（纺织工程专业论文）mtg催化ε聚赖氨酸接枝羊毛抗菌整理研究.pdf

摘要 摘要 微生物谷氨酰胺转胺酶( m i c r o b i a l7 r a n s g l u t a m i n a s ee c2 3 z1 3 简称m t g ) 是一种催 化蛋白质分子间或分子内形成叫卜谷氨酰基) 赖氨酸共价键的酶，其特殊的催化反应特 性，使它在食品、固定化酶、医药、纺织等工业具有广阔的应用潜能，从而引起了人们 的广泛关注。国内外关于m r g 催化接枝的研究报导大多集中于通过其催化交联作用使同 源蛋白质或异源蛋白质之间发生共价交联，而关于利用将其催化作用接枝其它功能性物 质于纺织品表面，并建立一种新型的纺织品抗菌方法到目前还没有。 本文首先探讨了m t g 是否可催化e - p l l 接枝到羊毛上，对不同处理方式的羊毛织 物与纤维进行了一系列表征、结果分析及比较。在此基础上，对m t g 催化g - p l l 接枝 工艺进行了研究。主要内容包括催化反应的s - p l l 浓度、m t g 浓度、反应温度、反应 时间、搅拌速率、以及适当预处理对接枝量的影响，最后，对接枝s - p l l 的羊毛织物的 抗菌性能进行了测试。 试验结果表明：通过释氨的测定、氨基酸含量分析、扫描电镜、直接翠兰染色及 a l l w o r d e n 效应对经吸附和催化接枝的羊毛织物进行表征，证实了8 - p l l 可被m t g 催 化接枝到羊毛织物上。通过单因素循环实验，得出了m t g 催化接枝s - p l l 到羊毛织物 上的主要工艺条件为：s - p l l 浓度3 ，m t g 浓度为2 0 、反应时间2 h ，反应温度4 5 ， 搅拌速率6 0 r r a i n 以及适当的预处理；最终采用振荡烧瓶法测得在最优工艺条件下整理 的羊毛织物抗菌性能，结果显示：接枝羊毛抑大肠杆菌与金黄色葡萄球菌率都分别高达 9 6 6 和9 4 3 ，吸附羊毛相对较低为9 5 7 和9 2 8 ，且接枝羊毛的耐洗涤性较吸附 羊毛好。 对接枝羊毛的染色性能及其它物理机械性能也进行了初步研究，结果表明，接枝后 羊毛可基本实现低温染色的效果，相应的物理机械性能也得到了改善与提高。 关键词：谷氨酰胺转氨酶；_ 聚赖氨酸；接枝；羊毛；抗菌；氨基酸含量 a b s t r a c t a b s tr a c t m i c r o b i a lt r a n s g l u t a m i n a s e ( m t g ；p r o t e i n - g l u t a m i n e - g l u t a m y l t r a n s f e r a s e ，e c2 3 2 1 3 ) i sa l le i i z y m ec a p a b l eo fc a t a l y z i n ga c y lt r a n s f e rr e a c t i o n sb yi n t r o d u c i n gc o v a l e n tc r o s s - l i n k s b e t w e e np r o t e i n sa sw e l l 嬲p e p t i d e sa n dv a r i o u sp r i m a r ya m i n e sv i ai n t r a0 1 i n t e r ( t - g l u t a m y l ) l y s i n ei s o d i p e p t i d eb r i d g e s i nt h er e c e n ty e a r s ，m t gh a sg a i n e di n t e r e s td u et oi t s a t t r a c t i v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nf o o di n d u s t r i e s ，i m m o b i l i z a t i o no fe n z y m e s ，p h a r m a c e u t i c a l a n dt e x t i l ei n d u s t r i e sf o ri t ss p e c i a lc a t a l y t i cc h a r a c t c r m a n ys c h o l a r sb o t ha th o m ea n db r o a d d i dl a r g en u m b e r so fs t u d i e so nm t g c a t a l y z et h eg r a f t i n ga n dc r o s s l i n k i n gb e t w e e n p r o t e i n s ，h o w e v e r , m o s to ft h er e s e a r c h sw e r ef o c u s e do nt h er o l eo fm t gc a t a l y z et h eg r a f t i n g a n dc r o s s - l i n k i