漆酶对羊毛织物多酚类天然染料染色性能的影响.docx

漆酶对羊毛织物多酚类天然染料染色性能的影响摘要:化学媒染剂通常用于染色过程中，以提高天然染料的吸收率。传统的媒染剂包括金属盐，如铜、铁、铝、格和其他金属离子。生物工程技术的持续发展集中在降低对环境影响的方法上。在这方面，酸法因其高效、温和、环境友好等优点，在纺织领域具有广阔的应用前景。漆酶是一种多铜氧化还原酶，可以催化小酚单体原位聚合形成彩色聚合物。本文研究了漆酶处理对天然染料（姜黄、葡萄籽提取物和五倍子）染色的羊毛织物染色性能的影响。在不同的条件下，包括漆酶的化学计量、温度、PH值和反应时间，对染色羊毛织物的染色性能进行了评估。用FT-IR分析了漆酶催化剂对天然染料结构的影响。结果表明，漆酶对五倍子的染色性能影响较大。此外，在相同条件下，后媒染法的染色效果优于其他两种方法。经漆酶处理后，五倍子的染色性能得到改善。最后，对五倍子染色工艺的影响因素进行了研究，并通过单因素试验确定了染色工艺的优化条件。关键词:天然染料，漆酶，五倍子，媒染剂，羊毛绪论用天然染料给织物染色是古代人发明的一种传统方法。从天然来源（根、树皮、叶、花和果实）中提取的天然染料被用于纺织品的染色。天然染料也用于食物、皮革、木材以及羊毛、丝绸、棉花和亚麻等天然纤维的染色。YUSUf等人报道了一种从印度茜草粉末中提取的染料的商业接受度，因为它耐光照、洗涤和染色样品的摩擦。Kamel等人认为，用媒染剂和媒染剂的组合进行染色应该具有中等至非常好的色牢度。几种金属盐通常用作媒染剂，用于天然染料对纺织品的染色，以增加天然染料在织物上的吸附。然而，由于添加了重金属离子，天然染色方法对环境产生了负面影响。近年来，寻找利用天然染料进行纺织品染色的替代方法具有重要意义。酶催化被认为是一种环境友好的合成方法，在较温和的反应条件下为“绿色聚合物化学”提供了一种新方法。漆酶（EC1.10.3.2）是一种能够催化酚羟基和各种伯胺聚合的多铜酶。这些酶广泛存在于高等植物、真菌和微生物中。漆酶已被用于纺织品漂白中提高织物的白度，有色废水的脱色，以及促进羊毛织物的防毡工艺。酚类物质可以通过漆酶催化的自聚合或与外源分子聚合产生自由基。理论上，漆酶可以催化含有酚羟基的天然染料的偶联或聚合，从而产生新的或更深的颜色，并提高染料的牢度。这项技术可以作为传统媒染剂的替代应用于织物染色。在用漆酶催化的聚合物进行罩染时，牛仔布织物可以获得不同的颜色，这取决于所使用的酚类物质，根据所使用的儿茶酚和儿茶素的比例，从深棕色到黄绿色不等。KaranikaS等人揭示了两种蛋白酶可用作羊毛低温染色的助剂。然而，关于漆酶对天然染料染色性能影响的报道相对较少。VankarffiShanker指出，与金属处理的织物相比，天然染料(即儿茶和柚木)对棉织物的染色在酶预处理后显示出更高和更快的上染率。Zhang和Kai报道了在酶和苏木染料之间发生了一些相互作用，因为苏木染料和转谷氨酰胺酶的溶液混合物在540nm处的吸光度值增加了。作为一种具有经济和环境效益的新型高效方法，织物的酶促染色有待全面探索。本文采用紫外可见光谱法研究了三种天然染料(姜黄、葡萄籽提取物和五倍子)在漆酶催化剂作用下的催化性能。此外，还详细研究了漆酶对五倍子羊毛织物染色性能的影响。实验材料羊毛面料(100%华达呢)，密度220gm2,由无锡市协新毛纺织染有限公司提供。来自子囊菌真菌M.Thermophila的漆酶(EC1.10.3.2)由诺维信(中国上海)提供。姜黄、葡萄籽提取物、五倍子为工业级。所有其他使用的化学品均为分析级，从国药控股化学试剂有限公司(中国上海)获得，使用时未进行进一步纯化。漆酶活性的测定用分光光度法测定漆酶活性，方法是在pH5.()、5()mM醋酸缓冲液中监测22-氮氮基-双-(3-乙基嘎唾咻-6-磺酸盐)(ABTS)(£42Onm=36,OOOMLCnrl)在42Onm处的酶氧化，如NikU-PaaVoIa等所描述的(进行了一些修改)。3ml反应混合物的最终体积包括0.1ml漆酶(5g/1)、2.9mlABTS(0.5mM)和5()mM乙酸缓冲液(PH5)作为溶剂。通过记录每005吸光度增量的周期来进行分光光度测量。1单位漆酶(U)可以定义为每分钟氧化1molABTS所需的酶量。