生物技術(shù)漆>〈酶〉〈及〉其〈應(yīng)〉〈用●魏華麗,史安石,石淑蘭(天津科技大學(xué),天津300222)摘要:漆酶是一種含銅多酚氧化酶,具有催化氧化酚型底物的能力。漆酶在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要從紙漿的生物漂白、生物制漿、去除氯酚類化合物的毒性等幾個方面進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞;漆酶;多酚氧化酶;酚型底物;自由基;應(yīng)用;漆酶/介體體系中圖分類號:Q814文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1001-6309(2004)06-0079-03漆酶( laccase)是指一類性質(zhì)相近而又不完全作用相同的多酚氧化酶的總稱。最早是在1883年由已經(jīng)證明m,漆酶的催化氧化反應(yīng)需要氧氣Yoshida首先從漆樹液中發(fā)現(xiàn)的,后來人們又從大作催化反應(yīng)的中間物。漆酶在有氧條件下催化氧量的真菌體中發(fā)現(xiàn)了漆酶。由于漆酶來源很多,結(jié)化酚類化合物,同時分子氧被還原成水,在這一過構(gòu)各異,因此不同來源的漆酶表現(xiàn)出來的催化特性程中,漆酶從氧化底物分子中提取1個電子,使之相差較大。即便是同一來源,如同一白腐菌菌種,可形成自由基,自由基不穩(wěn)定,進(jìn)一步發(fā)生聚合或解分泌出不同性質(zhì)的漆酶組分,包括其氧化能力、最聚反應(yīng))適pH、底物專一性等,因此催化氧化作用也各不相漆酶的催化氧化機(jī)理主要表現(xiàn)在底物自由基同的生成和漆酶分子中4個銅離子的協(xié)同作用。當(dāng)漆漆酶是一種多酚氧化酶,也是一種典型含銅糖酶催化酚類(如氫醌)氧化時,首先是底物氫醌向漆蛋白,具有特征性吸收光譜。通常認(rèn)為,每個漆酶蛋酶轉(zhuǎn)移1個電子,生成半醌—氧自由基中間體,白分子中含有4個銅離子,分屬于3類,其中I型1用ESR可觀察到明顯的自由基信號。其次是不均等個,Ⅱ型1個,Ⅲ型2個。漆酶分子中的銅離子是漆非酶反應(yīng),2分子半醌生成1分子對苯醌和1分子酶催化反應(yīng)的活性中心,在催化氧化過程中起決定氫醌。氧自由基中間體還能轉(zhuǎn)變成碳自由基中間體它們可以自身結(jié)合或相互偶聯(lián),產(chǎn)物中除醌外還有聚合物和C-O、C-C偶聯(lián)產(chǎn)物3-5。在氧氣的存在下,還原態(tài)漆酶被氧化氧氣被還原成水。漆酶催化底物氧化和對氧氣的還原是通過4個銅離子協(xié)同地傳遞電子和價態(tài)變化實現(xiàn)的。很多研究表明,漆酶可以降解木素,與有毒的酚類中國煤化工環(huán)保等方面得到泛的CNMHG簡單介紹。作者簡介:魏華麗(1977-),女,在讀博士,主要方向為漆酶的應(yīng)用聯(lián)系電話:022-2817575828193513Paper and Paper Making Nov 200479生物技術(shù)1漆酶在紙漿生物漂白中的應(yīng)用發(fā)研究。在酶的催化作用下,用制漿廢水中的木素為原料可以生產(chǎn)木屑板等產(chǎn)品。雖然尚未達(dá)到大規(guī)目前,在紙漿的生物漂白中,木聚糖酶的應(yīng)用模生產(chǎn),但是已達(dá)到中試生產(chǎn)的規(guī)模,而且能有效較多。但木聚糖酶的作用是通過水解半纖維素增加除去制漿廢水中的木素,對水凈化的好處是顯而易木素的溶出,提高化學(xué)漂劑的可及性,而非直接作見的。還有人根據(jù)漆酶的催化特性,設(shè)計漆酶參與用于木素,因此木聚糖酶只能起到助漂作用,不能高分子化合物的合成過程,漆酶參與了氧化固醇類真正取代化學(xué)漂白,從而不能最終消除污染。研究激素芳香環(huán)的過程10。表明,能夠直接進(jìn)攻木素的主要氧化酶有三種,即3生物制漿和機(jī)械漿預(yù)處理木素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶。在這三種酶中,漆酶被認(rèn)為是在紙漿漂白工業(yè)中最具有應(yīng)用漆酶催化木素降解的特性,可用于造紙工業(yè)中前景的酶6并且有報道,漆酶與木聚糖酶結(jié)合使紙漿的生產(chǎn)。木素在木材中的含量約為15%用效果更好。32%。造紙工業(yè)中傳統(tǒng)的制漿是用燒堿或硫酸鹽高漆酶的氧化還原電勢較低(300~800mV),不溫蒸煮原料,除去木材中的木素,降低纖維間的結(jié)能氧化降解木素結(jié)構(gòu)中達(dá)90%的非酚型結(jié)構(gòu)單元,合力,使之離解成漿。