摘要:以酶為基礎的制革生物技術在清潔性,、環(huán)境友好性方面獨具特色,這些技術在制革工業(yè)的廣泛應用,是解決制革工業(yè)嚴重污染,促進制革工業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要途徑,。本文在討論酶制劑在工業(yè)中研究及應用現(xiàn)狀的基礎上,展望了發(fā)展的趨勢,。
關鍵詞:制革;酶制劑;清潔生產(chǎn)技術
自20世紀初Rohm公司開發(fā)酶軟化和酶脫毛工藝以來,酶制劑在制革工業(yè)中的應用經(jīng)歷了一百余年的發(fā)展歷程,但迄今仍未成為制革準備工序的主流技術,。20世紀90年代,隨著世界各國環(huán)保政策的日趨完善和對環(huán)境保護的高度重視,皮革工業(yè)正面臨著有史以來最嚴重的生存危機,。以酶為基礎的制革生物技術在清潔性,、環(huán)境友好性方面獨具特色,。用這類技術取代傳統(tǒng)化學:制革工藝,是從根本上解決制革工業(yè)嚴重污染的有效途徑。同時,酶在制革工業(yè)中的應用將推動酶工程在極端條件反應動力學及相關理論的發(fā)展,拓展酶應用的領域,。本文追溯近二十年酶在制革工業(yè)中的應用發(fā)展歷程,展望了未來發(fā)展的趨勢,。
1酶在制革工業(yè)中應用
隨著人們對酶性質(zhì)、酶促反應動力學的深入研究以及新酶種的不斷發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)代發(fā)酵技術的發(fā)展,酶在制革工業(yè)中的作用機理及應用的研究已成為制革清潔化技術的熱門方向之一,。
1.1酶助浸水的研究與應用
1.1.1酶在浸水過程的作用機理與常規(guī)浸水方法比較,酶助浸水的特點是以蛋白酶為主浸水助劑,通過間質(zhì)蛋白和蛋白多糖的酶促降解,尤其是使透明質(zhì)酸(Hyaluronicacid),、硫酸軟骨素(chondroitinsulfuricacid)等降解,使原皮快速、有效回水,。在酶助浸水作用前,必須使纖維間質(zhì)潤脹到一定程度,才有利酶促間質(zhì)蛋白的降解,。添加適量的非離子表面活性劑有利于間質(zhì)的潤脹。此外,堿性蛋白酶,、堿性脂肪酶和表面活性劑以適當?shù)谋壤湮闃?gòu)成的浸水助劑不僅有助于纖維間質(zhì)的除去,而且脫脂率也較常規(guī)的化學和單一酶的酶助浸水方法高,。影響浸水效果的因素有原料的性質(zhì)、浸水液的pH,、液比,、溫度、浸水助劑的質(zhì)量濃度和浸水時間等,。尤其以浸水溫度和時間對浸水效果的影響最大,。
1.1.2酶在浸水過程的應用酶在浸水過程中應用的研究始于20世紀80年代,胰蛋白酶[1]、細菌蛋白酶[2-3]在浸水過程中應用結(jié)果表明,酶浸水可以使吸水速率增大,浸水均勻,有效地除去纖維間質(zhì),彈性蛋白被部分降解,使膠原纖維適當分散,。在其后的浸灰工藝中,促進了灰堿的滲透和均勻膨脹,。成革柔軟,減少了成革血管痕、肥紋和邊腹空松[4],。在浸水液中加入堿性脂肪酶,表面的脂肪被降解,有益蛋白酶松動表皮,、降解脂肪細胞壁,結(jié)果是脂肪酶和其它浸水助劑滲入原皮內(nèi)部[5],達到良好的脫脂效果,浸水更均勻,在浸灰過程中促進堿膨脹和脫毛,所得成革粒面毛孔清晰,粒面光滑、清潔而富有彈性,得革率增加[7,8],。在浸水過程中添加浸水酶時,對浸水的溫度和浸水液的pH值要嚴格控制,并要求與之同時使用的其他材料對酶無抑制作用,。由于浸水酶往往對膠原也有一定的作用,因此其用量要嚴格控制,協(xié)調(diào)好用量與作用時間之間的關系。對于品質(zhì)差,、防腐差的原料皮要慎重使用浸水酶助劑,。
1.2酶脫毛機理及其應用的研究
