酶在表面活性剂水溶液中的稳定性研究

张桂菊，徐宝财

（北京工商大学化学与环境工程学院，北京 100048）

酶在表面活性剂水溶液中的稳定性研究

张桂菊，徐宝财

（北京工商大学化学与环境工程学院，北京 100048）

综述了常用的四种洗涤剂用酶，即碱性蛋白酶、纤维素酶、脂肪酶和淀粉酶，以及它们在表面活性剂水溶液中的稳定性及催化活性的研究进展，为加酶洗涤剂的开发应用提供一定的参考。

蛋白酶；纤维素酶；脂肪酶；淀粉酶；加酶洗涤剂；表面活性剂

酶是一种高活性的生物催化剂，其本身无毒性并能完全降解，对环境无污染。加酶洗涤剂就是利用酶的催化特性，将某些难于洗涤的特殊污垢加以分解，以提高去污效果。洗涤剂中加入酶后具有如下优点：一是提高洗涤产品的去污能力；二是减少洗涤剂中表面活性剂和三聚磷酸钠等助剂的用量，使洗涤剂朝低磷或无磷化方向发展，减少环境污染；三是在洗涤过程中，可减少漂洗次数、降低洗涤温度，有利于节水、节能。因此酶在合成洗涤剂产品中的应用是合成洗涤剂工业发展过程中的重大技术进步之一。我国的合成洗涤剂产品中加酶洗涤剂约占总量的40%，而在一些发达国家，所谓加酶洗涤剂的概念正在消失。这些国家的洗涤剂产品基本上都是加酶产品，酶在洗涤产品中的地位已经从一种功能性添加剂上升为必需的组分。

洗涤剂一般由表面活性剂及其他添加剂等组成，洗涤剂用酶必须要能与表面活性剂进行配伍。洗涤剂常用的表面活性剂（如十二烷基磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠等）很容易与酶蛋白反应，引起酶蛋白解离或使肽链变性。此类表面活性剂浓度很低时就足以使酶的结构发生变化，进而导致酶失活。因此，有必要对酶在表面活性剂水溶液中的稳定性进行深入研究。

1 洗涤剂用酶概述

目前已商品化的洗涤剂用酶有碱性蛋白酶、纤维素酶、脂肪酶、淀粉酶以及它们的复配物[1]。

碱性蛋白酶的活性中心含有丝氨酸，又称丝氨酸蛋白酶，是商品蛋白酶中产量最大的一类，占蛋白酶总量的70%左右。蛋白酶有助于去除青草、血、黏液以及各种食品的蛋白质等污垢。可将这些易黏附在织物表面、几乎不溶解于水的物质水解成易溶解或分散的物质，从而易于在洗涤过程中被洗净。

碱性脂肪酶与洗涤剂中的表面活性剂有很好的配伍性，在洗涤剂溶液中具有较好的稳定性，非常适合作洗涤剂用酶。脂肪酶能将表面活性剂很难去除的甘油三酯水解成较易去除的甘油二酯、甘油一酯和脂肪酸等，从而达到去除衣物污垢的目的。

碱性纤维素酶与洗涤剂中的表面活性剂、助剂以及其他酶制剂都有很好的配伍性。污垢主要是与棉纤维的非结晶区结合，难于洗涤。碱性纤维素酶不同于碱性蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等作用于污垢本身，而是直接作用于棉纤维的非结晶区。所以，不仅可去除附着在织物表面的尘埃、皮脂，而且可以去除侵入织物内部的尘土、皮脂，因此洗涤效果更令人满意。碱性纤维素酶还有助于消除棉织品在洗涤或穿着过程中形成的微纤维，起到增白、软化及除去微纤维颗粒的作用，使衣物色泽更加鲜艳夺目且穿着更加舒适。碱性淀粉酶应用于洗涤剂中，可以用来清洗含有淀粉食物污垢的物品。另外，碱性淀粉酶还应用于人造棉、人造丝的退浆处理、垃圾处理等。