傅里叶变换红外光谱天然染料在NieoletiS10红外分光光度计(ThermoNicolet,USA)上获得了FT-IR光谱。采集前使用KBr粉进行背景扫描。在漆酶处理前后，将天然染料与少量KBr粉混合作为基质。至少进行32次扫描，以达到足够的信噪比。光谱范围为4504000CmL室温分辨率为8cmL媒染方法以漆酶为“媒染剂”，用五倍子对羊毛织物进行染色。预媒染色漆酶在浴比为50:1的水浴中溶解。用醋酸将溶液的PH调至5.5。将织物在50C(漆酶的最佳温度)的媒染液中浸泡1小时。然后将织物转移到含有1%(o.w.f)天然染料的浴液中，在60C和pH5.5下，以50:1的浴比染色3小时。最后，对织物进行清洗和风干。间媒染色将漆酶在含1%天然染料的浴比为50:1的水浴中溶解。用醋酸将浴液的PH调至5.5o然后将织物在50的媒染剂溶液中浸泡1小时，然后将整个系统缓慢升温至60并染色3小时。最后，对织物进行清洗和风干。后媒染色将织物浸泡在含有1%(o.w.f)天然染料的水浴中，浴比为50:1,在90C下浸泡1小时。用醋酸将浴液的PH调至5.5。然后在浴液中加入漆前作为“媒染剂”，在整个系统缓慢冷却至60后对织物进行3小时的处理。最后，将染色的织物清洗和风干。染料上染率的测定通过测量染色前后染料溶液的吸光度(在最大吸光度的波长处)来确定上染率。染料上染率通过给定的公式计算：Dyeexhaustion(%)=(o-4)oXloo(I)其中AO和Al分别为染色前后染料溶液的吸光度。测色染色完成后，用1:3(vv)丙酮/去离子水溶液对染色样品进行多次彻底清洗，以去除残留的漆酶或不固定染料。在测量K/S值之前，样品在室温下干燥一夜。采用美国GretagMaCbeth色眼700()a分光光度计对染色羊毛织物的比色性能进行了CIELab值(L*,a*和b")的研究。AL、Aa、Ab的V值也在表中给出。用K/S值的变异系数(CV%)评价颜色均匀性。每个样本测量20个点的K/S值。根据KUbeIkaMUnk方程计算K/S值，如下所示：KZS=Q-酢12R(2)其中K是吸光度系数，S是散射系数，R是反射率。染色后羊毛织物样品的总色差使用以下关系式获得:ColorDifference(E)=7(L)2+(0)2+()2(3)vhcC-LUnmoahn<c<h"umfantcd-unmordanted9拉)-bEonhnlCd-unmxdntcd色牢度测试染色样品的色牢度试验按下列既定的实验程序进行评价:染色羊毛样品的耐洗色牢度按ISo105-C06:2010进行测定。根据ISO105X12:2001对染色羊毛织物的干、湿摩擦牢度进行测试，方法是将织物安装在面板上，分别进行干、湿摩擦牢度测试。根据ISo105-b2:2014方法，½Xentotest150S+上进行染色羊毛织物的耐光牢度测试,并配有空气冷却氤灯。在酸性和碱性条件下，采用ISOlO5E04:1994(E)标准方法测定其耐汗渍牢度。结果和讨论天然染料的红外光谱姜黄、五倍子和葡萄籽是多酚类化合物，其酚羟基功能可作为化学修饰的潜在位点。为了评价漆酶催化的天然染料的结构变化，获得了相应的FT-IR光谱，如图1所示。方案1提出了漆酶、酚羟基类天然染料与羊毛的化学相互作用和成键机理。如方案1所示，天然染料的酚羟基在氧化的第一阶段形成中间体(醍类)。在漆酶的催化下，一些中间体(醍类)进一步自发反应形成共价键。此外，还发现部分五倍子通过共价键附着在羊毛织物上。所有漆酶处理的样品与对照样品的FT-IR光谱的比较显示，全部样品的宽波段均在3500到3400cm”之间。在大约3400cm处可能是由于酚羟基的振动和聚合引起的空间位阻。在图1(a)中，2905Cmj处的峰值显示了样品间的差异，该峰值归因于亚甲基CH2的拉伸振动。漆酶处理的姜黄样品在1717CmJ处对应于R2C=O醍类能带振动的峰消失(图1(a)o漆酶处理前后葡萄种子的红外光谱显示，它们的结构几乎相同(图1(b)。从图I(C)可以看出，五倍子在3418CmJ处的能带没有发生变化，但五倍子的能带变宽，说明天然染料的羟基参与了五倍子的氧化聚合。然而，由于漆酶催化的染料数量较少，天然染料的结构转.OH-CaSC,Lj'asc.