（纺织工程专业论文）羊毛织物的溶胶凝胶法固定化溶菌酶抗菌整理.pdf

摘要 摘要 随着工业的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，人们对环境卫生与自我健康日益 重视，因此抗菌纺织品已逐渐受到消费者喜爱。羊毛织物具有独特的外观风格与优良的 保暖功能，倍受市场青睐。羊毛织物的抗菌性主要是通过后整理方法获得，用于羊毛织 物整理的抗菌剂主要有纳米银系无机抗菌剂、季铵盐阳离子型有机抗菌剂、壳聚糖。安 全、环保、长效是抗菌织物未来发展的方向。溶菌酶是一种优良的天然抗菌剂，广泛分 布于动物、植物和微生物中，具有抗茵性强、安全无毒、热稳定性好等优点，在食品、 医药、生物工程和化妆品等行业广泛应用，而在纺织品上的应用还处于起步阶段。 溶胶凝胶法条件温和，能保持酶的原始结构、活力和功能，适合于各种酶、微生物、 抗生素及动植物活细胞的固定化。本文拟通过溶胶凝胶法将溶菌酶固定于羊毛织物表 面，制备具有抗菌作用的羊毛织物。采用正硅酸甲酯( t m o s ) 、丫缩水甘油醚氧丙基三甲 氧基硅烷( g p t m s ) 、丙基三甲氧基硅烷( p t m s ) 和正硅酸甲酯( t m o s ) 三种溶胶前驱体组 合分别制得溶胶，通过二浸二轧将溶胶一溶菌酶涂层在羊毛织物表面，以单位布面的酶 活大小为衡量固定化的标准，控制溶胶组份、酶浓度、添加剂等因素。最后，以固定化 的最佳工艺整理羊毛织物，测试织物的抑菌性及织物抑菌效果的耐洗涤性。 实验结果表明：t m o s 水解制得的溶胶固定化溶菌酶的最佳工艺：水与前驱体的物 质的量比8 0 ；葡萄糖浓度8 m g m l ：游离酶浓度1 2m g m l ；g p t m s 水解制得的溶胶固定 化溶菌酶的最佳工艺：水与前驱体的物质的量比8 0 ；添加剂的体积分数1 0 ；游离酶浓 度1 5m g m l ；p t m s 与t m o s 水解制得的溶胶固定化溶茵酶的最佳工艺：p t m s 与t m o s 物质的量比4 ：1 ；水与前驱体的物质的量比3 2 ；游离酶浓度2 5 m g m l ，稳定剂p v a 0 5 8 8 2 m g m l 。固定化溶菌酶的羊毛织物的抑菌率：t m o s 溶胶与g p t m s 溶胶固定化溶菌酶 的羊毛织物的抑菌率分别为6 5 5 4 、7 0 7 8 ，p t m s + t m o s 溶胶固定化溶菌酶的羊毛织 物抑菌率达到9 0 3 2 。羊毛织物抗菌效果耐洗涤性：t m o s 溶胶、g p t m s 溶胶、 p t m s + t m o s 溶胶固定化溶菌酶羊毛织物水洗5 次后，其抑菌率分别维持3 7 8 4 、 5 2 6 3 、7 5 6 7 。 关键词：羊毛织物；抗菌整理；溶菌酶；溶胶凝胶法；抑菌率 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fi n d u s t r ya n de n h a n c e m e n to fp e o p l e s l i v i n g s t a n d a r d s ，p e o p l e e n v i r o n m e n t a l c o n s c i o u c e n e s sa n d h e a l t h y c o n s c i o u c c n e s se n h a n c e f u r t h e r , s ot h ea n t i b a c t e r i a lf a b r i c sr e c e i v em o r ea n dm o r ec 幻m s u t n e r sa f f e c t i o n w o o lf a b r i c s a r cv e r yp o p u l a rb e c a u s eo ft h e i ru n q u ee x t e r i o rs t y l ea n de x c e l l e n tk e e p w a r mf u n c t i o n , w o o l f a b r i c s a n t i b a c t e r i a lp e r f o r m a n c ei sm a i n l yg a i n e dt h r o u g ha n t i b a c t e r i a lf i n i s h i n ga n dt h e a n t i b a c t e r i a la g e n t si n c l u d em a i n l yn a n o m a t e r i a la gs e r i e si n o r g a n i ca n t i b a c t e r i a la g e n t 、 q u a t e r n a r ya m m o n i u mc a t i o n i cs e r i e so r g a n i ca n t i b a c t e r i a la g e n ta n dc h i t o s a n s a f e t y 