本研究的主要作者包括王慧仪（Huiyi Wang）、冯俊丹（Jundan Feng）、陆佳佳（Jiajia Lu）、李蓉（Rong Li）、陆宇正（Yuzheng Lu）、刘水平（Shuiping Liu）、Artur Cavaco‑Paulo 及付佳佳（Jiajia Fu）。其中付佳佳为通讯作者。研究单位包括江南大学江苏省功能性纺织品工程技术研究中心、盐城工学院纺织与服装学院以及葡萄牙米尼奥大学生物工程中心。该研究于2024年6月18日在线发表于《Fibers and Polymers》期刊第25卷第2585至2596页。
从学术背景来看，该研究属于纺织生物技术领域，主要聚焦于聚酰胺（polyamide，PA）织物的表面亲水改性。聚酰胺织物在干燥环境中吸湿性和透气性较差，容易产生静电，影响穿着舒适性和后续加工性能。传统改善PA亲水性的方法包括酸碱处理、亲水组分聚合、亲水单体接枝、混纺亲水纤维、紫外辐照及后整理等，但这些方法往往存在损伤力学性能、使用不可再生石化试剂或影响纤维色泽与舒适性等缺陷。近年来，基于生物酶的改性方法因其高选择性、高催化效率、反应条件温和、能耗低和环境友好而受到关注。菠萝蛋白酶（bromelain，BM）可以水解PA中的酰胺键，从而增加表面亲水基团，但由于PA结晶度较高，酶对聚合物的水解作用受到限制。为此，本研究提出利用乙醇（ethanol，EA）溶胀预处理提高BM对PA内部酰胺键的可及性，同时结合漆酶（laccase，LAC）/2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO）体系将海藻糖（trehalose，THL）氧化并接枝到PA表面，以实现更高效的亲水改性和染色性能提升。研究旨在开发一种绿色、多酶协同的PA表面改性方法，并促进酶在纺织领域的综合应用。
在研究流程方面，该研究主要分为以下几个步骤。第一步是织物精练，将PA织物（100% PA6，380T，20D）在含5 g/L皂和2 g/L碳酸钠的混合溶液中于60℃处理60分钟，浴比为1:100，然后清洗并在105℃干燥1小时。第二步是EA溶胀预处理，将精练后的PA织物以浴比1:20浸泡在乙醇中2小时，水洗去除残留醇液。第三步是BM催化水解，将EA预处理后的PA织物浸入0.1 M BM缓冲液中，在150 rpm的精密摇床中反应数小时，之后用去离子水超声清洗10分钟并干燥，得到EA@BM改性PA织物。通过酶活性和水接触角（water contact angle，WCA）测试优化了BM水解条件，结果表明BM在pH 6.0时酶活性最高为17.3 U/mL，最佳BM用量为3.2% w/v，此时WCA最低为93°，最佳温度为50℃，此时BM活性为23.5 U/mL，最佳水解时间为4小时。第四步是LAC/TEMPO氧化THL并接枝，将EA@BM改性PA织物浸入含2.0% v/v LAC、0.28% w/v TEMPO和1% w/w THL的醋酸-醋酸钠缓冲液（0.1 M，pH 4.0）中，在55℃、120 rpm下反应5小时，浴比为1:100，反应后水洗并干燥得到EA@BM@LAC改性PA织物。为验证接枝效果，研究者先制备了氧化海藻糖（oxidized trehalose，OTHL），将1 g THL加入100 mL含2.0% v/v LAC和0.5% w/v TEMPO的醋酸盐缓冲液中，在50℃反应5小时，用乙醇终止反应并冷冻干燥收集OTHL。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证实THL在3486 cm⁻¹处的羟基吸收峰在OTHL中消失，同时在1571 cm⁻¹和1406 cm⁻¹出现羧基吸收峰，表明THL的C6位伯羟基被氧化为羧基，羧基含量经滴定测得为1.0 mmol/g。