漆酶在染整加工中的應(yīng)用

李建康，王文利，桂正濤，朱俊志

[1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215123；2.現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室（蘇州），江蘇 蘇州215123]

漆酶是一種含銅多酚氧化酶，一般以二聚體或四聚體的形式存在，最早是由日本學(xué)者在紫膠漆樹的漆液中發(fā)現(xiàn)。漆酶可以降解的物質(zhì)包括酚類、芳胺類、羧酸類和甾體類等物質(zhì)。漆酶催化底物優(yōu)良的特性使得其在食品工業(yè)、紡織工業(yè)、造紙工業(yè)、生物監(jiān)測和環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。然而漆酶在應(yīng)用過程中仍然存在活性保存較差、熱穩(wěn)定性不好、在高溫、高壓和極端酸堿等條件下容易失去活性等問題。因此，迫切需要通過新技術(shù)來提高漆酶活性和穩(wěn)定性。

近年來，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對提高漆酶活性和穩(wěn)定性方面也有了不少的創(chuàng)新技術(shù)研究成果，以期改善漆酶特性。如下作一闡述。

1 漆酶在染整加工中的應(yīng)用

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，生物酶成為人們研究的熱點(diǎn)，在各行業(yè)的應(yīng)用也越來越頻繁，其中就包括染整加工行業(yè)。近年來，漆酶在染整加工中的應(yīng)用主要包括紡織纖維改性、紡織品漂白、染色、后處理以及印染廢水脫色。

1.1 漆酶在紡織品染色中的應(yīng)用

漆酶引發(fā)酚類物質(zhì)發(fā)生聚合反應(yīng)生成有色聚合物對織物染色，是一種常用的生態(tài)染整技術(shù)，常見的酚類物質(zhì)包括沒食子酸、對苯二酚、鄰苯二酚和茶多酚。這些有色聚合物上染織物后，能夠帶給織物更好的染色深度、染色牢度和抗菌等性能[1-3]。漆酶催化酚類物質(zhì)發(fā)生聚合反應(yīng)后生成有色聚合物，對織物染色既具有對環(huán)境友好、環(huán)保的特點(diǎn)，又具有染色條件溫和的優(yōu)點(diǎn)。在綠色生態(tài)染整中擁有一定的優(yōu)勢，已經(jīng)成為紡織品生物染色的研究熱點(diǎn)。

1.2 漆酶在紡織纖維改性中的應(yīng)用

為了提高纖維的染色性和吸濕性，一般采用等離子處理、堿處理、表面接枝和光化學(xué)處理等物理或化學(xué)改性方法。近年來，生物酶法被廣泛應(yīng)用于羊毛、棉花和大麻等天然纖維的改性，并取得了良好的效果。例如，利用蛋白酶對羊毛進(jìn)行改性以改善其氈縮性能，以及用纖維素酶處理纖維素纖維，以提高其潤濕性和染色性等。但是利用這些酶進(jìn)行改性后，很容易對纖維造成過度的損傷。與其他蛋白酶相比，漆酶則沒有這方面缺點(diǎn)，并且還可以提高纖維各方面的性能。

眭瑜瑾等人研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過漆酶處理后，羊絨纖維內(nèi)部形成了穩(wěn)定的化學(xué)鍵，同時(shí)具有優(yōu)異的抗紫外性能和良好的色牢度。Kim 等人首次使用聚二烯丙基二甲基氯化銨對棉織物表面進(jìn)行處理，然后以咖啡酸和桑色素為底物，經(jīng)漆酶催化形成聚合物的反應(yīng)體系處理一段時(shí)間后，所得棉織物具有良好的耐摩擦、耐洗滌、抗紫外以及抗氧化性能。Brodowsky 利用真菌漆酶將偶聯(lián)劑多巴胺與亞麻纖維表面共價(jià)結(jié)合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)亞麻纖維拉伸強(qiáng)度沒有降低。并且由于漆酶介導(dǎo)的偶聯(lián)劑多巴胺的鍵合，亞麻纖維界面剪切強(qiáng)度提高了30%。

1.3 漆酶在漂白中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的棉織物前處理過程中，次氯酸鈉、亞氯酸鈉和過氧化氫由于具有一定的氧化能力，通常用于織物漂白，獲得一定的白度指數(shù)，但在高溫條件下，纖維容易被氧化和破壞，并且從面料中去除多余過氧化氫需要使用大量的水。為了減少織物損傷，節(jié)約用水，近年來許多學(xué)者對漆酶漂白進(jìn)行了研究和開發(fā)。

Panwar 等人利用從農(nóng)業(yè)短桿菌中分離的極端嗜熱漆酶（LacT）對牛仔布漂白，發(fā)現(xiàn)牛仔布亮度顯著增加。并且相對于未經(jīng)過LacT 處理的牛仔布，漂白效率明顯提高。Unuofin 對木糖氧化無色桿菌和弗氏檸檬酸桿菌通過微生物發(fā)酵產(chǎn)生的耐高溫耐漆酶進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)游離漆酶與氧化介質(zhì)（2,2’-疊氮基雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）協(xié)同作用時(shí)，可以極大地提高牛仔布的漂白效果。

