摘 要: 為開發(fā)一種溫和環(huán)保的亞麻紗線染色方法，以漆酶為催化氧化劑制備聚多巴胺黑色素，并采用一浴法對亞麻紗線進行染色，探討了多巴胺在漆酶催化氧化作用下的聚合進程和產物結構，以及聚多巴胺染色亞麻紗線的機理。結果表明，漆酶催化多巴胺聚合形成聚多巴胺黑色素的過程中，伴有中間產物橙色多巴胺色素，使染色亞麻紗線呈現(xiàn)出黑棕色的外觀。聚多巴胺黑色素一方面通過氫鍵吸附于亞麻紗線表面，另一方面以多巴胺單體為偶聯(lián)劑與亞麻紗線的木質素側基共價接枝，在亞麻紗線表面形成一層致密均勻的薄膜涂層，染色紗線耐皂洗色牢度可達到3級。
關鍵詞: 亞麻紗線；多巴胺；漆酶；催化氧化；生物染色
亞麻是一種一年生草本植物，也是東北地區(qū)的工業(yè)原料作物之一，可分為纖維用亞麻、油用亞麻和油纖兼用亞麻。亞麻纖維被譽為“植物纖維皇后”，具有吸濕散濕快、拉力強、光澤好、散熱快等特點，并且具備獨特的衛(wèi)生保健功能，廣泛用于服裝、家紡、裝飾用和復合材料領域，頗受消費者青睞[1-2]。然而亞麻纖維本身的顏色在很大程度上限制了亞麻制品的應用和發(fā)展，市面上亞麻紡織品以淺黃色、銀白色或灰色最為常見。雖然亞麻纖維的漂白工藝日趨成熟[3]，但仍然存在后續(xù)彩染困難、勻染性差等問題。
亞麻織物用染料主要有直接染料、不溶性偶氮染料和活性染料等，其中活性染料因勻染性好、使用方便、成本較低等優(yōu)勢被大量使用，但活性染料也存在固色率低、易水解、染色牢度差等問題[4]。研究發(fā)現(xiàn)漆酶能夠催化氧化酚類化合物聚合生成有色產物，并對纖維素纖維著色[5-10]。WLIZLO等[7]利用漆酶將2-氨基-3-甲基苯甲酸轉化為可用于棉、麻、毛、絲、黏膠纖維染色的環(huán)保型橙色染料，但由于該染料與纖維素纖維表面形成的氫鍵作用較弱，導致棉、麻、黏膠纖維的染色效果不及毛和絲。
多巴胺兼具雙酚結構和氨基官能團，能很好地模擬黏附蛋白的結構。它既可以在液相環(huán)境中發(fā)生自發(fā)的氧化聚合反應，也能夠被氧化劑、電、光和酶等催化聚合，最終生成具有強黏附性的黑色聚多巴胺，附著在亞麻紗線表面，改變亞麻紗線的顏色[11]。TAN等[12]首先報道了漆酶可以在玻璃碳電極上誘導多巴胺聚合。LI等[13]發(fā)現(xiàn)與堿氧環(huán)境中多巴胺自發(fā)氧化的方法相比，以漆酶為催化氧化劑能夠顯著提高多巴胺的氧化聚合速率，但漆酶催化制備聚多巴胺的合成路徑及產物結構尚不明晰。BRODOWSKY等[14]證實了多巴胺在漆酶催化作用下生成的酚類自由基能夠與亞麻纖維中的木質素相互偶聯(lián)，形成穩(wěn)定的共價結構。張穩(wěn)[15]采用多巴胺聚合溶液分別處理未改性棉織物和羧甲基棉織物，二者分別呈現(xiàn)出棕色和碳黑色，為棉、麻織物的深色染色提供了新思路。
本文采用漆酶酶促多巴胺聚合生色和亞麻紗線染色同步進行的一浴法染色工藝，探究亞麻紗線的染色效果以及聚多巴胺涂層的穩(wěn)定性，分析亞麻紗線染色前后表觀形貌和化學結構的變化，并推測多巴胺色素與亞麻紗線的結合方式，為纖維素纖維的酶促多巴胺染色奠定基礎。
1 試驗部分
1.1 材料、試劑與儀器
材料 半漂亞麻紗線（31.25tex，東莞市匯力紡織原料有限公司）
試劑 鹽酸多巴胺（分析純，北京伊諾凱科技有限公司），漆酶（來自曲霉菌，380 LCU/g，山東蘇柯漢生物工程股份有限公司），2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO，分析純，上海阿拉丁試劑有限公司）
