酶在表面活性劑水溶液中的穩(wěn)定性研究

張桂菊，徐寶財(cái)

（北京工商大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100048）

酶在表面活性劑水溶液中的穩(wěn)定性研究

張桂菊，徐寶財(cái)

（北京工商大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100048）

綜述了常用的四種洗滌劑用酶，即堿性蛋白酶、纖維素酶、脂肪酶和淀粉酶，以及它們?cè)诒砻婊钚詣┧芤褐械姆€(wěn)定性及催化活性的研究進(jìn)展，為加酶洗滌劑的開發(fā)應(yīng)用提供一定的參考。

蛋白酶；纖維素酶；脂肪酶；淀粉酶；加酶洗滌劑；表面活性劑

酶是一種高活性的生物催化劑，其本身無毒性并能完全降解，對(duì)環(huán)境無污染。加酶洗滌劑就是利用酶的催化特性，將某些難于洗滌的特殊污垢加以分解，以提高去污效果。洗滌劑中加入酶后具有如下優(yōu)點(diǎn)：一是提高洗滌產(chǎn)品的去污能力；二是減少洗滌劑中表面活性劑和三聚磷酸鈉等助劑的用量，使洗滌劑朝低磷或無磷化方向發(fā)展，減少環(huán)境污染；三是在洗滌過程中，可減少漂洗次數(shù)、降低洗滌溫度，有利于節(jié)水、節(jié)能。因此酶在合成洗滌劑產(chǎn)品中的應(yīng)用是合成洗滌劑工業(yè)發(fā)展過程中的重大技術(shù)進(jìn)步之一。我國(guó)的合成洗滌劑產(chǎn)品中加酶洗滌劑約占總量的40%，而在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，所謂加酶洗滌劑的概念正在消失。這些國(guó)家的洗滌劑產(chǎn)品基本上都是加酶產(chǎn)品，酶在洗滌產(chǎn)品中的地位已經(jīng)從一種功能性添加劑上升為必需的組分。

洗滌劑一般由表面活性劑及其他添加劑等組成，洗滌劑用酶必須要能與表面活性劑進(jìn)行配伍。洗滌劑常用的表面活性劑（如十二烷基磺酸鈉和十二烷基苯磺酸鈉等）很容易與酶蛋白反應(yīng)，引起酶蛋白解離或使肽鏈變性。此類表面活性劑濃度很低時(shí)就足以使酶的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致酶失活。因此，有必要對(duì)酶在表面活性劑水溶液中的穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究。

1 洗滌劑用酶概述

目前已商品化的洗滌劑用酶有堿性蛋白酶、纖維素酶、脂肪酶、淀粉酶以及它們的復(fù)配物[1]。

堿性蛋白酶的活性中心含有絲氨酸，又稱絲氨酸蛋白酶，是商品蛋白酶中產(chǎn)量最大的一類，占蛋白酶總量的70%左右。蛋白酶有助于去除青草、血、黏液以及各種食品的蛋白質(zhì)等污垢。可將這些易黏附在織物表面、幾乎不溶解于水的物質(zhì)水解成易溶解或分散的物質(zhì)，從而易于在洗滌過程中被洗凈。

堿性脂肪酶與洗滌劑中的表面活性劑有很好的配伍性，在洗滌劑溶液中具有較好的穩(wěn)定性，非常適合作洗滌劑用酶。脂肪酶能將表面活性劑很難去除的甘油三酯水解成較易去除的甘油二酯、甘油一酯和脂肪酸等，從而達(dá)到去除衣物污垢的目的。

堿性纖維素酶與洗滌劑中的表面活性劑、助劑以及其他酶制劑都有很好的配伍性。污垢主要是與棉纖維的非結(jié)晶區(qū)結(jié)合，難于洗滌。堿性纖維素酶不同于堿性蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等作用于污垢本身，而是直接作用于棉纖維的非結(jié)晶區(qū)。所以，不僅可去除附著在織物表面的塵埃、皮脂，而且可以去除侵入織物內(nèi)部的塵土、皮脂，因此洗滌效果更令人滿意。堿性纖維素酶還有助于消除棉織品在洗滌或穿著過程中形成的微纖維，起到增白、軟化及除去微纖維顆粒的作用，使衣物色澤更加鮮艷奪目且穿著更加舒適。堿性淀粉酶應(yīng)用于洗滌劑中，可以用來清洗含有淀粉食物污垢的物品。另外，堿性淀粉酶還應(yīng)用于人造棉、人造絲的退漿處理、垃圾處理等。

