葉夢妮, 邵 敏

(浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室, 杭州 310018)

蠶絲纖維表層酪氨酸含量及其與活性染料染色性能的關(guān)系

葉夢妮, 邵 敏

(浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點實驗室, 杭州 310018)

通過高效液相色譜法(HPLC)和紅外光譜法(FT-IR)分析酪氨酸在絲素纖維表層的分布狀況,并在此基礎(chǔ)上探明酪氨酸和活性染料反應(yīng)性能之間的關(guān)系。實驗結(jié)果表明:絲素纖維的外表層和次表層多為結(jié)構(gòu)疏松的無定形區(qū),且酪氨酸在外表層和次表層分布較多;酪氨酸的酚羥基與一氯均三嗪型活性染料反應(yīng)性能優(yōu)于和乙烯砜型活性染料的反應(yīng)性能,并且酪氨酸與染料分子反應(yīng)絕大部分發(fā)生在結(jié)構(gòu)疏松的最外表層。

桑蠶絲; HPLC; FT-IR; 酪氨酸; 活性染料

0 引 言

活性染料是唯一一類能與纖維以共價鍵結(jié)合的染料,應(yīng)用活性染料對蠶絲進(jìn)行染色可以提高其染色牢度,在弱堿性條件下,蠶絲表面富集的酚羥基是與活性染料反應(yīng)的重要基團[1]。高效液相色譜法具有高效、簡便、準(zhǔn)確等優(yōu)點,常被用于活性染料與纖維素纖維的結(jié)合能力研究、活性染料自身的水解性能研究[2-3]以及蠶絲親核基團與活性染料鍵合性能研究。在選用對甲酚模擬蠶絲絲素上的酚羥基與活性染料進(jìn)行模擬反應(yīng)的實驗中[4],發(fā)現(xiàn)酚羥基與不同類型的活性染料反應(yīng)性能亦存在差異。然而蠶絲纖維的實際染色過程更為復(fù)雜,除了親核基團對染色性能有影響外,蠶絲表面與本體之間在物理結(jié)構(gòu)上的差異性也會對染色性能造成一定的影響。

鄭今歡等[5]通過福林試劑法和紫外光譜法對桑蠶絲和柞蠶絲中酪氨酸分布狀態(tài)以及光照后對蠶絲中酪氨酸分布狀態(tài)的影響進(jìn)行了初步的探討。本文利用酪氨酸在紫外區(qū)有特征吸收這一特性,通過高效液相色譜法并結(jié)合紅外光譜法來測定絲素表層中酪氨酸的含量,在模擬染色的基礎(chǔ)上對蠶絲進(jìn)行實際染色,在探明了蠶絲表層中酪氨酸含量的基礎(chǔ)上,結(jié)合蠶絲纖維結(jié)構(gòu)上的特點,研究酪氨酸的酚羥基與活性染料在實際染色過程中的反應(yīng)情況。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

纖維和染料:桑蠶絲(浙江湖州產(chǎn)春蠶絲),一氯均三嗪(MCT)型活性染料:活性艷橙K-G和活性翠藍(lán)K-GL、乙烯砜(VS)型活性染料:活性翠藍(lán)KN-G和活性艷藍(lán)KN-R染料均為為商用染料(泰興市錦雞染料有限公司)。

化學(xué)試劑:L-酪氨酸(上?？到萆锟萍及l(fā)展有限公司),鹽酸(分析純),燒堿(分析純),甲酸(分析純),乙腈(分析純)。

1.2 實驗儀器

HP1100高效液相色譜儀(美國安捷倫科技有限公司),Nicolet 5700傅里葉變換紅外光譜儀(美國賽默飛世爾公司),萬分之一電子天平(上海精密科學(xué)儀器有限公司),電熱恒溫水浴鍋(上海精宏實驗設(shè)備有限公司);DGG-9070A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海森信實驗儀器有限公司),KQ-100DB數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司),pHS-2F pH計(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)。

1.3 蠶絲的染色

a) 染液配方

染料 2%(owf);

Na2SO440 g/L;

Na2CO316 g/L;

NaHCO34 g/L;

浴比 1∶50。

b) 工藝流程

染色總時間為100 min,染色過程見圖1。

1.4 蠶絲水解液的制備

a) 絲素全溶:將1 g蠶絲絲素以及染色后蠶絲分別置于100 mL容量瓶中,加入6 mol/L的HCl溶液50 mL然后在沸水浴中加熱12 h,使得蠶絲全部水解,待蠶絲水解液冷卻后再加入6 mol/L的NaOH溶液50 mL使其中和,取樣,過濾后注入HPLC分析用的樣品瓶中。

b) 絲素表層的溶解:將1 g蠶絲絲素置于100 mL容量瓶中,加入4 mol/L的鹽酸50 mL,置于40℃水浴鍋中加熱4 h或12 h,冷卻后再加入HCl配置成6 mol/L的蠶絲水解液,再在沸水浴中加熱12 h,蠶絲水解液冷卻后加入6 mol/L的NaOH溶液使其中和,取樣,過濾后注入HPLC分析用的樣品瓶中。經(jīng)過4 h和12 h水解后殘余的蠶絲絲素用去離子水清洗,烘干,測定處理過程絲素的失重率。

