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自20世紀(jì)初Ｒｏｈｍ公司開發(fā)酶軟化和酶脫毛工藝以來,酶制劑在制革工業(yè)中的應(yīng)用經(jīng)歷了一百余年的發(fā)展歷程,但迄今仍未成為制革準(zhǔn)備工序的主流技術(shù)。20世紀(jì)90年代,隨著世界各國環(huán)保政策的日趨完善和對環(huán)境保護(hù)的高度重視,皮革工業(yè)正面臨著有史以來最嚴(yán)重的生存危機(jī)。以酶為基礎(chǔ)的制革生物技術(shù)在清潔性、環(huán)境友好性方面獨(dú)具特色。用這類技術(shù)取代傳統(tǒng)化學(xué):制革工藝,是從根本上解決制革工業(yè)嚴(yán)重污染的有效途徑。同時,酶在制革工業(yè)中的應(yīng)用將推動酶工程在極端條件反應(yīng)動力學(xué)及相關(guān)理論的發(fā)展,拓展酶應(yīng)用的領(lǐng)域。本文追溯近二十年酶在制革工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展歷程,展望了未來發(fā)展的趨勢。
1 酶在制革工業(yè)中應(yīng)用 隨著人們對酶性質(zhì)、酶促反應(yīng)動力學(xué)的深入研究以及新酶種的不斷發(fā)現(xiàn)和現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展,酶在制革工業(yè)中的作用機(jī)理及應(yīng)用的研究已成為制革清潔化技術(shù)的熱門方向之一。
1.1酶助浸水的研究與應(yīng)用 1.1.1酶在浸水過程的作用機(jī)理與常規(guī)浸水方法比較,酶助浸水的特點(diǎn)是以蛋白酶為主浸水助劑,通過間質(zhì)蛋白和蛋白多糖的酶促降解,尤其是使透明質(zhì)酸(Ｈｙａｌｕｒｏｎｉｃａｃｉｄ)、硫酸軟骨素(ｃｈｏｎｄｒｏｉｔｉｎｓｕｌｆｕｒｉｃａｃｉｄ)等降解,使原皮快速、有效回水。在酶助浸水作用前,必須使纖維間質(zhì)潤脹到一定程度,才有利酶促間質(zhì)蛋白的降解。添加適量的非離子表面活性劑有利于間質(zhì)的潤脹。此外,堿性蛋白酶、堿性脂肪酶和表面活性劑以適當(dāng)?shù)谋壤湮闃?gòu)成的浸水助劑不僅有助于纖維間質(zhì)的除去,而且脫脂率也較常規(guī)的化學(xué)和單一酶的酶助浸水方法高。影響浸水效果的因素有原料的性質(zhì)、浸水液的ｐＨ、液比、溫度、浸水助劑的質(zhì)量濃度和浸水時間等。尤其以浸水溫度和時間對浸水效果的影響最大。
1.1.2酶在浸水過程的應(yīng)用酶在浸水過程中應(yīng)用的研究始于20世紀(jì)80年代,胰蛋白酶[1]、細(xì)菌蛋白酶[2-3]在浸水過程中應(yīng)用結(jié)果表明,酶浸水可以使吸水速率增大,浸水均勻,有效地除去纖維間質(zhì),彈性蛋白被部分降解,使膠原纖維適當(dāng)分散。在其后的浸灰工藝中,促進(jìn)了灰堿的滲透和均勻膨脹。成革柔軟,減少了成革血管痕、肥紋和邊腹空松[4]。在浸水液中加入堿性脂肪酶,表面的脂肪被降解,有益蛋白酶松動表皮、降解脂肪細(xì)胞壁,結(jié)果是脂肪酶和其它浸水助劑滲入原皮內(nèi)部[5],達(dá)到良好的脫脂效果,浸水更均勻,在浸灰過程中促進(jìn)堿膨脹和脫毛,所得成革粒面毛孔清晰,粒面光滑、清潔而富有彈性,得革率增加[7,8]。在浸水過程中添加浸水酶時,對浸水的溫度和浸水液的ｐＨ值要嚴(yán)格控制,并要求與之同時使用的其他材料對酶無抑制作用。由于浸水酶往往對膠原也有一定的作用,因此其用量要嚴(yán)格控制,協(xié)調(diào)好用量與作用時間之間的關(guān)系。對于品質(zhì)差、防腐差的原料皮要慎重使用浸水酶助劑。
