（纺织化学与染整工程专业论文）影响淀粉酶、纤维素酶活力与应用性能的因素分析.pdf

、 t ， h 一一一一一一 c l a s s i f i e di n d e x ：t s10 2 4 + 2 u d c ：6 7 7 d i s s e r t a t i o nf o r t h em a s t e rd e g r e e i ne n g i n e e r i n g i m p a c to fa m y l a s e ，c e l l u l a s ea c t i v i t ya n d a p p l i c a t i o np e r f o r m a n c ef a c t o r s c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i c d e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： j l aj i a a d j u n c tp r o f e s s o r y a oj im i n g m a s t e ro f e n g i n e e r i n g t e x t i l ec h e m i s t r ya n d d y e i n g e n g i n e e r i n g d e c e m b e r ，2 0 0 9 m a y ，2 0 0 9 h e b e i u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 馒胜 年t 旯l e l 指导教师签名： d 7 年月1 日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 口不保密。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名： 口c 7 年月日 指导教师签名： 勺爷i 弼 摘要 摘要 随着纺织工业的发展，酶在纺织行业上的应用越来越广。淀粉酶主要用于织物 退浆，纤维素酶主要用于织物生物抛光。文章主要讨论分析影响淀粉酶、纤维素酶 活力与应用性能的因素，通过用淀粉分解量的多少来表征各种因素淀粉酶活的影 响。 采用不同阴离子的钠、钾、钙、镁等盐作为酶添加剂，在不同温度、不同浓度 下测定淀粉分解率，比较得出硝酸钠在提高淀粉分解率方面有较大促进作用，在退 浆方面，加入硝酸钠，从5 0 到7 0 ，淀粉去除率均可达到9 0 以上。中温、高温 混合酶测定的分解率在各个温度下都达到了7 0 左右，最高和最低相差1 0 左右， 结合硝酸钠，淀粉分解率有较大提高并适应于宽温范围。研究表面活性剂对淀粉分 解率的影响，发现两性表面活性剂能较大提高淀粉分解率，并且在p h ：3 - 9 下都能 使中温或者高温酶获得较高的淀粉分解率。因此可以采用硝酸钠和两性表面活性剂 根据需要作为淀粉酶的有效助剂。 在牛仔布退浆应用方面，比较了酶退浆和其它退浆方法，发现了酶退浆退浆彻 底，掉色少，手感柔软等。 探讨纤维素酶各个成分及其作用机理，用不同染料染色织物进行纤维素酶抛光 处理，由于部分染料抑制酶解，因此会产生不一样的物理性能如失重率、颜色强度 变化率等。通过工艺优化设计，根据需要的物理性能选择合适的实验条件。 关键词淀粉酶；硝酸钠；淀粉分解率；淀粉去除率；退浆；抛光 t h ev a r i o u sc o m p o n e n t so fc e l l u l a s ea n di t sm e c h a n i s mo fa c t i o nw e r ee x p l o r e d d i f f e r e n td y e df a b r i c sw e r ec e i l u l a s ep o l i s h e d ，a ss o m ed y e si n h i b i t e de n z y m o l y s i sa n d w o u l dt h e r e f o r eh a v ed i f f e r e n tp h y s i c a lp r o p e r t i e ss u c h 豁w e i g h tl o s sr a t e c o l o r i n t e n s i t yc h a n g er a t e p r o c e s so p t i m i z a t i o nd