、g r e e n a n dd u r a b i l i t ya r e t h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo ft h ea n t i b a c t e r i a lf a b r i c s l y s o z y m e , a n e x c e l l e n tn a t u r a la n t i b a c t e r i a l a g e n t ，s p r e a d sc o n s i d e r a b l e l yo v e ra n i m a l s 、p l a n t s a n d m i c r o o r g a n i s m s l y s o z y m el l o wa p p l y sw i d e l yi nf o o d 、m a d i c i n e 、b i o e n g i n e e r i n g 、c o s m e t i c s a n ds oo nf o ri t se x c e l l e n ta n t i b a c t e r i a lp r o p e r t y 、s a f e t ya n dt h e r m a ls t a b i l i t y , b u ti ti ss t i l li 珏 t h es t a r t - u pp e r i o d si nt e x t i l e s s o l g e le n c a p s u l a t i o nm e t h o di sf i tf o re n z y m e 、m i c r o o r g a n i s m 、a n t i b i o t i c 、a n i m a la n d p l a n tl i v ec e l la n dc a l lk e e p 也e i rp r i m i t i v ec o n f i g u r a t i o nf o ri t sm i l dc o n d i t i o n t h i sm i e l e a d o p ts o l - g e lm e t h o dt oi m m o b i l i z el y s o z y m eo nw o o lf a b d c st oe n d o ww i t ha n t i b a c t e r i a l p e r f o r m c e t e t r a m e t h o x y s i l a n e ( t m o s ) 、y - g l y c i d o x y p r o p y l t r i m e t h o x y s i l a n e ( g p t m s ) 、 p r o p y l t r i m e t h o x y s i l a n e ( p t m s ) a n dt e t r a m e t h o x y s i l a n e ( t m o s ) h a v e b e e ns e l e c t e d 嬲 p r e c u r s o r s t o p r o d u c es o l ，t h e nw o o lf a b r i c sw e r ec o a t e d 、) l ，i ms o l - l y s o z y m et h r o u g h d o u b l e - d i p d o u b l e - n i p t h ep r o c e s s o fi m m o b i l i z a t i o nw a ss t u d i e da n dt h eo p t i m u m p a r a m e t e r ss u c ha 8c o m p o n e n to f s o l 、丘e l l z y m oc o n c e n t r a t i o na n da d d i t i v ew o r ec o n t r o l l e d b yu s i n gac r i t e r i aw h i c hh o wm a n ya c t i v eu n i t so fi m m o b i l i z e de n z y l l ep e ru n i ta r e a h a v e f i n a l l y , w o o lf a b r i c s a n t i b a c t e r i a lp r o p e r t ya n dw a s h a b i l i t yo f a n t i b a c t e r i a le f f e c tw e r e m e n s u r a t e d 皿ef o l l o w i n gh a v eb e e no b t a i n e dt h r o u g hl o t so fe x p e r i m e n t s ：t h eo p t i m u mi m