酶在染整加工中的應(yīng)用.ppt

酶在染整加工中的應(yīng)用,虞波,酶的特性和分類,酶又稱酵素，是一種生物催化劑，通常是由生物體產(chǎn)生的具有催化作用的一類蛋白質(zhì)。 目前已發(fā)現(xiàn)2000多種。分子量在數(shù)萬至數(shù)十萬之間。生物體內(nèi)的含量一般極少，能參與生物體的各種生理生化活動(dòng)，起催化劑的作用。 酶不同于一般的催化劑， 它有特殊的催化能力，在常溫和常壓下其催化效率比一般催化劑高1071013倍，如一個(gè)過氧化氫酶分子在一分鐘內(nèi)能使500萬個(gè)過氧化氫分 子分解為水和氫，比鐵離子的催化效率高109倍。 酶還有嚴(yán)格的專一性，一種酶一般只能專一地催化某一種或某一類化學(xué)反應(yīng)。 其缺點(diǎn)是不穩(wěn)定，易受外界條件（如酸、堿和熱等因素）的影響而變性失活。,工業(yè)上：主要利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)各種酶制劑，其中應(yīng)用最多的是淀粉酶制劑和蛋白酶制劑。淀粉酶主要用于紡織業(yè)進(jìn)行棉布退漿，食品工業(yè)上使淀粉水解生成葡萄糖。蛋白酶大量用于皮革脫毛、蠶絲脫膠等。 醫(yī)學(xué)上：酶可作藥物用于治病，如多酶片和胃蛋白酶是常用的助消化藥。尿激酶可溶解血栓，是心肌梗死的急救藥物。胰蛋白酶、糜蛋白酶等用于外科清創(chuàng)、化膿、腹腔漿膜粘連等的治療。天門冬酰胺酶可使某種類型的白血病緩解。 農(nóng)業(yè)上：在飼料中添加一定量纖維素酶可使飼料中的纖維素水解生成葡萄糖，提高飼料的營養(yǎng)價(jià)值。,醫(yī)保用藥，能溶解血栓，抑制血栓形成，改善微循環(huán)。,輔酶Q10是存在于人體細(xì)胞內(nèi)、為細(xì)胞活動(dòng)提供動(dòng)力的一種輔酶，大量存在于肌膚表皮層。但是，人體本身能夠制造的輔酶Q10在20歲達(dá)到峰值后便開始不斷減少，到60歲時(shí)將只剩下20歲時(shí)的一半左右。輔酶Q10的減少成為肌膚乃至身體失去青春活力的重要原因之一。 缺少輔酶Q10的肌膚，細(xì)胞將失去能量，肌膚機(jī)能逐漸變?nèi)酰?、皺紋等容易生成。肌膚的抗氧化力也將下降，易受紫外線傷害，導(dǎo)致彈力及張力喪失。,應(yīng)用于紡織工業(yè)約始于1857年，最初是用麥芽提取物除去織物上的淀粉漿料。 1900年，德國的Diaman公司應(yīng)用退漿酶(Diastafor)進(jìn)行退漿，它與老的酸退漿法相比，不但退漿效率高而且對(duì)織物無損傷。 1919年Rapidases酶進(jìn)入市場(chǎng)，這種酶可使水溶液中的淀粉液化。 之后，隨著酶的生物工程的進(jìn)步，它們的適應(yīng)性有了顯著提高，可以在不同溫度、pH值和電解質(zhì)濃度下起高效的催化作用以滿足更多的加工需要。 近10年來，另一快速增長的工業(yè)是工業(yè)用洗滌劑，它們應(yīng)用于洗滌都離不開酶。而紡織染整加工中需要使用大量的不同類別的洗滌劑，這也是酶在染整加工中的重要應(yīng)用之一。,酶在紡織染整加工中應(yīng)用受到重視還有另外兩個(gè)重要原因： 世界各國對(duì)紡織品及環(huán)境無害的要求越來越高，要求達(dá)到用“清潔無害的化學(xué)”方法來進(jìn)行紡織染整加工，而傳統(tǒng)的染整加工都或多或少采用了“有害的化學(xué)方法。而酶是天然蛋白質(zhì)產(chǎn)品，它們?nèi)菀淄耆锝到?，不?huì)污染紡織品和環(huán)境。 目前非常注重紡織品的高檔化和高附加值化，而用酶處理的紡織品可以產(chǎn)生許多特殊的功能，這也促使酶在紡織染整加工應(yīng)用受到重視。,目前酶在染整加工中的應(yīng)用: 進(jìn)行纖維素和蛋白質(zhì)纖維的高檔化和高附加值化加工； 利用酶對(duì)漂白殘余過氧化氫催化分解，提高洗滌效果； 利用酶來分解印花織物上的漿料，提高洗滌效果和改善織物手感； 此外，酶也用于麻的精練、羊毛原毛的脫脂、蠶絲精練等方面。,酶的特性和作用機(jī)理,酶一般具有蛋白質(zhì)的一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)，有的還具有蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)特征。 