e s i g nt og e tt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sr e q u i r e d t os e l e c tt h ea p p r o p r i a t ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s k e yw o r d sa m y l a s e ；s o d i u mn i t r a t e ；s t a r c hd e c o m p o s i t i o nr a t e ；s t a r c hr e m o v a lr a t e ； d e s i z i n g ；p o l i s h i n g f ， 目录 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 目录：i i i 第1 章绪论1 1 1 酶用于纺织加工的历史1 1 2 生物酶用于纺织印染加工的意义1 1 3 纺织印染加工用酶的种类2 1 4 淀粉酶在纺织染整加工中的应用2 1 4 1 淀粉酶的种类2 1 4 2 淀粉酶退浆简介3 1 5 纤维素酶在纺织印染加工中的应用。4 1 5 1 纤维素酶的性质及分类4 1 5 2 纤维素酶在在抛光整理中的应用4 1 6 目前我国纺织用酶存在的问题。5 1 7 发展前景6 1 7 1 生物酶处理的印染产品继续扩大6 1 7 2 降低成本和改善织物强力损失是今后方向6 1 7 3 加强与生化部门的合作6 1 8 本课题研究的主要内容6 第2 章酶学基础知识8 2 1 酶的概念一8 2 2 酶的催化特性8 2 2 1 温和性8 2 2 2 高效性8 2 2 3 专一性：8 2 2 4 活性受一些化合物调控9 2 2 5 酶的活性9 2 2 6 辅( 助) 因子9 2 3 酶的活性部位10 2 3 1 活性部位的概念一10 2 5 2 必需基团一10 河北科技人学硕十，学位论文 4 3 2 3 3 结合部位与催化部位1 0 2 3 4 酶活性部位的研究方法l1 酶的作用原理11 酶促反应动力学1 2 2 5 1 初速度和底物浓度的关系1 2 2 5 2 米氏常数的意义 1 4 2 5 3 影响酶活和酶促反应的因素。1 4 淀粉酶l7 淀粉和淀粉酶的化学结构1 7 3 1 1 淀粉浆料17 3 1 2 淀粉酶的化学结构：1 7 淀粉酶的作用机理1 8 q 一淀粉酶对淀粉的分解率及其影响因素实验1 9 3 3 1 d 一淀粉酶酶活测定方法综述1 9 3 3 2 淀粉分解率测定实验方法2 0 3 3 3 不同盐对淀粉分解率的影响2 1 3 3 4 不同温型酶对淀粉的分解率2 7 3 3 5 钠盐对不同温型淀粉酶淀粉分解率的影响2 9 3 3 6 表面活性剂加入对淀粉分解率的影响3 0 3 3 7 小结3 4 淀粉酶的退浆应用实验3 4 3 4 1 淀粉去除率测定实验3 4 3 4 2 退浆后织物测试方法3 5 3 4 3 中温酶退浆数据评价3 6 3 4 4 中温、高温、混合酶退浆对淀粉的去除率3 6 3 4 5 退浆酶在牛仔布上应用3 7 本章小结4 0 纤维素酶4 2 纤维素4 2 棉纤维4 3 4 2 1 棉纤维及其共生物4 3 4 2 2 棉纤维素4 3 纤维素酶的作用机理4 4 4 3 1 纤维素酶的作用类型4 4 f 伊 口录 4 3 2 纤维素酶的分子结构4 4 4 3 3 关于纤维素酶作用机理的几种学说4 6 4 4 生物抛光和染色性4 8 4 4 1 直接染料染色的织物4 8 4 4 2 活性染料染色的织物。4 8 4 4 3 还原染料和硫化染料染色的织物 4 8 4 5 纤维素酶对不同染料染色织物作用的效果比较4 9 4 5 1 药品与材料4 9 4 5 2 仪器设备4 9 4 5 3 试验过程。4 9 4 5 4 测试方法5 0 4 5 5 结果与讨论5 1 4 5 6 小结5 8 4 6 本章小结5 9 结论。6 0 参考文献6 l 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 4 致谢。6 5 v 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1酶用于纺织加工的历史 ： 酶在纺织工业中的应用在我国具有悠久的历史。早在3 0 0 0 多年前我 国就已经出现以微生物发酵进行麻类纤维生产的沤麻技术。