氨基芳磺酸染料修饰蚕丝的电荷效应研究

赵玲 崔志华 陈维国 江华 高普 孙岩峰

摘要： 为了深入研究前期工作中发现的芳伯胺化合物对蚕丝丝素蛋白的修饰作用，选用氨基芳磺酸染料为修饰显色剂，探讨甲醛参与下蚕丝丝素蛋白Mannich反应修饰的电荷效应。文章测定并分析了反应条件下脱胶蚕丝和氨基芳磺酸染料的带电荷特性，研究了pH值、甲醛、元明粉对Mannich反应修饰效率的影响。研究结果表明，当pH值为4时修饰效率最高，此时脱胶蚕丝织物显正电性，氨基芳磺酸染料显负电性，在相反电荷引力作用下发生物理性吸附，且此时处于弱酸条件下，更有利于发生Mannich反应修饰。在pH值小于等于4时，元明粉则随蚕丝的带电性不同而呈现缓染或在pH值大于等于5时促染作用，但对Mannich反应修饰效率影响较小。

关键词： 蚕丝；等电点；电荷效应；氨基芳磺酸；Mannich反应修饰

中图分类号： TS190.2文献标志码： A文章编号： 1001-7003（2018）03-0021-06引用页码： 031104

Abstract： For the further study of the modification effect on silk fibroin protein by aromatic primary amine compounds found in our previous work， the self-synthesized aminoaromatic sulfonic acid dye was used as the color developing agent to discuss the charge effect after Mannich reaction with silk fibroin protein under the existence of formaldehyde. In this paper， the isoelectric points of degummed silk and the aminoaromatic sulfonic acid dye under the reaction conditions were measuredand analyzed. Besides， the effects of pH， formaldehyde and sodium sulfate on Mannich reaction and modification efficiency were studied. It demonstrated that the highest efficiency appeared when pH was 4. Under this condition， the surface of the degummed silk fabric was positively charged， and aminoaromatic sulfonic acid dye showed negative charge， resulting in remarkable physical adsorption under electrostatic attraction. Meanwhile， the dye bath of weak acid was beneficial to the Mannich reaction. Sodium sulfate retarded dyeing （pH≤4） or accelerated dyeing （pH≥5）， and made a little difference on the modification efficiency of the Mannich reaction.

Key words： silk； isoelectric point； charge effect； aminoaromatic sulfonic acid； Mannich reaction modification

蛋白质的侧链基团修饰主要是通过化学反应引入特定的基团，赋予蛋白质某些功能。在蛋白质侧链基团的化学修饰反应中，修饰试剂选择性地与某一特定残基反应，而不影响蛋白质分子构象，同时蛋白质的聚集态结构与基础性能也不发生改变。蛋白质的侧链基团修饰所具有的可控性与稳定性，已使其成为蛋白质材料功能化研究的一项重要技术手段[1]。

近年来，对蛋白质中含有芳香侧链的氨基酸残基进行化学修饰的方法受到学者们的关注，其中通过重氮化偶合反应修饰酪氨酸残基的修饰方法应用较为广泛，但是偶合修饰过程中酪氨酸的对亚甲基苯酚侧基和芳胺重氮盐偶合生成的偶氮结构带有颜色，造成不必要的蛋白质着色问题[2]。相比而言，基于Mannich反应的芳伯胺化合物对蛋白质的修饰则避免了这个问题[3]。该反应主要通过甲醛的桥接作用将酪氨酸分子与芳伯胺化合物连接，避免了偶氮结构发色体的形成。前期研究发现[4-6]，应用该方法可在常温及弱酸条件下，将含有芳伯胺基团的水溶性染料分子（氨基芳磺酸染料）作为显色剂引入到蚕丝丝素蛋白分子中，且修饰效率较高。修饰机理如图1所示。

由于氨基芳磺酸染料和蚕丝丝素蛋白均具有两性性质，当两者处于不同pH值水溶液中时，纤维表面和氨基芳磺酸染料的带电情况会随pH值的变化而变化，而带电情况的不同不僅会影响到物理吸附，还会进一步影响化学修饰效率。因此，为了提高化学修饰效率，需要探究合理的修饰条件，一方面提升染料与纤维间的吸引力，使更多的氨基芳磺酸染料吸附到蚕丝纤维上，另一方面修饰条件还需要有利于化学修饰反应的发生。

为此，本文研究氨基芳磺酸染料对蚕丝的修饰作用过程中的电荷效应，为获得更好的Mannich反应修饰效率提供理论支持，以期为芳伯胺化合物修饰蚕丝丝素蛋白的应用技术研究打下基础。

1实验

1.1材料及仪器

材料：脱胶蚕丝织物为11205电力纺练白坯，平方米质量40g/m2（杭州喜得宝丝绸有限公司），元明粉（AR）（杭州高晶精细化工有限公司），37%的ACS甲醛（上海三鹰化学试剂有限公司），皂片（上海市纺织工业技术监督所），氨基芳磺酸染料C.I.酸性棕4，结构见图2（杭州下沙恒升化工有限公司），冰醋酸、氯化钾固体（AR）（杭州高晶精细化工有限公司），N，N-二甲基甲酰胺（AR）（汇普化工仪器有限公司）。

