周步光， 王 平， 王 強(qiáng)， 范雪榮， 袁久剛

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實驗室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122)

由于淀粉分子結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，使得淀粉漿料對疏水性纖維的黏附力不足[1]、成膜性差，為改善淀粉漿料對經(jīng)紗的上漿性能，需要對淀粉進(jìn)行接枝改性。黃麻纖維存在剛度大、刺癢、易成褶、染色深度不高、染鮮艷色難等缺點(diǎn)，并且植物纖維與非極性、疏水性樹脂間的界面黏結(jié)性差，使其應(yīng)用受到很大限制[2]，因此，需要對黃麻纖維進(jìn)行親疏水改性處理。蠶絲織物經(jīng)脫膠或溶解提取的絲蛋白中含有一定量的酪氨酸[3]，其中的酚羥基有較高的反應(yīng)性，可發(fā)生自交聯(lián)或與外源功能性化合物進(jìn)行接枝，改善絲蛋白材料的應(yīng)用特性。目前，淀粉接枝[4-5]、黃麻改性[6-7]、絲蛋白功能化[8-10]主要采用物理和化學(xué)方法。物理法對設(shè)備投資大、處理要求高，化學(xué)法存在環(huán)境污染、對纖維損傷大等問題，因此，選用綠色環(huán)保的酶法改性[11]成為近年來紡織領(lǐng)域探究的重要課題。

辣根過氧化物酶(HRP)是一種植物過氧化物酶，從常年生香草辣根中提取，含量豐富，是商品化較早、應(yīng)用廣泛的一種酶制劑[12-13]。辣根過氧化物酶性質(zhì)較穩(wěn)定，具有高活性、高穩(wěn)定性、低分子質(zhì)量和存儲方便等優(yōu)點(diǎn)，在生物傳感器[14]、有機(jī)合成[15-16]、環(huán)境廢水處理[17]、食品工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

近年來，研究人員以HRP、過氧化氫(H2O2)和β-二酮類引發(fā)劑構(gòu)建三元催化體系，開展了酶促纖維整理、絲蛋白基生物材料制備等相關(guān)研究[18]。本文介紹了HRP酶三元催化體系的氧化機(jī)制，并綜述了其在淀粉漿料改性、麻纖維功能化及復(fù)合材料制備、絲素及絲膠分子修飾及其生物材料制備等方面的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 HRP的催化氧化機(jī)制

HRP是由辣根根部中多個同工酶組成的糖蛋白復(fù)合酶，其中辣根過氧化物酶同工酶C(HRP-C)是HRP酶的主要活性成分，且含量最大。HRP分子結(jié)構(gòu)中含有2種不同類型的金屬中心(高鐵原卟啉環(huán)和2個鈣原子)，高鐵原卟啉環(huán)決定了HRP-C的催化效能，而鈣原子則影響著酶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，鈣原子的缺失會降低HRP-C的活性和熱穩(wěn)定性[19]。

HRP有很強(qiáng)的催化活性，在以H2O2為氧化劑，β-二酮為引發(fā)劑的體系中，可催化乙烯類、苯胺類、酚類單體及其衍生物聚合，生成具有特殊結(jié)構(gòu)的聚合物[20-21]。不同β-二酮對HRP催化中乙烯類單體的聚合物產(chǎn)率和分子質(zhì)量有影響，其中乙酰丙酮(ACAC)的引發(fā)效果最好，可形成有效酶氧化還原催化體系，產(chǎn)生活性自由基，引發(fā)上述單體及其衍生物之間發(fā)生聚合反應(yīng)。

