一、技术领域
本发明属于粘胶纤维修饰技术领域，具体涉及一种酶法制备羧基化粘胶纤维的方法。
二、
背景技术：
粘胶纤维，又称人造棉，是以棉短绒等经碱化生成碱纤维素，再与二硫化碳作用生成纤维素黄原酸酯，最后经湿法纺丝制造的人造纤维主要品种之一。自21世纪我国加入世界贸易组织以来，粘胶纤维的产量与出口呈现出爆发式地增长，从2000年到2015年，我国粘胶纤维的产能达370万吨，产量在全球的占比从30％上升到65％。目前，该产品的产能仍在继续扩张并推动其下游新产品的开发与生产。
粘胶纤维的理化性能与天然棉纤维极为类似，吸湿、染色、可纺性好且难起静电，在服饰织物等领域的用量不断增加；但是，该纤维种类单一，加之尚存在易伸长，弹性差，缩水率高，耐磨性差及穿着舒适感差的缺陷，成为限制其应用领域和用量进一步扩展的主要障碍，必须设法改善其缺陷，即进行改性或修饰处理，以满足社会需求。
现有羧基化纤维素的制备主要采用化学改性的方法，例如申请号为201210375249.1，名称为“在连续过程中催化羧化纤维素纤维”的发明专利，公开的羧化纤维素纤维的制备方法为：通过在至少两个串联的催化羧化级中来实现羧化反应，其中在每个级开始时添加初级氧化剂活性羟胺盐催化剂的前体和次级氧化剂二氧化氯。该方法的主要缺点是：①该方法采用化学催化剂改性的方式，专一性差，副反应多，特别是对纤维素结构单元葡萄糖之间的β-1，4糖苷键的破坏，既降低了粘胶纤维的强度，不利于制造高品质织物，也不利于环境保护；②催化羧化过程中深入到纤维内部的试剂或副产物难以除尽，有的可能有毒有害，存在着影响人体健康的风险；③该方法包含2至10个催化羧化的反应单元，设备投入巨大，且容易产生腐蚀，生产成本高。又如申请号为201510991804.7，名称为“一种羧甲基纤维素棉的制备方法”的发明专利，公开的羧甲基纤维素棉的制备方法为：脱脂棉花依次经过氢氧化钠处理、氯乙酸取代反应、醋酸乙醇中和及烘干，制备出取代度为0.3～0.35的羧甲基纤维素棉。该方法的主要缺点是：①反应条件较为苛刻，需要在高温和极端ph等条件下反应，能耗高，且生成的羧甲基纤维素溶解性显著增加，不能用于作为纺织面料用的纤维；②卤代酸氯乙酸虽然能与纤维素的第6位羟基反应，取代其上的羟基，生成羧甲基纤维素。但将产生大量的酸性废水，加之异味大，其发展受到严格控制；③该方法采用化学改性的方式，专一性差，副反应多，不利于原料利用和环境保护，且存在影响人体健康的风险。
三、
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有制备羧基化粘胶纤维方法的不足，提供一种酶法制备羧基化粘胶纤维的方法，其特点是使用常规工业化生产设备，修饰条件温和，操作方便，专一性强，环境友好。
本发明的原理是：葡萄糖氧化酶主要通过黑曲霉和青霉属菌株等微生物进行发酵生产，往往还同时伴有过氧化氢酶、α-淀粉酶、蔗糖酶和其它杂质蛋白的产生，故需要对葡萄糖氧化酶进行分离纯化；超滤是以压力为推动力的膜分离技术，基于超滤膜孔径，可实现大分子与小分子分离，葡萄糖氧化酶溶液中的其他杂质蛋白与葡萄糖氧化酶分子量不同，通过超滤即可实现两者的有效分离和浓缩；葡萄糖氧化酶是一种需氧脱氢酶，能够在有氧水溶液中高度特异性的结合β-d-吡喃葡萄糖，将葡萄糖专一性氧化为葡萄糖酸和过氧化氢，而粘胶纤维是由葡萄糖通过β-1，4-糖苷键缩合形成的线性高分子，理论上也可以作为葡萄糖氧化酶的底物，从而制备出羧基化粘胶纤维。
本发明的目的是通过以下途径实现的：一种酶法制备羧基化粘胶纤维的方法，以葡萄糖氧化酶和粘胶纤维为原料，经过制备葡萄糖氧化酶浓缩液，制备预处理粘胶纤维，制备羧基化粘胶纤维等步骤，制备出生物酶法非均相催化的羧基化粘胶纤维。其具体工艺步骤如下：
(1)制备葡萄糖氧化酶浓缩液
