一种抗紫外抗氧化整理剂及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种抗紫外抗氧化整理剂及其制备方法和应用 (Anti-ultraviolet and anti-oxidation finishing agent and preparation method and application thereof ) 是由 苏静 王鸿博 李楠楠 傅佳佳 于 2020-12-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种抗紫外抗氧化整理剂及其制备方法和应用,属于功能整理剂技术领域。本发明将香草醛溶解在醋酸盐缓冲液中,然后加入特定用量绿色生物催化剂漆酶进行反应,反应结束后,分离、收集清液、干燥,黄棕色固体粉末产品。本发明所得新型抗紫外抗氧化整理剂对UVA/UVB均具有强烈的吸收性能(透过率不足1％),抗紫外性能优异。经整理剂整理后棉织物的UPF指数高达124,抗紫外等级评价>50。同时,在1mg/mL的浓度下对ABTS～(.+)和DPPH自由基的清除率分别为90％和70％,具有优异的抗氧化性能。此抗紫外抗氧化整理剂及制备方法在产品包装、户外装备以及功能纺织品等领域具有极高的应用价值和潜力。(The invention discloses an anti-ultraviolet and anti-oxidation finishing agent, and a preparation method and application thereof, and belongs to the technical field of functional finishing agents. Dissolving vanillin in acetate buffer solution, adding a specific dosage of green biocatalyst laccase for reaction, separating, collecting clear liquid, drying and obtaining a yellowish-brown solid powder product after the reaction is finished. The novel ultraviolet-resistant and antioxidant finishing agent has strong absorption performance (the transmittance is less than 1%) on UVA/UVB, and the ultraviolet resistance is excellent. The UPF index of the cotton fabric finished by the finishing agent is up to 124, and the ultraviolet resistance grade evaluation>50. All in oneWhen the concentration is 1mg/mL for ABTS .+ And DPPH free radical clearance rate is 90% and 70%, respectively, and the antioxidant property is excellent. The uvioresistant antioxidant finishing agent and the preparation method thereof have extremely high application value and potential in the fields of product packaging, outdoor equipment, functional textiles and the like.)
技术领域
本发明属于功能整理剂技术领域，具体涉及一种抗紫外抗氧化整理剂及其制备方法和应用。
背景技术
