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腈转化酶及其腈纶纤维表面改性 摘要 酶燕有高度的专性以及高效豹催化能力，蹙一种环境友好的绿 色催纯裁，因两在纺织燕的粢整加工中具有广泛瓣应羽戆景。本文比 较了腈纶纤维抗静电和吸湿性整理的传统改性方法和酶改性方法，对 腈转化酶及其在腈纶纤维表面改性中的应用进行了研究。 本文首先对腈转纯酶的酶活测定方法进行了研究，院较了通过测 定铵褒子浓度耀接诗算薅转纯酶总活力的显色法弱通过溅定艚以及 转化的产物浓度直接确定腈转化酶活力的气相色谱法。结果表明，显 色法能更精确、灵敏地检测铵离子的浓度，但不能完全袭征氰基转化 的总酶活。如果选择了合适盼色谱桂，气稻色谱法鄹麓更准确的表征 各种精转化酶黪酶滔。本文储勘气翔色谱法，证实了骑水合酶的存在， 但尚未进一步 正实艚水解酶是否存在。 为了提高节杆菌a r t h r o b a e t e rs p j l 产腈转化酶的酶活力，本文对 节秆菌a r t h r o b a c t e r s p j 1 递行了培养优化。亩予腈转化酶为诱导酶， 本文详纲研究了诱导刹乙骚嗣培养基的组分对节杆菌产酶的影响。主 要从蛆下几个参数进行了优化：乙腈对节杆菌生长的影响，乙腊的添 加时间和产酶温度，乙腈的用量，乙腈的分批补料；氮源种类，氮源 浓度，碳源浓浚，徽鳘金属元素酶彩响。缝采表嘴，诱学剂乙精对节 抒萤的生长凡乎没有影响，在细菌培养初期加入乙l 毒较合适，加入量 为0 4 ( v v ) 对提高酶活最合适。节杆菌的产酶温度为3 0 。c ，而生长 温度为3 5 4 c 。甏有辊舞源； 翼无祝氮源相毙，存辊氮源更逡台萤杼蘧静 生长和产酶，最终确定最佳氮源为酵母膏羽蛋白胨混合的复合氮源， 氮源浓度为7 5 鲋，碳源浓度为3 o 舭。微照元素的影响上，除了钙、 镁、钾、钠之外，其它金属微量元索均抑制细菌的生长和产酶。 臆转化酶为悲悫酶，本磋究选用超声波疆碎缨照，提取耀酶滚。 为了确保细胞的破碎程度，同时避免酶在破碎过程中的失活，对超声 波破碎条件进行优化，寻找到合适的超声波脉冲时问为l o 分钟，超 声波输出功率为3 6 0 说，破碎时的细胞浓度为2 0 。 得到粗酶滚后，纛接剩耀粗酶滚处理臆纶。酶改性效果的评价是 对经酶改性后的腈纶进行染色，以纤维的上染率来衡量。染料的选择 可以根据可能的改性结果和染料的结构式来确定。腈转化酶改性腈纶 后，腈纶上的氰基部分转化为酰胺裙羧酸。本文院较了三种不黼来深 鼹含有艚转化黪戆粗酶对蘑纶鳇改健圣筝震，荠讨论了等离子体颥处理 对腈纶酶改性的影响。 关键词：膝转纯薅，节l 子蓥a r t h r o b a c t e rs p 。j 1 ，气楣色落，趣声 波破碎，腈纶纤维，酶改性 n i t r i l ec o n v e r z y m e sa n d s u r f a c em o d i f i c a t i o n 0 np o i a c r y l i cf i b e r a b s t r a c t e n z y m e i s s p e c i f i c a n de f f i c i e n t f o r c a t a l y s i s a n di ti s e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y , s oi t sa p p l i c a t i o n si nt e x t i l ea n dd y e i n g p r o c e s s h a v eab r o a df u t u r e t h ee n z y m a t i cw a y f o rm o d i f i c a t i o no fp o l y a c r y l i c f i b e r sw a s c o m p a r e d w i t ht h o s et r a d i t i o n a lo n e sa n dt h e i rc h a r a c t e r sw e r e d e s c r i b e d i nt h i ss t u d y , a na p p l i c a t i o no fn i t r i l ec o n v e r z y m e s o nt h e s u 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 sw a si n v e s t i g a t e d t h ep r i m a r yp r i n c i p l e o fe n z y m a t i cm o d i f i c a t i o n o fp o l y a c r y l i c f i b e r si st 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 c f i b e r sc o u l db e s e l e c t i v e l y c o n v e r t e dt o t 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 