包 紅， 徐 水， 張小寧， 成國濤， 朱 勇

(1. 西南大學 家蠶基因組生物學國家重點實驗室， 重慶 400715； 2. 西南大學 生物技術學院， 重慶 400715)

絲素蛋白是蠶絲的主要成分，富含18種氨基酸，因其具有良好的物理特性和生物降解性，被廣泛應用于化妝品、食品、服裝和生物醫(yī)學領域[1]。羊毛纖維表面從根部向梢部附著有鱗片，使羊毛制品具有氈縮性。在潮濕環(huán)境下，羊毛纖維大量吸水，纖維表面鱗片層因吸水而打開，且在外力作用下鱗片層產(chǎn)生定向摩擦效應，并始終向根部移動。當這種機械作用消失，羊毛表面的鱗片則產(chǎn)生高低互補，使纖維相互交錯，糾纏在一起，無法滑動，從而發(fā)生氈縮，即無法恢復到原有狀態(tài)[2]。

羊毛織物由于其保暖性好、時尚感強而廣受人們青睞；但羊毛表層的鱗片層結構使其制品有刺癢感、不易上色且難護理，為此，各種對羊毛表面鱗片層處理的方法應運而生。其中：化學降解法是通過化學處理的方法達到羊毛表面鱗片軟化或者脫落的目的；傳統(tǒng)方法為氯化-赫克塞特法，此方法在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生有機鹵素(AOX)，AOX不僅會對環(huán)境造成污染，而且會危害動植物的健康[3]。絲素蛋白整理劑由于其具有良好的舒適性、生物相容性、可降解且無毒[4]，成為近年來興起的一種生物整理劑。吳惠英等[5]利用不同濃度的絲素溶液對羊毛織物進行改性發(fā)現(xiàn),經(jīng)過絲素蛋白溶液整理的羊毛織物其吸濕性能得到改善且?guī)в卸喾N人體所需氨基酸，穿著舒適，尺寸穩(wěn)定性好。李守振等[6]研究了絲素蛋白對羊毛織物透氣性、折皺回復性等性能的影響，結果表明羊毛織物的紡氈縮性能得到優(yōu)化。但均未對改性后羊毛纖維的性狀進行表征。李靜[7]將精胺運用到家蠶絲素蛋白的陽離子化中，成功制備了陽離子化家蠶絲素蛋白溶液，但由于在制備過程中用到了促酰胺化物質(zhì)N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)和嗎啉乙磺酸(MES)，使實驗成本升高，且MES在實驗過程中需避光，容易刺激眼睛呼吸系統(tǒng)和皮膚。

基于以上研究和不足，本文將精胺在不添加NHS的情況下，偶合于家蠶絲素蛋白的側鏈上，制備陽離子化的家蠶絲素蛋白整理劑；再將陽離子化家蠶絲素蛋白整理劑作用于羊毛纖維，探討陽離子化絲素蛋白整理劑對羊毛性狀的影響，以期為陽離子化家蠶絲素蛋白在動物毛纖維上的應用提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

羊毛，產(chǎn)自蘭州；蠶繭，重慶市西南大學纖維材料研究室；碳化二亞胺(EDC，C7H14N2，相對分子質(zhì)量為191.7)、精胺(C10H26N4，相對分子質(zhì)量為191.7)、碳酸鈉(Na2CO3，分析純)、氯化鈣(CaCl2，分析純)、乙醇(CH3COOH，分析純)，以上試劑均購自成都市科龍化工試劑廠；酸性橙Ⅱ(C16H11N2NaO4S)，天津市祥瑞染料有限公司。

JA2003 A型分析天平，上海精天電子儀器有限公司；HH-8型數(shù)顯式水浴鍋，江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司；Phs-3C+型數(shù)顯式pH計，成都方舟科技開發(fā)公司；B13-3型恒溫磁力攪拌器，上海司樂儀器有限公司；Sorvall ST 16 R型冷凍離心機，成都百樂科技有限公司；L-8800型全自動氨基酸分析儀，日本日立公司；YG0010型電子強力機，常州市第一紡織設備有限公司；JSM-6510LV型掃描電子顯微鏡，日本電子株式會社(JEOL)；MAXima_X XRD-7000型X 射線衍射儀，日本島津公司；HSC-1型差示掃描熱量儀，北京恒久科學儀器廠；Varian 640 型傅里葉紅外光譜儀，美國 Varian 公司；ZEV3600型Zeta電位分析儀，馬爾文儀器有限公司；SBC-12型離子濺射儀，北京中科科儀股份有限公司；722型分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司。