适度的紫外线有益于人类身体健康，由工业社会发展带来的环境污染使得臭氧层遭到损坏。随着大气层对紫外线抵御能力地减弱，紫外线对人类的威胁日益增加。在自然环境中，除了紫外线，自由基对人类健康安全和人类财产安全造成的破坏同样不容小觑。光致老化和自由基氧化老化问题除了损害人类健康外，还长期存在于材料合成与制造中，紫外线、自由基会加速材料的损伤、降解，尤其是一些户外使用材料，过度的紫外和自由基侵蚀会加速产品的老化褪色。因此，开发出新型的抗紫外抗氧化整理剂，添加到材料的生产制备中，生产出抗紫外抗氧化性能的产品，对于保障人类的健康和财产安全均具有重大意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种制备新型抗紫外抗氧化整理剂的方法，由生物酶催化技术制备而成，即利用漆酶催化反应。漆酶为绿色环保的多铜氧化酶，氧化空气中的氧气生成唯一的副产物——水，因其绿色高效的催化反应特点，受到广泛关注。
本发明的新型抗紫外抗氧化整理剂由漆酶催化反应而得，不同于常规物理/化学紫外吸收整理剂，本发明新型环保抗紫外整理剂的唯一原料是香草醛，来源于天然木质素纤维，具有无毒、无味、无污染、无放射性等优良品质，生态友好，对人体无害，属绿色环保产品，是应用价值极高的可再生资源。本发明制备方法不同于传统物理化学方法(工艺复杂，费时费力，高污染高能耗)，制备工艺简单、高效、绿色无污染，采用一步法酶促反应技术，酶促反应结束以后对产品进行离心分离、冷冻干燥即可得到该新型功能整理剂。
本发明使用香草醛作为底物，醋酸盐作为缓冲溶液，以及生物催化剂漆酶都属于环保型工业原料范畴，并且整理加工过程只需在震荡反应器中即可完成。此新型整理剂的生产加工有利于生态环境安全、健康，符合绿色经济、可持续发展理念。
本发明的第一个目的是提供一种制备新型抗紫外抗氧化整理剂的方法，所述方法包括如下过程：在醋酸盐缓冲液中，以香草醛(Vanillin)作为底物，在漆酶(Laccase)催化下进行酶促反应，反应结束后离心分离、收集液体，干燥。
在本发明的一种实施方式中，所述酶促反应的反应式为：
其中，n为0、1、3、4中任意一种或者多种。
在本发明的一种实施方式中，所述酶促反应的反应过程如下所示：
其中，n为0、1、3、4中任意一种或者多种。
在本发明的一种实施方式中，底物香草醛的浓度为5-25mg/mL。优选10-25mg/mL，进一步优选20mg/mL。
在本发明的一种实施方式中，漆酶的用量为20-100U/mL。优选40-80U/mL。
在本发明的一种实施方式中，所述醋酸缓冲溶液的pH为4.0-7.0，浓度为1mM；醋酸盐缓冲液的最佳pH值为5.0。
在本发明的一种实施方式中，酶促反应是在100-500rpm转速下进行搅拌进行的。最佳转速为400rpm。
在本发明的一种实施方式中，酶促反应的反应温度为20-60℃。最佳反应温度为50℃。
在本发明的一种实施方式中，酶促反应的反应时间为6-30h。最佳反应时间为24h。
在本发明的一种实施方式中，酶促反应结束后，将获得的反应体系在离心机中以6000rpm速率离心10min。
在本发明的一种实施方式中，经离心分离后，收集上清液，然后在-4℃条件下冷冻24h后在冷冻干燥机中干燥12-72h。
在本发明的一种实施方式中，所述制备方法具体包括以下步骤：
S1-酶促反应：将一定量的香草醛单体完全溶解在醋酸盐缓冲液中，然后加入漆酶引发酶促反应；设置反应条件参数为醋酸盐反应溶液佳pH值为5.0，反应温度50℃，反应时间24h，震荡速率为400rpm；
S2-离心、冷冻干燥：酶促反应结束后，将可溶性反应产物和沉淀性反应产物在离心机中以6000rpm速率经离心分离后，取出可溶性反应产物然后在-4℃条件下冷冻24h后，将完全冻结的反应产物在冷冻干燥机中干燥12-72h，即可得到此新型紫外吸收整理剂。
本发明的第二个目的是利用上述方法制备得到一种新型抗紫外抗氧化整理剂。
在本发明的一种实施方式中，所述抗紫外抗氧化整理剂包括如下结构的化合物：
当n＝0，反应产物为二聚体，分子量为302，具体结构如下所示：
当n＝1，反应产物为三聚体，分子量为452，具体结构如下所示：
当n＝2，反应产物为四聚体，分子量为602，具体结构如下所示：
当n＝3，反应产物为五聚体，分子量为752，具体结构如下所示：
当n＝4，反应产物为六聚体，分子量为902，具体结构如下所示：
本发明的第三个目的是提供一种抗紫外抗氧化织物的方法，所述抗紫外抗氧化织物的制备方法包括如下过程：
在醋酸盐缓冲液中，以香草醛作为底物，加入漆酶和织物，发生酶促反应，反应结束后离心分离、收集液体，干燥。
在本发明的一种实施方式中，漆酶催化香草醛聚合与织物整理同时进行，在50℃、400rpm下反应时间24h。