y n i t r i l e c o n v e r z y m e s t h ew o r k i nt h i sp a p e rc o u l db em a i n l yd i v i d e di n t of o u r p a r t s f i r s t l y , w ei n v e s t i g a t e d t h ef a c t o r s i n f l u e n c i n g t h e e n z y m a t i c c a t a l y s i s t h er e s u l t ss h o w e d t h a tp r o p i o n i t r i l ew a sb e t t e rt h a na c e t o n i t r i l e a sas u b s t r a t e ，a n dt h eo p t i m a ls u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o ns h o u l db e0 0 2g 1 i no r d e rt om e a s u r et h ea c t i v i t yo fn i t r i l ec o n v e r z y m e sm o r ep r e c i s e l y , a g a sc h r o m a t o g r a p h i c m e t h o dw a su s e dt o c o m p a r e w i t ha s p e c t r o c o l o r i m e t r i c m e t h o d a p r o d u c t o f t h ee n z y m a t i cr e a c t i o no f n i t r i l e ， a c e t a m i d ew a sd e t e c t e db yg a sc h r o m a t o g r a p h y , s ot h a tt h ee x i s t e n c eo f n i t d l eh y d r a t a s ei nn i t r i l ec o n v e r z y m e s h a db e e nc o n f i r m e d s e c o n d l y , t h e c u l t u r ec o n d i t i o no fa r t h r o b a c t e rs p j l w a so p t i m i z e d t o p r o m o t e t h e a c t i v i t y a n d p r o d u c t i o n o fn i t r i l e c o n v e r z y m e s t h e f o l l o w i n gc o n d i t i o n 。3 0 9 1g l u c o s e ，4 , 0 9 1e x t r a c t a n d4 0g 1p e p t o n ew a s 翻娃曩痤韬b et h en l o s ts u i t a b l ec a r b o na n dn i t r o g e ns o u r c e s 。s i n c en i t r i l e c o n v e r z y m e s f r o ma r t h r o b a c t e rs p j1w e r ei n d u c i b l e ，s o m e r e s e a r c h e so n i t si n d u c i b l ep r o p e r t yw e r em a d e 0 4 a c e t o n i t r i l e w a sa d d e dt ot h e c u l t u r em e d i u f na tt h eb e g i no fc u l t i v a t i o n ，a n d i td i dn o ti n h i b i tt h e g r o w t h o f a r t h r o b a c t e rs p 。j 1 t h eo p t i m a lt e m p e r a t u r ef o r i t sg r o w t hw a s 3 5 ，h o w e v e r , f o rs y n t h e s i s o fn i t r i l ec o n v e r z y m e s ，t h eo p t i m a l t e m p e r a t u r ew a s 3 0 。c 噩1 i r d l v t oe x t r a c tt h ee n z y m e ，t h e c o n d i t i o n sf o rd i s r u p t i o n o f 蠢熵糟6 辞e t e rs p j 1c e l l s 姆u l t r a s o n i cw a ss t u d i e da n do p t i m i z e d t t h e 。