酶在染整加工中的应用.ppt

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1、酶在染整加工中的应用,虞波,酶的特性和分类,酶又称酵素，是一种生物催化剂，通常是由生物体产生的具有催化作用的一类蛋白质。目前已发现2000多种。分子量在数万至数十万之间。生物体内的含量一般极少，能参与生物体的各种生理生化活动，起催化剂的作用。酶不同于一般的催化剂，它有特殊的催化能力，在常温和常压下其催化效率比一般催化剂高1071013倍，如一个过氧化氢酶分子在一分钟内能使500万个过氧化氢分 子分解为水和氢，比铁离子的催化效率高109倍。酶还有严格的专一性，一种酶一般只能专一地催化某一种或某一类化学反应。其缺点是不稳定，易受外界条件（如酸、碱和热等因素）的影响而变性失活。,工业上：主要利用微生

2、物发酵法生产各种酶制剂，其中应用最多的是淀粉酶制剂和蛋白酶制剂。淀粉酶主要用于纺织业进行棉布退浆，食品工业上使淀粉水解生成葡萄糖。蛋白酶大量用于皮革脱毛、蚕丝脱胶等。医学上：酶可作药物用于治病，如多酶片和胃蛋白酶是常用的助消化药。尿激酶可溶解血栓，是心肌梗死的急救药物。胰蛋白酶、糜蛋白酶等用于外科清创、化脓、腹腔浆膜粘连等的治疗。天门冬酰胺酶可使某种类型的白血病缓解。农业上：在饲料中添加一定量纤维素酶可使饲料中的纤维素水解生成葡萄糖，提高饲料的营养价值。,医保用药，能溶解血栓，抑制血栓形成，改善微循环。,辅酶Q10是存在于人体细胞内、为细胞活动提供动力的一种辅酶，大量存在于肌肤表皮层。但是，人

3、体本身能够制造的辅酶Q10在20岁达到峰值后便开始不断减少，到60岁时将只剩下20岁时的一半左右。辅酶Q10的减少成为肌肤乃至身体失去青春活力的重要原因之一。缺少辅酶Q10的肌肤，细胞将失去能量，肌肤机能逐渐变弱，色斑、皱纹等容易生成。肌肤的抗氧化力也将下降，易受紫外线伤害，导致弹力及张力丧失。,应用于纺织工业约始于1857年，最初是用麦芽提取物除去织物上的淀粉浆料。1900年，德国的Diaman公司应用退浆酶(Diastafor)进行退浆，它与老的酸退浆法相比，不但退浆效率高而且对织物无损伤。1919年Rapidases酶进入市场，这种酶可使水溶液中的淀粉液化。之后，随着酶的生物工程的进步，

4、它们的适应性有了显著提高，可以在不同温度、pH值和电解质浓度下起高效的催化作用以满足更多的加工需要。近10年来，另一快速增长的工业是工业用洗涤剂，它们应用于洗涤都离不开酶。而纺织染整加工中需要使用大量的不同类别的洗涤剂，这也是酶在染整加工中的重要应用之一。,酶在纺织染整加工中应用受到重视还有另外两个重要原因：世界各国对纺织品及环境无害的要求越来越高，要求达到用“清洁无害的化学”方法来进行纺织染整加工，而传统的染整加工都或多或少采用了“有害的化学方法。而酶是天然蛋白质产品，它们容易完全生物降解，不会污染纺织品和环境。目前非常注重纺织品的高档化和高附加值化，而用酶处理的纺织品可以产生许多特殊的功能

5、，这也促使酶在纺织染整加工应用受到重视。,目前酶在染整加工中的应用:进行纤维素和蛋白质纤维的高档化和高附加值化加工；利用酶对漂白残余过氧化氢催化分解，提高洗涤效果；利用酶来分解印花织物上的浆料，提高洗涤效果和改善织物手感；此外，酶也用于麻的精练、羊毛原毛的脱脂、蚕丝精练等方面。,酶的特性和作用机理,酶一般具有蛋白质的一级、二级和三级结构，有的还具有蛋白质的四级结构特征。一级结构：肽链的氨基酸残基的排列顺序，不同的酶有不同的氨基酸排列顺序；二级结构：主链原子的局部的空间排列主要指肽链借助氢链结合，以螺旋、折叠、转角等形成的规则立体结构，不同酶的二级结构也不相同；三级结构：整个分子或基团的空间排列