1.5 紅外光譜分析

將未經(jīng)處理的蠶絲絲素原樣和經(jīng)HCl溶解一定時間后的殘余絲素水洗烘干,用哈氏切片器切成粉末,取1 mg絲素粉末與100 mg溴化鉀充分混合研磨,壓片后進(jìn)行紅外光譜測試,利用傅里葉紅外光譜來分析溶蝕前后的絲素的結(jié)晶度以及絲素中的酪氨酸含量的變化。

紅外光譜測試條件:波數(shù)范圍4 000～400 cm-1,掃描次數(shù)32次,分辨率4 cm-1。

1.6 高效液相色譜分析

a) 酪氨酸標(biāo)準(zhǔn)曲線:配制不同濃度標(biāo)準(zhǔn)酪氨酸溶液,分別稱取0.001、0.002、0.006、0.010、0.014、0.018、0.022、0.026、0.030、0.035、0.040 g酪氨酸粉末溶解在100 mL去離子水中,超聲震蕩至澄清。對制備好的標(biāo)準(zhǔn)酪氨酸溶液應(yīng)用高效液相色譜分析定量,制成酪氨酸定量標(biāo)準(zhǔn)曲線,如圖2所示。

L-酪氨酸線性方程為y=8 642.1x+42.465,相關(guān)系數(shù)為0.998 9,通過測定絲素溶解后的峰面積,可求得其中酪氨酸的含量(g·L-1)。

b) 將1.4中制備好的樣品用高效液相色譜進(jìn)行分離檢測,對樣品中的酪氨酸進(jìn)行定量。

c) 測試條件:SB-C18(150 mm×4.6 mm,5 μm);流速1.0 mL/min;進(jìn)樣量20 μL; 柱溫30℃;梯度0～9 min流動相比例從V乙腈∶V甲酸=5∶95轉(zhuǎn)變到V乙腈∶V甲酸=95∶5,9 min后流動相比例維持在V乙腈∶V甲酸=95∶5;停止時間12.50 min;后運行時間12.50 min;檢測波長276 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 蠶絲絲素表面結(jié)晶度分析

對未經(jīng)過處理的蠶絲纖維和經(jīng)過HCl溶液分別處理4 h和12 h的殘余絲素溴化鉀壓片,再進(jìn)行紅外光譜測試,其原始紅外光譜圖見圖3。

如圖3所示,1 230 cm-1歸屬于蠶絲酰胺Ⅲ帶中無規(guī)線團(構(gòu)成無定形區(qū))的特征吸收,1 263 cm-1歸屬于蠶絲酰胺Ⅲ帶中呈反平行β-折疊結(jié)構(gòu)(構(gòu)成結(jié)晶區(qū))的特征吸收[6]。通過求這兩個譜帶的峰面積比值,可獲得纖維表面結(jié)晶度變化的有關(guān)信息[6-7]。

計算相對結(jié)晶度的平均值。表1比較了未處理絲素及HCl處理不同時間后殘余絲素的相對結(jié)晶度。

由表1可以發(fā)現(xiàn),未經(jīng)處理時蠶絲原樣的相對結(jié)晶度為62.9%,經(jīng)HCl處理4 h,絲素的失重率為10.03%,其相對結(jié)晶度為63.5%;處理12 h,失重率是37.32%時,結(jié)晶度是64.7%。表明蠶絲絲素纖維表面部分結(jié)晶度隨HCl溶蝕時間的延長而逐漸增大,4 mol/L的HCl溶液在40℃下處理蠶絲絲素時條件比較溫和,蠶絲首先進(jìn)入的是蠶絲纖維中易被溶落的區(qū)域,該部分區(qū)域結(jié)構(gòu)較相對蠶絲纖維內(nèi)部疏松。

2.2 蠶絲絲素中酪氨酸的含量分析

2.2.1 絲素中酪氨酸含量的紅外分析

從表2可以看出,未處理蠶絲中酪氨酸相對含量為22%,HCl處理4 h減少到14%,相比之下,酪氨酸的含量減少為原來的7/11;處理12 h時殘余絲素酪氨酸相對含量為9%,與原蠶絲的22%相比含量大幅度減少為原來的9/22,說明HCl處理時蠶絲纖維中結(jié)構(gòu)疏松的無定型區(qū)先被破壞,剩余絲素表面酪氨酸相對含量逐漸減少,表明在蠶絲纖維中易被溶落的結(jié)構(gòu)較為疏松的區(qū)域中分布著較多的酪氨酸,含量占蠶絲中酪氨酸總量的60%左右。

