摘 要: 为开发一种温和环保的亚麻纱线染色方法，以漆酶为催化氧化剂制备聚多巴胺黑色素，并采用一浴法对亚麻纱线进行染色，探讨了多巴胺在漆酶催化氧化作用下的聚合进程和产物结构，以及聚多巴胺染色亚麻纱线的机理。结果表明，漆酶催化多巴胺聚合形成聚多巴胺黑色素的过程中，伴有中间产物橙色多巴胺色素，使染色亚麻纱线呈现出黑棕色的外观。聚多巴胺黑色素一方面通过氢键吸附于亚麻纱线表面，另一方面以多巴胺单体为偶联剂与亚麻纱线的木质素侧基共价接枝，在亚麻纱线表面形成一层致密均匀的薄膜涂层，染色纱线耐皂洗色牢度可达到3级。
关键词: 亚麻纱线；多巴胺；漆酶；催化氧化；生物染色
亚麻是一种一年生草本植物，也是东北地区的工业原料作物之一，可分为纤维用亚麻、油用亚麻和油纤兼用亚麻。亚麻纤维被誉为“植物纤维皇后”，具有吸湿散湿快、拉力强、光泽好、散热快等特点，并且具备独特的卫生保健功能，广泛用于服装、家纺、装饰用和复合材料领域，颇受消费者青睐[1-2]。然而亚麻纤维本身的颜色在很大程度上限制了亚麻制品的应用和发展，市面上亚麻纺织品以浅黄色、银白色或灰色最为常见。虽然亚麻纤维的漂白工艺日趋成熟[3]，但仍然存在后续彩染困难、匀染性差等问题。
亚麻织物用染料主要有直接染料、不溶性偶氮染料和活性染料等，其中活性染料因匀染性好、使用方便、成本较低等优势被大量使用，但活性染料也存在固色率低、易水解、染色牢度差等问题[4]。研究发现漆酶能够催化氧化酚类化合物聚合生成有色产物，并对纤维素纤维着色[5-10]。WLIZLO等[7]利用漆酶将2-氨基-3-甲基苯甲酸转化为可用于棉、麻、毛、丝、黏胶纤维染色的环保型橙色染料，但由于该染料与纤维素纤维表面形成的氢键作用较弱，导致棉、麻、黏胶纤维的染色效果不及毛和丝。
多巴胺兼具双酚结构和氨基官能团，能很好地模拟黏附蛋白的结构。它既可以在液相环境中发生自发的氧化聚合反应，也能够被氧化剂、电、光和酶等催化聚合，最终生成具有强黏附性的黑色聚多巴胺，附着在亚麻纱线表面，改变亚麻纱线的颜色[11]。TAN等[12]首先报道了漆酶可以在玻璃碳电极上诱导多巴胺聚合。LI等[13]发现与碱氧环境中多巴胺自发氧化的方法相比，以漆酶为催化氧化剂能够显著提高多巴胺的氧化聚合速率，但漆酶催化制备聚多巴胺的合成路径及产物结构尚不明晰。BRODOWSKY等[14]证实了多巴胺在漆酶催化作用下生成的酚类自由基能够与亚麻纤维中的木质素相互偶联，形成稳定的共价结构。张稳[15]采用多巴胺聚合溶液分别处理未改性棉织物和羧甲基棉织物，二者分别呈现出棕色和碳黑色，为棉、麻织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亚麻纱线染色同步进行的一浴法染色工艺，探究亚麻纱线的染色效果以及聚多巴胺涂层的稳定性，分析亚麻纱线染色前后表观形貌和化学结构的变化，并推测多巴胺色素与亚麻纱线的结合方式，为纤维素纤维的酶促多巴胺染色奠定基础。
1 试验部分
1.1 材料、试剂与仪器
材料 半漂亚麻纱线（31.25tex，东莞市汇力纺织原料有限公司）
试剂 盐酸多巴胺（分析纯，北京伊诺凯科技有限公司），漆酶（来自曲霉菌，380 LCU/g，山东苏柯汉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，分析纯，上海阿拉丁试剂有限公司）