一級(jí)結(jié)構(gòu)：肽鏈的氨基酸殘基的排列順序，不同的酶有不同的氨基酸排列順序； 二級(jí)結(jié)構(gòu)：主鏈原子的局部的空間排列主要指肽鏈借助氫鏈結(jié)合，以螺旋、折疊、轉(zhuǎn)角等形成的規(guī)則立體結(jié)構(gòu)，不同酶的二級(jí)結(jié)構(gòu)也不相同； 三級(jí)結(jié)構(gòu)：整個(gè)分子或基團(tuán)的空間排列，即卷曲的螺旋狀肽鏈再以氫鍵、鹽式鍵以及范德華力進(jìn)一步折疊盤曲成更加復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)，有了二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)(稱為高級(jí)結(jié)構(gòu))之后，才具有酶的催化功能； 四級(jí)結(jié)構(gòu)：由一、二、三級(jí)結(jié)構(gòu)相似的單元再聚合而成蛋白質(zhì)或酶的大分子。,由此可看出，蛋白質(zhì)和酶分子并不僅僅是許多氨基酸組成的簡單的線形肽鏈，而是具有非常復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)的巨大分子。 這種精細(xì)和復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)就決定了酶的一些獨(dú)特的性質(zhì)，例如極高的催化效率和催化的高度專一性，以及這種作用極易受外界條件的影響，包括高溫高能輻射、強(qiáng)酸和強(qiáng)堿、重金屬離子的作用等，都能導(dǎo)致空間立體精細(xì)結(jié)構(gòu)的變形或損壞，從而使酶的催化能力發(fā)生變化或喪失，這也是應(yīng)用酶處理時(shí)要嚴(yán)格控制處理?xiàng)l件的原因。,酶的一般蛋白質(zhì)性質(zhì),沉淀作用 變性反應(yīng) 呈色反應(yīng),沉淀作用: 蛋白質(zhì)溶液受到外界因素的作用，使蛋白質(zhì)溶液中膠體微粒周圍的電荷和水化層遭到破壞或變薄，蛋白質(zhì)容易發(fā)生沉淀，這時(shí)蛋白質(zhì)分子本身未遭到重大破壞或變化，其原來的基本性質(zhì)仍然保持著，而且這種變化是可逆的，一定的條件下仍然可以變成可溶狀態(tài)。 許多酶的提取就是按照此原理，利用中性鹽類，例如硫酸鈉、硫酸銨、氯化鈉等。在弱酸性或中性溶液中，加入濃度足夠高的上述中性鹽，使蛋白質(zhì)電荷中和并脫水，發(fā)生沉淀而提取，即酶的鹽析提取法。得到的沉淀物在沒有電解質(zhì)(中性鹽)的水溶液中又可重新溶解，仍具有催化能力。,中性鹽分級(jí)鹽析法：不同的酶鹽析的難易程度不一，若一個(gè)樣品中含有幾種酶，則可以利用不同濃度的中性鹽來鹽析，例如米曲酶發(fā)酵液，既含有淀粉酶又含有蛋白酶，當(dāng)酶溶液加入硫酸銨的濃度達(dá)到50時(shí)，淀粉酶開始沉淀析出，繼續(xù)加入硫酸銨，濃度達(dá)到70時(shí)，蛋白酶被沉淀出來。 重金屬鹽(硫酸銅、醋酸鉛、氯化汞和硝酸汞等)也可以使蛋白質(zhì)沉淀，但這是不可逆的沉淀作用，酶被沉淀出來后失去催化能力，所以重金屬鹽是酶的有害毒性物質(zhì)，非但不能用來提取酶，在應(yīng)用酶處理纖維及紡織品時(shí)，還會(huì)使酶失去活力或降低處理效果，應(yīng)該防止這類重金屬的出現(xiàn)。,有機(jī)溶劑(乙醇、丙酮等)：酶的另一類重要的沉淀劑，也是可逆沉淀，可用于提取、純化酶制劑。例如淀粉酶溶液加入乙醇的濃度達(dá)到60時(shí)，近90的酶被沉淀出來，當(dāng)乙醇濃度增加到70時(shí)，淀粉酶100被沉淀出來。果膠酶也通常采用乙醇來提取。丙酮在酶的純化加工中也被廣泛采用。 這些有機(jī)溶劑使蛋白質(zhì)沉淀主要通過脫水作用，失去水的蛋白質(zhì)相互碰撞結(jié)合而沉淀出 來，所以沉淀提取效果很好，而且不會(huì)改變酶分子的結(jié)構(gòu)而降低它們的催化活力。,變性作用 : 酶分子可以被高溫、輻射線(紫外線、X-射線等)破壞而變性。這種變性是不可逆的，使酶會(huì)失去活力。日常所進(jìn)行的加熱消毒其實(shí)質(zhì)就是利用高溫使細(xì)菌蛋白質(zhì)酶變性導(dǎo)致其死亡。也常常采用加熱法采使酶蛋白質(zhì)變性而喪失催化能力，終止反應(yīng)。當(dāng)然，酶處理時(shí)控制溫度過高，也會(huì)因酶失去活力而降低處理效果，所以酶處理時(shí)控制恰當(dāng)?shù)臏囟仁侵匾臈l件之一。,呈色反應(yīng) : 所有結(jié)晶酶都有蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng)，例如蛋白質(zhì)和酶蛋白用硝酸處理，會(huì)呈現(xiàn)黃色反應(yīng)。細(xì)菌淀粉酶溶液以氫氧化鈉處理后，再加入硫酸銅溶液，會(huì)呈現(xiàn)紫紅色。 酶蛋白的呈色反應(yīng)可用來鑒別和測(cè)定酶的存在和濃度。