1.2酶脫毛機(jī)理及其應(yīng)用的研究 1.2.1酶脫毛機(jī)理的研究1922年Ｗｉｌｓｏｎ和Ｄａｕｂ首先應(yīng)用顯微鏡觀察到“發(fā)汗法”脫毛過程中細(xì)菌活動的情況,標(biāo)志酶脫毛機(jī)理的研究的開始[9]。有關(guān)酶法脫毛機(jī)理的研究大致分為二個階段,第一個階段是在顯微水平上對表皮和毛根組織的觀察,第二個階段是在化學(xué)水平上,對脫毛過程中毛囊、馬氏層細(xì)胞組織間的蛋白質(zhì)的水解及其與脫毛的關(guān)系的觀察和研究。前者的研究結(jié)果表明,馬氏底層細(xì)胞、毛囊基礎(chǔ)細(xì)胞的分解、毛髓的部分水解導(dǎo)致了毛的松動及在機(jī)械作用下脫落。后者的研究結(jié)果表明,使表皮和真皮之間的類粘蛋白、粘蛋白、清蛋白、球蛋白等降解是酶脫毛的基礎(chǔ)。酶法脫毛和堿法脫毛在原理上有共同之處,即在堿或酶的作用下,使類粘蛋白等溶解,從而削弱毛和表皮與真皮之間的連結(jié)。用單一的酶制劑進(jìn)行的酶脫毛機(jī)理的研究結(jié)果表明,酶脫毛的能力和催化肽鍵斷裂的能力有關(guān),催化肽鍵斷裂的能力越強(qiáng),則脫毛的能力越好[10],用于脫毛的酶制劑應(yīng)該具有相對專一性(generalspecificity)、內(nèi)切酶活力較高且均一的特點(diǎn)。
這些研究成果對脫毛酶菌種的選育、酶種的選擇及應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)具有很大的指導(dǎo)意義,但由于客觀條件的限制,上述機(jī)理未能就膠原的水解與脫毛作用的關(guān)系作出合理的解釋和定量描述,亦無法提出解決因膠原的水解對皮組織損害的措施。了解與細(xì)胞相關(guān)的復(fù)雜蛋白質(zhì)在酶作用時的變化以及這些變化與細(xì)胞水解的關(guān)系,對篩選理想的制革專用酶制劑是很重要的。對酶的不同組分的脫毛效果、水解液分析等研究結(jié)果表明,酶脫毛中起主導(dǎo)作用的是非膠原蛋白水解酶。酶的脫毛能力與水解專一性有關(guān),具有相對專一性的蛋白酶具有較強(qiáng)的脫毛能力?；ぬ崛∥镏械?50ＫＤ、型膠原和血清白蛋白的水解與脫毛有因果關(guān)系[10]。有關(guān)酶助脫毛機(jī)理的一個新的解釋是,在有蛋白酶存在的條件下,毛的中心成分毛髓被溶解,使脫毛劑沿著毛發(fā)的內(nèi)部進(jìn)入毛囊的底部,在其毛球部和前角質(zhì)區(qū)使毛降解,毛從根部脫落。毛桿分離和崩潰后,機(jī)械作用使殘存的毛發(fā)從毛囊完全除去[11]。設(shè)計一個合理的脫毛酶體系的充要條件是,確切地了解要使毛恰當(dāng)松弛,毛囊何種組分應(yīng)該被破壞。關(guān)于脫毛過程中酶的最適ｐＨ值的問題實(shí)際上是所表征活力和穩(wěn)定性的綜合的考慮,這是因為脫毛酶體系實(shí)際上是一個多酶的體系。有關(guān)酶的濃度、溫度和堿預(yù)處理對脫毛效果的作用,可以通過脫毛液中的總氮及蛋白多糖含量的變化來確定。以酪素或膠原為底物所測得的酶活力能較好地反映該酶制劑的脫毛能力。
