80498-15-3/漆酶的催化氧化機(jī)理及其在化工領(lǐng)域的應(yīng)用

背景及概述^[1][2]

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(zhì)中，俗稱生漆蛋白質(zhì)、氧化酶。是天然漆在常溫下干燥時(shí)不可缺少的天然有機(jī)催化劑。不溶于水，也不溶于通用有機(jī)溶劑，而溶于漆酚。含氮物質(zhì)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(jìn)多羥基酚及多氨基苯的氧化，而不能促進(jìn)單酚的氧化。因漆酶的催化氧化作用，可以促進(jìn)漆酚的氧化聚合，從而形成干固的膜。漆酶對(duì)下述物質(zhì)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(fā)現(xiàn)。

結(jié)構(gòu)^[2]

典型的漆酶有三個(gè)結(jié)構(gòu)域，其中T1銅離子位于結(jié)構(gòu)域3、三銅離子中心位于結(jié)構(gòu)域1和結(jié)構(gòu)域3之間，此外還有結(jié)構(gòu)域2，主要起聯(lián)結(jié)作用以及與底物的結(jié)合作用。但也有報(bào)道發(fā)現(xiàn)僅存在兩個(gè)結(jié)構(gòu)域（結(jié)構(gòu)域1和結(jié)構(gòu)域3）的漆酶蛋白，并且該蛋白質(zhì)展現(xiàn)出較高的pH 穩(wěn)定性和漆酶的其它氧化還原特性。人們習(xí)慣上稱藍(lán)銅為T1銅離子，這個(gè)銅離子是人們通過光譜學(xué)的手段最早發(fā)現(xiàn)的銅離子。T1位點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)與普通的金屬蛋白銅位點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)有所不同，它是一個(gè)扭曲的四面體，通過半胱氨酸形成一個(gè)S－Cu健，此外還有兩個(gè)組氨酸（HiS）的N原子以及甲硫氨酸的S原子成健。

催化氧化機(jī)理^[2]

漆酶的催化氧化是非常復(fù)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(xiàn)在經(jīng)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(shí)際上過氧化酶也能夠催化氧化它們；不過相對(duì)這些酶來說，漆酶反應(yīng)過程中并不產(chǎn)生有害的過氧化氫和活性氧(ROS)，但同時(shí)產(chǎn)生醌或半醌等強(qiáng)抗氧化劑，是非常綠色的反應(yīng)。許多報(bào)道為漆酶催化氧化的反應(yīng)，經(jīng)常缺乏進(jìn)行它們之間有區(qū)別的實(shí)驗(yàn)報(bào)道。不過，現(xiàn)在已經(jīng)有一些學(xué)者注意到了這個(gè)問題的復(fù)雜性。另一方面，技術(shù)的發(fā)展或許已經(jīng)到了任意改變漆酶特性的程度。通過對(duì)Myceliophthora thermophilica 真菌漆酶的定點(diǎn)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(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而使其底物專一性發(fā)生改變。

漆酶催化氧化的底物相當(dāng)廣泛，基本上，只要底物是具有相似于兒茶酚型的鄰、對(duì)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(qū)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(shí)驗(yàn)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(bào)道添加一些物質(zhì)可能促進(jìn)酶活，一些原本難以催化的反應(yīng)也可以在中介物質(zhì)的協(xié)同作用下進(jìn)行，甚至可以直接將Mn2+作為底物。改變反應(yīng)介質(zhì)，在有機(jī)相中的反應(yīng)是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。而這樣一來，它的底物范圍就更加廣泛。

分布及生理功能^[3]

漆酶被首先發(fā)現(xiàn)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(rèn)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(xué)的發(fā)展特別是基因組測(cè)序物種的日益增多，人們發(fā)現(xiàn)漆酶在細(xì)菌中也是廣泛存在的。不論是真菌中的漆酶還是植物、細(xì)菌以及動(dòng)物中的漆酶在其序列方面表現(xiàn)出了很大的差異，但是都有共同的活性中心和反應(yīng)機(jī)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(xué)中的趨同進(jìn)化有著重要的關(guān)系。

應(yīng)用^[3]

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(yīng)的環(huán)境友好性使得漆酶有著極大的應(yīng)用前景。目前所有的漆酶應(yīng)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(yīng)用于紙漿造紙、污水處理、食品、有機(jī)合成等行業(yè)，此外漆酶在環(huán)境修復(fù)、服裝行業(yè)、毒品檢測(cè)和生物傳感器方面也有相應(yīng)的研究報(bào)道。

1.漆酶與造紙和紡織

木質(zhì)素的脫除一直是困擾著造紙行業(yè)的一個(gè)難題，一方面紙漿中的木質(zhì)素含量的高低能夠直接影響到紙漿的質(zhì)量，另一方面造紙行業(yè)中氯漂法產(chǎn)生的廢水中因?yàn)楹写罅康挠袡C(jī)芳香族有毒污染物對(duì)環(huán)境造成了很大的污染。酶漂法由于具有很好的環(huán)境友好性有著重要的應(yīng)用前景。目前木聚糖酶已經(jīng)被應(yīng)用于造紙行業(yè)中，而木聚糖酶是通過切斷連接木質(zhì)素與纖維素之間的木聚糖從而達(dá)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(zhì)素使得漆酶在解決這個(gè)問題中具有很好的應(yīng)用前景；而漆酶與木聚糖酶的協(xié)同作用可以更有效的降解木質(zhì)素。

