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漆酶是天然漆主要成分之一,含量約為10%。存在于天然漆的含氮物質中,俗稱生漆蛋白質、氧化酶。是天然漆在常溫下干燥時不可缺少的天然有機催化劑。不溶于水,也不溶于通用有機溶劑,而溶于漆酚。含氮物質接觸乙醇后,能不可逆地從生漆中析出。漆酶是一種氧化酶(能與分子氧起作用),而不是過氧化酶,漆酶能受HCN的影響,而過氧化酶則不受其影響。漆酶可促進多羥基酚及多氨基苯的氧化,而不能促進單酚的氧化。因漆酶的催化氧化作用,可以促進漆酚的氧化聚合,從而形成干固的膜。漆酶對下述物質敏感:過氧化氫、氫氰酸、羥胺、硫化氫、氰化 鉀、重氮化鉀(或鈉)等。漆酶在其他植物(土豆、蘑菇、蘋果)中也有發現。
典型的漆酶有三個結構域,其中T1銅離子位于結構域3、三銅離子中心位于結構域1和結構域3之間,此外還有結構域2,主要起聯結作用以及與底物的結合作用。但也有報道發現僅存在兩個結構域(結構域1和結構域3)的漆酶蛋白,并且該蛋白質展現出較高的pH 穩定性和漆酶的其它氧化還原特性。人們習慣上稱藍銅為T1銅離子,這個銅離子是人們通過光譜學的手段最早發現的銅離子。T1位點的幾何結構與普通的金屬蛋白銅位點的幾何結構有所不同,它是一個扭曲的四面體,通過半胱氨酸形成一個S-Cu健,此外還有兩個組氨酸(HiS)的N原子以及甲硫氨酸的S原子成健。
漆酶的催化氧化是非常復雜的。一方面,由于漆酶同過氧化酶和其它多酚氧化之間作用底物的相似性,比如現在經常被用作真菌漆酶的特征底物的丁香醛連氮和ABTS(2 ,2-連氮-雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)),但是實際上過氧化酶也能夠催化氧化它們;不過相對這些酶來說,漆酶反應過程中并不產生有害的過氧化氫和活性氧(ROS),但同時產生醌或半醌等強抗氧化劑,是非常綠色的反應。許多報道為漆酶催化氧化的反應,經常缺乏進行它們之間有區別的實驗報道。不過,現在已經有一些學者注意到了這個問題的復雜性。另一方面,技術的發展或許已經到了任意改變漆酶特性的程度。通過對Myceliophthora thermophilica 真菌漆酶的定點誘變工作表明,不但其抑止性而且催化特性都顯著改變。也就是說,改變漆酶的氨基酸序列或者改變糖部分的組成,就可任意的改變漆酶的特性。另外物理方法,比如電子順磁共振,也能夠使漆酶蛋白的二級結構發生改變,從而使其底物專一性發生改變。
漆酶催化氧化的底物相當廣泛,基本上,只要底物是具有相似于兒茶酚型的鄰、對二酚就能夠被漆酶催化。真菌漆酶和漆樹漆酶在所能夠催化氧化的底物上有一些區別。至少有一些真菌漆酶能夠氧化單酚,如甲酚,而漆酶則不能。酪氨酸一般不能被真菌漆酶催化氧化,不過實驗顯示,酪氨酸的衍生物能夠同漆樹漆酶作用。在催化氧化速率上,真菌漆酶顯然比漆樹漆酶要快幾倍,甚至幾十倍。有人報道添加一些物質可能促進酶活,一些原本難以催化的反應也可以在中介物質的協同作用下進行,甚至可以直接將Mn2+作為底物。改變反應介質,在有機相中的反應是研究的一個熱點。而這樣一來,它的底物范圍就更加廣泛。
漆酶被首先發現于植物中,隨著人們的研究表明漆酶并非僅僅存在于植物中,而漆酶也不僅僅是人們所認為的四體,還存在著二體和單體的漆酶蛋白。隨著分子生物學的發展特別是基因組測序物種的日益增多,人們發現漆酶在細菌中也是廣泛存在的。不論是真菌中的漆酶還是植物、細菌以及動物中的漆酶在其序列方面表現出了很大的差異,但是都有共同的活性中心和反應機以及類似的底物廣泛性。漆酶的這種分布的廣泛性與序列的差異性可能與生物酶學中的趨同進化有著重要的關系。
漆酶的底物廣泛性、底物在自然界中的難降解性與毒性以及漆酶反應的環境友好性使得漆酶有著極大的應用前景。目前所有的漆酶應用原理都是利用漆酶的氧化還原特性氧化有毒的芳香族化合物。漆酶已被廣泛應用于紙漿造紙、污水處理、食品、有機合成等行業,此外漆酶在環境修復、服裝行業、毒品檢測和生物傳感器方面也有相應的研究報道。
木質素的脫除一直是困擾著造紙行業的一個難題,一方面紙漿中的木質素含量的高低能夠直接影響到紙漿的質量,另一方面造紙行業中氯漂法產生的廢水中因為含有大量的有機芳香族有毒污染物對環境造成了很大的污染。酶漂法由于具有很好的環境友好性有著重要的應用前景。目前木聚糖酶已經被應用于造紙行業中,而木聚糖酶是通過切斷連接木質素與纖維素之間的木聚糖從而達到脫木素的效果,這使得紙漿的得率在一定程度上降低了,而漆酶能夠選擇性地降解木質素使得漆酶在解決這個問題中具有很好的應用前景;而漆酶與木聚糖酶的協同作用可以更有效的降解木質素。