m o b i l i z e d p a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e db yu s i n gt h es o lh y d r o l y z e db yt m o s ：w a t e r s i l a n em o l a r r a t i o = 8 0 ，g l u c o s e8 m g m l , y s o z y m e12 m g m l ；t h eo p t i m u mi m m o b i l i z e dp a r a m e t e r sw e r e d e t e r m i n e db yu s i n gt h es o lh y d r o l y z e db yg p t m s ：w a t e r s i l a n em o l a rr a t i o = 8 0 ，a d d i t i v e1 0 ， y s o z y m e15 m g m l ；t h eo p t i m u mi m m o b i l i z e dp a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e db yu s i n gt h es o l h y d r o l y z e db yp t m sa n dt m o s ：p r o p y l t r i m e t h o x y s i l a n e ( p t m s ) t e t r a m e t h o x y s i l a n e ( t m o s ) m o l a rr a t i o = 4 ：l ，w a t e r s i l a n em o l a rr a t i o = 3 2 ，l y s o z y m e2 5 m g m l ，a n dp v a0 5 8 82 m g m l ；t h e a n t i b a c t e r i a lw o o lf a b r i c sh a v eb e e nm e n s u r a t e da n d 也ec o n c l u s i o n sa r e 嬲f o l l o w ：t h e m i c r o o r g a n i cr e s i s t a n tr a t eo ft h ew o o lf a b r i c st r e a t e dw i lt m o ss o l 、g p t m ss o lw e r e i n d e p e n d e n t l y6 5 5 4 a n d7 0 7 8 ，a n dt h a to ft h ew o o lf a b r i c st r e a t e dw i 伍p t m s + t m o s s o lr e a c h e d9 0 3 2 ；t h ew a s h a b i l i t yo fa n t i b a c t e r i a le f f e c to ft h ea n t i b a c t e r i a lf a b r i c sh a v ea l s o b e e nm e n s u r a t e da n dt h ec o n c l u s i o n sa l ea sf o l l o w ：a f l a r5t i m e sw a s h i n g , t h em i c r o o r g a n i c r e s i s t a n tr a t eo f t h ew o o lf a b r i c st r e a t e dw i t h 册ss o l 、g p ，r m ss o la n d 硎s + t m o ss o l a b s t r a c t k e e p e di n d e p e n d e n t l y3 7 8 4 、5 2 6 3 、7 5 6 7 k e yw o r d s ：w o o lf a b r i c s ；a n t i b a c t e r i a lf i n i s h i n g ；l y s o z y m e ；s o l g e l ；m i c r o o r g a n i c r e s i s t a n tr a t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是誉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：雠 日期： 关于论文使用授权的 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： 连缘 导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 抗茵纺织品 + 随着工业的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，人们对环境卫生与自我健康日益 重视，因此抗菌纺织品已逐渐受到消费者喜爱。