CN113338044A - 一种基于Humicola insolens角质酶对涤纶进行改性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Humicola insolens角质酶对涤纶进行改性的方法，属于涤纶表面改性技术领域。本发明所述的方法包括如下步骤：将经过精炼处理的涤纶织物放入Humicolainsolens角质酶溶液中，在45～65℃下反应48～72h，洗涤，干燥，得到亲水改性的涤纶织物；其中所述的Humicola insolens角质酶溶液包括Humicola insolens角质酶、Tris‑HCl缓冲液、非离子表面活性剂；其中Humicola insolens角质酶的浓度为20～120U/mL，非离子表面活性剂的浓度为0.5～2g/L。本发明的采用的Humicola insolens角质酶能够催化涤纶表面酯键水解产生亲水性基团—羟基和羧基，同时伴有水解产物的生成，主要水解产物为对苯二甲酸(TPA)和单(对苯二甲酸‑2‑羟基乙酯)(MHET)，使涤纶在保持自身优势性能不变的基础上达到亲水化改性的效果。

Description

一种基于Humicola insolens角质酶对涤纶进行改性的方法
技术领域
本发明涉及一种基于Humicola insolens角质酶对涤纶进行改性的方法，属于涤纶表面改性技术领域。
背景技术
涤纶有很多优良的特性，如强度高、手感柔软、耐拉伸、抗皱耐磨、机可洗等。但另一方面，涤纶也有许多不足之处。如从服用的舒适性考虑，涤纶织物较厚重、透气性差、吸水性不好、回潮率低、易产生静电且穿着有沉闷感；从审美角度来说，涤纶织物易起球、抗油污性差、泛亮光；从功能整理的角度来讲，涤纶织物的染色性能较差、上染率低、染色过程中易出现色淀等。涤纶纤维的这些特点是由其内在组成决定的：结晶度高、取向度大、玻璃化温度高、分子排列紧密且分子中无活性基团。
目前，涤纶纤维改性采用了多种化学、生化和物理改性方法，强碱处理是将涤纶纤维用浓碱在高温下处理，这种方法会使纤维重量和强度严重损失，并且该过程需要消耗大量的碱和水，排放大量高浓度碱、低聚物含量高的废水，对环境造成严重的危害。在涤纶织物表面涂覆亲水性聚合物树脂，利用整理剂制备的吸水涂层包含有很多化学物质，在环境中不易降解，会导致环境污染并且对人体健康有危害。相比之下，利用生物酶技术对涤纶纤维进行改性显示出了很大的优越性，酶作用条件温和，并且节能、节水，处理的废水易生化处理，酶的水解作用只涉及到涤纶纤维表面一层，对纤维强度没有影响。就目前的研究报道发现，对涤纶表面改性已试验的酶有角质酶、脂肪酶和漆酶。
角质酶是一种多功能水解酶，可用于水解短链或长链脂肪酸酯和甘油三酯，也可用于降解植物的多聚体角质。相较于脂肪酶，角质酶缺少了盖子结构，更易于与底物结合。角质酶在纺织品加工领域中的应用，主要包括棉织物的生物精炼和化学纤维的表面改性。在涤纶表面改性方面，角质酶能够催化涤纶纤维表面的酯键水解生成亲水性基团，并在保持纤维自身优势性能不变的基础上，达到亲水化改性的效果。
而且，角质酶的来源不同，其性能也存在很大的区别，比如：真菌来源的角质酶的最适温度较低，约为30-40℃，且在高温下的热稳定性差；细菌来源的角质酶，最适温度比真菌来源角质酶要高，约为50-60℃，且在高温下的热稳定性好。
酶催化涤纶纤维水解会释放对苯二甲酸(TPA)及其衍生物，这些产物在240nm处有吸收峰。采用紫外分光光度计测定反应残液中生成的TPA及其衍生物的量，来间接反应酶对涤纶纤维的改性效果，水解产物的释放量越高表明酶对涤纶表面改性的效果越好。
发明内容
[技术问题]
采用强碱改性存在涤纶纤维重量和强度严重损失大，污染环境的问题；采用化学改性容易污染环境，危害人体健康；采用生物酶改性可能存在水解产物产量低、亲水改性效果差的问题。
[技术方案]
为了解决上述至少一个问题，本发明采用来自特异腐质霉(Humicola insolens)的角质酶对涤纶织物进行表面改性处理，使得涤纶织物的亲水性得到了极大的改善。
本发明的第一个目的是提供一种基于Humicola insolens角质酶对涤纶进行改性的方法，包括如下步骤：
将经过精炼处理的涤纶织物放入Humicola insolens角质酶溶液中，在45～65℃下反应 48～72h，洗涤，干燥，得到亲水改性的涤纶织物。
在本发明的一种实施方式中，所述的Humicola insolens角质酶溶液包括Humicola insolens 角质酶、Tris-HCl缓冲液、非离子表面活性剂；其中Humicolainsolens角质酶的浓度为20 ～120U/mL，非离子表面活性剂的浓度为0.5～2g/L。