圖1示出HRP/H2O2/ACAC催化機(jī)制。該三元體系的催化過程是一個循環(huán)的氧化還原反應(yīng)過程，主要分為3個步驟：首先，HRP與H2O2發(fā)生雙電子氧化反應(yīng)，即Fe(Ⅲ)和卟啉環(huán)各失去1個電子，HRP失去2個電子生成高價態(tài)的中間體 HRP-I；其次，HRP-I與還原底物ACAC(如麻纖維、絲蛋白等)發(fā)生單電子氧化還原反應(yīng)，生成ACAC活性自由基和部分氧化中間體HRP-Ⅱ；最后，HRP-II會被ACAC進(jìn)一步還原到初始價態(tài)，并再次產(chǎn)生ACAC活性自由基。在上述整個催化體系循環(huán)過程中，生成的ACAC自由基可引發(fā)單體間的聚合反應(yīng)，從而實現(xiàn)催化可產(chǎn)生自由基的底物材料與乙烯基單體接枝共聚，改善材料的應(yīng)用性能[22-23]。

圖1 HRP/ACAC/H2O2催化機(jī)制Fig.1 Catalytic mechanism of HRP/H2O2/ACAC

2 HRP催化淀粉改性及其應(yīng)用性能

淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉構(gòu)成，分子含大量羥基，漿液黏度高，流動性差，對疏水性纖維黏附性能較差。為改善淀粉漿料的性能，需要對淀粉進(jìn)行改性，常用方法有物理改性(如預(yù)糊化)、化學(xué)改性(如酯化)、酶法改性(如接枝共聚等)和復(fù)合改性(如交聯(lián)-酯化)[24]。HRP三元體系也可催化淀粉進(jìn)行生物法改性加工，通過引發(fā)淀粉分子鏈的葡萄糖單元產(chǎn)生活性自由基，與性能優(yōu)良的單體接枝共聚，達(dá)到改善淀粉物理和化學(xué)性質(zhì)的目的。圖2 示出HRP催化淀粉接枝丙烯酸甲酯反應(yīng)示意圖。可以看出，HRP催化淀粉分子上的羥基生成活性自由基，與丙烯酸甲酯(MA)接枝共聚，通過引入柔性聚合物支鏈聚丙烯酸甲酯(PMA)，可改善淀粉漿膜的脆性，提升淀粉漿膜的力學(xué)性能和對疏水性纖維的黏附性[25]。

圖2 HRP催化淀粉接枝丙烯酸甲酯反應(yīng)示意圖Fig.2 Schematic illustration of grafting reaction of MA onto starch catalyzed by HRP

Wang等[25]以HRP催化淀粉接枝MA反應(yīng)后，以丙酮抽提去除其中的均聚物PMA，得到改性淀粉；改性淀粉的紅外圖譜上有羰基特征吸收峰出現(xiàn)，表明酶催化糊化淀粉與MA發(fā)生了接枝共聚反應(yīng)，借助1H核磁共振譜和13C核磁共振譜測試分析，驗證了MA成功接枝到淀粉分子上，且淀粉中葡萄糖單元的C6伯羥基為主要的接枝位點(diǎn)。采用粗紗浸漿法，測試HRP催化淀粉接枝改性前后漿液的黏附性和漿膜的力學(xué)性能，結(jié)果表明，HRP法催化接枝改性后的淀粉漿液對滌綸/棉粗紗的黏附性明顯提高，且接枝率越高，黏附性能越好；隨著接枝率增加，漿膜的斷裂伸長率越大，表明漿膜的力學(xué)性能得到改善[26]。

3 HRP催化黃麻改性及復(fù)合材料制備

麻纖維中木質(zhì)素含量較高，其基本結(jié)構(gòu)單元為含酚羥基的愈創(chuàng)木基和紫丁香基[27]。HRP/H2O2/ACAC三元體系可催化氧化麻纖維，促進(jìn)麻纖維中木質(zhì)素的酚羥基形成酚氧自由基，也可催化乙烯基單體形成乙烯基自由基，這為麻纖維基材料改性提供了新方法，因此，麻纖維不僅可通過脫膠和練漂等工序加工成印染制品；未經(jīng)脫膠處理的麻纖維也可通過纖維上木質(zhì)素位點(diǎn)進(jìn)行酶法接枝改性，加工成不同復(fù)合材料(包括黃麻纖維與熱塑性樹脂復(fù)合等)，拓展了麻纖維的應(yīng)用范圍。

