漆酶在工业中的应用研究yd13826

张营 杨革 天津工业大学纺织学院天津 300160

收稿日期:2011-03-14

作者简介：张营,在读硕士研究生,主要从事生态纺织染整方面的研究

原载：染整技术2011/7；42-43

【摘要】漆酶是一种含铜的多酚氧化酶,能够催化氧化酚类和芳胺类化合物,具有较广泛的底物范围,因此在纺织、造纸、食品等工业中都有所应用。本文介绍了漆酶的结构特点及催化机理,并对其在各个工业中的应用作了扼要的综述,最后对漆酶的发展趋势作了展望。

【关键词】漆酶;结构;工业;应用

【中图分类号】TS190 文献标识码:A 文章编号:1005-9350(2011)07-0042-02

1 前言

漆酶（Laccase)是一种含铜的多酚氧化酶,广泛存在于昆虫、植物、真菌和细菌中。漆酶最早是由日本学者吉田[1]在漆树的分泌物中发现的。自1883年首次被发现以来,漆酶一直是纺织、化学、生物学和环境科学等领域十分活跃的研究热点。

漆酶是一种氧化还原酶,漆酶具有广泛的底物作用范围,对各种酚类、芳胺及其衍生物等都具有催化氧化作用[2]。在纺织领域,已经成功地实现葡萄糖氧化酶对棉织物的漂白,以及漆酶对印染废水的脱色等。漆酶在纺织工业中的应用不断有新的报道,从纤维改性到染色和印花等方面都有研究。近年来,随着研究的深入,漆酶对与木质素前体物质分子结构相似的许多环境污染物的降解倍受人们关注,尤其是在纸浆的生物漂白、食品饮料中酚类物质的去除等方面己取得突破性进展,利用漆酶可有效脱除纸浆中的木质素成分,也可作为纸浆的漂白助剂,降低漂白用氯,解决纸浆工业中的环境污染问题,具有深远的科学影响和巨大的社会经济价值[3]。另外,漆酶在饮料加工、食药用菌生产、食品分子交联等领域也有广泛的应用。本文就漆酶近年来在纺织、造纸、食品等工业中的应用研究作一简要综述。

2 漆酶简介

漆酶是目前研究较为热门的一种酶,主要分为漆树漆酶、真菌漆酶及细菌漆酶。由于漆酶的催化反应只需空气中的氧气即可,水是唯一的副产物,被称为“绿色催化剂”。近年来,由于其具有较广泛的底物范围,漆酶在纺织、造纸、食品等工业中都了有广泛的应用。

2.1漆酶的结构与催化机理

2.1.1漆酶的结构

漆酶分子结构中一般含有4个铜离子,根据它们的氧化还原电势、光学和磁学特征划分为3种类型:I型Cu2+与II型Cu2+各1个,是单电子受体,呈顺磁性;Ⅲ型Cu2+两个,是双电子受体,反磁性[4]。I型Cu2+形成单核中心,在610nm有强烈光吸收,呈蓝色;Ⅱ型Cu2+和Ⅲ型Cu2+形成三核铜簇,Ⅱ型Cu2+非蓝色,无特征吸收光谱; Ⅲ型Cu2+在330nm附近有宽的吸收带,与三个组氨酸分子和一个氢氧化物分子形成四面体构型[5]。在有氧分子存在时,这对铜离子以氢氧化物为桥结合在一起。

2.1.2 漆酶催化的机理

漆酶催化底物机制表现在底物自由基的形成和漆酶分子中四个铜离子的相互协同作用。漆酶可催化氧化酚类和芳香胺类化合物,同时分子氧被还原为水。在这一过程中,漆酶从被氧化的底物分子中提取一个电子,使之形成自由基,该自由基不稳定,可进一步发生聚合或解聚反应。然后底物结合于酶活性中心一型铜原予位点,通过Cys-His途径将电子传递给三核位点,该位点又把电子传递给氧分子,使其还原成水[6]。漆酶催化底物氧化和对氧的还原是通过四个铜离子协同地传递电子和价态变化实现的。该酶催化底物氧化和对O2的还原过程可用下式表示[7]:

