洗涤酶制剂研究的进展 | ![]() |
随着能源和环境问题逐步成为人们关注的焦点[1]人们开始注意到传统洗涤剂的成分通常是一些表面活性剂,这些表面活性剂在使用过程中会随着污水的排出对环境造成一定的污染。酶作为一种蛋白质,属于可降解的物质,将酶添加到洗涤剂中可以代替部分的表面活性剂,并且由于洗涤酶较好的洗涤效果也可以减少水使用量从而减少水的浪费[2]。
1 洗涤剂中单酶的应用 1.1 蛋白酶婴幼儿的日常食物主要以蛋白质为主,在喂食时常常会出现吐奶、溢奶的现象,婴幼儿的皮肤比较娇嫩,抵抗力较弱,在对衣物进行清洗时,不仅要去除污渍还要对婴儿的皮肤没有刺激。蛋白酶属于蛋白质,安全、易降解,将蛋白酶添加在婴幼儿的衣物洗涤剂中具有较好的效果[3]。将粗制角蛋白酶添加到洗涤剂中,来处理人血染色的围裙,具有更好的去污效果[4]。
1.2 淀粉酶普通的α-淀粉酶的稳定性较依赖Ca2+的存在并且对氧化剂敏感。通过对α-淀粉酶进行基因工程改造可以使α-淀粉酶具有更好的稳定性[5]。
1.3 脂肪酶脂肪酶可以将甘油三酯分解为脂肪酸和甘油,可以去除衣物表面的皮脂和食物残渣[6]。脂肪酶也可以添加在厨房清洁剂中。厨房的墙壁和抽油烟机上会有很多的厨房油污残留,这些油污中除了油脂外还包含一些其他的污渍,一般的洗涤剂很难在短时间内去除这些油污,脂肪酶添加可以快速的去除污渍,达到高效、环保的效果[7]。
1.4 纤维素酶织物在经过多次穿着之后表面原本以晶体方式排列的纤维会产生许多的微纤维,微纤维之间相互缠绕会形成一些较小的绒球,多次洗涤之后,残留的污渍会被周围的微纤维包裹堆积在纤维结构的内部,导致织物变粗糙、颜色暗淡。纤维素酶主要是作用于纤维的非结晶区,污渍附着在衣物的表面,添加纤维素酶的洗涤剂在洗涤过程中能够将这种结构软化,在外力的作用下被包裹的污渍与衣物纤维分离,从而达到去除污渍的目的[8]。纤维素酶的使用会使纤维的结晶度降低,从而使织物的亲水性提高使污渍更容易被去除。同时纤维素酶还可以使织物纤维中的空穴部分扩大,使织物在洗涤过后更加的柔软亲肤。
1.5 甘露聚糖酶甘露聚糖酶可以水解以β-1, 4-D-吡喃甘露聚糖为主链的甘露寡糖和甘露多糖,从而将胶基聚合物分解成小分子,这些小分子易溶于水,并且不与织物接触,有效地防止在清洗过程中污渍的重新聚集,从而达到去除污渍的目的[9]。在实际洗涤过程中,含甘露聚糖类的食品调味料中还很有一些蛋白质,因此蛋白酶和甘露聚糖酶共同作用可以使洗涤效果优于只使用一种酶[10]。
1.6 过氧化物酶常见的洗涤剂中会添加一定量的聚合物如聚乙烯比咯烷酮,这种聚合物可以使洗涤过程中浸出的颜色与溶液结合,使其不能再被织物吸附。研究表明在洗涤剂中添加过氧化物酶可以将浸出的颜色氧化成无色的物质,从而达到防止串色的目的。
2 洗涤剂中复合酶的应用酶的催化反应具有单一性,一种酶只能去除一种污渍, 要去除不同的污渍,对洗涤剂要求也不相同[11]。如体液污渍这种复杂的混合物的主要成分是由脂肪、蛋白质及环境中灰尘等无机物所形成的的混合物。普通的表面活性剂并不能完全去除这种污渍,附着在衣物上的残留污渍经氧化后更加难以去除,从而使衣物发黄,颜色暗淡[12]。所以复合酶的添加使加酶洗涤剂展现出更好的洗涤效果。
