生物酶在纺织品生态染整加工中的应用日益受到人们的关注,尤其在纺织品染色方面的应用成为近年来的研究热点。与传统合成染料染色相比,酶催化染色具有环境友好及染色条件温和等优点。本文研究了漆酶催化蛋白质纤维生物染色新方法,为纺织品生态染色提供新的途径。本课题首先研究了漆酶催化蛋白质纤维产生的原位显色效应,并对显色蛋白质纤维织物进行颜色性能测试和形态分析;选择酪氨酸、色氨酸为模拟单体,分别阐述了漆酶催化这两种氨基酸的反应过程,并测试其产物分子量进而推测结构式,然后对显色蚕丝、羊毛织物进行结构表征,结合这两方面的分析结果推测漆酶催化蛋白质纤维原位显色机理;利用漆酶催化外源单体酪氨酸聚合生色并对蛋白质纤维染色可提高其颜色深度,引入色氨酸为外源单体进行酶促聚合染色,可赋予蛋白质纤维不同颜色;通过漆酶催化多巴对蚕丝织物生物染色还可以提高其抗紫外性能。主要研究内容和结论如下:首先,利用漆酶对蚕丝、羊毛织物进行处理。通过对比漆酶对蚕丝、羊毛及棉织物的处理效果,发现蚕丝、羊毛织物均呈棕黄色,而作为对照的棉织物颜色未发生变化,说明漆酶能催化蛋白质类纤维发生氧化作用而显色。以K/S值为评价指标对漆酶催化蚕丝、羊毛织物原位显色工艺进行优化并对显色织物的颜色性能进行测试,获得的最优处理工艺为:漆酶用量1.2U/m L,时间24h,pH5.0,温度50℃,浴比50:1。显色蚕丝、羊毛织物的耐干、湿摩擦色牢度均为4-5级,耐晒色牢度为2-3级,具有较好的显色均匀性,且其颜色对不同温度水溶液和弱酸溶液的稳定性较好,对强酸溶液及金属离子的稳定性稍差。利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、数码显微镜和光学显微镜等对显色蚕丝、羊毛纤维表面进行形态分析,结果显示,蚕丝纤维表面光滑,羊毛纤维表面鳞片层清晰,均无附着物,形貌未发生明显变化,纤维内部显色均匀。其次,表征漆酶催化所选模拟单体氧化反应产物的分子量和结构及监测其反应历程,结合对显色蚕丝、羊毛织物的表面特性和结构特征分析,探究了基于漆酶催化氧化的蚕丝、羊毛织物原位显色机理。其一,综合红外光谱、基质辅助激光解析/电离飞行时间质谱和液质联用等分析手段得出,漆酶催化酪氨酸单体生成酚氧自由基和苯环碳自由基,这两种自由基之间可发生偶合反应,另外苯环碳自由基也可以与另一酪氨酸单体的氨基发生迈克尔加成反应,通过不同方式的连接,漆酶催化酪氨酸氧化产物为二聚体、三聚体及四聚体的混合物(聚酪氨酸色素);色氨酸单体在漆酶催化氧化作用下生成吡咯氮自由基和苯环碳自由基,两种自由基之间同样可以发生偶合反应形成包含二聚体及三聚体的混合物(聚色氨酸色素);酪氨酸/色氨酸混合物在漆酶催化氧化作用下,不仅酪氨酸单体和色氨酸单体分别发生自聚反应,而且酪氨酸单体和色氨酸单体之间可发生共聚反应,包括酪氨酸-色氨酸(1:1)、酪氨酸-色氨酸(2:1)和酪氨酸-色氨酸(3:1)共聚物。从生成的氧化产物颜色看出,聚酪氨酸色素为棕黄色,聚色氨酸色素为红褐色,结合漆酶催化蚕丝和羊毛织物显棕黄色及蚕丝、羊毛大分子肽链中酪氨酸残基比色氨酸残基含量高,推断得出,漆酶催化蚕丝和羊毛织物显色过程中酪氨酸残基的氧化偶合反应起主要作用,色氨酸残基的氧化偶合反应起次要作用。其二,对显色蚕丝、羊毛织物进行DMF(N,N-二甲基甲酰胺)处理、全反射红外光谱、X射线光电子能谱、紫外-可见吸收光谱测试及对蚕丝水解液进行液质联用等测试分析。结果表明,DMF处理后显色蚕丝、羊毛织物的K/S值基本未发生变化;ATR-IR和XPS结果发现显色蚕丝、羊毛纤维结构中新增C=O、C-O-C及C-N,其大分子肽链间形成新的共轭结构;LC-MS分析表明显色蚕丝水解液中检测到二聚酪氨酸和酪氨酸-色氨酸结构。