仪器 DK-98-1型水浴锅（北京市永光明医疗仪器厂），T-6000 型紫外-可见分光光度计（青岛聚创环保集团有限公司），Datacolor 650测色配色仪（美国Data-color公司），Spectrum One型傅里叶变换红外光谱仪（美国PE公司），ZEISS Gemini 300型扫描电子显微镜[卡尔蔡司光学（中国）有限公司]，OXFORD XPLORE30 型能谱仪[牛津仪器科技（上海）]
1.2 试验方法
1.2.1 漆酶催化多巴胺聚合
将2mg/mL盐酸多巴胺充分溶解于pH为5.0的醋酸缓冲液中，加入2mg/mL漆酶和0.2mg/mL TEMPO，40℃水浴反应一定时间，观察溶液颜色的变化情况。在不同反应时间（0min、15min、30min、1h、2h、4h）定量取样，以8000r/min离心10min，取上清液用于紫外-可见光谱的测定。
1.2.2 聚多巴胺对亚麻纱线染色
多巴胺吸附染色：将1.0g亚麻纱线置于4mg/mL盐酸多巴胺溶液（pH 5.0）中，处理6h。取出纱线，洗净，烘干，静置24h。
漆酶催化多巴胺染色：将1.0g亚麻纱线置于盐酸多巴胺（4mg/mL）、漆酶（2mg/mL）和TEMPO（1mg/mL）的混合溶液（pH 5.0）中，处理6h。取出纱线，洗净，烘干，静置24h。
1.3 测试与表征
1.3.1 紫外-可见吸收光谱测试
以未加入漆酶的多巴胺溶液为参比溶液，采用T6000型紫外-可见分光光度计测量多巴胺聚合上清液在300nm和475nm处的吸光度值，结合漆酶催化多巴胺聚合溶液的颜色变化推测多巴胺氧化的反应进程。
1.3.2 颜色特征值测试
采用 Datacolor 650测色配色仪测试亚麻纱线的颜色特征值，记录各样品的明度L*、红绿色度a*和黄蓝色度b*。
1.3.3 增重率测试
将亚麻纱线试样置于20℃、湿度65%条件下平衡24h，按式（1）计算染色后亚麻纱线的增重率。
式中：m1为染色亚麻纱线质量，g；m0为原亚麻纱线 质量，g。
1.3.4 耐皂洗色牢度检测
按照GB/T3921—2008《纺织品色牢度试验耐皂洗色牢度》对染色亚麻纱线进行耐皂洗色牢度测试及等级评定。
1.3.5 能量色散X射线能谱（EDS）测试
亚麻纱线中氮元素含量的变化能够直观地反映多巴胺的附着程度，使用OXFORD XPLORE30型能谱仪和ZEISS Gemini 300型扫描电子显微镜联用分别对半漂亚麻纱线和染色亚麻纱线进行点扫，根据得到的光谱，计算试样中碳、氧、氮元素的含量，并观察亚麻纱线染色前后表面形貌的变化。测试电压为3kV，放大倍数为3000倍。
1.3.6 全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）测试
利用衰减反射模式（ATR）在Spectrum One型傅里叶变换红外光谱仪上对染色前后亚麻纱线进行扫描，扫描范围4000~500cm-1，分辨率1cm-1，扫描32次。
2 结果与讨论
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应的结果，其氧化速率和聚合产物由于氧化剂的不同而不尽相同[16]。图1显示了不同反应时间下漆酶催化多巴胺聚合溶液离心前后的颜色。
图1 漆酶催化多巴胺聚合溶液颜色变化
