酶在表面活性劑水溶液中的穩定性研究

張桂菊，徐寶財

（北京工商大學化學與環境工程學院，北京 100048）

酶在表面活性劑水溶液中的穩定性研究

張桂菊，徐寶財

（北京工商大學化學與環境工程學院，北京 100048）

綜述了常用的四種洗滌劑用酶，即堿性蛋白酶、纖維素酶、脂肪酶和淀粉酶，以及它們在表面活性劑水溶液中的穩定性及催化活性的研究進展，為加酶洗滌劑的開發應用提供一定的參考。

蛋白酶；纖維素酶；脂肪酶；淀粉酶；加酶洗滌劑；表面活性劑

酶是一種高活性的生物催化劑，其本身無毒性并能完全降解，對環境無污染。加酶洗滌劑就是利用酶的催化特性，將某些難于洗滌的特殊污垢加以分解，以提高去污效果。洗滌劑中加入酶后具有如下優點：一是提高洗滌產品的去污能力；二是減少洗滌劑中表面活性劑和三聚磷酸鈉等助劑的用量，使洗滌劑朝低磷或無磷化方向發展，減少環境污染；三是在洗滌過程中，可減少漂洗次數、降低洗滌溫度，有利于節水、節能。因此酶在合成洗滌劑產品中的應用是合成洗滌劑工業發展過程中的重大技術進步之一。我國的合成洗滌劑產品中加酶洗滌劑約占總量的40%，而在一些發達國家，所謂加酶洗滌劑的概念正在消失。這些國家的洗滌劑產品基本上都是加酶產品，酶在洗滌產品中的地位已經從一種功能性添加劑上升為必需的組分。

洗滌劑一般由表面活性劑及其他添加劑等組成，洗滌劑用酶必須要能與表面活性劑進行配伍。洗滌劑常用的表面活性劑（如十二烷基磺酸鈉和十二烷基苯磺酸鈉等）很容易與酶蛋白反應，引起酶蛋白解離或使肽鏈變性。此類表面活性劑濃度很低時就足以使酶的結構發生變化，進而導致酶失活。因此，有必要對酶在表面活性劑水溶液中的穩定性進行深入研究。

1 洗滌劑用酶概述

目前已商品化的洗滌劑用酶有堿性蛋白酶、纖維素酶、脂肪酶、淀粉酶以及它們的復配物[1]。

堿性蛋白酶的活性中心含有絲氨酸，又稱絲氨酸蛋白酶，是商品蛋白酶中產量最大的一類，占蛋白酶總量的70%左右。蛋白酶有助于去除青草、血、黏液以及各種食品的蛋白質等污垢。可將這些易黏附在織物表面、幾乎不溶解于水的物質水解成易溶解或分散的物質，從而易于在洗滌過程中被洗凈。

堿性脂肪酶與洗滌劑中的表面活性劑有很好的配伍性，在洗滌劑溶液中具有較好的穩定性，非常適合作洗滌劑用酶。脂肪酶能將表面活性劑很難去除的甘油三酯水解成較易去除的甘油二酯、甘油一酯和脂肪酸等，從而達到去除衣物污垢的目的。

堿性纖維素酶與洗滌劑中的表面活性劑、助劑以及其他酶制劑都有很好的配伍性。污垢主要是與棉纖維的非結晶區結合，難于洗滌。堿性纖維素酶不同于堿性蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等作用于污垢本身，而是直接作用于棉纖維的非結晶區。所以，不僅可去除附著在織物表面的塵埃、皮脂，而且可以去除侵入織物內部的塵土、皮脂，因此洗滌效果更令人滿意。堿性纖維素酶還有助于消除棉織品在洗滌或穿著過程中形成的微纖維，起到增白、軟化及除去微纖維顆粒的作用，使衣物色澤更加鮮艷奪目且穿著更加舒適。堿性淀粉酶應用于洗滌劑中，可以用來清洗含有淀粉食物污垢的物品。另外，堿性淀粉酶還應用于人造棉、人造絲的退漿處理、垃圾處理等。

