角酯酶杜平.doc

摘要在纺织品印染加工过程中,传统化学处理方法，需要消耗大量的能源，对生态环境造成严重威胁,不符合走环境友好型的道路。近来，生物酶处理作为一种节能降耗、环境友好的纺织品清洁生产技术，已成为国内外染整行业发展的新趋势3,5-6。本文主要详细综述了国内外对角质酶的研究概况，包括角质酶的主要来源，角质酶基因的克隆与表达，以及关于角质酶的发酵研究。着重阐述了目前角质酶在棉纤维的生物精炼，羊毛的防毡缩整理，以及合成纤维的生物改性等方面的应用进展。另外，作为推动纺织工业清洁生产的关键酶制剂，对未来角质酶在纺织工业中的应用前景作了简要展望。关键字:节能 角质酶 精炼 防毡缩摘要1绪论3理论部分41.角质酶的来源和性质研究41.1 角质酶的来源41.2 角质酶的性质研究41.3 角质酶的结构以及生产52.角质酶在纺织工业中的应用研究62.1 棉纤维的生物精炼62.2 羊毛的防毡缩整理62.3 合成纤维的表面改性72.4角质酶与果胶酶复合使用83.角质酶应用存在的问题94.现状与进展9绪论角质酶是棉织物生物酶精练工艺的关键酶之一,它的研究对于推动棉织物精练的清洁生产具有重要意义。为了增强角质酶与棉织物的亲和力,提高角质酶的催化效率,可以将纤维素结合域(CBD)融合到角质酶结构中,构建对棉织物具有高吸附性的新型角质酶。染整加工是纺织品生产过程中不可缺少的一个重要生产环节 ,它赋予纺织品令人赏心悦目的色彩、更好的使用性能。但是 ,染整加工也是纺织品生产过程中生态问题最多的环节 ,主要表现在水源污染、大气污染和产品污染三个方面。大量化学试剂的使用不仅会造成严重的污染，有时加入的试剂会对纤维造成损伤，影响纤维的鲜艳度，降低纤维的强度，使得纺织品的性能差，在本行业中失去竞争力。基于以上问题，可以寻找可替代的生物酶来对纺织品进行染整加工。其中，角质酶( cutinase，EC 3.1.1.74) 是一种/水解酶，属于丝氨酸酯酶，可以降解角质并产生大量脂肪酸单体1。角质酶既可以催化水解不溶性多聚体植物角质的酯键，也可以作用于其它长链、短链脂肪酸酯、乳化的甘油三酯和可溶性的合成酯等，是一种多功能裂解酶。用于纺织工业是近年来角质酶新的应用方向，与传统的碱煮处理工艺相比，角质酶的研究开发可促进纺织工业的节能、降耗、减排，推动生态纺织业的发展。本文就角质酶近年来在纺织工业中的应用研究进行了探究.理论部分1.角质酶的来源和性质研究1.1 角质酶的来源按照来源, 角质酶可分为真菌角质酶、细菌角质酶和花粉角质酶, 其中研究最为广泛的是真菌角质酶。真菌角质酶主要来源于Fusarium4,9、Monilinia10、Botrytis11、Aspergillus12-13等属。细菌角质酶主要来源于Streptomyces14、Pseudomonas15、Thermobifida16等属。其中研究较多的是镰胞菌Fusarium solani pisi角质酶。1.2 角质酶的性质研究通过亲和色谱和离子交换色谱等各种分离纯化手段, 大量角质酶得到了分离纯化, 并且其生化性质也得到了具体的研究17。角质酶的分子量普遍较小, 真菌角质酶的分子量一般为2226 kD。但是灰霉菌Botrytis cinerea 角质酶和炭疽菌Colletotrichum gloeosporioides 角质酶的分子量偏大, 分别为40.8 kD11和40 kD18; 而Monilinia fructicola 中的2 个角质酶的分子量偏小,分别为18.2 kD 和20.8 kD。细菌角质酶的分子量较真菌角质酶略大, 其中假单胞Pseudomonas putida和放线菌T. fusca 角质酶的分子量均为30 kD。真菌角质酶的最适温度较低, 为30-40C,细菌角质酶的最适温度高于真菌角质酶, 为40C60C。角质酶的最适pH 偏碱性, 通常为810,在pH 低于7 时酶活性急剧下降; 但苹果黑星菌Venturia inaequalis 角质酶的最适pH 偏酸性, 为5-6。