酶法清洗介绍

1833年人类由发芽的大麦中提取出淀粉酶，发现淀粉酶能把糊化的淀粉转变为糖。20世纪初，首次制成含酶洗涤剂，酶开始用于污垢清洗。1958年，由枯草菌发酵制得微生物碱性蛋白酶，于1961年投入市场，1974年应用于清洗过程。1989年，开始出现用于洗涤的脂肪酶和纤维素酶。

现在应用于污垢清洗的酶制剂主要是能分解淀粉的淀粉酶，能分解蛋白质的蛋白酶，能分解脂肪的脂肪酶以及能分解纤维素的纤维素酶等。

酶的命名与分类

1.酶的命名方法

通常根据酶所作用的底物，或酶所催化的反应类型命名。例如，作用于蛋白质的酶称为蛋白酶；作用于脂肪的酶称为脂肪酶；催化氧化反应的称为氧化酶。尽管此法不够严格与准确，但是简单明了。

国际酶学会提出的系统命名法是以酶所催化的整体反应为基础的。例如，α淀粉酶命名为α-1，4-葡萄糖麦芽糖水解酶，表明所催化的水解过程是在各糖苷键上，打开聚葡萄糖的连接。

2.酶的分类

①氧化还原酶是能对发生电子或氢原子得失的反应起催化作用的酶。有氧化酶、脱氢酶等。

其反应通式是：A•2H+B=A+B•2H

②水解酶对底物和水所发生的水解反应起催化作用的酶。例如，蛋白酶、脂肪酶、糖酶等。

其反应通式是：AB+H₂O=AOH+BH

③转移酶：对官能团的转移起催化作用，使官能团由一个分子转移到另一个分子的酶。例如转氨酶等。

其反应通式是：AR+B→A+BR

④裂解酶：是对双键断裂起催化作用的酶。例如，脱羧酶、醛缩酶等。

⑤加和酶：对碳原子与另一个碳原子或氧、氮、硫等其他原子形成化学键的过程起催化作用的酶。例如，合成酶等。

⑥异构酶：对同分异构体的相互转变起催化作用的酶。例如，把葡萄糖转化为果糖的酶。

这六大类酶再按底物中被作用的键或基团的特点分为若干亚类，每个亚类又可以分为若干亚一亚类。

在系统分类法中，每个酶都有一个分类编号。分类编号由四个数字组成。第一个数字表示酶属上述六大类中的一类；第二、第三数字分别表示酶所属的亚类、亚一亚类；第四个数字是酶在亚一亚类中的编号。在分类编号前，往往冠上EC，这是酶学委员会（EnzymeCommission）的缩写。

例如，乳酸的NAD+氧化还原酶的系统编号是：EC1.1.1.27。具体的分类规则可查手册。

酶的催化作用机理与特点

1.酶的催化作用机理

酶是一种存在于有机体内的有机化合物，是能加速反应的生物催化剂。

由酶催化的反应过程中，反应物又称为底物（S），被酶（Z）作用并结合到酶分子上，生成酶一底物复合物（ES），是配合物中间体。此时，发生化学反应，底物分子（S）转变为最终产物（P），并和酶脱离开，脱离开的酶再和另一个底物分子结合，如此不断进行下去。

这个过程可以表示为：

E+S→ES

ES→E+P

2.酶作为一般催化剂所具有的特性

酶作为生物催化剂也具有一般化学催化剂的特性。

①能降低反应的活化自由能酶和一般的化学催化剂一样，其作用在于降低化学反应所需的活化自由能，但是其效率更高，因此，只要很少的能量即可使反应物变成“活化态”，活化的分子数量增加，从而使反应速度加快。

②用量少作为催化剂在化学反应过程中本身不发生变化，在参加一次反应后，酶立即恢复原有状态，再参加下一次反应，因此用少量的酶即可在短时间内催化大量的底物发生反应。

③不改变反应的平衡点正如一般的催化剂一样，酶不能改变任何反应的热力学情况，不能使本不可能发生反应的过程发生，只能使在热力学上可能反应，而在动力学速度很慢的反应加快。

