自20世纪初Ｒｏｈｍ公司开发酶软化和酶脱毛工艺以来,酶制剂在制革工业中的应用经历了一百余年的发展历程,但迄今仍未成为制革准备工序的主流技术。20世纪90年代,随着世界各国环保政策的日趋完善和对环境保护的高度重视,皮革工业正面临着有史以来最严重的生存危机。以酶为基础的制革生物技术在清洁性、环境友好性方面独具特色。用这类技术取代传统化学:制革工艺,是从根本上解决制革工业严重污染的有效途径。同时,酶在制革工业中的应用将推动酶工程在极端条件反应动力学及相关理论的发展,拓展酶应用的领域。本文追溯近二十年酶在制革工业中的应用发展历程,展望了未来发展的趋势。
1酶在制革工业中应用
随着人们对酶性质、酶促反应动力学的深入研究以及新酶种的不断发现和现代发酵技术的发展,酶在制革工业中的作用机理及应用的研究已成为制革清洁化技术的热门方向之一。
1.1酶助浸水的研究与应用
1.1.1酶在浸水过程的作用机理与常规浸水方法比较,酶助浸水的特点是以蛋白酶为主浸水助剂,通过间质蛋白和蛋白多糖的酶促降解,尤其是使透明质酸(Ｈｙａｌｕｒｏｎｉｃａｃｉｄ)、硫酸软骨素(ｃｈｏｎｄｒｏｉｔｉｎｓｕｌｆｕｒｉｃａｃｉｄ)等降解,使原皮快速、有效回水。在酶助浸水作用前,必须使纤维间质润胀到一定程度,才有利酶促间质蛋白的降解。添加适量的非离子表面活性剂有利于间质的润胀。此外,碱性蛋白酶、碱性脂肪酶和表面活性剂以适当的比例配伍构成的浸水助剂不仅有助于纤维间质的除去,而且脱脂率也较常规的化学和单一酶的酶助浸水方法高。影响浸水效果的因素有原料的性质、浸水液的ｐＨ、液比、温度、浸水助剂的质量浓度和浸水时间等。尤其以浸水温度和时间对浸水效果的影响最大。
1.1.2酶在浸水过程的应用酶在浸水过程中应用的研究始于20世纪80年代,胰蛋白酶[1]、细菌蛋白酶[2-3]在浸水过程中应用结果表明,酶浸水可以使吸水速率增大,浸水均匀,有效地除去纤维间质,弹性蛋白被部分降解,使胶原纤维适当分散。在其后的浸灰工艺中,促进了灰碱的渗透和均匀膨胀。成革柔软,减少了成革血管痕、肥纹和边腹空松[4]。在浸水液中加入碱性脂肪酶,表面的脂肪被降解,有益蛋白酶松动表皮、降解脂肪细胞壁,结果是脂肪酶和其它浸水助剂渗入原皮内部[5],达到良好的脱脂效果,浸水更均匀,在浸灰过程中促进碱膨胀和脱毛,所得成革粒面毛孔清晰,粒面光滑、清洁而富有弹性,得革率增加[7,8]。在浸水过程中添加浸水酶时,对浸水的温度和浸水液的ｐＨ值要严格控制,并要求与之同时使用的其他材料对酶无抑制作用。由于浸水酶往往对胶原也有一定的作用,因此其用量要严格控制,协调好用量与作用时间之间的关系。对于品质差、防腐差的原料皮要慎重使用浸水酶助剂。
1.2酶脱毛机理及其应用的研究
1.2.1酶脱毛机理的研究1922年Ｗｉｌｓｏｎ和Ｄａｕｂ首先应用显微镜观察到“发汗法”脱毛过程中细菌活动的情况,标志酶脱毛机理的研究的开始[9]。有关酶法脱毛机理的研究大致分为二个阶段,第一个阶段是在显微水平上对表皮和毛根组织的观察,第二个阶段是在化学水平上,对脱毛过程中毛囊、马氏层细胞组织间的蛋白质的水解及其与脱毛的关系的观察和研究。前者的研究结果表明,马氏底层细胞、毛囊基础细胞的分解、毛髓的部分水解导致了毛的松动及在机械作用下脱落。后者的研究结果表明,使表皮和真皮之间的类粘蛋白、粘蛋白、清蛋白、球蛋白等降解是酶脱毛的基础。酶法脱毛和碱法脱毛在原理上有共同之处,即在碱或酶的作用下,使类粘蛋白等溶解,从而削弱毛和表皮与真皮之间的连结。用单一的酶制剂进行的酶脱毛机理的研究结果表明,酶脱毛的能力和催化肽键断裂的能力有关,催化肽键断裂的能力越强,则脱毛的能力越好[10],用于脱毛的酶制剂应该具有相对专一性(ｇｅｎｅｒａｌｓｐｅｃｉｆｉｃｉｔｙ)、内切酶活力较高且均一的特点。
