漆酶及其应用

生物技术漆>〈酶〉〈及〉其〈应〉〈用●魏华丽,史安石,石淑兰(天津科技大学,天津300222)摘要:漆酶是一种含铜多酚氧化酶,具有催化氧化酚型底物的能力。漆酶在很多领域得到了广泛的应用。本文主要从纸浆的生物漂白、生物制浆、去除氯酚类化合物的毒性等几个方面进行了介绍。关键词;漆酶;多酚氧化酶;酚型底物;自由基;应用;漆酶/介体体系中图分类号:Q814文献标识码:A文章编号:1001-6309(2004)06-0079-03漆酶( laccase)是指一类性质相近而又不完全作用相同的多酚氧化酶的总称。最早是在1883年由已经证明m,漆酶的催化氧化反应需要氧气Yoshida首先从漆树液中发现的,后来人们又从大作催化反应的中间物。漆酶在有氧条件下催化氧量的真菌体中发现了漆酶。由于漆酶来源很多,结化酚类化合物,同时分子氧被还原成水,在这一过构各异,因此不同来源的漆酶表现出来的催化特性程中,漆酶从氧化底物分子中提取1个电子,使之相差较大。即便是同一来源,如同一白腐菌菌种,可形成自由基,自由基不稳定,进一步发生聚合或解分泌出不同性质的漆酶组分,包括其氧化能力、最聚反应)适pH、底物专一性等,因此催化氧化作用也各不相漆酶的催化氧化机理主要表现在底物自由基同的生成和漆酶分子中4个铜离子的协同作用。当漆漆酶是一种多酚氧化酶,也是一种典型含铜糖酶催化酚类(如氢醌)氧化时,首先是底物氢醌向漆蛋白,具有特征性吸收光谱。通常认为,每个漆酶蛋酶转移1个电子,生成半醌—氧自由基中间体,白分子中含有4个铜离子,分属于3类,其中I型1用ESR可观察到明显的自由基信号。其次是不均等个,Ⅱ型1个,Ⅲ型2个。漆酶分子中的铜离子是漆非酶反应,2分子半醌生成1分子对苯醌和1分子酶催化反应的活性中心,在催化氧化过程中起决定氢醌。氧自由基中间体还能转变成碳自由基中间体它们可以自身结合或相互偶联,产物中除醌外还有聚合物和C-O、C-C偶联产物3-5。在氧气的存在下,还原态漆酶被氧化氧气被还原成水。漆酶催化底物氧化和对氧气的还原是通过4个铜离子协同地传递电子和价态变化实现的。很多研究表明,漆酶可以降解木素,与有毒的酚类中国煤化工环保等方面得到泛的CNMHG简单介绍。作者简介:魏华丽(1977-),女,在读博士,主要方向为漆酶的应用联系电话:022-2817575828193513Paper and Paper Making Nov 200479生物技术1漆酶在纸浆生物漂白中的应用发研究。在酶的催化作用下,用制浆废水中的木素为原料可以生产木屑板等产品。虽然尚未达到大规目前,在纸浆的生物漂白中,木聚糖酶的应用模生产,但是已达到中试生产的规模,而且能有效较多。但木聚糖酶的作用是通过水解半纤维素增加除去制浆废水中的木素,对水净化的好处是显而易木素的溶出,提高化学漂剂的可及性,而非直接作见的。还有人根据漆酶的催化特性,设计漆酶参与用于木素,因此木聚糖酶只能起到助漂作用,不能高分子化合物的合成过程,漆酶参与了氧化固醇类真正取代化学漂白,从而不能最终消除污染。研究激素芳香环的过程10。表明,能够直接进攻木素的主要氧化酶有三种,即3生物制浆和机械浆预处理木素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶。在这三种酶中,漆酶被认为是在纸浆漂白工业中最具有应用漆酶催化木素降解的特性,可用于造纸工业中前景的酶6并且有报道,漆酶与木聚糖酶结合使纸浆的生产。木素在木材中的含量约为15%用效果更好。32%。造纸工业中传统的制浆是用烧碱或硫酸盐高漆酶的氧化还原电势较低(300~800mV),不温蒸煮原料,除去木材中的木素,降低纤维间的结能氧化降解木素结构中达90%的非酚型结构单元,合力,使之离解成浆。这一工艺不仅会使部分纤维因此需要加入一些低分子量化合物作为中介体,在素和半纤维素降解,影响纸浆得率,还严重污染环氧化还原过程中起到传递电子的作用。在漆酶/介境。如果用漆酶等选择性地降解木素生产纸浆,可体体系氧化脱木素过程中存在一个氧化还原循环,以消除上述工艺的弊端,使生产在常温常压的温和即漆酶氧化介体形成小分子化合物自由基,并扩散条件下进行,并能节约设备和能耗(。尽管酶法制到纸浆中,然后与纸浆中的木素反应使之降解,达浆代替化学制浆还在试验和攻关阶段,但是可以预到漂白目的。主要机理如下图所示言,一旦在提高漆酶降解木素的能力、缩短纸浆生产周期、降低生产成本等技术难点上有所突破,使LaccaseMediator氧化态 LIgnin之达到实用化,将会给造纸工业带来良好的经济效HO人 Laccase氧化态人 MediateLignin 2氧化态益和社会效益。LMS体系氧化木素的机理有研究报道,在机械浆生产过程中,用漆酶漆酶介体体系(1 accase- mediator- system,预浸渍木片可以降低磨浆能耗,大约可以节省机械LMS)在氧气存在下与纸浆作用,具有良好的脱木浆生产过程中总能耗的5%~8%。与未经漆酶预处素效果,可引起纸浆卡伯值的大幅下降,有利于实理的机械浆相比,浆料的白度稍有提高,其他光学现少氯或无氯漂白。并且LMS漂白可以与其他任何性质基本没有变化。并且,经漆酶浸渍处理后,纸浆漂白过程相结合。付时雨等人利用漆酶在介体得率没有降低,手抄片的强度不变或有所提高。酶NHA作用下处理尾叶桉KP浆,再经过HO2漂白,纸处理过的纤维似乎能够提高纤维间的结合能力,这浆卡伯值降低56%,白度可达81%IO。目前IMs漂进一步表明了漆酶在机械浆生产中的应用前景,即白还处于研究试验阶段,但已呈现出在纸浆生物漂可以通过配抄更少的化学浆生产一些纸种,例如新白和提高纸浆漂白质量等方面的诱人前景81闻纸和电话簿纸。2合成方面的应用4去除氯酚类有机化合物,有效处理含酚研究9表明,漆酶在真菌色素合成中扮演重要废水的角色,并且可能参与菌素的形成,它也能在细胞中国煤化工有转化酚型底物的能壁间催化酚类化合物的聚合粘接来固定菌丝。