3.酶作为生物催化剂所具有的特性

①催化作用的专一性很强：酶或者只对某种底物起催化作用，或者只对某一类反应起催化作用，或者只对某种立体异构起催化作用。

绝对专一性：有的酶专门作用于某一种底物的性质称为酶作用的绝对专一性。例如，麦芽糖酶只作用于麦芽糖，使麦芽糖分解成葡萄糖；琥珀酸脱氢酶仅作用于琥珀酸，催化琥珀酸，使之脱氢，转变为反丁烯二酸，而不产生顺丁烯二酸；脲酶仅能分解尿素等。

反应专一性：有的酶专催化某种类型的反应，称为反应专一性。例如蛋白酶专门催化动物蛋白酶和植物蛋白酶的水解反应；蔗糖酶专门催化蔗糖和棉籽糖的水解反应；脂肪水解酶专门催化有机酸酯类的水解等。

立体异构专一性另有的酶仅作用于立体异构，称为立体专一性。多数和糖及氨基酸发生作用的酶有立体专一性，例如，胰蛋白酶仅可作用于L-型氨基酸的肽及酯键。

②高效性：酶的催化作用效率很高，是一般无机催化剂的10⁶~10¹³倍。而且它所要求的条件温和，不要求一般催化剂所需要的高温、高压、强酸性、强碱性等条件。只要很少量的酶，在常温常压下，即可以使所催化的生物体内的化学反应非常迅速地完成。

例如在1s内，每个酶分子即可使10⁵个CO₂分子发生水合作用；脲酶催化的尿素水解的一级反应速度常数为3×10⁴s-¹，比非酶反应快10¹⁴倍以上；碳酸酹酶的催化反应比非酶反应快10⁷倍等。双氧水分解为水和氧的反应，1mol过氧化氢酶在一定的条件下，可以催化5×10⁶mol过氧化氢分解，而同样的条件下，铁催化剂只能使6×10-⁴mol过氧化氢催化分解。

③酶的活性的可调节性可以采用多种形式，对酶的催化作用进行调节、控制和激活。

4.酶的活力（又称为活性）的测定方法

在测定酶的含量时用重量或体积表示是不确切的，而应采用酶的活力的概念，即在一定温度，pH值等条件下，通过测定每个质量单位酶蛋白所含活力单位数来表示。国际酶学委员会规定，在特定的条件下，每1min内引起1µmol底物转变为产物的酶的量为一个酶活力单位（用U表示）。特定条件是指温度298K，底物的浓度、缓冲液离子强度、pH值为最适宜条件。

在实际测定中，一般是测定产物的增加量，而不采用测定底物的减少量。因为，底物浓度是大大过量的，反应时底物减少的量所占比例很小，测定不容易精确。而反应前后，产物的量从无到有，变化大，易于测定。

同种酶在测定时采用的条件，如温度、底物的浓度、离子强度、pH值等可能不同，所测结果也不同。同种酶的活力，可以用几种方法表示，取不同的单位。

人们对不同酶的活性有一些习惯的表示方法。例如，对脂肪酶定义1g固体酶在40℃，PH=7.5时，在1min内水解脂肪产生1µmol脂肪酸为一个活力单位的脂肪酶。对于α—淀粉酶，定义1g固体酶（或1cm³液体酶）在60°C，pH=6.0时，在1h内水解1g溶性淀粉为一个活力单位的α—淀粉酶。1g固体酶（或1cm³液体酶）在一定温度和pH值条件下，1min内水解1µg酪素酸定义为一个活力单位的蛋白酶等。

