酶在轻工领域中的应用
海南大学 食品学院
白新鹏
１３６４８６３１１９９
酶工程是研究酶的生产和应用的一门技术性学科。经过了这个学期对酶技术的系统学习，我对酶的一些基本性质原理以及生产等方面已经有了较为深入的认识。而关于这些酶技术知识的学习，最终都是为了更好的应用到生产实践中去，所以对酶在各方面工业生产中的实际应用也是很重要的一个学习方面，所以现借助有关资料，谈一谈我对酶在轻工方面应用的了解。
酶法或微生物转化的多酶系统催化已经用于精细化学品的生产中，较化学法合成有明显优势。酶法合成的优点在于降低了反应活化能，可以在常温常压下进行催化，分子转换率高，专一性强，并具有高度的立体选择性，能催化特殊的功能集团键，副反应少，可获得高纯度的单一产物。因此，酶促催化在化学合成领域中具有较高的催化基础，理论价值和广泛的实用潜力。
实际上，酶法或多酶系统催化反应已用于药物、食品添加剂等精细化学品的生产合成。在酶法合成中，有机相中的酶促催化、酶法手性化合物与药物的合成及拆分已成为当前重要的应用技术和研究内容。是酶法合成的热点。此外，在化合物多步骤地合成中，酶法与化学法相辅相成的偶联反应亦受到高度重视。
1、酶用于洗涤剂制造工业
自60年代瑞士生产添加耐热性强的细菌碱性蛋白酶的洗涤剂后，加酶洗涤剂在欧洲突然流行，现在欧洲的洗衣粉中50%添加蛋白酶，德国生产的洗衣粉，90%加有碱性蛋白酶，全世界用于洗涤剂的酶约达10kt，成为消费量最大的酶之一。
据测定衣服穿着一日起领口每克纤维含6mg蛋白质，24.4mg脂肪，在洗涤剂中添加蛋白酶可使蛋白质成为易溶状态而容易洗去，碱性蛋白酶最适作用pH值为9~10。主要应用于加酶洗涤剂，在制革、丝绸等工业也有广泛的用途。我国自1978年开始推广应用，目前加酶洗涤剂约占总洗涤剂的10%~15%，1989年生产洗涤剂用蛋白酶150~200kt，目前生产应用更多。近年来我国科学工作者对碱性蛋白酶进行了不懈的探讨。
我国碱性蛋白酶的研究发展很快，总的趋势是对高温耐碱性稳定性好的蛋白酶和常温碱性蛋白酶的研究，酶活力水平不断提高。也有致力于蛋白酶基因的筛选、克隆和表达方面的研究。
目前用于碱性蛋白酶的生成产菌和研究对象主要是枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌及短小芽孢杆菌，如我国目前使用的2709地衣芽孢杆菌和1213地衣芽孢杆菌，嗜碱性短小芽孢杆菌等。目前也在不断选育新菌株。产碱性蛋白酶的放线菌较少，主要是链霉菌，产生的碱性蛋白酶耐高温，很适合于工业生产。
除蛋白酶外，淀粉酶常用于餐具洗涤，果胶酶，花青素酶可用于洗去果汁果胶与色素。
今后我国碱性蛋白酶的研究将主要致力于：①运用基因工程和蛋白质工程手段进一步提高酶的性能，如有人将嗜麦芽假单孢菌的碱性蛋白酶基因克隆到E.Coli中，其酶活是出发株的3~4倍。又如耐热、耐碱性及对螯合剂的抗性，提高酶的抗氧化性。进一步提高酶活力。通过渗透突变株的利用，分泌载体的构建、诱导物的使用等进一步解决革兰氏阴性菌胞外酶的分泌问题；②以石油为原料进行碱性蛋白酶生产；③进一步开拓碱性蛋白酶在医药工业方面的应用，特别是生化制药、化疗方面。不久的将来，碱性蛋白酶的研究将进入一个全新的阶段。
