漆酶及其應用

生物技術(shù)漆>〈酶〉〈及〉其〈應〉〈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)域得到了廣泛的應用。本文主要從紙漿的生物漂白、生物制漿、去除氯酚類(lèi)化合物的毒性等幾個(gè)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;應用;漆酶/介體體系中圖分類(lèi)號:Q814文獻標識碼:A文章編號:1001-6309(2004)06-0079-03漆酶( laccase)是指一類(lèi)性質(zhì)相近而又不完全作用相同的多酚氧化酶的總稱(chēng)。最早是在1883年由已經(jīng)證明m,漆酶的催化氧化反應需要氧氣Yoshida首先從漆樹(shù)液中發(fā)現的,后來(lái)人們又從大作催化反應的中間物。漆酶在有氧條件下催化氧量的真菌體中發(fā)現了漆酶。由于漆酶來(lái)源很多,結化酚類(lèi)化合物,同時(shí)分子氧被還原成水,在這一過(guò)構各異,因此不同來(lái)源的漆酶表現出來(lái)的催化特性程中,漆酶從氧化底物分子中提取1個(gè)電子,使之相差較大。即便是同一來(lái)源,如同一白腐菌菌種,可形成自由基,自由基不穩定,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)適pH、底物專(zhuān)一性等,因此催化氧化作用也各不相漆酶的催化氧化機理主要表現在底物自由基同的生成和漆酶分子中4個(gè)銅離子的協(xié)同作用。當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(lèi)(如氫醌)氧化時(shí),首先是底物氫醌向漆蛋白,具有特征性吸收光譜。通常認為,每個(gè)漆酶蛋酶轉移1個(gè)電子,生成半醌—氧自由基中間體,白分子中含有4個(gè)銅離子,分屬于3類(lèi),其中I型1用ESR可觀(guān)察到明顯的自由基信號。其次是不均等個(gè),Ⅱ型1個(gè),Ⅲ型2個(gè)。漆酶分子中的銅離子是漆非酶反應,2分子半醌生成1分子對苯醌和1分子酶催化反應的活性中心,在催化氧化過(guò)程中起決定氫醌。氧自由基中間體還能轉變成碳自由基中間體它們可以自身結合或相互偶聯(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(guò)4個(gè)銅離子協(xié)同地傳遞電子和價(jià)態(tài)變化實(shí)現的。很多研究表明,漆酶可以降解木素,與有毒的酚類(lèi)中國煤化工環(huán)保等方面得到泛的CNMHG簡(jiǎn)單介紹。作者簡(jiǎn)介:魏華麗(1977-),女,在讀博士,主要方向為漆酶的應用聯(lián)系電話(huà):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。雖然尚未達到大規目前,在紙漿的生物漂白中,木聚糖酶的應用模生產(chǎn),但是已達到中試生產(chǎn)的規模,而且能有效較多。但木聚糖酶的作用是通過(guò)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(jiàn)的。還有人根據漆酶的催化特性,設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(guò)程,漆酶參與了氧化固醇類(lèi)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(guò)程10。表明,能夠直接進(jìn)攻木素的主要氧化酶有三種,即3生物制漿和機械漿預處理木素過(guò)氧化物酶、錳過(guò)氧化物酶和漆酶。在這三種酶中,漆酶被認為是在紙漿漂白工業(yè)中最具有應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,降低纖維間的結能氧化降解木素結構中達90%的非酚型結構單元,合力,使之離解成漿。這一工藝不僅會(huì )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,還嚴重污染環(huán)氧化還原過(guò)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(guò)程中存在一個(gè)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,并擴散條件下進(jìn)行,并能節約設備和能耗(。盡管酶法制到紙漿中,然后與紙漿中的木素反應使之降解,達漿代替化學(xué)制漿還在試驗和攻關(guān)階段,但是可以預到漂白目的。主要機理如下圖所示言,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之達到實(shí)用化,將會(huì )給造紙工業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟效HO人 Laccase氧化態(tài)人 MediateLignin 2氧化態(tài)益和社會(huì )效益。LMS體系氧化木素的機理有研究報道,在機械漿生產(chǎn)過(guò)程中,用漆酶漆酶介體體系(1 accase- mediator- system,預浸漬木片可以降低磨漿能耗,大約可以節省機械LMS)在氧氣存在下與紙漿作用,具有良好的脫木漿生產(chǎn)過(guò)程中總能耗的5%~8%。與未經(jīng)漆酶預處素效果,可引起紙漿卡伯值的大幅下降,有利于實(shí)理的機械漿相比,漿料的白度稍有提高,其他光學(xué)現少氯或無(wú)氯漂白。并且LMS漂白可以與其他任何性質(zhì)基本沒(méi)有變化。并且,經(jīng)漆酶浸漬處理后,紙漿漂白過(guò)程相結合。付時(shí)雨等人利用漆酶在介體得率沒(méi)有降低,手抄片的強度不變或有所提高。酶NHA作用下處理尾葉桉KP漿,再經(jīng)過(guò)HO2漂白,紙處理過(guò)的纖維似乎能夠提高纖維間的結合能力,這漿卡伯值降低56%,白度可達81%IO。目前IMs漂進(jìn)一步表明了漆酶在機械漿生產(chǎn)中的應用前景,即白還處于研究試驗階段,但已呈現出在紙漿生物漂可以通過(guò)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(huà)簿紙。2合成方面的應用4去除氯酚類(lèi)有機化合物,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,它也能在細胞中國煤化工有轉化酚型底物的能壁間催化酚類(lèi)化合物的聚合粘接來(lái)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(kāi)合過(guò)程中,有氯離子從溶液中被釋放出來(lái),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,型底物反應體系中,適當地優(yōu)化和改變反應條件,23:519可以有效改善不同來(lái)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)結構和濃度,反應混合體系的pHatalysts for the transformation of substituted phenols[J]. Enzyme值,酶的活性以及反應時(shí)間和反應溫度,添加劑等,Microb. Technol., 1986, 8(3): 171都對底物的聚合反應有影響。[5] Fellci M, Luna M, Artemi F et al. J. Chromatogr, 1985, 320(2一般認為,漆酶處理有機氯化物的機理是: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(guò)與漆酶反應被氧化形zymes: A Review[J]. J of pulp and paper science, 1995, 21:成游離基或反應活性的醌類(lèi)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。這一反應機理包括酚上一電子和一質(zhì)子and Technology,2001,21(4):361-370.轉移形成一自由基,該自由基具有3種共振形8】付時(shí)雨等,漆酶/介體系統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(qián)世鈞,真菌漆酶及其應用.生物工程進(jìn)展,200,121物,使用漆酶處理該廢水,通過(guò)催化氧化聚合反(5):23-28應,可去除90%以上的鞣酸類(lèi)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(shí)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(chǎng)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