突變T.fusca角質酶對滌綸織物表面水解作用研究

韓瑞娟, 傅佳佳, 王艷萍, 孟超然, Artur Cavaco-paulo, 王鴻博, 高衛東

(1.江南大學 紡織科學與工程學院,江蘇 無錫 214122; 2.米尼奧大學 生物工程中心,葡萄牙 布拉加 4710-057)

滌綸作為被廣泛使用的合成纖維之一,具有許多優良的特性,如彈性模量高、強度高、良好的保形性等[1]。滌綸結構致密且大分子鏈中缺乏反應性基團,導致其染色易出現色淀,織物吸濕性差,穿著悶熱,影響了滌綸織物的美觀性和服用舒適性[2]。為了解決上述問題,許多學者進行了大量的研究工作。目前,滌綸織物的親水改性可以在各個工序中進行。如在紡絲過程中可以采用復合材料或者多孔化等方法,而表面處理過程中可以通過接枝、親水性整理劑、酶改性等。前者對設備和工藝要求較高,成本費用高,后者相對簡單,操作方便,是目前主流的改性方法[3]。

在眾多的表面處理方法中,生物酶反應條件溫和、對環境友好,通過水解滌綸的酯鍵可改善織物的疏水性[4]。酶法處理與傳統堿減量改性法相比,減少了織物的質量損失,保留了織物的強度[5];與等離子體改性法相比,所需能耗更低和生成的表面基團穩定性更好,滿足當前碳中和、碳達峰目標的要求。因此,利用生物酶改善滌綸織物的潤濕性具有較好的發展前景[6]。

近年來,諸多研究報道了使用酶改性滌綸織物,主要包括脂肪酶、角質酶、PETase等。脂肪酶具有的“蓋子”結構覆蓋了酶的活性位點,需要油水界面活化幫助底物與催化中心的結合,改性效果較差[7]。PETase是Yoshida從Ideonella sakaiensis 201-F6中分離出的一種特殊水解酶,目前對PETase的研究都集中在提高穩定性、活性及降解聚酯類塑料的機制上面,用于水解高結晶度的滌綸織物仍然缺乏深入研究[8]。角質酶的催化中心暴露于溶劑之中,不存在“蓋子”結構,有助于酶識別聚合物底物。相較于脂肪酶,角質酶及其同系物對滌綸表現出更好的應用前景[9]。但與化學改性相比,使用角質酶改性滌綸織物仍然存在著改性時間長、水解產物少、改性效果差的缺點,如Nimchua[10]報道的茄病鐮刀菌DSM 62420在168 h內催化滌綸水解僅可得到10 μg/mL的水解產物,而尖孢鐮刀菌也只得到18 μg/mL的對苯二甲酸。由此可見,縮短反應時間、提升改性效果是當前新的研究方向。

本研究將熱穩定性能優異的突變Thermobifidafusca(T.fusca)角質酶應用于滌綸織物改性,探究了反應條件(酶質量濃度、處理時間、溫度、pH值)、表面活性劑和金屬離子等對滌綸水解產率的影響,并表征改性前后滌綸織物的表面形貌與潤濕性能。

1 試 驗

1.1 材 料

純滌綸織物(吳江市中鵬紡織有限公司),突變T.fusca角質酶(江南大學食品科學與技術國家重點實驗室),對硝基苯丁酸酯(西格瑪奧德里奇貿易有限公司),對苯二甲酸、無水乙醇、氯化鈣、十二烷基硫酸鈉、亞甲基藍、碳酸鈉(國藥集團化學試劑有限公司)。

1.2 方 法

1.2.1 角質酶活性測量

酶活測定采用連續分光光度法[10]。反應液的總體積是1.5 mL,其中包括30 μL的突變T.fusca角質酶和1 440 μL的pH 8的Tris-HCl緩沖液及30 μL的對硝基苯丁酸酯底物,將反應液于60 ℃下反應1 min后,在波長405 nm處記錄對硝基酚的生成速率。酶活定義:每分鐘催化對硝基苯丁酸酯水解生成1 μmol對硝基苯酚的酶量,即為一個酶活力單位。

