溶菌酶在等离子体改性PLA纤维上的固定

孙欣悦，薛亚玲，逯向阳，戴圣轩，麻文效

(内蒙古工业大学 轻工与纺织学院，内蒙古自治区 呼和浩特 010800)

随着环境的日益恶化，人们的生活水平要求也逐渐提高，关于日用保健医疗功能材料的开发正引人注目。PLA是一种新型的生物基及可再生生物降解材料，由可再生的植物资源(玉米等)所提出的淀粉原料制成，使用后能被自然界中微生物在一定的条件下完全降解，不产生污染环境，是公认的生态友好材料[1-5]。PLA还具有优良的芯吸性与导湿快干性，性能优于常见的合成纤维[6]。广泛分布于动物、植物和微生物中的溶菌酶(Lysozyme)，能有效地水解细菌细胞壁中的N-乙酰胞壁酸和N-乙酰葡萄糖胺的β- 1,4糖苷键，使细菌细胞壁变得松弛衰亡[7]。另外溶菌酶通常带有大量的正电荷，可与带负电荷的病毒蛋白直接结合，与DNA、RNA脱辅基蛋白形成复盐，使病毒失活[8]。进行溶菌酶在PLA纤维布接枝，将赋予PLA纤维一定的抗菌等生物功能。

为增加纤维的接枝点，本实验首先利用氧气低温等离子处理PLA纤维以产生更多的含氧基团，然后在交联剂架桥下进行溶菌酶的嫁接固定，旨在开发医用功能PLA纤维制品，进而提高PLA纤维材料的附加值。

1 实验部分

1.1 材料

材料：PLA无纺布(80 g/m2)。

试剂：溶菌酶(郑州苍宇化工)、聚碳化二亚胺UN557、多官能团氮丙啶交联剂TTMAP、环氧交联剂EDGE(成都艾科达化学试剂有限公司)、亚甲基蓝、乙醇、溴化钾、丙酮、冰醋酸、NaOH(天津市北联精细化学品开发有限公司)。三种交联剂的结构简式如图1所示。

图1 交联剂结构简式

1.2 实验仪器

Omega DT-03型低温等离子体处理仪，岛津傅里叶变换红外光谱仪 IRAffinity-1，HD101A型电热鼓风烘箱(南通宏大实验仪器有限公司)，水浴恒温振荡器。

1.3 实验方法

1.3.1 PLA的预处理

采用丙酮溶液(5%)对PLA无纺布进行表面清洗以去除污渍等的表面杂质。

工艺处方及条件：在超声清洗器中清洗30 min，之后在恒温45℃的水浴锅中浸泡8 h。预处理结束用去离子水充分洗涤，烘干备用。

1.3.2 低温等离子体改性

将1 g的PLA无纺布放入两电级为8.5 cm低温等离子体处理腔中，抽真空到20 Pa，打开减压阀通入氧气，设定不同参数的压强、功率和放电时间进行辉光放电处理。之后将PLA布取出置于空气中30 min后待接枝。

1.3.3 溶菌酶在PLA纤维上的固定

4块等离子体处理无纺布用于溶菌酶的接枝。将PLA试样分别先置于4个100 mL浓度为5 g/L溶菌酶水溶液烧瓶中，其中1个不加任何交联剂，另3个分别加入0.1 g氮丙啶、聚碳化二亚胺、环氧三种交联剂；调整EDGE交联液pH值=9～10；氮丙啶交联剂与聚碳化二亚胺交联剂接枝液pH值=4～5。在一定温度下，磁力搅拌2～6 h后，取出用去离子水充分洗涤，50℃烘干8 min后自然晾干。