仪器：SurPASS 3固体表面Zeta电位仪（奥地利安东帕有限公司），SF600-PLUS测色配色仪（美国DataColour公司），紫外-可见光分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司），ZetaPALS电位仪（美国布鲁克海文仪器公司），PHS-3C精密台式pH计（上海仪电科学仪器有限公司）。

1.2方法

1.2.1蚕丝表面的电荷特性测试

应用固体表面Zeta电位仪对蚕丝表面的Zeta电位进行测试，采用可调狭缝样品池（10mm×20mm），调节测试压力为3×104Pa， gap height调节至100μm。

1.2.2氨基芳磺酸染料的电荷特性测试

氨基芳磺酸染料分子结构中同时具有磺酸基团和氨基，故其水溶液具有与蛋白质胶体类似的两性性质。氨基芳磺酸染料分子的带电情况会影响其在蚕丝丝素蛋白上的吸附，进而影响化学修饰反应的发生。因此，本文分别采取蛋白质沉淀法和ZetaPALS电位仪法对氨基芳磺酸染料在溶液中的带电情况进行测定，两种方法所得结果相互佐证。

1.2.2.1蛋白质沉淀法

蛋白质沉淀法的测定原理是两性物质在等电点时的溶解度最小[8]。由下式朗伯比尔定律可知稀溶液的浓度c与吸光度A成正比关系，故分析不同pH值条件下的紫外吸光度即可分析其溶液状态。

式中：A为吸光度；ε为摩尔吸光系数，L/（mol·cm）；c为吸光物质的浓度，mol/L；b为吸收层厚度，cm。

测定过程如下：首先将氨基芳磺酸染料利用蒸馏水配制成5g/L的溶液，取7个烧杯贴好标签放置，并于每个烧杯中倒入100mL已配置好的溶液。然后利用pH计和稀盐酸溶液调pH值，静置两天后离心，取上层清液，测试紫外吸光度。

1.2.2.2电位仪测试

基于相位分析光散射原理，应用ZetaPALS电位仪精确测定氨基芳磺酸染料在溶液中的电位，进而分析其分子带电情况。

1.2.3蚕丝丝素蛋白修饰实验

修饰条件：氨基芳磺酸染料2%，甲醛10g/L，蚕丝︰染料︰甲醛为1︰1︰30（摩尔比），温度30℃，浴比1︰50，时间10h，修饰结束后将织物用去离子水洗净、晾干。

皂洗条件：皂片5g/L，浴比为1︰50，温度为60℃，时间为30min，皂洗后，将织物用去离子水冲洗干净、晾干。

1.2.4织物表观色深测试

采用美国SF600-PLUS测色配色仪测试织物的K/S值，D65光源，10°视场，每块织物测试5次，取其平均值。

2结果与分析

2.1蚕丝的电荷特性分析

蚕丝纤维属于两性纤维，在一定pH值的水溶液中，分子可以呈现酸性基（—COO-）或碱性基（—NH+3），并具有酸碱平衡的等电点，其Zeta电位随溶液pH值的变化而變化。当溶液的pH值在等电点以上时，羧基电离的数量大于氨基，纤维表面带负电荷。在等电点以下时，情况正好相反。等电点时纤维呈电中性，Zeta电位值为零[7-9]。测定结果如图3所示。

由图3可知，未处理的蚕丝丝素蛋白的等电点为4.2。当电解质溶液的pH值在4.2以下时，Zeta电位为正值，蚕丝表面带正电。当电解质溶液的pH值在4.2以上时，Zeta电位为负值，蚕丝表面带负电。当pH值在5～8时，溶液由弱酸性到中性过渡，纤维表面的电位值基本不变。当pH值在8～10时，溶液呈碱性，蚕丝丝素蛋白中的肽键发生水解，使得纤维中的羧酸根离子数量增加，所以蚕丝表面的负电性增强。

甲醛处理后，蚕丝丝素蛋白的等电点变为4，较未处理前的等电点略有降低。分析认为是甲醛和蚕丝丝素蛋白中的氨基生成不带电的西夫碱（—N=CH2）[10]，使得蚕丝上的氨基数量减少，从而导致甲醛处理后蚕丝纤维的等电点降低。

2.2氨基芳磺酸染料的电荷特性分析

本文利用ZetaPALS电位仪对氨基芳磺酸染料溶液进行了测定，结果如图4所示。

溶液的电位与染料分子带电情况直接相关，电位为负值说明染料带负电荷，反之则带正电荷。电位绝对值越大，说明染料分子所带电荷数量越多。由图4可知，当pH值为1时，氨基芳磺酸染料的电位接近0，说明染料分子带电量近乎为0，此时的pH值为氨基芳磺酸染料的等电点；当pH值在1～2时，溶液电位呈负值且绝对值较小，说明染料分子中仅带有少量的负电荷，分子间斥力较小，易相互聚集产生沉淀。当pH值在2～7时，随pH值降低溶液的电位缓慢降低，当pH值高于7时电位降低速度提升。