,酶的催化作用特點(diǎn),極高的催化效率 高的專一性,極高的催化效率 : 一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，其反應(yīng)分子能否發(fā)生反應(yīng)，決定于它能否達(dá)到一定的能量水平(即活化能)。同一化學(xué)反應(yīng)，循不同途徑的活化能數(shù)值是不同的。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)有催化劑存在時(shí)，活化能可以大大降低，因此達(dá)到活化能水平的反應(yīng)物分子數(shù)大大增多，反應(yīng)速度大為加快。,K為速度常數(shù)；T是反應(yīng)溫度；R是氣體常數(shù)；E是反應(yīng)活化能；A是頻率因子 酶在化學(xué)反應(yīng)中，就是起降低活化能和增加頻率因子(即反應(yīng)分子間的碰撞率)的作用，從而大大加快反應(yīng)速度。,過氧化氫的分解反應(yīng)，沒有催化劑時(shí)，需要活化能約為75360.4Jmol，用鈀作催化劑時(shí)，需要活化能48985.6Jmol，而用生物催化劑如過氧化氫酶作催化劑時(shí)，其活化能僅為7117.6Jmol，約為沒有催化劑時(shí)十一分之一，約為用鈀作催化劑的七分之一。所以反應(yīng)速度可大大加快。 另一方面，一般酶與被催化的反應(yīng)物(又稱底物)有親和力，并以一定的有利于反應(yīng)的位置相結(jié)合，所以用酶作催化劑時(shí)的頻率因子也大為增大，故也使反應(yīng)速度大大加快。,高的專一性 酶的催化作用具有高的專一性，即酶對(duì)作用底物有嚴(yán)格的選擇性，一種酶只能催化特定的一類或一種物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。 酶對(duì)底物這種專一性表現(xiàn)在兩方面，即對(duì)被作用的反應(yīng)物是專一的，和對(duì)于被催化的反應(yīng)是專一的。 由于一種酶通常只催化特定的底物進(jìn)行特定的反應(yīng)，所以酶的命名也是以酶在這兩方面的專一性為依據(jù)的，例如纖維素酶、蛋白質(zhì)酶等。 不同酶其專一性的程度有所不同，有的酶只作用一種底物，這叫做絕對(duì)專一性，只要底物分子作任何細(xì)微的改變就不能被催化。 有些酶對(duì)底物的專一性相對(duì)較低，可催化同一族化合物或化學(xué)鍵，故又分為族專一性和鍵專一性。 前者例如蛋白水解酶，而且不同的蛋白水解酶的專一性很不相同，例如胰蛋白酶只作用于蛋白質(zhì)的肽鍵，而且水解的肽鍵的羧基一端L-精氨酸或L-賴氨酸，而對(duì)于肽鍵的氨基一端則沒有什么特殊的要求，只要不是脯氨酸殘基就可以了。,鍵專一性酶僅僅催化一種類型的反應(yīng)，對(duì)作用鍵兩邊鄰近基團(tuán)的性質(zhì)就沒有特別選擇，所以這種類型的酶又稱反應(yīng)專一性酶。例如脂肪水解酶可以催化有機(jī)酸的酯水解，也可以水解脂肪，但不能催化酰胺水解。不過對(duì)不同的底物的水解速度是不同的，短鏈的水解速度快，長鏈脂肪的水解速度慢。 還有些酶的專一性隨酶的認(rèn)識(shí)程度而變化，可以催化不同類型的反應(yīng)，對(duì)不同反應(yīng)的專一性差別很大，所以它的專一性也是相對(duì)的。因此可以認(rèn)為，絕對(duì)專一性和族的專一性都可以看成是反應(yīng)專一性的特殊情況。,立體專一性: 酶只能作用于底物的立體異構(gòu)物中的一種。當(dāng)?shù)孜锖胁粚?duì)稱碳原子時(shí)，酶僅能作用于立體異構(gòu)體中的一種，而對(duì)其對(duì)應(yīng)體則全無作用。 酶的這種作用的專一性應(yīng)用于生產(chǎn)，可以有選擇地使用某一種酶催化某一物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，而保留另外一些物質(zhì)， 例如，絲綢的精練脫膠，采用絲膠酶就可以在不損傷絲素的情況下去除絲膠，它們都是由蛋白質(zhì)組成。同理用淀粉酶對(duì)棉織物退漿，可以在不損傷棉纖維(纖維素組成)的情況下去除淀粉漿料，纖維素和淀粉都是由葡萄糖殘基組成的高分子物。,酶的活性部位和作用機(jī)理,酶的活性部位 : 酶具有兩方面的專一性，即結(jié)合的專一性和催化專一性。 事實(shí)上，酶分子的催化作用只發(fā)生在酶分子的一小部位上，這個(gè)部位稱為活性部位，或活性中心。這部位是具有三維結(jié)構(gòu)的，因此酶蛋白質(zhì)如果沒有二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)就不可能構(gòu)成有效的活性部位。活性部位是處在酶分子表面的一個(gè)裂槽內(nèi)，在此處發(fā)生和底物的結(jié)合和對(duì)底物起催化作用,分為結(jié)合部位(或結(jié)合中心)和催化部位(或催化中心) 。 