胰酶的真丝脱 胶在唐代就已经形成了基本固定的工艺，比国外的同类研究至少早l2 0 0 年。 在国外酶在纺织的应用追溯到到1 9 世纪中叶，在最近5 0 多年得到快 速的发展。1 8 3 3 年，p a y e n 和p e r s o z 在麦芽提取液的酒精沉淀物中发现一 种对热不稳定的物质，它能将淀粉转化为糖，当时他们把这种物质称为 d i a s t a s e ，这就是我们现在所知的淀粉酶，它最早实现工业化。2 0 世纪初， 日本和欧洲开始采用米曲霉产淀粉酶和麦芽淀粉酶进行织物退浆。 19 35 年，枯草杆菌淀粉酶的成功开发使淀粉酶丌始大规模的工业化应用。 我国2 0 世纪6 0 年代自行开发的b f - 7 6 5 8 淀粉酶( 芽孢杆菌产生的q 一淀 粉酶) 在相当长一段时间获得广泛地应用。 2 0 世纪9 0 年代以前，酶在纺织上的工业化应用仅局限在淀粉退浆酶和 真丝脱胶等少数加工，从世界范围看来也基本如此。然而，2 0 世纪9 0 年代 以后，酶在纺织上的应用却如火如荼地在全球开展起来，如牛仔布的酶洗 ( 或称返旧整理) 取代了传统的石磨洗，氧漂生物净化加工替代了传统的 大量漂后水沈处理，真丝织物的酶法砂沈取代了化学法砂洗，以果胶酶为 主体的棉织物酶精练加工开始出现并得到快速发展，生物抛光整理赋予棉 织物传统化学加工无法获得的良好品质等 1 2 j 。因此，随着科技的发展， 酶在纺织加工中的应用会越来越广。 1 2生物酶用于纺织印染加工的意义 纺织印染工业是污染行业之，废水排放量占全国工业废水统计排放 量的7 5 ，其废水排放总量居全国工业行业第5 位，其中印染废水约占纺织 印染业废水的8 0 ，约占全国工业废水排放量的6 ，每天排放量约在3 0 0 万4 0 0 万t 。纺织品的湿加工，如退浆、精练、漂白、染色、印花和后整 理会产生大量的污水，其中的主要污染物有酸、碱、盐、表面活性剂、溶 剂、螫合剂、消泡剂以及荧光增白剂等。在整个湿加工过程中，漂白和洗 涤耗水量占总耗水量的7 5 ，但b o d 值只有5 ，污染负荷为8 5 ；而退浆和 精练工艺中，产生的b o o 值和污染负荷占7 5 ，耗水量仅为5 ；染色工艺产 l 河北科技人学硕十学侮论文 生的废水份额为1 0 2 0 。要解决制约我国纺织印染行业可持续发展的这 一“瓶颈”，仅仅依靠印染废水治理是不能满足要求的，更重要的是推行 节能减排、对环境友好的印染加工技术，如使用环保型纺织化学品、开发 新型染整工艺及设备等等。生物技术特别是生物酶技术，就是一项具有广 阔发展前景的环境友好型染整加工方法 3 j 。 生物酶之所以能在纺织印染工业上不断发展，一是主要由于生物工艺 学的进展，使酶制剂品种不断扩大，酶的培养、生产和纯化技术不断改进 和提高，生产成本降低，同时缩短加工时间，降低综合成本：如采用酶退 浆、酶煮练、酶抛光工艺，缩短工艺时间，提高生产效率。二是污染及能 源问题日益为人们所重视，为酶在纺织行业中的应用起了非常大的促进作 用。传统加工工艺中采用的化学试剂通常会残留在纤维之中，对纤维和人 体都会产生不良的影响，传统的棉织物前处理方法是采用烧碱精练。它能 去除绝大部分非纤维素物质，但对环境污染严重，且较强的碱性和较高的 温度会损伤其它纤维，因而限制了棉与其它纤维的混纺，且当有氧存在时， 棉纤维的最外层会受到严重损伤，引起强力损失。因此，利用酶的高度专 一性，催化效率高( 比一般催化剂高lx10 3 lxl0 13 倍) ，反应条件温和， 催化活力可调控，易降解，排放污水少，不会引起环境污染。三是通过酶 加工使纤维制品提高了附加值。 1 3纺织印染加工用酶的种类 目前纺织印染工业应用较成熟的酶制剂有： ( 1 ) 淀粉酶( a 一淀粉酶) ：对淀粉具有降解作用，用于织物退浆( 淀粉浆) ， 国内应用较多。 ( 2 ) 纤维素酶：对纤维素起降解或水解作用，用于纤维素纤维减量、柔软、 打光和减少起毛起球等，国内已开始应用。 ( 3 ) 蛋白酶：具有使蛋白质降解作用，选择专用蛋白酶用于丝绸精练， 国内也有应用。蛋白酶也可用于羊毛纺织品处理，可改善性能、提高质量、 减少污染，国内已开始研究应用。 ( 4 ) 果胶酶：对分解果胶有催化作用，用于亚麻或苎麻脱胶以及纤维素 纤维纺织品处理。 ( 5 ) 过氧化氢酶：可去除织物漂白后的过氧化氢 5 。 1 4 淀粉酶在纺织染整加工中的应用 1 4 1淀粉酶种类 淀粉酶的种类按作用方式分，有q 一淀粉酶、1 3 一淀粉酶、葡萄糖淀粉 2 第1 章绪论 酶、支链淀粉酶和异淀粉酶等。