3.1 HRP催化黃麻纖維親水化整理

利用HRP酶可催化黃麻纖維表面的木質(zhì)素產(chǎn)生酚氧自由基的特性，實現(xiàn)黃麻與親水性單體丙烯酰胺(AM)接枝共聚，從而改善黃麻纖維的親水性能[28]。HRP催化黃麻接枝AM接枝改性反應(yīng)示意圖如圖3所示。工藝為：采用HRP酶活力為 6 U/mL，AM用量為100%(o.w.f)，ACAC體積分?jǐn)?shù)為1%，通入氮?dú)?0 min后逐滴加入H2O2，在溫度為 50 ℃、pH值為7的條件下反應(yīng)5 h。經(jīng)酶促反應(yīng)后，通過水洗去除可能附著在麻纖維表面的自聚物聚丙烯酰胺(PAM)，再測試織物的潤濕時間、靜態(tài)接觸角和平衡回潮率。Liu等[28]研究表明，接枝樣表面滴水潤濕時間和靜態(tài)接觸角明顯比對照樣的滴水潤濕時間短、接觸角小。與對照樣的平衡回潮率相比，接枝樣的平衡回潮率較大，說明在HRP/H2O2/ACAC的催化作用下，黃麻織物表面接枝上了AM，引入了親水基團(tuán)—CONH2，使黃麻織物親水性能有所提高。接枝改性黃麻織物紅外譜圖中出現(xiàn)酰胺基團(tuán)特征吸收峰，掃描電鏡照片中黃麻纖維表面更粗糙，有絮狀物質(zhì)的存在，也驗證了HRP催化黃麻與AM發(fā)生了接枝共聚反應(yīng)。

圖3 HRP催化黃麻纖維中木質(zhì)素與丙烯酰胺接枝共聚反應(yīng)示意圖Fig.3 Schematic illustration of HRP-catalyzed graft copolymerization of AM onto lignin of jute fabrics

3.2 HRP催化黃麻纖維疏水化整理

利用HRP酶催化黃麻表面的木質(zhì)素產(chǎn)生酚氧自由基，將疏水性乙烯基單體(如丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸六氟丁酯)接枝到黃麻纖維表面，可實現(xiàn)麻織物疏水化整理[29]。圖4示出HRP催化疏水性乙烯基單體和黃麻接枝共聚反應(yīng)式。ACAC在HRP/H2O2體系中形成自由基，電子轉(zhuǎn)移至單體的乙烯基以及木質(zhì)素的酚羥基后，通過自由基反應(yīng)使木質(zhì)素與疏水性單體發(fā)生接枝聚合。

圖4 HRP催化疏水性乙烯基單體和黃麻接枝共聚Fig.4 HRP-catalyzed graft copolymerization of hydrophobic vinyl monomers onto jute.(a) Generation of free radicals from vinyl monomers; (b) Generation of free radicals from lignin in jute; (c) Graft copolymerization of vinyl monomers onto jute

Wu等[29]選擇甲基丙烯酸六氟丁酯(HFBMA)作為高疏水性單體，HFBMA經(jīng)乳化后，以HRP/H2O2/ACAC催化其在黃麻纖維表面接枝共聚，反應(yīng)后以丙酮抽提去除黃麻織物表面附著的HFBMA自聚物，得到疏水化改性黃麻。吳慧敏[30]采用X射線光電子能譜儀測定未處理樣和疏水化改性黃麻纖維表面的C、O、N和F元素含量發(fā)現(xiàn)，C與O的量比從1.551增加到1.938，氟元素含量從0.12%增加到29.41%，驗證了HFBMA及其聚合物在黃麻表面發(fā)生接枝共聚；測定HRP催化接枝后黃麻織物的靜態(tài)接觸角和潤濕時間發(fā)現(xiàn)，織物表面接觸角較大，潤濕時間也較長，表明接枝后的黃麻織物具有較高的疏水性，驗證了三元體系可用于黃麻纖維疏水化改性加工。

