丝胶蛋白具有抗紫外线和抗氧化性[1]，对紫外线B诱导产生肿瘤和对皮肤的损伤有一定遏制作用[2-3]，广泛应用于化妆品、食品、酶的固定化载体及医疗材料等。在纺织领域中，丝胶蛋白常被应用于各种纤维材料的改性[4]，传统工艺中往往是利用化学交联剂或者偶联剂将丝胶蛋白接枝到纤维上获得一定功能性质的丝胶接枝物。丝胶在酸性介质中由于其结构中的伯胺基具有阳离子性质，与带负电荷的细菌壁膜相互作用[5]。因此，它抑制细菌的正常生理活动和生长，甚至导致细菌死亡[6]。采用丝胶蛋白/纳米银复合颗粒通过化学交联剂制备出具有良好的抗菌性的棉织物[7]。朱慧冕等[8]采用丝胶蛋白、戊二醛和壳聚糖接枝涤纶织物后，吸湿性得到显著提高。然而化学试剂的使用会严重污染环境，同时残留的化学试剂影响了材料的安全性。与之相比，生物酶法具有低温、高度专一性、安全环保等优势，在多种蛋白改性加工中具有潜在的应用前景。利用漆酶/2, 2, 6, 6-四甲基哌啶氧化物(TEMPO)氧化棉织物与丝胶蛋白发生交联反应，可以避免传统化学法中出现的残留整理剂对皮肤的刺激伤害和大量污水废水的产生，是一种反应条件温和且环境友好的整理方法。漆酶是含铜的多酚氧化酶，在TEMPO的影响下可以选择性地催化伯羟基氧化反应生成醛基，进而与含有伯胺基的物质发生化学反应，形成席夫碱。Xu等[9]使用漆酶/TEMPO在纤维素纤维上引入醛基和羧基，实现对纤维素的改性；Aracri等[10]利用漆酶/TEMPO体系通过在纤维素分子中形成半缩醛的结构，改善了剑麻纤维素纤维的湿强度。王菁等[11]将天冬氨酸接枝到经漆酶/TEMPO氧化的纤维素上，制得一种新型的重金属离子吸附材料。
基于葡聚糖的分子结构组成与纤维素一致，并且具有可溶解性，本研究首先选用葡聚糖作为棉织物的反应模型物与丝胶蛋白反应并进行凝胶电泳测试，通过漆酶/TEMPO体系的选择性氧化作用，将棉织物上的伯羟基转化成醛基，制备出氧化棉织物，通过红外光谱进行表征。之后醛基与丝胶蛋白上的氨基发生席夫碱反应，将丝胶蛋白以共价键的形式接枝到氧化棉上，实现棉织物的生物法功能化改性，从而赋予棉织物抗皱、抗氧化和抗紫外线性能。
2 实验 2.1 材料与试剂漆酶、TEMPO(质量分数为99%)购自Sigma公司；丝胶蛋白为实验室自制；葡聚糖、冰乙酸购自国药集团化学试剂有限公司，其他试剂按需提供。
2.2 实验设备与分析仪器PC-2B恒温振荡水浴锅，台湾瑞比染试机有限公司；傅里叶红外变换光谱仪，赛默飞世尔科技(中国)有限公司；FD-1A-50冷冻干燥机，北京博医康实验仪器有限公司；S230电导率仪，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；Alpha-1502紫外分光光度计，上海谱元有限公司。
2.3 实验方法 2.3.1 葡聚糖改性丝胶蛋白的制备及棉织物的接枝改性葡聚糖与丝胶蛋白的反应。称取0.5 g的葡聚糖、0.5 g透析后的丝胶蛋白、0.05 g漆酶和0.07 g TEMPO于pH为4.8的50 mL的乙酸-乙酸钠缓冲液中充分混合。反应结束后，取试样冷冻后干燥，制备出改性丝胶蛋白并置于干燥器中储存。
棉织物的预处理：称取100 g棉织物加入2 L去离子水中，再加入20 g NaOH和20 mL质量分数为30% 的H2O2溶液，沸煮1 h，以去除表面的灰尘和杂质，取出棉织物用去离子水洗净并烘干备用。
棉织物接枝丝胶蛋白：称取0.5 g经过预处理后的棉织物、0.03 g漆酶、0.042 g TEMPO，加入pH值为4.8的30 mL乙酸-乙酸钠缓冲液中。加入一定量的丝胶蛋白，混合均匀后将反应体系加入不同温度的振荡水浴锅中，反应一定时间后，取出试样在130 ℃的烘箱中焙烘90 s，在去离子水中浸泡8 h取出，烘干。