其實(shí),以任何相對單一的底物表征的酶活力與該酶制劑的脫毛能力之間是不可能存在顯著的相關(guān)性的。在脫毛過程中,要破壞的毛囊的組分是多樣性的,從這一特性考慮脫毛酶應(yīng)該是一類具有相對專一性的蛋白酶,該類蛋白酶的主要組分是內(nèi)切肽酶類,在脫毛過程中能夠盡可能多的使肽鍵斷裂。此外,酶通過皮結(jié)構(gòu)滲入到作用區(qū)域的能力對酶脫毛的效果也是至關(guān)重要的,酶從皮表層滲入到作用區(qū)域所需的時間占整個脫毛時間的70%[12],由此可見,脫毛酶制劑至少應(yīng)由兩部分組成,一部分是有助于將降解毛囊細(xì)胞的成分?jǐn)U散或輸送到作用區(qū)域的成分;而另一部分則是使毛囊細(xì)胞降解的成分。從理論上講,在原皮坯中影響酶滲入的組分應(yīng)該是透明質(zhì)酸和皮膚軟骨素等,實(shí)際上,影響酶通過纖維結(jié)構(gòu)滲透速率的因素是粘結(jié)物質(zhì)的性質(zhì)、成分和條件及原皮坯的厚度?；ふ扯鹊淖兓瘜γ撁俾蕩缀鯖]有影響。已證明蛋白酶的水解作用是減少蛋白多糖(透明質(zhì)酸-蛋白質(zhì)復(fù)合物)的粘性,透明質(zhì)酸沒有任何解聚也不影響皮組織的可滲透性[12],這可能是脫毛酶的蛋白水解作用對于降低基膜粘性和便于酶本身擴(kuò)散是獨(dú)特的,因而不需要透明質(zhì)酸酶協(xié)助。蛋白酶的松毛作用是以粘液層(基底層)的非結(jié)構(gòu)血漿蛋白的水解為基礎(chǔ),蛋白水解使乳頭層和表皮層之間的連接松弛毛被除去。
1.2.2酶脫毛技術(shù)的應(yīng)用Ａｒａｚｙｍ酶法脫毛工藝的發(fā)明,開創(chuàng)了酶脫毛技術(shù)研究與應(yīng)用的先河,并在當(dāng)時的制革工業(yè)界引起強(qiáng)烈反響。隨著歷史的變遷,酶在脫毛工藝中潮起潮落,迄今仍未成為皮革脫毛的主流技術(shù)。從20世紀(jì)90年代開始,世界各國的皮革工業(yè)均感受到了來自環(huán)保方面問題的困擾,酶脫毛的研究和應(yīng)用再次呈現(xiàn)生機(jī)。常規(guī)的硫化鈉脫毛工藝主要是利用Ｎａ2Ｓ/ＮａＨＳ還原破壞角蛋白的雙硫鍵,從而破壞角質(zhì)蛋白分子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,在堿性條件下將角蛋白的肽鍵水解成分子量較小的肽或氨基酸,使毛、毛根屑、表皮被溶解而除去。這類工藝會給環(huán)境造成嚴(yán)重的污染,酶法脫毛作為有希望的替代工藝,其研究與應(yīng)用引人注目[13-18]。其中余義先生[18]撰文介紹了我國二十年酶法脫毛的發(fā)展史及海寧制革廠取得的成功經(jīng)驗,推動了酶法脫毛應(yīng)用的技術(shù)進(jìn)步[19]。傳統(tǒng)的酶法脫毛機(jī)理認(rèn)為,用于脫毛的蛋白酶應(yīng)不含或盡量少含膠原蛋白酶以免損傷真皮的膠原。一種商品名為ｄｉｓｐａｓｅ的細(xì)菌中性蛋白酶對基膜的膠原組分Ⅳ具有專一性,應(yīng)用在牛皮的脫毛工藝中,能使毛發(fā)松弛而不損傷真皮的膠原纖維[19]。中性蛋白酶ＡＳ1.398和堿性蛋白酶2709在制革工業(yè)中的應(yīng)用已有數(shù)十年的歷史,由于對膠原蛋白的水解能力較強(qiáng),妨礙其廣泛應(yīng)用。
