纺织业新型酶制剂研究

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1酶在纺织工业清洁生产中的应用概述

1．1酶应用的现状

20世纪90年代以前，酶在纺织上的工业化应用仅局限在淀粉酶退浆［1］和真丝脱胶［2］等少数加工，从世界范围看也基本如此。然而，这之后酶在纺织上的应用却如火如荼在全球开展起来，如牛仔服装的酶洗［3］（或称返旧整理）取代了传统的石磨洗，氧漂生物净化加工大量替代了传统的漂后水洗处理［4］，真丝织物的酶法砂洗取代了化学法砂洗，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［5］赋予棉织物传统化学加工无法获得的良好品质等等。生化工程技术的发展、纺织绿色加工要求的提高以及对更高的产品品质的追求无疑是上述酶加工技术发展的巨大推动力。目前，纺织酶加工工艺已经涉及到了几乎所有的纺织湿加工领域。酶制剂的种类已经从传统的水解酶制剂扩展到了裂解酶、氧化还原酶等（表1），出现了一系列的高性能纺织专用酶产品。纺织酶加工理论、酶加工设备和工艺也都有了很大发展。目前可以进行酶加工并获得工业化应用的工艺还只是纺织加工的很小一部分；在纤维原料的品种适用性上也有很大限制（主要用于天然纤维）；同时，普遍较低的酶制剂国产化水平，使得国内企业难以与国外大公司竞争，极大地制约了我国纺织酶加工技术的研究与应用，但也提供了巨大的发展空间。纺织酶处理工艺因其具有以下3个方面的突出优势，势必在今后获得更大发展，前景广阔：a．生产综合成本方面可节约大量的生产时间、工艺用水量、能耗、化工原料等，同时减少对废水的处理费用，因而生产综合成本不高于传统工艺。b．生态环境方面大幅度减少了废水排放量及排放废水中盐、AOX、染料、化学药剂等的含量，废水COD显著降低。绿色环保是酶处理工艺将来获得更广泛应用的最强有力的保证，如棉织物退浆、精练加工中不再使用烧碱，羊毛防毡缩整理不再采用产生AOX的含氯氧化剂，棉织物酶法前处理及羊毛酶改性可提高染料利用率等。c．产品品质方面由于避免了强碱、氧化剂等化学药剂对纤维的损伤，使得织物具有良好手感、外观、物理机械性能及染色性能等，产品品质明显提高。

1．2酶应用存在的主要问题

虽然酶的种类很多，但在印染中应用的主要是水解酶，如淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶等；还有少量的氧化还原酶，如过氧化氢酶、漆酶和转移酶（如谷氨酰胺转胺酶）等。酶在印染中的应用主要在前处理，主要是去除纤维上的天然杂质和附加杂质，其次是用于后整理，主要是对纤维表面的处理。酶在印染中的应用有些方面非常成熟，如淀粉酶退浆、纤维素织物生物抛光、牛仔服酶洗、真丝脱胶等；有些方面尽管研究了很多年，但不很成熟，还需做大量工作，如棉织物的煮练、漂白等；有些方面还未开发或很不成熟，而且近期内难以突破。另外，目前酶的应用主要集中在对天然纤维（包括再生纤维素纤维）的处理上，而对合成纤维的处理还刚刚开始。主要原因在于：天然纤维，包括天然纤维上的各类杂质已在自然界中长期存在，已有相应的酶能对其作用。而合成聚合物，如合成纤维、聚乙烯醇等在自然界出现的时间不长，以及其本身结构等原因，还没有相应的、合适的酶能对其作用。酶具有很强的专一性，一般来说，一种酶只能分解一种或一类物质，而天然纤维除了纤维本身外，还含有多种杂质，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。目前，商品化的酶的品种还不多，纤维上的许多杂质还缺乏相应的商品酶对其进行分解，如分解聚乙烯醇的PVA酶、木质素酶、半纤维素酶都还没有商品化。另外，有些成分的杂质如棉蜡（主要成分是高碳数的碳氢化合物），到目前还没有相应的酶能对其进行分解。酶与纤维的作用属于液－固相作用，另外酶属于高分子物质，分子量很高，很难渗透到纤维内，只能在纤维表面起作用，这样会影响到其作用效率。本文重点介绍几种具有较好应用潜力的纺织工业清洁生产用新型酶制剂。