n gb e t w e e nt h es a m eo rd i f f e r e n tp r o t e i n s t h ee s t a b l i s h m e n to fan e w a n t i m i e r o b i a lw a yb yc a t a l y t i co t h e ra n t i m i c r o b i a ls u b s t a n c e st og r a f ti nt e x t i l e sh a sn o t a p p e a r e dn o w t h ep o s s i b i l i t yo fm t g c a t a l y z et h eg r a f t i n go fe - p o l 州y s i n e ( e - p l l ) o n t ot h ew o o l f a b r i c sw e r es t u d i e di nt h ep a p e rf i r s t l y , a n das e r i e so fc h a r a c t e r i z a t i o n , a n a l y s i sa n d c o m p a r i s o na b o u td i f f e r e n tt r e a t e dw o o lf a b r i c sa n df i b e rw e r ed e t e r m i n e d o nt h i sb a s i st h e c h a r a e t e r i z a t i o mo fg r a f t e de - p l lt h a tw a sg r a f t e du n d e ro p t i m a lc o n d i t i o nw e r er e s e a r c h e d t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e dt h e8 - p l lc o n c e n t r a t i o n , m t gc o n c e n t r a t i o n , r e a c t i o n t e m p e r a t u r e , r e a c t i o nt i m e , s t i r r i n gr a t ea n da p p r o p r i a t ep r e t r e a t m e n to nt h ee f f e c t so fg r a f t i n g f i n a l l y , t h ea r t i c l eg a v ear e s e a r c ho na n t i b a c t e r i a le f f e c to ft h ee - p l l - g r a f l e dw o o lf a b r i c t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tp o l 州) , s i n ec o u l db em t g - - c a t a l y z e d l yg r a f t e do n t o w o o lf i b e r sb yu s i n gd e t e r m i n a t i o no fr e l e a s eo fa m m o n i a , a m i n oa c i da n a l y s i s ，s e m ，d y e i n g d i f f e r e n c eo fw o o lf a b r i c sa f t e rd i f f e r e n tt r e a t m e n t sa n da l l w o r d e ne f f e c t t h ep r o c e s so f m t g c a t a l y z et h eg r a f t i n go fe - p l lo n t ot h ew o o lf a b r i c sw a ss t u s i e da n do b t a i n e dt h e o p t i m a lc o n d i t i o n st h r o u g hs i n g l e - f a c t o rc i r c u l a t i o ne x p e r i m e n tw h i c hw e r e 雒f o l l o w s m - p l l c o n c e n t r a t i o n3 ，m t gc o n c e n t r a t i o n3 0 , r e a c t i o nt i m e2 h , r e a c t i o nt e m p e r a t u r e4 5 。