酶工程第15章兰州大学酶工程酶在轻化工业上的应用

第十五章酶在轻化工业上的应用一、氨基酸生产二、有机酸生产三、合成甜味剂生产四、洗涤剂制造五、皮革加工六、明胶、胶原纤维生产七、废物处理和饲料加工八、纺织工业九、造纸工业十、其它方面一、氨基酸生产酶在氨基酸生产上的用途有二种：①用于DL-氨基酸的拆分，得到L-氨基酸。②直接合成L-氨基酸。1．DL-氨基酸的拆分化学合成的氨基酸都是外消旋体，其中只有L-型具有生理活性。先将DL-氨基酸进行酰化（在氨基上加一个乙酰基），再用酰化酶水解L-型氨基酸上的乙酰基，得到L-氨基酸；体系中剩下的酰化D-氨基酸可用消旋酶消旋，重新转变成酰化DL-氨基酸的外消旋体，由酰化酶继续拆分，直至几乎全部转变成L-氨基酸。这种方法已在丙氨酸、蛋氨酸、色氨酸、缬氨酸的生产上应用。DL-色氨酸的酶法拆分酰化酶来自曲霉、青霉、假单胞杆菌、酵母以及动物肾脏等。固定化酶用于氨基酸拆分工业上是用固定化酰化酶进行连续拆分的。将酰化酶固定在DEAE-SephadexG-25上，可用于五种氨基酸的拆分，一个1000升的酶柱月产量为10～32吨。将酰化酶用三醋酸纤维包埋后装柱，用于酰化DL-色氨酸的拆分，在45℃连续工作50天，酶活力只损失25~30％，用4kg酶柱进行试验，每千克固定化酶可生产400kgL-色氨酸。2．L-氨基酸合成赖氨酸是必需氨基酸之一，大量用于强化食品、饲料和作为输液成分。赖氨酸主要以发酵法生产。1982年日本采用福林的发明，以环己烷为原料，经加成反应、氨化及重排反应，生成DL-α-氨基己内酰胺，利用一种卢氏隐球酵母菌产生的L-氨基己内酰胺酶将其水解使L-体开环而成L-赖氨酸，剩下的D型体经无色杆菌的消旋酶作用而重新成为DL体。在最适反应条件下（pH8.0，40℃），使用10％的底物，可定量地转变成L-赖氨酸。赖氨酸的酶法拆分+L-赖氨酸天冬氨酸的酶法直接合成天冬氨酸是一种保健药，具有增强机体抵抗力，消除疲劳，促进肝功能，解除氨毒等作用。它是唯一只用酶法生产的一种氨基酸。以化学法容易合成的氨和富马酸（fumaricacid，延胡索酸）为原料，用大肠杆菌天冬氨酸酶进行反应，可以定量地合成天冬氨酸。固定化细胞生产L-天冬氨酸将大肠杆菌细胞包埋在聚丙烯酰胺凝胶里，在含有Mg2＋的富马酸溶液中浸渍1～2天后装柱，在37℃下通入底物溶液，将流出液调节到pH2.8，冷却后天冬氨酸即结晶析出，收率可达100％。这种固定化酶很稳定，37℃下的半衰期为120天，一个1000L的酶柱一天可生产2吨L-天冬氨酸。若改用κ-角叉菜胶包埋，再用己二胺处理，可进一步提高酶的稳定性，半衰期可达680天，生产能力提高15倍。二、有机酸生产L-苹果酸是食品工业上的酸味剂，在化工、印染、医药品生产上也有不少用途，可用发酵法和酶法生产。酶法是以富马酸为原料，以富马酸酶催化加水合成的。生产实践上是以固定化的产氨短杆菌或黄色短杆菌作为催化剂来催化的。有机酸生产L（+）酒石酸也是一种食用酸，可以从葡萄酒副产物酒石中提取，但产量有限。