1.2 材料的制備

1.2.1 絲素溶液的制備

根據(jù)課題組前期實驗方法[8]，選取干凈繭殼，將其剪成螺旋狀備用。按Na2CO3與蠶繭質(zhì)量比為1∶40，將蠶繭在煮沸的碳酸鈉溶液中煮0.5 h后用蒸餾水反復搓洗3遍以上，直至無滑膩感，重復以上步驟，得到脫膠絲素。

室溫晾干后將脫膠絲素按浴水比為1∶10，置于80 ℃三元溶劑(CaCl2、CH3COOH、H2O的量比為1∶2∶8)中緩慢溶解。待溶解的絲素溶液降至室溫時，將其倒于透析袋中，蒸餾水透析3 d。將透析后的絲素蛋白溶液于溫度為25 ℃、轉(zhuǎn)速為8 000 r/min的離心機中離心10 min后用紗布過濾，置于4 ℃冰箱保存。

1.2.2 絲素蛋白陽離子化

在50 mL再生絲素蛋白溶液中分別加入質(zhì)量分數(shù)為0.1%、2.0%、5.0%、10%(占絲素蛋白的質(zhì)量分數(shù))的精胺溶液，精胺質(zhì)量濃度為10 mg/mL，然后用HCl調(diào)節(jié)溶液pH值在7～8范圍內(nèi)，加入0.4 g EDC，磁力攪拌12 h后倒入透析袋中，置于攪拌器上蒸餾水透析3 d，得到陽離子化的家蠶絲素蛋白溶液。

1.2.3 羊毛的改性

用浸漬法將陽離子化絲素蛋白整理到羊毛上。羊毛和陽離子化絲素蛋白溶液浴比為1∶30，在60 ℃條件下浸漬60 min，然后于50 ℃烘焙1 h后得到改性羊毛，備用。

1.3 測試與表征

1.3.1 陽離子化絲素蛋白溶液測試

1.3.1.1Zeta電位測定 取適量陽離子化前后家蠶絲素蛋白溶液于Zeta電位分析儀中進行測定，溫度為25 ℃，每個樣品測試3次，結果取平均值。

1.3.1.2氨基酸測試 參照文獻[9]方法對改性前后家蠶絲素蛋白溶液的氨基酸組成進行分析。準確量取絲素蛋白溶液2 mL倒入試管中，然后加入2 mL鹽酸，振蕩混勻后將試管口下方1/3處于酒精噴燈下拉細至4～6 mm，進行抽真空10 min處理后封管。將該試管置于110 ℃恒溫烘箱中22 h使其沙浴水解后取出，待溶液冷卻至室溫后搖勻過濾，取1 mL濾液于60 ℃恒溫水浴蒸干后加入鹽酸稀釋，最后用0.22 μm濾膜過濾后置于分析儀進行測試。

單個樣品的測試時間為53 min，其中分離柱洗脫液的流速為0.4 mL/min，柱溫為70 ℃，柱壓為9.627 MPa；反應柱茚三酮及其緩沖液的流速為0.35 mL/min，柱溫為135 ℃，柱壓為1.078 MPa。

1.3.1.3化學結構分析 將陽離子化家蠶絲素蛋白溶液于-20 ℃冰箱中預凍6 h，然后置于-80 ℃下冷凍干燥48 h再研磨成粉末，采用KBr壓片制樣，測試范圍為4 000～400 cm-1，掃描次數(shù)為32。

1.3.2 改性羊毛測試

1.3.2.1表面形貌觀察 采用SBC-12型離子濺射儀對羊毛樣品表面進行60 s噴金處理，然后置于掃描電鏡樣品艙中觀察其表面形態(tài)，測試電壓為10 kV。

1.3.2.2結晶結構測試 將羊毛剪碎后過篩，于37 ℃烘箱烘干后用X 射線衍射儀進行測試，測試管壓、管流分別為40 kV、150 mA，掃描步長為0.013(°)/s，掃描速度為5(°)/min。