2.2.2 絲素中酪氨酸含量的高效液相色譜分析

蠶絲中的酪氨酸和色氨酸都存在著共軛雙鍵,在紫外部分均有吸收[3],最大吸收波長為276 nm,但絲素經(jīng)HCl處理后溶落層中的色氨酸已經(jīng)被破壞,所以可以用HPLC來檢測酪氨酸的含量,且酪氨酸、苯丙氨酸、組氨酸的保留時間分別為2.33、3.66 min和1.37 min。

圖5為絲素全部水解后的樣品的HPLC色譜圖,酪氨酸的保留時間為2.3 min,與標(biāo)樣一致,根據(jù)峰面積測得酪氨酸占絲素纖維的11.71%。

蠶絲纖維進(jìn)行HCl溶落水解反應(yīng)是一個由表及里的漸進(jìn)過程。蠶絲在4 mol/L的HCl溶液中40℃下水解4 h和12 h,對溶落層中的絲素蛋白、肽鏈進(jìn)一步在6 mol/L的HCl溶液中100℃下水解12 h后用HPLC分析,得到的酪氨酸含量變化見表3。

將高效液相色譜中所測得的色譜峰峰面積代入酪氨酸的標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到溶解液中酪氨酸的濃度c(g/L),根據(jù)下面公式計算溶落層中酪氨酸的百分含量：

溶落層中酪氨酸含量百分比=(c×V)/m0×100%.

其中:m0為蠶絲的重量,V是溶解液的體積。

隨著失重率的增加,溶落層中酪氨酸含量也在逐漸增加,殘余絲素中酪氨酸含量則慢慢減少。溶解4 h時,即失重率為10%時,溶落層中酪氨酸含量只占溶落蠶絲水解液重量的1.13%;溶解12 h時,失重率達(dá)35%左右,溶落層中酪氨酸含量為5.67%,已經(jīng)達(dá)到全溶絲素中酪氨酸總量的50%左右。表明蠶絲表層中就易溶落的區(qū)域中分布著相對較多的酪氨酸,占酪氨酸總量的50%左右,與紅外光譜測定的酪氨酸含量基本相符。

2.3 活性染料染色前后的蠶絲絲素中酪氨酸含量 分析

在活性染料與絲素的模擬反應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn),不同類型的活性染料與絲素中酪氨酸的酚羥基反應(yīng),其反應(yīng)性能存在較大的差異[4]。一氯均三嗪型活性染料以及乙烯砜型活性染料是最有代表性的兩類活性染料,前者與酚羥基的反應(yīng)性能很好,相比之下,后者與酚羥基的反應(yīng)性能則較差。本研究選用這兩類活性染料對蠶絲進(jìn)行實際染色,比較染色后蠶絲中的酪氨酸含量,分析實際染色中不同類型活性染料與絲素中酪氨酸的反應(yīng)性差異。

表4比較了蠶絲經(jīng)一氯均三嗪型活性染料和乙烯砜型活性染料實際染色時蠶絲中酪氨酸含量變化的差異。染料與蠶絲中酪氨酸的酚羥基結(jié)合得越多,經(jīng)HCl全部溶蝕后剩余的酪氨酸就越少,經(jīng)表4數(shù)據(jù)顯示,兩種類型的染料與蠶絲反應(yīng)后酪氨酸減少的量均相對較少,蠶絲經(jīng)MCT型活性染料和VS型活性染料染色后酪氨酸分別減少了1.2%和0.1%左右,前者減少的量是后者的十幾倍,說明MCT型染料與酪氨酸的酚羥基結(jié)合比VS型活性染料多,這與模擬反應(yīng)[4]得到的結(jié)果一致。