这些研究成果对脱毛酶菌种的选育、酶种的选择及应用技术的开发具有很大的指导意义,但由于客观条件的限制,上述机理未能就胶原的水解与脱毛作用的关系作出合理的解释和定量描述,亦无法提出解决因胶原的水解对皮组织损害的措施。了解与细胞相关的复杂蛋白质在酶作用时的变化以及这些变化与细胞水解的关系,对筛选理想的制革专用酶制剂是很重要的。对酶的不同组分的脱毛效果、水解液分析等研究结果表明,酶脱毛中起主导作用的是非胶原蛋白水解酶。酶的脱毛能力与水解专一性有关,具有相对专一性的蛋白酶具有较强的脱毛能力。基膜提取物中的250ＫＤ、型胶原和血清白蛋白的水解与脱毛有因果关系[10]。有关酶助脱毛机理的一个新的解释是,在有蛋白酶存在的条件下,毛的中心成分毛髓被溶解,使脱毛剂沿着毛发的内部进入毛囊的底部,在其毛球部和前角质区使毛降解,毛从根部脱落。毛杆分离和崩溃后,机械作用使残存的毛发从毛囊完全除去[11]。设计一个合理的脱毛酶体系的充要条件是,确切地了解要使毛恰当松弛,毛囊何种组分应该被破坏。关于脱毛过程中酶的最适ｐＨ值的问题实际上是所表征活力和稳定性的综合的考虑,这是因为脱毛酶体系实际上是一个多酶的体系。有关酶的浓度、温度和碱预处理对脱毛效果的作用,可以通过脱毛液中的总氮及蛋白多糖含量的变化来确定。以酪素或胶原为底物所测得的酶活力能较好地反映该酶制剂的脱毛能力。
其实,以任何相对单一的底物表征的酶活力与该酶制剂的脱毛能力之间是不可能存在显著的相关性的。在脱毛过程中,要破坏的毛囊的组分是多样性的,从这一特性考虑脱毛酶应该是一类具有相对专一性的蛋白酶,该类蛋白酶的主要组分是内切肽酶类,在脱毛过程中能够尽可能多的使肽键断裂。此外,酶通过皮结构渗入到作用区域的能力对酶脱毛的效果也是至关重要的,酶从皮表层渗入到作用区域所需的时间占整个脱毛时间的70%[12],由此可见,脱毛酶制剂至少应由两部分组成,一部分是有助于将降解毛囊细胞的成分扩散或输送到作用区域的成分;而另一部分则是使毛囊细胞降解的成分。从理论上讲,在原皮坯中影响酶渗入的组分应该是透明质酸和皮肤软骨素等,实际上,影响酶通过纤维结构渗透速率的因素是粘结物质的性质、成分和条件及原皮坯的厚度。基膜粘度的变化对脱毛速率几乎没有影响。已证明蛋白酶的水解作用是减少蛋白多糖(透明质酸-蛋白质复合物)的粘性,透明质酸没有任何解聚也不影响皮组织的可渗透性[12],这可能是脱毛酶的蛋白水解作用对于降低基膜粘性和便于酶本身扩散是独特的,因而不需要透明质酸酶协助。蛋白酶的松毛作用是以粘液层(基底层)的非结构血浆蛋白的水解为基础,蛋白水解使乳头层和表皮层之间的连接松弛毛被除去。