1.3.2.3化學結構測試 將羊毛剪碎后過篩，KBr壓片制樣，測試范圍為4 000～400 cm-1，背景和樣品均進行32次掃描。

1.3.2.4熱性能測試 將羊毛剪碎后過篩，于37 ℃烘箱干燥3 d，然后放在HSC-1型差示掃描熱量儀上，在10 mL/min 的氮氣氛圍下，在30～600 ℃范圍內(nèi)對羊毛的熱行為進行測試，升降溫速率均為10 ℃/min。

1.3.2.5力學性能測試 根據(jù)GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定》，將羊毛纖維于溫度為20 ℃，相對濕度為65%的環(huán)境平衡24 h后用強力膠固定在測量模具上，然后置于單纖維強力儀上進行測定，預加張力為0.2 cN，上下夾距為10 mm，測試速度為10 mm/min，每個樣品重復50次，結果求平均值。

1.3.3 改性羊毛的染色性能測試

將羊毛放入酸性橙II染料用量為2%(o.w.f)的染浴中，浴比為1∶30，以2 ℃/min的升溫速率升溫至80 ℃，染色50 min后降溫至65 ℃，加入無水碳酸鈉固色20 min，水洗后于50 ℃烘干得到染色羊毛。

采取有效措施，加強PPP投資型項目管理，不僅能有效約束和規(guī)范管理人員各項活動，還有利于實現(xiàn)對資金的科學合理利用，促進項目效益提升。因此，作為管理人員，應該充分認識加強PPP投資型項目管理的重要作用，根據(jù)存在的不足采取完善措施。提高管理人員綜合技能，制定并嚴格落實各項管理制度。從而實現(xiàn)對資金科學合理利用，有效規(guī)范和約束PPP投資型項目運行，促進管理水平和PPP投資型項目效益提升。

按照1.3.2.1節(jié)方法觀察改性羊毛染色后的形態(tài)變化。采用722型分光光度計測定染色前后染液的吸光度，按下式計算羊毛的上染率：

式中：A1為不同羊毛染色后染液的吸光度；A0為染色原液的吸光度。

2 結果與討論

2.1 陽離子化絲素蛋白溶液性能分析

2.1.1 Zeta電位

Zeta電位用于表征膠體體系的穩(wěn)定性，其絕對值大小代表微粒穩(wěn)定性大小，正負代表粒子帶何種電荷[10]。圖1示出在相同pH值下，不同質(zhì)量分數(shù)精胺改性處理后家蠶絲素蛋白溶液的Zeta電位測試結果?？芍锤男约倚Q絲素蛋白溶液的Zeta電位值為-3.58 mV，隨著精胺加入量的增加，Zeta電位由負值增加為5.41 mV，表明家蠶絲素蛋白與精胺發(fā)生了反應，絲素蛋白分子鏈上正電荷基團增多，且隨著精胺質(zhì)量分數(shù)的增加，體系穩(wěn)定性增強。

圖1 不同精胺質(zhì)量分數(shù)改性家蠶絲素 蛋白溶液的Zeta電位

Fig.1 Zeta potentials silk fibroin solutions modified with different mass fractions of spermine

精胺是一類多胺物質(zhì)，含有2個—NH2和2個—NH。通過碳化二亞胺活化，絲素蛋白大分子鏈上的羧基與精胺的氨基發(fā)生反應生成酰胺鍵，精胺分子剩余1個自由的—NH2，家蠶絲素蛋白則相當于1個—COOH變成1個—NH2，從而側鏈上正電荷基團相應增多，負電荷基團則相應減少。在中性條件下，絲素蛋白側鏈上帶有相對更多的正電荷，呈現(xiàn)陽離子特性。當精胺質(zhì)量分數(shù)達到10.0%時，家蠶絲素蛋白溶液Zeta電位值接近穩(wěn)定值。這是因為絲素溶液質(zhì)量分數(shù)一定時，體系中—COOH含量是不變的，當精胺質(zhì)量分數(shù)較低時，隨著其加入量的增加，與絲素蛋白溶液發(fā)生反應的氨基越多，絲素蛋白的Zeta電位也就越高，當精胺質(zhì)量分數(shù)增加到一定值時，體系中的—COOH幾乎完全反應，所以這時再增加精胺的質(zhì)量分數(shù)，溶液的電位也基本保持不變。

