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生物酶

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中文名: 生物酶 外文名: bio-enzyme 定 义: 活细胞产生具有催化作用的有机物 包 含: 大部分为蛋白质，极少部分为RNA 生产时间: 20世纪80年代 种 类: 果胶酶、脂肪酶等 应 用: 石油、食品、造纸行业、空气治理 作用场所: 细胞内、外或生物体外均可 机 理: 显著降低化学反应活化能

生物酶是由活细胞产生的具有催化作用的有机物，大部分为蛋白质，也有极少部分为RNA。其制造和应用领域逐渐扩大，在纺织工业中的应用也日臻成熟，由过去主要用于棉织物的退浆和蚕丝的脱胶，至现在在纺织染整的各领域的广泛应用，体现了生物酶在染整工业中的优越性。酶在人体皮肤护理领域也于2016年获得了重要突破，已进入临床应用阶段。

基本信息

生物酶是一种无毒、对环境友好的生物催化剂，其化学本质为蛋白质。酶的生产和应用，在国内外已具有80多年历史，进入20世纪80年代，生物工程作为一门新兴高新术在我国得到了迅速发展，酶的制造和应用领域逐渐扩大，酶在纺织工业中的应用也日臻成熟，由过去主要用于棉织物的退浆和蚕丝的脱胶，至现在在纺织染整的各领域的广泛应用，体现了生物酶在染整工业中的优越性。现在酶处理工艺已被公认为是一种符合环保要求的绿色生产工艺，它不仅使纺织品的服用性能得到改善和提高，又因无毒无害，用量少，可生物降解废水，无污染而有利于生态环保的保护。生物酶广泛应用于纺织、石油、造纸、食品加工，污染治理等领域，同时，生物酶也应用于治理室内装修污染领域，通过催化、吞噬、分解等方式，来消除室内装修产生异味、甲醛等污染。

结构特性

生物酶是具有催化功能的蛋白质。像其他蛋白质一样，酶分子由氨基酸长链组成。其中一部分链成螺旋状，一部分成折叠的薄片结构，而这两部分由不折叠的氨基酸链连接起来，而使整个酶分子成为特定的三维结构。生物酶是从生物体中产生的，它具有特殊的催化功能，其特性如下：　高效性：用酶作催化剂，酶的催化效率是一般无机催化剂的10^7~10^13倍。

专一性：一种酶只能催化一类物质的化学反应，即酶是仅能促进特定化合物、特定化学键、特定化学变化的催化剂。

低反应条件：酶催化反应不像一般催化剂需要高温、高压、强酸、强碱等剧烈条件，而可在较温和的常温、常压下进行，另外，一些特殊的酶在特定条件下催化效率达最大值，如胃蛋白酶在胃液酸性条件下发生作用。

易变性失活：在受到紫外线、热、射线、表面活性剂、金属盐、强酸、强碱及其它化学试剂如氧化剂、还原剂等因素影响时，酶蛋白的二级、三级结构有所改变。所以在大生产时，如有条件酶还可以回收利用。

可降低生化反应的反应活化能：酶作为一种催化剂，能提高化学反应的速率，主要原因是降低了反应的活化能，使反应更易进行。而且酶在反应前后理论上是不被消耗的，所以还可回收利用。

作用机理

酶蛋白与其它蛋白质的不同之处在于酶都具有活性中心。酶可分为四级结构：一级结构是氨基酸的排列顺序；二级结构是肽链的平面空间构象；三级结构是肽链的立体空间构象；四级结构是肽链以非共价键相互结合成为完整的蛋白质分子。真正起决定作用的是酶的一级结构，它的改变将改变酶的性质(失活或变性)。酶的作用机理比较被认同的是Koshland的“诱导契合”学说，其主要内容是：当底物结合到酶的活性部位时，酶的构象有一个改变。催化基团的正确定向对于催化作用是必要的。底物诱导酶蛋白构象的变化，导致催化基团的正确定位与底物结合到酶的活性部位上去，重金属离子会与活性部位结合使酶失活。