目前，抗菌纺织品在医疗卫生、家庭生 活、服装、工业、科研等各个领域都得到广泛应用，并随着人们消费需求不断扩大，特别 是2 0 0 3 年春季爆发的“非典”，更是激活了不断升温的抗菌纺织品市场。据估计，2 0 0 0 年， 抗菌纺织品在西欧的生产量达3 0 0 0 0 t 之巨，全球的生产量为1 0 0 0 0 0 t 。此外，2 0 0 1 2 0 0 5 年，西欧抗菌纺织品产量估计年均增) ) 1 1 1 5 以上，是纺织品市场中增长最快的领域【1 1 。 我国在抗菌纺织品方面的研究起步较晚，但发展势头很猛，2 0 0 5 年我国抗菌制品价值总 额已达5 0 0 亿元。 1 1 1 纺织品抗茵整理的意义 自然界广泛存在着微生物，包括各种细菌、真菌、病毒等，微生物可分为致病性微 生物和非致病性微生物，如表1 1 【2 1 。 表1 - 1 微生物及其影响作用 t a b 1 - 1m i c r o o r g a n i s ma n di t se f f e c t 这些微生物在纺织品上尤其是内衣织物的穿着过程中，会沾污很多汗液、皮脂以及 其它人体分泌物，并在适宜的温湿度条件下，在多孔的纺织材料中大量繁殖，容易使人 体被细菌感染后而引起各种传染病的发生，因而需要加以控制。 1 1 2 国内外抗茵纺织品发展现状 抗菌纺织品起源于第二次世界大战，当时德国的军队服装和战地医院的纺织用品， 就采用了抗菌织物，对伤病员的细菌感染的控制起到了一定作用【3 1 。之后，抗菌纺织品 得到迅速发展，美国的抗菌纺织品在2 0 世纪5 0 年代至6 0 年代就已工业化生产，至7 0 年代 中期以后，日本的抗菌防臭纺织品也进入高速发展阶段，而我国这方面的研究还只是近 1 0 年的事【3 a 】。抗菌纺织品在国际市场上一出现便风靡全球，现已形成了每年几百亿美元 的巨额销售。在且本，8 0 以上的袜子、内衣等都为抗菌纺织产品，其在抗菌加工产品 领域中的市场占有率正在逐渐扩大【3 , 5 】。 江南大学硕士学位论文 1 2 羊毛织物的抗菌整理 羊毛织物是重要服装面料，羊毛织物以其柔软、丰满、保暖功能好等特点，深受人 们喜爱，尤其是在礼服、西装等高档服装面料领域中，更是独树一帜。赋予羊毛织物良 好的抗菌性，以满足人们对健康的关切，一直为研究者所重视。通常，抗菌织物可以通 过两种方法获得，其一，直接采用抗菌纤维如甲壳素纤维、亚麻、苎麻等织成各种抗菌 织物【6 】；其二，将织物通过后整理加工以获得抗菌性能。到目前为止，羊毛织物的抗菌 整理主要是通过后整理方法获得，用于羊毛织物整理的抗菌剂主要有无机抗菌剂、有机 抗菌剂和天然抗菌剂。 1 2 1 无机抗菌剂 无机抗菌剂主要有载体结合金属离子型和氧化钛光触媒型两大类【3 1 。载体结合金属 离子型无机抗菌剂是将具有抗菌功能的金属离子加载在各种无机天然或人工合成的载 体上，使用时载体缓释抗菌活离子，使制品具有抗菌和杀菌的效果。其中应用效果最好 的金属离子是a 9 2 + 、c u ”、z n 2 + 等【8 。9 1 。根据载体的不同可分为，沸石抗菌剂、磷酸复盐 抗菌剂、膨润土抗菌剂、可溶性玻璃抗菌剂、托勃莫来石抗菌剂、硅胶抗菌剂【l o 】。无机 抗菌剂的抗菌机理存在两种假说：( 1 ) 金属离子缓释抗菌机理，认为缓慢释放的金属 离子可以与细菌酶蛋白结合使细菌变性或失活；( 2 ) 活性氧抗菌机理，认为在光的作 用下，a g + 和水或空气作用，生成具有高活性( 强氧化性或还原性) 的负氧离子0 2 和o h ， 破坏微生物结构和活性【1 1 】。氧化钛光触媒型抗菌剂是利用n 型半导体材料，如t i 0 2 、z n 0 2 、 f e 2 0 3 、w 0 3 、c d s 等在光催化下，将吸附在表面的o h 和i - 2 0 分子氧化成具有强氧化能 力的o h 自由基，从而对环境中的微生物具有杀灭作用。 无机抗菌剂的优点是具有安全性、耐热性、耐久性、持续性，是纤维、塑料、建材 等生活制品最适宜的抗菌剂品种。不足之处是与天然或人工合成的高分子化合物亲和、 相容性差，且一般杀菌作用较慢：释放的金属离子易造成环境污染，并危害人体健康。 1 2 2 有机抗茵剂 有机抗菌剂主要是指有机硅类季铵盐、胍类，除此之外还有卤胺化合物、酚类、醇 类、酸类、酯类、醛类、咪唑类、噻唑类、吡啶类等【1 2 , 1 3 】。其抗菌机理【1 4 1 是：有机抗菌 剂与细菌和霉菌细胞膜表面的阴离子相结合，破坏蛋白质与细胞膜的合成系统，从而起 到抑菌作用。有机抗菌剂优点在于杀毒速度快，效果持久，来源丰富；缺点在于毒性大， 耐热性差，易迁移。 1 2 3 天然抗菌荆 天然抗菌剂是从动植物体内提取精炼而成的一种抗菌剂，包括壳聚糖、日伯醇、黄 姜根醇、孟宗竹提取物等【1 5 , 1 6 。壳聚糖是目前使用最多的天然抗菌剂之一，我国海域辽 阔、湖泊众多，蟹、虾资源非常丰富，所以壳聚糖资源丰富。其抗菌机理大致上有2 种 说法【1 7 】：一是壳聚糖的氨基阳离子与构成微生物细胞壁的唾液酸磷脂等阴离子相互吸 引，束缚了微生物的自由度，阻止了其代谢、繁殖。