大多数角质酶可水解各种可溶性酯、不溶性甘油三酯、天然聚酯角质、合成聚酯聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚丙烯腈(PAN)、尼龙6.6 等。对于大多数细菌和真菌角质酶, 水解对硝基苯酯类底物时符合米氏方程, 并且随着底物链长的增加,Km值增加。1.3 角质酶的结构以及生产（1）角质没主要从病原菌中分离得到，已经证实至少有22种植物病原菌能够产生角质酶。角质酶能催化角质多聚物水解，产生寡聚体，最后产生单体。角质酶均为酯酶，相对分子质量为（2226）103，单链，有一个二硫桥。该酶有同工酶，不同的病菌角质酶氨基酸组成基本相同，角质酶属于诱导酶，主要成分为糖蛋白，中3%-16%碳水化合物，一般是以O-糖苷键与碳水化合物结合。 角质酶的三级结构同源性很高，F.solani pisi角质酶是由197个氨基酸构成的紧凑型但结构域分子，属于/水解酶。结构中心由5个平行的折叠组成，两边各由23个螺旋包围，活性中心位于整个结构的顶端，并暴露于溶剂中，没有盖子结构遮挡。（2）以Saccharomyces cerevisiae为宿主菌生产重组F.solani pisi角质酶，结合膨胀床吸附系统提取是目前角质酶生产中最为高效高产的方法。国内外对角质酶的研究大多集中于酶学性质、晶体结构以及工程菌株构建等方面，而在发酵条件优化方面开展的工作较少。由于酵母培养成本高、生长周期长的缺点，至今未有F.solani pisi角质酶工业化生产。当然，由于角质酶是诱导酶，因此需要角质物质作为培养病菌的唯一碳源，才能在离体条件下诱导产生角质酶。一般角质物质是从含量较高的果实表皮中获得（如苹果核葡萄表皮），利用硼氢化钠和二异丙基氟磷酸提取。2.角质酶在纺织工业中的应用研究2.1 棉纤维的生物精炼棉纤维在横截面上一般分为表面层，初生层，次生层，其中表皮层中的角质层中的杂质主要有蜡，果胶，蛋白质，非纤维素多糖，灰分等。严重影响纤维的润湿性和手感等纺服性能，且干扰染色、印花和整理等后续加工程序。然而传统的棉纤维精炼加工存在高能耗、高污染及纤维损伤大等诸多弊病，所以人们倾向于研究生物法进行精炼加工。在棉织物染整加工中, 为了使棉纤维获得优良的润湿性, 需要在前处理过程中去除具有疏水性的棉纤维表皮层角质层。角质酶具有类似于脂肪酶的催化活性, 但脂肪酶必须在油水界面上才有催化活性, 而角质酶不需要。此外, 角质酶对以聚合形式存在的底物具有较高的酶活性, 特别适合棉纤维角质层的降解。角质酶用于棉纤维生物精炼过程中，不仅能去除棉纤维表面角质和蜡质，并且有助于果胶、蛋白质等其它杂质的进一步去除。2.2 羊毛的防毡缩整理羊毛纤维表面的鳞片层是导致其毡缩、染色性和手感不好的一个关键因素，为了改善羊毛的这个缺点，常设法除去纤维表面的鳞片层。传统的有机氯法因其带来的环境问题受到了广泛的质疑，人们期望用一种较温和的、环境友好的方法来代替有机氯整理，用蛋白酶去除鳞片层是近年来的一个重要研究方向。同时应用蛋白酶处理羊毛可以减少粗毛纱的刺痛感，改善外观，大大减少起球量。但蛋白酶处理去除鳞片层时存在一个问题，即由于鳞片层的外部有一层类脂层，使得蛋白酶无法直接与鳞片层反应，因而应首先除去类脂层。除去类脂层的传统方法一般是采用氧化剂，如双氧水、次氯酸钠等化学试剂28。但鉴于资源消耗和环境污染等原因，人们日益倾向于尝试使用处理条件较为温和，且对纤维损伤较小的脂肪酶来除去类脂层。在使用脂肪酶处理羊毛纤维时，通常将其与蛋白酶或其他整理剂一起来改善羊毛的性能，使其获得可纺性。角质酶也被定义为脂肪酶，具有脂肪酶的基本特性。Wang 等29将嗜热子囊菌Thermobifida fusca 角质酶应用到羊毛前处理中，发现角质酶能水解羊毛表面最外层脂质，提高了处理羊毛的润湿性，降低了毡缩率，进而增强了蛋白酶的处理功效。