1.2.2酶脱毛技术的应用Ａｒａｚｙｍ酶法脱毛工艺的发明,开创了酶脱毛技术研究与应用的先河,并在当时的制革工业界引起强烈反响。随着历史的变迁,酶在脱毛工艺中潮起潮落,迄今仍未成为皮革脱毛的主流技术。从20世纪90年代开始,世界各国的皮革工业均感受到了来自环保方面问题的困扰,酶脱毛的研究和应用再次呈现生机。常规的硫化钠脱毛工艺主要是利用Ｎａ2Ｓ/ＮａＨＳ还原破坏角蛋白的双硫键,从而破坏角质蛋白分子的结构稳定性,在碱性条件下将角蛋白的肽键水解成分子量较小的肽或氨基酸,使毛、毛根屑、表皮被溶解而除去。这类工艺会给环境造成严重的污染,酶法脱毛作为有希望的替代工艺,其研究与应用引人注目[13-18]。其中余义先生[18]撰文介绍了我国二十年酶法脱毛的发展史及海宁制革厂取得的成功经验,推动了酶法脱毛应用的技术进步[19]。传统的酶法脱毛机理认为,用于脱毛的蛋白酶应不含或尽量少含胶原蛋白酶以免损伤真皮的胶原。一种商品名为ｄｉｓｐａｓｅ的细菌中性蛋白酶对基膜的胶原组分Ⅳ具有专一性,应用在牛皮的脱毛工艺中,能使毛发松弛而不损伤真皮的胶原纤维[19]。中性蛋白酶ＡＳ1.398和碱性蛋白酶2709在制革工业中的应用已有数十年的历史,由于对胶原蛋白的水解能力较强,妨碍其广泛应用。
ＡＳ1.398与2709以适当比例配伍,并根据原料的性质对其作用温度、时间和ｐＨ等操作条件优化,在有温有浴脱毛过程中,胶原蛋白的损失降低60%以上。为新型生物脱毛助剂的开发提供了值得参考的方法[20]。针对秦川黄牛皮硫化物和脱毛酶同浴浸灰存在脱毛未尽、出现松面的问题,添加少量硫化物对其进行预处理,在使用1398中性蛋白酶进行脱毛处理时,添加0.2%的酚类助剂。与对照方案比较,酶用量减少,其脱毛作用增强,松面程度降低,所得成革脱毛干净,粒面清晰无明显损伤,革身丰满、柔软、弹性较好[21]。在鲁西黄牛的浸灰过程中添加2709碱性蛋白酶,除去了包裹在胶原纤维表面的硫酸软骨素等蛋白多糖,使真皮上层致密的胶原分散。浸灰时间从18h降至8h,减少了松面的发生[22]。陈敏等开发的一种酶糊用于猪皮的滚置脱毛研究表明;该酶糊在26-38℃范围具有脱毛效果好,皮损伤小的特点[23]。滚酶堆置脱毛对减少皮张的部位差,尤其对猪皮非常有效,而且具备反应易控制、工艺比较成熟、反绒革绒面细而密、环境污染小等特点。但卫华等采用板块模式、层次分析和正交试验等数理方法分析影响脱毛效果的主要因素,优化臀部涂酶工艺条件,开发了以166中性蛋白酶和胰酶构成的复配酶-碱脱毛新工艺,在猪服装革的生产中应用取得了良好的效果[24,25]。在耐水洗、耐干洗猪反绒服装革的生产工艺中,采用酶助浸水和包酶、浸酶脱毛工艺也获得成功[26]。随着对酶法脱毛工艺的重视,筛选脱毛能力强,对胶原纤维损伤小的制革专用菌种及新型生产工艺的研究开发工作也引起了高度的重视。刘彦等从自然界中筛选到耐盐性强的菌株和具有高浓度Ca2+耐受能力强的碱性蛋白酶菌株各一株,其中高浓度Ca2+耐受能力强的菌株(Bacillus.spNo8),蛋白酶的最适pH为9.6,最适温度40℃。在pH10.6-11.6最稳定,制革生产过程中常用的JFC在其用量范围对酶活无抑制作用[27-29]。在山羊皮、绵羊皮的脱毛过程中使用Rhizopusorya[30]、Aspergillustamarii[31]、AlcaligenesFaecalis[32]、Asperigilusflavus[33],streptomycegriseu[34]等真菌和放线菌的碱性蛋白酶制剂的研究表明,这些酶制剂对原皮的胶原纤维损伤小,脱毛效果好,基本不松面;所得成革质量较灰碱法的高。固态培养技术具有投资少,单位容积产率和产量高、生产成本低等深层发酵无法比拟的优势,制革用酶制剂对纯度要求不高,所以近十年固态培养技术已逐渐在制革酶制剂的生产中开始应用[35]