将购置的活力为6000～10000u/g的葡萄糖氧化酶溶解于纯净水中，配制成葡萄糖氧化酶的质量百分浓度为2～5％的溶液。然后再将其泵入截留分子量为180000～220000da的微滤器中，在表压为0.2～0.5mpa下进行微滤，直至微滤截留液与微滤滤过液体积之比(l/l)为1∶7～9时止。微滤完成后，分别收集微滤滤过液和微滤截留液，对收集的微滤截留液，主要含有发酵生产葡萄糖氧化酶时的大分子杂质酶蛋白，可用于制备纯化过氧化氢酶；对收集的微滤滤过液，泵入截留分子量为80000～100000da的超滤器中，在表压为0.2～0.5mpa下进行超滤，直至超滤截留液与超滤滤过液体积之比(l/l)为1∶7～9时止。超滤完成后，分别收集超滤滤过液和超滤截留液。对收集的超滤滤过液，主要含有小分子杂质酶蛋白，可用于制备纯化淀粉酶和蔗糖酶等；对收集的超滤截留液，即制备出葡萄糖氧化酶浓缩液，用于第(3)步制备羧基化粘胶纤维。
(2)制备预处理粘胶纤维
将购置的表面活性剂十二烷基苯磺酸钠或脂肪醇醚硫酸钠或硬脂酸甲酯聚氧乙烯醚磺酸钠溶解于适量纯净水中，配制成表面活性剂的质量百分浓度为0.5～2％的预处理液。再按照粘胶纤维质量与预处理液体积之比(kg/l)为1∶8～15的比例，将粘胶纤维分散于预处理液中，升温至85～100℃，搅拌预处理0.5～1.5h。预处理完成后放液，分别收集经预处理的粘胶纤维和预处理粘胶纤维后的废液。对收集的经预处理的粘胶纤维，按其质量与纯净水体积之比(kg/l)为1∶8～15的比例加入纯净水清洗2～4次。分别收集清洗后的粘胶纤维和清洗粘胶纤维后的废液，对收集的清洗粘胶纤维后的废液，与收集的预处理粘胶纤维后的废液进行合并，泵送至生化处理站进行处理，达标后排放。对收集的清洗后的粘胶纤维，即为预处理粘胶纤维，用于下步制备羧基化粘胶纤维。
(3)制备羧基化粘胶纤维
第(2)步完成后，按照预处理粘胶纤维质量与纯净水体积之比(kg/l)为1∶20～40的比例，将预处理粘胶纤维分散于纯净水中，升温至30～40℃，再加入体积占预处理粘胶纤维1～3％的葡萄糖氧化酶浓缩液，调节ph至5.0～6.0后反应2～4h。反应结束后放液，分别收集反应后的粘胶纤维和废液。对收集的反应后的粘胶纤维，按其质量与纯净水体积之比(kg/l)为1∶8～15的比例加入纯净水清洗2～4次。分别收集清洗后的粘胶纤维和清洗粘胶纤维后的废液，对收集的清洗粘胶纤维后的废液，与收集的反应后的废液进行合并，泵送至生化处理站进行处理，达标后排放。对收集的清洗后的粘胶纤维，于30～40℃下烘干，即制备出羧基化粘胶纤维。
本发明采用上述技术方案后，主要有以下特点：
1、本发明方法以葡萄糖氧化酶为催化剂氧化粘胶纤维还原性末端葡萄糖残基第1位羟基成羧基，生成羧基化粘胶纤维，既解决了用硝酸氧化、铈盐氧化剂及双氧水氧化导致的吡喃葡萄糖环开环或β-1，4糖苷键断裂，致使氧化纤维断裂强度、抗拉伸性等极大降低、丧失服饰面料功能的难题，又获得一种新型粘胶纤维品种。
2、本发明方法制备出的羧基化粘胶纤维具有大量游离羧基，除具有与粘胶纤维类似的理化性质外，本身就是一种功能性新纤维材料，其游离羧基与皮肤表面蛋白均为负电荷，两者相互排斥，可至服饰织物不粘身体而显得飘逸；可直接用阳离子染料和两性离子染料着色；可用于墙面装修织物，排斥带负电荷的尘埃粒子，着污渍率低；也可用作螯合水溶液中重金属离子的分离材料，达到净化环境的目的。
3、本发明方法制备出的羧基化粘胶纤维可作为一种平台型化合物，后续能创新性的利用羧基的活泼性质接枝能与其反应的活性物质，以合成羧基化粘胶纤维衍生物，从而进一步拓展粘胶纤维的应用领域。
四、具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。
实施例1