其中，q 一淀粉酶由于可以快速切断淀粉分 子链，降低淀粉的粘度，是最重要的一类淀粉酶，并且在退浆中广泛应用。 常用的淀粉酶按来源分，有植物淀粉酶、细菌淀粉酶和真菌淀粉酶。 细菌淀粉酶耐高温，在有碱存在的情况卞也较稳定，最佳适用p h 值为5 7 5 ，真菌淀粉酶的耐热性最差。常用的淀粉酶主要有高温退浆酶和中温退 浆酶两种。高温淀粉酶是采用地农芽孢杆菌经发酵提炼而成耐热q 一淀粉 酶，作用温度为8 0 1 15 ；中温淀粉酶是用枯草芽孢杆菌经深层发酵提 炼而成的q 一7 6 5 8 淀粉酶，作用温度为5 0 8 0 。近年来用于退浆的淀粉 酶主要向宽温、高效率方向发展，其实是两者的复配产品。如丹麦诺维信 ( n o v o z y m e s ) 公司的s u h o n gd e s i z y m e2 0 0 0 l ，其使用的温度范围为2 0 9 5 ；石家庄联邦科特化工有限公司的液体宽温酶o p t 2 6 0 ，使用温度范围 为4 0 1 1o 【6 j 。 1 4 2 淀粉酶退浆简介 淀粉酶主要应用在纤维素纤维( 棉、粘胶等) 织物的退浆。经淀粉酶退 浆的织物退浆率高，布面柔软，且退浆时间短。如淀粉酶应用于棉织物的 退浆。传统的棉织物退浆工业应用氧化剂、酸等退浆剂，这就产生了一个 缺点：退浆剂在与淀粉作用的同时，也会与纤维素发生作用，并降低织物 的强力。如果控制不当，甚至会引起织物全部降解。酶能够发生选择性反 应并把淀粉转化到可溶状态。淀粉酶能够完全破坏淀粉，同时又不损伤纤 维素，这是淀粉酶退浆的一个非常突出的优点。淀粉酶退浆工艺分为浸渍、 保温处理和水洗三个阶段。 浸渍阶段：这个阶段包括织物吸收酶溶液，使浆料凝胶化。其主要目 的是使织物被酶溶液充分润湿，充分保持酶的稳定性，使浆料凝胶化。为 使织物充分地被酶溶液润湿，可在7 0 或更高温度下进行浸渍，同时加入 合适的非离子型渗透剂，轧余率为1 0 0 时最为理想。退浆液的温度、p h 值 和钙离子含量，必须控制在推荐的范围内，以防止淀粉酶活性的损失。对 于厚重织物，淀粉的凝胶化需格外小心。为了加快浸渍过程，织物可在8 0 或较高温度下进行预热洗；尤其是在加工难以润湿或含有酸性、以及存在 对酶有害的抗微生物防腐剂的织物的情况下，更有预热洗的必要。 保温处理阶段：酶溶液与浆料接触后，就开始将淀粉水解成水溶性糊 精。若想达到令人满意的分解程度，就必须根据酶的浓度调节保温时间和 温度。如酶的浓度较低时，则处理的时间需较长；如要求处理时间短，则 要有较高的酶浓度和较高的处理温度。在轧蒸法退浆时，浸渍酶液的织物 可在9 5 l0 0 条件下汽蒸2 0 m i1 1 2 5 m i1 3 。在轧卷法或轧堆法退浆时， 河北科技人学硕十学f ； 7 ：论文 则要求保持温度8 5 ，布卷在堆布槽中储存2 h 4 h 。若在j 形箱中堆置，则 j 形箱的温度大致在9 0 ，时间15m in 2 0 m in ；或在汽蒸箱中( 9 5 10 0 ) 汽蒸1 m i n 3 m ir l 。 水洗阶段：水洗时最好采用高温，然后用洗涤剂水洗。对于厚重织物， 则可用碱液洗涤。 去除淀粉有碱、酸、。氧化剂和酶退浆等方法。现在常用的退浆工艺基 本以碱退浆和酶退浆为主。碱退浆产生大量废水，退浆率只能达4 级，它使 浆料疏松、膨化，没有将其分解为小分子物质，因此对水洗要求较高，水 量、温度控制不当，会使浆料重新凝结、聚集，沾污到布面上，形成浆斑， 往往造成大批量半制品回修。酶退浆与之相比，具有如下优点： ( 1 ) 退浆废水p h 值低，可生化性好，符合清洁生产和绿色环保要求。 ( 2 ) 作用快，效果好，退浆率高可达7 级；而碱退浆只能达到4 级。 ( 3 ) 使浆料在酶的作用下催化分解为水溶性很高的小分子物质，浆液粘 稠度低，不会再次凝结。 ( 4 ) 半制品手感柔软，强力损失低。对降强比较严重的功能性整理( 如 免烫、阻燃整理等) 的品种，特别适合采用酶退浆 7 8 。 1 5纤维素酶在纺织染整加工中的应用 1 5 1 纤维素酶的性质及分类 纤维素酶，俗称酵素，是一种生物催化剂，它具有高度的专一性，催 化效率高，催化反应条件温和，催化活性可调节控制，而且酶本身无毒， 容易生物降解，排放污水少，不会引起环境污染。纤维素酶能够催化纤维 素的降解反应，使纤维素的大分子长链水解为低分子寡糖和单分子的葡萄 糖。纤维素酶主要来源于如霉菌、细菌、担子菌等微生物，而不同菌株所 产生的纤维素酶不同，霉菌产生酸性和中性纤维素酶，细菌则产生碱性纤 维素酶。