生物酶

現在酶處理工藝已被公認為是一種符合環保要求的綠色生產工藝，它不僅使紡織品的服用性能得到改善和提高，又因無毒無害，用量少，可生物降解廢水，無污染而有利於生態環保的保護。同時，生物酶也應用於治理室內裝修污染領域，通過吞噬、分解，來消除室內裝修產生異味、甲醛等污染。

生物酶是具有催化功能的蛋白質。像其他蛋白質一樣，酶分子由氨基酸長鏈組成。其中一部分鏈成螺旋狀，一部分成摺疊的薄片結構，而這兩部分由不摺疊的氨基酸鏈連接起來，而使整個酶分子成為特定的三維結構。生物酶是從生物體中產生的，它具有特殊的催化功能，其特性如下：高效性：用酶作催化劑，酶的催化效率是一般無機催化劑的10^7~10^13倍。

專一性：一種酶只能催化一類物質的化學反應，即酶是僅能促進特定化合物、特定化學鍵、特定化學變化的催化劑。

低反應條件：酶催化反應不象一般催化劑需要高溫、高壓、強酸、強鹼等劇烈條件，而可在較溫和的常溫、常壓下進行，另外，一些特殊的酶在特定條件下催化效率達最大值，如胃蛋白酶在胃液酸性條件下發生作用。

易變性失活：在受到紫外線、熱、射線、表面活性劑、金屬鹽、強酸、強鹼及其它化學試劑如氧化劑、還原劑等因素影響時，酶蛋白的二級、三級結構有所改變。所以在大生產時，如有條件酶還可以回收利用。

可降低生化反應的反應活化能：酶作為一種催化劑，能提高化學反應的速率，主要原因是降低了反應的活化能，使反應更易進行。而且酶在反應前後理論上是不被消耗的，所以還可回收利用。

酶蛋白與其它蛋白質的不同之處在於酶都具有活性中心。酶可分為四級結構：一級結構是氨基酸的排列順序；二級結構是肽鏈的平面空間構象；三級結構是肽鏈的立體空間構象；四級結構是肽鏈以非共價鍵相互結合成為完整的蛋白質分子。真正起決定作用的是酶的一級結構，它的改變將改變酶的性質(失活或變性)。酶的作用機理比較被認同的是Koshland的“誘導契合”學說，其主要內容是：當底物結合到酶的活性部位時，酶的構象有一個改變。催化基團的正確定向對於催化作用是必要的。底物誘導酶蛋白構象的變化，導致催化基團的正確定位與底物結合到酶的活性部位上去，重金屬離子會與活性部位結合使酶失活。

作為大的分類，酶類分為“分解系酶”和“合成系酶”。比如說，將蛋白質分解成能被吸吸收(那樣)大小的氨基酸，通過分解系的酶和吸收后的氨基酸來合成自身身體所必需的蛋白質，這些都是根據酶來進行的。但是，為了區分生體內和生體外被使用的酶，稱在生體組織內被使用的酶為“代謝酶”，稱在腸胃內等生體組織外被使用的酶為“消化酶”，也可以說是為了方便起見。在生物化學上，分為酸化還原酶、轉移酶、加水分解酶、脫離酶、異性化酶和合成酶等六大類。

溶菌酶可作為一種具有殺菌作用的天然抗感染物質，有抗菌、消腫及加快組織恢復功能等作用。常用於人體肌膚護理。

果膠酶主要是由果膠裂解酶、聚半乳糖醛酸酶、果膠酸鹽裂解酶和果膠酯酶組成。果膠物質是高度酯化的聚半乳糖醛酸。果膠酶作用於果膠物質時，果膠裂解酶、聚半乳糖醛酸酶、果膠酸鹽裂解酶直接作用於果膠聚合物分子鏈內部的配糖鍵上，而果膠酯酶則使聚半糖醛酸酯水解，為聚半乳糖醛酸酶和果膠酸鹽裂解酶創造更多的位置。