1.2.2 滌綸織物精煉處理與角質酶處理

將滌綸織物置于5 g/L肥皂、4 g/L的碳酸鈉溶液中進行皂洗30 min以去除漿料和雜質,然后用去離子水反復沖洗,在105 ℃的烘箱中烘干備用。

將精煉后的織物按照1︰40的浴比放入緩沖液中,探究酶質量濃度(10～30 U/g),pH值(7～9)、溫度(50～70 ℃)、反應時間(12～72 h)和CaCl2(0～20 mmol/L)等因素對滌綸織物酶處理液中水解產物釋放量的影響。酶處理后的織物先后用1%十二烷基硫酸鈉和20%乙醇清洗,然后放入烘箱中烘干以備后續測試。

1.3 測 試

1.3.1 對苯二甲酸標準曲線的繪制

采用紫外分光光度法測定突變T.fusca角質酶處理殘液中產物對苯二甲酸(TPA)的釋放量,參照文獻[11]繪制對苯二甲酸標準曲線,如圖1所示。得出對苯二甲酸標準曲線方程:

A=7.14 286×10-4+5.69×10-3×C(R2=0.999 5)

(1)

式中:A為240 nm處的紫外吸光度值,C為TPA質量濃度。

圖1 TPA的標準曲線Fig.1 Standard curve for TPA

1.3.2 酶處理殘液吸光度測試

將突變T.fusca酶反應液置于100 ℃的水浴鍋中保溫30 min使酶失活,并在離心機中以8 000 r/min的速度離心10 min后取上清液進行紫外測試。在其他反應條件一樣的情況下,以不加織物的酶處理液為參比,在240 nm波長下測定樣品處理液的吸光度。

1.3.3 滌綸水解產物種類分析

用安捷倫1200系列的高效液相色譜儀(美國安捷倫公司)在240 nm波長下檢測滌綸織物的水解產物種類,其中流動相甲醇︰水=65︰35,流速0.5 mL/min,進樣量5 μL。

1.3.4 滌綸織物表面形貌觀察

為了進一步分析滌綸纖維經酶處理后表面形態的變化,本研究利用SU1510掃描電子顯微鏡(日本日立公司)在放大倍數分別為3 000、10 000倍時進行觀察,其中電壓設置為5 kV。

1.3.5 接觸角測試

在恒溫恒濕條件下,利用DSA 25接觸角測量儀(德國KRUSS公司)對處理前后試樣的水接觸角進行測量,當水滴滴下5 s后,對接觸角數值進行記錄。其中液滴體積為10 μL,滴液速度為1 mL/min。

1.3.6 回潮率測試

織物吸濕性能用回潮率表示,按GB/T 6529—2008《紡織調濕和試驗用標準大氣》,在溫度(20±1) ℃、濕度(65±2)%的試驗環境測試。

(2)

1.3.7 滌綸織物表面基團變化分析測試

角質酶水解滌綸分子鏈上的酯鍵可產生羥基等親水性基團,從而吸附陽離子型的亞甲基藍染料。因此,通過檢測滌綸織物的染色深度,可以表征織物表明活性基團的變化[12]。同時,亞甲基藍染料在660 nm左右波長下有特征吸收峰,可測試染色前后樣品的吸光度[8]。同時,為了探究改性織物對分散染料上染率的影響,用分散藍165染料對改性前后的織物進行染色,特征吸收峰在665 nm左右。染色工藝條件:染料質量濃度1 g/L,浴比1︰50,染色時間2 h,染色溫度60 ℃。染色后的滌綸織物用去離子水反復沖洗后,放在室溫下干燥48 h后,使用測配色儀測量K/S值。

2 結果與分析

2.1 突變T.fusca角質酶質量濃度對水解產物釋放量的影響

酶質量濃度是影響滌綸織物改性效果的重要因素,合適的酶質量濃度既可以保證其對底物的催化活化能力,又不會造成資源的浪費。探究角質酶質量濃度對水解產物釋放量的影響,可以得到反應體系較合適的酶濃度。由圖2(a)可知,在溫度60 ℃、pH 8、時間48 h的條件下,隨著突變T.fusca角質酶質量濃度的增加,滌綸織物的水解產物釋放量增加。當角質酶質量濃度在20 U/g時,水解產物TPA的含量達到最大值。繼續增大酶質量濃度,水解產物的量反而下降,一方面可能是滌綸纖維表面沒有足夠多的作用位點與角質酶的活性位點結合導致催化水解效果降低[13]。另一方面也可能是中間水解產物對苯二甲酸單2羥乙酯(MHET)具有競爭性抑制作用而導致酶解作用降低[5]。