一种酶法制备羧基化粘胶纤维的方法，其具体工艺步骤如下：
(1)制备葡萄糖氧化酶浓缩液
将购置的活力为6000u/g的葡萄糖氧化酶溶解于纯净水中，配制成葡萄糖氧化酶的质量百分浓度为2％的溶液。然后再将其泵入截留分子量为180000da的微滤器中，在表压为0.2mpa下进行微滤，直至微滤截留液与微滤滤过液体积之比(l/l)为1∶7时止。微滤完成后，分别收集微滤滤过液和微滤截留液，对收集的微滤截留液，主要含有发酵生产葡萄糖氧化酶时的大分子杂质酶蛋白，可用于制备纯化过氧化氢酶；对收集的微滤滤过液，泵入截留分子量为80000da的超滤器中，在表压为0.2mpa下进行超滤，直至超滤截留液与超滤滤过液体积之比(l/l)为1∶7时止。超滤完成后，分别收集超滤滤过液和超滤截留液。对收集的超滤滤过液，主要含有小分子杂质酶蛋白，可用于制备纯化淀粉酶和蔗糖酶等；对收集的超滤截留液，即制备出葡萄糖氧化酶浓缩液，用于第(3)步制备羧基化粘胶纤维。
(2)制备预处理粘胶纤维
将购置的表面活性剂十二烷基苯磺酸钠或脂肪醇醚硫酸钠或硬脂酸甲酯聚氧乙烯醚磺酸钠溶解于适量纯净水中，配制成表面活性剂的质量百分浓度为0.5％的预处理液。再按照粘胶纤维质量与预处理液体积之比(kg/l)为1∶8的比例，将粘胶纤维分散于预处理液中，升温至85℃，搅拌预处理0.5h。预处理完成后放液，分别收集经预处理的粘胶纤维和预处理粘胶纤维后的废液。对收集的经预处理的粘胶纤维，按其质量与纯净水体积之比(kg/l)为1∶8的比例加入纯净水清洗2次。分别收集清洗后的粘胶纤维和清洗粘胶纤维后的废液，对收集的清洗粘胶纤维后的废液，与收集的预处理粘胶纤维后的废液进行合并，泵送至生化处理站进行处理，达标后排放。对收集的清洗后的粘胶纤维，即为预处理粘胶纤维，用于下步制备羧基化粘胶纤维。
(3)制备羧基化粘胶纤维
第(2)步完成后，按照预处理粘胶纤维质量与纯净水体积之比(kg/l)为1∶20的比例，将预处理粘胶纤维分散于纯净水中，升温至30℃，再加入体积占预处理粘胶纤维1％的葡萄糖氧化酶浓缩液，调节ph至5.0后反应2h。反应结束后放液，分别收集反应后的粘胶纤维和废液。对收集的反应后的粘胶纤维，按其质量与纯净水体积之比(kg/l)为1∶8的比例加入纯净水清洗2次。分别收集清洗后的粘胶纤维和清洗粘胶纤维后的废液，对收集的清洗粘胶纤维后的废液，与收集的反应后的废液进行合并，泵送至生化处理站进行处理，达标后排放。对收集的清洗后的粘胶纤维，于30℃下烘干，即制备出羧基化粘胶纤维。
实施例2
一种酶法制备羧基化粘胶纤维的方法，其具体工艺步骤如下：
(1)制备葡萄糖氧化酶浓缩液
将购置的活力为8000u/g的葡萄糖氧化酶溶解于纯净水中，配制成葡萄糖氧化酶的质量百分浓度为3％的溶液。然后再将其泵入截留分子量为200000da的微滤器中，在表压为0.35mpa下进行微滤，直至微滤截留液与微滤滤过液体积之比(l/l)为1∶8时止。微滤完成后，分别收集微滤滤过液和微滤截留液，对收集的微滤截留液，主要含有发酵生产葡萄糖氧化酶时的大分子杂质酶蛋白，可用于制备纯化过氧化氢酶；对收集的微滤滤过液，泵入截留分子量为100000da的超滤器中，在表压为0.35mpa下进行超滤，直至超滤截留液与超滤滤过液体积之比(l/l)为1∶8时止。超滤完成后，分别收集超滤滤过液和超滤截留液。对收集的超滤滤过液，主要含有小分子杂质酶蛋白，可用于制备纯化淀粉酶和蔗糖酶等；对收集的超滤截留液，即制备出葡萄糖氧化酶浓缩液，用于第(3)步制备羧基化粘胶纤维。
(2)制备预处理粘胶纤维
