CN104179020A - 一种基于酶促接枝的抗菌丝素膜制备方法 - Google Patents

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王平
俞梅兰
唐耿铁
袁久刚
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Abstract

本发明公开了一种基于酶促接枝的抗菌丝素膜制备方法，属于纺织生物技术领域。旨在解决传统化学方法制备功能性丝素膜时，易产生有害物质残留和环境污染等问题。本发明利用酪氨酸酶的催化氧化作用，将具有伯胺基结构的乳铁蛋白接枝到丝素蛋白膜表面，改善丝素膜的应用性能。具体工艺流程包括：丝素溶液制备、丝素膜的干燥成型、酪氨酸酶催化氧化丝素与乳铁蛋白接枝、抗菌丝素膜的干燥。通过本发明制备的丝素蛋白膜不仅抗菌性能得到改善，丝素膜材料的力学性能也得到提高。与基于化学交联的功能型丝素蛋白膜制备方法相比，采用酪氨酸酶法制备的抗菌丝素膜具有能耗低、效率高、污染少的优点，有利于环境保护。

Description

一种基于酶促接枝的抗菌丝素膜制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于酶促接枝的抗菌丝素膜制备方法，特别是一种利用酪氨酸酶催化氧化作用，实现乳铁蛋白在丝素膜表面接枝，制备抗菌丝素膜的方法，属于纺织生物技术领域。
背景技术
丝素蛋白具有良好的生物相容性和环境友好性，以丝素蛋白为原料加工的膜材料在医学组织工程、药物载体等领域具有较广泛的应用。丝素膜的性能取决于丝素蛋白大分子形态和结构，一般冷冻干燥和室温风干条件下制得的丝素膜聚集态结构以无定形为主，物理机械性能较差，水中溶失率高；高温烘干条件下制的丝素膜结晶度增加，膜材料强力有所增加，但膜体弹性较差，应用性能降低。为改善丝素膜材料的性能，拓展其在生物医药等领域的应用，需要对丝素膜材料进行合适的改性及功能化加工。
丝素蛋白膜常用的改性方法包括高温湿热处理、交联剂化学改性、与其他高分子共混改性等。不同改性方法中，化学改性法应用较广泛，其基本原理是利用丝素蛋白分子中富含-OH、-NH2、-COOH等反应性基团的特点，借助于化学交联剂使丝素大分子间共价交联，或与功能性整理剂发生接枝。这类方法在改善丝素膜性能的同时也存在一定的不足，如化学交联反应中易产生有害物质残留和环境污染等问题。近年来，随着生物技术在高分子材料改性中的应用研究日趋广泛，利用生物技术对丝素材料进行功能化改性的研究日益引起重视。
根据丝素大分子的氨基酸组成特点，在丝素蛋白材料生物法改性中，具有潜在作用功效的酶制剂包括蛋白酶、谷氨酰胺转移酶、氧化还原酶等等。其中，最有应用前景是氧化还原酶，氧化还原酶是催化两分子间发生氧化还原作用的酶的总称，包括酪氨酸酶、漆酶等品种小类。酪氨酸酶是一种具有催化氧化活性的多酚氧化酶，能催化氧化L-酪氨酸的酚羟基结构形成反应性较强的多巴醌，继而引发与伯胺化合物反应。根据这一原理，可借助于酪氨酸酶的催化氧化作用，通过丝素蛋白与伯胺整理剂接枝，实现丝素蛋白膜生物酶法功能化改性。
在丝素膜不同功能化改性加工中，抗菌整理由于可减少微生物滋生、减轻机体细菌感染而具有积极意义。乳铁蛋白具有与季铵盐等化学抗菌剂同样的抗菌与消炎作用，可水解病菌细胞壁不溶性黏多糖，也可与带负电荷的病毒蛋白直接结合使多种病毒失活。根据这一特点，借助于酪氨酸酶催化乳铁蛋白在丝素膜表面接枝，制备具有抗菌功能的丝素蛋白膜。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于酶促接枝的抗菌丝素膜制备方法，以本方法制备的丝素膜有较好的力学性能和抗菌功效，拓展了丝素膜的应用范畴。
为解决上述技术问题，本发明利用酪氨酸酶的催化氧化作用，将具有氨基的乳铁蛋白与丝素蛋白中酪氨酸残基接枝反应，提高丝素膜的应用性能。
具体工艺如下：
(1)丝素溶液的制备：以溴化锂或氯化钙溶解丝素纤维，制备丝素溶液。
处理工艺处方及条件：将脱胶后家蚕丝加入到溴化锂或氯化钙的水溶液(乙醇溶液)体系中，在40～80℃左右不断搅拌至溶解(浴比1∶10～50)，得到混合丝素溶液；将丝素溶液装入透析袋，以去离子水中透析后过滤，制得丝素水溶液。