2.2 反應時間對水解產物釋放量的影響

角質酶具有一定的活性周期,催化能力會隨著時間的變化而變化,因此需要根據水解產物釋放量得出合適的催化反應時間。由圖2(b)可知,在角質酶質量濃度20 U/g、反應溫度60 ℃、pH 8的條件下,隨著處理時間的延長,滌綸織物的水解產物含量逐漸增加。處理時間在12～48 h,水解產物釋放量增加顯著,但當處理時間超過48 h后,產物的增加量趨于平緩。這是因為在48 h之前,突變T.fusca角質酶可快速催化水解滌綸表面的酯鍵。但超過48 h后,滌綸表面可被水解的酯鍵數量變少,而大分子的蛋白酶很難滲入到結構致密的滌綸分子內部,使得酶與滌綸的可及性降低,水解速率下降[13]。

2.3 處理溫度對水解產物釋放量的影響

酶的穩定性會受到溫度的影響,因此,合適的酶反應溫度是保證酶活性和最大催化效率的重要因素。由圖2(c)可知,在角質酶質量濃度20 U/g、時間48 h、pH 8的反應條件下,隨著處理溫度的升高,水解產物釋放量先增加后降低,在處理溫度為60 ℃時水解產物釋放量最高。這主要是因為溫度比較低時,角質酶的活性沒有被全部激發,但當溫度過高時,酶的結構發生不可逆變化,導致其變性甚至失活,使水解產物的釋放量下降[13]。

2.4 pH值對水解產物釋放量的影響

pH值決定酶蛋白分子的電離狀態,從而影響酶的活性和與底物的結合頻率,因此,合適的pH值會使得反應速率增加。由圖2(d)可知,在角質酶質量濃度20 U/g、時間48 h、溫度60 ℃的反應條件下,反應液的pH值為8時,水解產物釋放量最大;但當pH值偏離8后,水解產物釋放量有所下降。這是因為當pH值過高或過低時,突變T.fusca角質酶的分子活性部位有關基團的解離狀態發生改變,酶的活性下降,其和底物之間的結合力降低,不利于酶解反應的進行[14]。

圖2 反應條件對產物TPA釋放量(質量濃度)的影響Fig.2 Influence of reaction conditions on TPA yield (mass-volume concentration)

2.5 金屬離子對水解產物釋放量的影響

合適的金屬離子在提高水解酶的熱穩定性和催化行為中起著至關重要的作用[15]。基于Then等[16]的試驗,考察了不同濃度的Ca2+存在下對突變T.fusca角質酶水解滌綸產物的影響。由圖3可以看出,當Ca2+體積濃度從0增大至15 mmol/L時,水解產物TPA釋放量從15 mg/L增加到25 mg/L,較單獨酶處理提高了53%,比Nimchua等[10]報道的尖孢鐮刀菌催化滌綸水解的產物濃度高28%。金屬離子的存在使TPA釋放量有較大提升,這是因為金屬離子與酶的配體進行了結合,酶活性中心的微環境得到改善,酶的空間結構發生改變,酶熱穩定性能增加[16-17]。

圖3 Ca2+體積濃度對TPA釋放量的影響Fig.3 Effect of Ca2+ volume concentration on TPA yield

2.6 水解產物種類測定

為揭示酶的水解作用機制,需進一步對水解產物做鑒定分析。本研究將Ca2+和角質酶體系催化滌綸水解反應殘液進行了高效液相色譜測定,結果如圖4所示。Puspitasari等[18]研究表明,聚酯的酯鍵水解會產生TPA、MHET、對苯二甲酸雙(2羥乙)酯(BHET)等多種產物,但Yoshida等[19]表明PETase水解酶會進一步將水解產物BHET分解成MHET和TG。由圖4可以看出,該突變T.fusca角質酶的主要水解產物是TPA,而中間水解產物MHET含量較少,BHET沒有被檢測到,推測是由于金屬離子的引入使得酶熱穩定性能增加,從而將BHET進一步被水解成MHET。除此之外,將突變T.fusca角質酶與PETase等活性較高、降解聚酯塑料較優異的酶復配用于滌綸改性上,以避免中間水解產物的競爭性抑制也是一個值得探索的方向。