6、，即卷曲的螺旋状肽链再以氢键、盐式键以及范德华力进一步折叠盘曲成更加复杂的立体结构，有了二级和三级结构(称为高级结构)之后，才具有酶的催化功能；四级结构：由一、二、三级结构相似的单元再聚合而成蛋白质或酶的大分子。,由此可看出，蛋白质和酶分子并不仅仅是许多氨基酸组成的简单的线形肽链，而是具有非常复杂的立体结构的巨大分子。这种精细和复杂的立体结构就决定了酶的一些独特的性质，例如极高的催化效率和催化的高度专一性，以及这种作用极易受外界条件的影响，包括高温高能辐射、强酸和强碱、重金属离子的作用等，都能导致空间立体精细结构的变形或损坏，从而使酶的催化能力发生变化或丧失，这也是应用酶处理时要严格控制处理条

7、件的原因。,酶的一般蛋白质性质,沉淀作用变性反应呈色反应,沉淀作用:蛋白质溶液受到外界因素的作用，使蛋白质溶液中胶体微粒周围的电荷和水化层遭到破坏或变薄，蛋白质容易发生沉淀，这时蛋白质分子本身未遭到重大破坏或变化，其原来的基本性质仍然保持着，而且这种变化是可逆的，一定的条件下仍然可以变成可溶状态。许多酶的提取就是按照此原理，利用中性盐类，例如硫酸钠、硫酸铵、氯化钠等。在弱酸性或中性溶液中，加入浓度足够高的上述中性盐，使蛋白质电荷中和并脱水，发生沉淀而提取，即酶的盐析提取法。得到的沉淀物在没有电解质(中性盐)的水溶液中又可重新溶解，仍具有催化能力。,中性盐分级盐析法：不同的酶盐析的难易程度不一，

8、若一个样品中含有几种酶，则可以利用不同浓度的中性盐来盐析，例如米曲酶发酵液，既含有淀粉酶又含有蛋白酶，当酶溶液加入硫酸铵的浓度达到50时，淀粉酶开始沉淀析出，继续加入硫酸铵，浓度达到70时，蛋白酶被沉淀出来。重金属盐(硫酸铜、醋酸铅、氯化汞和硝酸汞等)也可以使蛋白质沉淀，但这是不可逆的沉淀作用，酶被沉淀出来后失去催化能力，所以重金属盐是酶的有害毒性物质，非但不能用来提取酶，在应用酶处理纤维及纺织品时，还会使酶失去活力或降低处理效果，应该防止这类重金属的出现。,有机溶剂(乙醇、丙酮等)：酶的另一类重要的沉淀剂，也是可逆沉淀，可用于提取、纯化酶制剂。例如淀粉酶溶液加入乙醇的浓度达到60时，近90的

9、酶被沉淀出来，当乙醇浓度增加到70时，淀粉酶100被沉淀出来。果胶酶也通常采用乙醇来提取。丙酮在酶的纯化加工中也被广泛采用。这些有机溶剂使蛋白质沉淀主要通过脱水作用，失去水的蛋白质相互碰撞结合而沉淀出 来，所以沉淀提取效果很好，而且不会改变酶分子的结构而降低它们的催化活力。,变性作用:酶分子可以被高温、辐射线(紫外线、X-射线等)破坏而变性。这种变性是不可逆的，使酶会失去活力。日常所进行的加热消毒其实质就是利用高温使细菌蛋白质酶变性导致其死亡。也常常采用加热法采使酶蛋白质变性而丧失催化能力，终止反应。当然，酶处理时控制温度过高，也会因酶失去活力而降低处理效果，所以酶处理时控制恰当的温度是重要的

10、条件之一。,呈色反应:所有结晶酶都有蛋白质的呈色反应，例如蛋白质和酶蛋白用硝酸处理，会呈现黄色反应。细菌淀粉酶溶液以氢氧化钠处理后，再加入硫酸铜溶液，会呈现紫红色。酶蛋白的呈色反应可用来鉴别和测定酶的存在和浓度。,酶的催化作用特点,极高的催化效率 高的专一性,极高的催化效率:一个化学反应的进行，其反应分子能否发生反应，决定于它能否达到一定的能量水平(即活化能)。同一化学反应，循不同途径的活化能数值是不同的。当化学反应有催化剂存在时，活化能可以大大降低，因此达到活化能水平的反应物分子数大大增多，反应速度大为加快。,K为速度常数；T是反应温度；R是气体常数；E是反应活化能；A是频率因子 酶在化学反