2 蛋白酶

邱学青等[2]研究了两种碱性蛋白酶与三种表面活性剂对普通炭黑污垢、酪蛋白污垢及复合污垢的去污性能，发现酶与烷基酚聚氧乙烯醚（TX-10）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）配伍有增效去污作用，而与直链十二烷基苯磺酸钠（LAS）配伍有消减去污作用，原因是洗涤过程中LAS使酶很快失活。通过向洗液中加入酶稳定剂可以保存酶的活性，从而使酶与L A S的配伍变为增效作用，其增效去污机理是酶与表面活性剂能协同发挥各自对不同污垢的去污作用。

聚氧乙烯失水山梨醇油酸三酯（Tween 85）反胶束体系在织物染色过程中对枯草杆菌蛋白酶具有增溶作用，Tween 85可将染料和蛋白酶包纳于胶束内的水环境中而不改变其结构。在染色过程中，羊毛织物能够有效地被染色，然而染料对酶的活性具有负面的影响[3]。

左秋等[4]研究了不同种类的表面活性剂对胰酶以及AS1.398蛋白酶的影响。试验结果表明，当表面活性剂的浓度略大于其临界胶束浓度时，非离子型表面活性剂起到激活作用，使酶的活性得到提升；离子型表面活性剂起到抑制作用，使得酶的活性下降。

张红艳等[5]研究了3种类型8种表面活性剂对去血渍复合酶中蛋白酶活性的影响，发现：1）阴离子表面活性剂在一般洗涤浓度下对蛋白酶的活性无明显影响，但在较高浓度时表现出一定的抑制作用，其中直链烷基苯磺酸钠的抑制作用最大。2）非离子表面活性剂及两性离子表面活性剂在一般洗涤浓度下的激活作用比较明显，且这种激活作用随着浓度的增加而逐渐减弱。也就是说，阴离子表面活性剂在一般洗涤浓度下能与去血渍复合酶中的蛋白酶配伍良好，而非离子表面活性剂和两性离子表面活性剂在整个实验浓度下都能与去血渍复合酶中的蛋白酶配伍良好。

另据报道，一种新型碱性蛋白酶保持活性的最高温度以及pH值分别为60℃和12.0，而在pH值为11.0时稳定性最佳。研究发现，在表面活性剂、漂白剂以及金属离子存在的条件下，这种酶的活性较高，而且保持良好的稳定性，说明其适宜用于洗涤剂配方中[6]。

3 纤维素酶

蒋惠亮等[7]研究了表面活性剂及助剂对洗涤剂中碱性纤维素酶的作用，结果表明，该碱性纤维素酶在洗衣粉各组分的实际洗涤浓度范围内，均具有良好的酶活稳定性（≥90%），且在实验研究时间范围内酶活力变化不大，与洗衣粉各成分具有良好的相容性。其中，阴离子表面活性剂LAS对酶活性有抑制作用，而非离子表面活性剂烷基酚聚氧乙烯醚（TX-10）等对酶活性有促进作用。

Gemini型阳离子季铵盐表面活性剂II-14-3反胶束萃取纤维素酶，经过优化条件，获得了较高的萃取率，而且酶活达到了原来的93.38%。如果加入生物表面活性剂卵磷脂，萃取率及酶活将进一步提高。说明纤维素酶在阳离子表面活性剂溶液中，尤其是在生物表面活性剂的存在下是稳定的，保持了较高的活性[8]。

徐秀雯等[9]研究了表面活性剂及染料对纤维素酶活性的影响，发现非离子、阴离子表面活性剂是纤维素酶的激活剂，而阳离子表面活性剂使纤维素酶中毒，生成不溶于水的沉淀，酶失活。