用化学合成法也能制造酒石酸，但产物是DL型，水溶性较L(+)酒石酸差，不利于应用。酶法合成酒石酸是首先在钨酸钠催化下，使马来酸（maleicacid，顺丁烯二酸）与过氧化氢反应，生成环氧琥珀酸，再用微生物的环氧琥珀酸水解酶催化开环而成为L（+）酒石酸。产生环氧琥珀酸水解酶的微生物有假单胞杆菌、产碱杆菌、无色杆菌、根瘤菌、土壤杆菌、诺卡氏菌等。L(+)酒石酸的酶法合成三、合成甜味剂生产天苯肽（L－天冬酰－L－苯丙氨酸甲酯）、糖精（邻苯甲酰磺酰亚胺钠）、甜蜜素（环己基氨基磺酸钠）等属于合成甜味剂。天苯肽是一种低热甜味剂，其甜度为蔗糖的200倍。嗜热菌蛋白酶催化天冬氨酸和苯丙氨酸反应生成天苯肽，其中天冬氨酸的氨基必须保护（苄氧甲酰化），苯丙氨酸的羧基必须甲酯化，以避免形成Asp－Asp、Phe－Phe、Phe－Asp等副产物。天苯肽的酶法合成CbzAsp＋PheOmeCbzAsp－PheOme嗜热菌蛋白酶酶反应产物用钯碳催化进行氢解，脱去苄氧羰基，得到最终产物。在生产中通常使用化学合成的外消旋DL－苯丙氨酸甲酯为底物，反应后剩下的D－苯丙氨酸甲酯可以分离出来，经消旋酶消旋后继续使用。四、洗涤剂制造衣物污染血渍、汗渍、牛奶、果汁、油脂等污物后很难洗净，若在洗涤剂中添加相应的酶，则较容易洗净。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，现在市场上销售的加酶洗衣粉中就是添加了耐热的碱性蛋白酶。用于洗涤剂的酶除了要求在50℃碱性(pH9～11)条件下稳定外，还必须在洗涤剂的主要成分如阴离子表面活性剂、金属螯合剂三聚磷酸钠、过硼酸钠等存在下不致失活。碱性蛋白酶的生产虽然许多细菌、霉菌、放线菌都可以生产碱性蛋白酶，但在工业上考虑到高产、培养管理方便、使用安全，大都采用地衣芽孢杆菌作为碱性蛋白酶的生产菌。使用100～200立方米的发酵罐，通气搅拌培养，在最佳条件下，经过1～2天培养液中积累的蛋白酶可达2g/L，用溶剂沉淀法或盐析法将酶析出。碱性蛋白酶粒的制造酶经干燥磨粉后，将其与聚乙二醇、乙氧基脂肪醇、CMC(羧甲基纤维素)等的溶液混合，喷雾造粒；或将其与盐类(Na2SO4·CaSO4)、糊精、CMC、海藻酸钠、聚乙二醇等一起加水调成糊状，挤压造粒。再在颗粒表面喷涂蜡质而成为直径0.2～0.5mm的酶粒。酶粒表面涂膜可以增加酶在洗涤剂中的稳定性。这种酶在37℃、相对湿度76％时保存6个月，失活＜10％。其他加酶清洗剂工业过滤器出现堵塞是很麻烦的事，虽说可用反清洗和澄清溶液循环等措施来预防，但仍免不了出现堵塞。加酶清洗液可以有效地解决这类问题。清洗液通常是由酶和去垢剂组成。合适的配方取决于具体应用，例如，胰蛋白酶和木瓜蛋白酶用于清除乳品滤器的堵塞；α-淀粉酶和β-葡聚糖酶用于酵母和谷物过滤器；纤维素酶和果胶酶用于葡萄糖和果汁等的过滤器。酶也用在清洁管道、热交换器、储罐内外的固形物或膜状覆盖物的清洗剂中。