将购置的表面活性剂十二烷基苯磺酸钠或脂肪醇醚硫酸钠或硬脂酸甲酯聚氧乙烯醚磺酸钠溶解于适量纯净水中，配制成表面活性剂的质量百分浓度为1％的预处理液。再按照粘胶纤维质量与预处理液体积之比(kg/l)为1∶12的比例，将粘胶纤维分散于预处理液中，升温至95℃，搅拌预处理1h。预处理完成后放液，分别收集经预处理的粘胶纤维和预处理粘胶纤维后的废液。对收集的经预处理的粘胶纤维，按其质量与纯净水体积之比(kg/l)为1∶12的比例加入纯净水清洗3次。分别收集清洗后的粘胶纤维和清洗粘胶纤维后的废液，对收集的清洗粘胶纤维后的废液，与收集的预处理粘胶纤维后的废液进行合并，泵送至生化处理站进行处理，达标后排放。对收集的清洗后的粘胶纤维，即为预处理粘胶纤维，用于下步制备羧基化粘胶纤维。
(3)制备羧基化粘胶纤维
第(2)步完成后，按照预处理粘胶纤维质量与纯净水体积之比(kg/l)为1∶30的比例，将预处理粘胶纤维分散于纯净水中，升温至35℃，再加入体积占预处理粘胶纤维2％的葡萄糖氧化酶浓缩液，调节ph至5.5后反应3h。反应结束后放液，分别收集反应后的粘胶纤维和废液。对收集的反应后的粘胶纤维，按其质量与纯净水体积之比(kg/l)为1∶12的比例加入纯净水清洗3次。分别收集清洗后的粘胶纤维和清洗粘胶纤维后的废液，对收集的清洗粘胶纤维后的废液，与收集的反应后的废液进行合并，泵送至生化处理站进行处理，达标后排放。对收集的清洗后的粘胶纤维，于35℃下烘干，即制备出羧基化粘胶纤维。
实施例3
一种酶法制备羧基化粘胶纤维的方法，其具体工艺步骤如下：
(1)制备葡萄糖氧化酶浓缩液
将购置的活力为10000u/g的葡萄糖氧化酶溶解于纯净水中，配制成葡萄糖氧化酶的质量百分浓度为5％的溶液。然后再将其泵入截留分子量为220000da的微滤器中，在表压为0.5mpa下进行微滤，直至微滤截留液与微滤滤过液体积之比(l/l)为1∶9时止。微滤完成后，分别收集微滤滤过液和微滤截留液，对收集的微滤截留液，主要含有发酵生产葡萄糖氧化酶时的大分子杂质酶蛋白，可用于制备纯化过氧化氢酶；对收集的微滤滤过液，泵入截留分子量为100000da的超滤器中，在表压为0.5mpa下进行超滤，直至超滤截留液与超滤滤过液体积之比(l/l)为1∶9时止。超滤完成后，分别收集超滤滤过液和超滤截留液。对收集的超滤滤过液，主要含有小分子杂质酶蛋白，可用于制备纯化淀粉酶和蔗糖酶等；对收集的超滤截留液，即制备出葡萄糖氧化酶浓缩液，用于第(3)步制备羧基化粘胶纤维。
(2)制备预处理粘胶纤维
将购置的表面活性剂十二烷基苯磺酸钠或脂肪醇醚硫酸钠或硬脂酸甲酯聚氧乙烯醚磺酸钠溶解于适量纯净水中，配制成表面活性剂的质量百分浓度为2％的预处理液。再按照粘胶纤维质量与预处理液体积之比(kg/l)为1∶15的比例，将粘胶纤维分散于预处理液中，升温至100℃，搅拌预处理1.5h。预处理完成后放液，分别收集经预处理的粘胶纤维和预处理粘胶纤维后的废液。对收集的经预处理的粘胶纤维，按其质量与纯净水体积之比(kg/l)为1∶15的比例加入纯净水清洗4次。分别收集清洗后的粘胶纤维和清洗粘胶纤维后的废液，对收集的清洗粘胶纤维后的废液，与收集的预处理粘胶纤维后的废液进行合并，泵送至生化处理站进行处理，达标后排放。对收集的清洗后的粘胶纤维，即为预处理粘胶纤维，用于下步制备羧基化粘胶纤维。
(3)制备羧基化粘胶纤维
第(2)步完成后，按照预处理粘胶纤维质量与纯净水体积之比(kg/l)为1∶40的比例，将预处理粘胶纤维分散于纯净水中，升温至40℃，再加入体积占预处理粘胶纤维3％的葡萄糖氧化酶浓缩液，调节ph至6.0后反应4h。反应结束后放液，分别收集反应后的粘胶纤维和废液。对收集的反应后的粘胶纤维，按其质量与纯净水体积之比(kg/l)为1∶15的比例加入纯净水清洗4次。分别收集清洗后的粘胶纤维和清洗粘胶纤维后的废液，对收集的清洗粘胶纤维后的废液，与收集的反应后的废液进行合并，泵送至生化处理站进行处理，达标后排放。对收集的清洗后的粘胶纤维，于40℃下烘干，即制备出羧基化粘胶纤维。