观察图1可以发现，多巴胺溶液呈无色透明状态，加入漆酶后溶液颜色逐渐变为橙色（0~30min）。多巴胺首先在漆酶的催化氧化作用下形成多巴胺醌，多巴胺醌经过分子内环化形成无色多巴胺色素，而后无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]。随着反应时间的延长，多巴胺聚合溶液颜色逐渐转变为黑色且混浊度增加，这是因为橙色多巴胺色素通过非酶促重排形成5,6-二羟基吲哚，进而被漆酶氧化生成吲哚-5,6-醌，两种产物共价交联最终得到聚多巴胺黑色素。多巴胺聚合溶液经离心后得到的上清液仍为橙色透明状态，表明橙色多巴胺色素的生成速度大于其转变为5,6-二羟基吲哚的速度，即橙色多巴胺色素在漆酶催化形成聚多巴胺黑色素的过程中可以稳定存在。而多巴胺醌和无色多巴胺色素因其自身的高反应活性无法获得有效积累。
5,6-二羟基吲哚在300nm处有较高的吸收强度，橙色多巴胺色素的吸收波长在475nm左右，因此采用紫外-可见吸收光谱法对聚合产物进行定性分析，以进一步探究漆酶催化多巴胺聚合的反应进程[17-18]，结果见图2。
图2 漆酶催化多巴胺聚合溶液离心后上清液在300nm和475nm处的吸光度
由图2可知，漆酶引发聚合反应30min内，多巴胺向橙色多巴胺色素和5,6-二羟基吲哚转变，但没有进一步聚合形成聚多巴胺黑色素，表现为反应液在300nm和475nm处的吸光度值都显著增加。反应进行0.5~1.0h期间，5,6-二羟基吲哚开始被漆酶氧化生成吲哚-5,6-醌，5,6-二羟基吲哚再与吲哚-5,6-醌结合交联生成具有网状结构的聚多巴胺黑色素，使溶液中逐渐出现黑色颗粒。此时5,6-二羟基吲哚的生成量和消耗量达到平衡，溶液在300nm处的吸光度值维持稳定。继续延长聚合时间，获得了大量的聚多巴胺黑色素，但由于5,6-二羟基吲哚向聚多巴胺黑色素转变的速率低于橙色多巴胺色素向5,6-二羟基吲哚转变的速率，5,6-二羟基吲哚得到少量积累，溶液在300nm处的吸光度值略微增加。
漆酶催化多巴胺聚合反应进程见图3。
图3 漆酶催化多巴胺聚合反应进程
2.2 漆酶催化多巴胺对亚麻纱线的染色效果
多巴胺染色亚麻纱线的增重率和颜色特征值见表1。
表1 多巴胺染色亚麻纱线的颜色特征值和增重率
多巴胺在空气环境和漆酶催化作用下，使亚麻纱线的L*值下降，a*值和b*值增加，表观颜色为黑棕色，是橙色多巴胺色素与聚多巴胺黑色素共同作用的结果。多巴胺吸附染色时，空气中的氧气对多巴胺起氧化作用，多巴胺聚合速度缓慢，聚多巴胺黑色素的酚羟基与亚麻纱线的醇羟基形成氢键[19]，改变了亚麻纱线颜色，但该方法的染色效果有限。漆酶催化多巴胺染色亚麻纱线的L*值下降至32.154，显著低于未染色和多巴胺吸附染色的纱线；增重率提高至4.377%，为多巴胺吸附染色纱线的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，相同时间下聚多巴胺黑色素产量增加，更易于吸附在亚麻纱线表面；其二，亚麻纱线中的木质素侧基和多巴胺分别作为漆酶的氧化底物，形成相应的酚类自由基，而后二者通过迈克尔加成反应形成C—O共价偶联，偶联产物中的氨基又能够在漆酶催化氧化作用下与聚多巴胺黑色素发生席夫碱反应，从而介导聚多巴胺黑色素和亚麻纱线的共价接枝（反应机理见图4）。借助漆酶的催化氧化作用，聚多巴胺色素与亚麻纱线形成了稳定的共价结合，所以漆酶催化多巴胺染色亚麻纱线具有更好的耐皂洗色牢度（3级），比多巴胺吸附染色的色牢度高半级。