二是低分子量的壳聚糖侵入微生物 2 第一章绪论 细胞内，阻碍微生物的遗传密码由d n a 向r n a 的复制，阻碍了微生物繁殖。 天然抗菌剂具有耐气候性优良、毒性低、安全环保等优点，其主要缺点是耐热性较 差、药效持续时间短、对环境的依存度较高。 1 3 溶菌酶 溶菌酶( l y s o z y m e ) ，又称胞壁质酶、球蛋白g 、n - 乙酰胞壁质聚糖水解酶，1 9 2 2 年 f l e m i n g 等发现，在人的唾液、眼泪中存在有能够溶解细胞壁杀死细菌的酶，因而被命 名为溶菌酶。溶菌酶是一种天然抗菌剂，广泛分布于动物、植物和微生物中【1 8 1 。 1 3 1 溶茵酶的来源 ( 1 ) 动物源溶菌酶，包括鸡蛋清溶菌酶及人和哺乳动物溶菌酶。鸡蛋清溶菌酶是目 前研究和应用最多的，鸡蛋清中约占3 o ，分子量为1 4 0 0 0 ，其等电点在p i l l 0 8 左右， 最适温度为5 0 c ，化学性质稳定，p h 值在1 2 l1 3 之间改变对酶结构改变很小，p h 值在 4 7 范围内保持温度1 0 0 l m i n 仍有酶活，但在碱性条件下对热稳定性较差。 人溶菌酶存在于眼泪、唾液、鼻粘液、乳汁等分泌液中，l m l b 曼泪中含7 m g 溶菌酶， l m l 乳汁中含0 1 o 5 m g 。人溶菌酶由1 3 0 个氨基酸残基组成，有4 个s s 键，分子量为1 4 6 0 0 ，其溶菌活性比鸡蛋清溶菌酶高3 倍。对于哺乳动物溶菌酶，目前已从牛、猪、猫、 兔、猴、马、羊等动物的乳汁中分离出溶菌酶，其化学性质与人溶菌酶相似，但结构尚 不清楚，其溶菌活性也远低于人溶菌酶约3 0 0 0 倍。 ( 2 ) 植物源溶菌酶，目前发现含溶菌酶的植物有近1 7 0 种。在木瓜、无花果、大麦等 植物中均已分离出溶菌酶。植物源溶菌酶分子量较大，约为2 4 0 0 0 - - - 2 9 0 0 0 单位，其对溶 壁小球菌的溶菌活性不超过鸡蛋清溶菌酶的协，但其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 ) 微生物源溶菌酶，包括细菌细胞壁溶菌酶和真菌细胞壁溶菌酶。细菌细胞壁溶 菌酶可分为三大类【1 9 】：( 1 ) 内n - 乙酰已糖胺酶，此酶同于鸡蛋清溶菌酶，破坏细菌细胞 壁肽聚糖中的p 1 ，4 糖苷键；( 2 ) 酰胺酶，切断细菌细胞壁肽聚糖中n a m 与肽“尾”之间 的n 乙酰胞壁酸l 丙氨酸键；( 3 ) 内肽酶，使肽“尾 及肽“桥 内的肽键断裂；真菌 细胞壁溶菌酶包括几丁质酶和p 葡聚糖酶。几丁质酶主要用于真菌细胞壁的成型过程， 由于肽聚糖和甲壳质的糖骨架具有相似的结构，一些几丁质酶也具有溶菌酶活性；p 葡 聚糖酶主要用于分解酵母细胞的细胞壁。 1 3 2 溶茵酶的应用 1 3 2 1 溶菌酶在医学上的应用 溶菌酶作为一种存在于人体正常体液及组织中的非特异性免疫因素，具有多种药理 作用，它具有抗菌、抗病毒、抗肿瘤的功效。溶菌酶首先适用于五官科各种炎症。研究 表明它对眼、耳、喉、口腔等的急、慢性炎症均有一定疗效。溶菌酶也可用于扁平疣、 传染性软疣、尖锐湿疣、带状疱疹等多种皮肤病。另外，人体溶菌酶浓度还可以作为多 种疾病的诊断指标。目前日本已生产出医用溶菌酶，其适应症为出血、血尿、血痰和鼻 3 江南大学硕士学位论文 炎等。 1 3 2 2 溶菌酶在食品工业中的应用 溶菌酶是一种无毒、无副作用的蛋白质，又具有一定的溶菌作用，因此可用作食品 防腐剂。现已广泛应用于水产品、肉食品、蛋糕、清酒、料酒及饮料中的防腐；日本用 1 5 m g k g 溶菌酶用于低度酒的防腐，还可以添入乳粉中，使牛乳人乳化，以抑制肠道中 腐败微生物的生存，同时直接或间接地促进肠道中双歧杆菌的增殖。溶菌酶杀菌防腐， 由于不经过加热，属于冷杀菌，因而避免了高温杀菌对食品风味的破坏作用，尤其对热 敏感的物质更具有重要意义。此外，溶菌酶对人体安全、无毒、无害，且具有一定的保 健作用。 1 3 2 3 溶茵酶在畜牧上的应用 在肉仔鸡中添加溶菌酶，结果表明在肉仔鸡饲料中添加1 0 m g k g 溶菌酶( 相当于 1 50 0 0 单位) ，可降低饲料消耗，提高日增重。在仔猪( 7 , - , 6 0 日龄) 中添加1 5 m g k g 溶 菌酶，日增重提高4 9 6 ，腹泻率降低2 2 2 0 l 。 1 3 2 4 溶菌酶在酵母法生产蛋白的作用 酵母法生产蛋白的一个主要问题是蛋白处于酵母细胞壁的包围之中，故蛋白质的自 身利用率低，k n o r r 等研究了溶菌酶处理酵母菌后在培养过程中的氮和蛋白质的释放量 增加，提高了酵母蛋白质的利用率。 1 3 2 5 溶菌酶在生物工程的应用 溶菌酶具有破坏细菌细胞壁结构的功能，以此酶处理g + 细菌得到原生质体，因此， 溶菌酶是基因工程、细胞工程中细胞融合操作必不可少的工具酶。 