分类

作为大的分类，酶类分为“分解系酶”和“合成系酶”。比如说，将蛋白质分解成能被吸吸收(那样)大小的氨基酸，通过分解系的酶和吸收后的氨基酸来合成自身身体所必需的蛋白质，这些都是根据酶来进行的。但是，为了区分生体内和生体外被使用的酶，称在生体组织内被使用的酶为“代谢酶”，称在肠胃内等生体组织外被使用的酶为“消化酶”，也可以说是为了方便起见。在生物化学上，分为氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶和合成酶等六大类。

溶菌酶

溶菌酶可作为一种具有杀菌作用的天然抗感染物质，有抗菌、消肿及加快组织恢复功能等作用。常用于人体肌肤护理。

果胶酶

果胶酶主要是由果胶裂解酶、聚半乳糖醛酸酶、果胶酸盐裂解酶和果胶酯酶组成。果胶物质是高度酯化的聚半乳糖醛酸。果胶酶作用于果胶物质时，果胶裂解酶、聚半乳糖醛酸酶、果胶酸盐裂解酶直接作用于果胶聚合物分子链内部的配糖键上，而果胶酯酶则使聚半糖醛酸酯水解，为聚半乳糖醛酸酶和果胶酸盐裂解酶创造更多的位置。

脂肪酶

脂肪酶能将脂肪水解成甘油和脂肪酸，脂肪酸进一步进行B一氧化，每次脱下一个C2物，生成乙酰COA(N—环己基辛基胺)，进入TCA(三羧酸)环彻底氧化或进入乙醛酸环合成糖类。

脂肪酶（EC3.2.2.3，甘油酯水解酶）是分解天然油脂的酶，其在纺织加工中主要用于绢纺原料脱脂处理；同时，只没在羊毛洗毛 中是较好的助洗剂，能去除羊毛附生杂质、脂蜡，使羊毛获得可纺性；对棉织物进行精炼处理，能有效的去除棉的脂蜡；对涤纶进行处理，可改善涤纶表面的亲水性。

蛋白酶

由微生物分泌的蛋白酶因菌种不同而异，例如枯草杆菌分泌明胶酶和酪蛋白酶，可以水解明胶和酪蛋白；费氏链酶菌分泌角蛋白酶，可以水解动物的毛、角、蹄的角蛋白。蛋白酶将蛋白质分解成肽，再经肽酶水解成氨基酸。

纤维素酶

纤维素酶是一个多组分酶体系，纺织工业中应用的纤维素酶大多数是由木酶属真菌制造的。纤维素酶中的纤维素二糖水解酶又称为外切纤维素酶，由CHB I和CHB II两种酶组成，而内切葡聚糖酶，又称为内切纤维素酶，至少由5种纤维素酶(EG I、EG II、EG HI 、EG IV、EG V)组成。此外，还有13一葡萄糖醛酶。这些纤维素酶在纤维素的水解中具有协同作用。

过氧化氢酶

过氧化氢酶是一种氧化还原酶，催化分解过氧化氢成为水和氧气，它主要用于漂白工艺后去除残余的双氧水，提高后继染色性能和质量，并且没有过量危险。过氧化氢酶也可用于纱线染色机、溢流喷射染色机、绞盘染色机和卷染机等的氧漂生物净化处理。

淀粉酶

淀粉酶是水解淀粉和糖原的酶类总称，通常通过淀粉酶催化水解织物上的淀粉浆料，由于淀粉酶的高效性及专一性，酶退浆的退浆率高，退浆快，污染少，产品比酸法、减法更柔软，且不损伤纤维。淀粉酶的种类很多，根据织物不同，设备组合不同，工艺流程也不同，所用的退浆方法有浸渍法、堆置法、卷染法、连续洗等，由于淀粉酶退浆机械作用小，水的用量少，可以在低温条件下达到退浆效果，具有鲜明的环保特色。

纺织领域应用

1、漆酶在纺织加工中的应用：漆酶是一种氧化还原酶，诺和信公司的Denilit II S就是通过基因改性的黑曲霉漆酶，可以进行牛 仔服装仿旧整理工艺，获得的织物手感厚实，表面光洁、平整、色泽明快、淡雅。