結(jié)合部位決定酶催化作用的專一性，催化部位決定酶的催化活力和專一性。 酶的活性部位雖然大致看成是其分子表面的一個(gè)裂槽，實(shí)際上是有一定的大小和狀，故有人稱凹坑、孔穴、空洞或空穴 。,結(jié)合部位和催化部位都是由酶分子的一些基團(tuán)組成。催化部位的氨基酸數(shù)目一般不多，只有23個(gè)，結(jié)合部位的氨基酸數(shù)目相對(duì)的要多一些。作為酶活性部位的氨基酸殘基在肽鏈彼此可以相隔很遠(yuǎn)，并不在一起，但在酶分子的空間構(gòu)型上卻彼此緊密地靠在一起。實(shí)際上，這兩部位的幾何位置并不是截然分開的。而且酶分子的其他部位對(duì)維持酶的活性也是不可缺少的，特別是任何破壞酶分子空間構(gòu)型的因子，都會(huì)導(dǎo)致酶活力的喪失。,酶分子對(duì)底物的這種專一性的適合關(guān)系，最早有人提出“鎖和鑰匙”模型來解釋 ：,上述的活性部位也不能完全與整個(gè)酶分子分割開來，酶分子的其他部位對(duì)催化作用和活力的調(diào)節(jié)作用以及維持酶的三維結(jié)構(gòu)等方面都有重要作用，所以酶分子活性部位和底物的關(guān)系，不能簡單看成鎖和鑰匙的形狀和大小的適合關(guān)系，所指的專一性包含的內(nèi)容要復(fù)雜得多。,專一性和高效率不是一回事， 專一性一般是指酶結(jié)合能力大小。一些抵制劑和酶的專一性也很好，結(jié)合的離解常數(shù)很小，但它并不能發(fā)生催化反應(yīng)； 高效率是指催化反應(yīng)速度而言，一些有催化作用的金屬離子并無專一性。在酶的催化反應(yīng)中，兩者是密切相關(guān)的。,酶的作用機(jī)理和過程,輔酶和輔基 一些酶除了含有作為酶分子的高分子蛋白質(zhì)部分外，還含有一個(gè)非蛋白成分，若將其分離掉，酶將失去活力，如果再將其加入，酶的活力又重新恢復(fù)。這個(gè)非蛋白質(zhì)是一些酶起催化作用不可缺少的，這就是酶的輔酶或輔基。 前者與酶蛋白結(jié)合得比較松能被透析去掉；后者與蛋白質(zhì)結(jié)合比較牢固，一般不易透析去掉，但兩者沒有截然的界限。,輔酶：在酶反應(yīng)過程中起著運(yùn)載底物的電子或某類基團(tuán)的作用。在反應(yīng)中，它雖然發(fā)生了變化，但是通過其他酶或其他反應(yīng)，可重新恢復(fù)到原來的狀態(tài)，它們?cè)诜磻?yīng)過程中運(yùn)載底物電子或基團(tuán)，反應(yīng)后離開酶的活性部位，成為另一個(gè)酶的底物。通過其他反應(yīng)，再生成原來的形式。 輔基：在酶的反應(yīng)過程中，一直結(jié)合在酶的活性部位，成為活性部位的一部分，酶再生為原來的形式時(shí)，也不離開原來的酶的活性部位。,酶的分類,已經(jīng)指出酶的種類繁多，分類也有多種方法: 根據(jù)酶的來源可分動(dòng)物酶、植物酶和微生物； 根據(jù)生物在細(xì)胞內(nèi)外形成酶又分為胞外酶和胞內(nèi)酶。 胞內(nèi)酶種類最多，生物合成中，分解化合的一系列催化反應(yīng)基本上都是胞內(nèi)酶參與的。而胞外酶則多數(shù)為實(shí)用酶，紡織染整加中應(yīng)用的酶基本上都屬這類，例如淀粉酶、蛋白酶等。 胞內(nèi)酶和胞外酶的界線也不能絕然分開，譬如細(xì)菌淀粉酶雖然屬胞外酶，但不等于細(xì)菌形成淀粉酶之后，立即全部分泌到細(xì)菌體外，而細(xì)菌體內(nèi)一點(diǎn)淀粉酶都沒有，只是說細(xì)菌淀粉酶大部分是分泌到胞外，故稱胞外酶。,酶按其催化作用的性質(zhì)被分為六大類 : 1氧化還原酶 2. 轉(zhuǎn)移酶 催化一定的基團(tuán)由一種化合物分子轉(zhuǎn)移到另一種化合物分子上 3水解酶 如：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果膠酶、纖維素酶等。 4裂解酶 催化裂解化合物生成兩種以上的產(chǎn)物的酶。 5異構(gòu)酶 異構(gòu)酶是催化同分異構(gòu)化合物相互轉(zhuǎn)化的酶。它在糖果生產(chǎn)中可使葡萄轉(zhuǎn)化成果糖，從而使甜度增加。 6生合酶 生合酶是催化合成某些化合物的酶。主要用在生物合成工業(yè)中。,影響酶反應(yīng)的因素,影響酶反應(yīng)活力的因素很多。 對(duì)胞內(nèi)酶，酶和酶之間，酶和其他蛋白質(zhì)之間，以及酶和其他生物高分子之間，都存在相互作用，影響酶的活力。 對(duì)胞外酶，雖然可以分離出來，影響因素也有許多，這主要包括PH值、溫度和金屬離子、抑制劑及其他小分子，以及酶濃度等因素。