漆酶用于環(huán)境修復(fù)的研究及應(yīng)用前景

馬現(xiàn)成+張芳芳++林茹++崔豹++馬海燕++李凡++張躍華

摘要：本文對漆酶的來源、種類、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用進行了敘述，漆酶最初是從植物中發(fā)現(xiàn)的，隨后在動物和細菌中也發(fā)現(xiàn)了它的存在，真菌是漆酶的主要分泌者。漆酶作為多銅氧化酶家族的一份子，可以降解酚類、芳香類等化合物。漆酶在酒類制造、飲料制造、面制品制造及食用菌生產(chǎn)等食品行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用；在造紙工業(yè)、染料降解、生物修復(fù)等環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用前景。但在環(huán)境修復(fù)方面的實際運用與推廣還需要更加深入的探究。

關(guān)鍵詞：漆酶；種類；結(jié)構(gòu)；應(yīng)用

中圖分類號：Q89文獻標識碼：A

漆酶作為多銅氧化酶家族的一部分，是一種含銅多酚氧化酶，跟其同源的蛋白質(zhì)有抗壞血酸氧化酶和哺乳動物血漿銅藍蛋白[1]。日本學(xué)者Yoshi在紫膠漆樹（Rhus vernicifera）漆液中最早發(fā)現(xiàn)漆酶[2]。19世紀末，G.Betranel第一次將其以生漆固化的活性物質(zhì)分離出來，并命名為漆酶（Laccuse）。自然界中的漆酶根據(jù)生產(chǎn)者的不同可分為植物漆酶、動物漆酶、細菌漆酶以及真菌漆酶，其中真菌漆酶是目前研究較多的一類。漆酶能催化氧化超過200種不同種類型的物質(zhì)，廣泛運用于食品工業(yè)，造紙行業(yè)、生物修復(fù)、生物燃料電池[3]等方面。

細菌產(chǎn)生的漆酶主要存在于細胞內(nèi)，而真菌分泌的漆酶通常為胞外酶。國內(nèi)外對于真菌漆酶和植物漆酶研究已有大量的報道，而對于細菌漆酶和動物漆酶的研究較少。

1漆酶的種類

1.1植物漆酶

在6000a前的中國，人們已經(jīng)開始有意識的使用漆酶了。當時中國的藝術(shù)家們利用漆樹受傷部位的分泌物，也就是利用漆酶的聚合作用來制造藝術(shù)品。漆樹漆酶是最早被報道的漆酶，同時也是植物漆酶中活性最高的漆酶。近年來在楊樹漆酶被報道的同時，無花果、煙草、棉花、大槭樹[4]等植物中也都相繼發(fā)現(xiàn)了漆酶的存在。

1.2動物漆酶

動物漆酶的存在，是近幾年才發(fā)現(xiàn)的。節(jié)肢動物如淡水鰲蝦血細胞中發(fā)現(xiàn)有漆酶存在，可能參與甲殼的硬化等生理過程。昆蟲中也有漆酶的報道，如甲殼蟲赤擬谷盜漆酶，可能參與甲殼角質(zhì)蛋白的硬化、變色等。在果蠅的免疫反應(yīng)中，漆酶參與黑色素的形成，煙草天蛾體內(nèi)的漆酶可能對其攝取的植物中有毒化合物進行氧化、脫毒處理。

1.3細菌漆酶

原核生物和真核生物同樣具有生產(chǎn)漆酶的能力，包括很多革蘭氏陽性及陰性細菌；相關(guān)的基因分析數(shù)據(jù)表明，這些漆酶細菌可能是從極端嗜熱菌早期進化出來的分支。放線菌Streptomyces cyaneus CECT3335所產(chǎn)的漆酶與真菌漆酶性質(zhì)相似[5]；枯草芽孢桿菌Bacillussubtilis中的CotA蛋白表現(xiàn)出了漆酶的活性和特征[6]。

1.4真菌漆酶

擔(dān)子菌門的白腐真菌是自然界中漆酶的主要生產(chǎn)者，大部分的白腐真菌分泌的漆酶為胞外漆酶。至今為止，報道產(chǎn)漆酶的真菌已超過1000種[7]。其中除了常見的擔(dān)子菌能分泌漆酶外，其他真菌亦有產(chǎn)漆酶的能力，如地衣真菌。而在眾多的漆酶生產(chǎn)者中，白腐密孔菌因容易培養(yǎng)、產(chǎn)酶活力高等特點，在漆酶的生產(chǎn)及應(yīng)用中具有巨大的潛力。

2漆酶的結(jié)構(gòu)