1.2.1酶脫毛機理的研究1922年Wilson和Daub首先應用顯微鏡觀察到“發(fā)汗法”脫毛過程中細菌活動的情況,標志酶脫毛機理的研究的開始[9]。有關酶法脫毛機理的研究大致分為二個階段,第一個階段是在顯微水平上對表皮和毛根組織的觀察,第二個階段是在化學水平上,對脫毛過程中毛囊,、馬氏層細胞組織間的蛋白質(zhì)的水解及其與脫毛的關系的觀察和研究,。前者的研究結(jié)果表明,馬氏底層細胞、毛囊基礎細胞的分解,、毛髓的部分水解導致了毛的松動及在機械作用下脫落,。后者的研究結(jié)果表明,使表皮和真皮之間的類粘蛋白、粘蛋白,、清蛋白,、球蛋白等降解是酶脫毛的基礎。酶法脫毛和堿法脫毛在原理上有共同之處,即在堿或酶的作用下,使類粘蛋白等溶解,從而削弱毛和表皮與真皮之間的連結(jié)。用單一的酶制劑進行的酶脫毛機理的研究結(jié)果表明,酶脫毛的能力和催化肽鍵斷裂的能力有關,催化肽鍵斷裂的能力越強,則脫毛的能力越好[10],用于脫毛的酶制劑應該具有相對專一性(generalspecificity),、內(nèi)切酶活力較高且均一的特點,。
這些研究成果對脫毛酶菌種的選育、酶種的選擇及應用技術的開發(fā)具有很大的指導意義,但由于客觀條件的限制,上述機理未能就膠原的水解與脫毛作用的關系作出合理的解釋和定量描述,亦無法提出解決因膠原的水解對皮組織損害的措施,。了解與細胞相關的復雜蛋白質(zhì)在酶作用時的變化以及這些變化與細胞水解的關系,對篩選理想的制革專用酶制劑是很重要的,。對酶的不同組分的脫毛效果、水解液分析等研究結(jié)果表明,酶脫毛中起主導作用的是非膠原蛋白水解酶,。酶的脫毛能力與水解專一性有關,具有相對專一性的蛋白酶具有較強的脫毛能力,。基膜提取物中的250KD,、型膠原和血清白蛋白的水解與脫毛有因果關系[10],。有關酶助脫毛機理的一個新的解釋是,在有蛋白酶存在的條件下,毛的中心成分毛髓被溶解,使脫毛劑沿著毛發(fā)的內(nèi)部進入毛囊的底部,在其毛球部和前角質(zhì)區(qū)使毛降解,毛從根部脫落。毛桿分離和崩潰后,機械作用使殘存的毛發(fā)從毛囊完全除去[11],。設計一個合理的脫毛酶體系的充要條件是,確切地了解要使毛恰當松弛,毛囊何種組分應該被破壞,。關于脫毛過程中酶的最適pH值的問題實際上是所表征活力和穩(wěn)定性的綜合的考慮,這是因為脫毛酶體系實際上是一個多酶的體系。有關酶的濃度,、溫度和堿預處理對脫毛效果的作用,可以通過脫毛液中的總氮及蛋白多糖含量的變化來確定,。以酪素或膠原為底物所測得的酶活力能較好地反映該酶制劑的脫毛能力。
其實,以任何相對單一的底物表征的酶活力與該酶制劑的脫毛能力之間是不可能存在顯著的相關性的,。在脫毛過程中,要破壞的毛囊的組分是多樣性的,從這一特性考慮脫毛酶應該是一類具有相對專一性的蛋白酶,該類蛋白酶的主要組分是內(nèi)切肽酶類,在脫毛過程中能夠盡可能多的使肽鍵斷裂,。此外,酶通過皮結(jié)構(gòu)滲入到作用區(qū)域的能力對酶脫毛的效果也是至關重要的,酶從皮表層滲入到作用區(qū)域所需的時間占整個脫毛時間的70%[12],由此可見,脫毛酶制劑至少應由兩部分組成,一部分是有助于將降解毛囊細胞的成分擴散或輸送到作用區(qū)域的成分;而另一部分則是使毛囊細胞降解的成分。從理論上講,在原皮坯中影響酶滲入的組分應該是透明質(zhì)酸和皮膚軟骨素等,實際上,影響酶通過纖維結(jié)構(gòu)滲透速率的因素是粘結(jié)物質(zhì)的性質(zhì),、成分和條件及原皮坯的厚度,。基膜粘度的變化對脫毛速率幾乎沒有影響,。已證明蛋白酶的水解作用是減少蛋白多糖(透明質(zhì)酸-蛋白質(zhì)復合物)的粘性,透明質(zhì)酸沒有任何解聚也不影響皮組織的可滲透性[12],這可能是脫毛酶的蛋白水解作用對于降低基膜粘性和便于酶本身擴散是獨特的,因而不需要透明質(zhì)酸酶協(xié)助,。蛋白酶的松毛作用是以粘液層(基底層)的非結(jié)構(gòu)血漿蛋白的水解為基礎,蛋白水解使乳頭層和表皮層之間的連接松弛毛被除去。