2、葡萄糖氧化酶在纺织加工的应用：葡萄糖氧化酶主要进行织物的漂白整理，这种酶处理对双氧水的产生非常有效，处理使不需 添加双氧水稳定剂，处理后织物手感柔软、丰满。

3、半纤维素酶、木质素酶在纺织加工中的应用：天然的纤维素纤维中均含有半纤维素和木质素，尤其是麻类纤维含量较高，不去 除半纤维素和木质素，极度影响纤维的可纺性能，通过半纤维素酶和木质素酶处理，可以大部分清除半纤维素和木质素，但半纤维素酶和木质素酶还没有在纺织工艺中单独使用，主要是和其他酶制剂（如果胶酶、纤维素酶等）配合进行纤维处理。

新型酶在纺织加工中的应用：化学合成纤维和浆料在纺织中的地位是明显的，这些高分子聚合物不能进行生物分解和降解，造成环境的污染，研究人员正在研究新的酶种，通过筛选具有某种功能的菌种，进行基因改性成为高性能酶剂或通过克隆、转基因或的基因工程菌，制出新酶种，或根据化学生物结构和酶学原理定向合成新型酶剂等。这些新型酶剂成为仿酶，较成功的酶包括PVA分解 酶、涤纶分解酶、分解锦纶寡聚物的基因工程菌、合成酶等。

石油领域应用

在石油钻井过程中，钻井液发挥着防止井壁渗漏和保护油气层的双重作用。但这两大作用有时却存在着尖锐的矛盾。当钻井遇到油气富集地层时，地层特点多不稳定，极易发生漏失、坍塌等复杂情况，此时钻井液的护壁防漏功能显得尤为重要。而普通钻井液要起到很好的护壁防漏作用，就必须提高其固相含量和粘度，但这样又会带来污染油气层的现象。如何才能既治理好井壁漏失坍塌的毛病、又有效保护好油气层，早已成为我国石油钻井领域的一大难题。

据胜利油田钻井工程技术公司首席科学家郭宝雨介绍，刚刚通过鉴定的新型钻井液体系能够在井壁上形成薄而坚韧的隔膜，这种隔膜的渗透性极低，在近井壁形成了一个渗透率几乎为零的护壁层，达到了维护井壁稳定的良好效果。

随着时间的推移，在需要打开油气层时，生物酶开始发挥它的生物降解作用，把原来坚韧致密的护壁薄膜一点一点破除，而这时，活性生物酶慢慢进入储层，在岩石表面油膜下生长繁殖，使原油从岩石表面剥离，从而被驱出；同时，它还能够降解原油，增强原油流动能力，从而在根本上实现提高原油采收率的目的。

据悉，这一体系在曲堤油田、淮北以及吉林等油田共34口井进行的现场试验表明，其原油采收率平均提高25%以上，地层渗透性恢复到90%以上，在解放油气层、保护油气层方面有着广阔的发展前景。

食品行业应用

蛋白酶的生产现状

蛋白酶是最重要的一种工业酶制剂，能催化蛋白质和多肽肽键水解。它广泛存在于动物内脏、植物茎叶、果实和微生物中。各种生物体都能合成它，但唯有微生物蛋白酶具有生产价值，蛋白酶也是研究的比较深入的一种酶，已做成结晶或得到高度纯化物的蛋白酶达100多种，其中不少酶的一级结构以及立体结构也已阐明。

蛋白酶的商品生产始于20世纪初，30年代微生物蛋白酶开始用在食品和制革工业。近 20 年来，微生物蛋白酶的研究蓬勃开展。20世纪50年代初，日本学者首先发现霉菌中存在几种类型的蛋白酶，特别是酸性蛋白酶，20世纪60年代初，荷兰开始生产添加碱性蛋白酶的洗涤剂。国际市场上商品蛋白酶80-100种以上。

蛋白酶的分类

按蛋白酶水解蛋白质的方式可分为以下几种。（1）切开蛋白质分子内部肽键，生成相对分子质量较小的多肽类，这类酶一般叫内 肽酶；（2）切开蛋白质或多肽分子氨基或羧基末端的肽键，而游离出氨基酸，这类酶叫外肽酶。作用于氨基末端的称为氨肽酶， 作用于羧基末端的称为羧肽酶；（3）水解蛋白质或多肽的脂键；（4）水解蛋白质或多肽的酰氨键。