儀器 DK-98-1型水浴鍋（北京市永光明醫(yī)療儀器廠），T-6000 型紫外-可見分光光度計（青島聚創(chuàng)環(huán)保集團有限公司），Datacolor 650測色配色儀（美國Data-color公司），Spectrum One型傅里葉變換紅外光譜儀（美國PE公司），ZEISS Gemini 300型掃描電子顯微鏡[卡爾蔡司光學（中國）有限公司]，OXFORD XPLORE30 型能譜儀[牛津儀器科技（上海）]
1.2 試驗方法
1.2.1 漆酶催化多巴胺聚合
將2mg/mL鹽酸多巴胺充分溶解于pH為5.0的醋酸緩沖液中，加入2mg/mL漆酶和0.2mg/mL TEMPO，40℃水浴反應一定時間，觀察溶液顏色的變化情況。在不同反應時間（0min、15min、30min、1h、2h、4h）定量取樣，以8000r/min離心10min，取上清液用于紫外-可見光譜的測定。
1.2.2 聚多巴胺對亞麻紗線染色
多巴胺吸附染色：將1.0g亞麻紗線置于4mg/mL鹽酸多巴胺溶液（pH 5.0）中，處理6h。取出紗線，洗凈，烘干，靜置24h。
漆酶催化多巴胺染色：將1.0g亞麻紗線置于鹽酸多巴胺（4mg/mL）、漆酶（2mg/mL）和TEMPO（1mg/mL）的混合溶液（pH 5.0）中，處理6h。取出紗線，洗凈，烘干，靜置24h。
1.3 測試與表征
1.3.1 紫外-可見吸收光譜測試
以未加入漆酶的多巴胺溶液為參比溶液，采用T6000型紫外-可見分光光度計測量多巴胺聚合上清液在300nm和475nm處的吸光度值，結合漆酶催化多巴胺聚合溶液的顏色變化推測多巴胺氧化的反應進程。
1.3.2 顏色特征值測試
采用 Datacolor 650測色配色儀測試亞麻紗線的顏色特征值，記錄各樣品的明度L*、紅綠色度a*和黃藍色度b*。
1.3.3 增重率測試
將亞麻紗線試樣置于20℃、濕度65%條件下平衡24h，按式（1）計算染色后亞麻紗線的增重率。
式中：m1為染色亞麻紗線質量，g；m0為原亞麻紗線 質量，g。
1.3.4 耐皂洗色牢度檢測
按照GB/T3921—2008《紡織品色牢度試驗耐皂洗色牢度》對染色亞麻紗線進行耐皂洗色牢度測試及等級評定。
1.3.5 能量色散X射線能譜（EDS）測試
亞麻紗線中氮元素含量的變化能夠直觀地反映多巴胺的附著程度，使用OXFORD XPLORE30型能譜儀和ZEISS Gemini 300型掃描電子顯微鏡聯(lián)用分別對半漂亞麻紗線和染色亞麻紗線進行點掃，根據(jù)得到的光譜，計算試樣中碳、氧、氮元素的含量，并觀察亞麻紗線染色前后表面形貌的變化。測試電壓為3kV，放大倍數(shù)為3000倍。
1.3.6 全反射傅里葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）測試
利用衰減反射模式（ATR）在Spectrum One型傅里葉變換紅外光譜儀上對染色前后亞麻紗線進行掃描，掃描范圍4000~500cm-1，分辨率1cm-1，掃描32次。
2 結果與討論
2.1 漆酶催化多巴胺聚合的可行性分析
多巴胺的聚合生色是一系列氧化反應的結果，其氧化速率和聚合產物由于氧化劑的不同而不盡相同[16]。圖1顯示了不同反應時間下漆酶催化多巴胺聚合溶液離心前后的顏色。
圖1 漆酶催化多巴胺聚合溶液顏色變化
觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)，多巴胺溶液呈無色透明狀態(tài)，加入漆酶后溶液顏色逐漸變?yōu)槌壬?~30min）。多巴胺首先在漆酶的催化氧化作用下形成多巴胺醌，多巴胺醌經過分子內環(huán)化形成無色多巴胺色素，而后無色多巴胺色素被多巴胺醌氧化形成橙色多巴胺色素和多巴胺[17]。隨著反應時間的延長，多巴胺聚合溶液顏色逐漸轉變?yōu)楹谏一鞚岫仍黾樱@是因為橙色多巴胺色素通過非酶促重排形成5,6-二羥基吲哚，進而被漆酶氧化生成吲哚-5,6-醌，兩種產物共價交聯(lián)最終得到聚多巴胺黑色素。多巴胺聚合溶液經離心后得到的上清液仍為橙色透明狀態(tài)，表明橙色多巴胺色素的生成速度大于其轉變?yōu)?,6-二羥基吲哚的速度，即橙色多巴胺色素在漆酶催化形成聚多巴胺黑色素的過程中可以穩(wěn)定存在。而多巴胺醌和無色多巴胺色素因其自身的高反應活性無法獲得有效積累。
5,6-二羥基吲哚在300nm處有較高的吸收強度，橙色多巴胺色素的吸收波長在475nm左右，因此采用紫外-可見吸收光譜法對聚合產物進行定性分析，以進一步探究漆酶催化多巴胺聚合的反應進程[17-18]，結果見圖2。
圖2 漆酶催化多巴胺聚合溶液離心后上清液在300nm和475nm處的吸光度
由圖2可知，漆酶引發(fā)聚合反應30min內，多巴胺向橙色多巴胺色素和5,6-二羥基吲哚轉變，但沒有進一步聚合形成聚多巴胺黑色素，表現(xiàn)為反應液在300nm和475nm處的吸光度值都顯著增加。反應進行0.5~1.0h期間，5,6-二羥基吲哚開始被漆酶氧化生成吲哚-5,6-醌，5,6-二羥基吲哚再與吲哚-5,6-醌結合交聯(lián)生成具有網(wǎng)狀結構的聚多巴胺黑色素，使溶液中逐漸出現(xiàn)黑色顆粒。此時5,6-二羥基吲哚的生成量和消耗量達到平衡，溶液在300nm處的吸光度值維持穩(wěn)定。繼續(xù)延長聚合時間，獲得了大量的聚多巴胺黑色素，但由于5,6-二羥基吲哚向聚多巴胺黑色素轉變的速率低于橙色多巴胺色素向5,6-二羥基吲哚轉變的速率，5,6-二羥基吲哚得到少量積累，溶液在300nm處的吸光度值略微增加。
漆酶催化多巴胺聚合反應進程見圖3。
圖3 漆酶催化多巴胺聚合反應進程
2.2 漆酶催化多巴胺對亞麻紗線的染色效果
多巴胺染色亞麻紗線的增重率和顏色特征值見表1。
表1 多巴胺染色亞麻紗線的顏色特征值和增重率
多巴胺在空氣環(huán)境和漆酶催化作用下，使亞麻紗線的L*值下降，a*值和b*值增加，表觀顏色為黑棕色，是橙色多巴胺色素與聚多巴胺黑色素共同作用的結果。多巴胺吸附染色時，空氣中的氧氣對多巴胺起氧化作用，多巴胺聚合速度緩慢，聚多巴胺黑色素的酚羥基與亞麻紗線的醇羥基形成氫鍵[19]，改變了亞麻紗線顏色，但該方法的染色效果有限。漆酶催化多巴胺染色亞麻紗線的L*值下降至32.154，顯著低于未染色和多巴胺吸附染色的紗線；增重率提高至4.377%，為多巴胺吸附染色紗線的4倍。究其原因：其一，漆酶的催化作用提升了多巴胺的聚合速率，相同時間下聚多巴胺黑色素產量增加，更易于吸附在亞麻紗線表面；其二，亞麻紗線中的木質素側基和多巴胺分別作為漆酶的氧化底物，形成相應的酚類自由基，而后二者通過邁克爾加成反應形成C—O共價偶聯(lián)，偶聯(lián)產物中的氨基又能夠在漆酶催化氧化作用下與聚多巴胺黑色素發(fā)生席夫堿反應，從而介導聚多巴胺黑色素和亞麻紗線的共價接枝（反應機理見圖4）。借助漆酶的催化氧化作用，聚多巴胺色素與亞麻紗線形成了穩(wěn)定的共價結合，所以漆酶催化多巴胺染色亞麻紗線具有更好的耐皂洗色牢度（3級），比多巴胺吸附染色的色牢度高半級。