脂肪酶能將脂肪水解成甘油和脂肪酸，脂肪酸進一步進行B一氧化，每次脫下一個C2物，生成乙醯COA(N—環己基辛基胺)，進入TCA(三羧酸)環徹底氧化或進入乙醛酸環合成糖類。

脂肪酶（EC3.2.2.3，甘油酯水解酶）是分解天然油脂的酶，其在紡織加工中主要用於絹紡原料脫脂處理；同時，只沒在羊毛洗毛中是較好的助洗劑，能去除羊毛附生雜質、脂蠟，使羊毛獲得可紡性；對棉織物進行精鍊處理，能有效的去除棉的脂蠟；對滌綸進行處理，可改善滌綸表面的親水性。

由微生物分泌的蛋白酶因菌種不同而異，例如枯草桿菌分泌明膠酶和酪蛋白酶，可以水解明膠和酪蛋白；費氏鏈酶菌分泌角蛋白酶，可以水解動物的毛、角、蹄的角蛋白。蛋白酶將蛋白質分解成肽，再經肽酶水解成氨基酸。

纖維素酶是一個多組分酶體系，紡織工業中應用的纖維素酶大多數是由木酶屬真菌製造的。纖維素酶中的纖維素二糖水解酶又稱為外切纖維素酶，由CHBI和CHBII兩種酶組成，而內切葡聚糖酶，又稱為內切纖維素酶，至少由5種纖維素酶(EGI、EGII、EGHI、EGIV、EGV)組成。此外，還有13一葡萄糖醛酶。這些纖維素酶在纖維素的水解中具有協同作用。

過氧化氫酶是一種氧化還原酶，催化分解過氧化氫成為水和氧氣，它主要用於漂白工藝後去除殘餘的雙氧水，提高後繼染色性能和質量，並且沒有過量危險。過氧化氫酶也可用於紗線染色機、溢流噴射染色機、絞盤染色機和卷染機等的氧漂生物凈化處理。

澱粉酶是水解澱粉和糖原的酶類總稱，通常通過澱粉酶催化水解織物上的澱粉漿料，由於澱粉酶的高效性及專一性，酶退漿的退漿率高，退漿快，污染少，產品比酸法、減法更柔軟，且不損傷纖維。澱粉酶的種類很多，根據織物不同，設備組合不同，工藝流程也不同，目前所用的退漿方法有浸漬法、堆置法、卷染法、連續洗等，由於澱粉酶退漿機械作用小，水的用量少，可以在低溫條件下達到退漿效果，具有鮮明的環保特色。

1、漆酶在紡織加工中的應用：漆酶是一種氧化還原酶，諾和信公司的DenilitIIS就是通過基因改性的黑麴黴漆酶，可以進行牛仔服裝仿舊整理工藝，獲得的織物手感厚實，表面光潔、平整、色澤明快、淡雅。

2、葡萄糖氧化酶在紡織加工的應用：葡萄糖氧化酶主要進行織物的漂白整理，這種酶處理對雙氧水的產生非常有效，處理使不需添加雙氧水穩定劑，處理后織物手感柔軟、豐滿。

3、半纖維素酶、木質素酶在紡織加工中的應用：天然的纖維素纖維中均含有半纖維素和木質素，尤其是麻類纖維含量較高，不去除半纖維素和木質素，極度影響纖維的可紡性能，通過半纖維素酶和木質素酶處理，可以大部分清除半纖維素和木質素，但半纖維素酶和木質素酶還沒有在紡織工藝中單獨使用，主要是和其他酶製劑（如果膠酶、纖維素酶等）配合進行纖維處理。

新型酶在紡織加工中的應用：化學合成纖維和漿料在紡織中的地位是明顯的，這些高分子聚合物不能進行生物分解和降解，造成環境的污染，目前研究人員正在研究新的酶種，通過篩選具有某種功能的菌種，進行基因改性成為高性能酶劑或通過克隆、轉基因或的基因工程菌，制出新酶種，或根據化學生物結構和酶學原理定向合成新型酶劑等。這些新型酶劑成為仿酶，目前較成功的酶包括PVA分解酶、滌綸分解酶、分解錦綸寡聚物的基因工程菌、合成酶等。

