酶在洗涤剂中的应用现状及展望.docx

酶在洗涤剂中的应用现状及展望和田恭尚(日本花王株式会社 , 日本 东京 103 - 8210)摘要 : 论述了洗涤剂用酶的发展史和常用 4 种酶 (特别是纤维素酶) 的特性 、去污机理 、功能和应用现状 。指出了近年来洗涤剂用酶的动向 : 开发具有耐氧化性 、低温下活性高 、对洗涤剂和洗涤环境适应性好的变 异蛋白酶已商品化 ; 一些反应性更好 , 对油污吸附性更强的改良脂肪酶已出现 ; 一类在高碱性 、低温介质 中能充分保持活性的淀粉酶正在积极开发中 ; 一类纤维素复合体可以分解棉纤维表面的毛球正在开发中 ; 一种对纤维损伤较小的护色的酶制剂进入实用阶段 ; 一种可有效防止再污染 , 能与棉质衣料作用产生其他 不同效果的独特酶制剂正在引起同行注意 。今后 , 随着洗涤剂种类和用途的变化 , 用多种不同的酶制剂复 配的复合型加酶洗涤剂品种将源源不断地上市 , 洗涤剂中酶制剂的用量不断增加 、化学物质总量尽量降低 将成为加酶洗涤剂发展的趋势 。关键词 : 洗涤剂助剂 ; 酶制剂 ; 应用 ; 展望中图分类号 : TQ64916 + 4文献标识码 : A文章编号 : 1001 - 1803 (2005) 01 - 0030 - 06酶是生物体繁衍的触媒 ( 生体触媒) , 主要成分是蛋白质 。酶在生物体可能繁殖的环境下 , 才能发挥 其触媒的功效 , 所以与无机触媒不同之点是即使在比 较温和的条件下 (温度 、压力或 p H) , 化学反应也能够进行 , 具有明显的反应特异性 。人类在食品领域中利用酶的这些特性已有非常悠久的历史 , 特别是 20世纪以来 , 各种酶的研究开发取得了很大的进展 , 并 已经广泛地应用于许多领域 。产业用酶的世界市场正在不断扩大 , 从 1990 年 的 5 亿美元发展到 1998 年的 16 亿美元 。现在 , 酶除了应用在制糖与酿酒等食品工业和洗涤用品工业以 外 , 还扩展到纤维加工及纸浆等化学工业 、医药工业 以及饲料等各个领域 。而洗涤剂用酶约占到全部产业 用酶的40 %左右1 。酶已成为现今衣料用洗涤剂必不可少的成分之一 。欧美的衣料用洗涤剂中80 %是加酶洗涤剂 。日本几乎所有的洗涤剂都是加酶洗涤 剂 。蛋白酶首先在欧洲市场上市销售 , 但是加酶洗涤剂的市场发展并不顺利 。虽然加酶洗涤剂在欧美市场上暂 时立住了脚 , 然而在 20 世纪 60 年代后半期 , 质疑酶的有效性的报告以及对生产现场中酶粉尘对人体有害的指责不断 , 使加酶洗涤剂的市场萎缩 , 特别是在美 国和日本 , 加酶洗涤剂的生产完全中止 , 产品也从市 场上消失 。20 世纪 70 年代 , 酶制剂的制剂化技术进一步确 立 , 1971 年加酶洗涤剂的安全性也重新被美国食品 药品管理局 ( FDA) 以及在英国召开的国际会议所确 认 。在获得了这些报告以后 , 加酶洗涤剂的市场再度 扩大 , 1980 年在日本和欧美再度普及 , 从而不断完 善成为现在的加酶洗涤剂 。洗涤剂用酶在进入 20 世纪 80 年代后 , 之所以能 够飞速普及是因为 : 洗涤剂所处的环境发生了很大 的变化 , 与之相对应的原料需求也摆上了议事日程 ;价廉而高性能的酶制剂的开发研究系统和生产技术 已经确立 , 并有了明显的进步 。最初给洗涤剂世界带来巨大变化的因素 ,一是能 源问题 ,二是环境问题 。在欧洲 ,作为 1970 年石油危机 的发源地 ,节约能源的意识大为提高 。洗涤温度从以往的90 以上大幅度地下降到40 60 。其中 , 酶 的作用功不可没 ,从而导致了加酶洗涤剂的普及 。