五、皮革加工猪、牛、羊皮制革时，首先要除去皮上的毛，然后才能进一步加工鞣制成革。过去脱毛工艺沿用石灰、硫化钠浸渍，不仅时间长，工序多，而且劳动强度大，污染严重。原料皮中的纤维蛋白（胶原）是皮革的有用成分，而少量其它非纤维蛋白则存在于纤维间隙和毛囊周围，这些蛋白含量虽少，但如不去除，毛根不易松动，制成的皮革僵硬不软。目前在制革工业中已采用酶法脱毛工艺。制革用酶的种类和来源制革所用酶的种类有放线菌蛋白酶、霉菌蛋白酶、细菌中性和碱性蛋白酶。此外，皮的软化是制革工业中的一个重要工序。采用酸性蛋白酶和少量脂肪酶进行皮革软化，可以很好地除去污垢，使皮革松软透气，提高皮革质量。蛋白酶只分解间隙蛋白，不作用于胶原。酶在裘皮制作中的应用毛皮(裘皮)过去是用米硝法熟制，将带毛生皮投入米粥中任其自然发酵，通过微生物繁殖，并生成有机酸等，使皮板中间的间隙蛋白溶解，然后取出晾干搓揉而成裘皮。这种方法劳动强度大，周期长，浪费粮食，污染环境，成品裘皮有臭味。用甲醛或铬盐鞣制裘皮，虽无上述缺点，但裘皮欠轻软。利用蛋白酶消化间隙蛋白，使皮纤维松散，结合化学鞣制，可彻底革新工艺，提高裘皮质量。酶法制裘皮这种工艺目前在我国裘皮工业中广泛采用，其优点如下：a．裘皮软、暖、轻，手感好，无臭，可以水洗。b．出皮率增加10％。c．生产周期缩短一半，节约原料，降低成本。用于裘皮软化的酶是霉菌中性、酸性蛋白酶，控制好软化条件，达到软化而不脱毛是这个工艺的关键。六、明胶、胶原纤维生产明胶生产以兽皮为原料，传统的方法是先用石灰水浸渍除去油脂和杂蛋白等，水洗中和后在70～90℃抽胶，使胶原转化成明胶。抽提温度越低且浸灰时间越长则明胶质量越好，这种工艺浸灰时间长达数月，工序多、劳动强度大，出胶率低、能量消耗大。明胶生产用蛋白酶净化胶原可代替浸灰工艺，方法如下：先将皮块脱脂洗净，用食盐溶液抽提除去盐溶性蛋白质，再加蛋白酶消化除去胶原纤维以外的间隙蛋白质，用水洗净后再用热水抽胶，制成的明胶质量好，收率增加，并可缩短生产周期。明胶生产将胶原净制后再溶于稀酸溶液中使成为粘稠胶液，滤去杂质后，一经中和胶原纤维便沉淀析出，将胶原收集后置60～70℃加热数分钟便可完全转变为明胶，这种明胶纯度高，质量好，生产周期仅为数天，且明胶的收率几乎达100%。七、废物处理和饲料加工农业生产中的稻草、麦秸以及废纸等纤维素物质可用纤维素酶水解成葡萄糖。生产纤维素酶的微生物大多数选用木酶，主要是绿色木霉、端西木霉、康氏木霉等。用纤维素酶在反应器中水解纤维素生产葡萄糖，1m3反应器1小时可以生产10磅葡萄糖，一个配备20个100m3反应器的工厂一年可以由纤维素生产10万吨葡萄糖。饲料加工为了提高家禽家畜的饲料利用率，可往饲料中添加纤维素酶、酸性蛋白酶、果胶酶、半纤维素酶、α－淀粉酶以及溶菌酶等酶制剂，尤其是添加溶菌酶可使饲料中的酵母和霉菌细胞溶解，细胞内容物易于释出而提高饲料利用率。八、纺织工业在纺织工业中，为了增强纤维的强度和光滑性，便于纺织，需要先行上浆。