11、应中，就是起降低活化能和增加频率因子(即反应分子间的碰撞率)的作用，从而大大加快反应速度。,过氧化氢的分解反应，没有催化剂时，需要活化能约为75360.4Jmol，用钯作催化剂时，需要活化能48985.6Jmol，而用生物催化剂如过氧化氢酶作催化剂时，其活化能仅为7117.6Jmol，约为没有催化剂时十一分之一，约为用钯作催化剂的七分之一。所以反应速度可大大加快。另一方面，一般酶与被催化的反应物(又称底物)有亲和力，并以一定的有利于反应的位置相结合，所以用酶作催化剂时的频率因子也大为增大，故也使反应速度大大加快。,高的专一性 酶的催化作用具有高的专一性，即酶对作用底物有严格的选择性，一种酶只能

12、催化特定的一类或一种物质进行反应。酶对底物这种专一性表现在两方面，即对被作用的反应物是专一的，和对于被催化的反应是专一的。由于一种酶通常只催化特定的底物进行特定的反应，所以酶的命名也是以酶在这两方面的专一性为依据的，例如纤维素酶、蛋白质酶等。不同酶其专一性的程度有所不同，有的酶只作用一种底物，这叫做绝对专一性，只要底物分子作任何细微的改变就不能被催化。有些酶对底物的专一性相对较低，可催化同一族化合物或化学键，故又分为族专一性和键专一性。前者例如蛋白水解酶，而且不同的蛋白水解酶的专一性很不相同，例如胰蛋白酶只作用于蛋白质的肽键，而且水解的肽键的羧基一端L-精氨酸或L-赖氨酸，而对于肽键的氨基一端

13、则没有什么特殊的要求，只要不是脯氨酸残基就可以了。,键专一性酶仅仅催化一种类型的反应，对作用键两边邻近基团的性质就没有特别选择，所以这种类型的酶又称反应专一性酶。例如脂肪水解酶可以催化有机酸的酯水解，也可以水解脂肪，但不能催化酰胺水解。不过对不同的底物的水解速度是不同的，短链的水解速度快，长链脂肪的水解速度慢。还有些酶的专一性随酶的认识程度而变化，可以催化不同类型的反应，对不同反应的专一性差别很大，所以它的专一性也是相对的。因此可以认为，绝对专一性和族的专一性都可以看成是反应专一性的特殊情况。,立体专一性:酶只能作用于底物的立体异构物中的一种。当底物含有不对称碳原子时，酶仅能作用于立体异构体中

14、的一种，而对其对应体则全无作用。酶的这种作用的专一性应用于生产，可以有选择地使用某一种酶催化某一物质进行反应，而保留另外一些物质，例如，丝绸的精练脱胶，采用丝胶酶就可以在不损伤丝素的情况下去除丝胶，它们都是由蛋白质组成。同理用淀粉酶对棉织物退浆，可以在不损伤棉纤维(纤维素组成)的情况下去除淀粉浆料，纤维素和淀粉都是由葡萄糖残基组成的高分子物。,酶的活性部位和作用机理,酶的活性部位:酶具有两方面的专一性，即结合的专一性和催化专一性。事实上，酶分子的催化作用只发生在酶分子的一小部位上，这个部位称为活性部位，或活性中心。这部位是具有三维结构的，因此酶蛋白质如果没有二级、三级结构就不可能构成有效的活性

15、部位。活性部位是处在酶分子表面的一个裂槽内，在此处发生和底物的结合和对底物起催化作用,分为结合部位(或结合中心)和催化部位(或催化中心)。结合部位决定酶催化作用的专一性，催化部位决定酶的催化活力和专一性。酶的活性部位虽然大致看成是其分子表面的一个裂槽，实际上是有一定的大小和状，故有人称凹坑、孔穴、空洞或空穴。,结合部位和催化部位都是由酶分子的一些基团组成。催化部位的氨基酸数目一般不多，只有23个，结合部位的氨基酸数目相对的要多一些。作为酶活性部位的氨基酸残基在肽链彼此可以相隔很远，并不在一起，但在酶分子的空间构型上却彼此紧密地靠在一起。实际上，这两部位的几何位置并不是截然分开的。而且酶分子的其

