紡織業(yè)新型酶制劑研究

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1酶在紡織工業(yè)清潔生產中的應用概述

1．1酶應用的現(xiàn)狀

20世紀90年代以前，酶在紡織上的工業(yè)化應用僅局限在淀粉酶退漿［1］和真絲脫膠［2］等少數(shù)加工，從世界范圍看也基本如此。然而，這之后酶在紡織上的應用卻如火如荼在全球開展起來，如牛仔服裝的酶洗［3］（或稱返舊整理）取代了傳統(tǒng)的石磨洗，氧漂生物凈化加工大量替代了傳統(tǒng)的漂后水洗處理［4］，真絲織物的酶法砂洗取代了化學法砂洗，以果膠酶為主體的棉織物酶精練加工開始出現(xiàn)并得到快速發(fā)展，生物拋光整理［5］賦予棉織物傳統(tǒng)化學加工無法獲得的良好品質等等。生化工程技術的發(fā)展、紡織綠色加工要求的提高以及對更高的產品品質的追求無疑是上述酶加工技術發(fā)展的巨大推動力。目前，紡織酶加工工藝已經涉及到了幾乎所有的紡織濕加工領域。酶制劑的種類已經從傳統(tǒng)的水解酶制劑擴展到了裂解酶、氧化還原酶等（表1），出現(xiàn)了一系列的高性能紡織專用酶產品。紡織酶加工理論、酶加工設備和工藝也都有了很大發(fā)展。目前可以進行酶加工并獲得工業(yè)化應用的工藝還只是紡織加工的很小一部分；在纖維原料的品種適用性上也有很大限制（主要用于天然纖維）；同時，普遍較低的酶制劑國產化水平，使得國內企業(yè)難以與國外大公司競爭，極大地制約了我國紡織酶加工技術的研究與應用，但也提供了巨大的發(fā)展空間。紡織酶處理工藝因其具有以下3個方面的突出優(yōu)勢，勢必在今后獲得更大發(fā)展，前景廣闊：a．生產綜合成本方面可節(jié)約大量的生產時間、工藝用水量、能耗、化工原料等，同時減少對廢水的處理費用，因而生產綜合成本不高于傳統(tǒng)工藝。b．生態(tài)環(huán)境方面大幅度減少了廢水排放量及排放廢水中鹽、AOX、染料、化學藥劑等的含量，廢水COD顯著降低。綠色環(huán)保是酶處理工藝將來獲得更廣泛應用的最強有力的保證，如棉織物退漿、精練加工中不再使用燒堿，羊毛防氈縮整理不再采用產生AOX的含氯氧化劑，棉織物酶法前處理及羊毛酶改性可提高染料利用率等。c．產品品質方面由于避免了強堿、氧化劑等化學藥劑對纖維的損傷，使得織物具有良好手感、外觀、物理機械性能及染色性能等，產品品質明顯提高。

1．2酶應用存在的主要問題

雖然酶的種類很多，但在印染中應用的主要是水解酶，如淀粉酶、纖維素酶、蛋白酶、脂肪酶、果膠酶等；還有少量的氧化還原酶，如過氧化氫酶、漆酶和轉移酶（如谷氨酰胺轉胺酶）等。酶在印染中的應用主要在前處理，主要是去除纖維上的天然雜質和附加雜質，其次是用于后整理，主要是對纖維表面的處理。酶在印染中的應用有些方面非常成熟，如淀粉酶退漿、纖維素織物生物拋光、牛仔服酶洗、真絲脫膠等；有些方面盡管研究了很多年，但不很成熟，還需做大量工作，如棉織物的煮練、漂白等；有些方面還未開發(fā)或很不成熟，而且近期內難以突破。另外，目前酶的應用主要集中在對天然纖維（包括再生纖維素纖維）的處理上，而對合成纖維的處理還剛剛開始。主要原因在于：天然纖維，包括天然纖維上的各類雜質已在自然界中長期存在，已有相應的酶能對其作用。而合成聚合物，如合成纖維、聚乙烯醇等在自然界出現(xiàn)的時間不長，以及其本身結構等原因，還沒有相應的、合適的酶能對其作用。酶具有很強的專一性，一般來說，一種酶只能分解一種或一類物質，而天然纖維除了纖維本身外，還含有多種雜質，只靠一種酶是不能將其全部分解的，必須要多種酶配合起來。但不同的酶的共適條件不同，這樣會影響酶的協(xié)同作用效果。目前，商品化的酶的品種還不多，纖維上的許多雜質還缺乏相應的商品酶對其進行分解，如分解聚乙烯醇的PVA酶、木質素酶、半纖維素酶都還沒有商品化。另外，有些成分的雜質如棉蠟（主要成分是高碳數(shù)的碳氫化合物），到目前還沒有相應的酶能對其進行分解。酶與纖維的作用屬于液－固相作用，另外酶屬于高分子物質，分子量很高，很難滲透到纖維內，只能在纖維表面起作用，這樣會影響到其作用效率。本文重點介紹幾種具有較好應用潛力的紡織工業(yè)清潔生產用新型酶制劑。