在本发明的一种实施方式中，所述的非离子表面活性剂包括Trition X-100、脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-3、AEO-7)。
在本发明的一种实施方式中，所述的Tris-HCl缓冲液的pH为8，浓度为5mmol/L，作用是保证反应液体系pH稳定在7.0～9.0。
在本发明的一种实施方式中，所述的Humicola insolens角质酶来自特异腐质霉，所述角质酶基因的核苷酸序列为SEQ ID NO.1；氨基酸序列如SEQ ID NO.2。
在本发明的一种实施方式中，所述的Humicola insolens角质酶溶液的pH为7.0～9.0。
在本发明的一种实施方式中，所述反应的浴比为1：30～50，进一步优选为1：40。
在本发明的一种实施方式中，所述的洗涤是先放入十二烷基硫酸钠溶液(质量浓度为1％) 中超声清洗30min，再放入乙醇溶液(质量浓度为20％)中超声清洗30min。
在本发明的一种实施方式中，所述的干燥是在100～105℃烘干。
在本发明的一种实施方式中，所述的精炼处理是除去织物表面浆料和杂质。
在本发明的一种实施方式中，所述的精炼处理具体是：
将涤纶织物置于皂片、碳酸钠的溶液中进行退浆煮练；清洗、干燥、恒温恒湿箱平衡，得到经过精炼处理的涤纶织物。
在本发明的一种实施方式中，所述的精炼处理中皂片的浓度为4～6g/L，碳酸钠的浓度为 3～5g/L；进一步优选为：皂片的浓度为5g/L，碳酸钠的浓度为4g/L。
在本发明的一种实施方式中，所述的精炼处理中退浆煮练的条件为：95～100℃处理25～35 min，浴比1：20～40；进一步优选为：98℃处理30min，浴比1：30。
在本发明的一种实施方式中，所述的精炼处理中清洗是采用水清洗，干燥是在105℃烘箱中烘干；恒温恒湿箱的条件是：21±1℃，65±2％；平衡时间不少于24h。
本发明的第二个目的是本发明所述的方法制备得到的亲水改性的涤纶织物。
本发明的第三个目的是本发明所述的方法在纺织领域的应用。
本发明的第四个目的是提供一种纺织品，是采用本发明的所述的亲水改性的涤纶织物制备得到。
在本发明的一种实施方式中，所述的纺织品包括家用纺织品、工业用纺织品。
[有益效果]
(1)本发明的采用的Humicola insolens角质酶能够催化涤纶表面酯键水解产生亲水性基团—羟基和羧基，同时伴有水解产物的生成，主要水解产物为对苯二甲酸(TPA)和单(对苯二甲酸-2-羟基乙酯)(MHET)，使涤纶在保持自身优势性能不变的基础上达到亲水化改性的效果。
(2)本发明采用的非离子表面活性剂同时含有亲水基团和疏水基团，其分子中的疏水基团和表面疏水的涤纶纤维结合，使得分子中的亲水基团伸向纤维外面，有利于酶分子更好的吸附在纤维表面，从而提高角质酶对涤纶织物的催化效率。
(3)本发明的采用的Humicola insolens角质酶作用温和，具有高选择性和高特异性，能加快反应的进行；而且酶催化反应无污染，反应条件温和、安全性高且酶能循环利用。
(4)本发明得到的亲水改性的涤纶织物TPA及其衍生物的释放量达到154.2mg/L以上，高达285.7mg/L，接触角下降百分比在7.6％以上，高达12.39％。
附图说明
图1为实施例1中反应残夜进行高效液相色谱。
图2为实施例1中角质酶处理前后涤纶织物的扫描电镜图片，其中(a)为未处理涤纶织物；(b)为酶处理涤纶织物。
图3为实施例1中涤纶织物处理前后的ATR-FTIR光谱图。
图4为实施例1中涤纶织物处理前后的接触角的变化；其中(a)为未处理涤纶织物；(b) 为酶处理涤纶织物。
图5为实施例1中涤纶织物处理前后经过染色的K/S值。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。实施例和对照例采用的织物为原料为100％涤纶长丝平纹织物，经纬纱线密度均为2.22tex，经纬密分别为880、680根/(10cm)，面密度为56g/m2。
测试方法：
1、织物水接触角测试方法：
将涤纶织物放入恒温恒湿箱(21±1℃，65±2％)中平衡至少24h，采用DSA 25接触角测量仪进行测试，将布边裁剪整齐，用双面胶贴在载玻片上，在距离布面10mm处滴下水液滴(10μL)，通过仪器分析软件观察其接触角并拍照留存。每个试样测试5个不同位置，结果取平均值。
2、水解产物定量分析测试：
将角质酶处理后的反应残液在沸水中保温30min使酶失活，然后离心反应残液，取上清液，以相同条件下不加涤纶织物的角质酶处理液为参比，采用TU-1900型双光束紫外可见分光光度计，测定240nm波长下反应残液的吸光度，每组样品测试三次。
3、水解产物定性分析测试：
