纤维素酶的研究、生产及其报在纺织上的应用

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1 纤维素酶的研究
纤维素酶(celtutase)是降解纤维素生成纤维素分子链、纤维二糖和葡萄糖的一组酶的总称 它存在于许多生物中，以微生物为主，细菌、真菌线菌、酵母、白蚁及牛、马消化道中的厌氧菌和某些植物中都有纤维素酶存在，纤维素酶系一般有十到十几种组分，不同来源的纤维素酶分子特征和催化活性也不尽相同，通常以真菌产生的纤维素酶系为研究对象。
纤维素酶虽初于l 906年由Seilliere于蜗牛的消化液中发现 。1950年，Reese等人提出纤维素酶作用方式的cl—cx酶假说，随后逐步发展成c． cx酶学说。纤维素酶系分为三类具有协同作用但性质不同的酶，作用原理如下：


不同真菌产生的c，和C 酶的数量是不同 的，康氏木霉(trichoderma koningil)产生1种外切酶、5种内切酶和2种葡萄糖苷酶 ．青霉菌(P·chrysosporium)除产生上述8种酶外，还产生纤维二糖氧化酶。里氏木霉(trichoderma reese)只有4种内切酶和1种外切酶、1种C 酶和1种p一葡萄糖苷酶 ，纤维素酶是一种糖蛋白，对康氏术霉CI酶分析，碳水化合物的含量占7．20％，主要是甘露糖、半乳糖和氨基葡萄糖 。纤维素酶的糖基化对其免受蛋白酶水解有一定保护作用
纤维素酶分子是由球状的催化结构域(cD)通过一个富含脯氨酸或羟基氡基酸的连接(Linker)和纤维索结台结构域(CBD)三部分组成如下:


整个酶分子呈楔形．球形核区表示了包含催化位点和底物结合位点的CD区，B区代表高度糖基化的连接桥，A区代表纤维素酶结合结构域。连接桥的作用可能是保持CD和CBD之间的距离 纤维素结合结构域执行着调节酶对可溶和非可溶性底物专一性活力的作用．对酶的催化活力是非必需的。催化结构域的三维结构极其复杂．对酶的催化活力起决定作用。
随着所发现纤维素酶种类的增加，特别是出现不同类型酶蛋白之间的序列、免疫反应及功能上的交叉，原来按功能简单分类的系统已不能足纤维素酶的分类要求。为此，Henrissat等E 提出在催化区氨基酸序列同源性分类基础上再结合疏水簇分析(HCA)技术分析酶蛋白的二级结构进行证实．并加以扩充 Gilkes等根据催化区的保守序列和疏水簇分析将纤维素酶和木聚糖酶分成九类 。。这种分娄方法打破了生源的界限，也使分类更为合理 但是．纤维素酶系的复杂陛及其作用方式的复杂I生，致使研究进展缓慢．迄今尚没有有关纤维素酶的新的理论出现，因此c．一c 酶系理论仍较为普遍被人们所接受.
2 纤维素酶的生产
纤维素酶生产有固体发酵和液体发酵两种方法。固件发酵法以秸杆、麸皮等为主要原料．投资少t工艺简单．产品价格低廉，现在国内纤维素酶市场上，固体发酵法生产的酶制剂己占据相当份额t形成了一定规模．生产厂家主要分布在上海、江苏，另外湖北、黑龙江等也有生产 国内液体发酵法生产纤维素酶由于菌种和工艺水平均较低．尚处于初级阶段。如无锡酶制剂厂曾以玉米秸杆芯为碳源，菌种采用绿色木霉．进行纤维素酶液体发酵中试，未成功。最近西安、宁夏、广东等地均有报道液体发酵生产纤维素酶．但市场上很少有他们的产品出现。
固体发酵法有其根本上的缺陷。固体发酵不是现代生产方式，不可能像液体发酵那样随着规模的扩大．成本大幅度下降。以秸杆为原料的固体发酵生产纤维素酶很难提取精制，目前生产厂家只能采用直接干燥粉碎得到固体酶制剂或用水浸泡后压滤得到液体酶制剂，产品外观粗糙(人称"垄榛酵素")，质量低且不稳定 因此，随着市场的成熟，液体发酵工艺的发展 及菌种性能的提高，采用液体发酵法生产纤维素酶是必然趋势。我们已经成功地研究出纤维素酶液体发酵生产工艺 菌种为里氏术霉DF 98 工艺路线如下：


