漆酶的研究进展及其应用

刘岩 刘锐 苏新国 赵冠里 杨昭

摘 要：漆酶是一种多酚氧化酶，由于其在自然界分布广泛，并且在环保、纺织、印染、食品、化学合成等方面都具有广泛的应用前景，近年来得到了广泛的关注和研究。该文主要综述了国内外漆酶的研究进展及其应用，为细菌漆酶提供新的应用前景和方向。

关键词：漆酶；研究进展；应用

中图分类号 Q814 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）13-0025-04

1 引言

漆酶（EC 1.10.3.2）又名蓝色多铜氧化酶，可以氧化包括酚类物质、多酚类物质、苯胺、木质素、多环芳香烃甚至无机物等一系列物质，以分子氧气为电子受体，生成反应过程中唯一的副产物水。因此，其在有毒废水处理、染料脱色、纺织、造纸、酒及饮料、生物传感器、抗癌药物及化妆品合成等方面都具有广泛的应用前景，从而受到了科学界的重视。当前应用最多的是真菌漆酶，但由于真菌漆酶不耐高温，在碱性条件下迅速失活，存在多种抑制剂，严重限制了其工业化应用。真菌漆酶一般为含有糖基的糖蛋白，形成了基因工程改造及异源表达上的障碍。细菌漆酶一般为单体蛋白，且具有耐高温，在碱性条件下稳定，抑制剂少等优点，可以克服真菌漆酶应用的缺点，具有巨大的应用潜力。

2 国内外研究现状及进展

漆酶为蓝色多铜氧化酶中最大的一类，具有通过铜粒子将多酚物质氧化，同时将氧气还原成水的催化特性[1]。早在1883年，Yoshida第一次在日本漆树中发现了漆酶，成为世界上最早的被发现的酶类之一[2]。植物漆酶由于缺少工业应用价值，而长期被忽视。在现代工业废水中去除多酚类有毒物质，在纺织印染中去除木质素、色素等生物技术的不断研发中，由于漆酶具有利用氧气作为电子受体，能够氧化多酚类、木质素等多种化学物质，同时生成唯一的副产物水，这些自身具备的优质条件使得漆酶的催化性质在环保、纺织、印染、食品、化学合成方面具有广泛的应用前景，成为最近10年科学界最关注的焦点之一[3]。新型漆酶的研发，漆酶空间结构及其催化机理，酶学性质与应用等成为科学研究的热点。我国的研究人员也逐渐认识到漆酶在工业领域的应用优势，近些年研究势头迅猛[4-10]。

2.1 漆酶在自然界的分布 漆酶在自然界中广泛分布。第一种漆酶是由日本人Yoshida在1883年在植物漆树（Rhus vernicifera）树脂中发现的，随后在多种植物如杨树[11]、烟草[12]等中均有发现。在多种真菌中均检测到真菌漆酶的活性，到2008年经学者统计已经超过百种真菌漆酶被分离提纯[13]，而这个数字还在快速的增加[14-16]。长期以来，人们一直以为漆酶仅仅存在于真核生物，直到1993年Givaudan首先在水稻根围土壤中分离得到一株产漆酶的脂固氮螺菌[17]，这是第一次在原核生物中发现了产漆酶菌株。2000年Alexandre通过生物信息学技术，证实漆酶也普遍存在于原核生物中[18]。迄今为止，已经分离提纯的细菌漆酶有海洋微生物Marinomonas mediterranea产生的多酚氧化酶PPQ[19]，假单胞菌属的CopA蛋白[20]，链霉菌属的类漆酶EpoA[21]，枯草芽孢杆菌中芽孢外被上面含有CotA蛋白[22]等。而产漆酶细菌也在不断的被发现，如2009年Telke在印度染织厂废水流经的土壤中筛选出产漆酶的假单胞菌LBC1[23]，2009年在突尼斯城市土壤中筛选得到产漆酶嗜麦芽寡养单胞菌AAP56[24]，2010年Wang等在黑龙江森立的土壤中分离得到产漆酶的枯草芽孢杆菌WD23菌株[25]。但是相对真菌漆酶，关于细菌漆酶的研究还是非常少的。

2.2 漆酶的性质 通过对真菌漆酶X晶体衍射，分析其空间结构与催化机理，可知漆酶每个催化单位结合有四个铜粒子，根据其电子顺磁共振光谱，将四个铜粒子分成三种类型，第一种类型（T1）铜粒子赋予蛋白蓝色，并在610nm处具有吸收峰，第二类型（T2）铜粒子与一对第三类型的（T3）铜粒子形成一个三角环区（trinuclear cluster TNC）[26]。在催化反应过程中，T1铜粒子在反应底物中依次接受四个电子，通过His–Cys–His三肽将电子传递给TNC，氧气在TNC处被还原成水。其中T1铜粒子的氧化还原电位决定了漆酶的催化效率[27]。漆酶利用氧气作为电子受体，将酚式羟基转化成为自由基引发一些反应，进而导致烷基链上C-C和C-O键和芳香环键的断裂[28]。漆酶的氧化还原电位一般≤0.8V，而非酚化合物的氧化还原电势大约在1.3V左右，所以此类物质不能被漆酶直接氧化[29]。对于这类氧化还原电势高于漆酶的化合物，或者由于分子空间结构较大不能直接接触漆酶活性中心的大分子物质，可以通过添加化学介导物质作为电子穿梭机（electron shuttles）进而协助漆酶完成催化反应。真菌漆酶独自或者在添加化学介导物的条件可以利用氧气为电子受体，氧化酚类、多酚类、苯胺、木质素、多环芳香烃甚至无机物等一系列物质，同时将氧气转变成为水。酶促反应需要空气中的氧气，而唯一的副产物为水。与需要添加Mn+2木质素过氧化物酶（lignin peroxidase，LiP）和添加藜芦基醇锰过氧化物酶（manganese peroxidase，MnP）相比，具有巨大优势。