2.1.2 氨基酸含量分析

表1示出絲素蛋白溶液的氨基酸組成分析結果?？梢钥闯?，陽離子化后家蠶絲素蛋白溶液中的纈氨酸、絲氨酸含量下降，說明絲素蛋白的陽離子化主要發(fā)生在這幾種氨基酸上，這是因為纈氨酸、絲氨酸側鏈含有—COOH。

表1 不同精胺質(zhì)量分數(shù)絲改性素蛋白溶液中氨基酸含量

Tab.1 Amino acid contents in silk fibroin solution modifiedwith different mass fractions of spermine

氨基酸名稱精胺質(zhì)量分數(shù)/%0.00.12.05.010.0絲氨酸14.914.614.214.814.6蘇氨酸1.21.21.21.21.3甘氨酸30.035.532.833.932.0丙氨酸29.528.731.930.632.5纈氨酸2.82.62.62.62.4亮氨酸0.60.70.60.70.6酪氨酸12.29.89.99.59.7賴氨酸0.50.60.50.60.5組氨酸0.40.50.50.50.4精氨酸0.50.50.50.50.5天冬氨酸2.22.62.22.62.1異亮氨酸0.70.80.80.80.7苯丙氨酸1.31.31.31.31.3

圖2示出不同精胺質(zhì)量分數(shù)陽離子化前后絲素蛋白溶液的紅外光譜圖。精胺中—NH2基團的波數(shù)范圍主要出現(xiàn)在3 500～3 300 cm-1區(qū)域內(nèi)[7]。

圖2 改性家蠶絲素蛋白溶液的紅外光譜圖

Fig.2 FT-IR spectra of modified silk fibroin solution

由圖2可以看出，未改性絲素蛋白紅外光譜曲線在3 086.2 cm-1處的峰處于羧基基團(3 300～2 500 cm-1)波數(shù)范圍內(nèi)[7]，而在精胺改性后的絲素蛋白紅外光譜曲線中發(fā)現(xiàn)，該處特征峰消失，說明該波數(shù)的羧基基團發(fā)生了反應；在3 277.3 cm-1處的峰發(fā)生了偏移，均移向3 396.6 cm-1處，該波數(shù)在氨基波數(shù)區(qū)域(3 500～3 300 cm-1)內(nèi)，說明有新的—NH2基團出現(xiàn)，此外，改性后的絲素蛋白均在668.3 cm-1處有新的特征峰出現(xiàn)，該峰為酰胺鍵(750～600 cm-1)的伸縮振動峰[11]。通過對比改性前后家蠶絲素蛋白的紅外圖譜發(fā)現(xiàn)，精胺被有效地偶合于絲素蛋白上，絲素蛋白溶液陽離子化成功。

2.2 改性羊毛的結構表征

2.2.1 改性羊毛的外觀變化

圖3示出處理前后羊毛纖維的掃描電鏡照片?？梢钥闯?，原羊毛電鏡照片中，羊毛鱗片暴露明顯，鱗片層較厚且邊緣突起，輪廓清晰，形狀完整呈扁形；由圖3(b)可知，改性羊毛鱗片層明顯變薄，鱗片邊緣損壞，棱角軟化，鱗片無明顯臺階，且一部分陽離子化絲素蛋白被修飾在羊毛纖維的表面，在羊毛表面形成絲素蛋白膜。這是因為陽離子化絲素蛋白中的氨基酸與羊毛角朊組成相近，浸漬過程中羊毛纖維表面及鱗片層間隙都有絲素蛋白溶液，而這些絲素蛋白溶液在羊毛烘干過程中隨著水分的蒸發(fā)而發(fā)生轉(zhuǎn)移。小部分絲素蛋白分子進入到纖維內(nèi)部，大部分絲素蛋白分子則吸附于纖維表面與羊毛纖維大分子上的氨基、羥基等基團以氫鍵、酰胺鍵結合，形成一層絲素蛋白膜包裹在羊毛纖維表面。

圖3 原羊毛、陽離子化絲素蛋白整理后羊毛的SEM照片

Fig.3 SEM images of wool (a) and cationized silk fibroin finished wool(b)