1.4 漆酶在后處理中的應(yīng)用

在堿液和溫度壓力的條件下，一些未固著的染料和水解染料（浮色）又會與纖維結(jié)合，容易發(fā)生滲色和再沾污，從而導(dǎo)致織物的色牢度降低。為了防止色牢度的降低，就有必要對染色后的織物進(jìn)行皂洗處理。然而，傳統(tǒng)的皂洗工藝是用一些化學(xué)洗滌劑在高溫下進(jìn)行的，后整理后，棉織物上未結(jié)合的染料或水解染料，會直接排放到印染廢水中，以及皂洗劑中過量的化學(xué)洗滌，都增加了廢水處理的負(fù)擔(dān)。Mao 使用漆酶/脂肽沖洗技術(shù)對活性染料染色后的棉織物進(jìn)行洗滌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)皂洗以及酸性皂洗方法進(jìn)行比較，漂洗樣品的K/S 值和色牢度更好。由于脂肽是一種生物表面活性劑，漆酶也具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)，所以漆酶/脂肽沖洗技術(shù)也是一種良好的紡織品生物洗滌的方法。

1.5 漆酶在印染廢水脫色中的應(yīng)用

印染廢水是指天然纖維和化纖紡織品如棉、毛和化纖等在煮練、漂白、染色、印花和后整理過程中產(chǎn)生的廢水。為了減少污水的排放，可以在染色后處理過程中進(jìn)行自清洗，對排放的染色廢水進(jìn)行處理。因此，開發(fā)有效的印染廢水處理技術(shù)已成為當(dāng)今環(huán)保行業(yè)的一項(xiàng)重要任務(wù)。

李燕發(fā)現(xiàn)在小分子介體1-羥基苯并三唑（HOBT）的協(xié)助下，漆酶對偶氮類、三苯甲烷類、蒽醌類和靛藍(lán)類等9 種染料脫色率均能達(dá)到95.00%以上。華煜選用米曲霉漆酶使偶氮染料酸性橙脫色，結(jié)果表明漆酶在最佳條件下，能使酸性橙的脫色率達(dá)88.32%。

2 提高漆酶活性和穩(wěn)定性的方法

目前提高漆酶活性和穩(wěn)定性的方法主要有蛋白質(zhì)工程、固定化酶技術(shù)、酶的化學(xué)改性和非共價(jià)改性，各種方法提升漆酶活性和穩(wěn)定性的原理也各不相同。

2.1 蛋白質(zhì)工程

蛋白質(zhì)工程是指通過基因的定點(diǎn)突變和表達(dá)對蛋白質(zhì)進(jìn)行修飾，以獲得性能更好的蛋白質(zhì)。Liu 等人為了提高漆酶在離子液體中的活性和抗性，將來自白腐菌的4 種漆酶基因轉(zhuǎn)化到大腸桿菌中，然后進(jìn)行培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新漆酶的活性比原來提高約4.5 倍。Sun等人克隆了來自瓦氏芽孢桿菌的漆酶基因，并在大腸桿菌細(xì)胞中異源表達(dá)，之后在發(fā)酵過程中自動誘導(dǎo)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)漆酶產(chǎn)量及其pH 穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性有極大提升。王佳懿通過用來自枯草芽孢桿菌（LacA）的穩(wěn)定漆酶進(jìn)行結(jié)構(gòu)域取代，基于LacA 設(shè)計(jì)了嵌合酶（Lac3A/S）。發(fā)現(xiàn)雜漆酶也可以分泌到高表達(dá)水平的培養(yǎng)基中，并且具有比LacA 更高的熱穩(wěn)定性和堿性穩(wěn)定性。

2.2 固定化酶技術(shù)

固定化酶技術(shù)是利用物理或化學(xué)手段將游離酶固定在固體材料上，限制酶在一定區(qū)域內(nèi)發(fā)生催化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)酶的重復(fù)使用的技術(shù)。Wen 等人采用膨潤土衍生的介孔材料固定化漆酶，獲得熱穩(wěn)定性高的漆酶。Wu 等人利用氨基功能化的磁性金屬有機(jī)骨架固定漆酶，發(fā)現(xiàn)固定化漆酶對低pH 和高溫條件具有良好穩(wěn)定性。固定的漆酶在儲存28d 后仍保留其初始活性的89.0%。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到85℃時(shí)，固定的漆酶即使在6h 后仍顯示出49.1%的殘留活性。Shao 等人研究合成并修飾了空心介孔碳球（HMCs）來固定漆酶（Lac），發(fā)現(xiàn)固定化的漆酶具有良好的熱穩(wěn)定性、pH 穩(wěn)定性、儲存穩(wěn)定性和可重復(fù)使用性，并且在氧化還原介質(zhì)存在下，固定化的漆酶對鹽酸四環(huán)素（TCH）和鹽酸環(huán)丙沙星（CPH）均具有很高的去除效率。