¾¾y结果可以推断，天然染料中部分酚类O-H基INatUraldyesPolymerizednaturaldyesF二K.NaturaldyesWoolDyedwoolScheme1.Mechanismofinteractionamonglaccase,phenolichydroxylbasednaturaldyes,andwool.() 8ueEsueJl40003500300025002000 ISOO IOOO 500Wavenumber (cm1)400035003000250020001500 I(XX) S00Wavenumber (cm1) 70 60 so 40 30 20() aoueEsue 二() 8ueESUBJl40003500MXM)252000ISOO1000500Wavenumber(cm1)Figure 1. FT-IRspectraofthenaturaldyes;(a)turmericandturmerictreatedwithlaccase,(b)grapeseedsandgrapeseedstreatedwithlaccase,and(c)ChinesegallnutandChinesegallnuttreatedwithlaccase.漆酶对天然染料染色性能的影响图2和表1总结了三种天然染料对样品的比色结果。2.5。.59.5 ZLLS nra> SZWDyedfabricFigure 2. K/Svaluesofthefabricsdyedwithdifferentnaturaldyes.KS值、L*、a*、b*值表示羊毛织物的着色因颜色不同而不同，其中L*表示明度，a*表示红绿度，b*表示黄蓝度。这些参数允许使用三种天然染料对不同颜色的染色样品进行直观的表达。姜黄与漆酶的Ab*使姜黄染色的织物呈浅黄色。这说明漆酶对姜黄染料有褪色作用。明度差AL*值对色差有直接影响，本文的色差较暗淡,浅阴影较少。对比3种染料的比色参数可知，五倍子与漆酶的比色系数AL*为-9.86。这表明漆酶对五倍子有明显的增暗作用。表1中给出的色差值(AE)显示葡萄种子的颜色略有变化，对应图2中的K/S值。三种天然染料对羊毛织物的染色牢度如表21和表22所示。从耐摩擦色牢度和耐水洗色牢度两方面测试了染色织物的耐色性。总的来说，漆酶处理后染色织物的耐摩擦色牢度略有提高，如表2-1所示。这主要是由于天然染料具有良好的耐摩擦色牢度。三种天然染料的褪色等级都较低，表明其色牢度较差，而漆酶的加入显著提高了染色牢度，尤其是姜黄和五倍子的染色。三种天然染料染色后羊毛样品经酶处理后的耐光色牢度和耐汗渍色牢度均有不同程度的提高(表2-2)o提高牢度的原因可能是漆酶介导的氧化作用和天然染料中酚羟基的交联作用。聚合天然染料的网状结构是其对羊毛纤维的强附着力的结果。此外，在漆能催化下，天然染料的一些酚0H基团与羊毛上酪氨酸的酚羟基形成共价键连接，也提高了染色牢度。Table1.Colorparameters(L,a,andb)ofthefabricsdyedwithdiIlercntnaturaldyesDyeLLa'b-此ETurmeric71.64-0.28-52.20-Turmericwithlaccase73.121.481.381.1038.46-13.7413.86Grapeseeds61.79-14.81-16.74-Grapeseedswithlaccase60.50-1.2915.310.5016.890.151.39Chinesegallnut53.59-4.96-20.91-Chinesegallnutwithlaccase43.73-9.862.62-2.3420.20-0.7110.16Table2-1.RubbingfastnessandWashingfastnessofthedyedsamplesDyeRubbingfastnessWashingfastnessDryWetFadingStainingofcottonStainingofwlTurmeric54-5233-4Turmericwithlaccase54-524-54-5Grapeseeds4-5434-Grapeseedswithlaccase54-534-5-Chinesegallnut54-534-54-5Chinesegallnutwithlaccase5544-55Table2-2.LightfastnessandPerspirationfastnessofthedyedsamplesPerspirationfastnessDyeLightAcidAlkalinefastnessFadingStainingofcottonStainingofWOOiFadingStainingofcottonStainingofWOOlTurmeric23-43-43-4333TurmericwithIaccasc3443-43-43-43Grapeseeds34-53-43-4433Grapeseedswithlaccase3-44-543-44-543-4Chincscgallnut43-44-543-444-5Chinesegallnutwithlaccase4-54-5554-54-54-5通过对织物的s值和牢度的分析，发现漆酶对五倍子染色织物的染色性能有明显的改善作用，而对姜黄和葡萄籽提取物染色织物有明显的改善作用。因此，在后续实验中，我们选择五倍子作为染料。不同酶促媒染法对五倍子染色羊毛颜色特性的影响基于芳香族结构在229nm和268nm处的特征吸收，记录残留染料溶液的UV-ViS光谱，研究染料浓度的变化(图3(a)。同时测定了五倍子在不同染色/漆酶染整处理后在羊毛织物上的染料竭染率(图3(b)。结果表明，在229nm和268nm染色槽处，后染法的吸光度明显低于其他两种方法。这说明在染整后处理中，染缸中天然染料的残留量非常少。同时，在相同条件下，后媒染法染色的织物的染料竭染率高于后媒染法和预媒染法染色的织物（图3（b）。这与紫外-可见光谱的结果一致。此外，五倍子染色的羊毛样品虽然呈棕褐色，但不同漆酶染整工艺的比色参数不同。对比表3中AL*和Aa*的数值可以看出，经过预处理和变质后的样品的红色变的越来越亮、越来越浅。而K/S和a*值越高，L*值越低，表明五倍子染色后颜色最深。在表3中，AE值略有差异。K/S值的CV%小于10%,染色效果较好。考虑到染色样品的色牢度较高，后染法是五倍子染色的首选工艺（表4）。Prc-<nohntlngMeta-xdanlngPost-mordanlingDyeingmethodFigure 3. (a)UV-Visspectraand(b)%dyeexhaustionofthewoolsamplesdyedwithChinesegallnut.Table3.CIELabvaluesofthedyedwoolsamplesusingChinesegallnutMethodK/SWithoutmordant1.243.8453.59-4.96-20.91-Pre-mordanting1.765.0256.562.974.27-0.6920.21-0.703.13Meta-mordanting1.6843756.773.184.54-0.4220.42-0.493.25Posl-mordanting2.125.1551.15-2.445.150.1920.38-0.532.50Table4.WashingfastnessofwoolsamplesdyedwithChinesegallnutunderdifferentIaccascmordantingproceduresMethodWashingfastnessLossofdepthStainingofcottonStainingofwiPre-mordanting23-44Meta-mordanting34-54-5Post-mordanting3-44-54-5不同染整参数对五倍子染色羊毛织物颜色特性的影响以五倍子染色羊毛织物为研究对象，研究了漆酶后染整条件对五倍子染色织物染色性能的影响。结果如图4所示。染料竭染率是指染色纤维表面和内部的染料占染色总量的百分比，而K/S值表示表面染色深度。从图4可以看出，中国五倍子染色羊毛织物的K/S值随着漆酶用量的增加而增加，在较高浓度时趋于稳定。当漆酶添加量为2g/1时，染料竭染率增加到最大，然后随着漆酶添加量的增加而降低。首先，漆酶可以催化含酚羟基天然染料的偶联或聚合，导致染色羊毛织物的K/S值升高，染料耗损。其次，较高的漆酶用量可以部分降解多酚类天然染料，防止染料在纤维内部的固定。为了研究不同染色时间对染色工艺的影响，对漆酶处理时间124h进行了评估。