综合以上两方面的分析结果推测出漆酶催化蚕丝、羊毛织物原位显色机理为:蚕丝及羊毛大分子结构中的酪氨酸残基发生氧化作用形成酮基并和苯环共轭;酪氨酸残基上的酚羟基氧化形成酚氧自由基并可以转移形成苯环碳自由基,具有活性的自由基中间体之间进一步发生偶合反应,在蚕丝及羊毛大分子肽链之间形成新的共轭结构和醚键而显色;色氨酸残基在漆酶催化氧化作用下形成吡咯氮自由基并可以转移形成苯环碳自由基进而发生偶合反应;在漆酶催化氧化作用下酪氨酸残基产生的苯环碳自由基和色氨酸残基产生的苯环碳自由基也可能发生偶合反应,形成共轭结构。而后,为了提升漆酶生物染色织物的颜色深度和增加色谱,引入外源单体酪氨酸、色氨酸在漆酶催化作用下分别对蚕丝和羊毛织物进行染色研究。通过测试织物颜色参数比较不同处理方法对蚕丝和羊毛织物的染色效果,并测试染色织物的色牢度,优化染色工艺;采用扫描电子显微镜、数码显微镜、光学显微镜、全反射红外光谱及DMF处理等手段对染色蚕丝、羊毛纤维进行表面形貌、结构表征及横截面分析;探究了色素与蚕丝、羊毛纤维的结合方式。漆酶催化酪氨酸对蚕丝、羊毛织物生物染色结果为:酪氨酸在漆酶催化作用下形成的聚酪氨酸色素与蚕丝、羊毛纤维结合,呈棕黄色,且纤维内部透染性好。染色蚕丝、羊毛织物的耐干摩擦色牢度为4级,耐湿摩擦色牢度为3-4级,耐晒色牢度为3级。得到的最优染色工艺条件为:漆酶用量1.8U/mL、缓冲液pH 5.0、酪氨酸浓度0.5g/L、反应温度50℃、反应时间24 h、浴比50:1;DMF剥色试验和全反射红外光谱分析得到,聚酪氨酸色素结构中的酚氧自由基和苯环碳自由基与蚕丝、羊毛表面酚氧自由基和苯环碳自由基形成共价结合,同时其色素结构中的氨基也可能与蚕丝、羊毛表面酚羟基的邻位碳发生迈克尔加成反应。漆酶催化色氨酸对蚕丝、羊毛织物生物染色结果为:色氨酸在漆酶催化作用下形成的聚色氨酸色素与蚕丝、羊毛纤维结合,呈红褐色,且纤维内部透染性好,耐干摩擦色牢度为4级,耐湿摩擦色牢度为3-4级,耐晒色牢度为3级。得出的最优染色工艺条件为:缓冲液pH 5.0、漆酶用量1.2U/m L、色氨酸浓度6g/L、反应温度50℃、反应时间16 h、浴比50:1。DMF剥色试验和全反射红外光谱分析表明,聚色氨酸色素结构中吡咯氮自由基、苯环碳自由基可与蚕丝、羊毛表面酚氧自由基和苯环碳自由基形成共价结合,同时其色素结构中的氨基也可以与蚕丝、羊毛表面酚羟基的邻位碳发生迈克尔加成反应。最后,从提高漆酶生物染色蚕丝织物的抗紫外性能角度出发,将外源单体多巴在漆酶催化作用下对蚕丝织物进行生物染色。通过测试织物颜色参数比较不同处理方法对蚕丝织物的染色效果,并测试染色蚕丝织物的色牢度,优化染色工艺;采用扫描电子显微镜、原子力显微镜、数码显微镜、光学显微镜、X射线光电子能谱、全反射红外光谱及DMF处理等手段对染色蚕丝纤维进行结构和形态分析;探究了色素与蚕丝纤维的结合方式。结果表明,蚕丝织物呈黑色,UPF(紫外线防护系数)值为100~+,耐晒色牢度达到5级。漆酶催化多巴聚合形成多巴黑色素与蚕丝纤维结合,使其表面变得粗糙,且多巴黑色素渗透进蚕丝纤维内部达到较好的透染性和匀染性。全反射红外光谱和DMF剥色试验证明部分多巴黑色素结构中的吡咯氮自由基与蚕丝纤维表面酚氧自由基和苯环碳自由基以N-O和C-N连接形成共价结合。得到的最优染色工艺条件为:缓冲液pH 5.0、漆酶用量3.0U/mL、单体用量2g/L、反应温度50℃、反应时间24 h、浴比50:1。通过探讨漆酶对蛋白质纤维生物染色的染色效果和机理,可为其他类型纺织品生物染色提供借鉴。