一種通過(guò)接枝乙烯基單體制備絲素基吸水材料的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種通過(guò)接枝乙烯基單體制備絲素基吸水材料的方法，借助于EDC/NHS在絲素蛋白表面接枝含乙烯基的羧酸，再加入丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)單體，通過(guò)辣根過(guò)氧化物酶/雙氧水/乙酰丙酮體系，催化絲素與乙烯基單體接枝共聚，實(shí)現(xiàn)生物酶法制備絲素基吸水材料。具體步驟如下：(1)絲素蛋白溶液的制備；(2)絲素表面EDC/NHS法接枝乙烯基；(3)辣根過(guò)氧化物酶催化絲素與AM、AA接枝共聚；(4)絲素基吸水材料的成型。與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明接枝共聚效率高，酶處理?xiàng)l件緩和，制備的絲素基復(fù)合吸水材料不僅有較好的吸水性能和保水性能，且生物降解性優(yōu)良。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種通過(guò)接枝乙烯基單體制備絲素基吸水材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種通過(guò)接枝乙烯基單體制備絲素基吸水材料的方法，特別是一種借助1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亞胺(EDC)/N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)，在絲素蛋白表面接枝含乙烯基的羧酸，再加入丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)單體，通過(guò)辣根過(guò)氧化物酶催化絲素與單體接枝共聚，制備絲素基吸水材料，屬于紡織生物技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]絲素蛋白是蠶絲的主要成分，由18種氨基酸組成，其中多數(shù)為極性較低的乙氨酸和丙氨酸鏈段，其余則主要由極性氨基酸殘基組成。絲素蛋白具有良好的生物相容性和環(huán)境友好性，以絲素蛋白加工的再生材料具有無(wú)毒、無(wú)刺激性、吸濕性優(yōu)良等特點(diǎn)。在絲素蛋白材料制備和應(yīng)用中，為改善絲素材料的性能，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，需采用對(duì)絲素進(jìn)行改性加工，實(shí)現(xiàn)功能性絲素材料的制備。
[0003]高吸水性材料是帶有許多親水基團(tuán)的高分子聚合物，不僅具有極高的吸水功能，且保水功能也較好(加壓下不脫水或脫水很少)。一般來(lái)說(shuō)，理想吸水材料干燥后，其吸水能力仍可恢復(fù)，可反復(fù)使用。溶液聚合法是一種以水為載體，將單體溶解后進(jìn)行聚合反應(yīng)的方法，其中丙烯酸和丙烯酰胺單體是合成吸水材料的常用原料，但由于其聚合物存在不易生物降解、易污染環(huán)境的缺點(diǎn)，不同程度上影響了其應(yīng)用。因此，考慮將具有良好生物分解性能的絲素蛋白，與丙烯酸、丙烯酰胺單體和交聯(lián)劑N，N’_亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)—起，在水溶液中引發(fā)共同聚合，構(gòu)建出一種吸水性能優(yōu)良、且具有生物降解性的吸水材料，則對(duì)于拓展絲素蛋白用途、改善吸水材料的生態(tài)性具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。