因仪器量程限制，ZetaPALS电位仪测试pH值范围为1～10。为进一步验证实验结果，通过调节溶液pH值，使染料溶液发生沉淀，从而进行电荷特性的测试分析，结果如图5所示。

由图5可知，当溶液pH值在1～2.2时，溶液离心处理后上清液的紫外吸光度值最低，接近于0，说明染料C.I.酸性棕4分子间无电荷斥力或斥力较小，分子间作用力（氢键力和范德华力）造成染料分子易相互聚集生成沉淀，此结果与ZetaPALS电位仪测试结果相符（等电点为1）。具体电荷变化情况如图6所示。

2.3醛组分对氨基芳磺酸染料修饰蚕丝的作用

由于醛组分在Mannich反应中起到关键的桥接作用，其主要通过化学作用将芳伯胺化合物及蚕丝蛋白结合。但氨基芳磺酸染料对蚕丝丝素蛋白的化学修饰效果是电荷效应与醛的化学作用的综合体现，因此本文对两者的关系对整体修饰效果的影响进行了探讨。图7所示为选用氨基芳磺酸染料C.I.酸性棕4为显色剂，分别在有醛和无醛条件下处理蚕丝织物（蚕丝蛋白︰染料︰甲醛为1︰1︰30的摩尔比），并用织物的皂洗后的K/S值来反映修饰效率。

由图7可知，无醛条件下电荷效应对氨基芳磺酸染料在蚕丝蛋白上的吸附有显著影响。由皂洗前曲线可知当pH值在1～3时，K/S值呈现上升趋势，pH值为3时，K/S值最高；当34时，氨基芳磺酸染料与蚕丝纤维表面均带负电荷，且负电量随pH值的增大而增大，即静电斥力作用逐渐增强，不利于染料吸附，因此K/S值下降。对比图7无醛皂洗前后数据可知，蚕丝织物在皂洗后K/S值与皂洗前差别较大，这是由于无醛条件下，氨基芳磺酸染料与蚕丝丝素蛋白主要通过范德华力、氢键、离子键（pH1～4）相结合，缺乏化学键合作用导致皂洗后大部分染料易从蚕丝织物上洗除，因此皂洗后蚕丝织物K/S值较低。

加入甲醛后，皂洗后布样的K/S值明显高于未加甲醛的布样，说明甲醛使得蚕丝蛋白和氨基芳磺酸染料形成了共价键结合，同时蚕丝蛋白着色的最佳pH值变为4（无醛条件的最佳pH值条件为3）。这是由于醛的加入使得氨基芳磺酸染料和蚕丝蛋白之间形成了化学结合，并且pH值为4（弱酸性条件）更有利于Mannich修饰反应的发生，因此该条件下修饰效率最高。

2.4元明粉对氨基芳磺酸染料修饰蚕丝的影响

由图8皂洗前数据可知，当元明粉质量浓度为10g/L，pH值在1～4时，氨基芳磺酸染料Mannich法修饰蚕丝过程中不添加元明粉的修饰效果（K/S值）要比添加元明粉的修饰效果好；而当pH值在4～10时，元明粉的加入有助于提升修饰效果。由皂洗后数据可知，添加元明粉和不加元明粉的修饰效果（K/S值）变化趋势基本相同。

当pH值在1～4时，蚕丝丝素蛋白与氨基芳磺酸染料带相反电荷，此条件下添加元明粉会降低蚕丝丝素蛋白表面的带电量，从而削弱电荷间引力起到缓染作用，最终导致K/S值降低。当pH值在5～10时，蚕丝丝素蛋白与氨基芳磺酸染料均带负电荷，此条件下添加元明粉会降低蚕丝丝素蛋白表面及氨基芳磺酸染料的电负性，从而减弱斥力作用起到促染作用，增加K/S值[11-12]。由皂洗后数据可知，最终的化学修饰效率并未受到元明粉的影响，说明元明粉主要影响氨基芳磺酸染料与蚕丝蛋白之间的物理吸附作用，而对化学结合的影响很小。

3结论

本文通过固体表面Zeta电位仪、Zeta PALS电位仪、蛋白质沉淀法探究蚕丝纤维表面和氨基芳磺酸染料的带电情况，研究表明：蚕丝丝素蛋白的等电点为4.2，氨基芳磺酸染料C.I.酸性棕4的等电点为1。当氨基芳磺酸染料在pH 1～2.2时溶解度较小，容易聚集生成沉淀。

无醛条件下，当pH值为3时脱胶蚕丝织物表面显正电性，氨基芳磺酸染料显负电性，且带电量最多，物理吸附效果较好（K/S值较高）。有醛条件下，醛的加入使得氨基芳磺酸染料和蚕丝蛋白之间形成了化学结合，且pH值为4时为Mannich反应提供弱酸条件，使得化学结合作用最强，反应修饰效率最高。当溶液pH≤4时，添加元明粉，削弱蚕丝表面与氨基芳磺酸染料之间电荷引力呈现缓染作用；当pH≥5时，添加元明粉，降低蚕丝表面及氨基芳磺酸染料的电荷斥力呈现促染作用。

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