染整用酶制劑的研究與開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀
染整用酶制劑的研究與開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀
目前,印染助劑的研究發(fā)展方向是無(wú)毒性、低成本、高效、節(jié)能節(jié)水、易生化處理、縮短印染加工時(shí)間以及提高染色牢度。通過(guò)助劑的使用以符合人們環(huán)保意識(shí)提高的要求和保健的需要,由于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,促使了印染助劑的發(fā)展。
酶制劑是一種蛋白質(zhì),它是生物催化劑,因其結(jié)構(gòu)及立體構(gòu)型的獨(dú)特性而具有反應(yīng)專(zhuān)一性的特點(diǎn),具有高效、反應(yīng)快、成本低、高質(zhì)量等的優(yōu)點(diǎn)。廣泛用于食品、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和洗滌中。在印染工業(yè)中使用酶制劑由退漿逐步發(fā)展到纖維素和羊毛
織物的拋光柔軟、牛仔布的石磨、麻的脫膠、絲的精練、羊毛的防氈縮、纖維素纖維的煮練、漂白和浮色的去除、防沾污洗滌等等,其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大,受到印染業(yè)界的青睞。本文對(duì)酶制劑國(guó)內(nèi)外研發(fā)情況作了介紹。
1酶制劑發(fā)展為印染工藝的改革創(chuàng)造了條件
酶制劑與化學(xué)藥劑進(jìn)行印染加工的區(qū)別:⑴酶制劑反應(yīng)的專(zhuān)一性,只能對(duì)特定的一種物質(zhì)進(jìn)行水解、裂解或特定的化學(xué)反應(yīng),從某些物質(zhì)中去除某一種特定成分。例如用蛋白酶進(jìn)行蠶絲的脫膠,能使絲膠水解,而絲素不水解,雖然絲膠和絲素都是蛋白質(zhì),但蛋白酶脫膠時(shí)不會(huì)損傷絲素;⑵可以在常溫壓下和弱酸弱堿介質(zhì)中使用,對(duì)設(shè)備要求低,不會(huì)損壞設(shè)備,勞動(dòng)條件較好;⑶酶制劑的生物催化反應(yīng)速度快,可以從事快速反應(yīng)。比如,退漿可以通過(guò)數(shù)十秒汽蒸來(lái)完成,這主要是因?yàn)槊钢苿┑拇呋罨軜O低,催化效率比化學(xué)催化劑快得多。例如,過(guò)氧化氫的分解,在沒(méi)有催化劑存在時(shí),其活化能約75360.4J/mol,若在鈀催化劑存在下,其活化能48985.6J/mol,降低了近一半,但用酶作催化劑時(shí),其活化能7117.6J/mol,僅為無(wú)催化劑的過(guò)氧化氫活化能的1/10左右,反應(yīng)速度大大加快,快十億倍之多。由如1gα-淀粉酶晶體可在65℃、15min內(nèi)將2t淀粉轉(zhuǎn)化為糊狀,若用酸將淀粉水解成糊狀,則要在140~150℃條件下進(jìn)行。⑷酶本身是蛋白質(zhì),無(wú)毒,對(duì)酸堿和溫度敏感,因此,可利用pH調(diào)節(jié)或溫度來(lái)抑制酶制劑的反應(yīng);⑸酶的來(lái)源很廣,動(dòng)物、植物和微生物都可用作酶的原料,特別是微生物,不受季節(jié)、地域和氣候的限制,而且微生物品種多,容易培養(yǎng),繁殖較快,產(chǎn)量又高,可以在短時(shí)間內(nèi)廉價(jià)地大量生產(chǎn)。尤其近使用基因工程進(jìn)行DNA順序重組和編排,使酶的性能能按人們的需要而生產(chǎn)出新穎的酶制劑,使酶制劑發(fā)生突破性的進(jìn)展;⑹酶制劑的生物催化反應(yīng)速度快,一般能在50~60℃反應(yīng),可大量節(jié)約能源;⑺用防沾污洗滌劑染色物,在洗滌中的色度極高,而用酶洗滌其洗液色度較低,酶本身易生物降解,為環(huán)保型助劑。