u i s et i m eo fu l t r a s o n i cs h o u l db e10m i n u t e ，a n dt h ep o w e r w a sa b o u t 3 6 0w a t t t h ec o n c e n t r a t i o no f c e l l sw a s2 0 f i n a l l y , e n z y m a t i cm o d i f i c a t i o n u s e d 壤en i t r i l ec o n v e r z y m e 3a n 纛 蛰守谨e a l 蘸瓣蛙o fp l a s m af o rp o l y a c r y l i cf i b e r s w e r es t u d i e d - d y e i n gw a s u s e dt oe v a l u a t et h er e s u l to fe n z y m a t i c m o d i f i c a t i o no f p o l y a c r y l i cf i b e r s t h er e 8 u hi n d i c a t e dt h a tt h ep r e t r e a t m e n to fp l a s m ac o u l d e n h a n c et h e a c c e s s i b i l i t yo fp o l y a c r y l i cf i b e r st oe n z y m e s a n dt h e ni m p r o v e t h ee 嚣e c t o f e n z y m a t i c m o d i f i c a t i o n t i n g t i n gh a o ( 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 y d a n i a nl ua n d f e n gh o n g k e y w o r d s ：n i t r i l ec o n v e r z y m e s a r t h r o b a c t e rs p 儿，g a s c h r o m a t o g r a p h y , u l t r a s o n i cd i s r u p t i o n ，p o l y a c r y l i c f i b e r s ，e n z y m a t i c m o d i t i c a t i o n 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑熏声明：我悟守学术道德，崇尚严谨学风。所里交的学位论文，熄本人在导师的 措嚣下，独立涟行研究工作薪取得的藏柒。除文中邑羁确注明帮 | 糟的海容姊，本论文不包 含媳街其他个人或集体已经发袭或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 矫写豹内容受责，荠毙全意谈劐奉声鞠鑫孽法簿结浆由本人承拯。 学位论文怍者签名：番睁哦 e l 期： 。d 年f 月2 , o e t 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 有关部门或枫构送交论文静复印锌稻毫子敝，允许论文裟瘫藤或嵇阗。奉a 裁权东擎大学可 以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，可以来用影印、缩印或扫描等 复潮手段保存帮汇编本学位谂文。 保密豳，在年解密后适用本版权书。 零学像论文羼予 不保密口。 学位论文作者龇番啦璁 日期：埘斗年i 月阳日 措导教师皱名： 日期：多礴，月，口目 薅转诧酶及莫薅绘野缭表嚣馥瞧 第一章前言 簿( e n z y m e ) 是翔瞧产生戆吴毒壤纯镱力嚣蛋自痰。酶兹耱类缀多，然露到 目前为止，已缀确认的酶却很少。根据圈际生化联合会酶委员会的统计，截止到 1 9 9 7 年为止，融知酶的种类仪有3 7 0 0 种。根据酶的俄化作用类型，已知酶可分 为氧纯还摄黪( o x i d o r e d u c t a s e s ) 、转移黪( t r a n s f e r a s e s ) 、零释酶( h y d r o l a s e s ) 、 裂解( 合) 酶( 1 y a s e s ) 、异构酶( i s o m e r a s e s ) 、合成酶( 1 i g a s e s 或s y n t h e t a s e s ) 六大类。随着现代生命科学，特别是生物工程的发展和工农业生产的需要，酶在 王农韭生产、薮疗缳建、纯攀分掇、环壤璨护领域等方覆鳃痘爱愈泰愈广泛强深 入。 八十年代以来，酶在纺织品加工领域中的应用得到了迅速发展，其特有的高 效、专一、滠秘、无毒曼降鳞等魏点雩| 怒了广大纺织 乞学工程爆豹缀大兴趣窝关 注，因此酶加工作为绿色生产工艺在纺织染整加工领域其有极好的威用前景。本 文就腈转化酶在腈纶中的应用进行了研究，并取得了初步结果。 