温度的升高而提高，水解酯键的数量随之增加：但当温度过高时，脂肪酶大量变性 失活，导致催化水解作用显著下降。空白样的减量率随着温度的升高略微有所上升，表 明温度升高可能会导致聚乳酸纤维的水解。由两图分析得出，脂肪酶l 3 1 2 6 水解聚乳酸 纤维的最佳温度为4 5 。 3 2 脂肪酶l i p e x l 0 0 l 处理聚乳酸纤维 3 2 1 酶浓度对减量率和沉降时间的影响 聚乳酸纤维经脂肪酶l i p e x l 0 0 l 处理后，纤维减量率及沉降时间随脂肪酶浓度变化 趋势如图3 1 0 和3 1 1 所示。 0 4 0 o 3 5 0 3 0 0 。2 5 更 蘑o 2 0 妊 蹙o 1 5 o 1 0 o 0 5 舍 量 童 套 遴 遥