在石油鑽井過程中，鑽井液發揮著防止井壁滲漏和保護油氣層的雙重作用。但這兩大作用有時卻存在著尖銳的矛盾。當鑽井遇到油氣富集地層時，地層特點多不穩定，極易發生漏失、坍塌等複雜情況，此時鑽井液的護壁防漏功能顯得尤為重要。而普通鑽井液要起到很好的護壁防漏作用，就必須提高其固相含量和粘度，但這樣又會帶來污染油氣層的現象。如何才能既治理好井壁漏失坍塌的毛病、又有效保護好油氣層，早已成為我國石油鑽井領域的一大難題。

據勝利油田鑽井工程技術公司首席科學家郭寶雨介紹，剛剛通過鑒定的新型鑽井液體系能夠在井壁上形成薄而堅韌的隔膜，這種隔膜的滲透性極低，在近井壁形成了一個滲透率幾乎為零的護壁層，達到了維護井壁穩定的良好效果。

隨著時間的推移，在需要打開油氣層時，生物酶開始發揮它的生物降解作用，把原來堅韌緻密的護壁薄膜一點一點破除，而這時，活性生物酶慢慢進入儲層，在岩石表面油膜下生長繁殖，使原油從岩石表面剝離，從而被驅出；同時，它還能夠降解原油，增強原油流動能力，從而在根本上實現提高原油採收率的目的。

據悉，這一體系在曲堤油田、淮北以及吉林等油田共34口井進行的現場試驗表明，其原油採收率平均提高25%以上，地層滲透性恢復到90%以上，在解放油氣層、保護油氣層方面有著廣闊的發展前景。

蛋白酶的生產現狀

蛋白酶是最重要的一種工業酶製劑，能催化蛋白質和多肽肽鍵水解。它廣泛存在於動物內臟、植物莖葉、果實和微生物中。各種生物體都能合成它，但唯有微生物蛋白酶具有生產價值，蛋白酶也是研究的比較深入的一種酶，已做成結晶或得到高度純化物的蛋白酶達100多種，其中不少酶的一級結構以及立體結構也已闡明。

蛋白酶的商品生產始於20世紀初，30年代微生物蛋白酶開始用在食品和製革工業。近20年來，微生物蛋白酶的研究蓬勃開展。20世紀50年代初，日本學者首先發現黴菌中存在幾種類型的蛋白酶，特別是酸性蛋白酶，20世紀60年代初，荷蘭開始生產添加鹼性蛋白酶的洗滌劑。到目前為止，國際市場上商品蛋白酶80-100種以上。

蛋白酶的分類

按蛋白酶水解蛋白質的方式可分為以下幾種。（1）切開蛋白質分子內部肽鍵，生成相對分子質量較小的多肽類，這類酶一般叫內肽酶；（2）切開蛋白質或多肽分子氨基或羧基末端的肽鍵，而遊離出氨基酸，這類酶叫外肽酶。作用於氨基末端的稱為氨肽酶，作用於羧基末端的稱為羧肽酶；（3）水解蛋白質或多肽的脂鍵；（4）水解蛋白質或多肽的醯氨鍵。

按酶的來源可以分為動物蛋白酶、植物蛋白酶、微生物蛋白酶。

微生物蛋白酶又可分為細菌蛋白酶、黴菌蛋白酶、酵母蛋白酶和放線菌蛋白酶。

按蛋白酶作用的最適pH可以分為pH2.5-5.0的酸性蛋白酶、pH9.5-10.5的鹼性蛋白酶、pH7-8的中性蛋白酶。為了方便起見，微生物蛋白酶常用這種分類方法；根據蛋白酶的活性中心和最適反應pH可以分為絲氨酸蛋白酶、巰基蛋白酶、金屬蛋白酶和活性中心有兩個羧基的酸性蛋白酶。

