摘要：酶的固定化是最具發展前景的前沿生物技術之一.固定化酶在生物、醫藥、農業、食品、化工、能源開發、環境保護等方面得到了廣泛應用.簡述了酶(過氧化氫酶、過氧化物酶、溶菌酶、漆酶、脂肪酶、纖維素酶、蛋白酶)固定化特性及制備技術(吸附法、交聯法、包埋法、共價結合法等)和常見固定化酶在漂染廢水處理、纖維改性、產業用及功能紡織品開發等方面的的應用狀況,并展望了固定化酶的應用前景.
關鍵詞：固定化;酶;紡織;染整;應用
1·酶固定化目的及意義
酶作為一種重要的生物催化劑,具有選擇性強、催化效率高、反應條件溫和、底物專一、產物大多數無毒性及無污染等特點,符合綠色化學的要求.但酶在應用中存在穩定性差、不能回收重復利用等問題,因此,在20世紀60年代發展了酶固定化技術.它通過化學或物理手段,用載體將酶束縛或限制在一定區域內,使其進行特有和活躍的催化作用.固定化酶具有貯存穩定性高、易于控制、工藝簡便等優點,在化學、生物工程、醫學等領域得到了迅速發展.[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載體材料性質共同決定的,它們之間的交感作用使固定化酶具有獨特的物理化學和動力學性質.傳統的酶固定化方法,根據酶的性質及用途可分為吸附法、交聯法、包埋法、共價結合法等.吸附法是最早出現的酶固定化方法,它是利用離子鍵、物理吸附等原理,將酶固定在纖維素、瓊脂糖等多糖類或多孔玻璃、離子交換樹脂等載體上.交聯法是利用雙功能或多功能交聯試劑,在酶分子和交聯試劑之間形成共價鍵,得到三向的交聯網架結構.根據使用條件和添加材料的不同,能夠產生不同物理性質的固定化酶,常用的交聯試劑有戊二醛、偶氮聯苯胺-2,2′-二磺酸、1,5-二氟-2,4-二硝基苯、己二酰亞胺酸二甲酯等.包埋法是載體與酶溶液混合后,借助引發劑進行聚合反應,再通過物理作用將酶限定在載體的網格中,實現酶的固定化,它主要分為凝膠包埋法和微膠囊包埋法.共價結合法是通過酶蛋白分子上的官能團與固相支持物表面上的反應基團之間形成化學共價鍵來固定酶,該法是目前研究最為活躍的一類酶固定化方法.酶固定的常用載體有天然高分子(纖維素、瓊脂糖、淀粉、葡萄糖凝膠、膠原及衍生物等)、合成高聚物(尼龍、多聚氨基酸、乙烯-順丁烯二酸酐共聚物等)和無機支持物(多孔玻璃、金屬氧化物等).另外,通過輻射、光、等離子體等高新技術均可制備高活性固定化酶.[2-3]總之,酶固定化不管是通過物理作用,還是化學鍵結合,都必須選用合適的材料作為固定化載體.載體材料的性能直接影響固定化酶的催化活性.因此,酶的固定化載體材料必須具備良好的機械強度、熱穩定性、化學穩定性、耐生物降解性、對酶的高度親和性、較高的酶活等.[4]但任何一種固定化方法或固定化載體都不可能適用于所有酶,要想獲得較好的固定化效果,必須根據具體的酶種和催化反應類型,選擇合適的固定化方法和載體.
3·固定化酶在紡織印染加工中的應用
酶催化具有安全高效、環保節能的特點,生物酶可以替代傳統化學品完成生態型染整加工.另外,紡織纖維載體[如棉、蠶絲、大豆纖維、尼龍、絲素(膠)等]能以多種形態滿足不同需求,易于分離回收,無毒、穩定、易得、價廉,更利于固定化酶的工業化生產;而以纖維材料為載體的固定化酶,不僅能開發生物活性材料,處理印染廢水,而且還以可賦予紡織品抗菌防污等特殊功能.[5]
3.1過氧化氫酶
過氧化氫酶(Catalase,簡稱CAT)是一種存在于所有好氧微生物和動、植物細胞內的氧化還原酶,能夠催化H2O2分解為H2O和O2.過氧化氫酶在紡織印染行業中主要應用于雙氧水漂白后的生物除氧和氧漂廢水處理.[6]為了提高CAT在印染生產中的穩定性,國內外對過氧化氫酶的固定化及其應用進行了研究.陳軍[7-9]等以殼聚糖、棉織物和尼龍6等為載體,制備固定化過氧化氫酶,不僅使酶的酸堿、熱穩定性和貯藏穩定性提高,對外界不良環境有較強的抵抗能力,而且對空氣中的有害物質及自由基具有吸附和清除作用;Costa等[10-11]利用無機材質氧化鋁(礬土)經戊二醛交聯固定過氧化氫酶,用于處理氧漂廢水,并回收用于染色加工.
3.2過氧化物酶
過氧化物酶(Peroxidase)屬氧化還原酶,廣泛存在于動、植物及微生物中,是以過氧化氫或烷基過氧化物作為電子受體來催化氧化一系列底物的.[12]在紡織印染方面主要應用于合成染料的脫色和印染廢水的處理等.近年來,國內外研究最多的為辣根過氧化物酶和木素過氧化物酶的固定化.管文軍、蘆國營等[13-14]將過氧化物酶固定于尼龍66膜、聚丙烯酰胺和殼聚糖上,制備出具有更好使用特性的固定化酶.其中,固定化木素過氧化物酶對酸性大紅BS的脫色率在60%以上,而且共同固定的木素過氧化物酶和葡萄糖氧化酶對染料的脫色速率更高,第1 min內脫色率達90%左右.
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