酸性纤维素酶在酸性条件下较稳定，其反应最佳的p h 值范围在 3 6 之间，而以p h = 45 最佳；中性纤维素酶在中性条件下较稳定，其反 应最佳期的p h 值在6 7 之间；碱性纤维素酶的最佳反应p h 值在9 1o 之间，通常用于纺织品染整加工的是酸性和中性纤维素酶【9 】。每种纤维素 酶都由三种成分酶组成，即内切葡萄糖苷酶( e 1 3 ) 、外切葡萄糖苷酶( c b h ) 和纤维二糖酶( b g ) 。 1 5 2纤维素酶在生物抛光整理中的应用 生物抛光是用纤维素酶去除织物表面的绒毛，使织物达到表面光洁， 抗起毛起球，手感柔软、蓬松等独特性能的整理。与其他相应的加工方法 相比，生物抛光有以下优点：( 1 ) 织物表面更光洁更均匀，整理效果更持久： 4 箔1 章绪论 ( 2 ) 增加了悬垂性，并具有滑爽的手感；( 3 ) 与柔软剂组合可获得独特的柔 软性；( 4 ) 更具环保性。 现阶段的生物酶抛光工艺应用较为成熟，一般在退浆后染色前进行， 为了使织物的化学减量降低，强度损伤减小，用仅由内切酶水解纤维素的 无定形分子链，使纤维形成微隙，目前工程纤维素酶制剂由于除了c b hi 或c b hi i ( 含量很少) ，实际作用的主要是e g ，其生物抛光性能明显好于 普通型酶制剂。在抛光过程中，根据不同的织物对于设备、浴比、酶用量、 p h 值、温度，处理时间等条件的要求不同，进行相应的选择，使织物的处 理效果达到最佳，还应注意，酶处理后必须进行失活处理，避免造成织物 强力损失过多 1 0 1 1 。 1 6目前我国纺织用酶存在的问题 目前，纺织酶加工工艺已经涉及到了几乎所有的纺织品加工领域，纺 织加工理论、酶加工设备和工艺也有了很大发展。但从总体上看，我国的 纺织酶加工技术无论在加工理论和加工工艺上，还是在酶制剂的性能上均 和国外先进水平存在巨大差距。原因主要有两点：一是国内酶制剂的研究、 制造单位缺乏对纺织加工领域的认识，不熟悉各种纺织加工的特点，对纺 织加工中可能用到的酶处理技术并未引起足够的重视和兴趣，而纺织行业 又无法自行开发相应的纺织专用酶制剂，只能采用传统的用于食品等领域 的生化制剂，而这些制剂又因为不适合纺织纤维加工的特点和要求，性能 上尚存在很大差距，难以实际应用，两个行业之间缺乏密切合作是问题的 根本所在；二是目前国外的纺织专用酶制剂普遍价格较高，而传统纺织加 工用化学用剂价格极为低廉，若采用酶处理工艺，则生产成本大幅上升， 加之与常规化学用剂相比酶制剂稳定性较差，不易储存，这些因素都在很 大程度上限制了酶加工工艺在纺织印染企业获得广泛应用。因此，我国还 需通过科研人员的不懈努力，开发价格较低、稳定性好、性能突出的国产 纺织专用酶制剂。 1 7发展前景 酶是生物催化剂，催化效率比一般化学催化剂高出很多，有的可高出 1 0 1 0 倍以上，如果选用适当，可代替部分化学品用于印染工业。酶的催化作 用又具有高度的专一性，例如印染用淀粉酶只能催化淀粉水解；纤维素酶 或蛋白酶只对纤维素和蛋白质具有特定的催化作用，对产品的其他性能则 不产生影响。酶的催化作用的条件温和，温度接近人体温度，酸碱度接近 中性，印染加工设备不必采用耐高温和耐腐蚀材料，可节约原材料。由于 河北科技人学硕十学位论文 件接近常温，操作安全，节约能源，并可改善劳动条件。酶制剂无 对人类安全，对生态环境无影响，在当今全球重视生态环保的要求 代替部分化学品，减少污染，节能节水，更具有突出的现实意义， 已受到纺织印染和生物工程界的关注，具有良好的发展前景。 生物酶处理的印染产品继续扩大 在印染工业中的应用发展较快，很多工艺已经成熟，产品在继续扩 些已成为量大面广的品种。如牛仔布或成衣酶处理代替石磨洗；前 用酶退浆煮练，后整理用以改善外观和柔软度等都已广泛应用。国 一 处理的应用也在不断扩大，有些已在向全国普及，有一定效益，为 展创造条件。 前所述，近年来用于印染工业的酶制剂品种和数量在不断增加，酶 和服装处理，国内外也在普遍发展。印染工作者可研究不同类型酶 艺，生产出高质量的花色产品。目前所开发和应用于印染领域的酶， 生物酶中的一部分，随着生物工艺学的不断进步，将会开发出更多 印染加工的酶，对印染工艺进行改造和革新。酶在印染工业上的应 较大的发展潜力，产品可不断开发研究。 降低成本和改善织物强力损失是今后方向 前影响酶在印染工业上的大量应用和推广发展因素除酶品种不足 要是加工成本和织物强力损失。努力改善这两项指标将是生物工程 印染专业人员的重要任务，也是今后努力方向和取得进展的关键。 