采用Agilent Technologies 1200Series高效液相色谱仪在240nm波长下分析测试鉴定水解产物的种类。
4、表面形貌观察：
将涤纶织物表面镀金后，使用SU1510型扫描电子显微镜观察涤纶纤维表面形貌的变化。电镜加速电压为5.0kV，放大倍数为10000倍。
5、涤纶织物表层化学结构表征：
使用Nicolet is 10型傅里叶变换红外光谱仪对涤纶织物表面进行全反射红外光谱测试，扫描范围为4000cm-1～500cm-1，扫描次数为32次。
Humicola insolens角质酶的来源：
Humicola insolens角质酶的制备方法来源于专利CN 108753671A，核苷酸序列和氨基酸序列如表1：Humicola insolens角质酶是以粗酶液的形式加入反应体系的。
表1 Humicola insolens角质酶的核苷酸序列和氨基酸序列
Figure RE-GDA0003147312210000051
实施例1
一种基于Humicola insolens角质酶对涤纶进行改性的方法，包括如下步骤：
(1)涤纶织物的精炼织物
将涤纶织物置于5g/L皂片、4g/L碳酸钠的溶液中，在98℃处理30min进行退浆煮练(浴比1:30)；然后用水清洗，放入105℃烘箱中烘干；最后将涤纶织物置于恒温恒湿箱 (21±1℃，65±2％)中平衡至少24h，得到精炼处理的涤纶织物，备用；
(2)改性处理：
将经过精炼处理的涤纶织物裁成圆片，每片重0.4g，按照1：40的浴比放入Humicola insolens角质酶溶液中，在pH 8.5、60℃下反应72h，反应结束之后先用质量分数为1％的SDS 溶液超声波清洗30min，再用质量分数为20％的乙醇溶液超声波清洗30min，再放入105℃的烘箱中烘干，最后将烘干后的涤纶织物置于恒温恒湿箱(21±1℃，65±2％)中平衡至少24 h，得到亲水改性的涤纶织物；其中Humicola insolens角质酶溶液包括Humicola insolens角质酶、Tris-HCl缓冲液、Trition X-100；其中Humicola insolens角质酶的浓度为100U/mL，非离子表面活性剂的浓度为1g/L，Tris-HCl缓冲液的pH为8.5，浓度为5mmol/L。
将反应残夜进行高效液相色谱分析，具体如图1所示，从图1可以看出：对苯二甲酸TPA 和单(对苯二甲酸-2-羟基乙酯)MHET的出峰时间分别为27.21min和30.08min，可见，用H.insolens角质酶对涤纶织物进行酶处理可明显看到TPA和MHET的释放，而未检测到二(对苯二甲酸-2-羟基乙酯)BHET。
图2为角质酶处理前后涤纶织物的扫描电镜图片，其中(a)为未处理涤纶织物；(b)为酶处理涤纶织物。从图2可以看出：未处理涤纶织物的纤维表面十分光滑，经角质酶处理后的纤维表面出现不同程度的刻蚀现象，纤维表面变得粗糙；此外，酶对涤纶纤维的水解作用仅限于表面一层，不会损坏纤维自身的性能。
图3为涤纶织物处理前后的ATR-FTIR光谱图。从图3可以看出：角质酶处理前后涤纶织物的红外光谱没有明显变化，说明角质酶处理不会改变涤纶织物的化学成分。其中，在1710-1750cm-1处是酯键中C＝O的伸缩振动峰，在1210-1320cm-1处是酯键中C-O键的伸缩振动峰。在1712cm-1和1242cm-1处，角质酶处理涤纶织物的C＝O和C-O特征峰的强度降低，说明角质酶催化涤纶纤维水解导致其表面酯键断裂，使得酯键中羰基C＝O和C-O键的减少。
图4为涤纶织物处理前后的接触角的变化；其中(a)为未处理涤纶织物；(b)为酶处理涤纶织物。从图4可以看出：经角质酶处理后，涤纶织物的接触角由93.4°降至83.1°，降低了12.39％，实现了织物由疏水特性向亲水特性的转化。
对亲水改性的涤纶织物和未处理的涤纶织物进行染色，亚甲基蓝是一种碱性染料，它可以吸附在涤纶织物表面的-COO—基团上，因此可以用来检测表面-COOH基团数量的变化。染色工艺为：亚甲基蓝染料的浓度为0.5％owf，浴比为1:100，在恒温摇床震荡箱(150rpm， 60℃)中染色2h；染色后的样品用水冲洗，在室温下干燥；得到染色后的改性涤纶织物和染色后未改性涤纶织物。
采用Datacolor测配色仪，利用Datacolor TOOLS Plus软件对织物的染色性能进行测试。样品的三色值X、Y和Z在可见区域内用10°标准观测仪在光源D65下测量，波长范围为 360-700nm，利用最大吸收波长(λmax)处的反射率来计算织物的K/S值。
测试发现：经亚甲基蓝染色后，染色后的改性涤纶织物的K/S值在550-650nm波长下显著增加(图5)，表明纤维表面的-COO—基团数量增多，说明角质酶水解了织物表面的酯键，使涤纶织物的亲水性能得到改善。