2.3 漆酶-介导反应体系（LMS）和化学介导物质 1990年，Bourbonnais首先报道了在添加2，2'-连氮基-双-（3-乙基苯并二氢噻唑啉-6-磺酸）二铵盐（ABTS）的情况下，可以利用漆酶氧化非酚木质素模型分子[30]，这一发现导致LMS体系的建立。LMS体系极大地扩大了漆酶的作用范围，从此以后，科学界在研究LMS体系反应机理，寻找化学介导物质作了大量的研究工作。化学介导物质可以分为合成物质和天然物质两种，常用的合成化学介导物质有ABTS、1-羟基苯并三唑（HBT）、N-羟基邻苯二甲酰亚胺（HPI）等[29]。为了克服合成的化学介导物质价格昂贵、具有毒性等缺点，学者同时致力开发天然的化学介导物质。朱红密孔菌（Pycnoporus cinnabarinus）的一种次级代谢产物3-Hydroxyanthranilic acid是报道的第一种天然介导物质[31]。2005年Camarero创建了活性黑5为漆酶作用底物，检测吸光度变化筛选天然化学介导物质的筛选方法，并得了到10种天然酚类介导物质[32]。到2008年，已有将近100多中化学介导物质[12]。但是上述LMS体系建立往往都是针对真菌漆酶，关于细菌漆酶的LMS体系的研究还鲜有报道。

2.4 漆酶的应用

2.4.1 在处理顽固污染方面的应用 石油精炼、造纸厂、化工厂、农药厂、铸造厂和印染厂中产生的废水经常含有大量的酚类、多环芳香等有毒有色难降解物质，去除这些难降解有毒大分子物质一直是污水处理工程中的一个难题。漆酶单独或者建立LMS体系，可以将此类生物难降解物质氧化，转变成无色，无毒可生物降解物质。2002年，Tsioulpas利用多种可产漆酶菌株降解橄榄油厂中含有酚类化合物废水，其中酚类物质可以去除69%～76%，同时废水颜色有黑色转变成透明的浅黄色。2005年，Ryan报道了利用白腐霉（CBS 696.94）去除废水中酚类物质，可以达到每1d每1g生物量降解0.033g酚类物质。2010年Wang利用自己筛选的产细菌漆酶WD23将雷马素艳蓝R、茜素红、干果红、甲基橙、甲基紫等染料降解50%～90%。

2.4.2 在其它方面的应用 在造纸工业中，可采用漆酶LMS系统对纸浆进行漂白并去除木质素[33-34]，来取代传统的对环境会造成重大污染的氯化物漂白工艺。在纺织工业中，除去利用漆酶降解其中含染料废水外，还可以利用漆酶进行布料漂白[35]。1996年Novozyme公司开发了第一款在用于牛仔裤仿旧处理的漆酶产品DeniLit。2001年Zytex公司开发了降解靛蓝的漆酶商品Zylite。在食品方面，漆酶可以通过选择性去除食品多酚类物质，进而提高其产品风味口感，降低成本等[36]。漆酶在化学合成，木质素降解生产生物能源，生物传感器等方面也具有广泛的应用[37]。

3 前景与展望

利用微生物酶大规模工业化生产被称之为生物技术或者绿色化学，是欧洲倡导的生物经济的主要领域之一。而能在工业化生产中应用的酶类，必须具备一定的抗高温，耐强碱，抵抗剪切力，在一定的储存期间不会失活等优良性质[38]。真菌漆酶的使用范围为pH4～6，温度30～50℃[38]，且多种物质敏感，氯化物、叠氮化合物、氢氧化物等均可以抑制真菌漆酶的活性[39]。为了改善漆酶性质，降低生产成本，利用基因工程进行异源表达是行之有效的方法。但是由于真菌漆酶为糖蛋白，且其糖基对漆酶的特性及其活性具有重要影响，因此真菌漆酶在异源表达上困难重重[40]，直到现在还没有真菌漆酶在大肠杆菌中表达成功的报道[39，40]。

细菌漆酶能弥补真菌漆酶所具有的缺点，其一般不具有糖蛋白，易于进行异源表达，进行基因改造和大规模发酵生产。细菌漆酶一般最适作用pH为碱性环境，耐高温，对抑制剂不敏感。如Wang报道的枯草芽孢杆菌WD23产生的漆酶在80℃下半衰期为2.5h，pH为9的条件下半衰期为15d[25]。芽孢杆菌C-125得到一种漆酶，其最适作用pH为7.5～8，氯化物对其不但没有抑制作用反而可以刺激提高酶活[41]。细菌漆酶展现出了巨大的应用潜力。但是现在关于细菌漆酶的研究太少，严重阻碍了细菌漆酶的应用[26，38，40]。因此，开展对细菌漆酶的广泛研究具有重要的意义。

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