饰品之家讯：1·酶固定化目的及意义酶作为一种重要的生物催化剂,具有选择性强、催化效率高、反应条件温和、底物专一、产物大多数无毒性及无污染等特点,符合绿色化学的要求.但酶在应用中存在稳定性差、不能回收重复利用等问题,因此,在20世纪60年代发展了酶固定化技术.它通过化学或物理手段,用载体将酶束缚或限制在一定区域内,使其进行特有和活跃的催化作用.固定化酶具有贮存稳定性高、易于控制、工艺简便等优点,在化学、生物工程、医学等领域得到了迅速发展.[1]
2·酶固定化方法
固定化酶的性能是由酶固定化方法和固定化酶所使用的载体材料性质共同决定的,它们之间的交感作用使固定化酶具有独特的物理化学和动力学性质.传统的酶固定化方法,根据酶的性质及用途可分为吸附法、交联法、包埋法、共价结合法等.吸附法是最早出现的酶固定化方法,它是利用离子键、物理吸附等原理,将酶固定在纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等载体上.交联法是利用双功能或多功能交联试剂,在酶分子和交联试剂之间形成共价键,得到三向的交联网架结构.根据使用条件和添加材料的不同,能够产生不同物理性质的固定化酶,常用的交联试剂有戊二醛、偶氮联苯胺-2,2′-二磺酸、1,5-二氟-2,4-二硝基苯、己二酰亚胺酸二甲酯等.包埋法是载体与酶溶液混合后,借助引发剂进行聚合反应,再通过物理作用将酶限定在载体的网格中,实现酶的固定化,它主要分为凝胶包埋法和微胶囊包埋法.共价结合法是通过酶蛋白分子上的官能团与固相支持物表面上的反应基团之间形成化学共价键来固定酶,该法是目前研究最为活跃的一类酶固定化方法.酶固定的常用载体有天然高分子(纤维素、琼脂糖、淀粉、葡萄糖凝胶、胶原及衍生物等)、合成高聚物(尼龙、多聚氨基酸、乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物等)和无机支持物(多孔玻璃、金属氧化物等).另外,通过辐射、光、等离子体等高新技术均可制备高活性固定化酶.[2-3]总之,酶固定化不管是通过物理作用,还是化学键结合,都必须选用合适的材料作为固定化载体.载体材料的性能直接影响固定化酶的催化活性.因此,酶的固定化载体材料必须具备良好的机械强度、热稳定性、化学稳定性、耐生物降解性、对酶的高度亲和性、较高的酶活等.[4]但任何一种固定化方法或固定化载体都不可能适用于所有酶,要想获得较好的固定化效果,必须根据具体的酶种和催化反应类型,选择合适的固定化方法和载体.
3·固定化酶在纺织印染加工中的应用
酶催化具有安全高效、环保节能的特点,生物酶可以替代传统化学品完成生态型染整加工.另外,纺织纤维载体[如棉、蚕丝、大豆纤维、尼龙、丝素(胶)等]能以多种形态满足不同需求,易于分离回收,无毒、稳定、易得、价廉,更利于固定化酶的工业化生产;而以纤维材料为载体的固定化酶,不仅能开发生物活性材料,处理印染废水,而且还以可赋予纺织品抗菌防污等特殊功能.[5]
3.1过氧化氢酶
过氧化氢酶(Catalase,简称CAT)是一种存在于所有好氧微生物和动、植物细胞内的氧化还原酶,能够催化H2O2分解为H2O和O2.过氧化氢酶在纺织印染行业中主要应用于双氧水漂白后的生物除氧和氧漂废水处理.[6]为了提高CAT在印染生产中的稳定性,国内外对过氧化氢酶的固定化及其应用进行了研究.陈军[7-9]等以壳聚糖、棉织物和尼龙6等为载体,制备固定化过氧化氢酶,不仅使酶的酸碱、热稳定性和贮藏稳定性提高,对外界不良环境有较强的抵抗能力,而且对空气中的有害物质及自由基具有吸附和清除作用;Costa等[10-11]利用无机材质氧化铝(矾土)经戊二醛交联固定过氧化氢酶,用于处理氧漂废水,并回收用于染色加工.