c ， s t i r r i n gr a t e6 0 r r a i na n da p p r o p r i a t ep r e t r e a t m e n t ；a tl a s t ，t h ea n t i b a c t e r i a le f f e c tw a sa s s e s s e d b yu s i n gs h a k ef l a s kt e s t t h er e d u c t i o np e r c e n t a g eo fe s c h e r i c h i ac o l ia n ds t a p h y l l o c o c c u s a 砒e u sb yg r a f t i n gg o tt o9 6 6 a n d9 4 3 ，a n dt h er e d u c t i o np e r c e n t a g eb ya d s o r p t i o nw a s r e l a t i v e l yl o w e rt o9 5 7 a n d9 2 8 t h ew a s h i n gr e s i s t a n c eb yg r a f t i n gw a sw e l lt o o t h ed y e i n gp r o p e r t i e sa n do t h e rp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eg r a f t e dw o o l w e r es t u d i e d t h er e s u l ts h o wt h a tt h eg r a f t e dw o o lc a nb eb a s i c a l l ya c h i e v e dt h ee f f e c to fl o w t e m p e r a t u r ed y e i n g , t h ec o r r e s p o n d i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh a v ea l s ob e e ni m p r o v e d k e yw o r d s ：t r a a “s g l u t a m i n a s e ；e - p o l 州y s i n e ；g r a r i n g ；w o o l ；a n t i b a c t e r i a l ；a m i n oa c i d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是拳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，也不包含誉人为获得江南 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：撼 日期： 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： 蜮 导师签名： 日 期： 第一章结论 第一章绪论 1 1 课题提出背景 作为人类最早利用的天然蛋白质纤维，羊毛具有许多其它纤维无法比拟的优良特 性，羊毛纤维柔软而富有弹性，有天然形成的波浪形卷曲和特殊的表面特性，光泽柔和， 吸湿性强，穿着舒适不易玷污，保暖性好等，因此一直都受到人们的青睐，然而，在适 宜的温度和湿度条件下，其脱落物和人体汗水混合后，为细菌、霉菌的生长繁殖提供了 丰富的营养，使织物极易产生霉变，导致毛纤维降解，并造成疾病的传播，因此，对羊 毛织物进行抗菌整理就十分必要。 近年来，羊毛抗菌整理方法主要有利用具有抗菌染料姜黄上染羊毛、化学改性吸 附【2 】、纳米银技术涂层【3 1 以及采用化学交联接枝【4 】。由于姜黄染料不具广谱抗菌性，化 学交联接枝所使用的交联剂戊二醛会导致羊毛织物泛黄，羊毛改性吸附和纳米银技术， 所使用的金属离子抗菌剂大多为c h 、a g 等重金属物质，会从纤维表面释放出来，并通过 与皮肤接触，渗入体内，对人体危害较大，同时，整理后的废水排放污染环境。因此，对 于追求生活品质的以及重视环保的今天，人们希望能够利用更加安全无毒、环保高效的 抗菌整理方法和抗菌剂来替代现有的羊毛抗菌整理方式。 1 2 酶及其在纺织中加工中的应用 生物酶作为一种特殊的催化剂，除了具有一般催化剂的特征外，对化学反应的催化 有更为显著的特点f 5 1 。它具有以下几个共性：即专一性、高效性、反应条件温和性。专 一性体现为酶只能作用于一种或一类结构相似的底物，并催化某种类型的反应；高效性 是指酶催化反应的速率极高；温和性指大多数酶催化反应均可在常温常压的温和条件下 进行，因而较易控制，操作环境较安全。另外酶还具有活性受某些化合物调控及无毒无 害性。 酶的催化机理( 6 】：一般是通过其活性中心通常是氨基酸侧链基团先与底物形成酶底 物络合物，改变底物的能量，使其易于发生转变，随后再分解成产物，并释放出酶。而 反应结束后，酶催化剂与其他所有的催化剂一样，仍保持原状，并可进行其它更进一步 的转化。它的作用过程可用锁钥模型和诱导契合模型来解释。 ( 1 ) 锁钥模型 这种模型认为底物与酶类似于钥匙和锁。底物的形状被认为是刚性的和固定的，当 生物酶结合时，正好可以互相补充。