1.3酶在软化工序中的应用
1.3.1酶在软化中的作用机理酶软化是一类酶促反应过程,其历程至今尚不十分清楚。通过软化过程清除裸皮中残留的非胶原成分并根据皮革的品质的要求使皮纤维获得适当的消解。因此,软化在确定成革的丰满性、柔软性、弹性、粒面的光滑性和手感等方面具有重大意义。影响软化效果的因素有脱灰皮的ｐＨ及消肿程度、纤维的分散、蛋白质的分解物的清除程度等。各种酶软化剂对裸皮的软化作用并不是一样的。如以粒面的平滑程度作为判断标准,胰酶最大,霉菌酶次之,细菌酶最小,比较胰酶和细菌蛋白酶软化剂对犊牛皮的作用表明,尽管软化过的裸皮很相似,可是前者的成革更柔软,富有弹性。关于利用细菌或霉菌酶制剂作软化剂的问题,有待进一步研究。胰酶实际上是一个多酶体系,有胰蛋白酶、胰脂肪酶和胰淀粉酶等。结晶胰蛋白酶的分子量为34000,胰蛋白酶作用的最适ｐＨ为8.0～9.0;最适温度为37～40ｏＣ。胰蛋白酶对天然蛋白质的降解作用很弱或无作用,但对变性的蛋白质作用较强。胰蛋白酶作用胶原的历程是,胰蛋白酶一方面和胶原侧链的游离氨基结合,另一方面和肽的-ＮＨ-基和烯醇化肽的-ＯＨ基结合,接着对胶原主链中的这些肽键发生催化作用而使其断裂。
1.3.2酶在软化过程中的应用裸皮的软化大多以工业胰酶为主,胰酶的胰淀粉酶、蛋白酶等组分因提取工艺和原料的不同而差异较大。通常软化过程是在38-40℃的范围进行,所以开发低温软化酶是当前软化生物助剂的发展方向。由多种酶、保护剂及渗透剂配伍而成的ＥＢ-低温软化酶在分散胶原束,除去毛根、溶解纤维间质及软化的均匀性等方面效果显著,其综合性能优于工业胰酶[36]。木瓜蛋白酶最适温度40℃,最适ｐＨ5,在裸皮的软化过程中使粒面增白变细效果明显,是一种有待进一步用于开发软化酶的新品种[37]。随着生产发展和生产过程的专业化,制造各种性质和用途的革就需通过鞣后的工序来实现。用酸性蛋白酶对铬鞣坯革实施酶处理,作为软化的补充手段,在生产高档革尤其是软革的过程中,对弥补前段工序处理的不一致,减轻表面缺陷,提高产品质量,具有明显的效果[38]。罗马尼亚的ＭｉｈａｌＤｅｓｅｌｎｉｃｕ和ＶｉｃｔｏｒｉａＢｒａｔｕｌｅｓｏ用胃蛋白酶处理削匀的蓝湿皮,结果表明胃蛋白酶比碱性蛋白酶作用缓和,能提高成革柔软度和得革率[39]。将酸性蛋白酶和酸性脂肪酶以一定比例配伍制备的复合酶处理蓝湿皮对改善粒面清晰度和染色后的颜色均匀性有一定的作用[40]。用酸性蛋白酶537、ＦｅｒｅｏｎＭ301、ＶｎｋｏｌＡ等酶在不同条件下软化削均山羊蓝湿皮的研究结果表明,软化后的蓝湿皮的收缩温度均有不同程度的提高[41]。
1.4在废弃物综合利用中的作用
1.4.1铬屑的酶解与水解物的综合利用铬屑是胶原蛋白和Ｃｒ3+的复合物,不易被降解,既浪费资源,又会污染换环境。废弃物铬屑的降解和利用在近一个世纪已成为一个引人关注的问题。铬屑的碱水解或酸水解工艺,由于铬分离困难、操作成本高、二次污染、水解产物的质量和应用等方面的原因,难于被广泛采用。铬屑的酶解及水解物的综合利用是有望解决铬屑污染,实现再生资源化的有效途径。近十年的研究结果表明,铬屑的酶解方法是可行的[42-44]。