3 漆酶在工业中的应用

3.1 在纺织工业中的应用

3.1.l 羊毛纤维表面改性处理

漆酶进行羊毛纤维表面改性不会降低纤维的强力,而且还能改善纤维的抗皱性及染色性能。

M.Montazer[8]等利用漆酶制剂对羊毛纤维改性,改性后的羊毛纤维表面变得较为光滑,且润湿时间大大缩短,染色色深比未处理时有所增加。

3.1.2 牛仔布的返沾色处理

与常规的纤维素酶水洗相比,利用漆酶水洗可以减少脱落靛蓝对织物的“返染”程度,且不会对织物强力造咸影响。高恩丽[9]采用漆酶与酸性纤维素酶协同作用来降低牛仔布生物整理中的返沾色。一方面可使牛仔布的返沾色显著减弱,获得独特的“雪花”效果;另一方面还可使工厂废水中的靛蓝含量减少80%,有利于降低环境污染。

3.1.3 染料脱色降解处理

漆酶还可以用于印染废水中染料的脱色降解处理,使用常规的物理、化学方法难以有效地消除这类污染,真菌漆酶可以直接降解20种工业染料中的14种。蒽醌类染料经固定化的漆酶处理,可以脱色80%,在某些情况下,漆酶可将偶氮染料中偶氮转化为分子氮,使偶氮染料完全脱色[lO]。王平[11]等采用海藻酸钠、明胶与戊二醛固定漆酶,并将其应用于活性、还原染料染液脱色与棉织物染色后处理。该法不仅有效地对染液脱色,降低残液色深,还可以提升织物皂洗和摩擦牢度。除了纺织行业中废水的脱色外,漆酶还能用于漂白纺织品和合成染料。

4 展望

从漆酶发现至今己有100多年,经过各国科学工作者不懈的努力,漆酶的研究取得很大的进展。由于漆酶具有广泛的底物特异性,使得其在纺织印染、制浆造纸以及食品等诸多领域内具有广阔的应用市场。在应用研究方面,利用漆酶进行高分子新材料的绿色合成及生物监测方面还有巨大的发展空间。总之,应进一步加强漆酶的理论和应用研究,充分开发利用漆酶的功能,相信不久的将来,漆酶将会更好的造福人类社会。

5 参考文献

[1] Yoshi H.Chemistry of Lacquer (Urusht) part 1[J].J Chem soc,1983,43: 472-486

[2] Dittmer TK, Pate1 NJ, Dhawake SS.Production of 1accase isoforms by Phanerochaete chrysosporium.FEMS Microbia1 Letter,1997,149: 65-70

[3] 刘尚旭,赖寒等，木质素降解酶的分子生物学研究进展,重庆教育学院学报,2001,14（3):64-67

[4] 张敏,肖亚中,龚为民等。真菌漆酶的结构与功能[J]生物学杂志,2003,20（5)；6-8

[5] 季立才,胡培植，漆酶催化氧化反应研究进展[J]林产化学与工业,1997,17(1):79-84

[6] 徐文东,文湘华等，微生物在含染料废水处理中的应用[J]环境污染治理技术与设备,2000,1(2)；9-16

[7] Christopher F.et al,The structure and function of funga1 1accase。 Microbio1ogy, 1994,140(1);19-24

[8] Montazer M.Dadashian F,Hemmatinejad N,et a1,Treatment of woo1 with Laccase and Dyeing with Madder[J]App1y Biochem Biotechno1ogy,2008,158(3); 685-693

[9] 高恩丽,张树江,夏黎明,余为民,云芝漆酶在牛仔布生物整理中的应用.纺织学报,2007,28⑷∶73-75

[10]ABADULLA E.et a1.Deco1onization and detoxification of texti1e dyes with a 1accase from Trametes hirsute. App1y Environ Microbia1, 2000,66; 3357-3362

[11]范雪荣,王平,高木荣,邹金磊,张静,棉织物染色后的固定化漆酶处理[J]印染,2O10,14;8-10