ＡＳ1.398與2709以適當(dāng)比例配伍,并根據(jù)原料的性質(zhì)對其作用溫度、時間和ｐＨ等操作條件優(yōu)化,在有溫有浴脫毛過程中,膠原蛋白的損失降低60%以上。為新型生物脫毛助劑的開發(fā)提供了值得參考的方法[20]。針對秦川黃牛皮硫化物和脫毛酶同浴浸灰存在脫毛未盡、出現(xiàn)松面的問題,添加少量硫化物對其進(jìn)行預(yù)處理,在使用1398中性蛋白酶進(jìn)行脫毛處理時,添加0.2%的酚類助劑。與對照方案比較,酶用量減少,其脫毛作用增強(qiáng),松面程度降低,所得成革脫毛干凈,粒面清晰無明顯損傷,革身豐滿、柔軟、彈性較好[21]。在魯西黃牛的浸灰過程中添加2709堿性蛋白酶,除去了包裹在膠原纖維表面的硫酸軟骨素等蛋白多糖,使真皮上層致密的膠原分散。浸灰時間從18ｈ降至8ｈ,減少了松面的發(fā)生[22]。陳敏等開發(fā)的一種酶糊用于豬皮的滾置脫毛研究表明;該酶糊在26-38℃范圍具有脫毛效果好,皮損傷小的特點(diǎn)[23]。滾酶堆置脫毛對減少皮張的部位差,尤其對豬皮非常有效,而且具備反應(yīng)易控制、工藝比較成熟、反絨革絨面細(xì)而密、環(huán)境污染小等特點(diǎn)。但衛(wèi)華等采用板塊模式、層次分析和正交試驗等數(shù)理方法分析影響脫毛效果的主要因素,優(yōu)化臀部涂酶工藝條件,開發(fā)了以166中性蛋白酶和胰酶構(gòu)成的復(fù)配酶-堿脫毛新工藝,在豬服裝革的生產(chǎn)中應(yīng)用取得了良好的效果[24,25]。在耐水洗、耐干洗豬反絨服裝革的生產(chǎn)工藝中,采用酶助浸水和包酶、浸酶脫毛工藝也獲得成功[26]。隨著對酶法脫毛工藝的重視,篩選脫毛能力強(qiáng),對膠原纖維損傷小的制革專用菌種及新型生產(chǎn)工藝的研究開發(fā)工作也引起了高度的重視。劉彥等從自然界中篩選到耐鹽性強(qiáng)的菌株和具有高濃度Ｃａ2 耐受能力強(qiáng)的堿性蛋白酶菌株各一株,其中高濃度Ｃａ2 耐受能力強(qiáng)的菌株(Ｂａｃｉｌｌｕｓ.ｓｐＮｏ8),蛋白酶的最適ｐＨ為9.6,最適溫度40℃。在ｐＨ10.6-11.6最穩(wěn)定,制革生產(chǎn)過程中常用的ＪＦＣ在其用量范圍對酶活無抑制作用[27-29]。在山羊皮、綿羊皮的脫毛過程中使用Ｒｈｉｚｏｐｕｓｏｒｙａ[30]、Ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓｔａｍａｒｉｉ[31]、ＡｌｃａｌｉｇｅｎｅｓＦａｅｃａｌｉｓ[32]、Ａｓｐｅｒｉｇｉｌｕｓｆｌａｖｕｓ[33],ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｇｒｉｓｅｕ[34]等真菌和放線菌的堿性蛋白酶制劑的研究表明,這些酶制劑對原皮的膠原纖維損傷小,脫毛效果好,基本不松面;所得成革質(zhì)量較灰堿法的高。固態(tài)培養(yǎng)技術(shù)具有投資少,單位容積產(chǎn)率和產(chǎn)量高、生產(chǎn)成本低等深層發(fā)酵無法比擬的優(yōu)勢,制革用酶制劑對純度要求不高,所以近十年固態(tài)培養(yǎng)技術(shù)已逐漸在制革酶制劑的生產(chǎn)中開始應(yīng)用[35]