加强与生化部门的合作 制剂的制造要求较高，菌种的来源、培养、工艺条件和纯化方法等 分和性能影响比较大，要寻找或选用一种效果明显且能适用于印染 一用途的品种要花一定力量；要连续批量或大量生产效果好、性能 酶产品，也必须设计合理的设备和严格控制生产条件。这些工作， 以后还必须加强依靠与生化部门的合作，以促进生物酶的普遍推广和应用 1 1 。 1 8本课题研究的主要内容 本课题主要研究内容分为以下几个方面： 1 、不同温度下( 5 0 9 0 ) ，各种无机盐浓度为( 1 5 ) ，对 淀粉分解率的影响。 2 、表面活性剂和不同p h 值( p h ：3 - - 9 ) ，对淀粉分解率的影响。 3 、高温、中温淀粉酶混合后，复合酶对淀粉的分解率。 4 、优化淀粉酶组成复合退浆酶，研究复配退浆酶退浆率，并通过毛细 6 第1 章绪论 效应、白度、断裂强力变化对退浆效果进行评价。 5 、复合退浆酶在牛仔布退浆中的应用，研究各种退浆剂对沾色、手感、 吸湿性、强力的效果、比较得出最好的退浆剂。 6 、纤维素酶对四种染料染色织物进行抛光效果分析，并用f 交试验通 过温度、p h 值、酶用量设计试验，得出最优工艺。 河北科技人学硕十学位论文 第2 章酶学基础知识 2 1 酶的概念 酶是某些动、植物或微生物所分泌的一种蛋白质、对某些物质的分解有特定的 催化作用。 2 2 酶的催化特性 一 酶是一类天然的高分子蛋白质，可催化化学反应的进程，作为催化剂，具有以 下特性： 2 2 1 温和性 酶来自于生物体，催化反应条件都比较温和，除个别酶外，均可在常温常压条 件下进行催化反应，因而采用酶的进行催化反应，可以节约能源，降低成本，而且 生产过程的便于控制。另外，酶催化反应都是在弱酸、弱碱和中性条件下进行的， 因此对环境污染较小，对设备的腐蚀轻，工业生产安全。 2 2 2高效性 酶催化反应的速率比无机催化剂或有机催化剂高1 0 7 - 1 0 1 3 倍。例如，过氧化氢 分解反应中。若用铁离子作为催化剂，反应速率为6 1 0 4 m o l s ，而用过氧化氢酶催 化，反应速率为6 l o 唧n o l s ；2 0 c 下脲酶水解脲的速率比微酸水溶液中的反应速率 增大1 0 i s 倍，可见酶作为一种生物催化剂其催化效率极高。 2 2 3 专一性 酶的专一性是指一种酶只能催化一种或一类结构相似的底物进行某种类型反应 的特性。如蛋白酶只能水解蛋白质，而对脂肪、淀粉不起任何作用；脲酶只作用于 尿素。酶的专一性主要取决于酶的活性中心的构象和性质，其专一性可分为结构专 一性和立体异构专一性。 在结构专一性中，有的酶只作用于一定的键，对键两端的基团没有一定的要求， 例如二肽酶只催化二肽肽键，而与肽键连接的氨基酸没有关系；酯酶既能催化甘油 酯，也能催化丙酰胆碱、丁酰胆碱中的酯键，这种单一性称为“键专一性”。有的 酶对底物要求较高，不但要求一定的化学键，而且对键的一端的基团也有一定的要 求，如糖腈化合物的水解，这种单一性称为“基团专一性”。 立体异构专一性也可分为旋光异构专一性和几何异构专一性。前者对于底物的 旋光性质要求严格，如乳酸脱氢酶( e c1 1 1 2 7 ) 催化丙酮酸生成l 一乳酸，而d 一乳酸 第2 章酶学基础知识 脱氢酶( e c1 1 1 2 8 ) 催化丙酮却只能生d 一乳酸；后者则对底物的顺反异构具有高度 的选择性。 专一性是酶最重要的特性之一，是酶与其它非酶催化剂最主要的不同之处。专 一性使酶具有校读功能，从而保证生物体内d n a 复制顺利地进行。酶的专一性对酶工 程的发展也具有重要意义。酶的专性还有利于节约成本，提高产物的纯度，为工 业化生产带来便利。如将淀粉酶用于葡萄糖的生产，可减少3 0 的水蒸气费用、5 0 的灰分和9 0 的副产物。 2 2 4 活性受一些化合物调控 酶活性的调节控制主要有下列几种方式，即酶浓度调节、p h 值调节、激素调节、 共价修饰调节、抑制剂调节、反馈调节、金属离子和其它小分子化合物的调节。酶 浓度调节、p h 值调节、抑制剂调节、金属离子调节等可直接在工业生产中得到应用。 2 2 5 酶的活性 酶活是以国际单位( u ) 测量的。如一个国际单位的纤维素酶，定义为从一个规定 的纤维素基质上，在规定的p h 值和温度下，1 h 内释放出1 0 l am o l 的葡萄糖。例如一个 国际单位的果胶酶，定义为从一个规定的聚半乳糖醛酸基质上，在规定的p h 值和温 度下，1 h 内释放出1 0l am o l 半乳糖醛酸。每种酶都有个优化的p h 值及其活化范围， 其活性行为是由于酶蛋白质中支链上的氨基酸残基的静电状态，改变了p h 值范围而 产生的。