圖4 以多巴胺單體為偶聯(lián)劑介導聚多巴胺與亞麻紗線接枝的示意圖
2.3 聚多巴胺染色亞麻紗線的形貌分析
圖5展示了漆酶催化多巴胺染色前后亞麻紗線表面形貌的變化。
圖5 染色前后亞麻紗線的SEM圖（×3000倍）
從圖5可以看出，原亞麻紗線表面粗糙，縱向有許多條紋狀結構和細小的溝槽，屬于典型的麻類纖維形態(tài)結構。漆酶催化多巴胺染色后亞麻紗線表面的光滑度明顯提高，這是因為多巴胺在漆酶催化氧化作用下聚合形成了一層致密均勻的聚多巴胺薄膜包覆在亞麻紗線表面。
2.4 聚多巴胺染色亞麻紗線的化學結構分析
采用ATR-FTIR對亞麻紗線染色前后表面化學結構進行定性分析，結果見圖6。
圖6 漆酶催化多巴胺聚合染色前后亞麻紗線的ATR-FTIR光譜圖
未染色亞麻紗線和漆酶催化多巴胺染色亞麻紗線的紅外光譜都可以觀測到纖維素、半纖維素和木質素的特征峰：3300cm-1和2900cm-1處的伸縮振動峰分別來自纖維素、半纖維素和木質素的羥基和亞甲基；纖維素的特征峰出現(xiàn)在1429cm-1、1315cm-1和897cm-1處，分別對應于纖維素中C—OH的彎曲振動、—CH2的彎曲振動和C—O—C的伸縮振動[20]；1737cm-1處為半纖維素中乙?；系姆枪曹楐驶炜s振動[21]，而1104cm-1和1031cm-1處的特征峰歸屬于木質素C—H的彎曲振動。
漆酶催化多巴胺染色亞麻紗線在3338cm-1和3298cm-1處出現(xiàn)微小的—NH2特征雙峰，且位于1204cm-1處芳醚基（C—O—C）的振動吸收峰明顯增強，表明多巴胺與亞麻紗線的木質素側基發(fā)生了偶合反應。1645cm-1處吸收峰的變化主要由木質素-多巴胺偶聯(lián)產物與聚多巴胺黑色素通過席夫堿反應生成的C=N鍵，以及聚多巴胺黑色素的N—H鍵疊加引起[22]，證明在漆酶催化氧化、多巴胺單體介導下聚多巴胺黑色素與亞麻紗線發(fā)生了共價接枝，從而使漆酶催化多巴胺染色亞麻紗線表現(xiàn)出良好的耐皂洗色牢度。少量橙色多巴胺色素也沉積在亞麻紗線表面，對應于1737cm-1處芳酮基伸縮振動峰增強。
染色前后亞麻紗線表面碳、氧、氮元素含量的變化如表2所示。
表2 漆酶催化多巴胺聚合染色前后亞麻紗線的元素含量
亞麻紗線的主要化學成分是纖維素、半纖維素和木質素，由碳、氫、氧三種元素組成，氮元素含量可忽略不計，且未被檢出。多巴胺和聚多巴胺黑色素中氮元素的質量分數(shù)約為9%，漆酶催化多巴胺聚合染色使亞麻紗線的氮元素質量分數(shù)提升至0.4%，直觀地反映了聚多巴胺黑色素與亞麻紗線的結合，賦予了紗線棕黑色的外觀。
3 結論
（1）漆酶催化氧化多巴胺聚合制備了聚多巴胺黑色素，并伴有副產物橙色多巴胺色素，可用于亞麻紗線的染色。
（2）漆酶催化多巴胺染色亞麻紗線外觀呈棕黑色，L*值顯著低于原亞麻紗線和多巴胺吸附染色亞麻紗線，且耐皂洗色牢度更好。
（3）聚多巴胺黑色素通過氫鍵吸咐和共價接枝與亞麻紗線結合。在漆酶催化氧化作用下，多巴胺單體作為偶聯(lián)劑介導聚多巴胺與亞麻紗線中的木質素側基發(fā)生席夫堿反應，形成穩(wěn)定的C=N共價鍵。
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