2PVA降解酶

聚乙烯醇（簡稱PVA）是一種人工合成的乙烯類聚合物，因具有良好的黏附性、成膜性和水溶性，是目前經紗上漿中應用十分廣泛的一種主漿料。但在目前階段，印染加工退漿工序中去除的PVA漿料因其對酸、堿和一些微生物都很穩(wěn)定，不易被分解，因此存在較大的環(huán)保問題。

2．1PVA的生物降解機理

事實上，PVA是可以生物降解的。但是，在自然環(huán)境中，可降解PVA的微生物非常少，通常只出現(xiàn)在被PVA污染的環(huán)境中。目前，已正式報道的PVA降解酶主要有三種：PVA氧化酶（仲醇氧化酶）、PVA脫氫酶和氧化型PVA水解酶（β－雙酮水解酶）［6］。a．PVA氧化酶在以O2為電子受體的條件下，或由PVA脫氫酶以吡咯并喹啉醌為電子受體的情況下，將PVA鏈上的羥基脫氫氧化成羰基，生成PVAβ－雙酮結構類物質。b．隨后氧化型PVA水解酶對PVAβ－雙酮結構類物質進行催化水解，生成以羧酸和甲基酮為端點的PVA斷鏈，使PVA長鏈斷裂，PVA溶液黏度下降。也有觀點認為，氧化型PVA的水解反應是自發(fā)進行的，水解反應自發(fā)進行主要是由于其分子結構不穩(wěn)定造成的，氧化型PVA水解酶能加速這種水解反應。

2．2造成PVA降解酶難以商業(yè)化的原因對PVA生物降解研究較多的是日本和意大利。日本1973年開始研究PVA的生物降解［7］，但到目前為止，采用PVA降解酶對PVA進行降解還只停留在實驗室水平。諾維信、杰能科等大型酶制劑公司至今未推出PVA降解酶的商品酶，該市場尚處于真空狀態(tài)。造成PVA降解酶難以商業(yè)化的原因主要有以下幾點：a．能夠降解PVA的微生物在自然界中的分布并不廣泛，一般僅存在于被PVA污染的環(huán)境中，在篩選過程中必須以PVA作為篩選培養(yǎng)基的唯一碳源，以形成一個PVA脅迫的環(huán)境，才能篩選到PVA降解微生物；b．靠單一微生物實現(xiàn)對PVA的徹底降解非常困難，經過長時間的培養(yǎng)仍難以達到徹底降解PVA的目的，只有通過馴化混合菌群才能達到對這種高聚物的徹底降解；c．PVA的不徹底降解會造成PVA降解酶的提取困難，因為在提取過程中PVA和蛋白質會形成一種乳白色的凝膠狀物質使PVA降解酶無法提?。籨．共生細菌產生的PVA脫氫酶位于細胞膜上，不易提取，而且在其降解PVA的過程中必須外加生長因子吡咯并喹啉醌，使用成本昂貴；e．PVA降解酶的酶活較低。