按酶的来源可以分为动物蛋白酶、植物蛋白酶、微生物蛋白酶。

微生物蛋白酶又可分为细菌蛋白酶、霉菌蛋白酶、酵母蛋白酶和放线菌蛋白酶。

按蛋白酶作用的最适 pH 可以分为 pH2.5-5.0 的酸性蛋白酶、pH9.5-10.5 的碱性蛋白酶、pH7-8 的中性蛋白酶。为了方便起见，微生物蛋白酶常用这种分类方法；根据蛋白酶的活性中心和最适反应 pH 可以分为丝氨酸蛋白酶、巯基蛋白酶、金属蛋白酶和活性中心有两个羧基的酸性蛋白酶。

蛋白酶的用途

3.1 用于食品发酵工业

酱油的酿造就是利用米曲霉分泌的蛋白酶分解原料中的蛋白质，使其降解为胨、多肽、氨基酸，生成色、香、味于一体的产品。也有直接用蛋白酶制剂酿造酱油，但风味欠佳。啤酒酿造中，当麦芽糖用量减少辅料增加时，常需要补充蛋白酶，使蛋白质充分降解，霉菌和细菌蛋白酶适合这一用途。微生物酸性蛋白酶还是有效的啤酒澄清剂。鱼露是鲜鱼加 25%-30%食盐自然发酵 6-12 个月而成，若添加少许霉菌蛋白酶可缩短发酵时间，提高风味。

3.2 用于制革生产

制革的原料皮中纤维蛋白是皮革的有用成分，此外还有不少非纤维状的蛋白存在于纤维间隙和表皮中，这些蛋白含量虽少，若不去除，成品皮革僵硬而脆。蛋白酶不能分解天然胶原，而只能分解间质蛋白，因而可用于制革工艺，国内生产的中性和碱性蛋白酶制剂均可用于酶法脱毛。

3.3 制造明胶和可溶性胶原纤维

工业上用石灰水浸去皮、骨等原料中的油脂与杂蛋白等，此工艺耗时长达数月，劳动强度大，出胶率低而且能耗大，用蛋白酶净化胶原，明胶纯度高，质量好，相对分子质量均匀，分子排列整齐，生产周期短，明胶收率高，几乎达 100%。

3.4 预处理羊毛低温染色

羊毛用高温染色，会使毛的强度受到损害，且易造成纤维毡化收缩和毛体竖起，用蛋白酶处理后的羊毛，在沸点下染色，2min 的 上色率可达100%，成品色泽鲜艳，手感丰满，废水中燃料含量大大降低。

3.5 丝绸脱胶

生丝织物必须脱胶，丝胶是一种蛋白质，我国历来用碱皂法高温炼丝进行脱胶，缺点很多，碱质侵袭丝素，易引起发毛影响光泽，用蛋白酶脱胶后，成品手感润滑柔软，光泽鲜艳，而且脱胶时间短，操作温度低，劳动生产率提高。

蛋白酶的基本性质

蛋白酶种类繁多，形制上差别较大，但同一类的蛋白酶之间，亦有其共同之处。蛋白酶的基本性质如下：

（1）从蛋白酶活性中心的基团来看，丝氨酸蛋白酶的活性中心均含有丝氨酸；巯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；金属蛋白酶的活性中心则含有二价金属离子，如锌离子、锰离子、钴离子、铁离子、铜离子等。

（2）许多霉菌蛋白酶和动物胃蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等是酸性蛋白酶，其作用最适pH值为2.0～4.5，等电点为pH3～5，在pH2～5 的范围内较稳定，最适作用温度37～60℃，相对质量一般为30000～35000。

(3)许多芽胞杆菌蛋白酶和植物蛋白酶是中性蛋白酶，其最适pH值为6.0～8.0，等电点8～9，在pH6～7稳定，相对分子质量30000～40000，反应时间在10～30min，最适温度40～50℃，对热稳定性差。大多说中性蛋白酶属于金属蛋白酶。