蛋白酶的用途

3.1用於食品發酵工業

醬油的釀造就是利用米麴黴分泌的蛋白酶分解原料中的蛋白質，使其降解為腖、多肽、氨基酸，生成色、香、味於一體的產品。也有直接用蛋白酶製劑釀造醬油，但風味欠佳。啤酒釀造中，當麥芽糖用量減少輔料增加時，常需要補充蛋白酶，使蛋白質充分降解，黴菌和細菌蛋白酶適合這一用途。微生物酸性蛋白酶還是有效的啤酒澄清劑。魚露是鮮魚加25%-30%食鹽自然發酵6-12個月而成，若添加少許黴菌蛋白酶可縮短髮酵時間，提高風味。

3.2用於製革生產

製革的原料皮中纖維蛋白是皮革的有用成分，此外還有不少非纖維狀的蛋白存在於纖維間隙和表皮中，這些蛋白含量雖少，若不去除，成品皮革僵硬而脆。蛋白酶不能分解天然膠原，而只能分解間質蛋白，因而可用於製革工藝，國內生產的中性和鹼性蛋白酶製劑均可用於酶法脫毛。

3.3製造明膠和可溶性膠原纖維

工業上用石灰水浸去皮、骨等原料中的油脂與雜蛋白等，此工藝耗時長達數月，勞動強度大，出膠率低而且能耗大，用蛋白酶凈化膠原，明膠純度高，質量好，相對分子質量均勻，分子排列整齊，生產周期短，明膠收率高，幾乎達100%。

3.4預處理羊毛低溫染色

羊毛用高溫染色，會使毛的強度受到損害，且易造成纖維氈化收縮和毛體豎起，用蛋白酶處理后的羊毛，在沸點下染色，2min的上色率可達100%，成品色澤鮮艷，手感豐滿，廢水中燃料含量大大降低。

3.5絲綢脫膠

生絲織物必須脫膠，絲膠是一種蛋白質，我國曆來用鹼皂法高溫煉絲進行脫膠，缺點很多，鹼質侵襲絲素，易引起發毛影響光澤，用蛋白酶脫膠后，成品手感潤滑柔軟，光澤鮮艷，而且脫膠時間短，操作溫度低，勞動生產率提高。

蛋白酶的基本性質

蛋白酶種類繁多，形制上差別較大，但同一類的蛋白酶之間，亦有其共同之處。蛋白酶的基本性質如下：

（1）從蛋白酶活性中心的基團來看，絲氨酸蛋白酶的活性中心均含有絲氨酸；巰基蛋白酶活性中心含有半胱氨酸；羧基蛋白酶活性中心含有酸性氨基酸，即谷氨酸或天冬氨酸；金屬蛋白酶的活性中心則含有二價金屬離子，如鋅離子、錳離子、鈷離子、鐵離子、銅離子等。

（2）許多黴菌蛋白酶和動物胃蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等是酸性蛋白酶，其作用最適pH值為2.0～4.5，等電點為pH3～5，在pH2～5的範圍內較穩定，最適作用溫度37～60℃，相對質量一般為30000～35000。

(3)許多芽胞桿菌蛋白酶和植物蛋白酶是中性蛋白酶，其最適pH值為6.0～8.0，等電點8～9，在pH6～7穩定，相對分子質量30000～40000，反應時間在10～30min，最適溫度40～50℃，對熱穩定性差。大多說中性蛋白酶屬於金屬蛋白酶。

(4)鹼性蛋白酶幾乎都有微生物產生，其最適pH為9.0～10.5，等電點pH8～9，相對分子質量較小，為20000～35000，對熱穩定性較差。

蛋白酶的活力測定

蛋白酶的種類繁多，不同的蛋白酶的性質和催化反應條件各不相同，無法規定一個統一的測定方法，目前使用最多的有福林—酚法、紫外分光光度法、甲醛滴定法、DHT-酪蛋白法。