在温和的作用条件下,碱性蛋白酶降解铬屑,可以从其水解物中分离得到蛋白质产品和可循环使用的铬饼[45-46],胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、胰凝乳蛋白酶也可用于铬屑的降解。实验结果表明,所选酶类型对明胶的物化性质有很大的影响,其中用胰酶和胃蛋白酶的作用效果比较理想,胃蛋白酶的作用比较温和,容易控制铬屑的酶解速度,而胰酶的催化效率非常高,制取高质量的明胶仅需要很少量的胰酶[47],通过控制胰酶的使用量(<0.01%以铬屑计)和作用条件能够得到不同透明度的明胶,当胰酶的用量超过0.2%,低分子水解物的得率高[48]。但所得产物明胶、水解物的感官和理化性能的控制尚待进一步完善[49,51.]?。妨碍铬屑酶解明胶广泛使用的原因是其性能不够稳定,难于满足某些特殊的要求。用戊二醛、乙二醛和碳二酰胺作胶联剂对明胶改良的方法虽然有效可行,但成本高而有毒性[52]。应用谷鞍酰氨转移酶(ＥＣ2.3.2.13)对明胶进行酶修饰,实验结果表明[52,53]低透明度明胶的凝胶强度随使用酶浓度的增加而增大,较高透明度的明胶的凝胶强度则随使用酶浓度的增加保持不变或降低,酶的用量增加使不同明胶的熔点增加,在60℃和室温的粘度都增加,经酶处理的明胶,与甘油混合作增塑剂,添加的甘油量将影响成膜的机械强度,尤其是最大张力。胶联剂比例增大,使膜的抗张强度增加,在水中的溶解度减小,改善了吸水性。不仅为明胶在涂膜、可食膜和火腿肠肠衣的应用提供了可能性,也为在包装市场的使用提供了机会。铬鞣废弃物的蛋白水解物与聚乙烯醇加工成可生物降解材料,其在设定厌氧条件的可降解实验结果表明,添加了蛋白水解物的聚乙烯醇薄膜较ＰＶＣ薄膜的生物降解性提高了五倍而且生产成本也大幅度降低[54]。
1.4.2制革废弃边角余料的利用具有关资料统计每吨湿盐皮在加工坯皮过程中要产生大约350ｋｇ的边角余料,采用常规的化学方法不仅费时、能量耗用大,而且在处理过程中所含脂肪在高温和强碱或强酸条件下的分解物对蛋白质降解产品的利用有很大的限制[55]。应用酶解方法既省时又在较低的温度下完成,所得产物可用作肥料等,亦可由环保部门处理,分离所得油脂含游离脂肪酸低在化学工业有潜在的用途。比较废弃边角余料的蛋白质的热回收和酶解回收的研究结果表明,用商品碱性蛋白酶水解所得产物成本较低,卫生质量指标符合食品安全的标准,为边角余料的利用寻求了一个非常有效的途径[56]。
2发展趋势与展望
2.1应用现代分析检测手段进一步研究酶作用的机理涉及酶脱毛机理的研究尽管已有八十多年的历史,所建立的相关理论对酶在制革中的应用起到了一定的指导作用。但受科学技术水平和分析检测手段等诸多因素的限制,迄今对浸水、浸灰和酶软化等准备过程中,酶是以何种方式渗入酶促降解体系、其降解产物又是如何渗出的尚缺乏认识,对其传质规律及传质速率缺乏的定量描述;同时对作用体系的ｐＨ、其它助剂及浓度对蛋白质构象和构型的影响、体系中酶促反应及本征动力学关系;多酶体系的协同作用关系等诸多问题也缺乏充分的认识。所以酶在制革过程的巨大潜力尚未充分发挥。