2.3.2 棉织物醛基含量测定分别称取0.2 g氧化棉织物和改性棉织物，剪碎并分别置于50 mL的去离子水中，在悬浊液中加入0.2 mL质量浓度为0.02 g⋅mL−1的盐酸羟胺。以质量浓度为0.02 g⋅mL−1的氢氧化钠滴定，测量其电导率以计算滴定终点。通过反应完全时消耗掉的氢氧化钠的量计算出溶液中醛基的含量。
2.3.3 傅里叶变换红外光谱对样品按以下参数进行扫描：扫描范围最高为500~4 000 cm−1，共扫描16次，分辨率为4 cm−1。
2.3.4 凝胶电泳选用浓度梯度为8%~16% (质量分数)的梯度胶胶板置于凝胶电泳仪，加入适量体积的电极缓冲液。取20 µL样品，与5 µL缓冲液均匀混合，制得跑胶样品。向相应泳道中注入6 µL样品，增加电压至100 V跑胶15 min，然后提高电压至200 V跑胶35 min。等到样品都从胶板上跑干净后关闭电泳仪并取出胶板。之后对胶板进行蛋白质染色和糖染色，分析二者的成像。
2.3.5 接枝稳定性测试以整理后棉织物在水中蛋白的溶出率评价蛋白接枝棉的稳定性。称取1 g的丝胶蛋白与棉织物的混合样及酶促接枝样，分别加入100 mL去离子水中，改变温度并每隔20 min取样，用紫外分光光度计在波长280 nm处测量吸光度OD，从而显示溶液中丝胶蛋白含量的变化。
2.3.6 织物服用性能测试断裂强力：参照GB/T 3923.1-2013《纺织品织物拉伸性能第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定(条样法)》，测定织物经向断裂强力。
折皱弹性回复角：参照GB/T 3819-1997《纺织品织物折痕恢复性的测定回复角法》，测定织物经纬向的折痕回复角。
抗氧化性：采用2, 2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(ABTS)法测定织物的抗氧化性。
抗紫外线性能：将棉织物在YG(B)912E型纺织品防紫外性能测试仪上进行性能检测。抗紫外线性能由紫外线透过率(UVA, UVB)和紫外防护指数表示。
3 结果与讨论 3.1 漆酶/TEMPO体系催化葡聚糖接枝丝胶蛋白为了表征棉纤维中纤维素与丝胶蛋白的酶促反应，以葡聚糖为棉纤维的反应模型物与蛋白反应，分别通过考马斯亮蓝和Schiff试剂对梯度胶进行染色，得到的SDS-PAGE结果如图 1所示，图中Mr为相对分子质量。
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图 1 葡聚糖与丝胶蛋白反应液的电泳分析 Fig.1 Electrophoretic analysis of reaction solution of glucan and sericin 1. glucan 2. mixed sample of sericin and glucan 3. sample of glucan grafted with sericin |
在图 1(a)蛋白染色成像中，纯葡聚糖的谱带呈现无色，这是因为考马斯亮蓝只对蛋白质染色后呈蓝色，而对葡聚糖不染色；葡聚糖与蛋白质的混合样在相对分子质量为170 000 ~10 000出现蛋白的条带，说明所用的丝胶蛋白的相对分子质量在此范围分布；丝胶蛋白接枝葡聚糖后在高分子量区蛋白条带颜色变深，同时低分子量区蛋白含量减少，表明丝胶蛋白与葡聚糖在漆酶/TEMPO催化的反应条件下发生交联反应，生成了高分子量的蛋白-糖聚集体，此结果亦可通过图 1(b)验证。在图 1(b)中，葡聚糖试样和混合样的泳道中都未出现明显染色条带。这是由于葡聚糖不带电荷，不能在电压下移动；而混合样中葡聚糖和丝胶蛋白并未反应，因此未出现显色反应。相对分子质量为130 000以上的条带，接枝样在蛋白染色和糖染色成像中都出现显色条带，表明该处既能被考马斯亮蓝染色又能被Schiff试剂染色，出现的物质是糖蛋白。由上述分析，可以证明在漆酶/TEMPO体系催化作用下，糖与丝胶蛋白交联生成糖蛋白。