這一工藝不僅會使部分纖維因此需要加入一些低分子量化合物作為中介體,在素和半纖維素降解,影響紙漿得率,還嚴(yán)重污染環(huán)氧化還原過程中起到傳遞電子的作用。在漆酶/介境。如果用漆酶等選擇性地降解木素生產(chǎn)紙漿,可體體系氧化脫木素過程中存在一個氧化還原循環(huán),以消除上述工藝的弊端,使生產(chǎn)在常溫常壓的溫和即漆酶氧化介體形成小分子化合物自由基,并擴(kuò)散條件下進(jìn)行,并能節(jié)約設(shè)備和能耗(。盡管酶法制到紙漿中,然后與紙漿中的木素反應(yīng)使之降解,達(dá)漿代替化學(xué)制漿還在試驗和攻關(guān)階段,但是可以預(yù)到漂白目的。主要機(jī)理如下圖所示言,一旦在提高漆酶降解木素的能力、縮短紙漿生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本等技術(shù)難點(diǎn)上有所突破,使LaccaseMediator氧化態(tài) LIgnin之達(dá)到實用化,將會給造紙工業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效HO人 Laccase氧化態(tài)人 MediateLignin 2氧化態(tài)益和社會效益。LMS體系氧化木素的機(jī)理有研究報道,在機(jī)械漿生產(chǎn)過程中,用漆酶漆酶介體體系(1 accase- mediator- system,預(yù)浸漬木片可以降低磨漿能耗,大約可以節(jié)省機(jī)械LMS)在氧氣存在下與紙漿作用,具有良好的脫木漿生產(chǎn)過程中總能耗的5%~8%。與未經(jīng)漆酶預(yù)處素效果,可引起紙漿卡伯值的大幅下降,有利于實理的機(jī)械漿相比,漿料的白度稍有提高,其他光學(xué)現(xiàn)少氯或無氯漂白。并且LMS漂白可以與其他任何性質(zhì)基本沒有變化。并且,經(jīng)漆酶浸漬處理后,紙漿漂白過程相結(jié)合。付時雨等人利用漆酶在介體得率沒有降低,手抄片的強(qiáng)度不變或有所提高。酶NHA作用下處理尾葉桉KP漿,再經(jīng)過HO2漂白,紙?zhí)幚磉^的纖維似乎能夠提高纖維間的結(jié)合能力,這漿卡伯值降低56%,白度可達(dá)81%IO。目前IMs漂進(jìn)一步表明了漆酶在機(jī)械漿生產(chǎn)中的應(yīng)用前景,即白還處于研究試驗階段,但已呈現(xiàn)出在紙漿生物漂可以通過配抄更少的化學(xué)漿生產(chǎn)一些紙種,例如新白和提高紙漿漂白質(zhì)量等方面的誘人前景81聞紙和電話簿紙。2合成方面的應(yīng)用4去除氯酚類有機(jī)化合物,有效處理含酚研究9表明,漆酶在真菌色素合成中扮演重要廢水的角色,并且可能參與菌素的形成,它也能在細(xì)胞中國煤化工有轉(zhuǎn)化酚型底物的能壁間催化酚類化合物的聚合粘接來固定菌絲。人們CNMH氧基酚等。在底物聚已經(jīng)利用漆酶的這種粘接功能進(jìn)行化工行業(yè)的開合過程中,有氯離子從溶液中被釋放出來,這表明802004年11月第6期《紙和造紙》生物技術(shù)漆酶具有去除氯酚化合物毒性的作用。在漆酶與酚【3] Kumsnotani J,KaoK, Hikosaka A.J- Polym.sci,ParC.1968,型底物反應(yīng)體系中,適當(dāng)?shù)貎?yōu)化和改變反應(yīng)條件,23:519可以有效改善不同來源的漆酶去除酚型底物的能41 SHuttleworth K L, Bollag J-M. Soluble and immobilized laccase as力。底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和濃度,反應(yīng)混合體系的pHatalysts for the transformation of substituted phenols[J]. Enzyme值,酶的活性以及反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度,添加劑等,Microb. Technol., 1986, 8(3): 171都對底物的聚合反應(yīng)有影響。