实施例2
调整实施例1步骤(2)的反应时间为6、24、48、72、96、120h，省略Trition X-100的加入，其他和实施例1保持一致，得到亲水改性的涤纶织物。
将得到的亲水改性的涤纶织物进行性能测试，测试结果如下：
表2 实施例2的测试结果
Figure RE-GDA0003147312210000071
从表2可以看出：反应初期，随着时间的延长，反应残液中生成的TPA及其衍生物的量迅速增加。已有研究报道采用来自毕赤酵母的脂肪酶处理涤纶织物，产物生成量在7h达到饱和为12.5mg/L(GAO Aiqin.Hydrophilic modification of polyester fabric bysynergetic effect of biological enzymolysis and non-ionic surfactant,andapplications in cleaner production[J].Journal of Cleaner Production,2017(164):277-287.)，而采用角质酶处理涤纶织物在6h时的产物生成量已达17.2mg/L，反应时间超过72h后，继续延长反应时间，水解产物的生成量变化趋于平缓，此时产物的生成量高达119.6mg/L，可见，H.insolens角质酶可作用在涤纶织物表面，有效催化纤维表面酯键的水解。
实施例3
调整实施例1步骤(2)的反应pH为7.5、8、8.5、9，反应时间为48h，省略Trition X-100 的加入，其他和实施例1保持一致，得到亲水改性的涤纶织物。
将得到的亲水改性的涤纶织物进行性能测试，测试结果如下：
表3 实施例3的测试结果
Figure RE-GDA0003147312210000072
从表3可以看出：随着反应液pH值的增大，反应残液中生成的产物的量呈现先增加后降低的趋势。当pH值为8.5时，反应残液中产物的生成量达到最大值。反应体系的pH值会影响酶活性中心基团的解离程度，同时还会影响酶分子与底物的结合和催化，因此酶的催化活力会随着反应体系pH值的变化而变化。当反应体系处在酶的最适pH值时，酶的活性中心才最适宜与底物结合，偏离了最适酶pH后，角质酶的催化水解能力逐渐降低。
实施例4
调整实施例1步骤(2)的反应温度为45、50、55、60、65℃，反应时间为48h，省略Trition X-100的加入，其他和实施例1保持一致，得到亲水改性的涤纶织物。
将得到的亲水改性的涤纶织物进行性能测试，测试结果如下：
表4 实施例4的测试结果
Figure RE-GDA0003147312210000081
从表4可以看出：随着反应体系温度的逐渐升高，反应产物的释放量先增加后降低，在 60℃时出现TPA及其衍生物的最大释放量。这是因为温度对酶的活性有双向影响。升高温度可以使酶的活力增大，直至升到酶的最适温度，此时酶具有最高催化活力；当反应温度高于最适温度时，会造成酶活力下降，若温度过高还会使酶蛋白部分或全部变性，使酶活性丧失。
实施例5
调整实施例1步骤(2)的Humicola insolens角质酶的用量为20、40、60、80、100、120U/mL，反应时间为48h，省略Trition X-100的加入，其他和实施例1保持一致，得到亲水改性的涤纶织物。
将得到的亲水改性的涤纶织物进行性能测试，测试结果如下：
表5 实施例5的测试结果
Figure RE-GDA0003147312210000082
从表5可以看出：随着角质酶用量的增加，酶催化涤纶织物水解生成TPA及其衍生物的量也增加。当角质酶用量大于100U/mL后，催化效率开始下降，生成的TPA及其衍生物的量也开始降低。
对照例1
省略实施例1中的Trition X-100，其他和实施例1保持一致，得到亲水改性的涤纶织物。
对照例2
省略实施例1中的Humicola insolens角质酶，其他和实施例1保持一致，得到亲水改性的涤纶织物。
将实施例1和对照例1、2得到的亲水改性的涤纶织物进行性能测试，测试结果如下：
表6 实施例1和对照例1、2得到的亲水改性的涤纶织物的测试结果
Figure RE-GDA0003147312210000091
从表6可以看出：单独的Trition X-100和Humicola insolens角质酶对于对苯二甲酸TPA 及其衍生物释放量影响不大，将两者结合之后可以显著的提高对苯二甲酸TPA及其衍生物释放量，说明两者之间有协同效果。
对照例3
省略实施例1中的精炼处理的步骤，其他和实施例1保持一致，得到亲水改性的涤纶织物。