3.2过氧化物酶
过氧化物酶(Peroxidase)属氧化还原酶,广泛存在于动、植物及微生物中,是以过氧化氢或烷基过氧化物作为电子受体来催化氧化一系列底物的.[12]在纺织印染方面主要应用于合成染料的脱色和印染废水的处理等.近年来,国内外研究最多的为辣根过氧化物酶和木素过氧化物酶的固定化.管文军、芦国营等[13-14]将过氧化物酶固定于尼龙66膜、聚丙烯酰胺和壳聚糖上,制备出具有更好使用特性的固定化酶.其中,固定化木素过氧化物酶对酸性大红BS的脱色率在60%以上,而且共同固定的木素过氧化物酶和葡萄糖氧化酶对染料的脱色速率更高,第1min内脱色率达90%左右.
3.3溶菌酶
溶菌酶(Lysozyme)存在于动植物、微生物甚至噬菌体中.它是一种专门作用于微生物细胞壁的水解酶,全称为1,4-β-N-溶菌酶,是一种有效抗菌剂,具有抗病毒、止血、消肿、镇痛及加快组织修复等功能.[15]溶菌酶固定化后可用于产业用纺织品和抗菌功能纺织品的开发.刘贤明等[16]将溶菌酶固定在人造纤维制成的HEPA空气过滤高效滤材上,从而制得生物杀菌滤材,并将其作为空调的空气净化系统,开发具有高效除尘和杀菌功能的产业用纺织品.陈建龙[17]通过共价偶联法和自组膜技术将鸡蛋清溶菌酶和海洋低温溶菌酶固定于玻璃纤维构成的空气过滤材料表面,结果表明:在干燥条件下,固定化溶菌酶可以储存更长时间,且保持一定的热稳定性,固定化溶菌酶可以在气相状态下破坏金葡球菌细胞壁并将其杀灭.胡英俊[18]采用吸附法和戊二醛交联法将溶菌酶固定在羊毛织物上,从而赋予羊毛纤维优良的抗菌效果.
3.4漆酶
漆酶是一种含多个铜离子的多酚氧化酶,可分为漆树漆酶和真菌漆酶.漆酶能催化许多芳香族化合物的降解[19],根据漆酶对染料降解的原理,在纺织染整方面主要用于印染废水的脱色、染色织物上浮色的生物酶洗、牛仔服装的仿旧整理和棉织物的生物漂白.近年来,为提高酶的重复使用性,国内外对漆酶的固定化进行了深入研究.张寒飞、ReyesP、PatricioPZ等[20-22]以磁性聚苯乙烯微球、活化的琼脂糖、金属铝及IRA-400离子交换树脂为载体制备固定化漆酶,分别处理含不同染料(直接、酸性、活性染料)的印染废水,结果发现:固定化漆酶对染料的降解速率比游离酶快,而且废水中染料的毒性也降低了80%,处理后的废水还可以重复利用,大大降低了水的消耗量.王平等[23]用海藻酸钙、明胶及聚乙二醇进行漆酶包埋,经氯化钙固化和戊二醛交联后得到固定化漆酶,并用于全棉针织物直接、活性、还原染料的染色后处理,结果表明:固定化漆酶酶洗工艺可替代传统皂洗工艺,可有效去除全棉针织染色物表面的浮色,提高织物的湿处理牢度,还能降低后处理残液的色度,减轻了印染废水处理的负担,有利于生态环境保护.