1 腈转化酶概况 啥佛大学的t h i m a r m 和m a h a d e v a n 认为某些植物嚣售能将氯化物转化成酸的 反应是一个酶键反应，并予t 9 6 4 年瓿大麦时予中东式分离委这令酶，定名麦耩 水解酶( n i t f i l a s e ) 1 1 。1 9 8 0 年，a s a n o 酋次发现微生物r h o d o c o c c m s p n 一7 7 4 产一静可与酰胺酶一起降解乙艚的酶，定名为脖水合酶( n i t r i l eh y d r a t a s e ) 1 2 】。 遴常所说酶广义酶精转话酶瑟奄括上述静艚东鼹酶、| j 骞承合酶、酝驻簿三穆酶。 因此，催化腈水解的酶系有两种类型( 反成见图1 - 1 ) ：一种是腈水解酶( n i t r i l a s e ) ， 它健化赌直接水解，一步生成羧酸及氨( 途径1 ) ：鹦秭是腈水合酶( n i t r i l e h y d r a t a s e ) ，反斑需两步来究成，它僵诧精承解生或酸胶，酰胺在蘸胺懿( a m i d a s e ) 的作用下，进步水解生成羧酸和氨( 途径2 ) 【j j 。 麟转纯酶及其蔫绘纤维表覆教瞧 r c n + 2 h ，o r - c n + 娃。o n i t r i l a s e r - c o o h + n h 。 n i t r i l e a m i d a s e 墅絮r c o n h 2 垫堡+ r - o h + n h 3 恻卜1 腈转化酶的催化反应 ， 腈承台酶与精永解酶豹催髓：反应穰遴 ( 1 ) ( 2 ) 腈水解酶和腈水合酶是两种不同的酶，它们不仅来源不同，而且活性中心和 反应税瑾遵不穗阉。多数藜承合酶豹活。鏊中心窘鸯三徐铁或链裹孑，这些金矮离 予与酶的。皿单位结合构成腈水合酶的活性中心，对腈的水解起催化作用1 4 j 。 y a m a d a 等详细研究过r h o d o c o c c u sc h l o r o r a p h i sb 2 3 腑水合酶的催化反应机理， 锻稻试为r h o d o c o c c u sc h l o r o r a p h i sb 2 3 麓承舍酶孛豹三赞铁离予与l 毒及压强豹 水分子结合，激活了氰基中三键，并在辅旗p q q ( 1 1 比咯囔啉醌) 的共同作用下催化 腈的水解反应【。】。而有些腈水合酶，如节杆菌儿所产腈水合酶的活性中心为巯 蘩，重金藩离子强h g + 、a 矿霹与骜豹添魏中心臻基蘩合釜残二疆键，觚瑟搀到 酶的活力。多数腈水解酶则不台有金属离子，其活性中心的一个半觥氨酸残基催 化腈的水解。 最裙天秘认为薅瘩释酶是震来隶解芳喾簇耩纯会耱墨羹不锪毒【l l 嚣耱蒺薅亿澳， 而饱和脂肪旅腊化物则是由腈水合酶与酰胺酶共同作用降解的1 5 j 。偶从近年的研 究看来，这种耩法未免简单化，实际上腈化物的反应途径取决于底物的立体因素 及瞧子医素喇。 与化学水解相比，腈的酶法水解有一个突出的特性，即有很好的区域选择性。 它只催化氰綦水解，而腈化含物中其它对酸或碱不稳滗的、易水解的基团不发生 变纯。宅还能途箨洼稳僵纯二薅中一个敲鏊窳磐，转仡残翔冀它方濑滏难合成躲 单氰基羧酸。o t t o 等人分析认为脂肪族二腈的区域选择性水解可用黼的螯合失活 机理鳃释【7 1 ，即氰基中的氮原子首先与膪水合酶中金属原子铁或钴影成复合物， 然赢鬣薹在酶稿鞴基p q q 豹共同孬臻下发生窳合反疵，毽当薅纯合耪中含毒杂 腺子( 可以是氰基水解形成c 0 2 一基团中的0 原子) 时，它将与含有金属离子的酶分 子形成螫合物，从而阻碍腈的水合作用。 酶健纯黪零解反应不仅矮有整驽麴嚣域选择毪，露量立髂这撂瞧毫亵。强溺 瓣转纯酶及萁鼙绘纤维表露馥瞧 旋腈化合物在酶的催化作用下不仅能转化成光学活性的羧酸和酰胺，而且能获得 襁嵩的对映体过量值。然而不同微生物蕊株膪转化酶的立体选择性麓异大，有的 选择性很高，有的选择往狠低，甚至没有选择往。 1 1 ，2 腈转化鹣制剂的研究状况 2 0 世纪8 0 年代后期以+ 涞，生物催化在有机合成中的应用目益受到化学家的 青睐。腈是炎重要的化合物，它的水解反应被广泛的应用于氨基酸、酰胺、羧 酸及其锈生物豹合藏，在有执合成中占有极其重要豹撒佼。靖戆化学承簿困其羲 饔强酸( 或强碱) 、高温、商疆等反应条件，而且副产物多、产量低、环境污染 严重，而大大士电限制了它在工业上的应用巩 表l l 戆合成髓转诧酶豹微生物 酶类蔺株 腈水 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 se q u it g 3 2 8 ，r h o d o c o c c u ss p n c i m b 台酶1 2 2 1 ，r h o d o c o c c u ss p ，d s m1 1 3 9 7 ，r h o d d o c o c c u ss p n 一7 7 1 ，r c h l o r o r a p h i s b 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 ms p r 3 1 2 腈水 r h o d o c o c c u sr h o d o c h r o u s p a 一3 4 ，a l c a l i g e n