在本发明的一种实施方式中，所述方法还包括：酶促反应结束以后，将整理后的棉织物从反应体系中取出，用去离子水洗涤表面未完全结合的反应产物，然后置于60℃烘箱中干燥4h后测试整理后棉织物的抗紫外性能。
本发明的第四个目的是将上述抗紫外抗氧化整理剂应用在产品包装、户外产品以及功能纺织品制造领域中。
本发明的有益效果在于：
本发明的新型抗紫外抗氧化整理剂由酶促反应而成，经热测试性能表明该新型整理剂具有较强的热稳定性能。防紫外性能和细胞毒性测试表明，此新型整理剂可作为安全的抗紫外和抗氧化添加剂，应用到产品包装、户外设备以及纺织品等领域。本新型抗紫外和抗氧化整理剂合成制备方法工艺流程短，处理方便，高效无污染，转化效率高，一步酶促反应收率可达到85％。
本发明制备所得的抗紫外抗氧化整理剂以纯棉织物为基材，并且对整理后的棉织物进行抗紫外性能的检测及评级。本发明新型抗紫外整理剂对纯棉织物整理过后，整理后的棉织物对UVA、UVB均具有较强的吸收性能，其中UVA的透过率为0.94％，UVB的透过率为0.67％，UPF指数为124.92，防紫外线等级评价为>50。
本发明制备所得的抗紫外抗氧化整理剂不同于目前国内常见的紫外吸收剂，如水杨酸酯类、二笨甲酮类、苯并三唑类、TiO2和ZnO等在不同程度上具有吸收波长范围窄、光学毒性且安全性未知等缺点。本发明新型抗紫外整理剂以可再生资源为原料，制备工艺符合绿色可持续发展理念，并且所得具备整理剂具有生物安全无毒害的特点，在产品包装、户外产品以及纺织制造领域均具有极高的应用价值和潜力。
附图说明
图1为本发明抗紫外抗氧化整理剂在酶促反应过程中的紫外-可见光谱图；
图2为本发明抗紫外抗氧化整理剂的红外光谱图；
图3为本发明抗紫外抗氧化整理剂的X射线衍射图；
图4为本发明抗紫外抗氧化整理剂的热性能测试图；
图5为本发明抗紫外抗氧化整理剂的抗ABTS.+自由基性能图；
图6为本发明抗紫外抗氧化整理剂的抗DPPH自由基性能图；
图7为本发明抗紫外抗氧化整理剂的抗紫外性能图；
图8为香草醛单体和实施例1所得产物的核磁共振氢谱图。
具体实施方式
下述对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创新的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
下述涉及的收率＝聚合产物的质量/香草醛单体的质量。
抗ABTS.+自由基性测试：分别配置浓度为7mM的ABTS溶液和2.45mM的K2S2O8溶液，各取1mL ABTS溶液和K2S2O8溶液在室温下避光储存12-16h，用酶标仪测得在溶液在734nm处的吸光度为0.7左右，即得ABTS.+储备液。然后将整理剂溶于乙醇溶剂，分别配置浓度为0.1-1mg/mL的整理剂溶液。将10μL不同浓度的整理剂和200μL储备液避光反应6分钟以后，在734nm处测试反应后溶液的吸光度，即为实验组的吸光度。用等量的乙醇溶剂代替整理剂和等量ABTS.+储备液反应相同时间，测试的吸光度为对照组吸光度。
ABTS.+自由基清除率(％)＝(对照组吸光度-实验组吸光度)/对照组吸光度。
抗DPPH自由基性能测试：称量浓度为1mg的DPPH溶于10mL乙醇溶剂在室温下避光储存60-120分钟，用酶标仪测得在溶液在517nm处的吸光度为1.2-1.3最佳，即得DPPH储备液。同样将整理剂溶于乙醇溶剂，分别配置浓度为0.1-1mg/mL的整理剂溶液。将10μL不同浓度的整理剂和200μL储备液避光反应30分钟以后，在517nm处测试反应后溶液的吸光度，即为实验组的吸光度。用等量的乙醇溶剂代替整理剂和等量DPPH储备液反应相同时间，测试的吸光度为对照组吸光度。
DPPH自由基清除率(％)＝(对照组吸光度-实验组吸光度)/对照组吸光度。
实施例1
S1-酶促反应：量取20mL的醋酸盐缓冲液，称取400mg香草醛溶于醋酸盐缓冲溶液中(配置浓度为20mg/mL的香草醛溶液、醋酸盐缓冲液的pH值为5.0)，然后加入漆酶引发酶促反应(漆酶用量80U/mL)，在50℃、400rpm下反应时间24h；
S2-离心、冷冻干燥：酶促反应结束后，将可溶性反应产物和沉淀性反应产物在离心机中以6000rpm速率经离心分离后，取出可溶性反应产物然后在-4℃条件下冷冻24h后，将完全冻结的反应产物在冷冻干燥机中干燥72h，即可得到新型抗紫外抗氧化整理剂，收率85％。
产物表征：