5.1福林酚法

蛋白酶催化蛋白質水解成氨基酸，其中含酚基的氨基酸（色氨酸、酪氨酸）與福林試劑反應，生成藍色複合物，藍色深淺與含酚基氨基酸的多少成正比，以此來測定酶的活力。

5.2甲醛滴定法

蛋白酶催化蛋白質水解成氨基酸，再用甲醛固定氨基酸的氨基，用0.1mol/LNaOH溶液滴定生成的氨基酸，從而測定其酶活。

5.3DHT-酪蛋白法

用5-氨基四唑重氮鹽將酪氨酸中部分組氨酸和酪氨酸重氮化，得到黃色的重氮5-氨基四唑酪蛋白（DHT-酪蛋白）。以DHT-酪蛋白為底物，在蛋白酶作用下，水解生成DHT-肽，二價離子可與DHT-蛋白與DHT-肽形成穩定的可溶性紅色螯合物，而鋅離子可迅速沉澱DHT-酪蛋白，但不沉澱DHT-肽。選用合適濃度的鋅離子和鎳離子作為沉澱劑和顯色劑，利用比色法可測定蛋白酶活力。

彈性蛋白酶及其在食品工業中的應用

彈性蛋白酶（Elastase）是一種以水解不溶性彈性硬蛋白（elastin）為特徵的蛋白水解酶，它可由動物胰臟提取或由微生物發酵製得。彈性硬蛋白是一種由丙氨酸、亮氨酸、異亮氨酸等非極性氨基酸殘基交聯而成的網狀結構，它可以耐受酸鹼處理，並能抵抗一般蛋白酶的消化。我國該產品的生產是由豬胰臟提取，由於臟器資源利用受限制，胰彈性蛋白酶一向供不應求。在國外，藥用彈性蛋白酶既有通過動物胰臟提取，也有發酵生產，它們的作用效果相似。

微生物彈性蛋白酶與豬胰臟彈性蛋白酶一樣，具有廣泛的水解活性，不但能降解彈性硬蛋白，而且對明膠、血纖維蛋白、血紅蛋白、白蛋白等多種蛋白質都有降解作用，是一種廣譜的肽鏈內切酶。國外早已經開始了微生物產彈性蛋白酶的研究和生產，出現了商品化的彈性蛋白酶，取得了巨大的經濟效益和社會效益。利用微生物生產彈性蛋白酶不僅能夠提供足夠的治療用藥物酶，也能為開拓該酶的其他方面的應用提供充足的酶源，如降解環境中的豬、牛加工后的難降解廢物，肉的嫩化等。

由於彈性蛋白酶水解特性較廣，脂肪族非極性氨基酸為羧端的肽鍵都能被分解，並且它具有脂酶及脂蛋白水解酶的活性，能降解包括抗一般蛋白水解酶作用的彈性硬蛋白在內的大多數蛋白質，因而彈性蛋白酶在食品工業中有著廣泛的應用前景。有的微生物產生的彈性蛋白酶水解專一性很廣，許多動植物蛋白都能為之降解，特別是一些難以處理、食用的韌帶、大動脈管、筋腱等蛋白廢料，在農副產品的深加工、高蛋白食品的製作等方面得到廣泛應用。同時彈性蛋白酶能專一降解結締組織中堅韌的彈性纖維組分，當其他蛋白與彈性蛋白共存時，酶優先對彈性蛋白水解，因此可以作為理想的肉類嫩化劑用於食品加工業和日常生活中。關國雄等研究了彈性蛋白酶和木瓜蛋白酶對不同蛋白質水解能力的差別，研究發現木瓜蛋白酶對彈性蛋白無水解能力；在彈性蛋白和其他食用蛋白質共存時，彈性蛋白酶優先水解彈性蛋白；對食用蛋白質的水解，彈性蛋白酶比木瓜蛋白酶強一倍。由此，可以認為彈性蛋白酶可通過選擇性水解肉類中堅韌的彈性纖維部分來真正起到肉類嫩化而又不會改變口味和風味的作用，而不是單純對食用蛋白加以非選擇性部分消化。