在20世紀(jì)90年代,氧化還原酶(以過(guò)氧化氫酶、漆酶和過(guò)氧化物酶為代表)、裂解酶以果膠酶中特殊的果膠酸裂解酶為代表)加入到紡織工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中,近20年來(lái),各類(lèi)新型紡織用酶制劑的增長(zhǎng)非常顯著:老品種有新的應(yīng)用;市場(chǎng)上出現(xiàn)了完全嶄新的酶制劑,并且發(fā)展了新的應(yīng)用領(lǐng)域;近幾年來(lái),新專(zhuān)利的數(shù)量大增,酶對(duì)天然纖維的應(yīng)用工藝基礎(chǔ)已經(jīng)基本確立,而下一個(gè)里程碑將是針對(duì)和成纖維及其紡織品,對(duì)PVA的分解也是工作的目標(biāo)。在這種情況下,印染工作者要密切關(guān)注酶制劑的發(fā)展,了解和熟悉新品種的使用,還要學(xué)習(xí)有關(guān)酶生物化學(xué),以便使用好的酶制劑來(lái)提高印染成品質(zhì)量和降低印染加工成本。
2酶的作用原理
酶是活細(xì)胞所產(chǎn)生的生物催化劑,生物體內(nèi)的新陳代謝是在酶的參與下發(fā)生化學(xué)變化的,沒(méi)有酶就沒(méi)有生物的新陳代謝,也就沒(méi)有生命活動(dòng)?,F(xiàn)在從生物界發(fā)現(xiàn)的酶已超過(guò)2500多種,工業(yè)上大量生產(chǎn)的酶有數(shù)十種。
2.1酶蛋白的結(jié)構(gòu)
酶蛋白具有一般蛋白質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì),由20種天然氨基酸構(gòu)成的生物大分子化合物,是由氨基酸以肽?。0方。┚酆铣傻碾逆?,一個(gè)蛋白質(zhì)分子可能由一條肽鏈構(gòu)成,也可能由幾條肽鏈構(gòu)成。在蛋白質(zhì)肽鏈上的氨基酸殘基按嚴(yán)格確定的順序排列,它的側(cè)鏈可以是各種天然氨基酸,不是單一氨基酸殘基的重復(fù)。
酶蛋白是球蛋白,具有一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)甚至四級(jí)結(jié)構(gòu):一級(jí)結(jié)構(gòu),是指線性排列順序的蛋白質(zhì);二級(jí)結(jié)構(gòu),是指肽鏈出現(xiàn)α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu)的形式,這是因?yàn)殡逆I上氫原子與另一肽鍵上的氧原子形成氫鍵所致;三級(jí)結(jié)構(gòu),是指蛋白質(zhì)的肽鏈按嚴(yán)格的立體結(jié)構(gòu)盤(pán)曲折疊,而成為完整的一個(gè)分子;四級(jí)結(jié)構(gòu),是指幾條肽鏈組成的酶分子以非共價(jià)鍵結(jié)合的方式、按一定形式相互結(jié)合而成為完整的分子,其中每條完整的肽鏈稱之為亞基。酶單百可以以一種亞基構(gòu)成,也可以由幾種亞基構(gòu)成,亞基的數(shù)目位2~60個(gè),四級(jí)結(jié)構(gòu)具有催化活性。
酶分子這種精細(xì)和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)決定了酶的一些獨(dú)特的性質(zhì),使它具有極高的催化效率和高度的專(zhuān)一性,它極易受外界環(huán)境的影響,如溫度、pH、重金屬離子的作用,改變酶蛋白的立體構(gòu)型,使之變形或破壞,從而使酶喪失活力。新穎的酶制劑通過(guò)DNA編排順序的改變,使酶的結(jié)構(gòu)不易受外界環(huán)境的影響而變形,保持良好的活性中心。
2.2酶蛋白的活性中心
酶蛋白與一般蛋白質(zhì)的不同之處在于酶蛋白具有活性中心。酶蛋白的活性中心是與底物發(fā)生催化作用的部位,由酶蛋白的立體構(gòu)型所決定,一般是三級(jí)結(jié)構(gòu)及四級(jí)結(jié)構(gòu)才具有活性中心。若這種結(jié)構(gòu)被破壞,活性中心也就破壞,酶就失去活性,這就是當(dāng)環(huán)境變化時(shí),酶喪失活性的原因。