我们的生产工艺在I 5吨发酵罐上已经正常运行两年，产品在江浙两省供不应求．产品质量经过多家企业的使用．特别是温州俊尔印染公司的长期使用，证实我们生产的纤维素酶完全达到进口纤维素酶和国产固体发酵纤维素酶的使用效果，在用量上与进I：1酶相当，为国产固体发酵酶的五分之一。
我们的生产工艺具备的优势有：
(1)菌种产酶水平居国内领先地位，菌种稳定性好．连续传代十多次未发生明显退化
(2)发酵工艺简单，设备通用性强．控制方便．如温度、接种量、培养时间等均可在较大范围内波动而对生产影响不大。
(3)水、电、汽消耗都明显低于一般发酵
(4)培养基中不含蛋白质和淀粉类多糖原料，为提取精制创造了有利条件。
(5)成品酶制剂稳定性高，贮存要求低
3 纤维素酶在纺织上的应用
纤维素酶用途极广，可用于一切以植物及植物籽实为原料的加工业 在饲料、酿造、食品加工、中草药有效成份提取、果蔬加工、环保、造纸、石油开采等行业的应用中，能有效地改善产品质量，提高产量，从而获得显著的经济效益。在纺织后整工艺上，利用纤维素酶对纤维素纤维织物进行生物整理即酶降解整理，被认为是"生物工程技术纺织工程技术的完美结合"。其原理为：纺织天然纤维素纤维结构复杂，结晶度高，很难被酶全分解成葡萄糖，但在产生可测出还原糖以前，其物理性质发生变化，横向断裂，强力降低，聚合度下降，吸湿能力和吸碱能力增加，裂解成短的可分离的纤维碎片等。根据这一原理，对纺织物进行有控制的纤维素酶处理 可使强力适当下降的同时，表面变得光滑，纺织物获得膨给，手感厚实柔软，增大了纤维素的无定形区。所以。纤维索酶的应用，目前主要集中在纺织业。
服装是我国大宗出口商品之一。据《光明日报》报道，尽管我国服装出口数量1995年超过80亿件，刨汇240多亿美元，但每件的价格却平均仅有3．2美元。纺织界人士已经清楚地认识到，是量低决定了价格低。质量低的主要原因之一是出口服装的档次低。服装档次的关键在于后整理 纤维素酶整理技术，投资少、上马快，工艺简单、污染轻，产品使用性能好．不需添 专用新设备，不需要大量的化工原料及昂贵的进口染整助剂 使处理后的纺织物在强度影响不大的情况下，既改进了外观，又提高了内在质量，而且这种改变是不可逆的，所以，近几年来，纤维素酶整理技术在国内纺织行业的应用越来越广。
纤维素酶在纺织的应用主要有：
3．1 纤维素酶在纤维素纤维加工中应用很广表现在：
3 1．1 改善纤维素针织物的外观的性能
染色棉织物经纤维素酶处理后，表面毛羽、棉结明显地被清除，织物结构较清晰，染色织物的色泽也明显地明亮和增深。织物的表面粗糙度以及抗挠刚度显著降低，从而有助于织物手感的明显改善。
3．1．2 增强纤维素纤维的柔软度，及至增强黄麻的漂白已证实，有效地控制棉纤维用纤维素酶的水解程度，可使棉织物变成比较柔软，丰满而且稍许挺爽，且有较好的悬垂性，另外 还证实黄麻经纤维素酶和水聚糖酶的混合物预处理，漂白和柔软作用增强。
3．2 纤维素酶在提高纺织品附加价值方面正起着越来越引人注目的作用表现在：
3．2．1 牛仔水洗鉴于浮石对织物损伤较大，现代生物技术提供了牛仔用酶水洗工艺，具有下列优点：
(1)加工服装的质量优良；(2)有利于环境保护；(3)设备磨损少；(4)无需处理浮石，也无需额外的柔软剂；(5)地面和污水管易于处理。在某些情况下，将纤维素酶和浮石水洗相结合。
3．2．2 生物抛光
生物抛光是日本最先开发的新颖织物整理，织物经过纤维素酶处理，其表面伸出的小纤维末端被除去，有效地减少织物的起毛和起球，获得持久的柔软度和光滑度，并导致织物光泽和色泽鲜艳度的明显改善。生物抛光适用于包括棉、粘胶、麻在内的所有纤维素纤维及其织物