1.過(guò)氧化氫酶及其發(fā)展

    過(guò)氧化氫酶(hydrogen peroxidase) 是1 種酶類清除劑，又稱觸酶(catalase，CAT)，是氧化還原酶體系的標(biāo)志酶。過(guò)氧化氫酶是以鐵卟啉為輔基的結(jié)合酶，分子結(jié)構(gòu)中含有鐵卟啉環(huán)（結(jié)構(gòu)式如下），1 分子酶蛋白中含有4 個(gè)鐵原子，是一類廣泛存在于動(dòng)物、植物和微生物體內(nèi)的末端氧化酶，其主要作用是以過(guò)氧化氫為底物，通過(guò)催化1 對(duì)電子的轉(zhuǎn)移，促使H2O2 分解為H2O 與O2，使H2O2 不能與O2 在鐵螯合物作用下反應(yīng)生成有害的—OH，反應(yīng)式為：2H2O2→O2+2H2O 。

    1811 年，過(guò)氧化氫酶被過(guò)氧化氫的發(fā)現(xiàn)者泰納爾首次發(fā)現(xiàn)，1937 年，Sumner 和Dounce 首次從牛的肝臟中分離得到過(guò)氧化氫酶的結(jié)晶，1938 年，詹姆斯·B·薩姆納獲得了該酶的分子質(zhì)量。自1999 年開(kāi)始，研究人員通過(guò)多種方法獲得了純化的過(guò)氧化氫酶，同時(shí)，隨著基因工程方法的廣泛應(yīng)用，過(guò)氧化氫酶得到了前所未有的發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也受到廣泛關(guān)注。

    2.過(guò)氧化氫酶催化反應(yīng)機(jī)理

    過(guò)氧化氫酶作用于過(guò)氧化氫的機(jī)理實(shí)質(zhì)上是H2O2 的歧化反應(yīng)，在此過(guò)程中必須有2 個(gè)H2O2 先后與CAT 相遇且碰撞在活性中心上，才能發(fā)生反應(yīng)，其催化機(jī)理可表示為：

    過(guò)氧化氫酶的活力可被氰化合物、苯酚類、疊氮化合物、過(guò)氧化氫、尿素及堿等物質(zhì)抑制。氰化合物、疊氮化合物等主要是破壞分子結(jié)構(gòu)中的鐵離子，使之不能與H2O2 分子反應(yīng)，這種破壞是不可逆的。而H2O2 對(duì)其活性的抑制表現(xiàn)在底物抑制性上，在一定范圍內(nèi)，隨著過(guò)氧化氫濃度的提高，過(guò)氧化氫酶對(duì)其的分解速度越快，但當(dāng)過(guò)氧化氫濃度過(guò)高時(shí)，則會(huì)抑制過(guò)氧化氫酶的活性，這種對(duì)過(guò)氧化氫酶活力的抑制作用又會(huì)隨著過(guò)氧化氫濃度的降低而消除。

    3.過(guò)氧化氫酶在紡織染整領(lǐng)域的應(yīng)用

    過(guò)氧化氫酶是1 種能夠高效催化分解過(guò)氧化氫的酶，幾乎存在于所有好氧生物體內(nèi)，具有清除自由基、保護(hù)細(xì)胞免受超氧自由基損害等保護(hù)生物機(jī)體的作用，在食品、醫(yī)學(xué)、環(huán)保等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。過(guò)氧化氫酶在紡織染整中主要用于去除氧漂后殘留的過(guò)氧化氫，還可以在羊毛漂白過(guò)程中作為催化劑使用。

    3.1　過(guò)氧化氫酶用于去除氧漂后殘留的過(guò)氧化氫

    過(guò)氧化氫是1 種氧化性漂白劑，在紡織加工中可用于纖維素纖維、蛋白質(zhì)纖維及其與化學(xué)纖維混紡織物的漂白，主要用于純棉和滌/ 棉等棉型織物以及棉針織物的漂白，同時(shí)兼具精練作用，并且對(duì)染料的破壞作用較小。在堿性條件下，過(guò)氧化氫能夠破壞棉纖維中天然色素的發(fā)色體系，達(dá)到消色目的。另外，過(guò)氧化氫在漂白過(guò)程中對(duì)纖維也有損傷作用，使纖維大分子中的葡萄糖環(huán)開(kāi)環(huán)和大分子鏈斷裂，降低纖維平均聚合度。