清洗用酶的去污作用机理与基本要求

在污垢清洗中，所用都是水解酶。主要清洗用酶及其所水解的对象见表4-16。

表4-16清洗用酶及其所水解的有机物

1.酶清除污垢的机理

污垢有无机物和有机物两大类。有机物如油脂、蛋白质等；无机物如沙土、无机盐等。无机污垢通常是附着在有机物垢上。在清洗掉有机污垢的同时，无机污垢一般可以随着清除。

清洗用酶从化学上分类属于水解酶。酶对脂肪、蛋白质、纤维素、淀粉等有机污垢等有机物的分解有催化作用。酶促进有机污垢降解为可溶于水的或经过表面活性剂增溶后而溶解于水的小碎片，而被清洗。

例如脂肪酶能促进脂肪水解成脂肪酸和甘油，淀粉酶能促进淀粉水解为糊精、葡萄糖和麦芽糖，蛋白酶能促进蛋白质水解为氨基酸和多肽。

2.清洗用酶的基本要求

不是所有酶都可以应用于清洗作业中，应用于清洗的酶应满足下述基本要求：

①有高的活性；

②在清洗的温度条件下稳定，不变质，并具有高的活性；

③在清洗溶液的pH值范围内保持高活性，不与酸或碱反应；

④与清洗液的各组分有良好的相容性，不发生副反应。

影响酶作用效果的因素

酶是具有催化活性的蛋白质，外界因素对其催化性能和生物活性有很大的影响，主要影响因素如下。

1.激活剂的影响

激活剂是能加快酶的催化反应速度的物质，多数是离子或简单有机化合物。

2.抑制剂的影响

抑制剂是在不使酶变性的情况下，使其结构发生改变，对酶的催化活性起抑制作用的外界物质。

3.重金属离子的影响

Cu²+、Hg+、Ag+、Pb²+等重金属离子可使酶失去催化活性，发生不可逆的变性。

4.pH值的影响

pH值对大多数酶的活性是有影响的。酶反应的最适宜pH值是酶的催化反应具有最快速度的pH值条件。高于或低于此pH值，酶的催化反应速度都会降低。酶反应最适宜值可通过实验测定，并随反应底物的浓度、温度及其他条件的变化而改变。根据酶的最适宜pH值，可把它分为酸性、中性和碱性几类。pH值可使酶的催化反应速度发生显著变化。一般的酶适合pH值范围在7左右。但是，也有的要求酸性或碱性条件。

根据酶的最适宜pH值，可把它分为酸性、中性和碱性几类。如胃蛋白酶是酸性蛋白酶，在盐酸的环境中具有良好的活性。应用于清洗剂中的蛋白酶则在弱碱性介质中活性最强。脂肪酶在pH值高于10的环境中也能适应，是耐强碱性的酶。

5.温度的影响

随温度的升高，酶催化反应的速度加快。与一般的化学反应相似，在较低的一定的温度范围内，温度每升高10°C，反应速度增加1〜2倍。温度超过65°C，酶蛋白质会逐渐失去生物活性，酶的催化效率反而降低。

一般清洗用酶最好在50°C左右使用。但是，不同种类的酶最适宜温度条件不同。脂肪酶的最适宜清洗使用温度是35°CSA（Savinme8.0）和ES（Esperase8.0）蛋白酶是70~80年代用于工业生产中的碱性蛋白酶，SA的最适宜pH值为9〜10.5，温度范围是9〜10.5°C；ES的最适宜pH值为10〜11.5，温度范围是40-75°C。

6.应用环境中其他化学制剂的影响

用于清洗液中的酶应考虑其配伍性。表面活性剂及其他助剂对不同酶的活性有影响。例如，酶的结构为氨基酸，强的氧化还原剂会与其发生反应；氯会破坏酶的活力，在和含氯、过硼酸盐等漂白剂混合使用时，应先加入酶，再加入漂白剂。脂肪酶在非离子表面活性剂中所起的作用优于在阴离子表面活性剂中。

酶在水中的稳定性较差。酶所在的体系含水量过高，如果碱性又强，酶会发生降解。因此，长期贮存的加酶洗涤剂中水的含量应控制在40%以下，pH值在7~9.5之间。pH值过高，酶会失去活性；pH值过低，清洗性能不好。