16、他部位对维持酶的活性也是不可缺少的，特别是任何破坏酶分子空间构型的因子，都会导致酶活力的丧失。,酶分子对底物的这种专一性的适合关系，最早有人提出“锁和钥匙”模型来解释：,上述的活性部位也不能完全与整个酶分子分割开来，酶分子的其他部位对催化作用和活力的调节作用以及维持酶的三维结构等方面都有重要作用，所以酶分子活性部位和底物的关系，不能简单看成锁和钥匙的形状和大小的适合关系，所指的专一性包含的内容要复杂得多。,专一性和高效率不是一回事，专一性一般是指酶结合能力大小。一些抵制剂和酶的专一性也很好，结合的离解常数很小，但它并不能发生催化反应；高效率是指催化反应速度而言，一些有催化作用的金属离子并无专一

17、性。在酶的催化反应中，两者是密切相关的。,酶的作用机理和过程,辅酶和辅基 一些酶除了含有作为酶分子的高分子蛋白质部分外，还含有一个非蛋白成分，若将其分离掉，酶将失去活力，如果再将其加入，酶的活力又重新恢复。这个非蛋白质是一些酶起催化作用不可缺少的，这就是酶的辅酶或辅基。前者与酶蛋白结合得比较松能被透析去掉；后者与蛋白质结合比较牢固，一般不易透析去掉，但两者没有截然的界限。,辅酶：在酶反应过程中起着运载底物的电子或某类基团的作用。在反应中，它虽然发生了变化，但是通过其他酶或其他反应，可重新恢复到原来的状态，它们在反应过程中运载底物电子或基团，反应后离开酶的活性部位，成为另一个酶的底物。通过其他反

18、应，再生成原来的形式。辅基：在酶的反应过程中，一直结合在酶的活性部位，成为活性部位的一部分，酶再生为原来的形式时，也不离开原来的酶的活性部位。,酶的分类,已经指出酶的种类繁多，分类也有多种方法:根据酶的来源可分动物酶、植物酶和微生物；根据生物在细胞内外形成酶又分为胞外酶和胞内酶。胞内酶种类最多，生物合成中，分解化合的一系列催化反应基本上都是胞内酶参与的。而胞外酶则多数为实用酶，纺织染整加中应用的酶基本上都属这类，例如淀粉酶、蛋白酶等。胞内酶和胞外酶的界线也不能绝然分开，譬如细菌淀粉酶虽然属胞外酶，但不等于细菌形成淀粉酶之后，立即全部分泌到细菌体外，而细菌体内一点淀粉酶都没有，只是说细菌淀粉酶大

19、部分是分泌到胞外，故称胞外酶。,酶按其催化作用的性质被分为六大类:1氧化还原酶2.转移酶 催化一定的基团由一种化合物分子转移到另一种化合物分子上3水解酶如：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果胶酶、纤维素酶等。4裂解酶 催化裂解化合物生成两种以上的产物的酶。5异构酶 异构酶是催化同分异构化合物相互转化的酶。它在糖果生产中可使葡萄转化成果糖，从而使甜度增加。6生合酶 生合酶是催化合成某些化合物的酶。主要用在生物合成工业中。,影响酶反应的因素,影响酶反应活力的因素很多。对胞内酶，酶和酶之间，酶和其他蛋白质之间，以及酶和其他生物高分子之间，都存在相互作用，影响酶的活力。对胞外酶，虽然可以分离出来，影响因素也有

20、许多，这主要包括PH值、温度和金属离子、抑制剂及其他小分子，以及酶浓度等因素。,(一)pH值对酶反应的影响酶分子上有许多酸性、碱性氨基酸的侧基，这些基团随着pH值的变化可以处在不同的离解状态，而侧基的不同离解状态可直接影响底物的结合和进一步的反应，或者影响酶的空间构象，从而影响酶的活力。(1)酸或碱可以使酶的空间结构破坏，引起酶的活力丧失，这种丧失活力可以是可逆或不可逆的，对可逆的来说，改变pH值后可使活力恢复。(2)酸或碱影响酶的活性部位催化基团的离解状态，使得底物不能分解成产物。(3)酸或碱影响酶活性部位结合基团的离解状态，使得底物不能和它结合。,甘氨酸,亮氨酸,赖氨酸,谷氨酸,pH值不一

21、定相同。最适合的pH值还随着底物浓度、温度和其他条件的变化而变化，因此确定最合适的pH值应在所实验的条件下测得。需要指出的是，pH值还会影响酶分子的构象，构象不同，活力也不同。这种影响还可分为可逆和不可逆两种情况，可逆情况时，活力会随构象恢复而复原，不可逆时活力不会复原。所以pH值对酶的稳定性和活力的影响非常复杂。,不同种类的酶，其最适合的pH值范围不同。例如嗜热硬脂芽孢杆菌的淀粉酶最适合pH值是4.65.1，偏酸性。有的处于中性，也有的处于碱性，但品种较少。即使是同一种来源不同，其最适合的pH值也有差异，例如栖土曲霉产生的蛋白酶最适合的pH值近中性（87.5），而短小芽孢杆菌产生的蛋白酶最适