2PVA降解酶

聚乙烯醇（简称PVA）是一种人工合成的乙烯类聚合物，因具有良好的黏附性、成膜性和水溶性，是目前经纱上浆中应用十分广泛的一种主浆料。但在目前阶段，印染加工退浆工序中去除的PVA浆料因其对酸、碱和一些微生物都很稳定，不易被分解，因此存在较大的环保问题。

2．1PVA的生物降解机理

事实上，PVA是可以生物降解的。但是，在自然环境中，可降解PVA的微生物非常少，通常只出现在被PVA污染的环境中。目前，已正式报道的PVA降解酶主要有三种：PVA氧化酶（仲醇氧化酶）、PVA脱氢酶和氧化型PVA水解酶（β－双酮水解酶）［6］。a．PVA氧化酶在以O2为电子受体的条件下，或由PVA脱氢酶以吡咯并喹啉醌为电子受体的情况下，将PVA链上的羟基脱氢氧化成羰基，生成PVAβ－双酮结构类物质。b．随后氧化型PVA水解酶对PVAβ－双酮结构类物质进行催化水解，生成以羧酸和甲基酮为端点的PVA断链，使PVA长链断裂，PVA溶液黏度下降。也有观点认为，氧化型PVA的水解反应是自发进行的，水解反应自发进行主要是由于其分子结构不稳定造成的，氧化型PVA水解酶能加速这种水解反应。

2．2造成PVA降解酶难以商业化的原因对PVA生物降解研究较多的是日本和意大利。日本1973年开始研究PVA的生物降解［7］，但到目前为止，采用PVA降解酶对PVA进行降解还只停留在实验室水平。诺维信、杰能科等大型酶制剂公司至今未推出PVA降解酶的商品酶，该市场尚处于真空状态。造成PVA降解酶难以商业化的原因主要有以下几点：a．能够降解PVA的微生物在自然界中的分布并不广泛，一般仅存在于被PVA污染的环境中，在筛选过程中必须以PVA作为筛选培养基的唯一碳源，以形成一个PVA胁迫的环境，才能筛选到PVA降解微生物；b．靠单一微生物实现对PVA的彻底降解非常困难，经过长时间的培养仍难以达到彻底降解PVA的目的，只有通过驯化混合菌群才能达到对这种高聚物的彻底降解；c．PVA的不彻底降解会造成PVA降解酶的提取困难，因为在提取过程中PVA和蛋白质会形成一种乳白色的凝胶状物质使PVA降解酶无法提取；d．共生细菌产生的PVA脱氢酶位于细胞膜上，不易提取，而且在其降解PVA的过程中必须外加生长因子吡咯并喹啉醌，使用成本昂贵；e．PVA降解酶的酶活较低。