整個(gè)酶蛋白,包括活性中心和非活性中心部分,都對(duì)酶的整體結(jié)構(gòu)起著維持作用,決定了酶的親水性強(qiáng)弱、整個(gè)分子的電性和電荷分布,以及活性中心周?chē)沫h(huán)境,如Ph、溫度等等,這就決定了酶使用的佳工藝條件。因此,改變酶蛋白中氨基酸或其排列順序,就會(huì)改變酶的活性中心及其性質(zhì)和效能。由于探索了其內(nèi)在關(guān)系,便能人為地對(duì)酶進(jìn)行改性,以滿足工藝的需要。這便是新穎酶制劑所以能飛速發(fā)展的原因。
酶蛋白的活性中心是決定酶催化反應(yīng)專(zhuān)一性的根本原因。酶催化反應(yīng)的專(zhuān)一性實(shí)際上包括兩方面內(nèi)容:⑴與底物結(jié)合的專(zhuān)一性,決定酶的催化作用專(zhuān)一性;⑵對(duì)底物催化的專(zhuān)一性,分別由結(jié)合與催化部位組成構(gòu)成活性中心,決定催化活力和催化專(zhuān)一性。
如前所述,酶的活性中心是由肽鏈中的某些氨基酸基團(tuán)組成,催化部位的氨基酸數(shù)目一般只有2~3個(gè),而結(jié)合部位的氨基酸數(shù)目要多一些,甚至處于不同的肽鏈上。
2.3酶催化作用機(jī)理
酶是催化劑,在催化反應(yīng)過(guò)程中,酶并不消耗,而是在催化過(guò)程中,酶和底物生成絡(luò)合物,在反應(yīng)完成后,恢復(fù)到原來(lái)的酶。酶活性中心的結(jié)合部位首先決定了酶催化作用的專(zhuān)一性。因此,有人將它比喻為鎖和鑰匙的關(guān)系,提出了“鎖和鑰匙”模型,指出,酶蛋白的活性部位與底物的形狀和大小完全適合時(shí),才能發(fā)生催化反應(yīng),否則不會(huì)發(fā)生催化反應(yīng),但這模式過(guò)于機(jī)械化,因酶和底物都不可能是剛性的。試驗(yàn)證明在反應(yīng)過(guò)程中酶和底物分子的結(jié)構(gòu)在一定程度上會(huì)發(fā)生改變以適應(yīng)其相互結(jié)合,只要形成三點(diǎn)結(jié)合就可以發(fā)生催化反應(yīng),但其催化機(jī)理至今不能用單一的機(jī)理解釋?zhuān)械氖沟孜镏心骋绘I發(fā)生水解斷裂,例如酯的水解,先形成酰中間產(chǎn)物,后再形成酸,有的催化分解是發(fā)生雙鍵的裂解,有的是酶分子使底物氧化或還原,它作為電子的供體或受體。因此,催化機(jī)理隨酶分子與底物分子的不同而不同,即使同一底物也因使用酶制劑不同而反應(yīng)機(jī)理各異。所以提出了誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō),且得到了X光衍射證明。在一個(gè)合適形狀的底物存在時(shí),酶分子活性中心中的催化基團(tuán)A和B排列在一起,在這種情況下便能發(fā)生催化反應(yīng),非底物分子雖能與C基團(tuán)結(jié)合,但不能使A、B基團(tuán)結(jié)合,發(fā)揮其催化反應(yīng),這樣的非底物便成了競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。
3酶制劑技術(shù)的近代發(fā)展
3.1代酶制劑是從動(dòng)物、植物組織中提取的,而現(xiàn)在工業(yè)上應(yīng)用的酶,主要來(lái)自微生物,因?yàn)槲⑸锓N類(lèi)多,所有的酶幾乎都能從微生物中找到,而且微生物易于培養(yǎng),只要有簡(jiǎn)單的設(shè)備和一般原料為培養(yǎng)基,就能迅速繁殖,獲得大量的酶。
3.2第二代酶制劑是通過(guò)基團(tuán)工程方法生產(chǎn)的。它是將生產(chǎn)有效酶的微生物基團(tuán)、重組成生產(chǎn)性高的其他微生物基團(tuán),進(jìn)行高效酶的生產(chǎn)。
DNA重組菌是將編號(hào)的目的酶基團(tuán)進(jìn)行單體分離(純株培養(yǎng))得到的,這種基本操作如圖2所示。
首先,用制限酶分解而產(chǎn)生目的酶的染色體,再將它和稱為媒體的基團(tuán)運(yùn)輸體結(jié)合,形成DNA重組媒體,接著將它引入寄生性細(xì)菌內(nèi),用細(xì)菌雜交等方法,選擇進(jìn)入目標(biāo)?;鶊F(tuán)的DNA重組菌,DNA重組菌是多數(shù)DNA在菌體內(nèi)重組,使媒體擴(kuò)大,生產(chǎn)大量基團(tuán)產(chǎn)物(酶)。寄生菌主要使用枯草菌和曲菌。