彈性蛋白酶經濟價值高，目前國內僅從豬胰臟中提取，由於酶源受到限制，作為治療用生化藥物和其他方面的應用長期供不應求。因而利用微生物生產彈性蛋白酶就顯得尤為必要。雖然國外早已開始微生物生產彈性蛋白酶的研究，也取得了很大進展，如酶源範圍擴大，酶活性從幾十單位提高到1000U/ml，對幾種微生物產生的彈性蛋白酶基因結構以及酶的分泌進行了初步研究，但是在應用微生物生產彈性蛋白酶中仍存在許多問題，如多數微生物生產的彈性蛋白酶活力不高，有的微生物產生的彈性蛋白酶存在著毒性等安全問題，同時對微生物彈性蛋白酶的加工、分泌和調控機制仍未明了。這些都給微生物生產彈性蛋白酶帶來了障礙，延緩了對其的開發研究進程。

但是利用微生物開發彈性蛋白酶有著不可估量的前景。有人計算，從1Kg豬胰臟中提取4．0～4．8g彈性蛋白酶粉，總活力平均為2×105.3U/Kg胰臟，而利用微生物發酵生產彈性蛋白酶牞以一個20m3發酵罐每天生產12m3發酵液計算，則發酵液中總酶活力為1．2×109U，相當於6000Kg胰臟中所含的彈性蛋白酶量。可見，由微生物發酵生產彈性蛋白酶成本低，產量大，設備利用率高，不受原料來源限制。目前，由微生物發酵生產彈性蛋白酶的關鍵是篩選彈性蛋白酶的高產菌株，同時利用誘變培育出產更高酶活性的菌株。此外，要從微生物產彈性蛋白酶的機理進行深入研究，搞清彈性蛋白酶的合成、加工、分泌和調控機制，達到人為控制彈性蛋白酶的生產；或將調控彈性蛋白酶合成的結構基因轉入到大腸桿菌中，進行有目的性地設計彈性蛋白酶，減少彈性蛋白酶的毒性或提高酶活力；縮短彈性蛋白酶進行藥理、毒理及藥效試驗的時間，擴大彈性蛋白酶在醫藥、食品工業和日用化工等方面的應用。

生物酶脫墨劑採用現代生物科技，優選針對性強的多種高效生物酶復配而成，與酶激活專用助劑配合使用，適用於混合辦公廢紙、報紙雜誌等的脫墨，並能明顯改善造紙過程中的膠粘物沉積現象。

脫墨機理

各種專用生物酶分工協作，作用於纖維表面的細小纖維、油墨、膠粘物中的聯結劑及油墨、膠粘顆粒，使纖維與油墨、膠粘物之間結合力變弱；直接分解油墨、膠粘物，使其顆粒更細小，並加強其親水性；在機械力及專用助劑作用下使油墨、膠粘物與纖維充分分離，並保持良好的分散性，有效地防止油墨及膠粘物的附聚及對纖維的二次污染；從而在後續工段中將其除去。

生物脫墨劑特點

直接降低脫墨成本，綜合成本優勢明顯；

生物酶脫墨條件溫和，化學品用量少，纖維損失小，保持良好的纖維特性；

大幅度降低污水COD和BOD，有利於環保，減輕污水處理壓力；

有效處理膠粘物問題，提高紙機效率；

明顯提高紙漿得率及提高紙張強度；

清潔生產，節省能源，降低物耗；

使用簡單，適應現有大多數脫墨工藝。

工藝參數

碎漿用水pH值：7.5～9.0碎漿濃度：10～18%生物酶脫墨劑用量：0.01～0.03%（按廢紙量計）

專用助劑：0.05～0.2%（按廢紙量計）碎漿時間：15～25分鐘

用水溫度：35～55℃

在循環水系統漏入大量油品時以及裝置在檢修后的開工階段，常規水處理工藝是採用殺菌剝離、酸洗浴摸膜、排污置換處理。而採用生物酶水處理技術可在不置換、不排污的條件下，對設備及管網進行除油、凈化、清洗和保護處理，在滿足系統的緩蝕、阻垢要求的條件下，運行費用約為常規處理方法的3%，並且可節省大量的清洗、置換用水。