    純棉織物一般用活性染料染色，織物經(jīng)過(guò)氧化氫漂白后進(jìn)入染色階段，若染浴中存在過(guò)氧化氫，會(huì)造成對(duì)氧化劑敏感的活性染料褪色，即使染料分子較小的改變都會(huì)導(dǎo)致色澤的變化甚至消失，因此，漂白過(guò)程結(jié)束后，為保證后續(xù)染色的安全性，必須將氧漂后殘留的過(guò)氧化氫去除干凈，避免染色過(guò)程發(fā)生問(wèn)題。在染整加工過(guò)程中，傳統(tǒng)的去除過(guò)氧化氫的工藝有：（1）織物經(jīng)漂白后用大量熱水、冷水反復(fù)清洗( 至少洗3 次) 再進(jìn)行染色；（2）織物經(jīng)漂白后用還原劑還原，再用水清洗1 遍后染色。這種方法雖然可以快速去除過(guò)氧化氫，但還原劑的用量較難控制。無(wú)論采用上述何種方法去除織物上殘留的過(guò)氧化氫，都將耗費(fèi)大量的時(shí)間和水、電、汽能源，同時(shí)產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水，不僅增加了前處理成本，也增加了廢水處理負(fù)擔(dān)。

    過(guò)氧化氫酶作用專一、反應(yīng)條件溫和、作用時(shí)間短，在冷水中短時(shí)間內(nèi)即可快速?gòu)氐兹コ缀罂椢锷蠚埩舻倪^(guò)氧化氫，避免了殘留的過(guò)氧化氫給后續(xù)染色帶來(lái)色花、色光變化等問(wèn)題，且不會(huì)與布和染料發(fā)生不良反應(yīng)，同時(shí)無(wú)需還原劑或水漂洗，可節(jié)約大量水，且水解產(chǎn)物為水和氧氣，減輕了環(huán)境負(fù)荷。該方法既顯著提高了生產(chǎn)效率，又大幅度降低水、電、汽的消耗，節(jié)約了能源。由于CAT 對(duì)活性染料沒(méi)有作用，因此，酶處理液只要pH 合適，就可以直接加入染料及助劑，滿足染色過(guò)程的要求。過(guò)氧化氫酶除氧工藝是利用生物技術(shù)的綠色高新技術(shù)。

    3.1.1　過(guò)氧化氫酶生物凈化工藝的特點(diǎn)

    比較傳統(tǒng)除氧工藝與過(guò)氧化氫酶除氧工藝，過(guò)氧化氫酶生物除氧的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）用過(guò)氧化氫酶去除過(guò)氧化氫，氧漂后不需水洗便可以直接染色，且不需要對(duì)過(guò)氧化氫酶進(jìn)行失活處理，相比傳統(tǒng)工藝需要2 道熱水洗，可以節(jié)省大量漂洗用水；（2）CAT具有高效去除過(guò)氧化氫的特性，省去了較長(zhǎng)的水洗時(shí)間；（3）CAT 處理在較低的溫度下進(jìn)行，即使水洗也不需要高溫，工藝流程短，明顯降低了電力的消耗；（4）與傳統(tǒng)工藝相比，過(guò)氧化氫酶除氧的產(chǎn)物為氧氣和水，產(chǎn)物對(duì)染料沒(méi)有影響，過(guò)氧化氫去除干凈，完全避免了織物上殘留過(guò)氧化氫對(duì)后續(xù)染色的影響，同時(shí)，過(guò)氧化氫酶不會(huì)對(duì)活性染料的染色產(chǎn)生不良影響，工藝容易控制；（5）CAT 處理后不會(huì)產(chǎn)生硫酸鹽等鹽類物質(zhì)，處理的產(chǎn)物對(duì)環(huán)境基本沒(méi)有影響，對(duì)環(huán)境的污染小，可以節(jié)省治污費(fèi)用。利用過(guò)氧化氫酶除氧可以明顯提高生產(chǎn)效率，降低加工成本，處理質(zhì)量穩(wěn)定，同時(shí)避免了織物長(zhǎng)時(shí)間在設(shè)備內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)造成的摩擦損傷，還有明顯的綠色環(huán)保特色。

    3.1.2　過(guò)氧化氫酶除氧工藝的影響因素

    3.1.2.1　溫度

    溫度對(duì)CAT 的作用具有雙重性，一方面，隨著溫度的升高，活化分子數(shù)增加，有利于催化反應(yīng)進(jìn)行；另一方面，由于酶是蛋白質(zhì)，隨溫度升高，酶蛋白會(huì)逐漸變性失活。用過(guò)氧化氫酶進(jìn)行氧漂后除氧時(shí)，處理的最適溫度是這2 種作用相互作用的結(jié)果。選擇合適的處理溫度，對(duì)于提高過(guò)氧化氫酶活性，加快除氧速率，縮短處理時(shí)間具有重要意義。在過(guò)氧化氫酶除氧工藝中，一般30 ℃時(shí)過(guò)氧化氫酶活性最大，在該溫度下染色織物的色深值也較高。