2．3PVA降解酶的纺织应用潜力

PVA降解酶在纺织工业中可用于酶退浆和退浆废水生化处理。传统碱法退浆中烧碱可通过促进PVA溶胀、增大PVA溶解度去除织物上PVA，但不能降解PVA；酶法退浆采用的淀粉酶，只适用于淀粉浆料的去除，也不能降解PVA；PVA是一种COD很高、难以生物降解的物质（每克PVA的CODCr为1600mg/L，而BOD5为16mg/L），退浆废水中存在大量PVA，加大了废水处理难度和成本。目前，棉及其混纺织物以及合纤织物织造过程中均在经纱上浆中采用相当比例的PVA浆料。这是因为PVA浆料具有优异的上浆性能，尽管由于其环保问题国内外提倡少用、不用PVA上浆，但目前尚无性能过硬的替代品。因此，如果能够开发出具有较高活力的PVA降解酶，不仅可以实现含高比例PVA浆料的织物的酶法退浆（可以与目前工业化应用的淀粉酶退浆同时进行），而且因PVA在退浆中已有一定程度降解，因此废水处理也将会变得相对容易。PVA降解酶对于纺织品的清洁生产具有十分重要的现实意义。Morita等［8］用分离纯化得到的PVA降解酶在30℃进行棉织物的退浆，与常规70～90℃热水退浆相比，酶反应条件温和，棉织物的品质得到了保持，同时退浆废水的生物可降解性得到了提高，降低了废水处理的负担。钱鼎等［9］研究了由青霉菌Penicillumsp．WSH02－21所产PVA降解酶的酶学性质，并确定了酶最适反应pH值、温度，酶的pH值、温度的稳定性，以及金属离子对酶活力的影响。在此基础上，将Penicillumsp．WSH02－21所产的PVA降解酶应用于棉织物退浆的小试研究，比较了酶退浆与热水退浆的效果，结果表明：在退浆速率上酶法不如热水退浆，但由于酶法退浆是将PVA进行降解，从而提高退浆废水的生物可降解性，减少了环境污染。张颖等［10］从不同环境中筛选得到多株能产生PVA降解酶的微生物及一个混合体系，并对它们降解PVA的过程进行了分析。研究结果表明：筛选得到的单一微生物及其酶都不能彻底降解高聚合度的PVAl799，只有混合体系能彻底降解。采用PVA降解酶进行棉织物的退浆目前还不成熟，仅仅停留在实验室研究阶段。

3谷氨酰胺转氨酶

3．1谷氨酰胺转胺酶概述

谷氨酰胺转胺酶（蛋白质－谷氨酸－γ－谷氨酰胺转胺酶，简称TG），又称转谷氨酰胺酶或γ－谷氨酰胺酰基转胺酶，它能够催化蛋白质分子内、分子间发生交联，催化含谷氨酰胺剩基的蛋白质类物质接枝含伯胺基的蛋白质、氨基酸和其他功能性单体，从而进一步改善蛋白质类物质的功能性质，在食品、纺织等领域具有较好的应用前景［11］。谷氨酰胺转胺酶存在于动物、植物和微生物中，包括来源于动物体的谷氨酰胺转胺酶（简称GTG）以及来源于微生物的谷氨酰胺转胺酶（简称MTG）［12］。

3．2谷氨酰胺转胺酶的作用机理

谷氨酰胺转胺酶是一种催化酰基转移反应的转移酶，其典型反应如图2所示［13］。利用这些催化反应，在各种蛋白质分子之间或者之内引起共价交联，从而对蛋白质进行改性。谷氨酰胺转胺酶以肽链中谷氨酰胺残基的γ－羧酰胺基作为酰基供体，而酰基受体可以是：a．多肽链中赖氨酸残基的ε－氨基形成蛋白质分子内或分子间的ε－（γ－谷氨酰）赖氨酸异肽键，见式（1）。使蛋白质分子发生交联，从而改变织物的质地和结构，改善蛋白质的溶解性、起泡性、乳化性等许多物理性质。b．伯胺基形成蛋白质分子和小分子伯胺之间的连接，见式（2）。利用该反应可以将一些限制性氨基酸引入蛋白质以提高其营养价值。c．水当不存在伯胺时，水会成为酰基受体，其结果是谷氨酰胺残基脱去氨基生成谷氨酸残基，见式（3）。该反应可用于改变蛋白质的等电点及溶解度。

3．3谷氨酰胺转胺酶的纺织应用潜力

鉴于TG的独特功能以及羊毛、蚕丝的蛋白质纤维属性，目前国内外已经把TG引入羊毛、蚕丝的染整加工中，取得了一定的效果。TG应用于羊毛的改性处理初期主要是改善纤维的物理机械性能。研究者利用TG的催化特性和羊毛的化学结构特征（含有谷氨酰胺和赖氨酸剩基），实现了羊毛纤维蛋白质大分子间的交联。这种改性处理不仅能够提高羊毛纱线和织物的强力，有效弥补酶处理前各种化学预处理和蛋白酶处理（水解）造成的纤维损伤，还可以减轻洗涤时羊毛制品的褪色和损伤（来自于洗涤液的偏碱性条件和蛋白酶对纤维的降解）。江南大学在国内较早开展了这方面的研究。崔莉等［14］以微生物发酵生产的谷氨酰胺转胺酶（MTG）作为羊毛织物的酶整理剂，探讨了MTG在羊毛织物防毡缩和强力损伤回复中的作用。MTG可使蛋白酶处理后织物强力提高30％，毡缩率从处理前的9．35％下降至2．30％。此外，通过纤维的氨基酸分析、红外、电镜和原子力显微镜分析，揭示了MTG酶对羊毛纤维的作用机制。