,(一)pH值對(duì)酶反應(yīng)的影響 酶分子上有許多酸性、堿性氨基酸的側(cè)基，這些基團(tuán)隨著pH值的變化可以處在不同的離解狀態(tài)，而側(cè)基的不同離解狀態(tài)可直接影響底物的結(jié)合和進(jìn)一步的反應(yīng)，或者影響酶的空間構(gòu)象，從而影響酶的活力。 (1)酸或堿可以使酶的空間結(jié)構(gòu)破壞，引起酶的活力喪失，這種喪失活力可以是可逆或不可逆的，對(duì)可逆的來說，改變pH值后可使活力恢復(fù)。 (2)酸或堿影響酶的活性部位催化基團(tuán)的離解狀態(tài)，使得底物不能分解成產(chǎn)物。 (3)酸或堿影響酶活性部位結(jié)合基團(tuán)的離解狀態(tài)，使得底物不能和它結(jié)合。,甘氨酸,亮氨酸,賴氨酸,谷氨酸,pH值不一定相同。最適合的pH值還隨著底物濃度、溫度和其他條件的變化而變化，因此確定最合適的pH值應(yīng)在所實(shí)驗(yàn)的條件下測(cè)得。 需要指出的是，pH值還會(huì)影響酶分子的構(gòu)象，構(gòu)象不同，活力也不同。這種影響還可分為可逆和不可逆兩種情況，可逆情況時(shí)，活力會(huì)隨構(gòu)象恢復(fù)而復(fù)原，不可逆時(shí)活力不會(huì)復(fù)原。所以pH值對(duì)酶的穩(wěn)定性和活力的影響非常復(fù)雜。,不同種類的酶，其最適合的pH值范圍不同。例如嗜熱硬脂芽孢桿菌的淀粉酶最適合pH值是4.65.1，偏酸性。 有的處于中性，也有的處于堿性，但品種較少。 即使是同一種來源不同，其最適合的pH值也有差異，例如棲土曲霉產(chǎn)生的蛋白酶最適合的pH值近中性（87.5），而短小芽孢桿菌產(chǎn)生的蛋白酶最適合的pH值在10.011.0之間，表現(xiàn)較好的耐堿性。,使用時(shí)，為了方便起見，常將微生物蛋白酶根據(jù)其作用時(shí)最適合的pH值，大體分為酸、中性和堿性三類。,同一種酶雖然來源于同一種微生物，由于作用底物不同，酶的最適合pH值也不同，因?yàn)閜H值也會(huì)影響底物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，而酶催化反應(yīng)速度和酶及底物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)均有關(guān)系。 即使同一種酶作用于同一底物，如前所指出的那樣，隨著溫度等條件變化，最適合的pH值也有變化。例如，細(xì)菌的-淀粉酶隨反應(yīng)溫度的升高，最適合的pH值范圍逐漸變窄，在6070時(shí)，最適合pH值為5.07.0，而在80時(shí)，最適合pH值在5.56.5。,事實(shí)上酶反應(yīng)的最適合pH值范圍與微生物最適合生長環(huán)境的pH值大致相近， 在酸性環(huán)境中生長很好的細(xì)菌，其蛋白酶反應(yīng)的最適合pH值為4.8左右； 在中性環(huán)境中生長比較好的菌，其蛋白酶反應(yīng)的最適合pH值為7.2左右； 而在pH值較寬的環(huán)境中生長較好的細(xì)菌，蛋白酶反應(yīng)的最適合pH值范圍也較寬。 例如，短小芽孢桿菌生長最適合的pH值為9.0，其蛋白酶反應(yīng)的最適合pH值也是9.0左右。,研究酶反應(yīng)最適合pH值不僅可控制最適合的條件，發(fā)揮酶的最大效用。另一方面，也可用來判斷酶的組分。 例如某種蛋白酶反應(yīng)時(shí)，pH值與反應(yīng)活力關(guān)系曲線不是出現(xiàn)一個(gè)峰，而二個(gè)峰或三個(gè)峰，一般來說，這種酶制劑的組分不是單一的，而是由不同適合pH值的酶混在一起組成的多組分酶。 實(shí)際上微生物產(chǎn)生的蛋白酶，大多數(shù)是幾種酶的混合物，所以最適合的pH值也只是決定于其中主要的一種酶。,(二)溫度對(duì)酶反應(yīng)的影響 溫度也是酶處理的一個(gè)重要因素，它和酶活力的關(guān)系也往往呈一鐘罩形的曲線。 反應(yīng)速度在某一溫度時(shí)有一最大值，通常稱這個(gè)溫度為最適合溫度。 雖然酶反應(yīng)和其他化學(xué)反應(yīng)一樣，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度升高，反應(yīng)速度增快，但是若進(jìn)一步升高溫度，由于酶會(huì)發(fā)生熱喪失活力現(xiàn)象，所以溫度升高，酶反應(yīng)速度反而減小。,在實(shí)際進(jìn)行酶處理時(shí)，要保證達(dá)到一定的溫度，溫度升高，反應(yīng)速度加快(和其他化學(xué)反應(yīng)一樣，一般升高溫度10，反應(yīng)速度增快一倍左右)，在低溫時(shí)，升高溫度加快速度會(huì)更加明顯些。 