3.3 HRP催化黃麻纖維基復(fù)合材料制備

天然纖維基增強(qiáng)復(fù)合材料具有生態(tài)環(huán)保的特性，其中麻纖維因具有產(chǎn)量大、模量高的特點(diǎn)，使其在增強(qiáng)復(fù)合材料制備方面具有很大的應(yīng)用前景。但由于麻纖維中含有大量羥基，使得其與非極性樹脂之間的界面黏結(jié)性較差，影響纖維基復(fù)合材料的應(yīng)用性能。劉銳銳等[31]選用HRP/H2O2/ACAC三元體系，通過催化黃麻纖維接枝3種沒食子酸酯(沒食子酸辛酯、沒食子酸月桂酯和沒食子酸十八酯)，并與聚丙烯(PP)進(jìn)行復(fù)合，制備了黃麻/聚丙烯基復(fù)合材料并測定其拉伸性能。結(jié)果表明，未改性黃麻/PP復(fù)合材料拉伸強(qiáng)力和拉伸模量最低，接枝沒食子酸酯黃麻/PP復(fù)合材料的拉伸模量、拉伸強(qiáng)力明顯提高，說明黃麻表面疏水性能有效提高了黃麻/PP復(fù)合材料的拉伸性能。這是因為黃麻通過接枝改性，在其結(jié)構(gòu)中引入了沒食子酸酯單體的疏水長碳鏈，其與疏水聚丙烯分子之間產(chǎn)生強(qiáng)作用力，提高了黃麻纖維與樹脂間的界面相容性，從而使黃麻/PP復(fù)合材料力學(xué)性能提高[31]。

4 HRP催化蠶絲改性及再生材料制備

與多酚氧化酶類似，HRP三元體系也可催化氧化絲蛋白(桑蠶絲、絲膠或絲素)中酪氨酸?；?，使酪氨酸?；泻恿u基的苯環(huán)上產(chǎn)生自由基，引發(fā)絲蛋白分子自交聯(lián)或與外源乙烯基功能性單體接枝聚合，實現(xiàn)絲蛋白材料的生物法功能化。

4.1 HRP催化絲素蛋白分子自交聯(lián)

Zhou等[32]探究了HRP/H2O2體系催化氧化絲素蛋白的反應(yīng)機(jī)制。首先，選擇對羥基苯乙酰胺(PHAD)為酪氨酸的模型物，借助核磁、質(zhì)譜等測試手段驗證了PHAD可被催化氧化，引發(fā)聚合形成二聚體、三聚體和四聚體等。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合凝膠滲透色譜凝膠柱檢測絲素蛋白分子質(zhì)量的變化，HRP/H2O2處理后樣品的出峰時間較未處理試樣提前，驗證了絲素蛋白分子間發(fā)生交聯(lián)。HRP催化絲素蛋白分子交聯(lián)的反應(yīng)途徑如圖5所示。絲素中酪氨酸的酚羥基被氧化產(chǎn)生自由基，隨后引發(fā)絲素蛋白中酪氨酸殘基之間的酶促聚合。Zhou等[32]考察了HRP/H2O2處理后絲素凍干膜在熱水中的溶失率。結(jié)果表明，絲素膜空白樣于37 ℃振蕩處理1 h后幾乎全部溶解，HRP/H2O2處理絲素膜溶失率低于60%，驗證了絲素分子質(zhì)量增加，膜材料的溶失率隨之降低。

圖5 HRP催化絲素蛋白分子間交聯(lián)Fig.5 Intermolecular cross-linking of silk fibroins initiated by HRP