1.4 测定

1.4.1 染色性能

PLA纤维在经过氧气的低温等离子气体改性后，PLA纤维表面会主要产生羟基和羧基，用亚甲基蓝在pH值=8的条件下常温着色，测定着色K/S值。

1.4.2 接枝率

根据接枝前后的质量来计算织物的增重率，接枝率按照公式

G=(W-W0)/W0×100%

式中：G为接枝率，W为未整理的PLA纤维的绝对干质量；W0为溶菌酶经交联剂接枝的绝对干质量。

1.4.3 红外光谱

本实验利用傅立叶变换红外光谱(FTIR-ATR)来进行PLA的表面化学成分分析。全反射棱镜为ZnSe棱镜，方向为45°，设置扫描次数100次，扫描范围400 cm-1到4000 cm-1，实验数据再经过计算机系统处理并输出，最后经过origin软件绘制得到红外谱线。

1.4.4 固定化酶活力

采用金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)和大肠埃希菌(革兰氏阴性菌)进行检测。抗菌性能测试将参照 GB/T 20944.3-2008 标准，选用振荡烧瓶法对改性PLA纤维样品进行抗菌性能测试。

评价测试：样品的抗菌性能通过抑菌率进行评价，可按下列公式计算得出：

XS=(A-B)/A

式中：XS-抑菌率，%；A-被试样品振荡前平均菌落数；B-被试样品振荡后平均菌落数。

2 结果与讨论

2.1 染色性能

表1 亚甲基蓝着色PLA纤维的K/S值

PLA纤维经不同氧气离子体处理后亚甲基蓝着色K/S值如表1所示。可以发现，氧气等离子体处理后，PLA的染色效果得到大幅度的提升，这是等离子体处理在纤维表面引入了新的羧基，进而增加了阳离子性亚甲基蓝的着色部位。几种进气量、放电时间以及电功率的因素对等离子体处理染色效果的影响中，压强为35 Pa、处理时间为3 min、处理功率为250 W时PLA纤维的上染率最好。图2展示了等离子体未处理与最优处理的着色效果。

图2 氧气等离子体处理PLA前后亚甲基蓝的着色对比

2.2 溶菌酶接枝

溶菌酶是蛋白质，分子中含有大量的氨基与羧基，而PLA是聚乳酸高分子，活性基团是羟基与羧基，要使二者共价键结合，交联剂应为多官能基化合物，其一端能与羧基或氨基反应而另一端可与羟基或羧基反应。纤维改性常用交联剂有醛类交联剂、异氰酸酯交联剂、氮丙啶交联剂、环氧交联剂、丙烯酰胺类交联剂[9]。其中醛类交联剂一般难与羟基或羧基反应，异氰酸酯交联剂极易与水反应，丙烯酰胺类交联剂需要高温，故氮丙啶交联剂与环氧交联剂可应用于本实验方案。另外聚碳化二亚胺交联剂被报道是一种常温皮革交联剂，与羧基有高的反应性[10]，也很适合在溶菌酶和PLA的羧基间架桥。

2.2.1 反应温度对接枝率的影响

在适宜反应时间和交联剂用量条件下，以反应温度为单一变量进行多组实验。固定溶菌酶0.2 g、交联剂0.1 g；时间为4 h，温度选取常温、30、40、50、60℃，交联反应后接枝率变化如表2所示。

表2 反应温度对接枝率的影响

可以看出当使用EDGE交联剂时，溶菌酶接枝率随着温度的不断升高而增加，表明交联剂需在高温条件下才能完成较好的接枝反应，但过高的温度可能不适合溶菌酶存活，因此应选60℃左右进行接枝反应。溶菌酶经聚碳化二亚胺和氮丙啶接枝时，30℃以后接枝率基本稳定，略有所提高，这说明二者在低温下的反应活性已经很好，提高温度对接枝影响不大。

2.2.2 反应时间对接枝率的影响

根据交联剂的有效接枝温度，固定EDGE交联在60℃时、聚碳化二亚胺和氮丙啶交联在30℃，以反应时间为单一变量进行多组实验。实验中，0.2 g溶菌酶和0.1 g交联剂的添加量不变。表3给出了不同时间后的接枝情况。