另一方面要注意升高溫加速酶喪失活力，所以反應(yīng)溫度應(yīng)控制在反應(yīng)速度較快，而又不導(dǎo)致酶喪失活力的范圍。 由于實(shí)際應(yīng)用時(shí)，酶總是要發(fā)生喪失活力的現(xiàn)象，所以酶的最適合溫度還要取決于酶處理時(shí)間的長短，假如反應(yīng)時(shí)間短，即使發(fā)生喪失活力現(xiàn)象，反應(yīng)適合的溫度還是宜高些，若時(shí)間較長，則反應(yīng)溫度宜低些。,(三)金屬離子對(duì)酶反應(yīng)的影響 金屬離子對(duì)酶的形成、提純有密切的關(guān)系，而且金屬離子對(duì)酶的活力也有很大的影響。 眾所周知，在培養(yǎng)產(chǎn)生酶的微生物時(shí)需要一定的無機(jī)鹽，無機(jī)鹽是微生物繁殖的不可缺少的營養(yǎng)成分，也是菌體和酶的重要組分。有些金屬離子是穩(wěn)定酶的三維結(jié)構(gòu)的重要因素；有些金屬離子則是直接參與催化反應(yīng)的。 金屬離子的催化作用往往和酸的催化作用相似，而且催化作用很強(qiáng)。金屬離子還可參加氧化還原反應(yīng)，作用是多方面的。,一些輔酶本身就是金屬離子，或含金屬的有機(jī)化合物。外加的金屬鹽會(huì)改變酶的許多性質(zhì)，例如溶解性，對(duì)膠體性能也很敏感，可以消除膠體微粒的電荷，降低溶解性，甚至?xí)l(fā)生沉淀，因此利用中性鹽可以使酶沉淀，從而達(dá)到提純的目的。 酶的熱穩(wěn)定性和金屬離子關(guān)系也很密切，例如酶反應(yīng)體系有鈣離子時(shí)，酶的熱穩(wěn)定性得到提高。,金屬離子對(duì)酶的活力影響也有很強(qiáng)的選擇性，有一些酶需要K+活化，NH4+往往可以代替K+，但Na+卻不能活化這些酶，有時(shí)還有抑制作用。 相反另一些酶卻需要Na+活化，K+卻起抑制作用。一些二價(jià)的金屬離子，例如前述的Ca2+，此外還有Zn2+、Mg2+和Mn2+等也為一些酶表現(xiàn)活力所必需。 金屬離子的作用機(jī)理還不十分清楚，可能和它們影響酶的三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)有關(guān)，改變酶的活性部分的結(jié)構(gòu)，也可能會(huì)和底物發(fā)生作用，例如和底物結(jié)合，甚至發(fā)生反應(yīng)，從而也會(huì)改變酶的催化反應(yīng)。,提高酶的活力的物質(zhì)通常稱酶的激活劑，或活化劑。如上所示許多金屬離子就是酶的活化劑。除了上述的一些金屬離子外，對(duì)于某些酶來說Fe2+等離子也有活化作用 但是在不少情況下，重金屬離子對(duì)酶的活力起抑制作用，例如Ag+、Fe2+、Hg2+、Cu2+等，這些對(duì)酶的活力起抑制作用的物質(zhì)稱為抑制劑。,金屬離子抑制酶的活力，一般認(rèn)為可能是和酶的某些基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)造成的。例如Ag+、Cu2+和Hg2+等和酶的活性基團(tuán)巰基生成金屬化合物，導(dǎo)致酶的活力被抑制 。,2ESH(酶分子)+Hg2+ ESHgSE(被抑制的酶分子)+2H+,抑制劑和激活劑對(duì)酶反應(yīng)的影響,除了金屬鹽或金屬離子外，許多小分子也有這種作用，即一些是激活劑，另一些是抑制劑。 凡是阻止反應(yīng)，降低反應(yīng)速度的作用都可稱為抑制作用，起這種作用的物質(zhì)稱為抑制劑。這實(shí)際上包括下列幾種作用： 1.鈍化作用 通過一些物理或化學(xué)因素破壞酶的三維結(jié)構(gòu)，引起酶活力降低或喪失。 2.抑制作用 由于酶的某些基團(tuán)或活性部位的化學(xué)性質(zhì)的改變而引起的酶活力降低或喪失。,3.競(jìng)爭(zhēng)作用 一些抑制劑和酶的作用底物有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，當(dāng)這些抑制劑濃度足夠大時(shí)，能同底物競(jìng)爭(zhēng)與酶分子結(jié)合，因而影響酶和底物結(jié)合，降低酶對(duì)底物的催化反應(yīng)速度而起抑制作用，在這種場(chǎng)合，當(dāng)增加底物的濃度時(shí)，抑制作用會(huì)減弱，甚至不明顯。 專一性的不可逆抑制劑應(yīng)具有和底物相似的結(jié)合基團(tuán)，并具有能與活性部位結(jié)合和反應(yīng)的基團(tuán) . 非專一性的不可逆抑制劑可作用于酶的一類或幾類基團(tuán)，這些基團(tuán)中包括催化必需的基團(tuán)，作用后將引起酶失去活力。,除金屬離子外，一些小分子，還包括一些陰離子對(duì)酶有激活作用，也是活化劑。常見的陰離子包括Cl-、N03-、S042-等。 