2．3PVA降解酶的紡織應用潛力

PVA降解酶在紡織工業(yè)中可用于酶退漿和退漿廢水生化處理。傳統(tǒng)堿法退漿中燒堿可通過促進PVA溶脹、增大PVA溶解度去除織物上PVA，但不能降解PVA；酶法退漿采用的淀粉酶，只適用于淀粉漿料的去除，也不能降解PVA；PVA是一種COD很高、難以生物降解的物質（每克PVA的CODCr為1600mg/L，而BOD5為16mg/L），退漿廢水中存在大量PVA，加大了廢水處理難度和成本。目前，棉及其混紡織物以及合纖織物織造過程中均在經紗上漿中采用相當比例的PVA漿料。這是因為PVA漿料具有優(yōu)異的上漿性能，盡管由于其環(huán)保問題國內外提倡少用、不用PVA上漿，但目前尚無性能過硬的替代品。因此，如果能夠開發(fā)出具有較高活力的PVA降解酶，不僅可以實現(xiàn)含高比例PVA漿料的織物的酶法退漿（可以與目前工業(yè)化應用的淀粉酶退漿同時進行），而且因PVA在退漿中已有一定程度降解，因此廢水處理也將會變得相對容易。PVA降解酶對于紡織品的清潔生產具有十分重要的現(xiàn)實意義。Morita等［8］用分離純化得到的PVA降解酶在30℃進行棉織物的退漿，與常規(guī)70～90℃熱水退漿相比，酶反應條件溫和，棉織物的品質得到了保持，同時退漿廢水的生物可降解性得到了提高，降低了廢水處理的負擔。錢鼎等［9］研究了由青霉菌Penicillumsp．WSH02－21所產PVA降解酶的酶學性質，并確定了酶最適反應pH值、溫度，酶的pH值、溫度的穩(wěn)定性，以及金屬離子對酶活力的影響。在此基礎上，將Penicillumsp．WSH02－21所產的PVA降解酶應用于棉織物退漿的小試研究，比較了酶退漿與熱水退漿的效果，結果表明：在退漿速率上酶法不如熱水退漿，但由于酶法退漿是將PVA進行降解，從而提高退漿廢水的生物可降解性，減少了環(huán)境污染。張穎等［10］從不同環(huán)境中篩選得到多株能產生PVA降解酶的微生物及一個混合體系，并對它們降解PVA的過程進行了分析。研究結果表明：篩選得到的單一微生物及其酶都不能徹底降解高聚合度的PVAl799，只有混合體系能徹底降解。采用PVA降解酶進行棉織物的退漿目前還不成熟，僅僅停留在實驗室研究階段。

3谷氨酰胺轉氨酶

3．1谷氨酰胺轉胺酶概述

谷氨酰胺轉胺酶（蛋白質－谷氨酸－γ－谷氨酰胺轉胺酶，簡稱TG），又稱轉谷氨酰胺酶或γ－谷氨酰胺?；D胺酶，它能夠催化蛋白質分子內、分子間發(fā)生交聯(lián)，催化含谷氨酰胺?；牡鞍踪|類物質接枝含伯胺基的蛋白質、氨基酸和其他功能性單體，從而進一步改善蛋白質類物質的功能性質，在食品、紡織等領域具有較好的應用前景［11］。谷氨酰胺轉胺酶存在于動物、植物和微生物中，包括來源于動物體的谷氨酰胺轉胺酶（簡稱GTG）以及來源于微生物的谷氨酰胺轉胺酶（簡稱MTG）［12］。

3．2谷氨酰胺轉胺酶的作用機理

谷氨酰胺轉胺酶是一種催化酰基轉移反應的轉移酶，其典型反應如圖2所示［13］。利用這些催化反應，在各種蛋白質分子之間或者之內引起共價交聯(lián)，從而對蛋白質進行改性。谷氨酰胺轉胺酶以肽鏈中谷氨酰胺殘基的γ－羧酰胺基作為酰基供體，而酰基受體可以是：a．多肽鏈中賴氨酸殘基的ε－氨基形成蛋白質分子內或分子間的ε－（γ－谷氨酰）賴氨酸異肽鍵，見式（1）。使蛋白質分子發(fā)生交聯(lián)，從而改變織物的質地和結構，改善蛋白質的溶解性、起泡性、乳化性等許多物理性質。b．伯胺基形成蛋白質分子和小分子伯胺之間的連接，見式（2）。利用該反應可以將一些限制性氨基酸引入蛋白質以提高其營養(yǎng)價值。c．水當不存在伯胺時，水會成為?；荏w，其結果是谷氨酰胺殘基脫去氨基生成谷氨酸殘基，見式（3）。該反應可用于改變蛋白質的等電點及溶解度。

3．3谷氨酰胺轉胺酶的紡織應用潛力

鑒于TG的獨特功能以及羊毛、蠶絲的蛋白質纖維屬性，目前國內外已經把TG引入羊毛、蠶絲的染整加工中，取得了一定的效果。TG應用于羊毛的改性處理初期主要是改善纖維的物理機械性能。研究者利用TG的催化特性和羊毛的化學結構特征（含有谷氨酰胺和賴氨酸?；?，實現(xiàn)了羊毛纖維蛋白質大分子間的交聯(lián)。這種改性處理不僅能夠提高羊毛紗線和織物的強力，有效彌補酶處理前各種化學預處理和蛋白酶處理（水解）造成的纖維損傷，還可以減輕洗滌時羊毛制品的褪色和損傷（來自于洗滌液的偏堿性條件和蛋白酶對纖維的降解）。江南大學在國內較早開展了這方面的研究。崔莉等［14］以微生物發(fā)酵生產的谷氨酰胺轉胺酶（MTG）作為羊毛織物的酶整理劑，探討了MTG在羊毛織物防氈縮和強力損傷回復中的作用。MTG可使蛋白酶處理后織物強力提高30％，氈縮率從處理前的9．35％下降至2．30％。此外，通過纖維的氨基酸分析、紅外、電鏡和原子力顯微鏡分析，揭示了MTG酶對羊毛纖維的作用機制。