22、合的pH值在10.011.0之间，表现较好的耐碱性。,使用时，为了方便起见，常将微生物蛋白酶根据其作用时最适合的pH值，大体分为酸、中性和碱性三类。,同一种酶虽然来源于同一种微生物，由于作用底物不同，酶的最适合pH值也不同，因为pH值也会影响底物的结构和性质，而酶催化反应速度和酶及底物的结构和性质均有关系。即使同一种酶作用于同一底物，如前所指出的那样，随着温度等条件变化，最适合的pH值也有变化。例如，细菌的-淀粉酶随反应温度的升高，最适合的pH值范围逐渐变窄，在6070时，最适合pH值为5.07.0，而在80时，最适合pH值在5.56.5。,事实上酶反应的最适合pH值范围与微生物最适合生长环境

23、的pH值大致相近，在酸性环境中生长很好的细菌，其蛋白酶反应的最适合pH值为4.8左右；在中性环境中生长比较好的菌，其蛋白酶反应的最适合pH值为7.2左右；而在pH值较宽的环境中生长较好的细菌，蛋白酶反应的最适合pH值范围也较宽。例如，短小芽孢杆菌生长最适合的pH值为9.0，其蛋白酶反应的最适合pH值也是9.0左右。,研究酶反应最适合pH值不仅可控制最适合的条件，发挥酶的最大效用。另一方面，也可用来判断酶的组分。例如某种蛋白酶反应时，pH值与反应活力关系曲线不是出现一个峰，而二个峰或三个峰，一般来说，这种酶制剂的组分不是单一的，而是由不同适合pH值的酶混在一起组成的多组分酶。实际上微生物产生的蛋

24、白酶，大多数是几种酶的混合物，所以最适合的pH值也只是决定于其中主要的一种酶。,(二)温度对酶反应的影响温度也是酶处理的一个重要因素，它和酶活力的关系也往往呈一钟罩形的曲线。反应速度在某一温度时有一最大值，通常称这个温度为最适合温度。虽然酶反应和其他化学反应一样，在一定温度范围内，温度升高，反应速度增快，但是若进一步升高温度，由于酶会发生热丧失活力现象，所以温度升高，酶反应速度反而减小。,在实际进行酶处理时，要保证达到一定的温度，温度升高，反应速度加快(和其他化学反应一样，一般升高温度10，反应速度增快一倍左右)，在低温时，升高温度加快速度会更加明显些。另一方面要注意升高温加速酶丧失活力，所以

25、反应温度应控制在反应速度较快，而又不导致酶丧失活力的范围。由于实际应用时，酶总是要发生丧失活力的现象，所以酶的最适合温度还要取决于酶处理时间的长短，假如反应时间短，即使发生丧失活力现象，反应适合的温度还是宜高些，若时间较长，则反应温度宜低些。,(三)金属离子对酶反应的影响金属离子对酶的形成、提纯有密切的关系，而且金属离子对酶的活力也有很大的影响。众所周知，在培养产生酶的微生物时需要一定的无机盐，无机盐是微生物繁殖的不可缺少的营养成分，也是菌体和酶的重要组分。有些金属离子是稳定酶的三维结构的重要因素；有些金属离子则是直接参与催化反应的。金属离子的催化作用往往和酸的催化作用相似，而且催化作用很强。

26、金属离子还可参加氧化还原反应，作用是多方面的。,一些辅酶本身就是金属离子，或含金属的有机化合物。外加的金属盐会改变酶的许多性质，例如溶解性，对胶体性能也很敏感，可以消除胶体微粒的电荷，降低溶解性，甚至会发生沉淀，因此利用中性盐可以使酶沉淀，从而达到提纯的目的。酶的热稳定性和金属离子关系也很密切，例如酶反应体系有钙离子时，酶的热稳定性得到提高。,金属离子对酶的活力影响也有很强的选择性，有一些酶需要K+活化，NH4+往往可以代替K+，但Na+却不能活化这些酶，有时还有抑制作用。相反另一些酶却需要Na+活化，K+却起抑制作用。一些二价的金属离子，例如前述的Ca2+，此外还有Zn2+、Mg2+和Mn2