3.5脂肪酶
脂肪酶(Lipase)又称甘油酯水解酶(Glyeerolesterhydrolase),能催化天然底物油脂(甘油三酯)水解,生成脂肪酸、甘油和甘油单酯或二酯.[24]脂肪酶具有很重要的工业应用价值,目前在纺织工业中主要用于羊毛、丝绸纤维上的油脂和棉纤维蜡质的去除以及涤纶纤维性能的改善等.固定化脂肪酶在纺织行业中的应用报道不多,主要是以纺织纤维为载体进行固定化,提高其稳定性和重复使用率.曹国民[25]和刘新喜[26]等分别以对-β-硫酸酯乙砜基苯胺(SESA)活化的天然蚕丝、棉纤维为载体,用共价交联法固定脂肪酶,重复使用率高达6~10次.文献[27]以丝光棉、氨乙基化棉、谷酰胺醛与氨乙基化棉反应生成的戊二醛化棉等作为基质物固定脂肪酶,开发具有生物抗油污功能的织物,但洗涤后,酶活易丧失,表明在非衣料领域用脂肪酶固定化的织物也有应用前景.
3.6纤维素酶
纤维素酶(cellulase)是一类降解纤维素生成葡萄糖的多组分酶的总称,可用多种微生物、植物和动物制取.根据其作用方式可分为外切β-1,4-葡聚糖苷酶(简称CBH)、内切β-1,4-葡聚糖苷酶(简称EG)和β-1,4-葡萄糖苷酶(简称BG).在3种酶的协同作用下,纤维素最终被降解成葡萄糖.近年来,纤维素酶在纺织行业中应用取得了可喜的进展,如利用纤维素酶去除织物表面的绒毛、光洁织物表面抗起毛起球、使织物柔软膨松、提高织物的悬垂度、改善光泽及进行牛仔服装水洗等加工.[28]但纤维素酶易失活,为提高使用效率,国内外进行了其固定化研究.郑连英等[29-30]利用几丁质和多孔淀粉接枝聚合物作载体固定纤维素酶,提高其稳定性及专一性.另外,纤维素酶会侵蚀到纤维内部水解纤维素,使其强度明显降低,而固定化酶分子只吸附在纤维表面,很难进入纤维内部,保证纤维素酶对纤维的减量反应控制在其表面进行,不会明显降低纤维的强度.[31]
3.7蛋白酶
蛋白酶(protease)是水解肽键的一类酶,用于对羊毛进行生物防毡缩机可洗整理,同时使整理后的羊毛制品产生超柔软、高光泽度的抛光效果和抗起毛起球、低温染色、仿山羊绒等功能,是使羊毛制品高档化、高附加值的有效途径之一[32];蛋白酶还可用于生丝脱胶与丝织物水洗整理.由于游离蛋白酶不稳定,反应条件难以控制,将酶进行固定化是解决问题的主要途径之一,目前,研究较多的是木瓜蛋白酶固定化.另外,通过固定化技术还可以阻止生物防缩加工中蛋白酶对羊毛蛋白纤维内部的侵蚀.SilvaC等[33]用聚乙二醇对蛋白酶改性固定,防止和减少了蛋白酶对纤维的损伤.StanescuM.D[34]用固定化蛋白酶处理后羊毛的质量损失较小.
4·结语
近年来,酶在纺织印染方面的固定化及应用研究已取得了很大的进展,主要是以纺织纤维材料为载体制备固定化酶,提高了其稳定性和重复使用率;与游离酶相比,固定化酶能更高效地用于漂染废水处理;利用固定化酶技术进行纤维的改性和功能及产业用纺织品的开发.今后的研究工作应侧重于:(1)建立多酶固定化系统,可节省酶分离纯化的时间和费用,进行多酶反应;(2)开发新型固定化技术、改进传统固定化方法,挖掘和探究新型载体材料,使固定化酶朝着活力保持率高、使用寿命长、易于分离和可再生等方向发展;(3)应用生物酶固定化技术开发更多的产业用纺织品和功能纺织品及相关生物染整化学品.随着新技术新材料在酶固定化中的应用,载体性质和固定化方法与固定化酶性能之间关系研究的深入,固定化酶在纺织印染行业的研究一定会取得更大的成果,其应用范围也会不断扩大.
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