1.3酶在軟化工序中的應(yīng)用 1.3.1酶在軟化中的作用機(jī)理酶軟化是一類酶促反應(yīng)過程,其歷程至今尚不十分清楚。通過軟化過程清除裸皮中殘留的非膠原成分并根據(jù)皮革的品質(zhì)的要求使皮纖維獲得適當(dāng)?shù)南?。因?軟化在確定成革的豐滿性、柔軟性、彈性、粒面的光滑性和手感等方面具有重大意義。影響軟化效果的因素有脫灰皮的ｐＨ及消腫程度、纖維的分散、蛋白質(zhì)的分解物的清除程度等。各種酶軟化劑對裸皮的軟化作用并不是一樣的。如以粒面的平滑程度作為判斷標(biāo)準(zhǔn),胰酶最大,霉菌酶次之,細(xì)菌酶最小,比較胰酶和細(xì)菌蛋白酶軟化劑對犢牛皮的作用表明,盡管軟化過的裸皮很相似,可是前者的成革更柔軟,富有彈性。關(guān)于利用細(xì)菌或霉菌酶制劑作軟化劑的問題,有待進(jìn)一步研究。胰酶實(shí)際上是一個多酶體系,有胰蛋白酶、胰脂肪酶和胰淀粉酶等。結(jié)晶胰蛋白酶的分子量為34000,胰蛋白酶作用的最適ｐＨ為8.0～9.0;最適溫度為37～40ｏＣ。胰蛋白酶對天然蛋白質(zhì)的降解作用很弱或無作用,但對變性的蛋白質(zhì)作用較強(qiáng)。胰蛋白酶作用膠原的歷程是,胰蛋白酶一方面和膠原側(cè)鏈的游離氨基結(jié)合,另一方面和肽的-ＮＨ-基和烯醇化肽的-ＯＨ基結(jié)合,接著對膠原主鏈中的這些肽鍵發(fā)生催化作用而使其斷裂。
1.3.2酶在軟化過程中的應(yīng)用裸皮的軟化大多以工業(yè)胰酶為主,胰酶的胰淀粉酶、蛋白酶等組分因提取工藝和原料的不同而差異較大。通常軟化過程是在38-40℃的范圍進(jìn)行,所以開發(fā)低溫軟化酶是當(dāng)前軟化生物助劑的發(fā)展方向。由多種酶、保護(hù)劑及滲透劑配伍而成的ＥＢ-低溫軟化酶在分散膠原束,除去毛根、溶解纖維間質(zhì)及軟化的均勻性等方面效果顯著,其綜合性能優(yōu)于工業(yè)胰酶[36]。木瓜蛋白酶最適溫度40℃,最適ｐＨ5,在裸皮的軟化過程中使粒面增白變細(xì)效果明顯,是一種有待進(jìn)一步用于開發(fā)軟化酶的新品種[37]。隨著生產(chǎn)發(fā)展和生產(chǎn)過程的專業(yè)化,制造各種性質(zhì)和用途的革就需通過鞣后的工序來實(shí)現(xiàn)。用酸性蛋白酶對鉻鞣坯革實(shí)施酶處理,作為軟化的補(bǔ)充手段,在生產(chǎn)高檔革尤其是軟革的過程中,對彌補(bǔ)前段工序處理的不一致,減輕表面缺陷,提高產(chǎn)品質(zhì)量,具有明顯的效果[38]。羅馬尼亞的ＭｉｈａｌＤｅｓｅｌｎｉｃｕ和ＶｉｃｔｏｒｉａＢｒａｔｕｌｅｓｏ用胃蛋白酶處理削勻的藍(lán)濕皮,結(jié)果表明胃蛋白酶比堿性蛋白酶作用緩和,能提高成革柔軟度和得革率[39]。將酸性蛋白酶和酸性脂肪酶以一定比例配伍制備的復(fù)合酶處理藍(lán)濕皮對改善粒面清晰度和染色后的顏色均勻性有一定的作用[40]。用酸性蛋白酶537、ＦｅｒｅｏｎＭ301、ＶｎｋｏｌＡ等酶在不同條件下軟化削均山羊藍(lán)濕皮的研究結(jié)果表明,軟化后的藍(lán)濕皮的收縮溫度均有不同程度的提高[41]。