1 4 溶胶凝胶技术在生物酶固定化的应用 国内外学者利用凝胶膜多孔性包埋生物活性分子的研究比较多，h a n h n g u y e n - n g o c 采用硅酸钠为前驱体将v e g e t a lc e l l 固定在凝胶中，并运用于生物探测器【2 l j ；j y h p i n gc h e n 等采用前驱体t m o s 和p t m s 将c a n d i d ar u g o s al i p a s e 成功包埋在凝胶粉末中，酶的固定 化程度达到9 5 ，固定化酶活是非固定化的水解酶活5 9 倍阱1 ；y e nw e i 采用t m o s 为前 驱体，d g l u c o s e 为非表面活性为模板来调节凝胶孔径的大小，可以极大提高固定化酶 a l p 的酶活【2 3 j 。 1 4 1 生物酶的固定化 酶是一种高效的生物催化剂，其催化作用特点包括两层含义：一、极高的催化效率； 二、高度的专一性。与同一个化学反应相比较，不需要高温、高压、强酸和强碱的作用 条件，生物酶就能促使其完成。生物酶的这种独特的催化功能，在工业、医学、农业等 各个领域都具有重大的实际意义。在染整加工，生物酶的应用也越来越多：果胶酶用于 精练，可以去除麻、棉纤维中的果胶杂质；淀粉酶用于退浆可以去除经纱上的浆料；过 氧化氢酶可以去除过氧化氢漂白后残留的过氧化氢；纤维素酶用于柔软力n - r - ，分解纤维、 改善手感和风格；等等【2 4 1 。 我们选择酶对纺织品染整加工是出于两方面原因：其一，世界各国对纺织品及环境 4 第一章绪论 无害的要求越来越高，要求达到用“清洁无害的化学”方法来进行纺织染整加工，而传 统的染整加工都或多或少采用了“有害的化学 方法。而酶是天然蛋白质产品，容易完 全生物降解，不会污染纺织品和环境；其二，目前非常注重纺织品的高档化和高附加值 加工，而用酶处理的纺织品可以产生许多特殊的功能。 但是酶的价格昂贵，作为一种蛋白质，酶的稳定性很差，在温度、p h 值和无机离子 等外界因子的作用下，容易变性失活，游离酶在催化结束后，酶与底物和产物混在一起， 反应结束后，即使酶仍有较高的活力，也难以回收利用，影响了连续化生产的实现。因 此，酶工程领域的一个研究热点就是将酶进行有效的固定化。 1 4 2 生物酶的固定化方法 ( 1 ) 吸附法 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【2 5 2 6 1 。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【2 2 ，2 3 1 。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【2 5 捌。 ( 2 ) 包埋法 包埋法是将酶包埋于凝胶或其他聚合体格子内，这种结构可以防止酶渗出，但是底 物能渗入格子内与酶相接触。此法的优点是适用范围广，许多种酶都可用此法固定，工 艺简便，酶分子仅仅是被包埋起来，固定化过程中酶未参与化学反应，故可得到活力较 高的固定化酶【2 5 洲。但是，用此法制成的固定化酶，不能对大分子底物的生化反应起催 化作用。包埋法分为凝胶包埋法和微囊化法( 界面聚合法、分相法、流体干燥法、流膜 法) 【2 5 矧。 ( 3 ) 共价键结合法 共价键结合法是酶蛋白分子上功能团和固相支持物表面上的反应基团之间形成化 学共价键连接，以固定酶的方法。通常要求在低温( o ) 、低离子强度和生理p h 值条件 下进行，并通常加入酶的底物以防止酶的活性部位于电位表面发生键合【2 5 1 。由于酶和载 体间连接牢固，不易发生酶脱落，有良好的稳定性及重复使用性，但因反应条件较为剧 烈，酶活性有所降低，且制备过程较繁琐。酶和载体的共价键合有三种方式：( 1 ) 与载体 直接反应连接；( 2 ) 通过同源双功能试剂与载体连接；( 3 ) 通过异源双功能试剂与载体连 接后再与载体反应连接【2 2 1 。 ( 4 ) 交联法 交联法是用多功能试剂进行酶蛋白之间的交联，是酶分子和多功能试剂之间形成共 价键，得到三向的交联网架结构，除了酶分子之间发生交联外，还存在着一定的分子内 交联【2 5 1 。交联剂有多种，最常用的是戊二醛。其它交联剂有异氰酸衍生物、双氮联苯、 n ，n 聚甲烯双碘丙酮酰胺和n ，n 乙烯双马来酰亚胺等【2 6 1 。此法的缺点是可能使酶活性 降低，很少单独使用，一般与其它方法联合使用【2 7 1 。 5 江南大学硕i 学位论文 各种固定化方法的优缺点比较见表1 2 所示。 表卜2 各种固定化方法的优缺点比较 t a b1 - 2 a d v a n t a g e sa n dd i s a s v a n t a g e so f t h ev a r i o u s i m m o b i l i z a t i o n m e t h o d s 1 4 3 溶胶凝胶技术对生物酶的固定化 然而，以上几种酶固定化方法都存在一定的缺点：化学改性反应条件苛刻，操作复 杂，会引起酶蛋白高级结构变化，破坏部分活性中心，因此往往不能得到比活力高的固 定化酶，甚至底物的专一性等酶的性质也会发生变化。而物理吸附法中酶与织物的结合 较弱，易逸出。溶胶凝胶法是一种近年来比较盛行的生物分子包埋法。上世纪9 0 年代， b r a u n 等人采用s o l 唱d 法首次将碱性磷酸酶( a l p ) 包埋于s i 0 2 玻璃中，为生物分子的包埋 和s o l - g e l 技术的应用开辟了新的途径。