[0004]研究表明，辣根過(guò)氧化物酶(HRP)有很強(qiáng)的催化活性，在以雙氧水(H2O2)為氧化劑，乙酰丙酮(ACAC)為引發(fā)劑的體系中，能催化AM和AA聚合，可制備兩者的共聚物P(AM-AA)，用作吸水材料。絲素蛋白中含一定數(shù)量的酪氨酸殘基，HRP也可以催化酪氨酸的酚羥基產(chǎn)生酚氧自由基;另一方面，盡管氧化產(chǎn)生的酚氧自由基可以與乙烯基單體(如AM，AA)發(fā)生接枝共聚，但由于絲素上酚氧自由基的數(shù)量、反應(yīng)性或可及度相對(duì)較低，難與AM、AA形成高效接枝共聚，從而影響了絲素基吸水材料的制備。為解決此問(wèn)題，考慮采用化學(xué)方法在絲素蛋白表面接枝乙烯基單體，再在體系中添加AA、AM單體，借助HRP引發(fā)共聚，制備絲素基吸水材料。
[0005]根據(jù)上述思路，可應(yīng)用如下二步法進(jìn)行絲素基吸水材料構(gòu)建:
[0006]第一步:借助于EDC/NHS活化體系，使含乙烯基的羧酸與絲素上氨基反應(yīng)，在絲素蛋白上引入乙稀基單體；
[0007]第二步:在上述絲素體系中添加AM、AA和N，N’_亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)，以HRP/H2O2/ACAC體系，催化絲素表面的乙烯基與AM、AA接枝共聚，制備絲素基吸水材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種通過(guò)接枝乙烯基單體制備絲素基吸水材料的方法，旨在通過(guò)將絲素與丙烯酰胺、丙烯酸接枝共聚，增加絲素基材料吸水性，提高吸水材料的環(huán)境友好性。
[0009]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案:先借助EDC/NHS活化體系，在絲素蛋白上接枝含乙烯基的羧酸，引入可聚合的乙烯基;再加入AM和AA單體，通過(guò)辣根過(guò)氧化物酶催化絲素與單體接枝共聚，制備絲素基吸水材料，具體工藝步驟如下:
[0010](I)絲素蛋白溶液的制備:以溴化鋰或氯化鈣溶解脫膠后的蠶絲，制備絲素蛋白溶液；
[0011 ] 處理工藝處方及條件:將脫膠后的蠶絲加入到溴化鋰或氯化鈣的乙醇溶液中，在50?80°C攪拌至溶解，然后以去離子水透析24?48小時(shí)，制得絲素蛋白溶液；
[0012](2)絲素表面EDC/NHS法接枝乙烯基:將EDC/NHS活化體系和含乙烯基的羧酸添加到絲素溶液中，使絲素上引入乙烯基；
[0013]處理工藝處方及條件:絲素5?40g/L，EDC I?10g/L，NHS I?10g/L，含乙烯基的羧酸0.2?5g/L，處理溫度20?30°C，pH 4.5?7，時(shí)間0.5?24小時(shí)；
[0014](3)辣根過(guò)氧化物酶催化絲素與AM、AA接枝共聚:在步驟(2)的絲素溶液中，添加辣根過(guò)氧化物酶、乙酰丙酮、AM、AA和MBA，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加入H2O2，促進(jìn)絲素與AM、AA接枝共聚；
[0015]處理工藝處方及條件:辣根過(guò)氧化物酶2?20U/mL，乙酰丙酮5?10g/L，H202 5?20g/L，AM 5?25g/L，AA 5?25g/L，MBA 0.5?2.5g/L，處理溫度20?60°C，pH 4.5?8，時(shí)間0.5?12小時(shí)；
[0016](4)絲素基吸水材料的成型:取步驟(3)反應(yīng)后的溶液，通過(guò)延流使其在聚四氟乙烯模具內(nèi)鋪展，在20?45 °(:條件下風(fēng)干成膜，或在-50 0C?-20 V條件下真空冷凍干燥成膜；然后將膜材料在50?80 % (v/v)乙醇溶液中浸漬0.25-1小時(shí)，再在30?60°C條件下烘干。
[0017]一種通過(guò)接枝乙烯基單體制備絲素基吸水材料的方法，所述蠶絲包括來(lái)源于桑蠶絲、柞蠶絲、蓖麻蠶絲或木薯蠶絲;所述含乙烯基的羧酸包括丙烯酸、丁烯酸或戊烯酸;所述辣根過(guò)氧化物酶來(lái)源于動(dòng)物、植物或微生物。
[0018]本發(fā)明借助于EDC/NHS在絲素蛋白表面接枝含乙烯基的羧酸，再加入丙烯酰胺、丙烯酸單體，通過(guò)辣根過(guò)氧化物酶催化絲素與乙烯基單體接枝共聚，制備絲素基吸水材料。與采用紫外光或微波輻照等傳統(tǒng)方法引發(fā)絲素與乙烯類(lèi)單體接枝共聚相比，本發(fā)明有以下優(yōu)占.