注:Δ(4 h-12 h)表示HCl處理4～12 h之間溶落的酪氨酸的百分含量。

將染色后的蠶絲分別用HCl溶液水解4 h和12 h,經(jīng)計算分析可得,全溶時經(jīng)活性翠藍(lán)K-GL染色后的蠶絲中酪氨酸減少總量為1.1%;水解4 h時酪氨酸已經(jīng)減少了0.85%,占全溶時減少總量的80%左右;經(jīng)過12 h水解后,由于結(jié)晶度變大,結(jié)構(gòu)較外表層稍微緊密一些,此時酪氨酸的減少的量微乎其微。蠶絲經(jīng)活性艷橙K-G染色后,全溶時蠶絲中酪氨酸減少總量為1.3%;溶解4 h時酪氨酸已經(jīng)減少的量占全溶時減少總量的45%;溶解12 h時,酪氨酸減少占減少總量的91%,表明蠶絲和活性艷橙K-G的反應(yīng)絕大部分發(fā)生在結(jié)構(gòu)較為疏松的外表層;這與活性翠藍(lán)K-GL情況基本一致?；钚源渌{(lán)KN-G、活性艷藍(lán)KN-R對蠶絲進(jìn)行染色后,酪氨酸減少的量非常少,但也幾乎都是發(fā)生在蠶絲纖維結(jié)構(gòu)疏松的外表層。通過以上分析結(jié)果表明染料分子容易進(jìn)入蠶絲結(jié)構(gòu)疏松的外表層,也易與其內(nèi)的酪氨酸結(jié)合,越靠近內(nèi)層結(jié)晶度越大,結(jié)構(gòu)也越致密,染料很難進(jìn)入并與酪氨酸結(jié)合反應(yīng)。

3 結(jié) 論

a) 由紅外光譜分析可知,蠶絲絲素纖維表面部分結(jié)晶度隨HCl溶蝕時間的延長而增大,蠶絲纖維的外表層結(jié)構(gòu)較內(nèi)層相對比較疏松;b) 通過高效液相色譜法檢測蠶絲中酪氨酸含量顯示,在失重率達(dá)到35%時,酪氨酸含量占全溶絲素中酪氨酸含量的50%左右,表明酪氨酸在易溶落的外表層含量相對較多;c) 蠶絲酪氨酸上的酚羥基與一氯均三嗪型活性染料反應(yīng)性能優(yōu)于與乙烯砜型活性染料的反應(yīng)性能,且酪氨酸與染料分子反應(yīng)絕大部分發(fā)生在結(jié)構(gòu)疏松的外表層。

[1] 邢鐵玲. 活性染料與真絲綢的反應(yīng)機理[J]. 國外絲綢. 1993, 20(3): 30-32.

[2] Nalankilli G. Reaction mechanism of reaction dyes with silk[J]. Am Dyest Rep, 1994, 83(9): 28-34.

[3] Wang Z J, Shao M, Shao J Z. Study on the hydrolysis kinetics of vinylsulfone reactive dyes with HPLC analysis[J]. Journal of Textile Reseach, 2006, 27(9): 9-13.

[4] 邵 敏, 邵建中, 劉今強, 等. 絲素與一氯均三嗪型活性染料反應(yīng)性的HPLC研究[J]. 紡織學(xué)報, 2007, 28(6): 83-87.

[5] 鄭今歡, 邵建中, 劉今強. 蠶絲絲素蛋白中酪氨酸分布的初探[J]. 紡織學(xué)報, 2001, 22(6): 351-353.

[6] Dousseau F, Pezoletm M. Determination of the secondary structure content of proteins in aqueous solutions from their amideⅠ and amideⅡ infrared bands: comparison between classical and partial least-squares methods[J]. Biochemistry, 1990, 29(2): 8771-8779.

[7] Byler D M, Susi H. Examination of the secondary structure of proteins by deconvolved FTIR spectra[J]. Biopolymers with Peptide Science, 1986, 25(3): 469-487.

[8] 邢本剛, 梁 宏. FT-IR在蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 廣西師范大學(xué)學(xué)報, 1997, 15(3): 45-49.

[9] Shikawa H I, Nagura M. Structure and physical properties of silk fibroin[J]. Sen-I Gakkaishi, 1983, 39(10): 353-363.

[10] 謝孟峽, 劉 媛. 紅外光譜酰胺Ⅲ帶用于蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的測定研究[J]. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報, 2003, 24(2): 226-231.

(責(zé)任編輯： 許惠兒)

Tyrosine Content on Surface of Silk Fiber and Its Relationshipwith Dyeing Properties of Reactive Dyes

YE Meng-ni, SHAO Min

(The Key Laboratory of Textile Materials and Manufacturing Technology,Ministry of Education, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

This paper analyzes the distribution of tyrosine on the surface layer of fibroin fiber with high performance liquid chromatography (HPLC) and infrared spectroscopy (FT-IR) and explores the relationship between tyrosine and the reactive performance of reactive dye on this basis. The experimental result shows that the outer surface and subsurface of fibroin fiber are mostly amorphous regions with loose structure and tyrosine is mostly distributed on the outer surface and subsurface; the reactive performance of phenolic hydroxyl group of tyrosine and monochlorotriazine reactive dye is better than that of it and vinyl sulfone reactive dye; the reaction between tyrosine and dye molecule mostly occurs on the outer surface with loose structure.

silk fiber; HPLC; FT-IR; tyrosine; reactive dye

1673- 3851 (2015) 05- 0596- 05

2014-11-11

葉夢妮(1989-),女,浙江臺州人,碩士研究生,主要從事新型紡織材料及生態(tài)紡織品的研究。

TS141.8

A