按照这个模型，在酶蛋白的表面存在有一个和底物 结构互补的区域，如果一个分子的结构或高分子的某段结构和这个模板区充分的互补， 它就能和生物酶相互结合，互补包括大小、形状、电荷和立体结构。该模型简单直观， 很好的解释了酶的专一性。 ( 2 ) 诱导契合模型 该理论保留了底物和酶之间的互补概念，但认为酶分子本身不是固定不变的，酶分 子活性部位氨基酸侧链的排布是有一定的柔软性的，酶分子与底物的结合是一种动态的 江南大学硕士学位论文 契合，当底物和酶分子相互靠近时，底物分子可诱导酶分子构象发生一定的变化，以利 于契合和催化反应的进行。 酶在纺织中的加工应用具有悠久的历史，最早应用于染整前处理退浆用淀粉酶，随 后发展了生物抛光用纤维素酶，靛蓝脱色用漆酶，h 2 0 2 去除用过氧化氢酶以及用于改善 羊毛织物毡缩、手感、白度、起毛起球等性能的蛋白酶等【7 1 。纺织加工中使用酶助剂可 有效解决环境污染及能耗问题，并且由于酶是天然化合物，反应专一，副产物少，且无 毒无害，有利于环保，因而日益被人们所重视。 1 - 3 谷氨酰胺转胺酶介绍及性能 1 3 1 谷氨酰胺转胺酶介绍 谷氨酰胺转胺酶( t r a n s g l u t a m i n a s ee c2 3 2 1 3 全称r - g l l 比t a m i n y l - p e p t i d e ： a m i n e - ? - - g l u t a y l e - t r a n s f e r a s e 简称t g a s e ) ，又称转谷氨酰胺酶或谷氨酰胺酰肽y 峪氨 酰胺酰基转移酶，是一种催化蛋白质分子间或分子内形成_ ( 丫- 谷氨酰基) 赖氨酸共价键 的酶，可催化不同蛋白质分子内、分子间发生共价交联、蛋白质和氨基酸之间的连接以 及蛋白质分子内谷氨酰胺基的水解【h 们，对各种蛋白质进行改性，被交联的产物通常具 有较高的分子量，对机械力的破坏作用和蛋白酶的水解有较高的抵抗能力【1 1 _ 3 1 。 1 3 2 谷氨酰胺转胺酶的来源 谷氨酰胺转胺酶广泛存在于动物、植物和微生物体内【l 5 1 。近几十年来，来自于豚 鼠肝脏中的谷氨酰胺转胺酶( 简称t t g ) 是商业化生产的唯一来源，但由于组织来源少，分 离纯化过程复杂，故价格昂贵，不能得到大规模广泛应用。从植物组织提取t g a s e 的研 究也处于初级阶段。微生物发酵法生产谷氨酰胺转胺酶( m i c r o b i a lt r a n s g l u t a m i n a s e ，简 称m t g ) 因不受季节的限制，分离纯化过程简单，故价格低廉，而且它的反应速率快， 底物特异性低，分子体积小，更适于广泛应用【1 6 1 。1 9 9 3 年，日本的味之素公司和天野公 司成功利用微生物发酵生产了m t g 带r j 剂，成为全球工业化应用的主要来源。国内江南大 学也成功筛选分离了一种m t g 高产菌( s t r e p t o m y c e sh y g r o d c p i c u s ) ，使用该菌株经液体深 层发酵可制备m t g ，得到的酶活力达到5 u 锄，为工业化生产，降低生产成本提供了途 径，为工业化应用奠定了基础【l 7 1 。 1 3 3 谷氨酰胺转胺酶的催化特性 t g a s e 作为一种生物催化剂，可以催化谷氨酰胺和具备伯胺的众多蛋白质发生酰基 转移反应，使被作用物质发生物理化学性质的改变，增加物质的功能，因此该酶在食品、 医药、纺织等工业具有广阔的应用前景。 t g a s e 催化酰基发生转移反应，酰基供体可以是多肽链上的酰胺基残基，受体可以 是蛋白质肽链上的赖氨酸残基和带有伯氨基的氨基化合物，当不存在以上二种受体时， 水分子则充当酰基转移反应的受体，t g a s e 除可发生酰基转移反应形成分子内及分子间 的共价交联外，还可以催化水解多肽链中的异肽键。其作用过程如下： ( a )r - g i 眦o - - n h 2 +n i - i x - - l y s r _ r 捌1 卜c + n h 3 2 第一章结论 ( b ) i h c o n h 2+ m 如- r i o g l l 卜c o 删硼卜r 4 -n h 3 ( c )醐l 卜c o - n h 2 +h 2 0 l h o - - o h4 - n h 3 ( d ) r - q l 卜c o 姗h ，y s 一i o g l l 卜 +r l y p 羊毛纤维由于表层具有疏水的类脂层，并且，在羊毛鳞片的外层中存在有大量的二 硫交链，致使羊毛纤维大分子排列紧密，封蔽了t g a s e 的催化作用位点，为了使酶能够 作用于羊毛内部的氨基酸残基，一般都必须经过适当的预处理来破坏羊毛疏水层和纤维 内部的胱氨酸交联。应用在羊毛纤维上的则主要是( b ) 反应，其促使蛋白质分子内或分子 问发生交联，形成空间网状结构，加强分子间结合，提高纤维强力和弹性，改善羊毛纤 维和织物的性能。 1 3 4 影响谷氨酰胺转胺酶活性的因素 影响t g a s e 活性的因素主要有以下几种【1 啦! 