2 蛋白酶

邱學青等[2]研究了兩種堿性蛋白酶與三種表面活性劑對普通炭黑污垢、酪蛋白污垢及復合污垢的去污性能，發現酶與烷基酚聚氧乙烯醚（TX-10）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES）配伍有增效去污作用，而與直鏈十二烷基苯磺酸鈉（LAS）配伍有消減去污作用，原因是洗滌過程中LAS使酶很快失活。通過向洗液中加入酶穩定劑可以保存酶的活性，從而使酶與L A S的配伍變為增效作用，其增效去污機理是酶與表面活性劑能協同發揮各自對不同污垢的去污作用。

聚氧乙烯失水山梨醇油酸三酯（Tween 85）反膠束體系在織物染色過程中對枯草桿菌蛋白酶具有增溶作用，Tween 85可將染料和蛋白酶包納于膠束內的水環境中而不改變其結構。在染色過程中，羊毛織物能夠有效地被染色，然而染料對酶的活性具有負面的影響[3]。

左秋等[4]研究了不同種類的表面活性劑對胰酶以及AS1.398蛋白酶的影響。試驗結果表明，當表面活性劑的濃度略大于其臨界膠束濃度時，非離子型表面活性劑起到激活作用，使酶的活性得到提升；離子型表面活性劑起到抑制作用，使得酶的活性下降。

張紅艷等[5]研究了3種類型8種表面活性劑對去血漬復合酶中蛋白酶活性的影響，發現：1）陰離子表面活性劑在一般洗滌濃度下對蛋白酶的活性無明顯影響，但在較高濃度時表現出一定的抑制作用，其中直鏈烷基苯磺酸鈉的抑制作用最大。2）非離子表面活性劑及兩性離子表面活性劑在一般洗滌濃度下的激活作用比較明顯，且這種激活作用隨著濃度的增加而逐漸減弱。也就是說，陰離子表面活性劑在一般洗滌濃度下能與去血漬復合酶中的蛋白酶配伍良好，而非離子表面活性劑和兩性離子表面活性劑在整個實驗濃度下都能與去血漬復合酶中的蛋白酶配伍良好。

另據報道，一種新型堿性蛋白酶保持活性的最高溫度以及pH值分別為60℃和12.0，而在pH值為11.0時穩定性最佳。研究發現，在表面活性劑、漂白劑以及金屬離子存在的條件下，這種酶的活性較高，而且保持良好的穩定性，說明其適宜用于洗滌劑配方中[6]。

3 纖維素酶

蔣惠亮等[7]研究了表面活性劑及助劑對洗滌劑中堿性纖維素酶的作用，結果表明，該堿性纖維素酶在洗衣粉各組分的實際洗滌濃度范圍內，均具有良好的酶活穩定性（≥90%），且在實驗研究時間范圍內酶活力變化不大，與洗衣粉各成分具有良好的相容性。其中，陰離子表面活性劑LAS對酶活性有抑制作用，而非離子表面活性劑烷基酚聚氧乙烯醚（TX-10）等對酶活性有促進作用。

Gemini型陽離子季銨鹽表面活性劑II-14-3反膠束萃取纖維素酶，經過優化條件，獲得了較高的萃取率，而且酶活達到了原來的93.38%。如果加入生物表面活性劑卵磷脂，萃取率及酶活將進一步提高。說明纖維素酶在陽離子表面活性劑溶液中，尤其是在生物表面活性劑的存在下是穩定的，保持了較高的活性[8]。

徐秀雯等[9]研究了表面活性劑及染料對纖維素酶活性的影響，發現非離子、陰離子表面活性劑是纖維素酶的激活劑，而陽離子表面活性劑使纖維素酶中毒，生成不溶于水的沉淀，酶失活。

莫丹等[10]研究了表面活性劑對纖維素酶促進稻草酶解的影響，結果表明，表面活性劑能有效增強酶的穩定性，而且酶穩定性隨著表面活性劑濃度升高而增加。表面活性劑能提高酶解反應的纖維素轉化率，而且顯著降低了纖維素酶在纖維素上的吸附。