碱性纤维素酶是一种新型的洗涤剂用酶，产生于嗜碱芽孢杆菌。洗涤剂中加碱性纤维素酶比加蛋白酶或脂肪酶的效果更好一些，是由于碱性纤维素酶可使棉纤维缝间的污垢脱落。日本在浓缩化中亦是采用新型酶制剂。碱性纤维素酶与脂肪酶，以弥补因助剂减少而影响去污力。
Celluzyme是丹麦诺和诺德公司开发的多功能碱性纤维素酶。Celluzyme至少含有7种纤维素酶的多组分产品，各种纤维素酶具有不同的催化特性，它们相互补充形成十分灵活且完善的纤维素水解体系，在碱性条件下均有活力，最适宜温度为60 左右，但在较低温度（15~
美国Novo公司最近开发一种强力洗衣粉专用酶——氧化酶，这是继淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶和纤维素酶以后上市的第五种洗衣粉专用酶制剂。由于不需添加防止酶在热水中易失活的稳定剂，可降低成本。
2、 酶在造纸工业中的应用
制浆造纸工业是一个重要产业，也是环境污染和资源消耗的大户。目前木聚糖酶用于漂白、酶或微生物法控制树脂和酶法废纸脱墨已经在制浆造纸工业中得到工厂规模的实际应用。生物制浆技术和非木聚糖酶的酶法漂白技术也已经接近了商业化。利用木聚糖酶作纸浆漂白助剂，由于既可减少漂白废液污染，又可减少漂剂用量、降低生产成本，效益显著，且易于工业化，很快在欧洲和北美的三十余家大型纸厂得到应用，成为生物技术应用于造纸工业最成功的一例。目前，加拿大已有约10%的硫酸盐法纸浆采用了酶法助漂新工艺。丹麦诺和诺德公司和美国山道斯化学公司等多家酶制剂厂商，纷纷推出了专门用于纸浆处理的木聚糖酶和纤维素酶新产品。由于制浆造纸工业是产值数千亿美元的巨型产业，一旦上述技术得到广泛推广，酶制剂的需求量将非常大。可带动酶制剂工业的飞跃发展。此法不但可使漂白成本降低20%，还可消除分子氯法漂白所产生的二噁英致癌物。利用蛋白质工程，logen公司已经以BioBriteTMHB60C的商品名注册这一重组的耐热木聚糖酶，并投入生产。
早在1990年，日本就开始利用脂肪酶处理针叶树磨木浆，有效地控制了树脂障碍问题。欧洲也成功地进行了实验室实验和中试研究。但由于未知原因，北美却一直没有成功的报道。美国Clariant公司从一种蓝染真菌中选育出一株白化突变株，不产蓝黑色素，可快速降解木材中的树脂，但不降解树素、纤维素和半纤维素，因而不会降低纸浆得率。他们将该菌的孢子以商品出售，复水后用以直接接种到未经灭菌的鲜木片上。只要自然堆积7~14天，就可以起到减少木片抽提物的含量、维持木片白度的作用，从而减少树脂控制化学品以及漂白药剂的用量。利用脂肪酶去除纸浆或木片中的树脂后，可以减少树脂粘着而引起的停机和纸质降低。酶法废纸脱墨工艺已经在生产中得到实际应用，酶法脱墨技术，经过几年的改良，已经形成多种以纤维素酶为主的最佳配方。自1997年4月开始，该技术已经正式在丹麦一家脱墨厂投入生产。酶法脱墨还可以提高白度，减少污点和粘质物，且可以减少水处理中的化学品用量，纸浆中的色素物质主要来自木素的芳香类化合物。木聚糖酶化处理工艺通过降解除去纸浆表面的再沉积的半纤维等，帮助化学漂白剂漂白。木聚糖酶只能起到助漂的作用，不能真正代替化学漂剂。因而，许多实验室都在努力研究非木聚糖酶的漂白用酶，涉及的酶类包括木素过氧化物酶、锰过氧化物酶、漆酶和纤维二糖脱氢酶等。其中漆酶用于漂白工艺正在积极开发中。