】： ( 1 ) 酶的来源 g o v a r d u s 等采用肛酪蛋白交联的定量分析方法对不同来源的t g a s e 的活性进行了 比较，研究结果表明，来源于微生物的m t g 较来源于哺乳动物血浆和血红球中的t t g ， 酶活性更强，催化蛋白质底物的反应活力更高。 ( 2 ) 金属离子 相对而动物性f ig 对c a 2 + 具有依赖性而言，微生物m t g 对c a 2 + 的不依赖性，使其 应用起来更加方便。而少数重金属离子c u 2 + 、z n 2 + 、p b 2 + 等可与酶活性部位的半胱氨酸 残基上的巯基结合，因而对动物性和微生物t g a s e 的话性均有明显的抑制作用。 ( 3 ) 底物的结构 t g a s e 催化蛋白质发生交联的一个先决条件是底物蛋白质中具有足够的能相互作用 的赖氨酸和谷氨酰胺。一些蛋白质，如酪蛋白和明胶，在t g a s e 的作用下非常容易发生 交联反应，主要是由于它们含有大量赖氨酸和谷氨酰胺，且能相互作用。而另些食品 中的蛋白质，如a _ 乳蛋白较难被t g a s e 作用交联，是因为它们的结构更具有刚性，从而 阻止了交联的进行。如将一些具有还原性质的物质添加入t g a s e 反应体系中，可通过改 变蛋白质底物的结构而促进交联反应的进行。如在二硫苏糖醇( d 皿的作用下，破坏蛋 白质的二硫键，使蛋白质暴露出更多的可反应基团，发生蛋白质交联。如和乳蛋白和p 乳球蛋白加入d t t 后，均能在t g a s e 作用下发生交联。 ( 4 ) 其它因素 由于t g a s e 本质上也是种具有特殊催化功能的蛋白质，因而对温度和p h 值都比 较敏感，当体系中温度和p h 值不适合时( 如高温会改变蛋白质的结构及功能性质，低 p h 值会使蛋白质沉淀) ，t g a s e 催化反应被抑制。因而人们希望能够寻找一种方法，既 可控制t g a s e 的反应速度，又不会改变交联蛋白质的理化性质。迄今为止，已合成有少 数几种能起到这样作用的t g a s e 抑制剂，如顺丁烯二酰亚胺，二氯乙酰胺和对汞苯甲酸 等。 3 江南大学硕士学位论文 1 3 5 谷氨酰胺转胺酶在食品中的应用 由微生物生产的m t g 应用于食品、化妆品、皮革制品、纺织品工业，尤其是在食品 加工领域有着广泛的用途，m t g 在食品工业加工过程中的主要功能包括：( 1 ) 对各种食品 蛋白质进行改性，保护赖氨酸不发生各种化学反应，包封类脂质和脂溶性物质：( 2 ) 形成抗 热和抗水薄膜，胶凝蛋白质时避免进行热处理：( 3 ) 提高弹性和持水能力：( 4 ) 改变可溶性 和各种功能性质，从而生产出营养价值较高并含有人体所必需氨基酸的食品蛋白。 目前，该酶在食品工业应用中大量的研究报道来f l m t g 改善各类食品蛋白质的功能 性质和营养价值，应用范围包括肉制品、水产品、乳制品、植物蛋白制品、可食性包装 等 2 2 - 2 6 。此外，由于m t g 独特的催化特性，人们开始挖掘它的更为广泛的应用潜能。 y o s h i r o 等人1 2 7 悃离子交换剂分别将胰蛋白酶及淀粉酶吸收后，再用t g a s e 处理使酶固定 化，酶活损失较戊二醛法少。j o s t e n 等人【2 8 】利用豚鼠肝脏t g a s e 催化酪蛋白交联形成不溶 性的膜将铲甘露糖苷酶、p 半乳糖甘酶、肛葡萄糖苷酶及葡萄糖氧化酶固定包埋，被包 埋的酶经重复使用未丧失酶活性，稳定性提高并且酶几乎没有漏失。德国f u c h s b a u e r 等 a t 2 9 】利用m t g 催化明胶形成膜对p 生乳糖甘酶进行固定化研究。 1 3 6 谷氨酰胺转胺酶在纺织中的应用 国内外对m 1 g 在纺织上的应用研究还处于初始阶段，研究报道较少。英国诺丁汉大 学的j o a oc o r t e z 教授【3 2 】最早利用m t g 对羊毛纤维进行改性，发现m t g 对羊毛纤维的 化学和蛋白酶损伤均具有一定的修复作用。利用m t g 处理羊毛织物，经过洗涤剂和酶处 理，断裂强力损伤均有不同程度的下降，染色织物的水洗色牢度也有一定程度的改善。 随后，c o r t e z 等通过接枝尸胺到羊毛上，证实了m t g 可接枝功能性物质到羊毛织物。之 后，国外不少专家和学者都展开了对m t g 接枝功能性物质到羊毛上的研究。从接枝丝素 蛋白到羊毛织物上赋予羊毛较好的毡缩性，柔软性及撕裂强力到接枝含磷物质到羊毛上 赋予羊毛阻燃性能【3 4 1 ，都为m t g 接枝功能性物质到羊毛织物上垫定了一定的基础。 国内有关此方面的报道更少，且研究主要集中于如何利用m t g 协同其它方式改善羊 毛织物的物理机械性能，江南大学的李影等利用混合酶( m t g 和蛋白酶) 的协同作用，提 高了羊毛织物的防缩性能，降低了织物的减量率和织物的损伤程度【3 5 】。天津工业大学侯 学锋等利用m t g 处理用来修复受损的羊毛纤维【3 6 1 ，东华大学张华莹等利用m t g 修复羊 毛的化学损伤，生物损伤，化学生物多重损伤，以及提高织物的润湿性能、染色性能 和热学性能，降低了织物的减量率和毡缩率等【3 硼。本实验室崔丽等研究了预外理对m t g 处理羊毛织物的影响【3 8 】。m t g 处理羊毛织物，织物的尺寸稳定性、抗皱性及压烫性能 都有了一定程度的改善，为羊毛织物实现易护理提供了新的途径f 3 训。 