27、+等也为一些酶表现活力所必需。金属离子的作用机理还不十分清楚，可能和它们影响酶的三级结构和四级结构有关，改变酶的活性部分的结构，也可能会和底物发生作用，例如和底物结合，甚至发生反应，从而也会改变酶的催化反应。,提高酶的活力的物质通常称酶的激活剂，或活化剂。如上所示许多金属离子就是酶的活化剂。除了上述的一些金属离子外，对于某些酶来说Fe2+等离子也有活化作用但是在不少情况下，重金属离子对酶的活力起抑制作用，例如Ag+、Fe2+、Hg2+、Cu2+等，这些对酶的活力起抑制作用的物质称为抑制剂。,金属离子抑制酶的活力，一般认为可能是和酶的某些基团发生反应造成的。例如Ag+、Cu2+和Hg2+等和酶的

28、活性基团巯基生成金属化合物，导致酶的活力被抑制。,2ESH(酶分子)+Hg2+ESHgSE(被抑制的酶分子)+2H+,抑制剂和激活剂对酶反应的影响,除了金属盐或金属离子外，许多小分子也有这种作用，即一些是激活剂，另一些是抑制剂。凡是阻止反应，降低反应速度的作用都可称为抑制作用，起这种作用的物质称为抑制剂。这实际上包括下列几种作用：1.钝化作用 通过一些物理或化学因素破坏酶的三维结构，引起酶活力降低或丧失。2.抑制作用 由于酶的某些基团或活性部位的化学性质的改变而引起的酶活力降低或丧失。,3.竞争作用 一些抑制剂和酶的作用底物有相似的化学结构，当这些抑制剂浓度足够大时，能同底物竞争与酶分子结合，

29、因而影响酶和底物结合，降低酶对底物的催化反应速度而起抑制作用，在这种场合，当增加底物的浓度时，抑制作用会减弱，甚至不明显。专一性的不可逆抑制剂应具有和底物相似的结合基团，并具有能与活性部位结合和反应的基团.非专一性的不可逆抑制剂可作用于酶的一类或几类基团，这些基团中包括催化必需的基团，作用后将引起酶失去活力。,除金属离子外，一些小分子，还包括一些阴离子对酶有激活作用，也是活化剂。常见的阴离子包括Cl-、N03-、S042-等。激化剂对酶的激活作用机理，大致与抑制作用相反，激化剂可能是构成酶活性部位的主要成分。尤其是某些金属离子，由于它们的存在会使酶活性部位变性而激活酶。另一些激活剂可以与酶的底

30、物发生作用，生成与酶更易反应的复合物，产生激活作用。当酶催化反应产物对酶反应速度有抑制作用时，激活剂可能是和这种产物形成某种复合物，使产物从反应平衡过程中分离出去，从而加快酶的催化反应，达到激活的目的。,酶浓度和底物浓度对酶反应的影响,在反应底物浓度足够大(例如纤维材料量多时，其浓度可看成足够大)的情况下，酶反应速度和酶的浓度成正比，属表观一级反应。事实上直线关系只限于一定的范围内才适用，酶浓度超过一定量时，再增加酶用量，反应速度会偏离直线关系。因为，随着反应的进行，影响酶反应速度的因素不仅限于酶的浓度。,已经指出，酶的催化反应只是当酶的活性部位和底物发生专一性的结合和催化时才能进行。因此当酶

31、的浓度一定时，酶的反应速度也随底物浓度增加而增加，但当底物浓度(或数量)增加到一定程度，体系中的酶已全部和底物结合后，再增加底物，反应速度不会增加。在纺织品加工时，被处理的是纤维材料，发生的催化反应是固液相的多相反应。反应主要在纤维界面上进行，因此反应速度不仅和纤维的数量有关，还和纤维的表面积、表面形状以及纺织品的组织结构有关，纤维润湿性和纺织品的吸水性也都会影响酶的反应速度.,影响酶反应的其他因素,酶分子和底物反应的邻近效应 酶和纤维等的反应和稀溶液中的双分子反应不同，酶分子吸附在纤维表面，可以是和一个底物结合，也可能和邻近的两个底物结合在其活性部位，因此对于那些含多个反应基团的底物，显然比