利用X射线光电子能谱（XPS）对PA织物表面元素和化学态进行分析，结果显示EA@BM@LAC改性PA表面氧元素含量较精练PA增加了11.18%，C1s分峰拟合表明O=C-O和C-O键的百分比分别从8.0%和6.6%增加到11.4%和7.4%，C-N/C=N键的百分比增加了3.8%，这与OTHL的醛基与PA表面氨基形成席夫碱的反应一致，说明OTHL成功接枝到PA织物上。在织物结构与性能表征方面，采用扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌，发现精练PA表面光滑，EA@BM改性后表面出现连续蚀刻痕迹，EA@BM@LAC改性后纤维表面出现膜状粘附物。通过X射线衍射（XRD）和差示扫描量热法（DSC）分析PA的聚集态结构，结果显示改性前后PA的晶体衍射峰位置和强度无明显差异，熔点与结晶度基本保持不变，说明酶处理仅作用于纤维表面，未损伤内部结构。
在主要结果方面，EA溶胀预处理显著增强了BM对PA的水解效果。EA@BM改性PA的WCA由精练PA的102°降低至70°，而仅BM处理的PA的WCA为90°，表明EA溶胀可提高BM对PA表面亲水基团的生成量。水解产物浓度测定显示，EA@BM改性PA的水解产物浓度为0.1914 mmol/L，高于BM单独处理的0.1902 mmol/L。红外光谱显示，PA的酰胺I带（1633 cm⁻¹）、酰胺II带（1537 cm⁻¹）和C-N吸收带（1300–1200 cm⁻¹）在水解后强度下降，说明BM催化了PA表面酰胺键的水解。在LAC/TEMPO/THL处理方面，OTHL的羧基含量为1.0 mmol/g，证明THL被氧化。XPS结果显示EA@BM@LAC改性PA表面O=C-O和C-O键百分比增加，C-N/C=N键百分比增加，证明了OTHL与PA表面氨基发生席夫碱反应而接枝。在亲水性方面，BM改性、EA@BM改性和EA@BM@LAC改性PA的WCA分别降低至精练PA的85.7%、66.7%和38.1%，其中EA@BM@LAC改性PA的WCA由102°降至41°，实现了疏水到亲水的完全转变。超声清洗10分钟后，上述改性织物的WCA分别降低至77.62%、52.4%和48.6%，表明BM和LAC联合改性赋予织物一定的耐水洗性。染色性能方面，亚甲基蓝染色后，EA@BM@LAC改性PA的K/S值在550–650 nm范围内提高了1.174倍，说明BM水解和OTHL接枝增加了PA表面的羧基含量，从而提高了染料吸附能力。耐磨性测试表明，EA@BM@LAC改性PA的耐磨性较精练PA降低了22.6%，但较传统碱减量处理的PA提高了19.3%，说明该多酶改性方法对织物力学性能的损伤小于传统化学方法。
从结论来看，本研究确定了商业BM水解PA的适宜条件为50℃、pH 6.0、4小时、3.2% w/v BM。EA溶胀预处理提高了BM对PA内部酰胺键的可及性，使水解产物浓度增加了0.63%。LAC/TEMPO体系将THL的伯羟基氧化为醛基或羧基，并通过席夫碱反应接枝到PA表面。与未改性PA相比，EA@BM@LAC改性PA的WCA从102°降低至41°，亚甲基蓝染色后K/S值提高了1.174倍。SEM观察到表面粗糙度增加，但XRD和DSC显示晶体形态、结晶度和熔点未发生明显变化，耐磨性优于传统碱减量处理。该研究为改善PA织物的亲水性和染色性能提供了一种基于多酶体系的绿色可持续方法，具有替代传统化学减量处理的潜力。
本研究的亮点在于构建了以EA溶胀、BM水解和LAC/TEMPO/THL接枝为核心的多酶协同改性体系，克服了PA结晶度高导致酶水解效率低的问题。研究利用乙醇这一可再生的短链脂肪醇作为溶胀剂，提高了酶对合成聚合物的可及性，同时将氧化海藻糖通过席夫碱反应接枝到PA表面，实现了亲水性和染色性能的同步提升。该方法反应条件温和、环境友好，且对织物力学性能损伤较小，为合成纤维的绿色改性提供了新的思路。