2.1 复合酶应用于手术器械在对病人进行治疗的手术过程中所使用的手术器械往往会附着大量的有机物,这些残留在手术器械上的有机物会对细菌或芽孢产生一定的保护作用,在使用消毒剂对其进行清洗时,消毒剂不能接触到病原体微生物,从而导致不能对手术器械进行彻底的杀菌。复合酶清洗剂主要含有蛋白质水解酶、淀粉酶和脂肪酶。淀粉酶可以分解单糖和多糖,在酶共同的作用下细菌外层的脂多糖被分解去除,内部的蛋白质由于失去外层膜的保护被暴露在蛋白酶面前,被蛋白酶分解,从而达到杀死细菌的目的[13]。复合酶清洗剂主要作用物质为有机大分子活性物质,这就减少对手术器械的腐蚀,极大地延长了手术器械的使用寿命。
2.2 复合酶应用于餐具清洗剂诺维信在2011年推出的可以应用于自动餐具清洗剂的两种酶——Blaze Evity(蛋白酶)和Stainzyme Evity(淀粉酶),这两种酶的组合使用提高了自动餐具清洗剂的使用效果。并且采用一种包裹技术来提高酶制剂储存的稳定性,相对于市面上的其他产品稳定性得到了很大的提高。实验表明,添加有Blaze Evity和Stainzyme Evity两种酶的无磷洗涤剂在40 ℃的洗涤条件下和市面上的普通含磷洗涤剂在50 ℃条件下的清洗效果相近[14]。添加生物酶的自动餐具清洗剂符合当下环保的生活理念。
2.3 复合酶在洗衣凝珠中的应用洗衣凝珠主要是将浓缩的洗涤剂包裹在一层水溶性膜中,体积较小但是在能达到较好清洁效果。一颗洗衣凝珠中包含高浓度的洗涤剂、柔顺剂、护色剂和抑菌剂,在高效除污的同时可以减少洗涤剂的过量使用,减少能源浪费和环境污染[15]。研究发现洗衣凝珠中添加一定量的酶可以更好地增强洗涤的效果和对织物表面进行纤维修复[16]。
2.4 复合酶在果蔬洗涤剂中的应用新鲜的水果蔬菜的表面如果没有经过处理可能会存在许多致病菌[17],这些致病菌如果没有彻底清除就会随着水果蔬菜的摄入进入人体,使人体患病。水果和蔬菜在生长过程中会使用农药防止患病或昆虫的侵害,因此果蔬的表面常常会残留一定量的农药、昆虫的代谢物等物质,通过清水洗涤很难清除干净。目前市面上常见的果蔬清洗剂一般是以氯化钠为主要成分的盐类果蔬洗涤剂、以表面活性剂为主要成分的表面活性剂类果蔬洗涤剂、添加有植物提取物的果蔬洗涤剂。近年来也有研究利用微生物酶降解去除农药残留的方法,但是酶具有高度的专一性,只能针对少数的农药具有较好的去除效果并且酶的活性受温度的影响较大,因此生物酶类果蔬清洗机的应用还需要更多的研究[18]。
3 不同表面活性剂对复合酶活性的影响现阶段的加酶洗涤剂一般是添加多种酶和多种表面活性剂,这就要保证酶在多种表面活性剂存在的情况下要保持一定的活性。研究表明只使用一种表面活性剂时,阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(LAS),脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES),α-烯基磺酸钠(AOS),十二烷基硫酸钠(K12)在浓度过高的情况下对洗涤用复合酶产生一定的抑制作用,其中LAS所产生的抑制作用最大。非离子表面活性剂对酶没有很明显的抑制作用。在使用多种表面活性剂的情况下,阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂共同使用时,酶活力的降低程度比使用单一阴离子表面活性剂的降低程度小,不同的阴离子表面活性剂共同使用时对酶活力的影响也相对减少。除了传统的表面活性剂,随着环保理念的加强,洗涤行业开始选择安全性、环保性更好的表面活性剂,如脂肪酸甲酯磺酸钠(MES)、脂肪酸甲酯乙氧基化物(FMEE)、改性油脂乙氧基化物(SOE)、油脂乙氧基化物磺酸盐(SNS)、烷基糖苷(APG)等。