几乎与此同时 , 尤其是在日本出现了一系列导致 洗涤剂的洗涤环境的变化 , 诸如 : 湖泊的富营养化问题日趋严重而导致洗涤剂向无磷化发展 ; 随后又开发 了超浓缩洗涤剂并将洗涤时间大大缩短等 。在这变化作者参考有关文献2现状及展望 。, 论述洗涤剂用酶的历史 、洗涤剂用酶的历史酶在洗涤剂中的应用已有相当悠久的历史 ,11913年在配入含有胰蛋白酶的动物胰脏分泌液的洗涤剂专利 (德国专利 283923) 中 , 率先提出了加酶洗涤剂的 概念 。但是 , 这种酶遇到洗涤剂中的碱后 , 活性大大 降低 , 酶的效果不能充分发挥 。进入 20 世纪 60 年 代 , 在碱性条件下也能显示高活性的 、适用于洗涤的收稿日期 : 2004 - 08 - 11 ; 修回日期 : 2004 - 10 - 20作者简介 : 和田恭尚 (1966 - ) , 男 , 日本东京人。30 专论与综述第 1 期和田恭尚 :酶在洗涤剂中的应用现状及展望中 , 酶制剂作为一种来源于天然 、易于生物降解 、少量使用即获明显效果 、对环境又无不良影响的优异添 加剂引起了人们的重视 。从而确立了酶制剂的存在以 及重要性 。直至 20 世纪 80 年代末 , 洗涤剂用酶制剂一直处 于产量低 、价格高的窘迫状态 , 品种只限于仅能分解 蛋白质的蛋白酶 , 难以对付各种不同的污垢 。随着发 酵技术的进步以及 20 世纪 80 年代以后 , 以遗传工程 为中心的生物技术的飞速发展 , 使这种状况很快发生 了变化 。由于新技术的导入 , 从而开发了与各种各样洗涤剂以及洗涤环境相适应的酶制剂 , 产品的生产性 也大大提高 。蛋白酶以外的各种酶制剂也先后配制成 各种加酶洗涤剂 。现在 , 在日本和欧美 , 配有 2 种以 上酶制剂的洗涤剂已成为加酶洗涤剂的主流 。近 25 年间 , 洗涤剂用酶制剂的市场已经扩大了 10 倍以白质分解酶在将这些蛋白质分解的同时 , 依附其上的污垢也随之脱落下来 。据文献 4 , 5报道 , 蛋白质分解酶还有防止洗涤浴中游离蛋白质污垢向衣料再沉积 , 以及有将依附在衣料上的细菌溶解的效果 。 洗涤剂中使用的蛋白质分解酶一般来源于 Bacil2lus (芽孢杆菌) , 也就是枯草杆菌 ( subtilisin) 之类的丝氨酸蛋白酶 ( serine proteinase) 。蛋白质分解酶是一 种蛋白质内部肽键随机排列的 end 型酶 。在加酶洗涤 剂“东山再起”的初期 , 加酶洗涤剂是采用了 p H 为8 10 的 半 碱 性 ( semi alkali ) 酶 , 这 些 酶 来 源 于Bacillus licheniformis 或 Bacillus amyloliquefaciens 等芽孢 杆菌 。现在 , 随着开发工作的不断深入 , 在加酶洗涤 剂中应用的酶主要是来自 Bacillus lentus6 、Bacillus alcalophilus7 和 Bacillus sp . KSM - K168 等芽孢杆菌 。 这些酶的相对分子质量为 26 kDa 28 kDa 。介质 p H 高达 12 , 是一些高碱性的酶 。最近借助蛋白工学 , 开发了具有耐氧化剂9 和低温下活性高10 、对洗涤剂和洗涤环境适应性好的变异性酶 , 并已商品化 。上3。洗涤剂用酶制剂的种类和特征洗涤剂用酶制剂是洗涤剂的辅助成分 , 利用其触 媒的功效能基本去除各种污垢 , 从而便于表面活性剂 等洗涤成分能够更容易 、更有效地将污垢去除 。但 是 , 酶制剂对污垢的触媒作用有特定的选择性 , 不同 的污垢应选择不同的酶制剂 。此外 , 酶制剂还必须与 洗涤剂的主成分 (表面活性剂 、碱和硬水软化剂) 有 良好的配伍性 。作为一个最重要的基本性质就是配入 洗涤剂中 , 必须具有良好的保存稳定性 。