4角质酶

4．1角质酶概述

角质酶（cutinase）是一种可以降解植物角质的水解酶，属于丝氨酸酯酶。角质酶可被看作是酯酶和脂肪酶之间的过渡物质，既可催化水解不溶性多聚体角质的酯键，也可以作用于其他长链、短链脂肪酸酯、乳化的甘油三酯等［18］。除了水解反应外，角质酶还能参与酸与醇的酯化、一些脂肪酸盐与醇的转酯化。角质酶作为一种多功能裂解酶，在纺织工业、食品工业以及化工工业等诸多领域都有着广泛的应用。角质酶对角质等聚酯的水解机制反应方程式见式（4）。

4．2角质酶的纺织应用潜力

用于纺织工业是角质酶近年来的新的应用方向。Degani等［19］考察了细菌角质酶在棉织物精练中的应用，发现该酶能水解棉纤维角质层中的高分子量脂肪酸酯，从而提高棉织物的润湿性能，且与果胶裂解酶具有较好的协同作用。毕凤珍等［20］对国产角质酶研究结果表明，角质酶对棉纤维最外层的角质结构具有高度的可及性，可以提高棉纤维吸水性和着色效果，和果胶酶协同作用可更好地缩短吸水时间。王平等［21］系统研究了羊毛织物角质酶预处理对蛋白酶防毡缩整理的促进作用，建立了弱氧化／角质酶预处理与蛋白酶处理相结合的加工模式，获得了较好的防毡缩整理效果，为角质酶的纺织应用提供了新的方向。此外，角质酶可用于酶法水解环状低聚物（聚对苯二甲酸亚乙酯），这一低聚物是纺织工业中聚酯的主要组成部分，沉积于织物表面时会使纤维呈现浅灰色的外观，用传统的碱法处理不易去除，这一低聚物的去除有利于改善织物品质。

近几年，角质酶用于聚酯纤维或织物表面的酶法改性也有一些研究，研究表明，角质酶较普通脂肪酶对聚酯纤维的水解能力要强一些。然而角质酶大多来源于常温野生菌，酶活低、耐热性差、生产成本高等问题使角质酶在合纤改性中的应用受到了限制。江南大学鉴定了来自于嗜热子囊菌的耐热角质酶编码基因，成为国内外首次破译的耐热角质酶基因。此外，还实现了该角质酶在大肠杆菌中的高效表达，获得了具有自主知识产权的基因工程菌。重组T．fusca角质酶表现出良好的热稳定性和酸碱抗性，在纺织生物精练中具有潜在的应用前景［22］。综合国内外的研究发现，近年来，关于角质酶的研究虽然取得了一定的进展，但是角质酶在纺织纤维改性中的应用仍然存在一些问题。

究其原因归纳如下：虽然国外对真菌角质酶研究得较为深入，但是由于真菌角质酶耐热性差，不能有效地应用于纺织生物精练中；棉纤维表面覆盖成分复杂、致密，在一定程度上限制了酶的作用位点，使酶的作用效果大大降低，以至于研究者虽然提出了酶与纤维的吸附作用极其重要，但对于如何提高角质酶对纤维的吸附力并没有获得确实可行的办法；研究者大都通过寻求好的菌种、优化出好的工艺条件来增强生物酶对棉纤维的精练效果，而通过生物技术改造酶的方法尚未在纤维改性中应用。目前，江南大学在角质酶基因工程菌构建成功的基础上，对耐热角质酶进行分子改造，在此基础上通过发酵调控，以期获得高活力、高稳定性、宽适用条件、高催化效率的生物精练酶制剂，提高其对棉纤维精练的催化效率和处理效果。