[0019](I)接枝共聚效率高，采用EDC/NHS在絲素上引入乙烯基，提高了辣根過(guò)氧化物酶催化絲素與AM、AA進(jìn)行接枝共聚反應(yīng)的效率；
[0020](2)酶處理?xiàng)l件緩和，在低溫和近中性條件下，借助于辣根過(guò)氧化物酶催化接枝共聚，具有能耗低、處理工藝安全的優(yōu)點(diǎn)，避免了傳統(tǒng)方法接枝共聚易產(chǎn)生絲素變性等諸多缺陷；
[0021](3)以HRP/H202/ACAC體系構(gòu)建的絲素基吸水材料，不僅有較好的吸水性能和保水性能，且生物降解性優(yōu)良。
【具體實(shí)施方式】
[0022]采用EDC/NHS活化體系，在絲素上接枝含乙烯基的羧酸，再利用HRP/H202/ACAC體系催化絲素與丙烯酰胺、丙烯酸接枝共聚，制備絲素基吸水材料，測(cè)定材料的吸水性能和保水性能，且分別以吸水倍率和保水率表示;其中，吸水倍率是將材料浸漬在25 0C水中2小時(shí)后，以材料吸水后與吸水前的質(zhì)量差和材料起始質(zhì)量之比表示(單位:g/g);保水率是將吸水飽和后的材料離心脫水10分鐘，以脫水后和脫水前的重量之比的百分率表示，具體實(shí)施例如下:
[0023]實(shí)施例1
[0024]采用脫膠后的桑蠶絲，以本發(fā)明述及的方法制備絲素基吸水材料，具體工藝步驟如下:
[0025](I)絲素蛋白溶液的制備:將脫膠后的蠶絲加入到溴化鋰的乙醇溶液中，在70°C攪拌至溶解，然后以去離子水透析40小時(shí)，制得絲素蛋白溶液；
[0026](2)絲素表面接枝含乙烯基的羧酸:將EDC/NHS活化體系、丙烯酸添加到絲素溶液中，其中絲素10g/L，EDC 2g/L，NHS 2g/L，丙烯酸0.5g/L，處理溫度25°C，pH 6，時(shí)間6小時(shí)；
[0027](3)酶促絲素與AM、AA接枝共聚:在步驟(2)的絲素溶液中，添加辣根過(guò)氧化物酶、乙酰丙酮、AM和AA，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加入H2O2,促進(jìn)絲素與AM、AA三者接枝共聚；其中辣根過(guò)氧化物酶5U/mL，乙酰丙酮5g/L，H202 5g/L，AM 10g/L，AA 8g/L，MBA lg/L，50°C，pH 6，時(shí)間6小時(shí)；
[0028](4)絲素基吸水材料的成型:取步驟(3)反應(yīng)后的溶液，通過(guò)延流使其在聚四氟乙烯模具內(nèi)鋪展，在40 °C風(fēng)干成膜;然后將膜材料在60 % (v/v)乙醇溶液中浸漬處理0.5小時(shí)，在50 °C條件下烘干。
[0029]試樣1:僅經(jīng)風(fēng)干加工成的絲素膜；
[0030]試樣2:經(jīng)步驟(1)、(3)和(4)處理，其中絲素濃度為10g/L;
[0031]試樣3:經(jīng)步驟(1)、(2)、(3)和(4)處理；
[0032]經(jīng)上述工藝處理后，分別測(cè)定試樣I?3的吸水倍率和保水率，其中試樣I的吸水倍率為0.75g/g，保水率為19 % ;試樣2的吸水倍率為10.5g/g，保水率為55 % ;試樣3的吸水倍率為18g/g，保水率為73%。
[0033]實(shí)施例2
[0034]采用脫膠后的桑蠶絲，以本發(fā)明述及的方法制備絲素基吸水材料，具體工藝步驟如下:
[0035](I)絲素蛋白溶液的制備:將脫膠后的蠶絲加入到氯化鈣的乙醇溶液中，在70°C攪拌至溶解，然后以去離子水透析30小時(shí)，制得絲素蛋白溶液；
[0036](2)絲素表面接枝含乙烯基的羧酸:將EDC/NHS活化體系、丁烯酸添加到絲素溶液中，其中絲素25g/L，EDC 3g/L，NHS 3g/L，丁烯酸1.5g/L，處理溫度30°C，pH 6，時(shí)間12小時(shí);
[0037](3)酶促絲素與AM、AA接枝共聚:在步驟(2)的絲素溶液中，添加辣根過(guò)氧化物酶、乙酰丙酮、AM和AA，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加入H2O2,促進(jìn)絲素與AM、AA三者接枝共聚；其中辣根過(guò)氧化物酶 10U/mL，乙酰丙酮 7.5g/L，H202 8g/L，AM 20g/L，AA 12g/L，MBA I.5g/L，50 °C，pH6.5，時(shí)間10小時(shí);