现在使用的洗涤剂用酶制剂几乎都是运用遗传因 子转换技术制成的 , 代表性的品种有如下 4 种 : 蛋白 质分解酶 (protease) 、脂肪分解酶 ( lipase) 、淀粉分 解酶 (amylase) 和纤维分解酶 (cellulase) 。最近 新 开 发 的 酶 制 剂 有 : 甘 露 聚 糖 酶 ( man2 nase) 、过氧化物酶 ( peroxidase ) 、虫 漆 酶 ( laccase ) 和虫胶酶 (pectinase) 等 。但是 , 这些酶中除了甘露 聚糖酶已应用在部分的洗涤剂中外 , 其他品种尚未在 洗涤剂中推广应用 。以下概述以纤维素分解酶为中心的 4 种洗涤剂用酶制剂 。2212脂肪酶脂肪酶能将来自皮脂或食品中的脂质污垢中含有 的甘油三酯分解成甘油单酯和脂肪酸 , 甘油单酯和脂 肪酸易被表面活性剂乳化 , 即可方便地去除 。另有报道11: 脂肪酶还具有抑制甘油三酯对疏水性纤维的再污染 。现在在洗涤剂中广泛应用的脂肪酶是来源于 Hu2micola lanuginosa , 1988 年开始应用于衣料用洗涤剂中12。脂肪酶耐碱性和耐表面活性剂的性能良好 ,适应于各种各样的基质 。但是 , 其效果难以在一次洗涤后即能显示出来 , 必须反复多次洗涤才能发挥出应 有的效果13 。其原因是因为脂肪酶对甘油三酯分解作用主要是在洗涤以后的干燥过程中完成 (纤维的含水量越低脂肪酶的活性越高) 。所以 , 分解产物必须 在下一次洗涤时 , 才能从纤维上去除 。近年来 , 出现 了一些反应性更好 、对油污吸附性更强的改良脂肪酶14 ,15, 这种脂肪酶在初次的洗涤过程中即能获得明显的效果 。211蛋白质分解酶蛋白质分解酶是最早被利用的酶制剂 , 至今为 止 , 其用量在洗涤剂用酶制剂中仍然是最大的 。蛋白 质分解酶可以分解来自人体的角质层 、血渍以及来自 各种食物的多种多样的蛋白质 。蛋白质分解酶将这些 蛋白质分解而低分子化后 , 再促使其与其他污垢同时 去除 。此外 , 蛋白质还能起到黏结剂的作用 , 将依附 在纤维上的无机粒子 、皮脂之类的污垢黏结起来 。蛋213淀粉酶淀粉酶应用于餐具或衣料用洗涤剂中 , 淀粉酶能 分解淀粉类污垢 , 使之降解后达到去除的目的 。另有报道16 ,17, 淀粉酶还能防止降解后的低分子淀粉的再污染以及防止存在于淀粉间的铁锈之类粒子的再沉积 。淀粉广泛用作食品和护肤品的原料 、衣料的上浆 剂和织物制造工艺中的上胶剂等 。淀粉酶于 1973 年31 专论与综述日用化学工业第 35 卷开始应用在洗涤剂配方中 。现在用于洗涤剂的主要淀粉酶的来源有两种 : 制糖工业中 , 由淀粉高温液化 所产生的芽胞杆菌 Bacillus licheniformis ; 在芽胞杆 菌 Bacillus licheniformis 上增添了耐氧化剂性能而成的 变异性酶 。这些酶也称为- 淀粉酶 , 能将淀粉分子 内的- 1 , 4 葡萄糖苷进行随机分解 , 最适宜 p H 为67 , 最适宜的使用温度为75 80 。因此 , 在 高温下进行洗涤的自动餐具清洗机用的洗涤剂中 , 多添加有此种酶 。最近 , 在一些手洗型餐具洗涤剂中也添加有淀粉酶 。近年来 , 欧美的衣料用洗涤剂中 , 也 开始推广使用淀粉酶 。而以低温洗涤为中心的日本等地区尚未推广使用淀粉酶 。在衣料用洗涤剂中使用的淀粉酶必须在高碱性 、低温介质中能充分保持活性 。 最近此类酶的开发工作正在积极进行之中18 ,19 。214 纤维素酶21411 纤维素酶的分类纤维素酶是针对以棉纤维为主要对象的酶 , 按作 用机制可分为 : endglucanase (end - 葡聚糖酶) 和 cel2lobiohydrolase (纤维素水解酶) 。