一種通過接枝乙烯基單體制備絲素基吸水材料的方法
【專利摘要】本發明公開了一種通過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，通過辣根過氧化物酶/雙氧水/乙酰丙酮體系，催化絲素與乙烯基單體接枝共聚，實現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。與傳統方法相比，本發明接枝共聚效率高，酶處理條件緩和，制備的絲素基復合吸水材料不僅有較好的吸水性能和保水性能，且生物降解性優良。
【專利說明】
一種通過接枝乙烯基單體制備絲素基吸水材料的方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種通過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，通過辣根過氧化物酶催化絲素與單體接枝共聚，制備絲素基吸水材料，屬于紡織生物技術領域。
【背景技術】
[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境友好性，以絲素蛋白加工的再生材料具有無毒、無刺激性、吸濕性優良等特點。在絲素蛋白材料制備和應用中，為改善絲素材料的性能，拓展其應用領域，需采用對絲素進行改性加工，實現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)。一般來說，理想吸水材料干燥后，其吸水能力仍可恢復，可反復使用。溶液聚合法是一種以水為載體，將單體溶解后進行聚合反應的方法，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、易污染環境的缺點，不同程度上影響了其應用。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劑N，N’_亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)—起，在水溶液中引發共同聚合，構建出一種吸水性能優良、且具有生物降解性的吸水材料，則對于拓展絲素蛋白用途、改善吸水材料的生態性具有重要意義和應用價值。
[0004]研究表明，辣根過氧化物酶(HRP)有很強的催化活性，在以雙氧水(H2O2)為氧化劑，乙酰丙酮(ACAC)為引發劑的體系中，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量的酪氨酸殘基，HRP也可以催化酪氨酸的酚羥基產生酚氧自由基;另一方面，盡管氧化產生的酚氧自由基可以與乙烯基單體(如AM，AA)發生接枝共聚，但由于絲素上酚氧自由基的數量、反應性或可及度相對較低，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。為解決此問題，考慮采用化學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引發共聚，制備絲素基吸水材料。
[0005]根據上述思路，可應用如下二步法進行絲素基吸水材料構建:
[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，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。
【發明內容】
[0008]本發明所要解決的技術問題是提供一種通過接枝乙烯基單體制備絲素基吸水材料的方法，旨在通過將絲素與丙烯酰胺、丙烯酸接枝共聚，增加絲素基材料吸水性，提高吸水材料的環境友好性。
[0009]為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案: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，通過辣根過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，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，時間0.5?24小時；
[0014](3)辣根過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，添加辣根過氧化物酶、乙酰丙酮、AM、AA和MBA，在氮氣保護下加入H2O2，促進絲素與AM、AA接枝共聚；
[0015]處理工藝處方及條件:辣根過氧化物酶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，時間0.5?12小時；
[0016](4)絲素基吸水材料的成型:取步驟(3)反應后的溶液，通過延流使其在聚四氟乙烯模具內鋪展，在20?45 °(:條件下風干成膜，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，再在30?60°C條件下烘干。
[0017]一種通過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;所述辣根過氧化物酶來源于動物、植物或微生物。
[0018]本發明借助于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，通過辣根過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方法引發絲素與乙烯類單體接枝共聚相比，本發明有以下優占.
[0019](I)接枝共聚效率高，采用EDC/NHS在絲素上引入乙烯基，提高了辣根過氧化物酶催化絲素與AM、AA進行接枝共聚反應的效率；
[0020](2)酶處理條件緩和，在低溫和近中性條件下，借助于辣根過氧化物酶催化接枝共聚，具有能耗低、處理工藝安全的優點，避免了傳統方法接枝共聚易產生絲素變性等諸多缺陷；
[0021](3)以HRP/H202/ACAC體系構建的絲素基吸水材料，不僅有較好的吸水性能和保水性能，且生物降解性優良。
【具體實施方式】
[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小時后，以材料吸水后與吸水前的質量差和材料起始質量之比表示(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，具體實施例如下:
[0023]實施例1
[0024]采用脫膠后的桑蠶絲，以本發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，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，時間6小時；
[0027](3)酶促絲素與AM、AA接枝共聚:在步驟(2)的絲素溶液中，添加辣根過氧化物酶、乙酰丙酮、AM和AA，在氮氣保護下加入H2O2,促進絲素與AM、AA三者接枝共聚；其中辣根過氧化物酶5U/mL，乙酰丙酮5g/L，H202 5g/L，AM 10g/L，AA 8g/L，MBA lg/L，50°C，pH 6，時間6小時；
[0028](4)絲素基吸水材料的成型:取步驟(3)反應后的溶液，通過延流使其在聚四氟乙烯模具內鋪展，在40 °C風干成膜;然后將膜材料在60 % (v/v)乙醇溶液中浸漬處理0.5小時，在50 °C條件下烘干。
[0029]試樣1:僅經風干加工成的絲素膜；
[0030]試樣2:經步驟(1)、(3)和(4)處理，其中絲素濃度為10g/L;
[0031]試樣3:經步驟(1)、(2)、(3)和(4)處理；
[0032]經上述工藝處理后，分別測定試樣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]實施例2
[0034]采用脫膠后的桑蠶絲，以本發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，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，時間12小時;
[0037](3)酶促絲素與AM、AA接枝共聚:在步驟(2)的絲素溶液中，添加辣根過氧化物酶、乙酰丙酮、AM和AA，在氮氣保護下加入H2O2,促進絲素與AM、AA三者接枝共聚；其中辣根過氧化物酶 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，時間10小時;
[0038](4)絲素基復合吸水材料的制備:取步驟(3)反應后的溶液，通過延流使其在聚四氟乙烯模具內鋪展，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，再在50 0C條件下烘干。
[0039]試樣4:僅經真空冷凍干燥成膜和乙醇溶液處理；
[0040]試樣5:經步驟(1)、(2)和(4)處理，其中絲素濃度為25g/L;
[0041]試樣6:經步驟(1)、(2)、(3)和(4)處理；
[0042]經上述工藝處理后，分別測定試樣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]雖然本發明已以較佳實施例公開如上，但其并非用以限定本發明，任何熟悉此技術的人，在不脫離本發明的精神和范圍內，都可做各種的改動與修飾，因此本發明的保護范圍應該以權利要求書所界定的為準。
【主權項】
1.一種通過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，通過辣根過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，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，時間0.5?24小時； (3)辣根過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，添加辣根過氧化物酶、乙酰丙酮、AM、AA和N，N’_亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)，在氮氣保護下加入雙氧水(H2O2)，促進絲素與AM、AA接枝共聚;處理工藝處方及條件:辣根過氧化物酶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，時間0.5?12小時； (4)絲素基吸水材料的成型:取步驟(3)反應后的溶液，通過延流使其在聚四氟乙烯模具內鋪展，在20?45 °(:條件下風干成膜，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，再在30?60°C條件下烘干。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述蠶絲包括來源于桑蠶絲、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;所述辣根過氧化物酶來源于動物、植物或微生物。
【文檔編號】C12P13/02GK105924596SQ201610543382
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月11日
【發明人】王平, 周步光, 袁久剛, 王強, 范雪榮
【申請人】江南大學