漆酶分子結(jié)構(gòu)呈球狀，是由3個cupredoxin-like結(jié)構(gòu)域結(jié)合形成，這種結(jié)構(gòu)形式是銅藍蛋白家族所共有的[8]。漆酶多為一條多肽鏈組成的單體酶，相對分子質(zhì)量主要分布在5×104-1×105之間，由500～550個氨基酸組成[9]，皆為糖蛋白，含糖質(zhì)量分數(shù)在10%～80%，碳水化合物的質(zhì)量分數(shù)約占15%～45%。近年來Kaichangl等測試了4種含糖質(zhì)量分數(shù)差別顯著的漆酶的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)含糖質(zhì)量分數(shù)高的漆酶既沒有提高漆酶的熱穩(wěn)定性，也不能阻止自身失活[10]。縱觀近年來不同來源的漆酶，其氨基酸序列相似性并不高，例如子囊菌漆酶與擔(dān)子菌漆酶的序列相似性僅在15%左右[8]。

漆酶分子結(jié)構(gòu)中一般含有4個Cu原子[11]，根據(jù)不同酶分子的磁學(xué)和光譜學(xué)性質(zhì)的不同可將漆酶分子中4個Cu原子分成3類：其中單電子受體有Ⅰ型Cu（T1Cu）1個和Ⅱ型Cu（T2Cu）1個，呈順磁性；雙電子受體有Ⅲ型Cu（T3Cu）2個，是耦合離子對，呈反磁性。形成單核中心的是Ⅰ型Cu原子，而形成三核銅簇的是Ⅱ型和Ⅲ型Cu原子。在610nm時，Ⅰ型Cu原子有呈藍色的強烈光吸收，Ⅱ型Cu原子有無特征吸收光譜，具有電子順磁共振效應(yīng)（EPR）性質(zhì)；而在330nm附近，Ⅲ型Cu原子有吸收帶，無EPR性質(zhì)。漆酶分子結(jié)構(gòu)中也會存在其他金屬原子，取代銅原子從而使銅原子少于4個。Palmieri G等從糙皮側(cè)耳（Pleurotus ostreatus）中純化的一種新型漆酶POXA1只有1個Cu，卻含有2個Zn原子和1個Fe原子，因為缺少T1Cu，在610nm處沒有吸收峰，因此該酶蛋白呈現(xiàn)乳白色[12]。

3漆酶的應(yīng)用

3.1食品工業(yè)

3.1.1飲料生產(chǎn)

漆酶有氧化酚類物質(zhì)的特性，可將其轉(zhuǎn)化為多酚氧化物，多酚氧化物自身能夠發(fā)生聚合形成大顆粒，則可以通過濾膜除去這些酚類物質(zhì)。正因為漆酶具有這一特性，所以在飲料的生產(chǎn)中漆酶被用來進行飲料的澄清與色度的控制，而且漆酶的催化專一性高，澄清的果汁不僅顏色淺而且性質(zhì)穩(wěn)定，果汁生產(chǎn)中不會出現(xiàn)二次混濁問題，可以長期保存。在利用漆酶處理果汁的過程中，不需要使用澄清劑、助濾劑及聚乙烯吡咯烷酮等對人體健康有影響的物質(zhì)。

3.1.2酒類生產(chǎn)與保存

目前對于生產(chǎn)中的多酚物質(zhì)，一般是通過聚乙烯吡咯烷酮處理來去除，而聚乙烯吡咯烷酮降解能力較差且對人體有一定的傷害，所以添加漆酶將會是一個理想的選擇。漆酶能夠催化葡萄果汁和酒中的酚類化合物（如苯乙烯磺酸和兒茶酸），且不會影響酒的顏色和味道；啤酒中含有少量的多元酚化合物，并能夠以氫鍵的形式與蛋白質(zhì)結(jié)合或因疏水性相互作用與普氨酸殘基組合形成沉淀使啤酒不能長期儲存。在啤酒生產(chǎn)的最后工序添加漆酶，除去多余的活性氧以及通過濾膜除去多酚氧化物，從而延長啤酒的貨架壽命[13]。

3.1.3食用菌生產(chǎn)