前者能将纤维素分子 链上的- 1 , 4 葡萄糖苷基团随机分解 。后者能将纤维素 分 子 链 从 末 端 开 始 分 解 为 纤 维 素 二 糖 ( cel2lobiose) 小分子单元 。 现在用于洗涤剂的纤维素酶几乎都是 end - 葡聚糖酶 。而将几种不同的 end - 葡聚糖酶与纤维素水解 酶复配后的混合物也有销售 。21412 洗涤剂用纤维素酶像20。从图 1 中可见 , 结晶领域之间存在有非结晶领域 , 内有皮脂类的污垢侵入的迹象 。这些侵入纤维内部的污垢难以用通常的洗涤成分 (表面活性剂 、洗 涤助剂和蛋白质分解酶) 洗除 , 从而残留在纤维上 , 而成为衣料变黄的原因 。KAC 能进入非结晶状领域 内 , 将污垢包复起来 , 使之松动 , 并从纤维内部脱离 。图 2 表明了添加 KAC 的洗涤剂对贴身内衣上的 皮脂污垢的洗涤效果 。用添加 KAC 的洗涤剂对反复 穿用的贴身内衣进行反复洗涤后发现 : 残留皮脂量少 于用一般洗涤剂洗涤后的残留皮脂量 。贴身内衣的白 度也能维持不变21 。图 3 表明了由于 KAC 的作用 ,棉的单纤维内部残留的皮脂污垢大大减少后的贴身内 衣的光学显微摄影图像 。(a) 膨胀后的棉纤维纤维素酶于 1987 年开始用于衣料用洗涤剂 ,所用的酶是花王公司开发的 , 来源于 Bacillus sp1 KSM -635 菌 株 的 碱 性 纤 维 素 酶 ( alkali cellulase 代 号 为 : KAC) 。添 加 有 KAC 的 浓 缩 型 洗 衣 粉 “ , ATAKU”在日本转眼间便成了热销商品 , 并且强烈地冲击了世界洗涤剂市场 。在衣料用洗涤剂中 , 使用蛋白质分解酶以外的酶 , 那都是继花王公司 KAC 商品 化以后的事情 。至此 , 已介绍的 3 种酶 (蛋白酶 、脂肪酶 、淀粉酶) 都是“直接将污垢分解后除去”。而 KAC “不是 作用在污垢上 , 而是作用在棉纤维上 , 将污垢剥落下来”, 是基于一种前所未有的崭新的洗涤机制而开发 的 end - 葡聚糖酶 。在棉纤维的断面上 , 呈现了被称为层状 (lamella) 结构的结晶状领域 , 在这结晶状领 域中 , 甚至连水都难以渗入 。而在这结晶状领域之间存在非结晶状领域 , 污垢却能够方便地侵入此非结晶状领域 。图 1 是进入棉单纤维内部非结晶状领域的皮 脂污垢用四氧 化 锇 ( OsO4 ) 染 色 后 的 显 微 摄 影 图32 ( b) 沾有四氧化锇 (OsO4 ) 的棉纤维贴身内衣上棉纤维的超薄横切面的透过 电子缩微图Transmission electron micrographs of ultrathin cross sections of cotton fiber of undershirt图 1Fig11专论与综述第 1 期和田恭尚 :酶在洗涤剂中的应用现状及展望氧化剂稍加氧化后 , 仅存羧基 , 其周围可以视为非结晶领域) 除去黏附在棉纤维表面上的粒子污垢22 。 此外 , 还有报告22 说 : 添加 KAC 的洗涤剂能抑制因 反复穿着和洗涤而沉积在棉布上的钙离子等无机盐的生成 。KAC 在显示多种效能的同时 , 显示了能将非结 晶领域内的污垢封闭起来的独特功效 , 而对占棉纤维 大部分的结晶领域毫无影响 , 所以不会损伤纤维21 (图 4) 。