将实施例1、对照例1、2、3得到的亲水改性的涤纶织物进行性能测试，测试结果如下：
表7 实施例1和对照例1、2、3的测试结果
Figure RE-GDA0003147312210000092
注：涤纶织物处理前的接触角为93.4°。
对照例4
根据文献(MARIA Kanelli,SOZON Vasilakos.Surface modification of poly(ethylene terephthalate)(PET)fibers by acutinase from Fusarium oxysporum[J].Process Biochemistry,2015: 1359-5113.)记载得到的亲水改性的涤纶织物，其中采用的酶为重组尖孢镰刀菌角质酶，其 TPA及其衍生物的最大释放量为35μM。
实施例1中得到的亲水改性的涤纶织物TPA和MHET的释放量分别为133mg/L和140.72mg/L，根据相对分子质量换算可以得到总的释放量为1354.05μM。可见，实施例1采用的角质酶是非常关键的。
对照例5
参考文献(GAO Aiqin.Hydrophilic modification of polyester fabric bysynergetic effect of biological enzymolysis and non-ionic surfactant,andapplications in cleaner production[J].Journal of Cleaner Production,2017(164):277-287.)的方法进行制备。
经过测试，TPA及其衍生物释放量在7h达到饱和为12.5mg/L。
实施例6
调整实施例1中Trition X-100为脂肪酸聚氧乙烯醚(AEO-3)，其他和实施例1保持一致，得到亲水改性的涤纶织物。
实施例7
调整实施例1中Trition X-100为脂肪酸聚氧乙烯醚(AEO-7)，其他和实施例1保持一致，得到亲水改性的涤纶织物。
将实施例6、7得到的亲水改性的涤纶织物进行性能测试，测试结果如下：
表8 对照例6、7的测试结果
Figure RE-GDA0003147312210000101
注：涤纶织物处理前的接触角为93.4°。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种基于Humicola insolens角质酶对涤纶进行改性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
将经过精炼处理的涤纶织物放入Humicola insolens角质酶溶液中，在45～65℃下反应48～72h，洗涤，干燥，得到亲水改性的涤纶织物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的Humicola insolens角质酶溶液包括Humicola insolens角质酶、Tris-HCl缓冲液、非离子表面活性剂；其中Humicolainsolens角质酶的浓度为20～120U/mL，非离子表面活性剂的浓度为0.5～2g/L。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的非离子表面活性剂包括TritionX-100、脂肪醇聚氧乙烯醚，所述的脂肪醇聚氧乙烯醚包括AEO-3、AEO-7。
4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，所述的Humicola insolens角质酶溶液的pH为7.0～9.0。
5.根据权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述的精炼处理具体是：
将涤纶织物置于皂片、碳酸钠的溶液中进行退浆煮练；清洗、干燥、恒温恒湿箱平衡，得到经过精炼处理的涤纶织物。
6.根据权利要求1～5任一项所述的方法，其特征在于，所述的Humicola insolens角质酶来自特异腐质霉，所述角质酶基因的核苷酸序列为SEQ ID NO.1；氨基酸序列如SEQ IDNO.2。
7.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于，所述反应的浴比为1：30～50。
8.权利要求1～7任一项所述的方法制备得到的亲水改性的涤纶织物。
9.权利要求8所述的亲水改性的涤纶织物在纺织领域的应用。
10.一种纺织品，其特征在于，是采用权利要求8的所述的亲水改性的涤纶织物制备得到。
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