2.1.1应用现代分析检测技术加强准备工段酶作用机理的研究采用现代分析检测手段与方法对酶在浸水、脱毛、浸灰和软化等过程的作用规律的认识与了解,是研究开发以酶为核心的现代生物制革技术的基础。应开展的研究工作包括:采用膜分离技术、亲和色谱分离、电泳等分离技术进行细分级得到了高纯度的结晶酶、胶原和非胶原底物;利用酶的示踪技术研究酶在皮表面的吸附特性,建立吸附平衡、吸附动力学关系、了解传质规律和建立定量的描述关系式;用扫描电镜(ＳＥＭ)和原子力显微镜(ＡＦＭ)研究处理前后形态学变化特征;应用多维15Ｎ,13Ｃ,2Ｈ标记核磁共振技术测定酶、蛋白质在模拟环境中的三维构象,并利用大分子的驰豫时间,研究其动力学关系,应用热动力学法研究在特殊环境中酶与非纤维状蛋白质的酶促反应动力学,建立多底物的酶促反应本征动力学,建立相应的数学模型;采用非平衡态统计物理学方法探讨求解本征方程的近似解,利用热动力学获得的热力学和动力学信息验证其近似解。这些工作将促进更深入地了解、认识酶在制革过程的作用机理,推动酶制剂在制革工业中广泛应用。
2.1.2建立规范、准确的分析检测体系
制革原料的多样性和非均匀性、作用体系的多相性、作用环境的极端性等,给准确地描述酶活力与作用对象的关系,酶种选择、酶的用量和各种酶的配伍等的研究与开发造成了许多难以逾越的障碍,妨碍了酶在制革工业中的广泛应用。Ｙａｔｅｓ等的研究工作已证明以酪蛋白为底物表征的蛋白酶活力可以预测蛋白酶的脱毛能力[10]。但浸水、浸灰和软化等其作用对象和目的及作用环境有所不同,许多公开的酶活力分析方法不能真实的表征模拟状态下酶作用的强弱,难以作为监控使用过程的标准。,近年来,以蛋白酶、脂肪酶为基础的复合型制革酶助剂的兴起,给酶活力及酶的作用效果的评估提出了更高的要求。所以,建立规范、准确的分析检测方法与标准急在眉捷。笔者认为这方面的主要工作应包括:1)以蓝皮粉(ＨＰＡ)、蓝角蛋白(Ａｚｏ-ｋｅｒａｔｉｎ)、偶白蛋白(Ａｚｏ-ａｌｂｕｍｉｎ)和弹性蛋白红(ｅｌａｓｔｉｎｒｅｄ)等底物为基础,根据浸水、脱毛、浸灰和软化的目的和作用对象,分别研究开发特定对象的快速分析检测方法,并研究表面活性剂等其它助剂及浓度对其精度、准确性的影响,从而建立复合型制革生物助剂分析检测、评估技术。2)应用多糖、蛋白质等的预处理和分离及ＨＬＰＣ、紫外、红外光谱检测技术开发检测预处理液中拟除去组分变化的分析技术,从而改善制革酶制剂的筛选方法,合理地控制使用过程,并为研究酶在制革中作用的机理,新型生物制革助剂的设计提供可靠准确的分析检测评估方法。3)开发应用生物传感器的在线检测技术。
2.2采用现代生物技术开发生物制革助剂系列产品
2.2.1用遗传工程手段选育制革专用酶生产菌种制革原料因其产地、品种的原因而呈现多样性,因此准备工段的浸水、浸灰和软化等作用的对象和目的有所不同。应用遗传工程手段选育制革专用蛋白酶时,应着重选育胶原蛋白酶活力低或无胶原蛋白酶,内切肽酶活力高,能够分泌适量弹性蛋白酶的制革专用菌种。选育耐碱性强的纤维素酶、半纤维素酶、角蛋白酶、脂肪酶等新酶种生产菌株。
2.2.2开发高效生产工艺与设备酶学和现代发酵代谢调控理论的研究结果表明,在酶制剂的发酵生产过程中,控制条件的变化可以改变酶代谢产物及产率;采用神经网络等控制技术控制间歇补料等发酵工艺条件,能够提高蛋白酶、脂肪酶等的活力;应用膜分离等现代分离技术生产高质量的酶制剂是解决当前制革用酶制剂质量不稳定的有效方法。应用固体发酵技术可以为制革工业提供酶活力高、酶系合理的专用酶制剂。所以开发高效、智能化的固态生物反应器及固体发酵技术是今后发展的方向之一。