20 根棉纤维的平均抗张强度5 根棉纤维的平均聚合度图 4碱性纤维素酶的效果与棉纤维抗张强度的关系以及碱性纤维素酶的效果与棉纤维 聚合度的关系Effects of alkaline cellulase on the tensile strength of cotton fabric and the degree of polymerizationof cellulose from cotton cloth at p H 9 and 30 ,and 120 min of reaction time图 2添加碱性纤维素酶的洗涤剂与添加蛋白酶的洗涤剂对自然玷污后的纯棉制 贴身内衣洗净力的比较Fig14Fig12 Cleaning power of an alkaline cellulase - based detergent against naturally soiled cotton undershirts in a comparisonwith that of a protease - based detergentKAC 是 率 先 商 品 化 的 碱 性 纤 维 素 酶23( 图 5(见下页) 反应条件 : p H = 9 、30 、120 min , 标准偏差有 95 %的可信度) , 对洗涤剂用的酶制剂工业带 来了巨大的影响 。在中性 - 弱碱性领域内显示了酶活性的纤维素酶也开始在洗涤剂中获得了应用 。丝状菌 Humicola in2 solens 生产的纤维素酶的复合体包含有两种主成分 cellobiohydrolase (纤维素水解酶) 和其他 5 种 endglu2 canase (end - 葡聚糖酶) , 具有使棉纤维柔软化 、使 褪色的旧衣料鲜亮化以及除去粒子污垢的效果23 。 棉纤维表面产生的毛球会导致衣物相互缠绕 、衣料手感变硬 、褪色 、沾染其他污垢等不良后果 , Humicola insolens 的纤维素酶复合体可以分解并去除这些毛球 , 这种效能正在进一步开发之中 。此外 , 纤维素酶复合体中能使褪色的旧衣料鲜亮 化的有效成分 特殊的 endglucanase 已经被确定 , 是一种称作为 EGV 的成分13 。作为一种对纤维损伤较小的护色的酶制剂已进入实用阶段14 。33 1 自然沾污的贴身内衣2 用添加蛋白酶的洗涤剂洗涤贴身内衣3 用添加碱性纤维素酶的洗涤剂洗涤贴身内衣4 没有沾污的贴身内衣图 3沾有四氧化锇的贴身内衣上棉纱线的超薄横切面的光学缩微图Optical micrograph of ultrathin cross sections of yarns in cotton undershirt stained with osmium tetroxideFig13KAC 也能作用在棉纤维表面 ( 棉纤维表面上用专论与综述日用化学工业第 35 卷纤维素酶如前所述 , 不仅能解决污垢问题 , 还被发现 , 纤维素酶因种类或性质不同 , 能与棉质衣料作 用产生其他各种各样不同的效果 , 是一种独特的酶制 剂 。正在引起同行的注意 。展望1980 年以后 , 洗涤剂用酶以生物技术为基础 , 正在以惊人的速度发展 。在现在的研究开发中 , 还在 不断引进蛋白质工学 、进化分子工学等高新技术开发 更加新型的酶 。此外 , 从自然界筛选出能够生产优质 酶的菌类的技术也在齐头并进 。今后可望开发出各种 各样具有最新机能的酶制剂 。对洗涤剂的性能要求是随消费者的需求 、社会环 境和洗涤环境的变化等因素而不断地变化 。今后 , 随 着洗涤剂种类或用途的变化 , 用多种不同的酶制剂复 配而成的复合型加酶洗涤剂的品种将会源源不断地上 市 。此外 , 洗涤剂中酶制剂的浓度不断提高 , 化学物 质总量尽量降低 , 将成为加酶洗涤剂发展的趋势 。由于洗涤剂用酶的不断推广 , 价格成为必须考虑 的重要因素 。