[5] Fellci M, Luna M, Artemi F et al. J. Chromatogr, 1985, 320(2一般認(rèn)為,漆酶處理有機(jī)氯化物的機(jī)理是:在43564,:3175-3178[6] Paice M G, Bourbonnais R, Reid I et al. Oxidative Bleaching En-有氧條件下,氯酚底物先通過與漆酶反應(yīng)被氧化形zymes: A Review[J]. J of pulp and paper science, 1995, 21:成游離基或反應(yīng)活性的醌類物質(zhì),然后這些物質(zhì)互280-284相偶合或發(fā)生化學(xué)聚合反應(yīng)生成高分子化合物,降[7] Barbara Surma-Slusaraka, Janina Leks-Stepien. TCF bleaching of低這些有毒物質(zhì)的溶解度,從而除去含氯物質(zhì),減kraft pulps with xylanase and laccase[J]. Journal of Wood Chemistry少其毒性。這一反應(yīng)機(jī)理包括酚上一電子和一質(zhì)子and Technology,2001,21(4):361-370.轉(zhuǎn)移形成一自由基,該自由基具有3種共振形8】付時雨等,漆酶/介體系統(tǒng)漂白尾葉桉硫酸鹽漿的初步研究U1式,化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定。中國造紙,2000(3):8-12.另外,木材剝皮廢水中含有有色的酚型化合(9鈔亞鵬,錢世鈞,真菌漆酶及其應(yīng)用.生物工程進(jìn)展,200,121物,使用漆酶處理該廢水,通過催化氧化聚合反(5):23-28應(yīng),可去除90%以上的鞣酸類和其他酚型化合物[10]Ghindilis aLY. Yaropolov AL. Borman EA et al. Biochimaya, 1986廢水經(jīng)硫酸鋁絮凝后,色度下降82%。同樣的混合51(9):1442-1445.廢水經(jīng)漆酶處理Ih隨后經(jīng)硫酸鋁絮凝,由色譜分1lku- Paavola M L, Raanua M, Soumakki a et al. Effect of析證實86%的氯代酚、99%的氯代愈瘡木酚和nin-modifying enzymes of pulp [J]. Bioresour Technol., 199480%的氯代香草醛、92%的氯代兒茶酚可被去除50(1):73掉。漆酶還可以降低造紙廠其他各工段廢水的色2 Shawn D. Mansfield. Laccase impregnation during mechanical pulp度。將漆酶固定化,可以進(jìn)一步提高漆酶處理廢水processing-improved refining efficiency and sheet strength[J]Appia,55(1):49~53.脫色效率4l。[13] Forss K. Jokinen K Savolainen M. et al. Utilization of enzyme for參考文獻(xiàn)effuent treatment in the pulp and paper industry. Paperi ja Pu-I I ]Bajpai P. Application of enzymes in the pulp and paper industry[J]u.1989(10):1108Biotechnol. prog, 1999, 15(2): 147-157.[14]秦文娟等.利用漆酶降解有機(jī)污染物[J.中國造紙,200I2]王佳玲等.白腐菌漆酶的研究進(jìn)展[J.微生物學(xué)報,1998,255:58-62.(4):233~236Laccase and Its applicationsWEI Hua-li SHI An-shi SHI Shu-lan(Tianjin University of Science and Technology, Tianjin, 300222 China)Abstract: Laccase is a kind of Cuained polyphenol oxidase and can catalyze the oxidation of phenolicsubstances. Laccase is applied widely in many fields such as pulp biobleaching, biopulping, and detoxification ofthe chlorophenol compound中國煤化工Key words: laccase; polyphenol oxidase; phenolic substancesHCN GSe/ mediator system收稿日期:2003-07Paper and Paper Making Nov 2004 No 6