3.2 反应条件对棉织物接枝丝胶蛋白量的影响以反应体系中蛋白含量的变化表征棉织物接枝丝胶蛋白的量，分别考察反应时间、反应温度和初始丝胶蛋白用量对接枝的影响，结果如图 2所示。
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图 2 棉织物接枝丝胶蛋白量的影响因素 Fig.2 Effects of sericin contents on cotton fabric |
由图 2(a)可以看出随着反应时间的延长，反应体系中丝胶蛋白的质量浓度先下降后上升，在反应时间为10 h时，丝胶蛋白含量最低，表明此时棉织物上接枝的丝胶蛋白最多。由于前期反应主要是棉织物上的伯羟基被漆酶/TEMPO体系氧化生成醛基，与丝胶蛋白发生席夫碱反应。随着反应时间的延长，棉织物伯羟基可能被过度氧化成羧基，从而导致接枝的丝胶蛋白量下降，因此最佳反应时间为10 h。由图 2(b)可以看出，随着温度的升高，棉织物接枝的丝胶蛋白呈现先增加后下降的趋势。主要原因是温度较低时，随着温度的升高，漆酶的运动速率增加，从而提高丝胶蛋白的接枝量。温度较高时，接枝的丝胶蛋白量下降，可能是由于过高的温度使漆酶的构象发生变化，从而降低漆酶的活性；同时溶液中的氧气含量逐渐降低，使得漆酶对伯羟基的氧化作用降低，导致丝胶蛋白的接枝量下降。另外，随着温度的上升，席夫碱的热稳定性可能会下降，从而发生水解，影响棉织物接枝丝胶蛋白。40 ℃时，棉织物接枝丝胶蛋白量最高，因此最佳反应温度为40 ℃。从图 2(c)中可以看出，随着整理液中丝胶蛋白用量的增加，反应前后体系中的丝胶蛋白浓度差增加，表明棉织物上的丝胶蛋白含量不断增加。主要是因为随着整理液中蛋白质质量浓度的提升，棉织物上生成的醛基与丝胶蛋白上的氨基反应的可能性增加，即棉织物上接枝的丝胶蛋白不断增加。而当初始丝胶蛋白的质量浓度高于8 g⋅L−1时，反应的丝胶蛋白增加幅度逐渐减少，曲线逐渐趋于平缓。可能是漆酶/TEMPO体系处理后的棉织物上反应位点有限，与丝胶蛋白的接枝量不可能随着丝胶蛋白含量的增加而无限度增加。所以考虑到接枝量和增重成本，选择丝胶蛋白质量浓度为8 g⋅L−1。
3.3 漆酶/TEMPO催化棉氧化反应的红外光谱分析及醛基含量变化表 1显示了氧化棉和接枝棉的醛基含量，相比于氧化棉，接枝棉的醛基含量减少，这是因为氧化棉上的醛基与丝胶蛋白反应消耗了氧化棉结构中的部分醛基，此结果亦可通过红外光谱分析进行表征(图 3所示)。由图中的结果可以看出，相对于原棉，经过漆酶/TEMPO体系处理后的棉织物在1 740 cm−1处出现羰基的吸收峰。同时，在2 820 cm−1处出现一个较明显的红外吸收峰，该峰是由醛基质子的费米共振产生[12]。结合表 1，表明在漆酶/TEMPO体系作用下，棉织物上有醛基生成。对原棉和接枝棉的红外光谱测试中，接枝棉于1 550 cm−1处出现C─N的特征吸收峰。由此表明接枝棉上存在丝胶蛋白。相较于原棉织物，经过丝胶蛋白改性后的棉织物于1 650 cm−1处有明显的吸收峰，即存在碳氮双键。结合表 1，相对于氧化棉，接枝棉醛基含量减少，表明醛基与丝胶蛋白发生反应而消耗了醛基，生成席夫碱，实现了丝胶蛋白与棉织物的接枝。
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表 1 氧化棉和接枝棉醛基含量测定结果 Table 1 Results of aldehyde contents of oxidized cotton and grafted cotton |