4 洗涤助剂的应用普通的洗衣粉中常常会添加磷酸盐作为洗涤助剂,常用的是三聚磷酸钠(STPP),STPP可以鳌合Ca2+、Mg2+,在洗涤过程中展现出较好的性能,并且与常用的阴离子表面活性剂LAS复配可以增强洗涤性能。但是含磷洗衣粉的使用会导致水体的富营养化,对环境产生极大的危害。随着不断地研究,洗涤行业开始逐渐使用无磷洗衣助剂,如改性聚丙烯酸钠[19]、层状结晶二硅酸钠[20]、变性淀粉等。在洗涤过程中污渍与织物分离之后可能会再次沉积在织物上,为了防止这种情况一般会添加抗再沉积剂来阻止污渍在织物表面再次聚集。
荧光增白剂的添加可以改善织物发黄的现象[21],荧光增白剂具有疏水链段和亲水链段,在洗涤过程中疏水链段插入到织物内部附着在织物的疏水表面,通过吸收不可见紫外辐射转变为蓝紫色的荧光辐射,与织物原有的黄光互补,提高织物在日光下的白度,从而达到使织物增白的效果。将生物发酵产生的氨基酸作为代替三聚磷酸钠的洗衣助剂添加在洗涤剂中,在达到良好洗涤效果的同时可以减少对环境的污染。聚天冬氨酸钠盐是一种可以被生物降解的阻垢缓蚀剂[22]。它具有较好的鳌合性,可以鳌合硬水中的多种金属离子,使其形成软垢,有利于提高洗涤过程中酶和表面活性剂的作用效果。在工业水处理中具有良好效果的聚环氧琥珀酸钠[23]由于其本身无磷、无氮、安全可降解,并且对钙离子具有较好的鳌合力和分散力,有利于提高洗涤效果和抗污渍沉积的能力。
环糊精[24]能够包埋复合物并且可以提高色素的稳定性,已经广泛应用于各个领域。环糊精本身可以包裹复合物,在处理织物上的油渍时可以将其包裹形成稳定的包络物,有利于后续表面活性剂的作用。
5 洗涤酶的改进 5.1 基因工程维诺信公司通过蛋白工程技术将Subtilisin BPN′、蛋白酶K、Subtilisin Carlsberg疏水区域的某些疏水氨基酸和相邻近的某些非疏水氨基酸替换成具有更强疏水性的氨基酸残基,从而提高酶对离子强度的稳定性,使添加该酶的洗涤剂适用于使用硬水的洗涤条件;为了使酶的稳定性得到提高,可以通过改变酶与金属离子的结合位点,用带有负电荷的氨基酸置换Subtilisin钙离子结合位点的氨基酸,如将Subtilisin BPN′、Carlsberg、DY的Gly131替换为Asp或将Pro172替换为Asp或Glu,使该结合位点和钙离子之间具有更强的静电吸引力;置换Subtilisin BPN′未形成二硫键的甲硫氨酸Met222,使酶的抗氧化性和对漂白剂的耐受性得到提高[25]。通过对从南极细菌中分离的新型冷适应蛋白酶[26]进行克隆、表达、表征,发现284位的丙氨酸是重要的冷适应决定簇,为接下来的低温蛋白酶定点突变提供理论依据。