漆酶有著很好的降解木質(zhì)素的能力，食用菌的栽培養(yǎng)料中有大量的木質(zhì)素等芳香族高分子化合物。這些高分子化合物在漆酶的作用下分解的速度加快，提供充足的養(yǎng)料以保持菌絲較高的生長速度。同時，在菌絲的呼吸作用過程中漆酶還可以作為氧化酶參與電子傳遞，為菌絲體內(nèi)物質(zhì)合成、運轉(zhuǎn)和積累提供更多的能量，縮短菌絲的生長時間。在食用菌的袋裝栽培過程中，想要菇類的產(chǎn)量更高，需要加快菌絲扭結(jié)形成更多的子實體原基，而漆酶存在可以促使菌絲扭結(jié)。并且在整個食用菌的生產(chǎn)過程中，漆酶作為一種抵抗雜菌的毒素，能夠?qū)⒎友趸甚?，抑制雜菌的污染[14]。

3.2環(huán)境保護

3.2.1工業(yè)染料廢水處理

染料是一種有顏色的物質(zhì)，被廣泛應(yīng)用在印染、制藥、紡織、化妝品和皮革等領(lǐng)域。目前世界上每年生產(chǎn)的染料超過7×105t，每生產(chǎn)1t染料，大概要排放700m3的廢水[15]，并且在染料生產(chǎn)過程中大約也有10%～20%的染料被排放到水體中[16]。印染廢水中有機污染物的含量高、色度大、組分復(fù)雜，并且會產(chǎn)生一系列致癌致畸物質(zhì)。當其排入水體后，會使得水的溶氧量下降，危害魚類及其他水生生物的生存，從而損害水體的生態(tài)平衡。因此，在環(huán)境保護中印染廢水的處理是個很大的難題。而漆酶可以降解蒽醌染料、偶氮染料和三苯甲烷類染料，并且大量的實驗證明漆酶的脫色率高，而且固定化的漆酶活性持久，利用率高，所以漆酶將在工業(yè)染料廢水問題的解決中起到重要作用。

3.2.2造紙廢水處理

漆酶降解木質(zhì)素的條件非常簡單，只需在常規(guī)條件下即可，且不會產(chǎn)生有毒物質(zhì)。漆酶除了在造紙中有著重要的應(yīng)用外，在造紙廢水處理中也有著重要的應(yīng)用前景。Shuttleworth等用固定化的漆酶處理造紙廠產(chǎn)生的廢水，其去除甲基酚的效果很理想，還可以脫甲基和溶解紙漿中的部分木質(zhì)素[17]。造紙廠各車間產(chǎn)生的廢水有著較高的色度，根據(jù)漆酶的特性可以降低這些廢水的色度。由此可見，漆酶在造紙廠廢水處理中將會有著重要的應(yīng)用。

3.2.3生物修復(fù)

從20世紀60年代以來，農(nóng)藥的過度使用（如三氯苯酚）和工業(yè)的快速發(fā)展，對環(huán)境造成了很大的破壞。隨著生物修復(fù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，采用真菌等微生物處理污染物已成為目前生物修復(fù)中的主要方法。其中從白腐真菌中提取的漆酶有著降解多種不同類別污染物的能力，如各種酚類染料、芳香胺類、取代酚類、雙酚-A類等。在漆酶介體存在下，漆酶還可以催化降解與木質(zhì)素有關(guān)的二苯基甲烷、有機磷化合物及二英等[18]。由于真菌降解污染物在生物修復(fù)中有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，又可以在自然狀態(tài)下保持較高的活性，與物理化學(xué)手段相比有著很大的優(yōu)勢，所以生物修復(fù)是目前研究的熱點。

4應(yīng)用前景

漆酶在農(nóng)作物秸稈預(yù)處理、生物燃料電池及生物檢測等領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用前景。漆酶在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，但漆酶最主要的分泌者只有真菌，漆酶產(chǎn)量過低限制了其推廣。除了利用現(xiàn)有的各種手段來篩選高產(chǎn)漆酶的真菌外，還可以對細菌、動植物等其他產(chǎn)漆酶的生物進行更多的研究或者利用基因工程技術(shù)把真菌中的主導(dǎo)基因片段導(dǎo)入其他生物中，以得到能夠高產(chǎn)漆酶生物。

漆酶不僅在飲料、酒類及面制品生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用，對木質(zhì)素有很好的降解能力，對于環(huán)境中的多種難降解的染料、有毒的酚類物質(zhì)、除草劑、殺蟲劑等都有著很好的降解處理效果。但是漆酶應(yīng)用于工業(yè)及環(huán)境治理的研究仍有很多問題亟待解決，如漆酶對單一的染料廢水和單一農(nóng)藥所產(chǎn)生的污水有很好的降解處理效果，而對于實際生產(chǎn)中的多種混合染料廢水和多種農(nóng)藥所產(chǎn)生的污水降解效果卻不夠理想。因此，將漆酶在工業(yè)及環(huán)境治理方面進行推廣使用還需要更多的深入探究。

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