32、含反应基团少的底物反应速度要快得多，这种底物反应基团的分布状态和密度直接影响催化效率。,多元催化和微环境的影响酶的催化反应往往是几个基元催化反应配合在一起共同起作用，有的水解反应既包括碱催化反应，又包括质子催化反应，所以催化效率很高。能否发生多元催化反应决定于酶和底物的结构。在某些微环境下，酶和底物(例如纤维)分子都很大，活性部位可结合多种基团，因此只要选择合适的酶，创造合理的微环境，有可能形成多元催化体系，从而大大提高催化反应的效率。,诱导契合效应 酶和底物的结合不是机械和静止的，所以不能简单应用锁和钥匙模型来表述。因为酶和底物结合过程中，在各种分子作用力的作用下，酶的催化和结合基团的排列会

33、发生一定的变化，使相互间更能密切的结合，这种结合性的增强会大大提高酶的催化效率。不同的酶和底物，由于化学结构和三维结构不同，相互诱导契合效应也将不一样，催化效率将不一样。有关诱导契合的过程和程度研究还很不够，但是选用那些产生诱导契合效应高的酶，将有利于提高酶的催化专一性和催化效率，这在纤维的酶处理时、也是很重要的。,影响纤维的酶催化反应的因素还包括浴中的其他添加物，例如一些防腐剂有抑制作用，此外浴比、搅拌速度和溶液循环方式等也会产生影响。所以不同处理设备将有不同的效果。最后还要指出的是，由于酶是蛋白质，和其他蛋白质一样，除了热、pH值、重金属离子、中性盐、有机溶剂或试剂对它的稳定性有影响外，辐

34、射线、超声波、等离子体等对它也会发生作用，使其活力降低和丧失，所以在保存和应用时应该避免受到这些因素的作用。,酶的改性和固定,进行酶催化反应后，如能将酶从底物和生成物中分离出来，就可以继续应用。为了提高酶的活力或催化效率，提高酶的稳定性等性能，可将酶进行改性和固定在一定的载体上，这也是近年来研究的一个热点，改性和固定化酶与天然酶相比有以下一些优点：(1)提高酶的催化效率和稳定性；(2)配制具有合适的性质和状态的酶制剂，便于应用；(3)有利于反应的连续化；(4)易于调节和控制酶反应；(5)有利于提高生成物纯度和得率；(6)有利于节能和环境保护。,目前改性和固定的方法很多，其中在纺丝期间将改性酶加

35、入到纺丝液中，纺制成纤维生化催化剂是最有效的一种方法。由于改性提高了纤维生化催化剂的稳定性，又由于纤维的多孔性增加和提高了生化催化剂的活力。甚至可以将发生连续催化反应的数种酶固定在纤维中连续产生多种催化作用。酶改性和固定也可制成粉末、凝胶和微胶囊状后应用。制造这种纤维生化催化剂时，往往是先将酶改性，然后再掺人到含活性基团的不溶于水或溶于水的聚合物中，再混入纺丝液中进行纺制纤维，或者在纺制纤维时直接将酶加入纺丝液中。,固定化技术经过三十多年的发展,克服了游离酶反应存在的分离困难、稳定性差和易流失等问题。但真正应用于工业化的固定化酶并不多,主要是因为固定化酶的过 程中还存在几个急待解决的难题:(1

36、)酶的活性中心发生物理化学变化导致酶活力降低;(2)酶固定化后多了空间屏障,增加了传质阻力;(3)酶和载体结合不牢固,容易脱落,酶活力损失大;(4)固定化颗粒成型困难。,如何解决这些问题是固定化技术的热点,研究者不断地对固定化载体改良并提出新的载体和固定化方法,并在耦合固定化方面进行了大量的研究。耦合固定化是指几种固定化方法或载体的联合使用,即添加稳定因子和促进因子的固定化方法。近年来耦合固定化技术发展迅速,在生物转化、手性拆分和废水处理等方面均有良好的应用实例。耦合固定化技术能够平衡传统单一固定化方法的优缺点,使酶在保持原有活性的基础上,稳 定性有所提高,还具有操作简单、成本低廉等优点。,耦

37、合固定化技术,吸附交联共价结合交联絮凝固定化与其他方法的耦合 包埋固定化与其他方法的耦合 保护剂与固定化技术的耦合 膜固定化与其他方法的耦合,吸附-交联,吸附载体富含氨基或羟基,酶通过物理吸附或离子吸附作用与载体结合,结合力比较弱,高离子强度和高pH 值下,容易解析造成酶的泄漏,一般不单独使用。吸附交联法是目前使用较多的耦合方法,其中以先吸附后交联的方法最为常见。交联作用能够增强酶和载体之间的作用力,避免单一吸附固定化酶易脱落造成产物污染的缺点,提高固定化酶的稳定性。用纯化的海沙固定环胡精葡萄糖苷转移酶(CGTase),虽然能够达到98%的吸附率,但酶很容易从介质上脱落,而戊二醛的交联增强了结