2.2.2 改性羊毛的結晶結構

據(jù)文獻[13]報道，羊毛纖維的XRD曲線在2θ為9°、20°附近有2個α螺旋和β折疊構象共同的衍射峰，而這2種構象中任何1個構象均能各自規(guī)整堆砌，形成有序的排列甚至結晶，其中β折疊則更易形成有序排列。

圖4示出羊毛的XRD圖譜?？梢钥闯觯涸蛎腦RD圖譜在2θ=22°處有衍射峰；而經(jīng)絲素蛋白溶液處理后，其衍射峰出現(xiàn)在2θ=21°處，衍射峰向左偏移。根據(jù)布拉格定律[14]，說明經(jīng)絲素蛋白處理后的羊毛纖維其晶格間距變大，這是因為改性絲素蛋白攜帶的新的化學成分、改性后羊毛氨基酸數(shù)目和類型的變化以及絲素蛋白與羊毛纖維形成的氫鍵、范德華力等因素使羊毛晶體出現(xiàn)略微膨脹。與絲素蛋白處理后的羊毛相比，經(jīng)陽離子化絲素蛋白處理后的羊毛纖維衍射峰強度增加。這可能與陽離子化絲素蛋白與羊毛氨基酸形成更多的氫鍵、酰胺鍵有關，需使用紅外光譜儀對羊毛纖維結構做進一步分析。

圖4 不同精胺質(zhì)量分數(shù)家蠶絲素 蛋白改性羊毛的XRD圖譜

Fig.4 XRD pattern of wool modified by silk fibroin protein of silkworm with different concentrations of spermine

2.2.3 改性羊毛的化學結構

圖5為羊毛的紅外光譜圖?？梢钥闯觯蛎w維分子的紅外吸收譜帶與常見蛋白質(zhì)的一致[15]。原羊毛紅外圖譜在1 048.1 cm-1處的紅外特征吸收峰，在經(jīng)陽離子絲素蛋白處理后移至1 062.5 cm-1處。紅外吸收峰的移動表明羊毛與絲素蛋白之間有物理鍵的相互作用，可能是羊毛的—NH2與陽離子化絲素蛋白的—NH2之間的氫鍵作用[16]。且用陽離子絲素蛋白整理后羊毛在1 583.5 cm-1處的N—H鍵振動峰相對強度加強，這可能是精胺的N—H鍵與羊毛纖維的N—H鍵共同作用的結果。

圖5 不同精胺質(zhì)量分數(shù)家蠶絲素蛋白 改性羊毛的紅外光譜圖

Fig.5 Infrared spectrum of wool modified by silk fibroin protein of silkworm with different concentration of spermine

2.2.4 改性羊毛的熱性能分析

圖6為羊毛的DSC曲線圖。可以看出，羊毛纖維在230 ℃附近開始分解，且分解速度逐漸變快[14]。由原羊毛和絲素蛋白整理后羊毛的DSC曲線對比可知，原羊毛在230 ℃附近吸熱峰不明顯，而用純絲素蛋白和陽離子化絲素蛋白整理后的羊毛均在230 ℃附近出現(xiàn)弱吸熱峰，這可歸因于更多酰胺鍵的降解[10]。相比于用純絲素蛋白整理后的羊毛，用陽離子化絲素蛋白整理后的羊毛其吸熱峰均移向高溫方向，這說明整理后的羊毛結構更穩(wěn)定。這可能源于陽離子化絲素蛋白與羊毛形成了更多的氫鍵、酰胺鍵，與前述實驗測試結果相同。

圖6 不同精胺質(zhì)量分數(shù)家蠶絲素 蛋白改性羊毛的DSC曲線

Fig.6 DSC curves of wool modified by silk fibroin protein of silkworm with different concentrations of spermine

2.2.5 改性羊毛的力學性能分析

表2示出不同改性程度羊毛纖維的力學性能。可以看出，經(jīng)純絲素蛋白處理的羊毛力學性能損失嚴重，斷裂伸長率損失41.2%，而經(jīng)陽離子化絲素蛋白處理后的羊毛斷裂伸長率損失最高為36.1%，最低則只有8.0%，在可接受范圍內(nèi)。經(jīng)絲素蛋白處理的羊毛強力為3.4 cN，而經(jīng)陽離子化絲素蛋白處理的羊毛強力最高可達5.2 cN?？梢?，與純絲素蛋白處理羊毛相比，采用陽離子化絲素蛋白改性的羊毛其力學性能損失均減少。