    3.1.2.2　pH

    酶在不同pH 下具有不同的活性。pH 會(huì)影響酶分子活性中心上一些基團(tuán)的離解，從而影響酶與底物的結(jié)合。酶具有兩性性質(zhì)，pH 的變化會(huì)直接改變CAT 氨基酸的離解狀態(tài)，從而影響離子平衡或分子鏈的電荷狀態(tài)，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性。在適當(dāng)?shù)膒H 下，通過(guò)靜電作用維持酶活性中心的最佳三維構(gòu)象，促進(jìn)酶與底物結(jié)合。因此，選擇適當(dāng)?shù)膒H 是促進(jìn)過(guò)氧化氫酶與H2O2 結(jié)合，提高除氧速率的重要環(huán)節(jié)。一般當(dāng)處理液pH 約為7 時(shí)，過(guò)氧化氫酶具有最好的活力，與底物過(guò)氧化氫的結(jié)合最好。

    3.1.2.3　過(guò)氧化氫酶用量

    隨著酶用量的增加，過(guò)氧化氫的去除率逐漸提高，染色織物的得色也逐漸加深，然而酶用量過(guò)高會(huì)造成資源的浪費(fèi)，生產(chǎn)成本增加。實(shí)踐證明，當(dāng)過(guò)氧化氫酶用量為4 mL/L 時(shí)，即可將過(guò)氧化氫去除干凈，同時(shí)染色織物的得色較好。

    3.2　過(guò)氧化氫酶催化羊毛漂白

    羊毛一般在堿性條件下應(yīng)用過(guò)氧化氫漂白，這種工藝雖能破壞羊毛中的色素，但會(huì)造成羊毛纖維的損傷。在堿性介質(zhì)中，如果漂白條件控制不好，羊毛纖維會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p傷，強(qiáng)力明顯下降，影響產(chǎn)品質(zhì)量，也給后續(xù)工序帶來(lái)一定影響。在過(guò)氧化氫漂白中，如果過(guò)氧化氫的分解不被控制會(huì)導(dǎo)致過(guò)氧化氫的浪費(fèi)，同時(shí)出現(xiàn)白度差，一般需要加入穩(wěn)定劑來(lái)保持漂白浴中過(guò)氧化氫的穩(wěn)定，使其不會(huì)被分解，但是對(duì)工藝的要求較高。采用過(guò)氧化氫酶在酸性、室溫條件下催化漂白，可以有效地控制過(guò)氧化氫的分解，減少過(guò)氧化氫的損失，使漂白浴中過(guò)氧化氫的有效成分保持一定的濃度，對(duì)羊毛纖維的損傷程度低，漂白效果好，纖維強(qiáng)力下降與其他漂白工藝相比要輕微。用過(guò)氧化氫酶催化漂白節(jié)約了能源，節(jié)省了時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

    3.3　過(guò)氧化氫酶處理漂白廢水用于染色

    過(guò)氧乙酸是冰醋酸和過(guò)氧化氫平衡反應(yīng)的產(chǎn)物。使用過(guò)氧化氫酶和硫代硫酸鈉處理過(guò)氧乙酸漂白純棉針織物的廢水，然后用于染色試驗(yàn)，研究其回用的可行性。結(jié)果表明，廢水經(jīng)該雙重處理，再用于活性染料染色，可以獲得較好的K /S 值和染色牢度。江南大學(xué)紡織工程學(xué)院的厲成宣應(yīng)用固定化過(guò)氧化氫酶處理的氧漂廢水進(jìn)行染色，染色織物的K /S 值可以達(dá)到與新鮮水相當(dāng)?shù)男Ч?，兩者的色差也很小，且耐摩擦牢度良好?/p>

    4.發(fā)展前景

    過(guò)氧化氫酶作為1 種新型酶制劑，在棉織物漂白工藝中發(fā)揮著舉足輕重的作用，是實(shí)現(xiàn)紡織工業(yè)節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)的有效方法。目前，商品化過(guò)氧化氫酶的價(jià)格較高，溫度和pH 耐受范圍較窄，這些都制約著過(guò)氧化氫酶在紡織工業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用。隨著生物技術(shù)的發(fā)展和研究人員的努力，過(guò)氧化氫酶在紡織工業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，成為紡織行業(yè)清潔生產(chǎn)的必然方向。

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