木聚糖酶属于半纤维素酶。应用商品木聚糖酶Cartazymes HS对白杨木的硫酸盐纸浆进行预处理可使纸浆最终亮度达95%，并减少了18%的氯用量；加拿大的Canfor造纸公司应用商品木聚糖酶Albuzyme10在PH5.5条件下对硫酸盐纸浆预处理，结果使低氯漂白中的二氧化氯用量减少了16%，使漂白废液中有机氯化物含量降低了14%；西班牙的Mirada造纸公司应用木聚糖酶Cartazymes HS对一种桉树的硫酸盐纸浆进行预漂白，最终使其亮度达到100%。今后，随着研究的深入，木聚糖酶和甘露聚糖酶会在溶解纸浆生产中发挥重要作用。
在造纸工业中利用农作物纤维代替木材已超过10%，由谷草制成的纸浆通常用于生产制造纸箱的瓦楞夹心原纸，他的主要问题是纸的质量差、强度低。在谷草造纸工业中利用酶的作用可以提高纸的质量。在谷草造纸工业中，这种葡聚糖酶可以提高纸浆的性质和纸的质量，包括拉伸和张力指数，但脱水性质略有下降。电子显微镜分析表明这种葡聚糖酶改变了谷草的表面，增加纸浆的原纤化和纤维间的粘合，提高纸浆的粘度。
其他应用
3、制革毛皮
制革原料皮中的纤维蛋白是皮革有用成分，而少量其他的非纤维蛋白则存在于纤维间隙表皮与毛囊周围，蛋白酶只分解间隙蛋白而不作用胶原，故可用于制革原料皮的浸水，以缩短浸水时间，用于脱毛与软化。利用蛋白酶消化间隙蛋白，是皮纤维松散，结合化学鞣可彻底革新工艺，并提高裘皮质量，这种工艺目前在我国裘皮工业中广泛采用，使用蛋白酶脱毛，可以改善劳动条件，缩短周期，并使脱毛与软化工序合而为一，更可取的是污水危害大为减轻。用于制革的酶主要有细菌、霉菌、放线菌中性、碱性蛋白酶，用于裘皮软化的酶主要有霉菌中性、酸性蛋白酶。控制好软化条件，达到软化而不脱毛是工艺的关键。
4、日用化学品
化妆品可以使用溶菌酶防腐。将蛋白酶、胶原酶或霉菌脂肪酶加入冷霜、洗发香波中可溶解皮屑角质，消除皮质，使皮肤柔嫩并促进皮肤新陈代谢，增加皮肤对药物的吸收，使皮肤对角质层中致病菌的耐药性降低。
将蛋白酶与右旋糖酐酶加入牙膏，牙粉或漱口水中，有助于去除牙垢，尤其是枯草杆菌中性蛋白酶的效果最好。
明胶以兽皮为原料，使胶原转化为明胶，用蛋白酶净化胶原可代替浸灰工序，去除胶原纤维之外的间隙蛋白，中性蛋白酶，酸性蛋白酶以及放线菌蛋白酶都可用来处理皮块使之易溶。这种明胶纯度高，质量好，分子排列整齐，生产周期仅数天，且明胶收率几乎达100%。
5、纺织工业
毛纺工业，用蛋白酶水解羊毛表面蛋白质，对织物有防缩作用，并可降低染色温度，增强染料的吸附率。生丝织物必须脱胶，去除外层丝胶才能有柔软的手感与特有的丝鸣丝光现象。使用蛋白酶脱胶可使质量大为提高。
芽孢杆菌生产的碱性纤维素酶可用于印染，以提高棉布同染料的结合力，并可以改善棉布的手感。