在极端p h 值状态下，失去了催化作用。另外，酶的活性及其催化反应的速 率是随温度变化的。有的酶其催化反应的速率是随温度每增加1 0 而加倍。这是由 于温度提高后，增加了酶与基质问碰撞的机率，这种趋势随着温度增加一直达到最 佳温度为止。若高于此温度，将破坏酶使酶失去活性和催化功能。因此，为充分发 挥酶的催化能力，必须找出它的最佳p h 值和最佳温度活性值。 2 2 6 辅( 助) 因子 有些酶如胰凝乳蛋白酶在表现活力时不需要任何辅助因子。但很多酶需要非蛋 白组分即辅因子的存在才能表现活力。通常把与酶结合紧密的辅因子称为辅基( 不 能用透析法去除) ，而把松弛连接的辅因子称为辅酶，含辅因子的酶称为全酶，去 除辅因子的酶为脱辅基酶，而把任何小分子或其它可与酶可逆连接的物质都成为配 体( 包括底物、抑制剂、金属离子等) 。辅助因子大体可以分为两大类，即有机辅 因子和金属离子。 在已知的酶中，大约有1 3 需要金属离子存在才能保持活性，其中一类在酶分子 结构中就有一个或几个会属离子，这类酶称为金属酶；另一类需要另加金属离子或 金属配体才具有活性，这种酶称为会属活化酶。而重金属对酶的活力通常起抑制作 用，如h g 、p b 、a s 、c d 等金属离子为常用的抑制剂。由于金属辅因子来源丰富，配 9 凌 河北科技人学硕十学位论文 置方便，因而在实际生产控制中有很大的应用价值 1 2 1 3 2 1 。 2 3 酶的活性部位 2 3 1 活性部位的概念 酶是大分子蛋白质，而反应物是小分子物质。因此酶与底物的结合不是整个酶 分子，催化反应的也不是整个酶分子，而是局限在它的大分子的一定区域，一般把 这一区域称为酶的活性部位。 活性部位( 或称活性中心) 是指酶分子中直接和底物结合，并与酶的催化作用 有直接关系的部位。对于单纯酶来说，它是由一些氨基酸残基的侧链基团( r 侧基) 组成的。对于结合酶来说，除了上述氨基酸残基的侧链基团外，辅酶或辅基上的某 一部分结构往往也是活性部位的结合部分。构成酶活性部位的这些基团，在一级结 构上可能相距很远，甚至可能不在一条肽链上，但在蛋白质空间结构上彼此靠近， 形成具有一定空间结构的区域。这个区域在已知结构的酶中都是位于酶分子的表面 呈裂缝状。 2 3 2 必需基团 酶分子中呈现酶活性不可缺少的化学基团，称为必需基团。必需基团有两类： 直接参与结合底物和催化底物化学反应的化学基团，称为活性中心的必需基团；不 直接与底物作用，但能维持酶分子构象，保证活性中心各有关基团处于最适的空间 位置，对酶的催化活性发挥间接作用的一类必需基团，称为活性中心外的必需基团。 2 3 3 结合部位与催化部位 由于整个催化过程包括两步：酶与底物结合、催化底物转化。所以，活性部位 又可分为结合部位和催化部位。从功能上讲，前者结合底物，后者催化底物进行化 学反应。 2 3 3 1 结合部位 与底物分子直接结合，并且使底物分子处于被催化的最优位置，使底物分子中 的敏感键接近催化基团，有利于催化反应。如羧肽酶a 与底物相遇后，至少有5 个结 合点。有的基团以静电方式相结合，有的基团以疏水键或配位键相结合，这些结合 有利于对底物的催化。 结合部位往往由几个氨基酸残基组成( 包括一些残基的侧链基团或主链骨架的 羰基或亚氨基) ，有些酶的结合部位还包含金属离子，金属离子一般是通过配位键 与底物相结合的。结合部位有特定的空间排布和一定的柔性，这就决定了酶对底物 的专一性和底物对酶的可诱导性。 l o 第2 章酶学基础知识 例如，溶菌酶分子是由1 2 9 个氨基酸残基组成的一条肽链，其分子表面有一个裂 隙，能容纳底物分子中的6 个葡萄糖环。酶与底物结合有1 1 个结合位点。大部分残基 的侧链基团通过氢键与细菌细胞壁多糖中6 个糖环上的相应基团相结合。由此可知， 酶与底物的结合是多位点的。 2 3 3 2 催化部位 是指酶分子上直接催化底物化学反应的部位。催化部位一般由几个催化基团组 成。这些催化基团包括特定的氨基酸侧链基团( 一般为极性基团) 、辅酶和金属离 子。辅酶和金属离子并非所有酶都具有，只是部分酶的催化作用需要辅酶和金属离 子的参与。 溶菌酶的催化部位有2 个催化基团，羧肽酶a 的催化部位有3 个催化基团。催化基 团对底物分子有下列催化作用：使底物分子中的敏感键变形；易于断键；对底物分 子进行酸碱催化。 2 3 3 3 结合部位与催化部位的关系 从功能上讲，可以将活性部位分成结合部位和催化部位两部分。但这两者的划 分，也并非是绝对的，有时两者并非各自独立存在。