(2)丝素膜冷冻干燥：取定量丝素溶液倒入低表面张力模具皿中，通过延流使其平整铺展，在-50～-20℃条件下充分干燥，得到丝素蛋白膜。
(3)酪氨酸酶处理：丝素蛋白膜在酪氨酸酶溶液浸渍，进行催化氧化处理。
处理工艺处方及条件：酪氨酸酶用量为1～200U/g丝素蛋白，温度20～40℃，pH范围6.0～8.0，处理1～24小时。
(4)酶促乳铁蛋白接枝：在酪氨酸酶溶液中添加乳铁蛋白，进行丝素膜抗菌改性。
处理工艺处方及条件：乳铁蛋白用量0.05～5.0g/L，温度20～40℃，pH范围6.0～8.0，处理2～24小时。
(5)丝素膜冷冻干燥：酶促接枝乳铁蛋白后，丝素膜经二次室温水洗，再在-50～-20℃条件下充分干燥，得到抗菌丝素蛋白膜。
一种基于酶促接枝的抗菌丝素膜制备方法，特点是丝素溶液制备中可选用不同浓度的溴化锂溶液、溴化锂-乙醇水溶液或氯化钙-乙醇水溶液；应用的酪氨酸酶包括了动物、植物和微生物等不同来源的酶品种；丝素蛋白膜抗菌改性中，酪氨酸酶和乳铁蛋白既可以分步添加至丝素膜浸渍溶液中，也可采用同时添加的方法进行。
本发明的有益后果
本发明利用酪氨酸酶催化氧化丝素，不但改善了丝素膜的力学性能，而且提高了丝素膜抗菌性，与传统丝素蛋白成膜方法相比，本发明具有以下优点：
(1)酶催化效率高，利用酪氨酸酶催化丝素蛋白与乳铁蛋白接枝反应中催化效率高，酶制剂用量少。
(2)酶处理条件缓和，在低温和近中性条件下进行抗菌丝素膜的制备，具有能耗低、处理工艺安全的优点，避免了化学交联法反应易造成环境污染和丝素膜生物安全性低等方面的缺陷。
(3)膜性能改善明显，利用酪氨酸酶催化氧化丝素膜与乳铁蛋白反应，不但改善丝素膜的力学性能，还增强了丝素膜的抗菌性。
具体实施方式
采用酪氨酸酶催化氧化丝素蛋白膜，实现丝素蛋白和乳铁蛋白接枝，制备具有较好力学与抗菌性能的丝素膜，具体实施例如下：
实施例1
(1)丝素溶液的制备：将脱胶后的家蚕丝加入到溴化锂-乙醇-水(质量比45∶44∶11)溶液中，在70℃不断搅拌至溶解(浴比1∶50)，得到混合溶液。将丝素溶液装入透析袋，以去离子水中透析24小时，期间每小时换一次水，透析后过滤得到丝素水溶液。
(2)丝素膜冷冻干燥：取定量丝素溶液倒入低表面张力模具皿中，通过延流使其平整铺展，在-50℃条件下充分干燥成膜。
(3)酪氨酸酶处理：丝素蛋白膜在酪氨酸酶溶液浸渍，酪氨酸酶用量为150U/g丝素，温度30℃，pH＝7.0，处理4小时。
(4)酶促乳铁蛋白接枝：在上述酪氨酸酶溶液中添加乳铁蛋白，乳铁蛋白用量0.5g/L，温度30℃，pH＝7.0，处理8小时。
(5)丝素膜冷冻干燥：酶促接枝反应后，丝素膜经二次室温水洗，再在-50℃条件下充分干燥，得到抗菌丝素蛋白膜。
试样1：丝素膜浸渍时仅添加乳铁蛋白；
试样2：丝素膜经酪氨酸酶、乳铁蛋白组合处理；
经上述工艺处理后，试样1断裂强度为19.6MPa，断裂伸长率为1.2％，三次室温水洗后丝素膜对金黄色葡萄球菌的抑制率为32％；试样2断裂强度为22.5MPa，断裂伸长率为1.8％，三次室温水洗后丝素膜对金黄色葡萄球菌的抑制率为67％。
实施例2
(1)丝素溶液的制备：将脱胶后的家蚕丝加入到氯化钙-乙醇-水(摩尔比1∶2∶8)溶液中，在70℃不断搅拌至溶解(浴比1∶50)，得到混合溶液。将丝素溶液装入透析袋，以去离子水中透析24h，期间每小时换一次水，透析后过滤，得到丝素水溶液。
(2)丝素膜冷冻干燥：取定量丝素溶液倒入低表面张力模具皿中，通过延流使其平整铺展，在-50℃条件下充分干燥成膜。
(3)酪氨酸酶和乳铁蛋白处理：干燥后的丝素膜在酪氨酸酶和乳铁蛋白溶液中浸渍处理，其中酪氨酸酶100U/g丝素、乳铁蛋白1.0g/L，温度30℃，pH＝7.0，处理时间8小时。
(4)丝素膜冷冻干燥：酶促接枝反应后，丝素膜经二次室温水洗，再在-50℃条件下充分干燥，得到抗菌丝素蛋白膜。
试样3：丝素膜浸渍时仅添加乳铁蛋白处理；
试样4：丝素膜经酪氨酸酶、乳铁蛋白处理；
经上述工艺处理后，试样3断裂强度为20.5MPa，断裂伸长率为1.1％，三次室温水洗后丝素膜对金黄色葡萄球菌的抑制率为39％；试样4断裂强度为23.2MPa，断裂伸长率为1.6％，三次室温水洗后丝素膜对金黄色葡萄球菌的抑制率为72％。