由于生产规模的不断扩大以及生产技术的不断进步 , 每单位质量的酶蛋白的价格已降至 30 年前的 1/ 10 。尽管如此 , 在现今的洗涤剂配方中 , 酶仍然是诸多成分中比较昂贵的原料 。成本问题对于 洗涤剂售价比较低廉国家和地区来说 , 尤为重要 。而 从性能的角度来看 , 即使是在日本和欧美的洗涤剂中 , 由于成本的制约 , 也难以随心所欲地添加所需的 酶制剂 。如果能够克服成本的约束 , 充分发挥酶制剂 的优势 , 那么就可能进一步开发出更加优质的洗涤 剂 。所以 , 在酶制剂机能进步的同时 , 如果还能够同 时优化生产 , 降低成本的话 , 洗涤剂用酶的应用必将进一步升华 。对洗涤剂售价比较低廉国家和地区来 说 , 随着酶制剂低价格化的进程 , 酶制剂的用量也将 大幅度上升 。综上所述 , 酶制剂是一种用极少的量即能发挥明 显洗涤效果 , 而且又具有良好的生物降解性的原料 。进入 21 世纪以后 , 节约资源 、节约能量和绿色环保 成为全民瞩目的大事 , 从而对酶制剂也寄予了更大的 期望 , 酶制剂在洗涤剂中的重要性也更显突出 。3图 5碱性纤维素酶在不同 p H 和温度下的相对活性度所用缓冲剂Fig15 p H and temperature profile of the alkaline cellulase21413洗涤剂用纤维素酶的新效果近年来 , 有不少关于洗涤剂用纤维素酶的防止再污染效果的报告17 ,25 ,26。在洗涤剂中通常是用羧甲基纤维素或聚丙烯酸盐之类的聚合物作为防止再污染的成分 。纤维素酶与上述成分相比较 , 纤维素酶在非 常低的浓度下就能发挥效果 。具有这种效果的 KAC 或是纤维素酶复合体中称作为 EGI 的成分都已获得承 认 ,但是 ,上述的 EGV 等护色的成分不属此列 。在以手洗方式为主要洗涤行为的地区 (国家) 或 是在以滚桶式洗衣机为主流的欧洲 , 有低浴比 (衣料量与水量的比例) 的倾向 。此外 , 在旋涡型洗衣机为主流的日本等国随着全自动洗衣机的普及 , 浴比也正 在降低 。在这样低浴比的条件下洗涤 , 衣物被尘埃等 污垢再污染的可能性很大 。而纤维素酶可以有效地防止再污染 。34 参考文献 :专论与综述第 1 期和田恭尚 :酶在洗涤剂中的应用现状及展望Status andprospect of a pplication of enzymesin detergent productsWADA Yasunao( Corporation , TOKYO 103 - 8210 , J apan)Abstract : The history of the development of detergent enzymes as well as the features , soil removal mechanism , functionsand application status of the four types of detergent enzyme (particularly focused on cellulase) were presented. The recent trends of detergent enzymes were introduced. The protease variant that has the features of anti - oxidation , low temperature active , good compatibility to detergent ingredients and washing environment has been commercialized. Some improved lip