(4)碱性蛋白酶几乎都有微生物产生，其最适pH为9.0～10.5，等电点pH 8～9，相对分子质量较小，为20000～35000，对热稳定性 较差。

蛋白酶的活力测定

蛋白酶的种类繁多，不同的蛋白酶的性质和催化反应条件各不相同，无法规定一个统一的测定方法，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

蛋白酶催化蛋白质水解成氨基酸，其中含酚基的氨基酸（色氨酸、酪氨酸）与福林试剂反应，生成蓝色复合物，蓝色深浅与含酚基氨基酸的多少成正比，以此来测定酶的活力。

5.2 甲醛滴定法

蛋白酶催化蛋白质水解成氨基酸，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，从而测定其酶活。

5.3 DHT-酪蛋白法

用5-氨基四唑重氮盐将酪氨酸中部分组氨酸和酪氨酸重氮化，得到黄色的重氮5-氨基四唑酪蛋白（DHT-酪蛋白）。以DHT-酪蛋白为底物，在蛋白酶作用下，水解生成DHT-肽，二价离子可与DHT-蛋白与DHT-肽形成稳定的可溶性红色螯合物，而锌离子可迅速沉淀DHT-酪蛋白，但不沉淀DHT-肽。选用合适浓度的锌离子和镍离子作为沉淀剂和显色剂，利用比色法可测定蛋白酶活力。

弹性蛋白酶及其在食品工业中的应用

弹性蛋白酶（Elastase）是一种以水解不溶性弹性硬蛋白（elastin）为特征的蛋白水解酶，它可由动物胰脏提取或由微生物发酵 制得。弹性硬蛋白是一种由丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等非极性氨基酸残基交联而成的网状结构，它可以耐受酸碱处理，并能抵抗一般蛋白酶的消化。我国该产品的生产是由猪胰脏提取，由于脏器资源利用受限制，胰弹性蛋白酶一向供不应求。在国外，药用弹性蛋白酶既有通过动物胰脏提取，也有发酵生产，它们的作用效果相似。

微生物弹性蛋白酶与猪胰脏弹性蛋白酶一样，具有广泛的水解活性，不但能降解弹性硬蛋白，而且对明胶、血纤维蛋白、血红蛋白、白蛋白等多种蛋白质都有降解作用，是一种广谱的肽链内切酶。国外早已经开始了微生物产弹性蛋白酶的研究和生产，出现了商品化的弹性蛋白酶，取得了巨大的经济效益和社会效益。利用微生物生产弹性蛋白酶不仅能够提供足够的治疗用药物酶，也能为开拓该酶的其他方面的应用提供充足的酶源，如降解环境中的猪、牛加工后的难降解废物，肉的嫩化等。

由于弹性蛋白酶水解特性较广，脂肪族非极性氨基酸为羧端的肽键都能被分解，并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弹性硬蛋白在内的大多数蛋白质，因而弹性蛋白酶在食品工业中有着广泛的应用前景。有的微生物产生的弹性蛋白酶水解专一性很广，许多动植物蛋白都能为之降解，特别是一些难以处理、食用的韧带、大动脉管、筋腱等蛋白废料，在农副产品的深加工、高蛋白食品的制作等方面得到广泛应用。同时弹性蛋白酶能专一降解结缔组织中坚韧的弹性纤维组分，当其他蛋白与弹性蛋白共存时，酶优先对弹性蛋白水解，因此可以作为理想的肉类嫩化剂用于食品加工业和日常生活中。关国雄等研究了弹性蛋白酶和木瓜蛋白酶对不同蛋白质水解能力的差别，研究发现木瓜蛋白酶对弹性蛋白无水解能力；在弹性蛋白和其他食用蛋白质共存时，弹性蛋白酶优先水解弹性蛋白；对食用蛋白质的水解，弹性蛋白酶比木瓜蛋白酶强一倍。由此，可以认为弹性蛋白酶可通过选择性水解肉类中坚韧的弹性纤维部分来真正起到肉类嫩化而又不会改变口味和风味的作用，而不是单纯对食用蛋白加以非选择性部分消化。