1 48 一聚赖氨酸的性质 1 4 16 一聚赖氨酸的介绍 聚赖氨酸有两种类型，化学法合成的聚赖氨酸为8 一聚赖氨酸( a - p l l ) ，其赖氨酸残 基之间的酰胺键是由a - 氨基和争羧基缩合而成。微生物发酵合成的聚赖氨酸为一聚赖 4 第一章结论 氨酸( p l l ) ，它是一种天然的微生物代谢产物，经分离提取精制而获得的发酵产品 是2 0 世纪8 0 年代由日本人首先发现的一种新型、安全、高效的防腐保鲜剂。其赖氨酸 残基之间的酰胺键是由礴c 基和爱基缩合而成。它们的分子式如下： 舻- 日醣静饿h 挖删姗 叫 i m 亿 州眦- c h _ 咖3 即m a 位一a 它吧 2 口2 一它 图1 - 1a _ 聚赖氨酸图l _ 2 s - 聚赖氨酸 二者在溶液中都呈现聚阳离子性，同时都具有一定的抗菌性能。从上图1 1 和图l - 2 可知，a - p l l 与e - p l l 中均含有大量伯胺基团，然而由于a - - p l l 有毒性m 】，且8 - p l l 较a - p l l 具有更强的抑菌活性【4 1 1 ，因此鉴于安全及有效性考虑，本文选择利用m t g 催 化_ p l l 接枝羊毛进行抗菌整理。 1 4 28 一聚赖氨酸的来源及特性 1 9 7 7 年，s - p l l 最早是由日本学者s s h i m a 和h s a k a i 从白色链霉菌s t r e p t o m y c e s a l b u l u s 的发酵液中被分离得到的，并经过分析检测后发现其为一类有2 5 - 3 0 个赖氨酸残 基的同型单体聚合物。迄今为止，工业上一般都采用白色链霉菌s t r e p t o m y c e s a l b u l u s 作为 发酵生产菌株生产，s - p l l 的微生物发酵在日本己实现工业化，年销售量为1 0 0 0 吨。目 前，该技术在国内还处于实验室阶段，e - p l l 生物防腐剂开发和生产还处于起步阶段。 _ p u ，具有抑菌谱广、安全无毒、水溶性好、热稳定性好、抑菌p h 范围广并且可生 物降解的特性。- p l i 。抑菌机理【4 2 堤通过作用于生物膜系统和蛋白合成系统，利用s - p l l 呈高聚合多价阳离子态，与核糖体结合从而抑制蛋白和酶生物大分子的合成，破坏膜结 构完整性，使细胞的选择性改变，引起细胞的物质、能量和信息传递中断，呼吸作用受 到影响，细菌能量代谢和物质代谢破坏，能量物r 贡a t p 和还原物质n a d h 亏缺，合成代 谢受阻，导致胞内溶酶体膜破裂而诱导微生物产生自溶作用，最终使细胞死亡。 1 4 36 一聚赖氨酸的应用 目前，8 - p l l 制剂由于其优良抗菌性和安全性已广泛应应用到食品加工业的各个领 域【4 h 5 1 ，主要用于面点类、调味品、饮料、海产品等食品的防腐保鲜。除此之外，s - p l l 富含阳离子，与带有阴离子物质有强静电作用力，且对生物膜有良好穿透力，基于这一 特性，e - p l l 还广泛应用于医学和医药制造领域f 4 “7 】，如用于药物缓释胶囊的包被膜、 酶联免疫检测、基因治疗的载体和可生物降解的高吸水性材料【4 8 】等。 1 5 羊毛的化学组成、结构及性能 1 5 1 羊毛的氨基酸组成 羊毛是天然蛋白质纤维，存在于羊毛蛋白中的各种氨基酸含量【4 9 j 如下表1 1 所示。 其中，谷氨酰胺的含量为4 5 0 肛m o l g ，赖氨酸含量为2 6 0 1 a m o l g ，这就为m t g 催化e - p l l 接枝羊毛以及催化羊毛自身交联，提供了基本条件。由表1 一i 可以看出，羊毛蛋白中含 有丰富的谷氨酰胺和赖氨酸残基，它们是m t g 催化接枝与交联反应的底物。在m t g 的 5 江南大学硕士学位论文 作用下，谷氨酰胺和赖氨酸在蛋白质分子间或分子内形成s 一懈胺酰) 赖氨酸键，影响 和改变羊毛纤维的理化性能。 表1 1 羊毛蛋白的各种氨基酸含量 氨基酸名称含量mt o o l g ) 氨基酸名称 含量mt o o l g ) 天门冬氨酸( a s p ) 2 0 0 丙氨酸( a l a ) 4 7 0 谷氨酸( g l u ) 6 0 0 酪氨酸( t y r ) 3 5 0 谷氨酰胺( g i n ) 4 5 0 胱氨酸( c y s ) 4 6 0 天冬酰胺( a s h ) 3 6 0 缬氨酸( v a l ) 4 9 0 毖4 蟊酸r s e n 9 0 0 蛋氨酸( m 醴) 5 0 组氨酸( h i s ) 8 0 苯丙氨酸( p h e ) 2 6 0 甘氨酸( g l y ) 7 6 0 异亮氨酸( 1 i e ) 2 7 0 苏氨酸( t h r ) 5 7 0 亮氨酸( l 舢) 6 8 0 精氨酸( a r g ) 6 0 0 赖氨酸( l y s ) 2 5 0 腩氨酸( p r o ) 5 2 0 半胱氮酸( c y s s ) l o 1 5 2 羊毛的形态结构 羊毛是由十几种a _ 氨基酸组成的天然蛋白质纤维。其中二氨基氨基酸( 精氨酸、赖氨 酸) 、二羧基氨基酸( 天门冬氨酸、谷氨酸) 和胱氨酸的含量很高，分子间形成大量的盐式 键、二硫键和氢键，使角蛋白大分子间具有网状结构。