漆酶在染整加工中的应用

时间：2024-07-28

李建康，王文利，桂正涛，朱俊志

[1.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215123；2.现代丝绸国家工程实验室（苏州），江苏苏州215123]

漆酶是一种含铜多酚氧化酶，一般以二聚体或四聚体的形式存在，最早是由日本学者在紫胶漆树的漆液中发现。漆酶可以降解的物质包括酚类、芳胺类、羧酸类和甾体类等物质。漆酶催化底物优良的特性使得其在食品工业、纺织工业、造纸工业、生物监测和环境修复等领域都有重要的应用。然而漆酶在应用过程中仍然存在活性保存较差、热稳定性不好、在高温、高压和极端酸碱等条件下容易失去活性等问题。因此，迫切需要通过新技术来提高漆酶活性和稳定性。

近年来，国内外学术界对提高漆酶活性和稳定性方面也有了不少的创新技术研究成果，以期改善漆酶特性。如下作一阐述。

1 漆酶在染整加工中的应用

随着生物技术的发展，生物酶成为人们研究的热点，在各行业的应用也越来越频繁，其中就包括染整加工行业。近年来，漆酶在染整加工中的应用主要包括纺织纤维改性、纺织品漂白、染色、后处理以及印染废水脱色。

1.1 漆酶在纺织品染色中的应用

漆酶引发酚类物质发生聚合反应生成有色聚合物对织物染色，是一种常用的生态染整技术，常见的酚类物质包括没食子酸、对苯二酚、邻苯二酚和茶多酚。这些有色聚合物上染织物后，能够带给织物更好的染色深度、染色牢度和抗菌等性能[1-3]。漆酶催化酚类物质发生聚合反应后生成有色聚合物，对织物染色既具有对环境友好、环保的特点，又具有染色条件温和的优点。在绿色生态染整中拥有一定的优势，已经成为纺织品生物染色的研究热点。

1.2 漆酶在纺织纤维改性中的应用

为了提高纤维的染色性和吸湿性，一般采用等离子处理、碱处理、表面接枝和光化学处理等物理或化学改性方法。近年来，生物酶法被广泛应用于羊毛、棉花和大麻等天然纤维的改性，并取得了良好的效果。例如，利用蛋白酶对羊毛进行改性以改善其毡缩性能，以及用纤维素酶处理纤维素纤维，以提高其润湿性和染色性等。但是利用这些酶进行改性后，很容易对纤维造成过度的损伤。与其他蛋白酶相比，漆酶则没有这方面缺点，并且还可以提高纤维各方面的性能。

眭瑜瑾等人研究发现，经过漆酶处理后，羊绒纤维内部形成了稳定的化学键，同时具有优异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铵对棉织物表面进行处理，然后以咖啡酸和桑色素为底物，经漆酶催化形成聚合物的反应体系处理一段时间后，所得棉织物具有良好的耐摩擦、耐洗涤、抗紫外以及抗氧化性能。Brodowsky 利用真菌漆酶将偶联剂多巴胺与亚麻纤维表面共价结合，结果发现亚麻纤维拉伸强度没有降低。并且由于漆酶介导的偶联剂多巴胺的键合，亚麻纤维界面剪切强度提高了30%。

1.3 漆酶在漂白中的应用

在传统的棉织物前处理过程中，次氯酸钠、亚氯酸钠和过氧化氢由于具有一定的氧化能力，通常用于织物漂白，获得一定的白度指数，但在高温条件下，纤维容易被氧化和破坏，并且从面料中去除多余过氧化氢需要使用大量的水。为了减少织物损伤，节约用水，近年来许多学者对漆酶漂白进行了研究和开发。

Panwar 等人利用从农业短杆菌中分离的极端嗜热漆酶（LacT）对牛仔布漂白，发现牛仔布亮度显著增加。并且相对于未经过LacT 处理的牛仔布，漂白效率明显提高。Unuofin 对木糖氧化无色杆菌和弗氏柠檬酸杆菌通过微生物发酵产生的耐高温耐漆酶进行了研究，发现当游离漆酶与氧化介质（2,2’-叠氮基双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）协同作用时，可以极大地提高牛仔布的漂白效果。

1.4 漆酶在后处理中的应用

在碱液和温度压力的条件下，一些未固着的染料和水解染料（浮色）又会与纤维结合，容易发生渗色和再沾污，从而导致织物的色牢度降低。为了防止色牢度的降低，就有必要对染色后的织物进行皂洗处理。然而，传统的皂洗工艺是用一些化学洗涤剂在高温下进行的，后整理后，棉织物上未结合的染料或水解染料，会直接排放到印染废水中，以及皂洗剂中过量的化学洗涤，都增加了废水处理的负担。Mao 使用漆酶/脂肽冲洗技术对活性染料染色后的棉织物进行洗涤，结果发现，与传统皂洗以及酸性皂洗方法进行比较，漂洗样品的K/S 值和色牢度更好。由于脂肽是一种生物表面活性剂，漆酶也具有绿色环保的特点，所以漆酶/脂肽冲洗技术也是一种良好的纺织品生物洗涤的方法。

1.5 漆酶在印染废水脱色中的应用

印染废水是指天然纤维和化纤纺织品如棉、毛和化纤等在煮练、漂白、染色、印花和后整理过程中产生的废水。为了减少污水的排放，可以在染色后处理过程中进行自清洗，对排放的染色废水进行处理。因此，开发有效的印染废水处理技术已成为当今环保行业的一项重要任务。

李燕发现在小分子介体1-羟基苯并三唑（HOBT）的协助下，漆酶对偶氮类、三苯甲烷类、蒽醌类和靛蓝类等9 种染料脱色率均能达到95.00%以上。华煜选用米曲霉漆酶使偶氮染料酸性橙脱色，结果表明漆酶在最佳条件下，能使酸性橙的脱色率达88.32%。