EDGE用作交联剂时，8 h后接枝达到平衡，之后稍有下降，可能是一部分物理粘附物被清洗下去的原因。氮丙啶和聚碳化二亚胺作为交联剂，接枝时间在12 h后达到最佳。另外发现，氮丙啶交联剂的接枝效果要比聚碳化二亚胺要好一些，这可能是聚碳化二亚胺分子量太大，产生了一定的空间位阻，进而影响溶菌酶的嫁接。

表3 反应时间对溶菌酶接枝率的影响

注：EDGE交联温度为60℃，聚碳化二亚胺和氮丙啶交联均为30℃。

2.2.3 溶菌酶在PLA纤维的直接固定

为了分析氧气等离子体处理和交联剂架桥的有效作用，三种等离子体未处理的PLA纤维在最优处理条件下分别用氮丙啶、环氧基、聚碳化二亚胺交联剂进行了溶菌酶嫁接。另外，最优氧气等离子体处理后，无交联剂添加的条件下，溶菌酶在PLA纤维的固定也做了实验。表4给出了相应的接枝结果，很明显，溶菌酶接枝率远都低于氧气等离子体处理后加入交联剂的情况。同时发现，EDGE的交联最差，可能基于环氧基与羟基或氨基在高温下开环反应的原因。关于无交联剂情况下，溶菌酶在PLA纤维的接枝率0.59%应该是酸性条件下，二者以电价键的方式发生了嫁接。

表4 等离子体未处理和交联剂无添加的接枝率

注：无交联剂嫁接和EDGE交联嫁接均为60℃、8 h；聚碳化二亚胺和氮丙啶交联为30℃、12 h。

2.3 红外光谱分析

图3 PLA改性前后及接枝溶菌酶的红外光谱图

PLA纤维经氧气等离子体处理前后及溶菌酶接枝的样品进行了红外光谱测试，相应波谱如图3所示。与未处理PLA样品相比，等离子体处理后在3400 cm-1和1700 cm-1附近出现了幅度变化较大的-OH与-COOH吸收峰，这是PLA被氧化的结果。溶菌酶接枝后，1540 cm-1产生了新的波峰，可以认为是其氨基酸中大量-NH2的弯曲振动吸收，同时，3400 cm-1的吸收也变宽。这些表明PLA纤维经氧气低温等离子体改性使溶菌酶成功固定在其表面。

2.4 抗菌性能测试

溶菌酶固定在PLA上最重要的功效是具备抗菌性能，经等离子体处理与交联剂辅助接枝率虽然得到很大的提升，但其失活与否是至关重要的。表5显示了PLA纤维对大肠杆菌和金黄葡萄球菌的抗菌实验结果。可以看出，未处理PLA纤维的菌落数极多，缺乏抗菌性。溶菌酶在PLA上固定后的菌落数大大降低，抗菌性能有了很好的改善，该实验材料有望作为医疗卫生保健材料。

表5 溶菌酶在PLA上固定化的抗菌性测试

3 结论

对PLA纤维进行低温等离子体辐射改性，经氧气等离子体处理的PLA纤维表面增加了-OH与-COOH，为溶菌酶接枝实验提供了多位点接枝条件。等离子体处理采用单因素法，改变三种影响参数，经亚甲基蓝着色效果选择出了最优工艺。接枝反应中，环氧交联剂、环氮交联剂、聚碳化二亚胺三种交联剂分别被使用。增重率分析得出，氮丙啶与溶菌酶接枝效果最好，适用于蛋白质类物质的低温嫁接。红外光谱证实等离子体对PLA产生氧化基团，另外溶菌酶的氨基峰也出现在接枝PLA纤维表面。溶菌酶固定PLA纤维具有了好的抗菌能力，对金黄葡糖球菌和大肠杆菌的抑菌率均超出80%，这将有助于其更好地运用在保健抗菌领域。改性PLA纤维将满足人们对于纺织品更高的需求。