羊毛纤维近似呈椭圆柱状，细羊 毛由两类物理和化学性质均不相同的细胞构成，即角质细胞和皮层细胞，粗羊毛( 直径 超过3 5 岬) 通常还有髓质( 腔) p o l 。 羊毛纤维最外层的是角质层。角质层由角质化的扁平状角蛋自细胞( 鳞片) 依次叠盖 组成，所以角质层又称为鳞片层。角质细胞边缘指向纤维尖部方向，造成纤维表面逆鳞 片方向的摩擦系数大于顺片方向的摩擦系数，这就是定向摩擦效应，这种定向摩擦效应 对羊毛的毡缩具有非常重要的作用。鳞片层具有十分复杂的结构，由鳞片表层、鳞片外 层和鳞片内层组成，如图1 - 3 所示。 图l _ 3 羊毛鳞片层的结构 f i g 1 - - 3t h es t r u c t u r eo f c u t i c l el a y e ro f w o o lf i b e r 鳞片表层又称表皮细胞薄膜层，具有良好的化学惰性，能耐碱、氧化剂、还原剂和 蛋白酶的作用。鳞片表层的化学稳定性和其独特的化学结构有关。鳞片表层的表面排列 有整齐的单类脂层结构，使羊毛具有疏水性。类脂层之下为蛋白层，该蛋白层在肽链间 除有二硫键交联外，还有酰胺键交联，酰胺键交联由谷氨酸和赖氨酸残基反应而成。鳞 片表层中5 0 的谷氨酸和赖氨酸残基形成了酰胺键交联，酰胺键交联的存在也是鳞片表 层具有较强化学稳定性的原因之一。鳞片外层位于鳞片表层之下，是一层较厚的蛋白质， 主要由角质化的蛋白质构成，是羊毛鳞片的主要组成部分。鳞片内层位于鳞片层的最内 6 第一章结论 层，由含硫量很低的非角质化蛋白质构成，化学性质活泼，易于被化学试剂、水膨润， 可被蛋白酶降解。皮质层是组成羊毛实体的主要部分，是决定羊毛纤维物理、化学性质 的主要结构部分。毛干中心的毛髓组成髓质层。细羊毛无髓质层。 鳞片细胞之间、鳞片细胞和皮质细胞之间、皮质细胞之间通过细胞间质( 细胞间粘 合剂) 粘合起来构成羊毛整体。相邻的细胞膜原生质和细胞间质构成细胞膜复合物，充 填于细胞问的空隙之中，以网状结构存在于整个羊毛结构中，含量虽仅占羊毛纤维总质 量的3 0 0 - 5 ，但是羊毛内唯一连续的组织，对羊毛的机械性能起着十分重要的作用。 1 5 3 羊毛的特性 羊毛是一种天然蛋白质纤维，是纺织工业的重要原料，具有许多优良的特性，如弹 性好、吸湿性强、保暖性好、不易沾污、光泽柔和等。这些性能使毛织物具有各种独特 风格。用羊毛可以织制各种高级衣用织物。但羊毛也存在着许多先天的不足，如：羊毛 特有的鳞片层结构易使毛织物在洗涤时由于定向摩擦效应而发生毡缩变形，导致织物尺 寸发生明显变化，织纹模糊不清。在适宜的温度和湿度条件下，其脱落物和人体汗水混 合后，为细菌、霉菌的生长繁殖提供了丰富的营养，使织物极易产生霉变，导致毛纤维 降解，并造成疾病的传播。 羊毛染色主要使用酸性染料和酸性媒染染料。由于羊毛表面的鳞片层以及鳞片最外 层的疏水层存在，对染料的吸附上染起了阻碍作用，使得染料难以上染。因此羊毛染色 一般采用沸染，且染色时间长，能耗高，对纤维损伤大，尤其在羊毛等电点之外染色时， 羊毛纤维损伤更大，导致羊毛纤维强力下降，手感粗糙，色泽泛黄。目前羊毛低温染色 的方法主要有甲酸法、尿素法、溶剂法等，虽然有一定成效，但存在对纤维破坏严重、 成本高，公害严重等弊端。因此研究对环境友好，对羊毛特性无不良影响的低温染色方 法是研究羊毛染色的发展趋势之一。 m t g 催化6 - p l l 接枝到羊毛上，可改善羊毛的抗菌性能，同时，由于8 - p l l 的聚阳 子性，对于羊毛的低温染色性能也可能有较大影响。此酶的应用为羊毛制品的生物加工 提供了新的研究思路，同时为拓宽m t g 的应用领域具有非常重要的意义。 1 6 课题的创新点和主要研究内容 本课题利用新型生物交联剂m t g ，将具有抗菌作用的s - p l l j 置过生物催化交联的方 式接枝到羊毛上赋予羊毛织物抗菌性能。所采用的化学物质( 8 - p l l 为首次在纺织上应 用) ，均为无毒无害，符合现代节能环保的要求的材料，使用的这种生物处理方法安全 卫生，不会对操作人员造成伤害，为纺织染整的清洁化加工提供了新的发展空间，为生 物酶在纺织上更广泛的应用打开了新的思路。 课题主要, 莽j m t g 是否可催化甜u 接枝到羊毛上进行了探讨，并对接枝工艺进行了优化。同时， 对接枝后羊毛织物的抗菌性能进行了初步研究。结果表明，8 - p l l 接枝羊毛具有较好的抗菌性能。 m t g 催化接枝后羊毛织物染色性能得到了很大的提高，有可能实现“酸性染料低温染色，初步研 究证实，这种方法具有可 7 第二章实验材料、仪器和方法 第二章实验材料、仪器和方法 2 1 试验材料 材料：羊毛织物( 全毛华达昵，2 2 0 9 m 2 ，无锡协新毛纺厂) 。 酶：m t g ( 食品级) 酶活：l o o u g ，泰兴市一鸣生物制品有限公司。 底物：一聚赖氨酸( e - p o l y - - l - - l y s i n e ) ，汉达瑞生物工程有限公司。 试验药品及试剂：磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、甲基橙、醋酸钠、冰醋酸、硫酸铵均 为分析纯( a r ) ：直接翠兰g l 、弱酸性红b 、润湿剂j f c 、正章丝毛洗涤剂为工业级： 蛋白胨、琼脂粉、牛肉浸膏为生化试剂。 