激化劑對(duì)酶的激活作用機(jī)理，大致與抑制作用相反，激化劑可能是構(gòu)成酶活性部位的主要成分。尤其是某些金屬離子，由于它們的存在會(huì)使酶活性部位變性而激活酶。另一些激活劑可以與酶的底物發(fā)生作用，生成與酶更易反應(yīng)的復(fù)合物，產(chǎn)生激活作用。當(dāng)酶催化反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)酶反應(yīng)速度有抑制作用時(shí)，激活劑可能是和這種產(chǎn)物形成某種復(fù)合物，使產(chǎn)物從反應(yīng)平衡過程中分離出去，從而加快酶的催化反應(yīng)，達(dá)到激活的目的。,酶濃度和底物濃度對(duì)酶反應(yīng)的影響,在反應(yīng)底物濃度足夠大(例如纖維材料量多時(shí)，其濃度可看成足夠大)的情況下，酶反應(yīng)速度和酶的濃度成正比，屬表觀一級(jí)反應(yīng)。 事實(shí)上直線關(guān)系只限于一定的范圍內(nèi)才適用，酶濃度超過一定量時(shí)，再增加酶用量，反應(yīng)速度會(huì)偏離直線關(guān)系。因?yàn)椋S著反應(yīng)的進(jìn)行，影響酶反應(yīng)速度的因素不僅限于酶的濃度。,已經(jīng)指出，酶的催化反應(yīng)只是當(dāng)酶的活性部位和底物發(fā)生專一性的結(jié)合和催化時(shí)才能進(jìn)行。因此當(dāng)酶的濃度一定時(shí)，酶的反應(yīng)速度也隨底物濃度增加而增加，但當(dāng)?shù)孜餄舛?或數(shù)量)增加到一定程度，體系中的酶已全部和底物結(jié)合后，再增加底物，反應(yīng)速度不會(huì)增加。 在紡織品加工時(shí)，被處理的是纖維材料，發(fā)生的催化反應(yīng)是固液相的多相反應(yīng)。反應(yīng)主要在纖維界面上進(jìn)行，因此反應(yīng)速度不僅和纖維的數(shù)量有關(guān)，還和纖維的表面積、表面形狀以及紡織品的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，纖維潤濕性和紡織品的吸水性也都會(huì)影響酶的反應(yīng)速度.,影響酶反應(yīng)的其他因素,酶分子和底物反應(yīng)的鄰近效應(yīng) 酶和纖維等的反應(yīng)和稀溶液中的雙分子反應(yīng)不同，酶分子吸附在纖維表面，可以是和一個(gè)底物結(jié)合，也可能和鄰近的兩個(gè)底物結(jié)合在其活性部位，因此對(duì)于那些含多個(gè)反應(yīng)基團(tuán)的底物，顯然比含反應(yīng)基團(tuán)少的底物反應(yīng)速度要快得多，這種底物反應(yīng)基團(tuán)的分布狀態(tài)和密度直接影響催化效率。,多元催化和微環(huán)境的影響 酶的催化反應(yīng)往往是幾個(gè)基元催化反應(yīng)配合在一起共同起作用，有的水解反應(yīng)既包括堿催化反應(yīng)，又包括質(zhì)子催化反應(yīng)，所以催化效率很高。 能否發(fā)生多元催化反應(yīng)決定于酶和底物的結(jié)構(gòu)。在某些微環(huán)境下，酶和底物(例如纖維)分子都很大，活性部位可結(jié)合多種基團(tuán)，因此只要選擇合適的酶，創(chuàng)造合理的微環(huán)境，有可能形成多元催化體系，從而大大提高催化反應(yīng)的效率。,誘導(dǎo)契合效應(yīng) 酶和底物的結(jié)合不是機(jī)械和靜止的，所以不能簡單應(yīng)用鎖和鑰匙模型來表述。因?yàn)槊负偷孜锝Y(jié)合過程中，在各種分子作用力的作用下，酶的催化和結(jié)合基團(tuán)的排列會(huì)發(fā)生一定的變化，使相互間更能密切的結(jié)合，這種結(jié)合性的增強(qiáng)會(huì)大大提高酶的催化效率。 不同的酶和底物，由于化學(xué)結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)不同，相互誘導(dǎo)契合效應(yīng)也將不一樣，催化效率將不一樣。有關(guān)誘導(dǎo)契合的過程和程度研究還很不夠，但是選用那些產(chǎn)生誘導(dǎo)契合效應(yīng)高的酶，將有利于提高酶的催化專一性和催化效率，這在纖維的酶處理時(shí)、也是很重要的。,影響纖維的酶催化反應(yīng)的因素還包括浴中的其他添加物，例如一些防腐劑有抑制作用，此外浴比、攪拌速度和溶液循環(huán)方式等也會(huì)產(chǎn)生影響。所以不同處理設(shè)備將有不同的效果。 