4角質酶

4．1角質酶概述

角質酶（cutinase）是一種可以降解植物角質的水解酶，屬于絲氨酸酯酶。角質酶可被看作是酯酶和脂肪酶之間的過渡物質，既可催化水解不溶性多聚體角質的酯鍵，也可以作用于其他長鏈、短鏈脂肪酸酯、乳化的甘油三酯等［18］。除了水解反應外，角質酶還能參與酸與醇的酯化、一些脂肪酸鹽與醇的轉酯化。角質酶作為一種多功能裂解酶，在紡織工業(yè)、食品工業(yè)以及化工工業(yè)等諸多領域都有著廣泛的應用。角質酶對角質等聚酯的水解機制反應方程式見式（4）。

4．2角質酶的紡織應用潛力

用于紡織工業(yè)是角質酶近年來的新的應用方向。Degani等［19］考察了細菌角質酶在棉織物精練中的應用，發(fā)現(xiàn)該酶能水解棉纖維角質層中的高分子量脂肪酸酯，從而提高棉織物的潤濕性能，且與果膠裂解酶具有較好的協(xié)同作用。畢鳳珍等［20］對國產角質酶研究結果表明，角質酶對棉纖維最外層的角質結構具有高度的可及性，可以提高棉纖維吸水性和著色效果，和果膠酶協(xié)同作用可更好地縮短吸水時間。王平等［21］系統(tǒng)研究了羊毛織物角質酶預處理對蛋白酶防氈縮整理的促進作用，建立了弱氧化／角質酶預處理與蛋白酶處理相結合的加工模式，獲得了較好的防氈縮整理效果，為角質酶的紡織應用提供了新的方向。此外，角質酶可用于酶法水解環(huán)狀低聚物（聚對苯二甲酸亞乙酯），這一低聚物是紡織工業(yè)中聚酯的主要組成部分，沉積于織物表面時會使纖維呈現(xiàn)淺灰色的外觀，用傳統(tǒng)的堿法處理不易去除，這一低聚物的去除有利于改善織物品質。

近幾年，角質酶用于聚酯纖維或織物表面的酶法改性也有一些研究，研究表明，角質酶較普通脂肪酶對聚酯纖維的水解能力要強一些。然而角質酶大多來源于常溫野生菌，酶活低、耐熱性差、生產成本高等問題使角質酶在合纖改性中的應用受到了限制。江南大學鑒定了來自于嗜熱子囊菌的耐熱角質酶編碼基因，成為國內外首次破譯的耐熱角質酶基因。此外，還實現(xiàn)了該角質酶在大腸桿菌中的高效表達，獲得了具有自主知識產權的基因工程菌。重組T．fusca角質酶表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性和酸堿抗性，在紡織生物精練中具有潛在的應用前景［22］。綜合國內外的研究發(fā)現(xiàn)，近年來，關于角質酶的研究雖然取得了一定的進展，但是角質酶在紡織纖維改性中的應用仍然存在一些問題。

究其原因歸納如下：雖然國外對真菌角質酶研究得較為深入，但是由于真菌角質酶耐熱性差，不能有效地應用于紡織生物精練中；棉纖維表面覆蓋成分復雜、致密，在一定程度上限制了酶的作用位點，使酶的作用效果大大降低，以至于研究者雖然提出了酶與纖維的吸附作用極其重要，但對于如何提高角質酶對纖維的吸附力并沒有獲得確實可行的辦法；研究者大都通過尋求好的菌種、優(yōu)化出好的工藝條件來增強生物酶對棉纖維的精練效果，而通過生物技術改造酶的方法尚未在纖維改性中應用。目前，江南大學在角質酶基因工程菌構建成功的基礎上，對耐熱角質酶進行分子改造，在此基礎上通過發(fā)酵調控，以期獲得高活力、高穩(wěn)定性、寬適用條件、高催化效率的生物精練酶制劑，提高其對棉纖維精練的催化效率和處理效果。