e s sf a e c a l i s a t c c 8 7 5 0 ， 解黪r h o d o c o c c u sr h o d o c h v u sk 2 2 ，a t 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 r s p a k 2 2 6 ，n o c a r d i a r h o d o c h r o u s 腈水合r h 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 o d o c h r o u sj 1 ， 熬帮壤r h o d o c o c c u s s p a j 2 7 0 ，r h o d o c o c c u s n c i m b1 1 2 1 6 ，a r t h r o b a c t e rs p 。j l 水解酶 1 9 7 3 年，滚毽岙暑究者g a l z y 及荬磷突小缝发瑰徽生物b r e v b a c t e r i u mr 3 1 2 熊 倦化丙烯腈水合停留在丙烯酰胺，从而开始了腈转化酶的研究1 9 l 。1 9 8 2 年，a s a n o 铎人发现微生物p s e u d o m o n a sc h l o r o r a p h i sb 2 3 腈水合酶可转化丙烯腈形成丙烯 酝羧，不久疆成功建窿弱予王韭生产嚣爝溅黢 i q 。琨有豹碜 究表甓艨翡酶法承勰 疑有高效性、离选择性、蔽应条件温和、环境污染小、成本低、产物光学纯度高 等优点 “1 ，符合原子经济型和绿色化学的发展方向，有着化学方法无可比拟的优 熬毪。虿觅，鬻懿酶法零熬套毒穰合残方嚣具鸯匿大秘应霆潜力。应滔辙生耪 腈转化酶及其腈纶纤维表面改性 r h o d o c o c c u sr h o d o c h r o u s 儿腈水合酶催化丙稀腈水解生产丙稀酰胺就是个典 型的成功之例【1 2 】。 目前，已发现多种微生物能合成腈转化酶，表1 1 列出了能够催化腈化合物 水解的酶及其培养所需的菌株。 1 2 影响酶催化腈转化的主要因素 1 2 1 底物和产物的抑制 在酶催化有机腈化物时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 0m m o l l 时，就会抑制酶反应，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。m a t l l e w 等【1 4 佣产腈水解酶的微生物n o e a r d i ar h o d o c h r o u s 细胞催化3 氰基吡啶水解转化 成烟酸时，发现腈水解酶受到底物和产物的强烈抑制作用，最终转化率很低，但 是若将底物浓度控制在2 0 0m m o l 1 以下，3 氰基吡啶几乎全部转化成产物。另外 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。n a g a s a w a 等 1 5 1 用产腈水解酶的微生物菌株r r h o d o c h r o u s j l 催化丙烯腈水解转化成丙烯酸时，发现腈水解酶受到底物和产物的抑制作用， 但是向培养基中添加。一己内酰胺( 作为诱导物) 之后，就大大提高了腈水解酶 的产量，获得了高浓度产物( 3 9 0 鲫) 。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，这可能会妨碍腈的酶法水解技术的广泛应用。 对于那些在水相中溶解度较低又抑制腈水解的底物和产物，可以用有机溶剂 如烷烃、醚和酯等作为反应介质，这不仅能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，研究腈在非水体系和水 一有机溶剂两相体系中的酶催化水解具有很大的理论意义和应用价值。 1 2 2 反应介质的影响 s h e l l 等人用微生物r h o d o c o c c u ss p n c i m b1 2 2 1 细胞产的腈水合酶，在含 有9 9 5 正庚烷的介质中催化2 ，6 - 二氟苯腈水解生成2 ，6 一氟苯酰胺，产率达 4 腈转化酶及其腈纶纤维表面改性 到9 0 以上，而以水相为介质时，底物发生副反应，无法得到所需产物。又如n 羟基腈( 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台酶有抑制 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【l 。w i l l e t t s 等人研究腈在微水相中的酶 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 13 9 7 的腈水合酶在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【1 7 j 。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 2 3 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适作用温度。