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图 3 氧化棉与接枝棉的红外光谱 Fig.3 Infrared spectra of oxidized cotton and grafted cotton |
通过改变反应温度探究接枝样溶出丝胶蛋白的量，从而探究对接枝棉稳定性的影响，结果如图 4所示。由图 4可以看出，无论是在25 ℃，还是在80 ℃条件下，与混合处理后的棉相比，通过酶促接枝的棉在水中的蛋白溶出量显著减少。这是由于酶促反应使得丝胶蛋白在棉上发生共价键合，因此在水中的稳定性增加。接枝棉对于温度的影响较混合样小得多，随着温度的增加，增加了分子运动的能量，混合处理的棉织物由于未与丝胶蛋白形成共价键，而单凭借分子间作用力吸附在棉织物上，随着温度的提升，而逐渐从棉纤维上脱离，故随着温度的上升，溶液中丝胶蛋白的量也在不断增加。
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图 4 温度对丝胶棉在水中溶失量的影响 Fig.4 Effects of temperature on the dissolution content of grafted cotton |
测定丝胶蛋白棉织物的断裂强力、折皱回复角、抗氧化性和抗紫外线性能，考察了漆酶/ TEPMO催化丝胶蛋白接枝反应对棉织物功能性质的影响，结果如表 2所示。
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表 2 棉织物和接枝棉的性能测定结果 Table 2 Performance results of raw cotton and grafted cotton |
经丝胶蛋白接枝整理后的棉织物的断裂强力相对于原棉有一定程度的降低，原因是漆酶/TEMPO的催化氧化作用。理论上漆酶/TEMPO体系对棉纤维的催化氧化作用主要发生在纤维表面，但随着时间的延长，部分纤维主体表面有剥落，使得纤维变细，受力不均匀，从而使得断裂强度下降。但相较于化学法如利用高碘酸对纤维进行氧化并接枝丝胶蛋白的棉织物的断裂强度则有了很大提升[13]。接枝棉相比于原棉织物，折皱回复角有一定程度的提升。可能是由于丝胶蛋白在接枝后的棉织物表面附着，增加交织位点，提高空间运动阻力。通过接枝丝胶蛋白的反应提高棉织物物理和化学结合，提高棉织物的尺寸稳定性，能有效地改善棉织物的易皱的缺点，并且避免带来如2D树脂等其他抗皱整理剂造成的甲醛污染。ABTS在强氧化剂的作用下生成ABTS自由基，再与具有抗氧化性的物质接触后，还原成无色物质，再加入具有抗氧化性的物质后其吸光度会降低，通过测定反应前后吸光度的变化表征被测物质抗氧化性的大小。原棉的ABTS自由基清除率很低，而丝胶蛋白与棉的接枝样抗氧化性有明显提高，这是因为随着纤维表面丝胶蛋白含量的提高，抗氧化性也随之提升。与原棉相比，经丝胶蛋白处理后的接枝棉的紫外线透过率显著下降，防护系数得到很大提升。因为丝胶蛋白含有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸残基，这些物质含有共轭双键，对紫外线有一定的吸收作用。所以相较于原棉，接枝丝胶蛋白后的棉织物的抗紫外线性能得到很大程度的提高。
4 结论(1) 通过漆酶/TEMPO体系催化棉纤维表面的伯羟基选择性氧化成醛基，进而与丝胶蛋白生成席夫碱，形成丝胶以共价键合的方式修饰的棉织物，相比于丝胶直接处理棉织物，该丝胶棉织物在水中具有良好的水溶稳定性。
(2) 经丝胶蛋白改性的棉织物具有较好的抗皱性能，能够赋予棉织物美观的特征，且棉织物的ABTS自由基清除率比原棉也有了提高，紫外线透过率明显降低，赋予棉织物良好的抗氧化性能及抗紫外线性能。
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