3.3第三帶酶制劑是基團(tuán)重組和蛋白質(zhì)工程相組合的酶制劑,它是將酶蛋白的部分氨基酸置換為其它氨基酸的變換方法,可以改變酶的耐藥性和耐熱性等特性。這種基團(tuán)重組與蛋白質(zhì)重組的酶制劑在近幾年的專(zhuān)利中幾乎普遍使用,從而可獲得染整加工所需要的酶制劑,其性能得到很大改進(jìn)。例如混配在家用洗滌劑中的堿性蛋白酶,將酶分子中的一種蛋氨酸更換為丙氨酸,可以使這種酶對(duì)漂白劑具有耐久穩(wěn)定性,而原來(lái)是不耐漂的,這正是當(dāng)前急于需要解決的一個(gè)難題。
由于使用基團(tuán)重組技術(shù)和將部分酶蛋白置換為其他氨基酸的蛋白質(zhì)工程技術(shù),使酶的性質(zhì)得到改善。近年來(lái),由于基團(tuán)操作技術(shù)的進(jìn)步,80%以上的工業(yè)用酶都是用DNA重組菌生產(chǎn)的。例如退漿用的α淀粉酶,過(guò)去是代產(chǎn)品,如BF7658酶,后來(lái)發(fā)展為70℃的中溫型酶和90℃高溫型酶(第二代產(chǎn)品),幾年前,通過(guò)基團(tuán)重組,生產(chǎn)了能在所有溫度范圍內(nèi)使用的酶,是又基團(tuán)重組的芽孢桿菌屬微生物培養(yǎng)出來(lái)的,在70℃溶液中其酶活力為原中溫型酶的4.5,還能在高溫區(qū)使用,具有良好的耐熱性,若用汽蒸法退漿,能在數(shù)十秒鐘內(nèi)完全退漿任務(wù)。
為了擴(kuò)大酶的使用價(jià)值,人們?cè)缇脱芯棵傅墓潭夹g(shù),目前固定化技術(shù)也不斷改進(jìn),與基團(tuán)工程、蛋白質(zhì)工程相配合,給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了很大益處。但還沒(méi)有找到普遍適用的固定化方法和廉價(jià)的載體。目前通過(guò)固定化已有可能將多種固定化酶裝在同一個(gè)柱中進(jìn)行多酶反應(yīng):淀粉酶、糖畫(huà)酶、異構(gòu)酶同柱順序反應(yīng)將淀粉轉(zhuǎn)化為果糖;或?qū)⑻墙徒獾拿溉恐瞥晒潭ɑ?,能將葡萄精直接生產(chǎn)酒精;α-淀粉酶、果膠酶、脂肪酶固定在同一柱中,對(duì)上漿的棉坯布直接進(jìn)行退漿、煮練,如果再加上漆酶與過(guò)氧化酶,則可1次性完成棉的前處理過(guò)程,總過(guò)程只要3h,還有人大膽設(shè)想,通過(guò)基團(tuán)重組、蛋白質(zhì)工程的置換氨基酸以及DNA編號(hào)順序的重新排列,可以在同一個(gè)酶分子中裝備不同的活性中心,每種活性中心發(fā)生1種催化反應(yīng),這種酶就可以完成多種酶的作用,這將為染整工業(yè)的革命奠定基礎(chǔ)。
固定化酶就是將酶通過(guò)化學(xué)或物理手段,將酶束縛在一定區(qū)見(jiàn)內(nèi),限制酶分子在此區(qū)間內(nèi)進(jìn)行活躍的催化作用。所以固定化酶就是束縛其在一定空間的酶。固定化酶活性中心的氨基酸殘基不發(fā)生變化,而固定化酶可以提高酶的催化效率和穩(wěn)定性,使用方便,酶反應(yīng)易于調(diào)節(jié)和控制。并且可提高酶催化反應(yīng)生成物的純度和得率,還可以節(jié)能,固定化:方法吸附法,將酶吸附在吸附劑上;共價(jià)結(jié)合法,將酶蛋白上的基團(tuán)通過(guò)共價(jià)結(jié)合連接到載體上;交聯(lián)法,用交聯(lián)劑將酶蛋白分子進(jìn)行交聯(lián);包埋法,將酶物理性的包埋在高聚物內(nèi)。S9WnKRBf0
免責(zé)聲明:
免責(zé)聲明:本站發(fā)布的有些文章部分文字、圖片、音頻、視頻來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng),并不代表本網(wǎng)站觀點(diǎn),其版權(quán)歸原作者所有。如果您發(fā)現(xiàn)本網(wǎng)轉(zhuǎn)載信息侵害了您的權(quán)益,如有侵權(quán),請(qǐng)聯(lián)系我們,我們會(huì)盡快更改或刪除。