织物印染前必须退浆，以除去纺织时浆纱的淀粉，用耐热性良好的细菌淀粉酶代替碱法退浆具有许多优点，可以降低加热温度、缩短时间、染色匀且不伤织物，退浆率也高。酶法退浆尤其适合于不耐热的色织衬绸与化纤混纺的退浆。在连续退浆作业中更有必要使用耐热的高效的a-淀粉酶。
6在香料生产中的应用
随着人们生活质量的提高，消费者要求天然香料的愿望日益增加，并希望获得性能更好的香料产品，采用生物转化法生产香料可以满足这些要求。生物催化剂的主要优势在于，酶或微生物的进行催化反应的专一性强，特别是立体选择性很高，而且在生产过程中反应条件温和，节能，对环境污染少。相比之下，化学法生产的香料，通常不具有定向性，或定向性很差，生产过程对环境污染大，特别是使用重金属催化剂时污染更大。
生物酶合成香料是生物法的一种。使用贝塔糖酐、酶和苯乙醇腈酶催化剂，可以生产苯甲醛。两种酶都存在于杏仁粉中。同样地，鼠李糖苷酶存在于工业化生产的果胶酶中，可用于从苦味的柑皮苷、柚皮苷等糖苷中释放出的6-去氧蔗糖鼠李糖。这种鼠李糖是广泛使用的一种香料的前体。在这一工艺中重要的是得到的鼠李糖是纯的。
通过大豆与小麦的曲霉菌固体发酵，可以得到曲霉。曲霉富含肽酶、蛋白酶、淀粉酶，所以从曲霉提取的生物酶可以将生物大分子水解成氨基酸、肽和糖，它们被耐盐微生物发酵液转化为各种香味物质，包括谷氨酸。用此法可生产复合料及香料体。
7、新型甜味剂阿斯巴甜
阿斯巴甜的甜度是蔗糖的200倍，实际用量只是蔗糖的0.5%，现在已为包括中国在内的100多个国家和国际权威组织认可，广泛使用于全球5000多种饮料、食品及医药产品中。
阿斯巴甜的安全性是其近年来得以迅猛发展的主要原因。目前全世界阿斯巴甜的年产量在1.2万吨左右，主要消耗在美国、欧洲、加拿大、日本等。主要生产国为为美国和日本。1992年12月专利期满后，已有报道荷兰、法国、加拿大和巴西等国家建厂投产，规模多在1000t/a左右。据调查，阿斯巴甜的全球市场销量目前正以平均每年15%~20%的速度迅速增加，预计下世纪初将达到2万吨以上。
至于生物合成方法，研究较多的是嗜热蛋白酶，尽管已实现工业化，但因其来源问题较难解决，因此近年来对改用较为廉价的木瓜酶研究较多。其他酶如内肽酶、氨肽酶和阿斯巴甜水解酶等虽有报道，但距离工业化尚有很大差距。
目前，国际上阿斯巴甜主要由美国Nutra Sweet和日本Ajionomoto两大公司生产，他们均采用化学法。日本Toyo Soda公司和荷兰DSN公司在荷兰Geleen联合建造有一套年产500t的酶法生产装置，使用嗜热蛋白芽孢杆菌的蛋白酶，以带保护的L-天冬氨酸和L-苯丙氨酸甲酯为原料来获得阿斯巴甜。就现在工艺来看，尽管酶法生产有其先进之处，但其成本是否可与化学法竞争，尚难定论。
L-苯丙氨酸是生产阿斯巴甜的关键原料，一般占原料生产成本的60%左右，国内生产尚属空白。从长远看，直接使用天冬氨酸和苯丙氨酸甲酯，一步酶法合成阿斯巴甜是最为理想的工艺路线。另一方面，对酶促合成阿斯巴甜的木瓜蛋白酶仍需要进一步提高酶活性。
酶工程是基于生物技术学科的发展而开发的应用技术，利用生物催化剂酶的催化特性，解决酶在轻工领域工程方面的应用技术。相信酶工程将在生物技术的发展中，会逐步融合或取代某些领域，起到越来越重要的作用。