4.2 HRP催化絲素接枝丙烯酶及其仿生礦化

HRP三元體系可催化絲素蛋白中酚羥基與丙烯酸等乙烯基單體接枝共聚，制備絲素基生物材料。Zhou等[33]以絲素蛋白為對象，借助HRP催化丙烯酸(AA)在絲素表面接枝共聚，反應(yīng)后將產(chǎn)物凍干并醇化處理，以蒸餾水洗滌去除丙烯酸自聚體(PAA)后，得到接枝有聚丙烯酸的絲素基復(fù)合膜材料(SF-g-PAA)，其反應(yīng)示意圖如圖6所示。SF-g-PAA 中負(fù)電性的羧基對鈣離子有較強(qiáng)吸附和螯合作用，有利于仿生礦化中結(jié)合鈣離子，促進(jìn)磷酸鈣鹽的沉積和羥基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2，簡稱HAp)的形成，為基于骨組織誘導(dǎo)的絲素基仿生礦化材料的構(gòu)建提供了新方法。

圖6 HRP催化絲素與丙烯酸接枝共聚形成SF-g-PAA示意圖Fig.6 Schematic illustration of SF-g-PAA produced by HRP-catalyzed graft copolymerization of AA onto silk fibroins

Zhou等[33]借助傅里葉變換衰減全反射光譜分析交替礦化后SF-g-PAA膜材料的結(jié)構(gòu)，考察HAp晶體在材料表面的生長情況；SF-g-PAA在5個礦化周期后，就檢測到PO43-的反對稱伸縮振動特征譜帶；交替浸漬礦化達(dá)到10個周期，HAp在SF-g-PAA表面的峰強(qiáng)度顯著高于絲素膜礦化樣，表明絲素與AA接枝共聚有利于HAp的礦化生成；借助X射線衍射儀對不同礦化周期下SF-g-PAA/HAp復(fù)合材料進(jìn)行分析，經(jīng)交替礦化20個周期后，試樣的無定形結(jié)構(gòu)非晶峰包幾乎消失，成骨細(xì)胞MG-63在該復(fù)合材料表面具有良好的黏附和生長效果[33]。由此可見，采用HRP催化絲素蛋白接枝AA，有利于后續(xù)仿生礦化中HAp的成核和結(jié)晶，拓展了絲素蛋白作為醫(yī)用生物材料的應(yīng)用前景。

4.3 HRP催化絲膠接枝MMA及其成形性

絲膠多來自于桑蠶絲脫膠，傳統(tǒng)意義上由于其水溶性較高，因此，多作為廢棄物排放到印染廢水中。隨著人們對絲膠結(jié)構(gòu)、性能、生物活性及功能(抗菌、抗氧化等)認(rèn)識的逐步深入發(fā)現(xiàn)，絲膠在日化及生物材料領(lǐng)域有潛在用途。以絲膠制作生物材料，存在成形性較差的缺陷，采用HRP三元體對酶促絲膠蛋白交聯(lián)、絲膠與疏水性單體甲基丙烯酸甲酯(MMA)接枝共聚進(jìn)行相關(guān)研究。He等[34]研究表明，與未處理絲膠相比，HRP處理后絲膠分子質(zhì)量增加，制備的絲膠/聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合材料(SS-g-PMMA)不僅水溶性較低，成形性改善，且NIH/3T3細(xì)胞在樣品中的存活率較高，表明改性絲膠膜有良好生物相容性。

5 結(jié)束語

辣根過氧化物酶具有高效、專一和反應(yīng)條件溫和的催化特性，HRP/H2O2及HRP/H2O2/ACAC三元催化體系在紡織漿料、麻纖維改性、桑蠶絲功能化、絲素和絲膠蛋白分子改造與再生生物材料制備等領(lǐng)域均具有廣泛的用途。HRP酶法不僅反應(yīng)效率較高，且反應(yīng)條件溫和，對環(huán)境影響較小，為纖維整理和生物材料的制備提供了的新途徑。