劉佳等[11]研究了表面活性劑對綠色木霉纖維素酶的影響，證實生物表面活性劑鼠李糖和非離子表面活性劑均對綠色木霉產酶具有促進作用，而且能提高酶的活性。相比之下，前者的效果優于后者。

4 脂肪酶

閆桑田等[12]研究了陽離子表面活性劑十二烷基三甲基溴化銨（DTAB）和陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）對熒光素酶和脂肪酶的影響。結果顯示，當DTAB濃度較低時，能促進熒光素酶和脂肪酶的活性；相反，陰離子表面活性劑SDS沒有改變酶的活性。而當DTAB濃度較高時，表面活性劑與酶之間的相互作用會破壞酶蛋白質的結構，導致其失活。但是對于SDS，改變濃度對于酶蛋白質的結構沒有明顯影響。

由一系列含有不飽和基團（烯丙基等）以及相應的飽和基團（丙基等）的陽離子表面活性劑構成的反膠束體系中，不飽和基團對于脂肪酶及辣根過氧化物酶等的活性有影響。例如，飽和基團丙基取代的表面活性劑可以增加脂肪酶的活性。相反地，烯丙基取代的表面活性劑會降低脂肪酶的活性，而且隨著烯丙基的數量增多，作用更加明顯[13]。

另外，在油包水微乳液體系中，陽離子表面活性劑的碳鏈長度也會影響脂肪酶的活性。碳鏈長度從C10到C18變化，脂肪酶的催化活性比在常用的陽離子表面活性劑CTAB油包水微乳液中提高30～140%[14]。

5 淀粉酶

張增強等[15]研究了表面活性劑對牛仔布生化酶洗效果的影響，各種表面活性劑在淀粉酶存在下對不同牛仔布的洗滌效果基本相似。陰離子表面活性劑抑制生物酶的活性，對牛仔布的酶洗效果起負面作用；陽離子表面活性劑在低濃度時，對酶活性影響不大，當表面活性劑濃度稍高時會抑制酶活性對牛仔布的酶洗效果，起負面作用；非離子表面活性劑在臨界膠束濃度（cmc）以下，能提高酶洗的反應速率，對牛仔布的酶洗效果起促進作用，但是當在cmc濃度以上時，會抑制酶洗效果。

A. Tanaka等[16]研究了陰離子表面活性劑SDS對淀粉酶催化多糖水解反應的影響。當SDS濃度低于cmc濃度時，催化速率隨著表面活性劑濃度的增加而增加，但是當高于cmc濃度時，速率顯著降低。這是由于低于臨界膠束濃度時，表面活性劑能夠促進酶-基質復合物的生成，從而加速了催化水解反應。

M. Shafiei等[17]研究了一種喜鹽的淀粉酶。其最高活性溫度及pH值分別為45.8℃和7.5，在0～4 M濃度的鹽溶液中仍然保持活性，其中在0.5 M 氯化鈉或者1M氯化鉀溶液中具有最佳活性，在1～4 M鹽溶液中穩定存在。該淀粉酶在陰離子（SDS等）以及非離子（Tween 20，Tween 80等）表面活性劑稀溶液中具有優異的穩定性。利用其水解小麥淀粉和玉米淀粉，主要產物為麥芽糖、麥芽三糖和麥芽四糖，顯示了較高的催化活性。

6 結束語

酶要能夠在洗滌劑配方中使用，就必須在表面活性劑水溶液中有較好的穩定性和催化活性。不同種類表面活性劑對酶活性的影響程度不同，同種表面活性劑對不同種類酶的作用也不相同。表面活性劑與洗滌劑酶的相互作用非常復雜，目前對其機理解釋不一，主要有形成絡合物、電荷的作用、空間障礙、與基質的競爭性結合以及表面活性劑膠束的作用等，尚未形成系統的理論，需進一步開展更深入的研究。

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