漆酶可以處理各種工業廢水,如含氯酚類廢水、紙漿和造紙工業廢水、染料和印刷行業廢水、橄欖油工廠廢水、乙醇發酵廢水、城市廢水和受污染的土壤。其中對紡織印染廢水的處理是目前漆酶應用的一個研究熱點。當前應用的染料主要有偶氮類、蒽醌類、靛藍類以及三苯甲烷類染料,其中偶氮類染料是當前應用較為廣泛的染料。研究表明這些染料形成的污染具有致癌、致崎、致突變的作用。
目前所用的染料脫色脫毒技術會產生二次污染和成本高昂。而漆酶由于具有廣泛的底物以及不需要一些輔因子和H2O2 的特性增加了人們利用漆酶來對污染的廢水和土壤進行脫毒興趣;但是也有報道表明漆酶對大多數染料的氧化需要借助介體的作用。越來越多的研究表明漆酶應用于廢水處理的有效性和可行性,為大規模應用漆酶來解決環境問題提供了理論支持。漆酶所能夠降解的有毒污染化合物有氯酚類、多環芳香烴類、三硝基甲苯、殺蟲劑、殺菌劑和除草劑、激素類化合物、土壤中有毒物質等。通過將漆酶進行固定化處理可以重復利用來處理廢水,提高了漆酶的利用率并且可以保持漆酶的大部分活性,而且可以解除大多數抑制因子對漆酶的抑制作用。
漆酶能夠用于飲料加工、食品焙烤等食品行業中,改變焙烤食品的顏色和感官參數。漆酶還能應用于白酒、蘋果和葡萄汁、啤酒、茶葉等飲料中,在這些飲料中會存在一些酚類化合物,這些化合物的存在會使飲料發生渾濁和色澤的變化從而影響它們的品質,漆酶能夠氧化其中的酚類,漆酶的處理能夠有選擇性的氧化酚類物質使得這些飲料既能夠保持其風味,又能夠降低它們的變色和變質的速度。此外生物酶處理同化學處理相比較還有著反應條件溫和、能耗低、營養損失少等優點,值得注意的是在漆酶對果汁類脫酚的過程中能夠氧化果汁中的維生素C,用于抗氧化。漆酶還能夠應用于面包的焙烤工藝中,漆酶的存在能夠氧化面粉中的二硫健使得面包更加松軟。此外漆酶還能夠應用于漱口水、牙膏、口香糖以及食用油等食品行業中。
盡管氧化反應是工業生產中的最根本反應之一,但是大多數傳統的氧化技術都有著共同的弱點:非專一性、高溫高壓、對設備要求高、生產條件苛刻和能夠產生對環境有毒害作用的化學物質。傳統氧化反應的這些弱點大大的推動了人們尋找新的無害的氧化技術的步伐。酶氧化技術與傳統是化學氧化技術相比有著以下優點:酶具有很強的底物專一性并且酶催化的生物降解反應能夠在溫和的環境條件下進行等。漆酶的氧化還原特性使得漆酶在有機合成中具有很好的應用前景。漆酶能夠利用氧為電子受體,氧化含酚羥基的芳香族化合物,而芳香族和稠環化合物多為化學合成工藝中的前體物質。漆酶所具有的底物廣泛性和催化的專一性使漆酶的應用更加廣泛,而且產物比較單一,產物分離純化工藝簡單。同時漆酶的來源相當廣泛,不僅在真菌中廣泛存在,在細菌、植物中存在也相當廣泛,甚至在動物中都有發現,這些特性都為漆酶催化更廣泛的反應提供了有利條件。
第二代生物能源是以廢棄的作物秸稈、工業富含纖維的殘渣等為原料,利用微生物來降解其中的纖維素產乙醇。原料中含有大量木質素,而且一般是包裹在纖維素的外層,原料的前處理過程必須進行脫木質素。漆酶所具有的能氧化酚型和非酚型芳香族化合物的特性有可能用于生產生物能源。以纖維素為原料來生產生物乙醇時,其中纖維素外面包裹的木質素限制了纖維素酶對纖維素的降解,目前所用的除木素的方法主要有物理和化學法:其中物理法需要消耗大量的能源,這與生產生物能源的初衷相違背;化學法用酸堿處理會產生環境污染和大量的原料。雖然由于木質素復雜的空間結構而使漆酶不易接近,但是在介體等小分子物質的存在下漆酶可以有效的降解木質素,木質素的一些天然衍生物(香草醛、香草乙酮、乙酰丁香酮、丁香醛、2,4,6-三甲基苯酚、p-香豆酸、阿魏酸、芥子酸)還可以作為介體。漆酶可以有效減少生產乙醇時酚類物質含量,從而為生產生物能源提供了良好的應用前景。此外,白腐真菌漆酶還可應用于秸稈的堆肥化,將其轉化為有機肥料或無土栽培的有機基質。
漆酶還可用于化妝品行業,如染發和皮膚美白,漆酶可以氧化頭發中的二硫鍵,改變角蛋白中氨基酸連接的空間結構進行塑形,替代含重金屬化學染色劑和燙發劑。酶活限制因素漆酶也受一些抑制劑的抑制,受抑制的原因可能是氨基酸的修飾作用、酶的空間結構的改變或者是抑制劑與底物結合位點的相互作用。鹵族元素和Fe2+、Fe3+可以明顯的抑制漆酶活性。
[1] 實用精細化工辭典
[2] 萬云洋, 杜予民. 漆酶結構與催化機理[D]. , 2007.
[3]漆酶的研究進展