综上所述，随着角质酶预处理技术的不断完善，有望使生物法羊毛防毡缩工艺替代传统氯化法防毡缩的方法，有效提高毛织物的减量率与防毡缩效果，促进织物润湿性的改善，进而能有效提高织物的染色深度，降低减量加工中的纤维损伤，有利于生态环境保护。2.3 合成纤维的表面改性进入21 世纪后，世界纤维总需求量的50% 以上是由合成纤维来承担的，合成纤维工业在我国国民经济中也占有十分重要的地位。当今世界的三大主要合成纤维是: 聚对苯二甲酸乙二酯( polyethyleneterephthalate，PET) 、聚酰胺( polyamide，PA) 、聚丙烯腈( polyacrylonitrile，PAN) 。与天然纤维相比，合成纤维表现出良好的物理性能( 如强度、弹性、韧性、硬度和耐磨性等) 、染色性能和耐高温、耐化学品等特性。然而，由于合成纤维大多是疏水性纤维，其结晶度高，吸湿性差，且易起静电，不仅影响穿着的舒适性，而且还限制了复合物改性剂、着色剂、阻燃剂等在加工处理过程中的应用。因此，为了达到优良的润湿性和染色效果，必须对合成纤维进行改性30。目前，国内采用传统的强碱性或酸性剂处理方法不仅需要消耗大量的能源和化学品( 黏合剂，偶联剂等) ，而且对生态环境造成了严重威胁。相比于化学改性，生物酶应用于纤维改性是提高合成纤维质量和加工性能的有效途径，顺应了合成纤维工业可持续发展的要求。角质酶可用于合成纤维的改性，增加织物吸水性，改善手感，提高织物品质。对环境无影响。角质酶可以水解聚酯纤维的酯键释放羧基和羟基集团，也可以水解聚丙烯腈纤维的酰胺键形成氨基和羧基集团，能有效改善聚酯纤维和聚丙烯腈纤维的表面特性。在改善织物品质方面，角质酶可用于酶法水解环状低聚物，如聚对苯二甲酸亚乙酯等。此外，还有角质酶还可用于处理聚酯织物、从纤维织物中去除污点的工艺、聚酯纤维或织物表面的酶法修饰。2.4角质酶与果胶酶复合使用角质酶与果胶酶复合使用时可以增强它们的催化作用。以棉针织物为例，果胶酶通过分解果胶质，是角质酶有了更多的作用位点，角质酶能够分解更多的角质等脂类，提高角质酶的作用效果。角质酶和果胶酶复合后能不同程度的提高棉针织物的果胶去除率、棉蜡去除率和润湿性能，其中润湿性能提升较明显。3.角质酶应用存在的问题目前角质酶还未能在纺织工业中实际应用, 其主要原因有: 现有角质酶产生菌的产酶水平太低, 酶的生产成本过高,因此全球市场都未见有角质酶的商业化产品; 棉纤维含有多种杂质, 只靠一种酶是不能将其全部分解的, 必须要多种酶配合起来，但不同的酶的共适条件不同, 这样会影响酶的协同作用效果;在开发耐热菌角质酶的过程中，不能高效筛选出优良产酶菌种，即酶的热稳定性能差，角质酶难以顺利的应用于纺织工业; 角质酶的印染加工工艺不够成熟，角质酶与其它酶类或整理剂的配伍性和协作性不太高，使得角质酶的作用不能发挥出来;角质酶分子结构的原因，对纤维底物的可及度偏低。4.现状与进展近年来，国外针对角质酶的酶学性质、晶体结构、工程菌构建和分子改造等方面进行了大量的、深入的研究，但大多集中于真菌来源地角质酶。国内对角质酶研究刚刚起步，报道较多的主要是嗜热子囊菌Thermobifida fusca 角质酶的筛选、基因鉴定、原核载体高效表达、分子改造及发酵工艺优化等。与其他纺织用酶( 如纤维素酶、蛋白酶等) 相比，角质酶在纺织工业中的应用研究还相对较少，目前大多还停留在实验阶段，距离工业化生产和应用还有一定的距离。然而，节能减排是当前国家宏观经济调控的重点, 纺织工业作为我国工业系统中重点污染源之一, 已成为关注的焦点。利用生物酶的高度专一性、高效性和处理条件的温和性, 开发高效、环保、安全和符合生态纺织品生产要求的精练酶工艺取代传统碱工艺, 已成为国内外染整行业发展的新趋势, 是纺织工业完成国家“十一五”节能减排指标的关键环节之一。角质酶是染整工业清洁生产精练工艺的关键酶, 它们的研究开发可促进纺