2. 漆酶與廢水處理

漆酶可以處理各種工業(yè)廢水，如含氯酚類廢水、紙漿和造紙工業(yè)廢水、染料和印刷行業(yè)廢水、橄欖油工廠廢水、乙醇發(fā)酵廢水、城市廢水和受污染的土壤。其中對(duì)紡織印染廢水的處理是目前漆酶應(yīng)用的一個(gè)研究熱點(diǎn)。當(dāng)前應(yīng)用的染料主要有偶氮類、蒽醌類、靛藍(lán)類以及三苯甲烷類染料，其中偶氮類染料是當(dāng)前應(yīng)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(shù)會(huì)產(chǎn)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(duì)污染的廢水和土壤進(jìn)行脫毒興趣；但是也有報(bào)道表明漆酶對(duì)大多數(shù)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(yīng)用于廢水處理的有效性和可行性，為大規(guī)模應(yīng)用漆酶來解決環(huán)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(huán)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(zhì)等。通過將漆酶進(jìn)行固定化處理可以重復(fù)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(shù)抑制因子對(duì)漆酶的抑制作用。

3. 漆酶與食品工業(yè)

漆酶能夠用于飲料加工、食品焙烤等食品行業(yè)中，改變焙烤食品的顏色和感官參數(shù)。漆酶還能應(yīng)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(huì)存在一些酚類化合物，這些化合物的存在會(huì)使飲料發(fā)生渾濁和色澤的變化從而影響它們的品質(zhì)，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(zhì)使得這些飲料既能夠保持其風(fēng)味，又能夠降低它們的變色和變質(zhì)的速度。此外生物酶處理同化學(xué)處理相比較還有著反應(yīng)條件溫和、能耗低、營養(yǎng)損失少等優(yōu)點(diǎn)，值得注意的是在漆酶對(duì)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(yīng)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(yīng)用于漱口水、牙膏、口香糖以及食用油等食品行業(yè)中。

4. 有機(jī)合成

盡管氧化反應(yīng)是工業(yè)生產(chǎn)中的最根本反應(yīng)之一，但是大多數(shù)傳統(tǒng)的氧化技術(shù)都有著共同的弱點(diǎn)：非專一性、高溫高壓、對(duì)設(shè)備要求高、生產(chǎn)條件苛刻和能夠產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有毒害作用的化學(xué)物質(zhì)。傳統(tǒng)氧化反應(yīng)的這些弱點(diǎn)大大的推動(dòng)了人們尋找新的無害的氧化技術(shù)的步伐。酶氧化技術(shù)與傳統(tǒng)是化學(xué)氧化技術(shù)相比有著以下優(yōu)點(diǎn)：酶具有很強(qiáng)的底物專一性并且酶催化的生物降解反應(yīng)能夠在溫和的環(huán)境條件下進(jìn)行等。漆酶的氧化還原特性使得漆酶在有機(jī)合成中具有很好的應(yīng)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(huán)化合物多為化學(xué)合成工藝中的前體物質(zhì)。漆酶所具有的底物廣泛性和催化的專一性使漆酶的應(yīng)用更加廣泛，而且產(chǎn)物比較單一，產(chǎn)物分離純化工藝簡(jiǎn)單。同時(shí)漆酶的來源相當(dāng)廣泛，不僅在真菌中廣泛存在，在細(xì)菌、植物中存在也相當(dāng)廣泛，甚至在動(dòng)物中都有發(fā)現(xiàn)，這些特性都為漆酶催化更廣泛的反應(yīng)提供了有利條件。

5. 生物能源

第二代生物能源是以廢棄的作物秸稈、工業(yè)富含纖維的殘?jiān)葹樵?，利用微生物來降解其中的纖維素產(chǎn)乙醇。原料中含有大量木質(zhì)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(jìn)行脫木質(zhì)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(chǎn)生物能源。以纖維素為原料來生產(chǎn)生物乙醇時(shí)，其中纖維素外面包裹的木質(zhì)素限制了纖維素酶對(duì)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(xué)法：其中物理法需要消耗大量的能源，這與生產(chǎn)生物能源的初衷相違背；化學(xué)法用酸堿處理會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染和大量的原料。雖然由于木質(zhì)素復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)而使漆酶不易接近，但是在介體等小分子物質(zhì)的存在下漆酶可以有效的降解木質(zhì)素，木質(zhì)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(chǎn)乙醇時(shí)酚類物質(zhì)含量，從而為生產(chǎn)生物能源提供了良好的應(yīng)用前景。此外，白腐真菌漆酶還可應(yīng)用于秸稈的堆肥化，將其轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料或無土栽培的有機(jī)基質(zhì)。

6. 漆酶的其它用途

漆酶還可用于化妝品行業(yè)，如染發(fā)和皮膚美白，漆酶可以氧化頭發(fā)中的二硫鍵，改變角蛋白中氨基酸連接的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行塑形，替代含重金屬化學(xué)染色劑和燙發(fā)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(jié)構(gòu)的改變或者是抑制劑與底物結(jié)合位點(diǎn)的相互作用。鹵族元素和Fe^2＋、Fe^3＋可以明顯的抑制漆酶活性。

主要參考資料

[1] 實(shí)用精細(xì)化工辭典

[2] 萬云洋, 杜予民. 漆酶結(jié)構(gòu)與催化機(jī)理[D]. , 2007.

[3]漆酶的研究進(jìn)展