清洗用的酶制剂

1.脂肪酶

脂肪酶早在1834年已被发现。它存在于动物的组织、植物的种子和微生物体内。现已可以通过微生物培养的生物工程技术进行工业化制备。

不论是动物脂肪还是植物油脂，它们的主要成分都是高级脂肪酸的甘油酯。脂肪酶能催化脂肪水解，生成脂肪酸和甘油三酯，再进一步催化其水解生成甘油单酯和甘油。

按其功能的不同，脂肪酸分为有位置特异性和无位置特异性两类。能够把脂肪分子中的三个甘油键无区别地催化水解的念珠菌酵母脂肪酶，属于无位置特异性的脂肪酶；对甘油三酯中外侧的1，3位键有选择地催化水解的丝状白微菌脂肪酶和胰脂肪酶，即为有位置特异性的脂肪酶。

脂肪性污垢主要是甘油三酯、甘油二酯、甘油单酯和游离脂肪酸等，以及其他的无机杂质的混合物，亲水性不良，用水不容易清除，尤其在较低的温度下更是如此。

在用碱液清洗时，碱可以和油脂污垢中的游离脂肪酸反应，生成肥皂而除去，有衣面活性剂作用的肥皂还可以使脂肪性污垢中的其他成分乳化分散。但是，碱一般难以舱脂肪中的甘油三酯皂化水解。

脂肪酶可以起到碱起不到的作用，可使甘油三酯逐步催化水解，生成极性较强的甘油二酯、甘油单酯，甚至生成游离脂肪酸和甘油，而被清洗剂中的其他组分清除。

如果脂肪酶和表面活性剂配合使用，二者有良好的协同清洗作用。使用有位置特异性的酶比无位置特异性的酶效果更好。在清除甘油二酯、甘油单酯、游离脂肪酸时，使用阴离子表面活性剂比聚氧乙烯型的非离子表面活性剂的效果更好。使用含有脂肪酶的表面活性剂清洗液，可以在常温下清除动植物油脂性的污垢。

例如，低温碱性脂肪酶Lipolase有良好的低温清洗性，最适宜在35°C时使用，其活性和温度的关系见图4-45a。Lipolase脂肪酶能耐强碱，pH值对脂肪酶活性的影响见图4-45b。

图4-45温度和pH值对脂肪酶活性的影响

2.蛋白酶

①蛋白酶的组成：酶都是蛋白质，蛋白酶是由20多种氨基酸组成的蛋白质分子，能催化蛋白质和多肽分子内的酰胺键（肽键）的水解。蛋白质和多肽都是由多种α—氨基酸分子内的氨基和竣基进行缩合反应，由此形成酰胺键（肽键），结合成的大分子。由两个α—氨基酸分子通过酰胺键结合成的分子为二肽；由多个α—氨基酸分子通过酰胺键结合成的分子为多肽。相对分子量大于10000的多肽为蛋白质。

②蛋白酶的分类：按其来源可分为胰蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、霉菌或细菌蛋白酶等。其中由微生物制取得蛋白酶按其最适宜的pH值，可分为酸性蛋白酶、碱性蛋白酶和中性蛋白酶。

按其功能可分为两类：一是内切酶，是能从蛋白质或多肽分子内部切开肽键，生成分子质量较小的多肽的蛋白酶；另一是外切酶，是只能从蛋白质或多肽分子的氨基或羧基末端使肽键水解，而生成游离氨基酸的蛋白酶。

③蛋白酶的作用机理：酶只对某一特定基质有催化作用的性质称为酶的基质特异性。对于蛋白酶来说，指它只能对多肽键中的某些肽键的水解起催化作用的性质。但是，多肽分子中实际上有多种肽键。若蛋白酶仅对少数特定的肽键的水解有催化作用，称其为基质特异性狭窄的酶。若蛋白酶对多种氨基酸形成的肽键的水解有催化作用，则称其为基质特异性广阔的酶。