[0038](4)絲素基復(fù)合吸水材料的制備:取步驟(3)反應(yīng)后的溶液，通過(guò)延流使其在聚四氟乙烯模具內(nèi)鋪展，在-500C條件下真空冷凍干燥成膜;然后將膜材料在60 % (v/v)乙醇溶液中浸漬0.5小時(shí)，再在50 0C條件下烘干。
[0039]試樣4:僅經(jīng)真空冷凍干燥成膜和乙醇溶液處理；
[0040]試樣5:經(jīng)步驟(1)、(2)和(4)處理，其中絲素濃度為25g/L;
[0041]試樣6:經(jīng)步驟(1)、(2)、(3)和(4)處理；
[0042]經(jīng)上述工藝處理后，分別測(cè)定試樣4?6的吸水倍率、保水率，其中試樣4的吸水倍率為0.90g/g，保水率為45% ;試樣5的吸水倍率為17g/g，保水率為58% ;試樣6的吸水倍率為258/^，保水率為79%。
[0043]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開(kāi)如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可做各種的改動(dòng)與修飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)所界定的為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種通過(guò)接枝乙烯基單體制備絲素基吸水材料的方法，特別是一種借助1-乙基Ι-ο-二甲基氨丙基)-碳化二亞胺 (EDC)/N-羥基琥珀酰亞胺 (NHS) ，在絲素蛋白表面接枝含乙烯基的羧酸，再加入丙烯酰胺(AM)和丙烯酸(AA)單體，通過(guò)辣根過(guò)氧化物酶催化絲素與單體接枝共聚，制備絲素基吸水材料，具體工藝步驟如下: (1)絲素蛋白溶液的制備:以溴化鋰或氯化鈣溶解脫膠后的蠶絲，制備絲素蛋白溶液；處理工藝處方及條件:將脫膠后的蠶絲加入到溴化鋰或氯化鈣的乙醇溶液中，在50?80°C攪拌至溶解，然后以去離子水透析24?48小時(shí)，制得絲素蛋白溶液； (2)絲素表面EDC/NHS法接枝乙烯基:將EDC/NHS活化體系和含乙烯基的羧酸添加到絲素溶液中，使絲素上引入乙烯基;處理工藝處方及條件:絲素5?40g/L，EDC I?10g/L，NHSI?10g/L，含乙烯基的羧酸0.2?5g/L，處理溫度20?30°C，pH 4.5?7，時(shí)間0.5?24小時(shí)； (3)辣根過(guò)氧化物酶催化絲素與AM、AA接枝共聚:在步驟(2)的絲素溶液中，添加辣根過(guò)氧化物酶、乙酰丙酮、AM、AA和N，N’_亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下加入雙氧水(H2O2)，促進(jìn)絲素與AM、AA接枝共聚;處理工藝處方及條件:辣根過(guò)氧化物酶2?20U/mL，乙酰丙酮5?10g/L，H202 5?20g/L，AM 5?25g/L，AA 5?25g/L，MBA 0.5?2.5g/L，處理溫度20?60°C，pH 4.5?8，時(shí)間0.5?12小時(shí)； (4)絲素基吸水材料的成型:取步驟(3)反應(yīng)后的溶液，通過(guò)延流使其在聚四氟乙烯模具內(nèi)鋪展，在20?45 °(:條件下風(fēng)干成膜，或在-50 0C?-20 °C條件下真空冷凍干燥成膜;然后將膜材料在50?80 % (v/v)乙醇溶液中浸漬0.25-1小時(shí)，再在30?60°C條件下烘干。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述蠶絲包括來(lái)源于桑蠶絲、柞蠶絲、蓖麻蠶絲或木薯蠶絲;所述含乙烯基的羧酸包括丙烯酸、丁烯酸或戊烯酸;所述辣根過(guò)氧化物酶來(lái)源于動(dòng)物、植物或微生物。
【文檔編號(hào)】C12P13/02GK105924596SQ201610543382
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年7月11日
【發(fā)明人】王平, 周步光, 袁久剛, 王強(qiáng), 范雪榮
【申請(qǐng)人】江南大學(xué)