2 2 试验仪器 表扣1 试验仪器 t a b 2 一la p p a r a t u so f e x p e r i m e n t a t i o n 仪器名称型号厂商 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 酸度计 冰箱 水浴恒温振荡器 全温摇瓶柜 霉菌培养箱 洁净工作台 全自动缩水率试验机 电子织物强力机 小天鹅全自动洗衣机 扫描电子显微镜 视频变焦显微镜 傅立叶变换红外光谱仪 耐皂洗色牢度试验机 耐摩擦色牢度试验机 手提式压力蒸汽消毒器 氨基酸自动分析仪 u v 之8 0 2 8 p l 2 0 3 h h 2 1 0 1 a 1 p h s - - 2 c b c i 卜1 6 2 b w h y f 一- 2 f h 豫a m j 1 6 0 b 一 s w _ c j m u y ( b ) 0 8 9 a y g 0 2 6 a x q b 4 5 2 9 8 v q u a n t a 一2 0 0 d z3 n e x u s 4 7 0 s w 二1 2 a y ( b ) 5 71 - 1 1 y x 一2 8 0 b a g i l e n t11 0 0 上海尤尼柯仪器有限公司 上海梅特勒一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 上海伟业仪器厂 中国南京伯乐电器股份公司 台湾瑞比公司 太仓市实验设备厂 上海跃进医疗器械厂 苏州安泰空气技术有限公司 温州大荣公司 常州市第二纺织机械厂 无锡小天鹅股份有限公司 荷兰f e i 公司 日本u n i o n 公司 美国n i c o l e t 公司 温州大荣纺织标准仪器厂 温州大荣纺织标准仪器厂 江阴滨江医疗设备厂 美国a g i l e n t 公司 2 3 试验方法及工艺 2 3 1 羊毛预处理 高锰酸钾预处理工艺：织物净洗( 丝毛洗涤剂2 9 l , 5 0 c ，l h ) _ 高锰酸钾预处理 ( k m n 0 44 o w f ，j f cm e , n ，p h3 - 5 ，4 0 0 ，3 0 m i n ，浴比1 ：2 0 卜皂洗( 4 5 ，1 5 m i n 卜 9 江南大学硕士学位论文 中和清洗( 纯碱2 0 w f ，4 5 。c ，1 0 m i n ) - - , 清水冲洗_ 5 0 烘干一脱色( n a l - s 0 3 6 o w f ， 冰h a c l ( v v ) ，4 0 ( 2 ，3 0 m i n ，浴1 ：2 0 ) - - 0 水洗_ 5 0 烘干备用。 2 3 2m t g 催化8 - p l l 接枝羊毛 工艺：预处理后羊毛纤维或织物( 织物重0 5 i 曲一温水润湿( 5 0 。c ，1 5 r a i n ) 一酶处理 ( 1 # s - p l l 0 o w f ，m t g 0 o w 0 ，2 # ：e - p l l 0 o w f 、m t g 2 0 o w f ，3 撑：e - p l l 3 o w f 、m t g 0 o w f ，4 劳：- p l l 3 o w f 、m t g 2 0 o w f op h8 0 ，4 5 ，浴比l ：3 0 ， 2 h ) 一水洗5 次( 每次2 0 m i n ) - - - ，5 0 c 烘干待用。 2 3 3 直接翠兰g l 试验 直接翠兰g l 的配制：称取5 0 0 r a g 直接翠兰g l ，溶于1 0 0 0 m l 蒸馏水中，溶解后， 加蒸馏水定容到2 5 0 r n l 。 将羊毛织物在最佳条件下用m t g 催化接枝，加到浓度为2 m g m l 的酶溶液中，于 3 7 c 下作用1 2 h 后用蒸馏水清洗，室温晾干。随后将待测羊毛试样按照国际标准5 a 程 序洗涤，5 0 烘干待用。 取相同大小的未经任何处理的羊毛织物、m t g 处理羊毛织物、s - p l l 吸附羊毛织 物、s - p l l 接枝羊毛织物四种样品，按照如下染色工艺染色： 染色工艺：试样_ 染色( 直接翠兰g l 2 o w f ，浴比1 ：3 0 ，2 0 ( 2 ，5 r a i n ) - - - , 清水冲洗 一5 0 烘干。用数码相机拍照。 2 3 4 染色工艺 工艺流程：试样浸入染液_ 恒温处理一多次冲洗一烘干。 酸性染料染色工艺处方： 弱酸性红b 2 o 温度1 0 0 ， 时间 1 2 0 r a i n 浴比 1 ：1 0 0 2 4 测试方法 2 。4 。1 氨基酸含量测定 将待测羊毛试样置于水解管中，加入6 0 m o i l 的h c i 溶液，于1l o c 下密封水解 2 4 1 1 ，冷却后定容，过滤，蒸干，再加入0 0 2 m o l l 的h c l 溶液在真空中放置3 0 m i n ， 利用a g i l e n t11 0 0 型氨基酸自动分析仪测定除色氨酸以外的其他氨基酸的含量。 2 4 2s e m 测定 将羊毛纤维表面镀金后，在q u a n t