Claims (5)

1.一种基于酶促接枝的抗菌丝素膜制备方法，其特征是利用酪氨酸酶的催化氧化作用，使丝素蛋白与乳铁蛋白进行交联，改善丝素膜的力学性能与抗菌性。 
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于具体步骤如下： 
(1)丝素溶液的制备：将脱胶后家蚕丝加入到溴化锂或氯化钙的水溶液(乙醇溶液)体系中，在40～80℃左右不断搅拌至溶解(浴比1∶10～50)，得到混合丝素溶液。将丝素溶液装入透析袋，以去离子水中透析后过滤，制得丝素水溶液。 
(2)丝素膜冷冻干燥：取定量丝素溶液倒入低表面张力模具皿中，通过延流使其平整铺展，在-50～-20℃条件下充分干燥，得到丝素蛋白膜。 
(3)酪氨酸酶处理：丝素蛋白膜在酪氨酸酶溶液浸渍，进行催化氧化处理，其中酪氨酸酶用量为1～200U/g丝素蛋白，温度20～40℃，pH范围6.0～8.0，处理1～24小时。 
(4)酶促乳铁蛋白接枝：在酪氨酸酶溶液中添加乳铁蛋白，进行丝素膜抗菌改性。 
处理工艺处方及条件：乳铁蛋白用量0.05～5.0g/L，温度20～40℃，pH范围6.0～8.0，处理2～24小时。 
(5)丝素膜冷冻干燥：酶促接枝乳铁蛋白后，丝素膜经二次室温水洗，然后在-50～-20℃条件下充分干燥，得到抗菌丝素蛋白膜。 
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述丝素溶液制备可选用不同浓度的溴化锂溶液、溴化锂-乙醇水溶液或氯化钙-乙醇水溶液。 
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述酪氨酸酶包括了动物、植物和微生物等不同来源的酶品种。 
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述丝素蛋白膜抗菌改性中，酪氨酸酶和乳铁蛋白既可以分步添加至丝素膜浸渍溶液中，也可采用同时添加的方法进行。 
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