5.2 蛋白质工程一种以枯草芽孢杆菌PB92的蛋白酶为亲本的洗涤用碱性蛋白突变体,对应于氨基酸序列SEQ ID NO:1的多肽的氨基酸位置包含V262IA和188P+V262I的氨基酸置换。作为亲本的蛋白酶与氨基酸序列SEQ ID NO:2至少具有97%的序列一致性。该碱性蛋白酶突变体具有更好的耐碱性和耐热性。与亲本蛋白酶相比,在极端条件下能够更好的保留活性[27]。
5.3 化学修饰通过对酶的化学修饰,将一些化学基团连接到酶分子上,从而使酶的结构和酶的性质发生改变。常用的化学修饰有多肽和聚乙二醇等[28]。研究表明利用不同分子量的聚乙二醇和甲氧基聚乙二醇为原料制备的聚乙二醇衍生物在适当的条件下对胰蛋白酶进行修饰可以提升酶的活性绝热稳定性[29]。诺维信公司提出一种获得洗涤剂组合物的方法,包括引入一种母体脂肪酶的一种脂肪酶变体和一种阴离子表面活性剂,该变体与SEQ ID NO:2的成熟多肽具有至少60%序列一致性、在对应于SEQ ID NO:2的成熟多肽的D254的一个位置处具有一个取代并且具有脂肪酶活性,这个脂肪酶变体的组合物与包含该母体脂肪酶的一种相对应的组合物相比具有更好的稳定性[30]。
5.4 稳定剂洗涤剂本身含有极性溶剂和带电荷的表面活性剂,最早使用的稳定剂是多元醇和硼化物。近年的研究提出用乙氧基聚乙烯亚胺作为蛋白酶的稳定剂添加在洗涤剂中,实验表明乙氧基聚乙烯亚胺的添加能够很好地提高蛋白酶的稳定性,还能够与蛋白酶发生协同作用使去污性能得到提高[31]。将碱性蛋白酶K作为有机成分,铜离子作为无机成分,将两者合成为有机-无机杂化纳米花(P-hNFs)[32]。并且将P-hNFs作为洗涤剂添加剂和不同的表面活性剂共同使用来测试其效果。研究表明P-hNFs比游离蛋白酶K表现出更好的活性和稳定性。
5.5 酶的固定化生物酶的固定化技术包括通过载体和酶之间的相互作用力使酶吸附在载体表面、酶分子与载体表面一些基团发生共价结合、通过物理或化学方法将酶包埋在某种载体中和使用半透性高分子膜将酶进行封存等方法[33]。传统的酶固定化方法在一定的程度上会导致酶的失活,新型的底物印迹法[34]利用分子印迹技术(MIPS)构造具有选择性结合位点的聚合物应用于酶的固定化,将底物印记在酶上,再将酶固定在载体上来提高酶的催化性能。随着纳米技术的发展,研究发现纳米材料本身具有一些特殊的理化性质,并且其颗粒较小和酶分子的大小接近,将一些纳米材料作为固定化载体所生成的单酶纳米颗粒(single enzyme nanoparticles,SENs)具有较高的稳定性和活性,有利于酶的储存和重复利用[35]。
6 展望生物酶洗涤剂中的作用物质主要是酶,酶作为一种有机活性大分子蛋白质,无毒并且可以被完全降解,对环境的污染极低,符合当下保护环境的消费理念,因此洗涤酶的应用前景十分广阔。从传统的日化、纺织行业到手术机械的清洗和餐饮行业,随着应用范围的增加,针对不同的洗涤对象和洗涤条件,对产酶工程菌的基因工程改造和对酶本身的改造和固定化使酶的适应条件更加广泛、酶的活性更加稳定,能够适应安全环保的新型表面活性剂和洗涤助剂,这就对酶的全面研究提出了更高的要求。因此随着对生物酶研究的不断深入,加酶洗涤剂能够更加适应市场和消费者的需求,在未来的发展具有很大的潜力。
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