1.4在廢棄物綜合利用中的作用 1.4.1鉻屑的酶解與水解物的綜合利用鉻屑是膠原蛋白和Ｃｒ3 的復(fù)合物,不易被降解,既浪費(fèi)資源,又會污染換環(huán)境。廢棄物鉻屑的降解和利用在近一個世紀(jì)已成為一個引人關(guān)注的問題。鉻屑的堿水解或酸水解工藝,由于鉻分離困難、操作成本高、二次污染、水解產(chǎn)物的質(zhì)量和應(yīng)用等方面的原因,難于被廣泛采用。鉻屑的酶解及水解物的綜合利用是有望解決鉻屑污染,實(shí)現(xiàn)再生資源化的有效途徑。近十年的研究結(jié)果表明,鉻屑的酶解方法是可行的[42-44]。在溫和的作用條件下,堿性蛋白酶降解鉻屑,可以從其水解物中分離得到蛋白質(zhì)產(chǎn)品和可循環(huán)使用的鉻餅[45-46],胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰凝乳蛋白酶也可用于鉻屑的降解。實(shí)驗結(jié)果表明,所選酶類型對明膠的物化性質(zhì)有很大的影響,其中用胰酶和胃蛋白酶的作用效果比較理想,胃蛋白酶的作用比較溫和,容易控制鉻屑的酶解速度,而胰酶的催化效率非常高,制取高質(zhì)量的明膠僅需要很少量的胰酶[47],通過控制胰酶的使用量(<0.01%以鉻屑計)和作用條件能夠得到不同透明度的明膠,當(dāng)胰酶的用量超過0.2%,低分子水解物的得率高[48]。但所得產(chǎn)物明膠、水解物的感官和理化性能的控制尚待進(jìn)一步完善[49,51.]?。妨礙鉻屑酶解明膠廣泛使用的原因是其性能不夠穩(wěn)定,難于滿足某些特殊的要求。用戊二醛、乙二醛和碳二酰胺作膠聯(lián)劑對明膠改良的方法雖然有效可行,但成本高而有毒性[52]。應(yīng)用谷鞍酰氨轉(zhuǎn)移酶(ＥＣ2.3.2.13)對明膠進(jìn)行酶修飾,實(shí)驗結(jié)果表明[52,53]低透明度明膠的凝膠強(qiáng)度隨使用酶濃度的增加而增大,較高透明度的明膠的凝膠強(qiáng)度則隨使用酶濃度的增加保持不變或降低,酶的用量增加使不同明膠的熔點(diǎn)增加,在60℃和室溫的粘度都增加,經(jīng)酶處理的明膠,與甘油混合作增塑劑,添加的甘油量將影響成膜的機(jī)械強(qiáng)度,尤其是最大張力。膠聯(lián)劑比例增大,使膜的抗張強(qiáng)度增加,在水中的溶解度減小,改善了吸水性。不僅為明膠在涂膜、可食膜和火腿腸腸衣的應(yīng)用提供了可能性,也為在包裝市場的使用提供了機(jī)會。鉻鞣廢棄物的蛋白水解物與聚乙烯醇加工成可生物降解材料,其在設(shè)定厭氧條件的可降解實(shí)驗結(jié)果表明,添加了蛋白水解物的聚乙烯醇薄膜較ＰＶＣ薄膜的生物降解性提高了五倍而且生產(chǎn)成本也大幅度降低[54]。
1.4.2制革廢棄邊角余料的利用具有關(guān)資料統(tǒng)計每噸濕鹽皮在加工坯皮過程中要產(chǎn)生大約350ｋｇ的邊角余料,采用常規(guī)的化學(xué)方法不僅費(fèi)時、能量耗用大,而且在處理過程中所含脂肪在高溫和強(qiáng)堿或強(qiáng)酸條件下的分解物對蛋白質(zhì)降解產(chǎn)品的利用有很大的限制[55]。應(yīng)用酶解方法既省時又在較低的溫度下完成,所得產(chǎn)物可用作肥料等,亦可由環(huán)保部門處理,分離所得油脂含游離脂肪酸低在化學(xué)工業(yè)有潛在的用途。比較廢棄邊角余料的蛋白質(zhì)的熱回收和酶解回收的研究結(jié)果表明,用商品堿性蛋白酶水解所得產(chǎn)物成本較低,衛(wèi)生質(zhì)量指標(biāo)符合食品安全的標(biāo)準(zhǔn),為邊角余料的利用尋求了一個非常有效的途徑[56]。