图4 以多巴胺单体为偶联剂介导聚多巴胺与亚麻纱线接枝的示意图
2.3 聚多巴胺染色亚麻纱线的形貌分析
图5展示了漆酶催化多巴胺染色前后亚麻纱线表面形貌的变化。
图5 染色前后亚麻纱线的SEM图（×3000倍）
从图5可以看出，原亚麻纱线表面粗糙，纵向有许多条纹状结构和细小的沟槽，属于典型的麻类纤维形态结构。漆酶催化多巴胺染色后亚麻纱线表面的光滑度明显提高，这是因为多巴胺在漆酶催化氧化作用下聚合形成了一层致密均匀的聚多巴胺薄膜包覆在亚麻纱线表面。
2.4 聚多巴胺染色亚麻纱线的化学结构分析
采用ATR-FTIR对亚麻纱线染色前后表面化学结构进行定性分析，结果见图6。
图6 漆酶催化多巴胺聚合染色前后亚麻纱线的ATR-FTIR光谱图
未染色亚麻纱线和漆酶催化多巴胺染色亚麻纱线的红外光谱都可以观测到纤维素、半纤维素和木质素的特征峰：3300cm-1和2900cm-1处的伸缩振动峰分别来自纤维素、半纤维素和木质素的羟基和亚甲基；纤维素的特征峰出现在1429cm-1、1315cm-1和897cm-1处，分别对应于纤维素中C—OH的弯曲振动、—CH2的弯曲振动和C—O—C的伸缩振动[20]；1737cm-1处为半纤维素中乙酰基上的非共轭羰基伸缩振动[21]，而1104cm-1和1031cm-1处的特征峰归属于木质素C—H的弯曲振动。
漆酶催化多巴胺染色亚麻纱线在3338cm-1和3298cm-1处出现微小的—NH2特征双峰，且位于1204cm-1处芳醚基（C—O—C）的振动吸收峰明显增强，表明多巴胺与亚麻纱线的木质素侧基发生了偶合反应。1645cm-1处吸收峰的变化主要由木质素-多巴胺偶联产物与聚多巴胺黑色素通过席夫碱反应生成的C=N键，以及聚多巴胺黑色素的N—H键叠加引起[22]，证明在漆酶催化氧化、多巴胺单体介导下聚多巴胺黑色素与亚麻纱线发生了共价接枝，从而使漆酶催化多巴胺染色亚麻纱线表现出良好的耐皂洗色牢度。少量橙色多巴胺色素也沉积在亚麻纱线表面，对应于1737cm-1处芳酮基伸缩振动峰增强。
染色前后亚麻纱线表面碳、氧、氮元素含量的变化如表2所示。
表2 漆酶催化多巴胺聚合染色前后亚麻纱线的元素含量
亚麻纱线的主要化学成分是纤维素、半纤维素和木质素，由碳、氢、氧三种元素组成，氮元素含量可忽略不计，且未被检出。多巴胺和聚多巴胺黑色素中氮元素的质量分数约为9%，漆酶催化多巴胺聚合染色使亚麻纱线的氮元素质量分数提升至0.4%，直观地反映了聚多巴胺黑色素与亚麻纱线的结合，赋予了纱线棕黑色的外观。
3 结论
（1）漆酶催化氧化多巴胺聚合制备了聚多巴胺黑色素，并伴有副产物橙色多巴胺色素，可用于亚麻纱线的染色。
（2）漆酶催化多巴胺染色亚麻纱线外观呈棕黑色，L*值显著低于原亚麻纱线和多巴胺吸附染色亚麻纱线，且耐皂洗色牢度更好。
（3）聚多巴胺黑色素通过氢键吸咐和共价接枝与亚麻纱线结合。在漆酶催化氧化作用下，多巴胺单体作为偶联剂介导聚多巴胺与亚麻纱线中的木质素侧基发生席夫碱反应，形成稳定的C=N共价键。
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