此后这一领域作为集生物化学、材料学、无机化 学、催化学、分析化学等多学科知识于一身的交叉性学科成为人们的研究热点。 1 4 31 溶胶凝肢法固定生物酶的特点 与传统生物分子固定化方法相比，溶胶撮胶固定化过程条件温和。包埋于溶胶一凝 胶体系中的生物活性物质可以保持其原有的结构、活性和功能，小分子底物可通过体系 中的孔道传输，并与生物活性物质接触反应，凝胶膜孔大小具有一定的可控性，进一步 提高了生物反应的选择性，溶胶凝胶固定化方法还可以用于多酶体系的共固定化 2 b , x q 。 溶胶凝胶包埋形成的固定化酶具有更高的操作稳定性。包埋酶的四级结构几乎不发生改 变，催化效率几乎和溶液中相同，不会损坏其组织活性口叩”。 1 4 3 2 溶胶凝胶技术时生物酶固定化原理 溶胶凝胶法是指以金属有机或无机化合物为原料，经水解、缩壤反应，由溶胶状态逐 渐固化，形成三维网络结构的氧化物凝胶的过程1 3 2 j 3 。其对酶的固定化过程3 u 5 强帼卜l 所示。 图1 一i 溶胶鞋胶法的砗分子包埋过程 f i g1 - le n c a l m m l a t i o n o f 衄z i m a c b ys o l - g e l 第一章绪论 第一步：硅源前驱体( 以本实验采用的t m o s 与p t m s 为例) 水解形成相应的醇羟基化合物和醇； s i ( o c h 3 ) 4 + 4 h 2 0 一s i ( o h ) 4 + 4 c h 3 0 h r s i ( o c h a h + 3 h 2 0 一r s i ( o h ) 3 + 3c h 3 0 h 第二步：水解形成的羟基化合物之间相互缩合形成胶体状态的混合物，当酶分子均匀地 分布在溶胶体系中，溶胶粒子将围绕酶分子形成缩聚体； s i ( o h ) 4 + ( o h ) 4 s i 一( o h ) 3 s i - o - s i ( o h ) 3 + h 2 0 r s i ( o h ) 3 + ( o h ) 3 s i r - ( o h ) 2 r s i - o - s i r ( o h ) 2 + h 2 0 第三步：溶胶粒子进一步缩聚形成三维网状结构，经老化干燥( 凝胶) ，可将酶分子固定 在其网络结构中。上述过程条件温和，从而有效保持酶的原始结构、活力和功能。 1 5 本论文的目的、意义及研究内容 1 5 1 研究的目的和意义 当代社会，工业生产飞速地发展，但随之也带来了环境急剧恶化及人类健康的严重 危害。传统的纺织行业给环境造成了严重的危害，西方发达国家的纺织行业如美国已经 由污染严重的低端劳动密集型向技术型转变，主要从事一些功能更全面、附加值更高的 纺织品的生产。而中国作为一个纺织大国，正面临纺织行业发展带来环境问题。为了节 约资源、降低污染，实现可持续发展战略，国家已出台了一系列政策措施以规范和引导 纺织行业。目前，在全世界范围内己掀起了一股“绿色浪潮，即采用绿色技术，进行 绿色设计、制造。生产绿色产品，如绿色食品、绿色纺织品等，制订绿色标准，满足绿 色消费。 目前，羊毛织物的抗菌整理采用的抗菌剂主要包括无机、有机和天然抗菌剂。无机 和有机抗菌剂不仅在生产中易造成环境污染，而且有服用过程中也存在一定的危害。无 机抗菌剂多数为金属离子抗菌剂，金属离子本身不能跟纺织品结合，它是通过一种多孔 载体而被附在织物上，然后通过金属离子的缓慢释放而杀菌( 金属离子缓释抗菌机理) ， 然而释放出的金属离子也对人体造成一定的危害；有机抗菌剂虽然是目前采用最多的抗 菌剂，但是其本身就存在一定的毒性。天然抗菌剂是一种安全环保的抗菌剂，但是由于 天然抗菌剂的抗菌性能有限及对环境的依存度高等弱点，目前，采用的天然抗菌剂只有 少量。溶菌酶作为一种优良的天然抗菌剂，广泛分布于动物、植物和微生物中。溶菌酶 除了具有优良的抗菌性，还具有增强免疫力、止血消肿及加快组织恢复功能等作用，因 而广泛运用于食品、医药、畜牧业和生物工程。然而将生物酶运用于纺织品上，还处于 起步阶段。 固定化酶克服了游离酶对热、酸、碱以及有机溶剂等因素的不稳定性能，并且具有 良好的重复使用性能，提高了游离酶的利用效率。如何将生物酶固定在羊毛纺织上，将 是本课题研究的重点。通常，生物酶的固定化方法有四种：吸附法、包埋法、共价键结 合法、交联法。吸附法是通过范德华力和氢键与纺织品结合，稳定性极差；而共价交联 法反应条件过于苛刻，对酶的活性造成很大的损害。溶胶凝胶法是近年来常用的生物酶 包埋固定法，溶胶凝胶法可以在常温下进行，条件温和，适合酶及其它生物分子的包埋。 7 江南大学硕士学位论文 近年来，以纺织品为载体的酶的固定化集中在纤维的化学改性和物理吸附法，本文基于 现有的溶胶凝胶法固定化酶技术，将该技术运用到纺织品功能整理，从而为纺织品功能 化提供了一种新的研究路线。 本课题的创新点：( 1 ) 将生物技术与纺织技术相结合，改善了羊毛织物传统抗菌 剂的弊端，安全环保，且织物抗菌性持久有效；( 2 ) 将溶胶凝胶技术与纺织技术，不 仅极大提升了固定化酶的酶活( 共价键结合法与交联法易造成酶活降低) ，而且集合了 溶胶凝胶技术的优点，本课题中溶胶凝胶可以大大改善羊毛织物的毡缩性；( 3 ) 设计 溶胶新体系以更适合酶分子的固定化，首先，传统溶胶体系，以醇类作为溶剂，然而醇 类对酶存在损害，本课题将以无醇溶胶体系作为研究对象；其次，对溶胶前驱体作出改 变，以便更好地发挥酶的活性。 