多数酶的温度活力曲线为钟 罩型，但需要注意的是，以定底物测得的某种酶的最适作用温度，在其处理织 物时会发生一定偏移。如大家熟悉的蛋白酶，多数以干酪素为底物测酶活力，但 将其用于羊毛或蚕丝整理时，由于酶的底物的变化使得其活性中心对温度的敏感 程度也发生变化。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 品质如回潮率、纤维电阻率、染色k s 值等对温度做曲线，以确定其最适温度。 1 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适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 们可随着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态，它 们将直接影响到酶的活化和酶与底物的亲和力，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和影响反应系 膪转化酶及其腌纶纤维表面改性 统中其他组份的解离状态，对酶促反应产生影响。黉外，因为酶的化学本质是蛋 白质，雨过酸或过碱的条件下可以便酶的空间结构破坏，使酶的蛋白质变性，弓i 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 ，2 5 超声波对酶反应的影响 超声波与声波一样，是物旗介质中的一种弹性机械波。超声波在耪簇_ 舟震中 形成介质离子的机械振动，这种含有能鬣的超声振动在驻微观范围肉弓l 起的梳械 作用有：机械传质作用、加热作用和空间作用。作为一种物理熊量形式，超声波 广泛用于医学、工业和化工过程。8 0 年代以来，超声波在生物工程领域熨是褥 到了重规与普及。 超声波对酶反嶷的影响在不同祭牛下缕果肖很大的不劂，甚至完全相反。邋 常入稻莱蹋较离强发豹超声波破碎鼓使憋失活，然聪许多研究发现在较低强度的 超声波强度下，不会破坏纲臆的竞楚结橡，蠢霹增强荬饯谢过程及增翅缨飚膜的 透健和选择性。同时较低强度静超声波可键迸黪豹生耪催诧活性。这主要添于超 声波的空化、搬荡作用，可使酶分子构想及催傀部位微环臻发生交亿，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，使催亿反应速度罐 高。用超声波协同酶催化反应时所采用的越声波声功率不巅过大，否则，将使酶 失活。 1 2 6 液面活性剂的影响 u e d a 等人证明了阴离子和阳离予表面活往和与纤维索酶的抑翻作用，僵菲 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 性剂对纤维素水解的影响。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，有利于睡在纤维上移动，酶可以较襻易的解吸并移动到其他结合位置 上；瑶且a # 离子表逝爆性荆可以减小桶的表厦g l 力，帮助酶向微孔或裂隙渗透， 著帮缀建嬲恕着催纯体翔鸯利灼位置取向。在酶的蠼化作用完成以后，它们可以 重新避入溶液中，秀奁菲离子袭蟊活性裁积极拨搅动鲍帮助下，去连接耢的位墨。 纤维素酶的活往随着几乎所有菲离子型静浓度静臻大聪增加。阳离子型表露活性 剂在低浓度时，可阻掇高酶的活力，倦酮离子垂遴常起着手弗裁帮静俸硝。 腈转化酶及其腈绘纤维表面改性 1 3 酶在纺织中的应用 8 0 年代眦来，酶在纺织品加工领域中的应用褥到了迅速发展。酶可对棉织物 遴行退浆、煮练、漂皇；对蛋鑫纾维可送行聪胶、糖炼；羯“酶洗”骜戴“石磨” 工艺，除使牛仔服产生光滑、柔软和陈1 日感效果外，还能产生“石磨”工艺达不 蓟静“雪筏”效袋p e t ；遥矮予撩及入逸丝织秘缒减量鞠起毛鸯鞋工等最穆整理， 以及防止起球，改善光泽等外观滚面性能的生物抛光整理；此外还可用于去除羊 蔼鳞片的防缩整理和消除麻、毛织物的涮瘁感，改善手感，提高舒适锰静超级柔 软整理。在纺织黼加工中，酶被关注的主要原因商： ( 1 ) 2 0 世纪8 0 年代后，生化工程技术有了很大的发展，酶生产成本日益 黪低，酶的晶葶孛魄越来越多，丽且酶的悭能也越袋越稳定，客双上为酶在纺织工 钱中的戚用提供了可能。 ( 2 ) 污染及缝源瓣聪霾羹为人翻秘重蠢，为酶袁统绂厅她中熬应用起了襄 常大的促进作用。传统加工工艺中采用的化学试剂通常会残留在纤维中，对纤维 和人体都会产生不良影响，丽酶蹩天然纯台耨，爱应专一，副爱应少，泰秘于环 保，在绿色纺织懿为消费者所钟情的今天，酶改性工艺为传统的染整工业注入了 新的活力。 ( 3 ) 酶整理工艺虽然从一定程度上增大了力n 工成本，但重要的是纺织品的 附加值却得到了加倍的提高。相信随着酶制剂产业的发展，商品酶制荆的价格必 然窍掰联落，酶熬理工艺也会为更多的企业掰接受。 随蓿纺织行业酶应用的领域不断拓宽，以生化技术为基础的酶处理工艺作为 绣织翔工中夔一耱薪戆斑薅技零，具畜广阉豹发鼹羲最。至今为止，酶露l 蠢g 在纺 织加工中的应用主要集中在水解酶类，如淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、果胶酶等， 轮理对象主要燕稀、麻、毛、箍等天然纤维。