图8为香草醛单体和所得整理剂产物的核磁共振氢谱图，由图8可知，反应产物和香草醛单体相比在化学位移7ppm处的信号消失，推测此处的酚羟基上氢原子参与到聚合反应当中。反应产物在另一处化学位移7.5ppm处的信号与香草醛单体相比有所不同，可说明此处的芳香氢原子参与到聚合反应当中，苯环上氢原子经过重排致此处信号有所改变。酚羟基会使邻位、对位的氢原子变活泼，因此邻对位氢原子更容易参与到聚合反应当中。香草醛单体酚羟基的对位是醛基，因此，在此聚合反应之中，说明应当是酚羟基邻位上的氢原子参与反应。
此外，通过MALDI-TOF飞行时间质谱进一步表征了反应产物的分子量来验证对反应产物结构的猜想。根据MALDI-TOF飞行时间质谱结果显示，反应产物主要为二-六聚体。飞行时间质谱分别在350、500、650、800和950Da处检测到离子碎片峰，证实了物质结构猜想。反应产物2-6聚体的理论计算分子量分别为302、452、602、752和902Da，因为飞行时间质谱在检测过程中往往伴随着钠、钾以及氢峰，因此飞行时间质谱分子量计算通常加/减钠、钾、氢的分子量。经过理论计算，反应产物的分子量分别加上2个钠原子和2个氢原子的分子量分别对应飞行时间质谱上观察到的信号峰。根据核磁共振氢谱和飞行时间质谱，证明反应产物为二-六聚体的混合物。相应分子结构如表1所示：
表1所得抗紫外抗氧化整理剂的组成结构
物质表征：
对所得整理剂进行表征，经紫外-可见光、红外、X射线、热性能检测：
根据图1所示的紫外-可见光谱可知，在反应时间为0h组和无漆酶组，均存在香草醛的特征峰。而在漆酶组，反应24h以后，香草醛的特征峰消失了，推测是香草醛的酚羟基和酚羟基邻位上的氢原子反应，形成了新的反应产物，即香草醛低聚物。
根据红外光谱可知，单体组在3715波数处(酚羟基特征峰)和1509-1600波数处(C＝O伸缩振动峰)与反应产物组有明显不同。反应产物在3715波数处的峰形更加平缓宽阔，而单体组在此处的峰形稍窄。推测是漆酶催化反应过后，对酚羟基产生影响。同样的，低聚物中醛基的数目更多，因此在1509-1600波数处(C＝O伸缩振动峰)的峰形与单体有明显不同。
根据图3所示的XRD衍射图谱可知，单体在13°和39°有2处特征峰。反应产物在13°处的峰强减弱在39°处的特征峰几乎消失，在9°-28°之间有新峰生成。推测是香草醛单体经漆酶催化反应过后，形成了新的反应产物，即香草醛低聚物。
根据图4单体和反应产物的热性能测试可知，单体在199℃出现最大的失重率，并在203℃全部降解(残炭率为0)，说明单体热性能不佳。而经过漆酶催化的反应产物在315℃达到最大的失重率，800℃的残炭率在40％以上，反应产物的热性能提升主要归功于低聚物分子中的苯环共轭结构。单体和反应产物的热性能也反映出，香草醛低聚物的形成。
根据图5中单体和反应产物的抗ABTS.+自由基性能可知，单体和反应产物对ABTS.+的清除率均随着浓度的增大而增大，并且单体在浓度为1mg/mL时对ABTS.+的清除率不足60％，而经过漆酶催化的反应产物在同样浓度下对ABTS.+的清除率达到90％。根据相关文献报道，抗氧化活性物质主要取决于它的化学结构，如活性基团数目和苯环共轭程度。因此反应产物的性能提升主要归功于低聚物分子中的活性基团数目的增多和苯环共轭结构。
根据图6中单体和反应产物的抗DPPH自由基性能可知，同样的，单体和反应产物对DPPH的清除率均随着浓度的增大而增大，并且单体在浓度为1mg/mL时对DPPH的清除率不足30％，而经过漆酶催化的反应产物在同样浓度下对DPPH的清除率达到80％。据此，推测漆酶催化香草醛单体聚合生成低聚物，具有优异的抗氧化性能。
根据图7中单体和反应产物的抗紫外性能可知，反应产物显示出微弱的UVA和UVB透过率，均不足1％。说明反应产物对UVA和UVB均具有优异的抗紫外性能。单体在250-320波长处也有较低的紫外透过率，然而，在360-450波长处紫外透过率较高。可见，漆酶催化反应生成的香草醛低聚物，由于苯环共轭结构具有更加优异的抗紫外性能。
实施例2：抗紫外整理剂在纺织品上的应用
S1-纺织品酶促聚合整理：量取20mL的醋酸盐缓冲液，称取400mg香草醛溶于醋酸盐缓冲溶液中(配置浓度为20mg/mL的香草醛溶液、醋酸盐缓冲液的pH值为5.0)。加入规格为4cm*4cm的纯棉织物，然后加入漆酶引发酶促反应(漆酶用量80U/mL)。漆酶催化香草醛聚合与织物整理同时进行，在50℃、400rpm下反应时间24h。