2.3 化學(xué)修飾

化學(xué)修飾是指利用化學(xué)基團(tuán)的引入或去除使酶的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變其催化特性。Chen 通過化學(xué)試劑二氧化硫脲（TDO）和L-苯丙氨酸甲酯鹽酸鹽（L-PME）對漆酶氨基酸殘基進(jìn)行化學(xué)修飾，發(fā)現(xiàn)漆酶的活性分別增加了209%和50%；Zhu 用酸酐對漆酶進(jìn)行了化學(xué)修飾，并將銅離子與改性漆酶進(jìn)行雜原子配位，得到了納米花生物催化劑，經(jīng)過酸酐化學(xué)修飾后的漆酶活性，pH 穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性分別提高了165%、375%和430%；Forde 選用來自兩種不同來源生物的漆酶，通過兩種雙功能試劑乙二醇-N-羥基琥珀酰亞胺（EGNHS）和戊二醛在溶液中對其進(jìn)行化學(xué)修飾，然后將兩種酶以未經(jīng)處理和化學(xué)修飾的形式固定在3 種不同類型的中孔硅酸鹽（MPS）顆粒（MCM、CNS和SBA-15）上。結(jié)果發(fā)現(xiàn)用EGNHS 處理嗜熱毀絲霉漆酶的熱穩(wěn)定性增加8.7 倍，而戊二醛處理熱穩(wěn)定性增加5.7 倍。用戊二醛和EGNHS 對漆酶進(jìn)行化學(xué)修飾僅使其穩(wěn)定性提高了2.0 倍，而固定在SBA-15 和MCM 上的穩(wěn)定性提高了4.0 倍以上。

2.4 非共價(jià)修飾

非共價(jià)修飾主要分為反膠束和添加劑兩種，在反膠束里表面活性劑在有機(jī)溶劑中易形成親水頭向內(nèi)和疏水尾向外的多分子聚集體。添加劑是非共價(jià)修飾中使用最廣泛的一種。這類物質(zhì)可以分為3 類：專一性的底物和配體；鹽和多羥基化合物；螯合劑和還原劑。Azimi 研究了表面活性劑對漆酶的非共價(jià)修飾，利用3 種不同的表面活性劑，即二-2-乙基己基磺基琥珀酸鈉（AOT）、Triton X-100（TX-100）和十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）對漆酶進(jìn)行化學(xué)修飾，研究證實(shí)在TX-100 的存在下，AOT 增強(qiáng)了漆酶的活性和穩(wěn)定性；何小勇研究了非共價(jià)修飾中的多羥基化合物對漆酶活性和穩(wěn)定性的影響，考察了山梨醇、葡萄糖、甘露醇、甘油和肌醇這5 種常見的多羥基化合物對漆酶活性和穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)多羥基化合物通過改變漆酶在溶液中的構(gòu)象以及與漆酶形成氫鍵，有效地阻止了因溫度升高而導(dǎo)致的漆酶二級結(jié)構(gòu)的變化，有助于維持其肽鏈的緊密結(jié)構(gòu)，從而能夠提高漆酶在各個溫度下的酶活和熱穩(wěn)定性。

3 基于穩(wěn)定性提升漆酶在紡織行業(yè)上的應(yīng)用

Keshava 利用γ 射線輻射真菌漆酶，漆酶活性提高了接近一倍，pH 和溫度穩(wěn)定性得到明顯改善。另外，對高濃度的金屬離子（Zn2+、Cu2+、Cr2+和Ca2+）表現(xiàn)出明顯的穩(wěn)定性。經(jīng)γ 射線輻射過的漆酶處理紡織品廢水，發(fā)現(xiàn)在2.5 h 內(nèi)有99%的色水脫色，COD 降低了67%，BOD 降低了47%；Bento 使用不同的表面活性劑來對漆酶進(jìn)行非共價(jià)修飾，發(fā)現(xiàn)癸基三甲基溴化銨可以使漆酶活性顯著增加。在此基礎(chǔ)上，使用修飾漆酶降解靛藍(lán)染料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，靛藍(lán)在甲基溴化銨水溶液中的降解率在0.5 h 時(shí)達(dá)到82%，而未經(jīng)表面活性劑-離子液體改性的漆酶僅降解6%。

4 結(jié)語

從各相關(guān)文獻(xiàn)可知，蛋白質(zhì)工程、固定化、化學(xué)修飾和非共價(jià)修飾等方法都可以提升漆酶的穩(wěn)定性。然而，提升穩(wěn)定性后的漆酶主要應(yīng)用在染料脫色方面，在染色等其他染整加工方面的應(yīng)用還很少。希望往后能夠深入研究這些漆酶在染色方面的應(yīng)用，擴(kuò)大漆酶在印染行業(yè)的應(yīng)用范圍。