例如，羧肽酶a 催化过程中，t y r 2 4 8 的酚羟基既能与人工底物g l y - t y r 的肽键的- n h 基以氢键结合，又能在催化过程中提 供一个质子对底物的t y r ，使之形成胺。所以说，t y r 2 4 8 既是结合基团，又是催化基 团。 2 3 4 酶活性部位的研究方法 研究酶活性部位结构中化学基团的种类、数目以及它们在多肽链的一级结构和 空间结构中的位置，对于阐明酶催化机理具有重要的意义。研究的方法很多，如x 射 线衍射法、比较生化分析法、动力学参数法、化学修饰法、基因定位突变法等 1 3 3 。 2 4 酶的作用原理 1 8 9 4 年，e m i1f i s c h e r 对一些催化碳水化合物代谢的酶进行了经典的研究，首 次发现了酶对底物的专一性现象，提出了酶催化反应的“锁和钥匙”模型，使人们 对酶催化反应的专一性有了非常直观的理解。这种模型认为底物类似于钥匙，而酶 类似于锁。按照这个模式，在酶蛋白的表面存在一个和底物结构互补的区域，如果 一个分子的结构或高分子的某段结构和这个区域充分的互补，那么它就能和酶结合。 而此时底物分子上的敏感部分正确地定向到酶的催化部分，底物就会转变为产物 1 4 】。 1 9 5 8 年，k o s h l a n d 提出了“诱导契合 理论，他保留了酶和底物形成立体有择 络合物的概念，而摒弃了酶的活性部分应是一个僵硬的、在结构上同底物互补的模 式 15 1 。根据该理论，当底物靠近酶活性部位时，将引起活性部位的一些变化，使底 物和酶之间达到更密切的契合并使催化基团配置到更合适的位置。然而到目前为止， 1 1 河北科技人学硕十学位论文 酶具体的作用机理还有待进一步的研究和探讨。 1 9 6 3 年，m o n d 等人提出了变构模型。认为某些酶除了活性部分外还有变构部位。 变构部位是独立于活性部位外的另一酶部位。活性部位的功能是结合底物并催化转 化底物，而变构部位虽然也是结合配体的一个部位，但结合的不是底物，而是变构 配体。这种配休也叫做效应剂。变构部位的配体与活性部位结合的底物不同，配体 本身并不发生化学变化，只是间接地影响酶活力。增加酶活力的叫正效应剂，反之- 称为负效应剂。变构模型的提出，使人们了解到了生命体内酶活性调控的基础 - 6 l 。 2 5 酶促反应动力学 酶促反应动力学是研究酶促反应的速度以及各种因素对反应速率的影响，其中 酶与底物之间的作用问题是研究酶促反应的核心问题。 2 5 1 初速度和底物浓度的关系 酶催化反应首先形成酶一底物络合物，然后由络合物转化为产物并释放出酶。 因此酶的催化反应一般过程可以表示为： e + s ；字k le s ；= e + p ( 2 1 ) k 2，( 4 式中：e 游离酶； s 底物 卜产物 e s 酶与底物的络合物； k 1 、k 厂表示e 和形成络合物的正逆两方向的速度常数； k 3 、k 4 表示络合物分解形成p 和e 的正逆两方向的速度常数； 随着酶一底物络合物不断地在实验中得到证实，酶催化反应的这个过程已被普 遍接受。 1 9 1 3 年，m i c h a e l i s 和m e n t e n 根据中间产物学说，对单底物酶催化反应进行数学 处理，推导出酶反应的基本方程( 米氏方程) ，为酶动力学的研究奠定了基础。米氏 方程的推导过程基于三种假设： ( 1 ) 测定的速度为反应发初速度。此时底物的消耗很少，因而在测定反应速度的 所需要时间内，产物应该生成很少，那么p + e 的逆速反应可以忽略。即酶催化反应的 过程可以表达为： e + s ；= 芦k te s ；= 量k 3 e + p( 2 2 ) 托2 ( 2 ) 底物的浓度( s ) 显著地超过酶的浓度( e ) ，这样e s 的形成不会明显降低底 物的浓度( s ) ，即反应过程中底物的浓度近似的看成不变。 1 2 第2 章酶。学基础矢识 ( 3 ) 酶和底物结合形成e s 的速度显著快于e s 形成p + e 的速度。根据这些假说，推 导出著名的米氏方程： 矿o ：垡! 幽 ( 2 3 ) 【s o 】+ 凰 式中： s o 底物的浓度； v 咄最大初速度； k 。：e s 的解离常熟( k 2 k 1 ) 。 1 9 2 5 年，b r i g g s - - h a d a n e 对米氏方程进行了修正，提出了稳态假说，认为在测 定初速度的过程中，中间络合物e s 的浓度在一丌始增高后，可以在相当的一段时间 内保持浓度的恒定，在这段时间内，e s 的生成速度和e s 的消失速度相等，达到动态 平衡即所谓的“稳态