从微生物中提取的蛋白酶能通过对多种氨基酸形成的肽键的水解过程起催化作用，使蛋白质污垢变得容易清除，是基质特异性广阔的酶，因此有很强的清除蛋白质污垢的能力。反之，番木瓜中提取的木瓜酶、动物体内提取的蛋白酶、动物胰脏中提取的胰蛋白酶等的基质特异性狭窄，对蛋白质污垢的清洗能力差。

用微生物发酵的生物工程制取的蛋白酶，适合于大量生产，用于清洗过程，其来源广，成本低。在清洗中使用最多的是芽砲杆菌产生的碱性蛋白酶。碱性蛋白酶分子的活性中心是丝氨酸，所以又称其为丝氨酸型蛋白酶。丝氨酸型蛋白酶的主要清洗对象是人体污垢，人体排泄物、乳汁中的蛋白质，皮肤衍生的蛋白质、食物残留物等。蛋白酶使细菌在蛋白质基质上生长，并使之水解成水溶性的氨基酸或低聚肽而清除：

被蛋白质污垢所包裹与粘附的其他污垢也同时清除。

在催化水解的过程中，丝氨酸活性中心能对多肽键中氨基酸间酰胺键的碳一氮键产生亲核活化，并生成中间产物丝氨酸酯。丝氨酸酯在蛋白酶活性中心的组氨酸基及复杂的氢键网络的参与下，发生水解，生成相对分子质量较小的产物，再进一步反应，最后得到水溶性的氨基酸。

由于多肽的相对分子质量大于10000才叫蛋白质，当蛋白酶将蛋白质污垢分子催化水解到相对分子质量为几百至几千的多肽小分子时，通过表面活性剂的水溶液的加溶、分散作用以及机械力的助洗，即可被清除。表面活性剂与蛋白酶的共同作用表现出良好的协同效应。

3.淀粉酶

能对淀粉的水解过程起催化作用的酶称为淀粉酶。

（1）淀粉的分类和水解过程

淀粉是多糖类的一种，是右旋葡萄糖的聚合物，由α-葡萄糖通过α-1，4-糖昔键结合成的直链淀粉，和在α-1，6位有分支的支链淀粉所构成。

按淀粉的结构可分为直链淀粉和支链淀粉两种。直链淀粉是由α-1，4-昔键连接葡萄糖分子形成的线性高聚物。当线性高分子链中的葡萄糖基本单元的6号位羟基，和其他葡萄糖分子结合成α-1，6-昔键，而形成支链结构，含有该种支链结构的淀粉为支链淀粉。

•在不同来源的淀粉中，这两种淀粉的含量不同。在一般的谷类和薯类淀粉中，支链淀粉约占10%〜20%，其余的是直链淀粉；在糯米淀粉中，支链淀粉的含量高达99%；而在豆类淀粉中，几乎全是直链淀粉。