2 提高漆酶活性和稳定性的方法

目前提高漆酶活性和稳定性的方法主要有蛋白质工程、固定化酶技术、酶的化学改性和非共价改性，各种方法提升漆酶活性和稳定性的原理也各不相同。

2.1 蛋白质工程

蛋白质工程是指通过基因的定点突变和表达对蛋白质进行修饰，以获得性能更好的蛋白质。Liu 等人为了提高漆酶在离子液体中的活性和抗性，将来自白腐菌的4 种漆酶基因转化到大肠杆菌中，然后进行培养，结果发现新漆酶的活性比原来提高约4.5 倍。Sun等人克隆了来自瓦氏芽孢杆菌的漆酶基因，并在大肠杆菌细胞中异源表达，之后在发酵过程中自动诱导，结果发现漆酶产量及其pH 稳定性和热稳定性有极大提升。王佳懿通过用来自枯草芽孢杆菌（LacA）的稳定漆酶进行结构域取代，基于LacA 设计了嵌合酶（Lac3A/S）。发现杂漆酶也可以分泌到高表达水平的培养基中，并且具有比LacA 更高的热稳定性和碱性稳定性。

2.2 固定化酶技术

固定化酶技术是利用物理或化学手段将游离酶固定在固体材料上，限制酶在一定区域内发生催化反应，实现酶的重复使用的技术。Wen 等人采用膨润土衍生的介孔材料固定化漆酶，获得热稳定性高的漆酶。Wu 等人利用氨基功能化的磁性金属有机骨架固定漆酶，发现固定化漆酶对低pH 和高温条件具有良好稳定性。固定的漆酶在储存28d 后仍保留其初始活性的89.0%。当环境温度达到85℃时，固定的漆酶即使在6h 后仍显示出49.1%的残留活性。Shao 等人研究合成并修饰了空心介孔碳球（HMCs）来固定漆酶（Lac），发现固定化的漆酶具有良好的热稳定性、pH 稳定性、储存稳定性和可重复使用性，并且在氧化还原介质存在下，固定化的漆酶对盐酸四环素（TCH）和盐酸环丙沙星（CPH）均具有很高的去除效率。

2.3 化学修饰

化学修饰是指利用化学基团的引入或去除使酶的结构发生变化，从而改变其催化特性。Chen 通过化学试剂二氧化硫脲（TDO）和L-苯丙氨酸甲酯盐酸盐（L-PME）对漆酶氨基酸残基进行化学修饰，发现漆酶的活性分别增加了209%和50%；Zhu 用酸酐对漆酶进行了化学修饰，并将铜离子与改性漆酶进行杂原子配位，得到了纳米花生物催化剂，经过酸酐化学修饰后的漆酶活性，pH 稳定性和热稳定性分别提高了165%、375%和430%；Forde 选用来自两种不同来源生物的漆酶，通过两种双功能试剂乙二醇-N-羟基琥珀酰亚胺（EGNHS）和戊二醛在溶液中对其进行化学修饰，然后将两种酶以未经处理和化学修饰的形式固定在3 种不同类型的中孔硅酸盐（MPS）颗粒（MCM、CNS和SBA-15）上。结果发现用EGNHS 处理嗜热毁丝霉漆酶的热稳定性增加8.7 倍，而戊二醛处理热稳定性增加5.7 倍。用戊二醛和EGNHS 对漆酶进行化学修饰仅使其稳定性提高了2.0 倍，而固定在SBA-15 和MCM 上的稳定性提高了4.0 倍以上。

2.4 非共价修饰

非共价修饰主要分为反胶束和添加剂两种，在反胶束里表面活性剂在有机溶剂中易形成亲水头向内和疏水尾向外的多分子聚集体。添加剂是非共价修饰中使用最广泛的一种。这类物质可以分为3 类：专一性的底物和配体；盐和多羟基化合物；螯合剂和还原剂。Azimi 研究了表面活性剂对漆酶的非共价修饰，利用3 种不同的表面活性剂，即二-2-乙基己基磺基琥珀酸钠（AOT）、Triton X-100（TX-100）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）对漆酶进行化学修饰，研究证实在TX-100 的存在下，AOT 增强了漆酶的活性和稳定性；何小勇研究了非共价修饰中的多羟基化合物对漆酶活性和稳定性的影响，考察了山梨醇、葡萄糖、甘露醇、甘油和肌醇这5 种常见的多羟基化合物对漆酶活性和稳定性的影响，发现多羟基化合物通过改变漆酶在溶液中的构象以及与漆酶形成氢键，有效地阻止了因温度升高而导致的漆酶二级结构的变化，有助于维持其肽链的紧密结构，从而能够提高漆酶在各个温度下的酶活和热稳定性。

3 基于稳定性提升漆酶在纺织行业上的应用

Keshava 利用γ 射线辐射真菌漆酶，漆酶活性提高了接近一倍，pH 和温度稳定性得到明显改善。另外，对高浓度的金属离子（Zn2+、Cu2+、Cr2+和Ca2+）表现出明显的稳定性。经γ 射线辐射过的漆酶处理纺织品废水，发现在2.5 h 内有99%的色水脱色，COD 降低了67%，BOD 降低了47%；Bento 使用不同的表面活性剂来对漆酶进行非共价修饰，发现癸基三甲基溴化铵可以使漆酶活性显著增加。在此基础上，使用修饰漆酶降解靛蓝染料。结果发现，靛蓝在甲基溴化铵水溶液中的降解率在0.5 h 时达到82%，而未经表面活性剂-离子液体改性的漆酶仅降解6%。