S2-纺织品抗紫外性能测试：酶促反应结束以后，将整理后的棉织物从反应体系中取出，用去离子水洗涤表面未完全结合的反应产物，然后置于60℃烘箱中干燥4h后测试整理后棉织物的抗紫外性能。在UV-2000F紫外透射率分析仪(Labsphere,美国)测试整理剂处理后样布的抗紫外性能，取5点测试，仪器自动算出棉织物的UPF指数，UVA和UVB的透过率。
具体的效果评价结果如表2所示。
表2抗紫外线效果评价
UPF
T <sub>UVA</sub>(％)
T<sub>UVB</sub>(％)
UPF评级
防紫外性能
124.92
0.94
0.67
>50
优异
根据表2可知，香草醛反应产物整理后面料的UPF指数高达124，而UVA和UVB的透过率均不足1％。根据国标GB/T18830-2009纺织品防紫外性能的评定方法:标准规定，当紫外线防护系数UPF>40，且长波紫外线透过率TUVA<5％时，可以称为防紫外产品。经抗紫外测试得知，经整理剂整理后的面料UPF大于50，TUVA低于1％，防紫外性能优异，符合标准。
实施例3：探究底物浓度对棉织物抗紫外性能的影响
参照实施例1，将香草醛单体的浓度分别替换为3mg/mL、5mg/mL、15mg/mL、20mg/mL、25mg/mL、30mg/mL，其他条件不变，漆酶催化香草醛在棉织物上聚合制得相应的抗紫外棉织物。
所得棉织物的抗紫外测试结果如表3所示。
表3不同底物浓度整理棉织物的抗紫外测试结果
底物浓度(mg/mL)
UPF
T <sub>UVA</sub>(％)
T <sub>UVB</sub>(％)
UPF评级
防紫外性能
3
13.42
10.87
5.65
>10
无
5
36.41
2.84
2.01
>30
良
10
60.13
1.64
1.12
>50
优异
15
90.56
1.28
0.87
>50
优异
20
124.92
0.94
0.67
>50
优异
25
70.56
1.82
0.94
>50
优异
30
30.82
2.98
2.24
>30
良
根据表3可知，底物浓度大小影响对酶促反应有着重要影响，在适当的底物浓度范围内，一般认为增大底物浓度，有利于促进酶与底物之间的相互作用，进而促进酶促反应效果。当底物浓度过大，可能会由于密集的底物分布对酶的活性和稳定性带来不利影响。不利于底物与漆酶活性位点结合，从而影响酶促反应效果。根据抗紫外性能测试结果，优选20mg/mL，作为酶促反应的最适底物浓度。
实施例4：探究醋酸盐溶液的pH对棉织物抗紫外性能的影响
参照实施例1，将醋酸盐溶液的pH分别替换为3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0，其他条件不变，漆酶催化香草醛在棉织物上聚合制得相应的抗紫外棉织物。
所得棉织物的抗紫外测试结果如表4所示。
表4不同醋酸盐pH整理棉织物的抗紫外测试结果
根据表4可知，酶促反应体系的酸碱度对酶促反应有着重要影响，这是因为酸碱度可能会改变酶分子的构象。不同来源的漆酶，其最佳的酸碱度值也有所区别。根据抗紫外性能测试，本发明所用漆酶在酸性条件下具有较好的酶促反应效果。当反应体系呈现中性或碱性，反应产物的抗紫外性能不断下降。推测是碱性环境不利于漆酶肽链的伸展，或者影响漆酶分子的构象。不利于漆酶的活性，从而影响酶促反应效果。根据抗紫外性能测试结果，优选缓冲液pH＝5.0，作为酶促反应的最适酸碱度。
实施例5：探究漆酶用量对棉织物抗紫外性能的影响
参照实施例1，将漆酶用量分别替换为80U/mL、100U/mL、60U/mL、40U/mL、20U/mL、10U/mL、120U/mL，其他条件不变，漆酶催化香草醛在棉织物上聚合制得相应的抗紫外棉织物。
所得棉织物的抗紫外测试结果如表5所示。
表5不同漆酶用量整理后棉织物的抗紫外测试结果
根据表5可知，酶促反应体系的漆酶用量对酶促反应有着重要影响，适当增加漆酶用量有利于反应正向进行。漆酶用量过低，催化反应活性位点不足，底物过剩。适当增加漆酶用量，可为底物提供更多的催化中心和活性位点，有利于酶促反应效果。当漆酶用量继续增加，过多的酶分子可能会干扰或阻碍与底物的结合。不仅浪费生物酶资源，还会对酶促效果带来不利影响。根据抗紫外性能测试结果，优选漆酶用量80U/mL，作为酶促反应的最适条件。
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