圖4 酶水解滌綸反應液的液相色譜示意Fig.4 HPLC chart of enzymatic hydrolysis polyester reaction solution

2.7 滌綸織物表面形貌分析

酶處理前后滌綸織物的表面形貌如圖5所示。由圖5可見,未處理的織物表面比較光滑;而經過酶處理后,滌綸織物表面呈現出不同程度的凹槽。這可歸因于酶對滌綸的無定形區進行了水解,使得纖維表面變得粗糙,同時也可以看出酶對滌綸的水解僅限于表面一層,可保留滌綸本身的性能。

圖5 酶處理前后滌綸織物SEM圖Fig.5 SEM images of polyester fabric before and after enzyme treatment

2.8 滌綸織物表面潤濕性能分析

滌綸織物經過酶處理后,潤濕性能有所改善,改善效果可由接觸角、回潮率、K/S值等表征。圖6為角質酶處理前后滌綸織物的水接觸角與回潮率的變化。由圖6可見,織物經Ca2+與角質酶體系處理后接觸角由92.6°減小到76.4°,降低了17.5%;回潮率由0.64%增大到1.19%,增大了85.93%。主要原因為角質酶對大分子鏈中的酯基進行水解,從而產生了親水性活性基團。此外,由于角質酶處理導致分子鏈斷裂,使纖維表面有裂隙現象,這可在掃描電鏡圖5中得到證實。圖7表示角質酶處理前后滌綸織物的K/S值和染液吸光度值的變化。由圖7(a)可見,經過角質酶處理后,由亞甲基藍染色的滌綸織物K/S值增大,染液的吸光度值減小,說明滌綸織物的大分子鏈水解,產生了親水性基團,使得染色深度增加。與原布相比,Ca2+與酶體系處理后的織物K/S值增加了17.9%,663 nm處的吸光度值減小了43%。由圖7(b)可知,改性前后的滌綸織物經過分散藍165染料染色后,染色深度有所增加,但增加并不明顯。這是因為分散藍165染料只能進入滌綸大分子非結晶區,而酶蛋白的催化水解作用是在纖維表面,對滌綸纖維結晶度影響不大,因此織物的染色深度沒有顯著變化[20-21]。

圖6 酶處理前后織物接觸角和回潮率變化Fig.6 Changes in contact angle and moisture regain of fabricsbefore and after enzyme treatment

圖7 酶處理前后染液吸光度值與K/S值變化Fig.7 Changes of absorbance and K/S value of dye solution before and after enzyme treatment(注:柱狀圖為K/S值變化,折線圖為染液吸光度變化)

3 結 論

本研究采用突變T.fusca角質酶對滌綸進行表面改性處理,由水解產物釋放量確定最佳反應條件。同時發現金屬離子可強化酶對滌綸的水解,使得水解產物釋放量提升。改性后的織物表面有凹槽、裂隙現象,潤濕性能和染色性能得到改善。

1) 單因素變量分析確定突變T.fusca角質酶水解滌綸織物適宜的反應條件為:角質酶質量濃度20 U/g、溫度60 ℃、反應時間48 h、pH值為8。

2) 15 mmol/L的Ca2+的加入可使水解產物釋放量較單獨用酶處理提高53%,可強化酶對滌綸的水解作用。

3) 經鑒定,水解產物主要是TPA,MHET占比較少,BHET沒有被檢測到。角質酶處理后的纖維有明顯的刻蝕現象。同時,與未經過酶改性處理的織物相比,酶改性織物的K/S值提升,亞甲基藍的染液吸光度下降43%,接觸角降低17.5%,回潮率增大85.93%,表明角質酶使得滌綸酯鍵斷裂,纖維表面產生親水性基團,潤濕性能得到改善。

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