2 蛋白酶

邱學(xué)青等[2]研究了兩種堿性蛋白酶與三種表面活性劑對(duì)普通炭黑污垢、酪蛋白污垢及復(fù)合污垢的去污性能，發(fā)現(xiàn)酶與烷基酚聚氧乙烯醚（TX-10）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES）配伍有增效去污作用，而與直鏈?zhǔn)榛交撬徕c（LAS）配伍有消減去污作用，原因是洗滌過程中LAS使酶很快失活。通過向洗液中加入酶穩(wěn)定劑可以保存酶的活性，從而使酶與L A S的配伍變?yōu)樵鲂ё饔?，其增效去污機(jī)理是酶與表面活性劑能協(xié)同發(fā)揮各自對(duì)不同污垢的去污作用。

聚氧乙烯失水山梨醇油酸三酯（Tween 85）反膠束體系在織物染色過程中對(duì)枯草桿菌蛋白酶具有增溶作用，Tween 85可將染料和蛋白酶包納于膠束內(nèi)的水環(huán)境中而不改變其結(jié)構(gòu)。在染色過程中，羊毛織物能夠有效地被染色，然而染料對(duì)酶的活性具有負(fù)面的影響[3]。

左秋等[4]研究了不同種類的表面活性劑對(duì)胰酶以及AS1.398蛋白酶的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)表面活性劑的濃度略大于其臨界膠束濃度時(shí)，非離子型表面活性劑起到激活作用，使酶的活性得到提升；離子型表面活性劑起到抑制作用，使得酶的活性下降。

張紅艷等[5]研究了3種類型8種表面活性劑對(duì)去血漬復(fù)合酶中蛋白酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)：1）陰離子表面活性劑在一般洗滌濃度下對(duì)蛋白酶的活性無明顯影響，但在較高濃度時(shí)表現(xiàn)出一定的抑制作用，其中直鏈烷基苯磺酸鈉的抑制作用最大。2）非離子表面活性劑及兩性離子表面活性劑在一般洗滌濃度下的激活作用比較明顯，且這種激活作用隨著濃度的增加而逐漸減弱。也就是說，陰離子表面活性劑在一般洗滌濃度下能與去血漬復(fù)合酶中的蛋白酶配伍良好，而非離子表面活性劑和兩性離子表面活性劑在整個(gè)實(shí)驗(yàn)濃度下都能與去血漬復(fù)合酶中的蛋白酶配伍良好。

另據(jù)報(bào)道，一種新型堿性蛋白酶保持活性的最高溫度以及pH值分別為60℃和12.0，而在pH值為11.0時(shí)穩(wěn)定性最佳。研究發(fā)現(xiàn)，在表面活性劑、漂白劑以及金屬離子存在的條件下，這種酶的活性較高，而且保持良好的穩(wěn)定性，說明其適宜用于洗滌劑配方中[6]。

3 纖維素酶

蔣惠亮等[7]研究了表面活性劑及助劑對(duì)洗滌劑中堿性纖維素酶的作用，結(jié)果表明，該堿性纖維素酶在洗衣粉各組分的實(shí)際洗滌濃度范圍內(nèi)，均具有良好的酶活穩(wěn)定性（≥90%），且在實(shí)驗(yàn)研究時(shí)間范圍內(nèi)酶活力變化不大，與洗衣粉各成分具有良好的相容性。其中，陰離子表面活性劑LAS對(duì)酶活性有抑制作用，而非離子表面活性劑烷基酚聚氧乙烯醚（TX-10）等對(duì)酶活性有促進(jìn)作用。

Gemini型陽離子季銨鹽表面活性劑II-14-3反膠束萃取纖維素酶，經(jīng)過優(yōu)化條件，獲得了較高的萃取率，而且酶活達(dá)到了原來的93.38%。如果加入生物表面活性劑卵磷脂，萃取率及酶活將進(jìn)一步提高。說明纖維素酶在陽離子表面活性劑溶液中，尤其是在生物表面活性劑的存在下是穩(wěn)定的，保持了較高的活性[8]。

徐秀雯等[9]研究了表面活性劑及染料對(duì)纖維素酶活性的影響，發(fā)現(xiàn)非離子、陰離子表面活性劑是纖維素酶的激活劑，而陽離子表面活性劑使纖維素酶中毒，生成不溶于水的沉淀，酶失活。

莫丹等[10]研究了表面活性劑對(duì)纖維素酶促進(jìn)稻草酶解的影響，結(jié)果表明，表面活性劑能有效增強(qiáng)酶的穩(wěn)定性，而且酶穩(wěn)定性隨著表面活性劑濃度升高而增加。表面活性劑能提高酶解反應(yīng)的纖維素轉(zhuǎn)化率，而且顯著降低了纖維素酶在纖維素上的吸附。