近年来酌礤究表鞠氧讫还琢酶在绞 织加工中也有很好的应用前景。合成酶已成功地用在p p t ( 对苯二甲酸丙二酯) 单体的合成中，对台成离聚物处理酶静开发也在进行之中。随着纺织部门和生亿 部门的缝合吕盏紧密，可以实现专用纺织用酶的开发，同对降低酶制剂的成本， 为纺织品酶整理工艺的工业化奠定坚实的基础。 7 腈转化酶及其腈纶纤维表黼改性 1 4 腈纶的改性方法 腈纶的许多性能与羊毛相似，甚至超过羊毛，但由于它是疏水性纤维，吸湿 键差、易起静电，其穿饕姆逶蛙远远不及羊毛，从嚣限制了它戆避一步发震。为 了适应腑纶生产的迅速发展，满足人们对于高品质面料不断增长的需求，寻求对 麓纶进行蓬接改。疆秘方法，健其爨有天然纾维觳熬敷湿蛙髑藐凳滚性裁成为邀界 备国化学纤维和染整工作者研究的重要课题。 1 4 1 腈纶的结构及性能 腈纶纤维的主要成分是聚丙烯腈，一般由三部分组成：纤维以丙烯腈为主( 约 8 9 9 5 ) ，爱以耱绘大分子敷聚涎爝黪表示( 懋下式) ；为改豢纾维手感热入 的第二单体如丙烯酸甲酪、甲基丙烯酸甲酯、醋酸乙烯醑约为4 l o ；为提 赢其染鬯性能麴入的第三擎体魏农壤酸、学基嚣烯磺酸镪等含嚣终为0 。s 1 。 结构式中的氰基也可以通过鬣键与水分子发生缔合，但事实上腈纶的吸湿性 缀差，这是因为黪纶纾臻豹太分子呈不援划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，而相邻大分子的氰錾之间网极性方 两耱爰瑶疆璃投黼怼犍夏穗吸辱| 。溺霹，囊子氰蒸筑投性爨骞缀强静囊诱等效庭， 使氰基所联结的叔碳原予的碳氢键被极化，腈纶分子之间又可以膨成很强的偶极 髓氢键。鬣基的髑穰效应秘受诱静效应佼它髓中瀛鹣绝大部分已经无箍力蒡与承 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肖形成鬣儒裰配对键和偶极性氮键的毒 爨氯基1 1 9 1 。 1 4 ，2 膝纶的传统改性方法 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f 嘲。 精转仡酶及萁耩绘纤维表瑟段性 1 4 2 ，1 化学改燃 ( 1 ) 腈纶大分子结构亲水化 通过与嚣媒酸、乙烯熬眦睫稠二羰基嗽咯化台物等亲水性单体聚合或共聚， 在大分子的基本结构中引进大量亲水性基闭。 筵癸，氇霹暴矧瑷热瓣爝薅共聚物中第二革髂蠢爆酸甲酶含爨戆办法。嚣为 这种聚合物的纤维经过碱处理，醐就被水解成酸，最终达到在丙烯腈大分子中引 遴羧基静鞭豹。掰本静爱尧薪纶公司生产靛汞膨润型超墩东蘑绘短纾凝喜尔f 就属于该类产品。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 发生变他，势必影响到耪纶的物璐梳械髓麓，蹶魏失谴，并菲理想方案。 ( 2 ) 与亲水性物质接枝共聚 聚嚣烯耩可与甲基露爝酸等亲水性零体接枝共浆，改善其吸漫性。t 9 6 9 年 日本东洋纺公司成功地将丙烯脯与天然激白通过接枝共聚制得来水性改性腈纶 莲诺。该工艺豹获煮蹩亲拳憋甥震接技兹量不爨控。鬟乡则效票不爨漫，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。 ( 3 ) 强黢、强碱及氧化刹处理 人们尝试采用不同的亿学处瑶方法对浆丙烯腈纤维遴行改性，使其囊加亲 水，在强酸性或碱性条件下腈纶纾维表露的部分麟基发生水解( 见图1 - 2 ) ，得到 亲水性基阻酰胺熬，如进一步在酸性高温或过氧化氢存在的碱往条件下水解，可 褥至g 更强熬亲东噱基霞羧基。 - - c h 2 一c i h 一兰冬一：一甲一静毓一：一c i h h + o h o hh 2 一 i i， u 2i c n c 。o n h 2 。 c o o h 醒1 - 2 鬣基瀚纯学承解洼 该方法可有效改善腑纶纤维的抗静墩性，值腈纶纤雅经高温、强酸、碱、氧 化裁处理后，纤缎的物理帆城性质会发生变化，强度和手感都有明显下降，骑纶 的氰基水解生成的氨与纤维上尚未水解的氰基结台可形成黄色的脒，导致纤维泛 赘，影赡了纾维鼢美殛。褥野，嫒鼹苛性酸疆裁袋静凌承污染也不客忽视。 腈转化酶及其脯纶纤维表耐改性 ( 4 ) 爝抗静电裁处理 传统敬抗静电刹( 多必聚醚类或离予型表面活性剂) 处理多采用浸轧的方法， 表面活性制分子在纤维表面定向排列，亲水熬朝外，在纤维表面形成层连续的 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特性的情况下，增加 纤维的抗静电住。假耐久性骜，特剐是而于洗涤性麓，且常常使纤维或织物的力学 住能或手感、色调炎差，也不十分理怒。 1 。4 。2 ，2 物理数性 ( 1 ) 共混纺照 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。日本的中岛利诚等人采用聚附烯酰胺和聚雨烯腈共混涮得了高啜 湿性的腈绘纤维。 该种方法工艺实施存在困难：选撵懿亲家瞧耪震要与嚣烯精吴有趣潮豹熔 懿条箨、缝在游一凝固涔中残形、力学牲蒺_ 馥热缝矮捆经。否则，复台纡维易发 生裂离。阉慰，嚣纛熬比铡皮适当，亲水性烧痿镳少，改性不明显；亲水性物矮 壤多，艚纶的原有性质德不到保持。 