在淀粉酶的催化作用下，淀粉分子中的α-1，6-苷键和站α-1，4-昔键发生水解，分子链断裂，淀粉分子生成葡萄糖小分子。不同结构的淀粉，淀粉酶对其水解作用也不同。

淀粉的基本水解过程：

（C₆H₁₀O₅）n→（C₆H₁₀O₅）m→C₁₂H₂₂O₁₁→C₆H₁₂O₆（m<n）

淀粉糊精麦芽糖葡萄糖

（2）淀粉酶的种类

在动植物和微生物体内广泛存在淀粉酶。来源不同的淀粉酶，性质不同，对淀粉的水解能力也不同。

按淀粉酶水解淀粉的方式，工业上用处最大的淀粉酶有以下几种：

①α-淀粉酶广泛存在于麦芽、唾液、胰脏和微生物中。

②β-叶淀粉酶是最早被人类应用于酿酒、饴糖生产中的酶。广泛存在于麦类、山药、豆类和一些蔬菜中。

③淀粉葡萄糖苷酶：又称为糖化酶，也曾称为γ-淀粉酶，是一种外切型淀粉酶，只存在于微生物界，许多霉菌都可以生产糖化酶，黑曲霉是其最重要的生产菌种。

④解枝酶：是一类切开支链淀粉的酶，广泛存在于植物和微生物中。

⑤环状麦芽糊精葡萄糖基转移酶：能催化淀粉通过分子内的葡萄糖基转移反应（环化反应）而生成环糊精，也能水解α-1，4葡聚糖和环糊精。

此外还有麦芽糖生成酶等。

4.纤维素酶

能把纤维素水解成葡萄糖的酶总称为纤维素酶。纤维素酶包括内切葡萄糖酶、β-葡萄糖昔酶、纤维二糖水解酶。在一定的条件下，由于它们的协同作用把纤维素水解为葡萄糖。

①纤维素酶在清洗中的作用棉、麻等天然的纤维的主要成分是纤维素。棉、麻的纺织品在多次洗涤之后，部分织物微纤维会从主纤维上分离出来，由于这些微纤维对光线的反射暗淡，影响纺织品的表面色泽，手感变坏。纤维素酶可使纺织品表面的微纤维水解而清除，恢复其光泽和平滑，使手感变得柔软。吸附在微纤维网络内的细微污垢，将随微纤维的水解而被释放岀来。因此，加有纤维素酶的表面活性剂洗涤液，能达到普通表面活性剂洗涤液所达不到的清洗效果。

②纤维素酶使纤维素水解的机理纤维素分子链的基本结构单元是葡萄糖，基本单元之间由1，4-昔键相连接，形成长链线性的高分子。纤维素酶的作用机理尚未清楚。初步的观点是先由内切葡萄糖酶的作用于微纤维的非晶态区，使其暴露出许多末端与外切型酶作用。再由纤维二糖水解酶从非还原性的末端依次分解，产生纤维二糖。尔后，部分降解的纤维素再由纤维二糖水解酶与内切葡萄糖酶协同作用，进一步分解为纤维二糖、纤维三糖等低聚糖。最后，由β-葡萄糖昔酶作用而分解为葡萄糖。

酶在清洗中的应用

1.污垢的清洗

在釆用各类清洗剂清除污垢时，只要清洗的环境条件不破坏酶的活性，被清洗物含有酶能催化水解的有机物，即可选用适当的酶加入清洗剂中，可以大大改善清洗的效果。这类相关的污垢包括动植物油脂、蛋白质、纤维素等。

2.纺织品脱浆

为了使纱线有一定的强度，减少织造过程中的摩擦，织布以前纱线需要上浆，浆料的主要成分是淀粉。布料织造以后，染整以前，需要去掉这些浆料。酶可用于退浆剂中。我国纺织业中常用的酶是胰淀粉酶、BF-7658淀粉酶（即α-淀粉酶）等。BF-7658淀粉酶的相对分子质量是55000，最适宜反应温度是75°C，最适宜pH值是5〜7。

3.生丝脱胶

为了使丝绸有丝鸣和丝光现象，有柔软的质感，应脱去生丝表面的丝胶。丝胶的主要成分是可溶性蛋白质，可用高温碱皂法除去。但是该法影响丝织品的光泽，使丝绸的色泽暗淡，手感粗糙。采用由微生物培养的中性或碱性蛋白酶进行脱胶，可以明显提高丝绸的质量。

4.管道清淤

被蔬菜、树叶、草根、明胶、食物残渣等堵塞的管道，可采用各种酶的混合物清淤与疏通。明胶是一种动物蛋白质，被明胶等污垢堵塞的胶片厂下水道，可用含蛋白酶的清洗液清洗。

5.感光废胶片的清洗与回收

采用50〜60℃的中性或碱性蛋白酶清洗液清洗感光废胶片，使胶片上的蛋白质明胶膜被蛋白酶分解，银进入溶液可以回收。醋酸纤维素片基溶于适当的溶剂中回收。

6.农产品加工与食品机械清洗

沾粘上蛋白质等有机物的各种机械，可用蛋白酶溶液浸泡清洗。

7.隐形眼镜清洗

用蛋白酶液浸泡隐形眼镜片，可清除镜片上的指纹及泪液的蛋白质污垢。