2 發(fā)展趨勢與展望 2.1應(yīng)用現(xiàn)代分析檢測手段進(jìn)一步研究酶作用的機(jī)理涉及酶脫毛機(jī)理的研究盡管已有八十多年的歷史,所建立的相關(guān)理論對酶在制革中的應(yīng)用起到了一定的指導(dǎo)作用。但受科學(xué)技術(shù)水平和分析檢測手段等諸多因素的限制,迄今對浸水、浸灰和酶軟化等準(zhǔn)備過程中,酶是以何種方式滲入酶促降解體系、其降解產(chǎn)物又是如何滲出的尚缺乏認(rèn)識,對其傳質(zhì)規(guī)律及傳質(zhì)速率缺乏的定量描述;同時對作用體系的ｐＨ、其它助劑及濃度對蛋白質(zhì)構(gòu)象和構(gòu)型的影響、體系中酶促反應(yīng)及本征動力學(xué)關(guān)系;多酶體系的協(xié)同作用關(guān)系等諸多問題也缺乏充分的認(rèn)識。所以酶在制革過程的巨大潛力尚未充分發(fā)揮。
2.1.1應(yīng)用現(xiàn)代分析檢測技術(shù)加強(qiáng)準(zhǔn)備工段酶作用機(jī)理的研究采用現(xiàn)代分析檢測手段與方法對酶在浸水、脫毛、浸灰和軟化等過程的作用規(guī)律的認(rèn)識與了解,是研究開發(fā)以酶為核心的現(xiàn)代生物制革技術(shù)的基礎(chǔ)。應(yīng)開展的研究工作包括:采用膜分離技術(shù)、親和色譜分離、電泳等分離技術(shù)進(jìn)行細(xì)分級得到了高純度的結(jié)晶酶、膠原和非膠原底物;利用酶的示蹤技術(shù)研究酶在皮表面的吸附特性,建立吸附平衡、吸附動力學(xué)關(guān)系、了解傳質(zhì)規(guī)律和建立定量的描述關(guān)系式;用掃描電鏡(ＳＥＭ)和原子力顯微鏡(ＡＦＭ)研究處理前后形態(tài)學(xué)變化特征;應(yīng)用多維15Ｎ,13Ｃ,2Ｈ標(biāo)記核磁共振技術(shù)測定酶、蛋白質(zhì)在模擬環(huán)境中的三維構(gòu)象,并利用大分子的馳豫時間,研究其動力學(xué)關(guān)系,應(yīng)用熱動力學(xué)法研究在特殊環(huán)境中酶與非纖維狀蛋白質(zhì)的酶促反應(yīng)動力學(xué),建立多底物的酶促反應(yīng)本征動力學(xué),建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型;采用非平衡態(tài)統(tǒng)計物理學(xué)方法探討求解本征方程的近似解,利用熱動力學(xué)獲得的熱力學(xué)和動力學(xué)信息驗證其近似解。這些工作將促進(jìn)更深入地了解、認(rèn)識酶在制革過程的作用機(jī)理,推動酶制劑在制革工業(yè)中廣泛應(yīng)用。
2.1.2建立規(guī)范、準(zhǔn)確的分析檢測體系