人们CNMH氧基酚等。在底物聚已经利用漆酶的这种粘接功能进行化工行业的开合过程中,有氯离子从溶液中被释放出来,这表明802004年11月第6期《纸和造纸》生物技术漆酶具有去除氯酚化合物毒性的作用。在漆酶与酚【3] Kumsnotani J,KaoK, Hikosaka A.J- Polym.sci,ParC.1968,型底物反应体系中,适当地优化和改变反应条件,23:519可以有效改善不同来源的漆酶去除酚型底物的能41 SHuttleworth K L, Bollag J-M. Soluble and immobilized laccase as力。底物的化学结构和浓度,反应混合体系的pHatalysts for the transformation of substituted phenols[J]. Enzyme值,酶的活性以及反应时间和反应温度,添加剂等,Microb. Technol., 1986, 8(3): 171都对底物的聚合反应有影响。[5] Fellci M, Luna M, Artemi F et al. J. Chromatogr, 1985, 320(2一般认为,漆酶处理有机氯化物的机理是:在43564,:3175-3178[6] Paice M G, Bourbonnais R, Reid I et al. Oxidative Bleaching En-有氧条件下,氯酚底物先通过与漆酶反应被氧化形zymes: A Review[J]. J of pulp and paper science, 1995, 21:成游离基或反应活性的醌类物质,然后这些物质互280-284相偶合或发生化学聚合反应生成高分子化合物,降[7] Barbara Surma-Slusaraka, Janina Leks-Stepien. TCF bleaching of低这些有毒物质的溶解度,从而除去含氯物质,减kraft pulps with xylanase and laccase[J]. Journal of Wood Chemistry少其毒性。这一反应机理包括酚上一电子和一质子and Technology,2001,21(4):361-370.转移形成一自由基,该自由基具有3种共振形8】付时雨等,漆酶/介体系统漂白尾叶桉硫酸盐浆的初步研究U1式,化学性质相对稳定。中国造纸,2000(3):8-12.另外,木材剥皮废水中含有有色的酚型化合(9钞亚鹏,钱世钧,真菌漆酶及其应用.生物工程进展,200,121物,使用漆酶处理该废水,通过催化氧化聚合反(5):23-28应,可去除90%以上的鞣酸类和其他酚型化合物[10]Ghindilis aLY. Yaropolov AL. Borman EA et al. Biochimaya, 1986废水经硫酸铝絮凝后,色度下降82%。同样的混合51(9):1442-1445.废水经漆酶处理Ih随后经硫酸铝絮凝,由色谱分1lku- Paavola M L, Raanua M, Soumakki a et al. Effect of析证实86%的氯代酚、99%的氯代愈疮木酚和nin-modifying enzymes of pulp [J]. Bioresour Technol., 199480%的氯代香草醛、92%的氯代儿茶酚可被去除50(1):73掉。漆酶还可以降低造纸厂其他各工段废水的色2 Shawn D. Mansfield. Laccase impregnation during mechanical pulp度。将漆酶固定化,可以进一步提高漆酶处理废水processing-improved refining efficiency and sheet strength[J]Appia,55(1):49~53.脱色效率4l。[13] Forss K. Jokinen K Savolainen M. et al. Utilization of enzyme for参考文献effuent treatment in the pulp and paper industry. Paperi ja Pu-I I ]Bajpai P. Application of enzymes in the pulp and paper industry[J]u.1989(10):1108Biotechnol. prog, 1999, 15(2): 147-157.[14]秦文娟等.利用漆酶降解有机污染物[J.中国造纸,200I2]王佳玲等.白腐菌漆酶的研究进展[J.微生物学报,1998,255:58-62.(4):233~236Laccase and Its applicationsWEI Hua-li SHI An-shi SHI Shu-lan(Tianjin University of Science and Technology, Tianjin, 300222 China)Abstract: Laccase is a kind of Cuained polyphenol oxidase and can catalyze the oxidation of phenolicsubstances. Laccase is applied widely in many fields such as pulp biobleaching, biopulping, and detoxification ofthe chlorophenol compound中国煤化工Key words: laccase; polyphenol oxidase; phenolic substancesHCN GSe/ mediator system收稿日期:2003-07Paper and Paper Making Nov 2004 No 6