弹性蛋白酶经济价值高，国内仅从猪胰脏中提取，由于酶源受到限制，作为治疗用生化药物和其他方面的应用长期供不应求。因而利用微生物生产弹性蛋白酶就显得尤为必要。虽然国外早已开始微生物生产弹性蛋白酶的研究，也取得了很大进展，如酶源范围扩大，酶活性从几十单位提高到1000U/ml，对几种微生物产生的弹性蛋白酶基因结构以及酶的分泌进行了初步研究，但是在应用微生物生产弹性蛋白酶中仍存在许多问题，如多数微生物生产的弹性蛋白酶活力不高，有的微生物产生的弹性蛋白酶存在着毒性等安全问题，同时对微生物弹性蛋白酶的加工、分泌和调控机制仍未明了。这些都给微生物生产弹性蛋白酶带来了障碍，延缓了对其的开发研究进程。

但是利用微生物开发弹性蛋白酶有着不可估量的前景。有人计算，从1Kg猪胰脏中提取4．0～4．8g弹性蛋白酶粉，总活力平均为2 ×105.3U/Kg胰脏，而利用微生物发酵生产弹性蛋白酶牞以一个20m3发酵罐每天生产12m3发酵液计算，则发酵液中总酶活力为1．2 ×109U，相当于6000Kg胰脏中所含的弹性蛋白酶量。可见，由微生物发酵生产弹性蛋白酶成本低，产量大，设备利用率高，不受原料来源限制。由微生物发酵生产弹性蛋白酶的关键是筛选弹性蛋白酶的高产菌株，同时利用诱变培育出产更高酶活性的菌株。此外，要从微生物产弹性蛋白酶的机理进行深入研究，搞清弹性蛋白酶的合成、加工、分泌和调控机制，达到人为控制弹性蛋白酶的生产；或将调控弹性蛋白酶合成的结构基因转入到大肠杆菌中，进行有目的性地设计弹性蛋白酶，减少弹性蛋白酶的毒性或提高酶活力；缩短弹性蛋白酶进行药理、毒理及药效试验的时间，扩大弹性蛋白酶在医药、食品工业和日用化工等方面的应用。

造纸行业应用

生物酶脱墨剂采用现代生物科技，优选针对性强的多种高效生物酶复配而成，与酶激活专用助剂配合使用，适用于混合办公废纸、报纸杂志等的脱墨，并能明显改善造纸过程中的胶粘物沉积现象。

脱墨机理

各种专用生物酶分工协作，作用于纤维表面的细小纤维、油墨、胶粘物中的联结剂及油墨、胶粘颗粒，使纤维与油墨、胶粘物之间结合力变弱；直接分解油墨、胶粘物，使其颗粒更细小，并加强其亲水性；在机械力及专用助剂作用下使油墨、胶粘物与纤维充分分离，并保持良好的分散性，有效地防止油墨及胶粘物的附聚及对纤维的二次污染；从而在后续工段中将其除去。

生物脱墨剂特点

直接降低脱墨成本，综合成本优势明显；

生物酶脱墨条件温和，化学品用量少，纤维损失小，保持良好 的纤维特性；

大幅度降低污水COD和BOD，有利于环保，减轻污水处理压力；

有效处理胶粘物问题，提高纸机效率；

明显提高纸浆得率及提高纸张强度 ；

清洁生产，节省能源，降低物耗；

使用简单，适应现有大多数脱墨工艺。

工艺参数

碎浆用水pH值： 7.5～9.0 碎浆浓度： 10～18% 生物酶脱墨剂用量： 0.01～0.03% （按废纸量计）

专用助剂：0.05～0.2%（按废纸量计） 碎浆时间： 15～25分钟

用水温度：35～55℃

循环水处理应用

在循环水系统漏入大量油品时以及装置在检修后的开工阶段，常规水处理工艺是采用杀菌剥离、酸洗浴摸膜、排污置换处理。而采用生物酶水处理技术可在不置换、不排污的条件下，对设备及管网进行除油、净化、清洗和保护处理，在满足系统的缓蚀、阻垢要求的条件下，运行费用约为常规处理方法的3%，并且可节省大量的清洗、置换用水。