表2 不同精胺質(zhì)量分數(shù)家蠶絲素蛋白改性羊毛纖維的力學性能

Tab.2 Mechanical properties of wool modified by silkfibroin protein of silkworm with differentconcentrations of spermine

精胺質(zhì)量分數(shù)/%斷裂強力/cN斷裂伸長率/%0.15.253.72.05.139.15.05.147.110.03.856.30.03.436.0原羊毛5.361.2

經(jīng)絲素蛋白處理后羊毛力學性能損失的原因：一方面可能是因為絲素蛋白向羊毛纖維內(nèi)部的轉(zhuǎn)移，使羊毛纖維內(nèi)部出現(xiàn)損傷；另一方面則可能是因為處理液未能均勻分布，纖維局部出現(xiàn)損傷，使處理變得不均勻，形成處理弱節(jié)。而陽離子化絲素蛋白處理較純絲素蛋白處理力學性能下降幅度小的原因與精胺、碳化二亞胺與羊毛氨基酸形成更多的氫鍵、范德華力有關。

2.3 改性羊毛的染色性能分析

2.3.1 上染率分析

由改性羊毛的上染率測試結果可知：經(jīng)染色后，原羊毛的上染率為54.5%；經(jīng)未改性絲素蛋白處理的羊毛上染率為42.3%；而經(jīng)不同改性程度絲素蛋白(0.1%、2.0%、5.0%、10.0%)處理后的羊毛上染率分別為36.2%、33.0%、41.6%和33.7%。羊毛的上染率出現(xiàn)下降可能是因為陽離子化絲素蛋白使羊毛所帶的正電荷與酸性橙Ⅱ所帶的Na+離子電荷之間相互排斥所致。

2.3.2 染色后羊毛表面形貌分析

圖7示出羊毛染色后的掃描電鏡照片?？梢钥闯觯涸蛎旧笃淞灼瑢油黄鹈黠@，鱗片層邊緣清晰；經(jīng)純絲素蛋白整理的羊毛染色后其表面形成的陽離子化絲素蛋白膜完好無損，羊毛鱗片層基本被該層薄膜包裹，而用陽離子化絲素蛋白處理的羊毛經(jīng)酸性染料染色后其表面形成的改性絲素蛋白膜基本剝落，但對進入羊毛內(nèi)部造成羊毛鱗片邊緣損壞和棱角軟化的絲素蛋白沒有影響，因此，圖7(c)中的羊毛鱗片層雖然暴露，但其邊緣突起弱化，鱗片層間分界線模糊，鱗片棱角軟化，這種現(xiàn)象在一定程度上有利于改善羊毛的氈縮性能。

圖7 原羊毛、純絲素蛋白整理羊毛、陽離子 化絲素蛋白整理羊毛染色后的掃描電鏡照片

Fig.7 SEM images of wool (a)， pure silk fibroin finished wool (b) and cationized silk fibroin finished wool (c) after dyeing

3 結 論

本文利用碳化二亞胺(EDC)激活家蠶絲素蛋白大分子鏈上的羧基，將精胺修飾于絲素蛋白的大分子鏈上，成功制備了不同改性程度的陽離子化絲素蛋白，并將陽離子化絲素蛋白整理到羊毛纖維上。一部分絲素蛋白被修飾在羊毛表面，羊毛纖維鱗片被軟化且被表面形成的陽離子化絲素蛋白膜包裹，很大程度上解決了羊毛的氈縮問題；另一部分絲素蛋白膜則進入羊毛纖維內(nèi)部，使處理后的羊毛纖維耐熱性提高，羊毛纖維內(nèi)部形成了更多的氫鍵、酰胺鍵，晶體結構更穩(wěn)定。不同改性程度的陽離子化絲素蛋白對羊毛的纖維結構的影響差異不大，改性后羊毛的力學性能下降。改性羊毛用酸性染料染色，其上染率下降，有待于進一步研究改善。