最后還要指出的是，由于酶是蛋白質(zhì)，和其他蛋白質(zhì)一樣，除了熱、pH值、重金屬離子、中性鹽、有機(jī)溶劑或試劑對(duì)它的穩(wěn)定性有影響外，輻射線、超聲波、等離子體等對(duì)它也會(huì)發(fā)生作用，使其活力降低和喪失，所以在保存和應(yīng)用時(shí)應(yīng)該避免受到這些因素的作用。,酶的改性和固定,進(jìn)行酶催化反應(yīng)后，如能將酶從底物和生成物中分離出來，就可以繼續(xù)應(yīng)用。 為了提高酶的活力或催化效率，提高酶的穩(wěn)定性等性能，可將酶進(jìn)行改性和固定在一定的載體上，這也是近年來研究的一個(gè)熱點(diǎn)，改性和固定化酶與天然酶相比有以下一些優(yōu)點(diǎn)： (1)提高酶的催化效率和穩(wěn)定性； (2)配制具有合適的性質(zhì)和狀態(tài)的酶制劑，便于應(yīng)用； (3)有利于反應(yīng)的連續(xù)化； (4)易于調(diào)節(jié)和控制酶反應(yīng)； (5)有利于提高生成物純度和得率； (6)有利于節(jié)能和環(huán)境保護(hù)。,目前改性和固定的方法很多，其中在紡絲期間將改性酶加入到紡絲液中，紡制成纖維生化催化劑是最有效的一種方法。 由于改性提高了纖維生化催化劑的穩(wěn)定性，又由于纖維的多孔性增加和提高了生化催化劑的活力。甚至可以將發(fā)生連續(xù)催化反應(yīng)的數(shù)種酶固定在纖維中連續(xù)產(chǎn)生多種催化作用。 酶改性和固定也可制成粉末、凝膠和微膠囊狀后應(yīng)用。制造這種纖維生化催化劑時(shí)，往往是先將酶改性，然后再摻人到含活性基團(tuán)的不溶于水或溶于水的聚合物中，再混入紡絲液中進(jìn)行紡制纖維，或者在紡制纖維時(shí)直接將酶加入紡絲液中。,固定化技術(shù)經(jīng)過三十多年的發(fā)展,克服了游離酶反應(yīng)存在的分離困難、穩(wěn)定性差和易流失等問題。 但真正應(yīng)用于工業(yè)化的固定化酶并不多,主要是因?yàn)楣潭ɑ傅倪^ 程中還存在幾個(gè)急待解決的難題: (1) 酶的活性中心發(fā)生物理化學(xué)變化導(dǎo)致酶活力降低; (2) 酶固定化后多了空間屏障,增加了傳質(zhì)阻力; (3) 酶和載體結(jié)合不牢固,容易脫落,酶活力損失大; (4) 固定化顆粒成型困難。,如何解決這些問題是固定化技術(shù)的熱點(diǎn),研究者不斷地對(duì)固定化載體改良并提出新的載體和固定化方法 ,并在耦合固定化方面進(jìn)行了大量的研究。 耦合固定化是指幾種固定化方法或載體的聯(lián)合使用,即添加穩(wěn)定因子和促進(jìn)因子的固定化方法。 近年來耦合固定化技術(shù)發(fā)展迅速,在生物轉(zhuǎn)化、手性拆分和廢水處理等方面均有良好的應(yīng)用實(shí)例。耦合固定化技術(shù)能夠平衡傳統(tǒng)單一固定化方法的優(yōu)缺點(diǎn),使酶在保持原有活性的基礎(chǔ)上,穩(wěn) 定性有所提高,還具有操作簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。,耦合固定化技術(shù),吸附交聯(lián) 共價(jià)結(jié)合交聯(lián) 絮凝固定化與其他方法的耦合 包埋固定化與其他方法的耦合 保護(hù)劑與固定化技術(shù)的耦合 膜固定化與其他方法的耦合,吸附-交聯(lián),吸附載體富含氨基或羥基,酶通過物理吸附或離子吸附作用與載體結(jié)合,結(jié)合力比較弱,高離子強(qiáng)度和高pH 值下,容易解析造成酶的泄漏,一般不單獨(dú)使用。 吸附交聯(lián)法是目前使用較多的耦合方法,其中以先吸附后交聯(lián)的方法最為常見。 交聯(lián)作用能夠增強(qiáng)酶和載體之間的作用力,避免單一吸附固定化酶易脫落造成產(chǎn)物污染的缺點(diǎn),提高固定化酶的穩(wěn)定性。 用純化的海沙固定環(huán)胡精葡萄糖苷轉(zhuǎn)移酶(CGTase) ,雖然能夠達(dá)到98 %的吸附率,但酶很容易從介質(zhì)上脫落,而戊二醛的交聯(lián)增強(qiáng)了結(jié)合力,解決了這個(gè)問題,酶反應(yīng)8 批次后,仍然能夠維持80 %的活性。,共價(jià)結(jié)合交聯(lián),共價(jià)結(jié)合法一般通過載體表面的基團(tuán)與酶表面的基團(tuán)如:氨基、羧基、巰基等相互作用實(shí)現(xiàn)固定化,結(jié)合比較牢固,基團(tuán)之間有很強(qiáng)的選擇性。共價(jià)結(jié)合交聯(lián)法能增強(qiáng)酶和載體間的作用力,并且通過交聯(lián)作用使載體結(jié)合更多的酶。 將GL27ACA 酰基轉(zhuǎn)移酶通過共價(jià)結(jié)合交聯(lián)法固定在氨基丙烷基三乙氧基