38、合力,解决了这个问题,酶反应8 批次后,仍然能够维持80%的活性。,共价结合交联,共价结合法一般通过载体表面的基团与酶表面的基团如:氨基、羧基、巯基等相互作用实现固定化,结合比较牢固,基团之间有很强的选择性。共价结合交联法能增强酶和载体间的作用力,并且通过交联作用使载体结合更多的酶。将GL27ACA 酰基转移酶通过共价结合交联法固定在氨基丙烷基三乙氧基硅烷活化的硅胶上,酶活力可提高60%,反应20 批后酶活力仍维持在70%以上。,絮凝固定化与其他方法的耦合,1977 年,Long Margarete 等提出絮凝固定化技术,用絮凝剂对细胞进行处理,将得到的絮团经离心、过滤、压缩、干燥等工艺,得到

39、粒径统一的固定化细胞颗粒。絮凝固定化具有条件温和,酶活回收率高的优点,单一絮凝固定化的方法避免了将细胞从发酵液中分离的步骤,但操作过程也很复杂。如果用絮凝吸附法将从发酵液(酶液)絮凝出的酶直接吸附到介质上,可简化絮凝固定化的操作工序,并增加固定化酶的稳定性。Nivedita Kamath 等利用多聚电介质的絮凝能力将尿素降解细胞吸附在棉布介质上降解尿素,大大降低了传统高压分解釜分解尿素的费用,并适用于连续的操作。,包埋固定化与其他方法的耦合,包埋法是固定化酶比较方便的方法,条件温和,基本上不会改变酶的结构,细胞也不容易脱落,但主要存在机械强度差、酶易泄漏和传质阻力较大。包埋法使用的一些凝胶分子

40、间隙较大,即使是分子量很大的酶也容易在其中发生疏漏,解决这个问题主要有两个方法:一是用交联或共价结合的方法处理包埋酶颗粒;二是将酶吸附在一些大分子颗粒上,增大酶分子的体积。将葡萄糖淀粉酶吸附在凝胶化的玉米淀粉颗粒上,再用海藻糖包埋,解决了酶泄漏的问题。,保护剂与固定化技术的耦合,蛋白质间的相互作用力如二硫健、疏水作用力、范德华力和氢键作用力与蛋白质的结构有关,一些添加剂能够影响这些作用力的参数,进而影响酶的稳定性。如:使酶热变性的主要因素是二硫键的氧化、变性及其团聚,而一些添加剂(糖、盐、一元或多元醇、多聚电介质、氨基糖等)对二硫键的三维结构具有一定的保护作用,有利于提高固定化酶的稳定性。海藻

41、糖对固定化酶的保护作用,认为其保护机理是糖的羟基与酶分子形成氢键,提高酶的热变性温度,或糖分子包裹在酶分子周围,形成“玻璃态”,稳定酶的空间结构。,膜固定化与其他方法的耦合,膜固定化法又称酶截留法,是将酶限制在一定的范围内来实现固定化。用几种物质修饰膜,并共价结合尿素酶,发现经硫酸羟氨修饰的膜固定化酶活力较高,可能是酶分子和带电膜之间的间隔较大,酶不易受到带电离子的影响,反应4 h 后,游离酶完全失活,而固定化酶仍保持80%的活力。絮凝剂与膜固定化联合使用不仅使两者的优点都得到充分的体现,并且由于絮凝作用细胞体积增大,可以选择孔径较大的膜,使底物扩散到膜内及产物流出的传输速率都得到相应的提高。,对纤维素纤维可针对纤维素的羟基采用多种方法，包括叠氮衍生物法、缩合试剂法、重氮法、烷基化法、载体结合法等来固定酶，实际上也是对酶改性。对蛋白质纤维针对其氨基或羧基也可采用上述方法来固定。而对涤纶固定较困难些，只能采用接枝聚合法来固定。一些研究证明，将水解蛋白酶固定在纤维素三醋酸酯和二醋酸酯可获得很好的结果。目前，纺织染整加工中应用的酶制剂不少是未经过改性和固定化的酶。但是可以预料，应用改性酶来加工，必定会获得新的效果和更高的效率，值得进行研究开发。,