制革原料的多樣性和非均勻性、作用體系的多相性、作用環(huán)境的極端性等,給準(zhǔn)確地描述酶活力與作用對象的關(guān)系,酶種選擇、酶的用量和各種酶的配伍等的研究與開發(fā)造成了許多難以逾越的障礙,妨礙了酶在制革工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。Ｙａｔｅｓ等的研究工作已證明以酪蛋白為底物表征的蛋白酶活力可以預(yù)測蛋白酶的脫毛能力[10]。但浸水、浸灰和軟化等其作用對象和目的及作用環(huán)境有所不同,許多公開的酶活力分析方法不能真實(shí)的表征模擬狀態(tài)下酶作用的強(qiáng)弱,難以作為監(jiān)控使用過程的標(biāo)準(zhǔn)。,近年來,以蛋白酶、脂肪酶為基礎(chǔ)的復(fù)合型制革酶助劑的興起,給酶活力及酶的作用效果的評估提出了更高的要求。所以,建立規(guī)范、準(zhǔn)確的分析檢測方法與標(biāo)準(zhǔn)急在眉捷。筆者認(rèn)為這方面的主要工作應(yīng)包括:1)以藍(lán)皮粉(ＨＰＡ)、藍(lán)角蛋白(Ａｚｏ-ｋｅｒａｔｉｎ)、偶白蛋白(Ａｚｏ-ａｌｂｕｍｉｎ)和彈性蛋白紅(ｅｌａｓｔｉｎｒｅｄ)等底物為基礎(chǔ),根據(jù)浸水、脫毛、浸灰和軟化的目的和作用對象,分別研究開發(fā)特定對象的快速分析檢測方法,并研究表面活性劑等其它助劑及濃度對其精度、準(zhǔn)確性的影響,從而建立復(fù)合型制革生物助劑分析檢測、評估技術(shù)。2)應(yīng)用多糖、蛋白質(zhì)等的預(yù)處理和分離及ＨＬＰＣ、紫外、紅外光譜檢測技術(shù)開發(fā)檢測預(yù)處理液中擬除去組分變化的分析技術(shù),從而改善制革酶制劑的篩選方法,合理地控制使用過程,并為研究酶在制革中作用的機(jī)理,新型生物制革助劑的設(shè)計提供可靠準(zhǔn)確的分析檢測評估方法。3)開發(fā)應(yīng)用生物傳感器的在線檢測技術(shù)。
2.2采用現(xiàn)代生物技術(shù)開發(fā)生物制革助劑系列產(chǎn)品
2.2.1用遺傳工程手段選育制革專用酶生產(chǎn)菌種制革原料因其產(chǎn)地、品種的原因而呈現(xiàn)多樣性,因此準(zhǔn)備工段的浸水、浸灰和軟化等作用的對象和目的有所不同。應(yīng)用遺傳工程手段選育制革專用蛋白酶時,應(yīng)著重選育膠原蛋白酶活力低或無膠原蛋白酶,內(nèi)切肽酶活力高,能夠分泌適量彈性蛋白酶的制革專用菌種。選育耐堿性強(qiáng)的纖維素酶、半纖維素酶、角蛋白酶、脂肪酶等新酶種生產(chǎn)菌株。
2.2.2開發(fā)高效生產(chǎn)工藝與設(shè)備酶學(xué)和現(xiàn)代發(fā)酵代謝調(diào)控理論的研究結(jié)果表明,在酶制劑的發(fā)酵生產(chǎn)過程中,控制條件的變化可以改變酶代謝產(chǎn)物及產(chǎn)率;采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制技術(shù)控制間歇補(bǔ)料等發(fā)酵工藝條件,能夠提高蛋白酶、脂肪酶等的活力;應(yīng)用膜分離等現(xiàn)代分離技術(shù)生產(chǎn)高質(zhì)量的酶制劑是解決當(dāng)前制革用酶制劑質(zhì)量不穩(wěn)定的有效方法。應(yīng)用固體發(fā)酵技術(shù)可以為制革工業(yè)提供酶活力高、酶系合理的專用酶制劑。所以開發(fā)高效、智能化的固態(tài)生物反應(yīng)器及固體發(fā)酵技術(shù)是今后發(fā)展的方向之一。
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