从图5可以看出，随着反应的进行，染料的上染度和K/S值都在增加，并在12h时达到最大值。然而，反应时间的进一步增加导致染料上染度和色强下降。这可能是由于长时间孵育后酶活性下降所致。此外，漆前对染料的脱色可能是导致色强降低的一个因素。综上所述，五倍子毛织物漆酶后染整的最佳时间为12h。当PH增加到6时，五倍子染色样品的染料竭染率和K/S值显著提高，超过pH6后则下降（图6）。这可能是由于漆酶活性对PH的依赖，PH值越低，漆酶活性越低。同时，天然染料分子不能被活性较低的漆酶有效催化。因此，五倍子染色羊毛织物漆醉后染整的最适PH值为PH6o如图7所示，K/S值和染料耗竭随漆酶温度的升高而增加，在60时达到最大值。这可能是由于五倍子溶液在低温媒染剂染色时扩散速率低，迁移能力差，容易导致羊毛织物色深降低，染料上染降低。反之，由于漆酶活性较低，所以在较高的温度下，羊毛织物的色深会降低。然而，最佳温度会加速染料的吸收。由此得出，漆酶对五倍子染色羊毛织物媒染的最佳温度为60。还研究了不同浓度五倍子对染色过程的影响（图8）。从图8可以看出，五倍子染色羊毛织物的染料上染和K/S值随着五倍子浓度的增加而增加。如前所述，天然染料中的酚羟基在漆酶催化剂作用下偶联或聚合，使染色羊毛织物的K/S值和染料上染增加。低浴比会导致织物着色不均匀，造成大量水的浪费。图9显示了用五倍子染色的羊毛样品的染料耗竭和K/S值，所述羊毛样品使用漆酶催化剂在不同液比下的后媒染法染色。五倍子染色羊毛织物的K/S值和染料耗竭均随浴比的增加而增加，然后在较高的浴比下稳定。这些结果表明，1:100的浴比是最佳的。62()UOnSneUXaA。一一DyccxhauslM)n-A-ICSvalue68DydugionJ2.04K.Svalue三-5S()Uo=SneUXeex。1.accasedosage(gl)Figure4.DyeexhaustionandcolorstrengthofthewoolSamPIeSdyedwithwoolSamPleSdyedwithChinesegallnutusingpost-mordantingwithvariousdosageoflaccase.Time(h)Figure5.DyeexhaustionandcolorstrengthoftheChinesegallnutusingpost-mordantingwithlaccasefordifterentperiods.8481787572()UO=SneUXaAanro>s2.642。pHvalue40455055606570Temperature()6307466855()UO=SneUXaAaFigure6.DycexhaustionandcolorstrengthoftheWOOlsamplesdyedwithChinesegallnutusingpost-mordantingwithIaccascatdiffcrcntpHs.Figure7.DycexhaustionandcolorstrengthofthewoolsamplesdyedwithChinesegallnutusingpost-mordantingwithIaccascaidifferenttemperatures.70686664(承)UOQSneUX>01.30Chinesegallnutusingpost-mordantingwithlaccaseatdifferentconcentrationsChinesegallnut.1.iquorratioFigure9.DyeexhaustionandcolorstrengthoftheWoolsamplesdyedwithChinesegallnutusingpost-ofmordantingwithIaCCaSeaidifferentliquorratios.结论在本研究中，漆酶处理在一定程度上改善了天然染料对羊毛织物的染色性能，特别是对于五倍子织物。结果表明，用漆酶后媒染法着色效果最好。此外，通过调整酶的用量、染色时间、PH和染色温度等酶促反应条件，可获得较高的显色率。与使用有毒媒染剂的天然染料对羊毛织物进行染色的传统方法相比，酶法染色具有许多优点。本研究展示了一种更加环保的方法，可以在无污染的条件下，用天然染料对羊毛织物进行染色。