1 - 5 2 研究的主要内容 本文分别对三种不同溶胶：t m o s 溶胶、g p t m s 溶胶和p t m s + t m o s 溶胶进行研究， 将溶菌酶固定在羊毛织物表面以获得良好的抗菌性。 主要研究内容有： ( 1 ) 探讨了溶胶体系及固定化条件对对溶菌酶固定化酶活的影响； ( 2 ) 对固定化溶菌酶的性能和游离酶进行了比较，考察了酶的热稳定性、p h 稳定性、 操作稳定性、贮存稳定性； ( 3 ) 运用红外光谱、扫描电子显微镜s e m 分析手段观测分析不同溶胶处理后织物的表 面形态变化情况； ( 4 ) 对于固定化溶菌酶羊毛织物性能与风格进行测试； ( 5 ) 对于固定化溶菌酶羊毛织物抑菌率及织物抗菌效果耐洗涤性能进行测试。+ 8 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 原料及其主要实验仪器 材料：全毛华达呢( 2 2 0 9 m 2 ) 、凡立丁毛坯，无锡协新毛纺有限公司。 生物酶：溶菌酶( 工业品) 酶活：2 0 0 0 0 u m g ，广西庞博生物工程有限公司。 底物：微球菌粉，南京建成生物工程研究所。 药品与试剂：正硅酸甲酯( t m o s ) ，丙基三甲氧基硅烷( p t m s ) ，丫缩水甘油醚氧 丙基三甲氧基硅烷( g p t m s ) ；p v a 0 5 8 8 牛肉浸膏为生化试剂；琼脂 粉；蛋白胨；磷酸、醋酸、盐酸、氯化钠、氢氧化钠、葡萄糖、磷酸 二氢钠、磷酸氢二钠均为分析纯。 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 仪器名称型号生产厂家 紫外可见分光光度计 电子天平 数显恒温水浴锅 电热鼓风干燥箱 数显测恒温磁力搅拌器 水浴恒温振荡器 冰箱 台式轧车 酸度计 扫描电子显微镜 电子织物强力仪 视频变焦显微镜 k e s 织物风格仪 傅立叶变换红外光谱仪 全自动缩水率试验机 全自动白度计 全温摇瓶柜 霉菌培养箱 手提式压力蒸汽消毒器 洁净工作台 u v 二2 8 0 2 s p l 2 0 3 h h 2 1 0 1 a - l 8 5 2 a w 国f 2 f b c i ) - 1 6 2 b m u 5 0 5 t p h s 2 c q u a n t a2 0 0 y g ( b ) 0 2 6 d 2 5 0 d z3 k e s - f b a i t o - a n i c o l e tn e x u s y ( b ) 0 8 9 a w s d m h y g a m j - 1 6 0 b i i y x 2 8 0 b s w c j i b u 上海尤尼柯仪器有限公司 上海梅特勒托利多仪器有限公司 江苏金坛市荣华仪器制造有限公司 上海市实验仪器总厂 江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司 台湾瑞比公司 中国南京伯乐电器股份公司 北京大学纺织机械器材研究所 上海伟业仪器厂 荷兰1 7 1 3 1 公司 温州大荣纺织标准仪器厂 日本u n i o n 公司 日本加藤技研株式会社 t h e r m oe l e c t r o nc o r p o r a t i o n 温州大荣纺织标准仪器厂 北京康光仪器有限公司 太仓市实验设备厂 上海跃进医疗器械厂 江阴滨江医疗设备厂 苏州安泰空气技术有限公司 2 3 试验方法与工艺 2 3 1 溶茵酶固定化工艺 2 3 1 1 t l d 0 s 溶胶凝胶法固定化溶茵酶 9 江南大学硕士学位论文 溶胶的制作：取t m o s 与去离子水以物质的量比l ：4 的比例装于锥形瓶中，滴加盐 酸控制p h1 8 ，并置于冰水环境中，剧烈振荡1 5 m i n 。反应完毕置于4 c 环境中保存， 以备后用。 溶菌酶的固定化：取上述溶胶与酶液( 采用磷酸缓冲液p h7 2 配制的合适酶浓度) 混 合，并加入一定量的葡萄糖，剧烈振荡，加入用p h7 2 磷酸缓冲液浸泡一整夜并常温晾 干的4 5 e m x 4 5 e m 羊毛布片。二浸二轧，控制布面带液率7 5 。 老化干燥：将固定化布样放置在4 c 环境中老化2 l 小时。 水洗：在水浴恒温振荡器中振荡充分水洗，除去吸附在羊毛表面的酶。常温晾干， 放在4 环境中密封保存，以备后用。 2 3 1 2g p l m s 溶胶凝胶法固定化溶茵酶 溶胶的制作：取g p t m s 与去离子水水按物质的量比1 ：4 的比例装在锥形瓶里，滴 加盐酸控制p h2 3 左右，并置于冰水环境中，剧烈振荡3 0 m i n 。反应完毕置于4 环境 中保存，以备后用。 添加剂的制作：以t m o s 溶胶为交联剂以增加g p t m s 凝胶三维网状交链度，制作 方法：取t m o s 与去离子水以物质的量比l ：8 的比例装于锥形瓶中，滴加盐酸控制p r t1 8 左右，并置于冰水环境中，剧烈振荡1 5 r a i n 。反应完毕置于4 c