莫丹等[10]研究了表面活性剂对纤维素酶促进稻草酶解的影响，结果表明，表面活性剂能有效增强酶的稳定性，而且酶稳定性随着表面活性剂浓度升高而增加。表面活性剂能提高酶解反应的纤维素转化率，而且显著降低了纤维素酶在纤维素上的吸附。

刘佳等[11]研究了表面活性剂对绿色木霉纤维素酶的影响，证实生物表面活性剂鼠李糖和非离子表面活性剂均对绿色木霉产酶具有促进作用，而且能提高酶的活性。相比之下，前者的效果优于后者。

4 脂肪酶

闫桑田等[12]研究了阳离子表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）和阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）对荧光素酶和脂肪酶的影响。结果显示，当DTAB浓度较低时，能促进荧光素酶和脂肪酶的活性；相反，阴离子表面活性剂SDS没有改变酶的活性。而当DTAB浓度较高时，表面活性剂与酶之间的相互作用会破坏酶蛋白质的结构，导致其失活。但是对于SDS，改变浓度对于酶蛋白质的结构没有明显影响。

由一系列含有不饱和基团（烯丙基等）以及相应的饱和基团（丙基等）的阳离子表面活性剂构成的反胶束体系中，不饱和基团对于脂肪酶及辣根过氧化物酶等的活性有影响。例如，饱和基团丙基取代的表面活性剂可以增加脂肪酶的活性。相反地，烯丙基取代的表面活性剂会降低脂肪酶的活性，而且随着烯丙基的数量增多，作用更加明显[13]。

另外，在油包水微乳液体系中，阳离子表面活性剂的碳链长度也会影响脂肪酶的活性。碳链长度从C10到C18变化，脂肪酶的催化活性比在常用的阳离子表面活性剂CTAB油包水微乳液中提高30～140%[14]。

5 淀粉酶

张增强等[15]研究了表面活性剂对牛仔布生化酶洗效果的影响，各种表面活性剂在淀粉酶存在下对不同牛仔布的洗涤效果基本相似。阴离子表面活性剂抑制生物酶的活性，对牛仔布的酶洗效果起负面作用；阳离子表面活性剂在低浓度时，对酶活性影响不大，当表面活性剂浓度稍高时会抑制酶活性对牛仔布的酶洗效果，起负面作用；非离子表面活性剂在临界胶束浓度（cmc）以下，能提高酶洗的反应速率，对牛仔布的酶洗效果起促进作用，但是当在cmc浓度以上时，会抑制酶洗效果。

A. Tanaka等[16]研究了阴离子表面活性剂SDS对淀粉酶催化多糖水解反应的影响。当SDS浓度低于cmc浓度时，催化速率随着表面活性剂浓度的增加而增加，但是当高于cmc浓度时，速率显著降低。这是由于低于临界胶束浓度时，表面活性剂能够促进酶-基质复合物的生成，从而加速了催化水解反应。

M. Shafiei等[17]研究了一种喜盐的淀粉酶。其最高活性温度及pH值分别为45.8℃和7.5，在0～4 M浓度的盐溶液中仍然保持活性，其中在0.5 M 氯化钠或者1M氯化钾溶液中具有最佳活性，在1～4 M盐溶液中稳定存在。该淀粉酶在阴离子（SDS等）以及非离子（Tween 20，Tween 80等）表面活性剂稀溶液中具有优异的稳定性。利用其水解小麦淀粉和玉米淀粉，主要产物为麦芽糖、麦芽三糖和麦芽四糖，显示了较高的催化活性。

6 结束语

酶要能够在洗涤剂配方中使用，就必须在表面活性剂水溶液中有较好的稳定性和催化活性。不同种类表面活性剂对酶活性的影响程度不同，同种表面活性剂对不同种类酶的作用也不相同。表面活性剂与洗涤剂酶的相互作用非常复杂，目前对其机理解释不一，主要有形成络合物、电荷的作用、空间障碍、与基质的竞争性结合以及表面活性剂胶束的作用等，尚未形成系统的理论，需进一步开展更深入的研究。

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