劉佳等[11]研究了表面活性劑對(duì)綠色木霉纖維素酶的影響，證實(shí)生物表面活性劑鼠李糖和非離子表面活性劑均對(duì)綠色木霉產(chǎn)酶具有促進(jìn)作用，而且能提高酶的活性。相比之下，前者的效果優(yōu)于后者。

4 脂肪酶

閆桑田等[12]研究了陽離子表面活性劑十二烷基三甲基溴化銨（DTAB）和陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）對(duì)熒光素酶和脂肪酶的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)DTAB濃度較低時(shí)，能促進(jìn)熒光素酶和脂肪酶的活性；相反，陰離子表面活性劑SDS沒有改變酶的活性。而當(dāng)DTAB濃度較高時(shí)，表面活性劑與酶之間的相互作用會(huì)破壞酶蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其失活。但是對(duì)于SDS，改變濃度對(duì)于酶蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)沒有明顯影響。

由一系列含有不飽和基團(tuán)（烯丙基等）以及相應(yīng)的飽和基團(tuán)（丙基等）的陽離子表面活性劑構(gòu)成的反膠束體系中，不飽和基團(tuán)對(duì)于脂肪酶及辣根過氧化物酶等的活性有影響。例如，飽和基團(tuán)丙基取代的表面活性劑可以增加脂肪酶的活性。相反地，烯丙基取代的表面活性劑會(huì)降低脂肪酶的活性，而且隨著烯丙基的數(shù)量增多，作用更加明顯[13]。

另外，在油包水微乳液體系中，陽離子表面活性劑的碳鏈長(zhǎng)度也會(huì)影響脂肪酶的活性。碳鏈長(zhǎng)度從C10到C18變化，脂肪酶的催化活性比在常用的陽離子表面活性劑CTAB油包水微乳液中提高30～140%[14]。

5 淀粉酶

張?jiān)鰪?qiáng)等[15]研究了表面活性劑對(duì)牛仔布生化酶洗效果的影響，各種表面活性劑在淀粉酶存在下對(duì)不同牛仔布的洗滌效果基本相似。陰離子表面活性劑抑制生物酶的活性，對(duì)牛仔布的酶洗效果起負(fù)面作用；陽離子表面活性劑在低濃度時(shí)，對(duì)酶活性影響不大，當(dāng)表面活性劑濃度稍高時(shí)會(huì)抑制酶活性對(duì)牛仔布的酶洗效果，起負(fù)面作用；非離子表面活性劑在臨界膠束濃度（cmc）以下，能提高酶洗的反應(yīng)速率，對(duì)牛仔布的酶洗效果起促進(jìn)作用，但是當(dāng)在cmc濃度以上時(shí)，會(huì)抑制酶洗效果。

A. Tanaka等[16]研究了陰離子表面活性劑SDS對(duì)淀粉酶催化多糖水解反應(yīng)的影響。當(dāng)SDS濃度低于cmc濃度時(shí)，催化速率隨著表面活性劑濃度的增加而增加，但是當(dāng)高于cmc濃度時(shí)，速率顯著降低。這是由于低于臨界膠束濃度時(shí)，表面活性劑能夠促進(jìn)酶-基質(zhì)復(fù)合物的生成，從而加速了催化水解反應(yīng)。

M. Shafiei等[17]研究了一種喜鹽的淀粉酶。其最高活性溫度及pH值分別為45.8℃和7.5，在0～4 M濃度的鹽溶液中仍然保持活性，其中在0.5 M 氯化鈉或者1M氯化鉀溶液中具有最佳活性，在1～4 M鹽溶液中穩(wěn)定存在。該淀粉酶在陰離子（SDS等）以及非離子（Tween 20，Tween 80等）表面活性劑稀溶液中具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。利用其水解小麥淀粉和玉米淀粉，主要產(chǎn)物為麥芽糖、麥芽三糖和麥芽四糖，顯示了較高的催化活性。

6 結(jié)束語

酶要能夠在洗滌劑配方中使用，就必須在表面活性劑水溶液中有較好的穩(wěn)定性和催化活性。不同種類表面活性劑對(duì)酶活性的影響程度不同，同種表面活性劑對(duì)不同種類酶的作用也不相同。表面活性劑與洗滌劑酶的相互作用非常復(fù)雜，目前對(duì)其機(jī)理解釋不一，主要有形成絡(luò)合物、電荷的作用、空間障礙、與基質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合以及表面活性劑膠束的作用等，尚未形成系統(tǒng)的理論，需進(jìn)一步開展更深入的研究。

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