将淀粉用α-淀粉酶处理一段时间，使粘度达到一定程度就可用作上浆的浆料。纺织品在漂白、印染之前，还须将附着在织物上的浆料除去，这叫退浆。用耐热性良好的细菌α-淀粉酶代替碱法退浆具有许多优点：加热温度低(由90～100℃降低到60～65℃)，时间短(由11～12小时缩短到0.5～1小时)，退浆率高(由60％增加到85％以上)，染色均匀，织物不易损伤。酶法退浆尤其适合于一些不耐热的化纤织物。有些纺织品上浆是以动物胶作胶浆，可用蛋白酶使之退浆。棉麻纤维的酶处理丹麦的Novo公司首先应用纤维素酶处理牛仔布的棉纤维，应用纤维素酶处理牛仔布后，有一种古朴、柔和的感觉。最近发现用Trichodermareeser的酸性纤维素酶处理棉或麻的纤维，处理后，产生自然和柔软性的同时，还可除去纤维表面的毛，使纤维表面发出光泽。中性纤维素酶处理牛仔布后，染色时的着色率提高。蚕丝脱胶天然蚕丝的主要成分是不溶于水的有光泽的丝蛋白，丝蛋白的表面有一层丝胶覆盖。在高级丝绸的制作过程中，必须进行脱胶处理，去除外层丝胶才能有柔软的手感和特有的丝光现象。蚕丝脱胶丝胶是一种蛋白质，在桑蚕丝中含20～30％，在柞蚕丝中含6％，柞蚕丝的丝胶中还含有大量的尿酸钙。去除丝胶历来用碱皂法高温炼丝进行脱胶，碱侵袭丝影响光泽，对于柞蚕丝来说还会生成钙皂，附于织物表面难于去除，以至手感粗糙，光泽暗淡。使用细菌的碱性蛋白酶或细菌、真菌的中性蛋白酶脱胶可克服上述缺点，提高产品质量。羊毛表面处理羊毛表面有鳞状物质，它们是一些蛋白质聚合体。应用枯草杆菌蛋白酶处理后，可以消除鳞状物质，使毛料变得更柔软。还可使毛料具有防缩水性，防止羊毛起球。羊毛用蛋白酶处理，还可降低染色温度，增强染料的吸附。九、造纸工业造纸原料的纤维中含有大量木质素，木质素的存在容易使纸变为褐色，强度降低，如不除去则会严重影响纸的质量。通常使用碱性硫酸盐和二氯化盐处理以除去木质素，这些化学药品的致癌性已被证实，因而造成严重的环境污染。用木质素酶可以使木质素水解，或用漆酶（苯二醇:氧氧化还原酶，EC1.10.3.2）使木质素氧化，不但可以提高纸的质量，而且使环境污染的程度大为减轻。造纸工业在造纸、纸浆产业中另一个主要问题是从木材屑或纸浆中除去甘油三磷酸酯，这可用脂肪酶来处理。用脂肪酶处理纸浆，纸的品质提高，减少了甘油三磷酸酯吸收剂的用量。另外在纸浆漂白的过程中，也使用了酶，如木聚糖酶、半纤维素酶、木质素过氧化物酶等。十、其它方面蛋白酶可用于感光胶卷废胶片的银粒和片基的回收，将胶卷浸入中性或碱性蛋白酶的水溶液中，50～60℃保温，适度搅动，明胶膜即被溶解，银粒进入溶液，用适当方式回收，片基醋酸纤维可用溶剂溶化后再生。将蛋白酶或右旋糖酐酶加入牙膏中，有助于去除牙垢，尤其是枯草杆菌蛋白酶的效果最好。其他方面将蛋白酶、胶原酶和脂肪酶加入护肤品中，可溶解皮屑角质，消除皮脂，使皮肤柔嫩，促进皮肤的新陈代谢，增加皮肤对药物的吸收，使皮肤角质层中的致病菌的耐药性降低。化妆品中也可加入溶菌酶防腐。