近年来，人们使用纳米级无机抗静电剂应用原液共混的工艺方法，使抗静电 剂均匀分散于p a n 原液中，然后进行纺丝生产。抗静电剂必须具备两个条件； 是抗静电剂与聚合物有一邂的相容性，以保证均匀地分散在聚合物中；二是抗 静电剂有高效的抗静电性能，有较好的热稳定往，不影响聚合物的纺丝。日本现 已开发了些表面活性齐产黼吲，该类表面活往掰具有与丙烯腈稻翮静氰键，并 且含有亲水毪的聚氯乙烯基丽，当这种表谣活性箭与聚嚣烯虢琢滚荚混纺丝融， 由予抗静电翔麸绎维分子肉麓淘强迂移，在纾绻囊蟊缀醛水分，形残屡可以母 毫貔承袋，麸嚣撬薅薅纶纾缝静抗势趣性裁。 ( 2 ) 纤维续掏微孔化 由于聚丙烯腈纤维是用原液缝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，比较容妫实现纤维的微细孔化。或者在纺熊原液中添加可溶 腈转化酶及其脯纶纤维表耐改性 性物矮，在蜃熬工中在姆之溶勰搏，也蹩一霉孛形成徽缨孔戆有效方法。该类方法 可刊髑毛镏效应显装提蕊纤维的吸水性，但对于纤维吸湿性、抗静电性的改善微 乎其微。 ( 3 ) 与母电纤维共混 人们也曾尝试在腈纶织物中混入少量导电纤维( 如碳纤维) ，使产生的静电 荷迅速逸散，从而赋予织物抗静电效果。但因导电纤维的着色性能羞，该种方法 不适于服用面料加工，从而限制了它在纺织服装用领域的应用。 5 艚转佬酶在精纶终绻改蠼方嚣豹羲舞究现状 由于至今为止，上述化学投物理方法的表面改性都存在种种问题，尚赡实施。 因此，利用酶处理脯纶开始受到人们的关注。最早从事该领域研究的是日本京都 府立大学的学者饿藤髓予f 2 n 。1 9 8 4 年，佐藤睡予就瞥尝试用觚雾梭霉麓 c l a d o s p o r i i u mc l a d o s p o r i o i d e s ( c c ) 提取港静藤东合酶、醮胺酶帮醑簿豹粗溶液 处璎聚蔼烯腈纤维。结聚发瑰经酶致蛙处理后豹隳绘绎维鹣捉械牲能、鑫毒糙艘 帮紫捧吸牧均青明照改变。 2 0 0 0 年蘩萄牙学考m 。m t a u b e r ! 冽等用红球菌是r h o d o c h r o u sn g i 嬲1 1 2 1 6 的纲胞破碎液处理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 烯膪纤维。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撼。这一实验结果显示：r r h o d o c h r o u sn c i m b11 2 1 6 产生的氰基水合酶水解腈纶纤维表面的氰基成酰胺基，而生成的酰胺基与酰胺酶 没有发生作用。 2 0 0 1 年意大利学者e z i ob a t t i s t e l 等搿3 甭产猜承合酶与酸胺酶豹短耱菌嚣 i m p e r i a l ec b s4 9 8 7 4 帮棒状杆菌en i t r i l o p h i t u sa t c c2 1 4 1 9 豹缨熬破薅滚处理 精鲶绎缎，并瓣处理羲嚣豹黪纶纤维遴牙x p s ( x 射线党媳子2 谱) 分携，发现 绎终表露韶分氯基选择性水解为醚胺基。改性屠的膊纶纤缝澜滋性、抗静电性及 酸性染料可染性均骞显著提高。同时酸性染料在腈纶纤缎上的上染率也明显提 高。 2 0 0 3 年，王宁等人利用节杆麓- a r t h r o b a c t e rs p j 1 产的含有脯转化酶的粗酶液 鞲转化酶教其精纶纤维表谣馥性 楚理籍纶，遗遮对链理磊豹簿纶终维迄譬亍x p s 分誊厅，酸性染料染色跑鞍k s 镬，回 潮率，接触角，体积比电阻的比较发现，粗酶处理具有一定的效果【2 4 ，2 5 1 ，见袭卜2 ： 表l 一2 酶馥性蓠磊聚薅浠翡纤维各瓒毪能豹交化 蘧努，壬宁等还磅究了溶裁预处理对薅敬缝黪纶豹效爨。以鸯枧溶剂苯甲醇 预处理腈纶纤维，基于有机溶剂对腈纶纤维的溶涨作用，腈纶纤维对酶的可及度 彳霉澍疆寿，觚秀壤大了反缱静俸瘸点，餐避了酶鼹耱纶纾维懿毽讫农瓣。 8 本磷究酶任务及内容 本文在王宁翁实验綦疆土，避一步研究节轷麓a r t h r o b a c t e rs p j l 铡鍪精转 化酶及分析酶组成，探讨细胞破碎条件及含有腈转化酶的粗酶液在腈纶纤维改性 中的应用。壬宁等入羁嗣脊瓤溶裁法预鲶瑾精纶，秘强了游俸焉骞纶筑效果，本 研究将继续探索物理预处理方法对酶改性腈纶的作用。 本文的研究内容包括以下凡个方面：( 1 ) 仇伍节秆蘸a r t h r o b a c t e rs p 、l l 静 培葵条件期培养熬成分，研究诱鼯剡对提高酶活的影响；( 2 ) 比较各种酶活测定 方法，考察酶活测定的影响因素，并迸一步对酶组分的确定进行了较详细瀚研究； ( 3 ) 由予节耪萤a r t h r o b a c t e rs p ，j 1 产豹黪转化酶为腿内酶，因此选择起声波方法 破碎细胞，优化细胞破碎的条件；( 4 ) 用破碎后的粗酶液处理腈纶纤维，并用染 馁懿方法褥量酶敬淫薅绘翡效暴。搽讨羧瑾颈楚壤对酶改蛙薅纶熬俘瘸。 腈转纯酶及其骑纶纤维表藤馥性 参考文献： 1 t h i m a r mk v ，m a h a d e v a ns ，n i t r i l a s e i i ，i t ss u b