碱性果胶酶的应用进展

1、果胶酶是指能够催化果胶质分解多种酶的总称。果胶酶最初是由MacDonnell从桔子里提取得到的。果胶质-果胶酶的作用底物广泛存在于高等植物中,是植物细胞间质和初生细胞壁的重要组分,在植物细胞组织中起着“黏合”作用。果胶质结构化学的研究表明,果胶质的化学结构比较复杂,能够催化其分解的果胶酶也是种类繁多。果胶酶根据分解糖苷键的反应性质或降解底物的性质可以分为3大类:果胶水解酶、果胶裂解酶和果胶酯酶。果胶酶按其作用最适pH分为酸性果胶酶和碱性果胶酶。碱性果胶酶是在碱性范围内具有较高活性的果胶酶。目前研究和应用较多的是酸性果胶酶,主要用于水果榨汁和果汁澄清,其酶作用最适pH在偏酸性范围,碱性果胶酶的研

2、究可扩展果胶酶的应用范围。碱性果胶酶是非常重要的工业酶制剂之一,具有不可估量的潜在应用价值。本文对碱性果胶酶的应用情况进行综述。1食品行业1.1茶叶和咖啡发酵在咖啡发酵过程中利用产碱性果胶酶微生物除去咖啡豆的黏表皮。有时添加碱性果胶酶来去除含大量果胶质的果肉状表层。纤维素酶和半纤维素酶的协同作用可促进咖啡豆黏表皮的降解。碱性果胶酶也可用于茶叶加工。碱性果胶酶处理可促进茶叶发酵,不过要仔细调节用酶剂量以免破坏茶叶。碱性果胶酶还可通过破坏茶叶中的果胶物质来改善速溶茶粉在冲泡过程中形成泡沫的性能。1.2榨油包括碱性果胶酶在内的细胞壁降解酶可以用于植物油的榨取过程,如在橄榄油榨制时加入碱性果胶酶可破坏

3、起乳化作用的果胶来提高油的收率,而且榨出的油贮存时也非常稳定,多酚类物质和VE含量也有所增加。1.3诱导植物抗病的绿色食品生产自20世纪90年代以来,果胶酶作为参与诱导植物自身防御系统的有效酶制剂已引起人们的极大关注。果胶酶诱导植物抗病的机理是: 果胶酶可降解寄主组织的果胶质产生寡聚糖片段,这些寡聚糖片段是内源激发子,可以与植物细胞膜上的“受体”(一种结合蛋白)结合,产生激发植物防卫反应的信号。这些防卫机制包括: 抗微生物的植保素的合成和积累,攻击病原物表面多聚物的糖基水解酶的产生,抑制病原物降解酶的蛋白抑制物的合成,由于胼胝质、富含羟脯氨酸糖蛋白或木质素沉积而对植物细胞壁的修饰作用等。同时,

4、植物细胞壁的聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白(PGIP)与内切果胶酶结合,控制内切果胶酶的活性,降低其对寄主组织的破坏性;内切果胶酶和PGIP的相互作用在寄主与病原菌之间的分子识别中起核心作用。用果胶酶作为新型生防农药具有以下优点: 对人畜无害,不污染环境,不伤害天敌病原物,不会产生抗药性,用量低。因此果胶酶有望开发为一类很有潜力的无公害生防农药。经本实验室的研究表明:碱性果胶酶也能用于诱导植物抗病,效果很好。可将碱性果胶酶用作生物农药用于绿色食品的生产,减少化学农药的施用量和化学农药对环境和人类的危害。1.4其他碱性果胶酶可用于从桔皮中提取香料油和胡萝卜素等医用原料;用于果汁的制备,可提高水果出汁率,

5、改善果汁过滤效果,加速和增强果汁的澄清作用;提取香料和提高葡萄酒的收率。2 2纺织行业纺织行业2.12.1棉纤维的生物精练棉纤维的生物精练棉以其特有的吸湿、透气、保暖等特点而拥有众多消费者。原棉纤维由以纤维素为主要成分的次生膜和覆盖在其上的初生膜和表皮组成,其杂质主要存在于初生膜和表皮中。存在于原棉中的杂质,因棉花的种类、产地的不同而异,一般为棉纤维组成的4%5%。棉精练工序在织物漂白、染色等加工过程之前,是以去除这些杂质,提高织物的湿润性为目的的加工过程。传统精练加工过程通常使用大量的碱、螯合剂和表面活性剂进行高温处理,使棉的杂质分解、乳化而去除,以增强棉纤维的湿润性。为此,必须用酸中和以及

6、大量的水冲洗,因此需要排放大量废水,污染环境,同时还会对棉纤维造成一定的损伤,使纤维失重、强度下降,影响棉织物的品质。最近科学家们已分离出能很好地水解果胶物质的碱性果胶酶,可有效用于棉纤维的精练,可使绵纤维上的果胶物质水解,而非纤维素类的杂质被释放出来,分散或乳化于煮练浴中,从而增强其润湿性而不会像纤维素酶那样攻击棉纤维素而降低棉纤维的强度。大量实验表明:同传统精练技术相比,采用碱性果胶酶对棉纤维进行精练至少可使棉纤维获得相同的湿润性,而且其成本要比传统精练技术低。在染色和移染性方面也无明显的差别,而织物的手感比传统处理的柔软。由于采用碱性果胶酶对棉纤维进行精练对环境友好,作业环境安全,能耗、

7、失重率低,棉织物手感柔软,棉纤维的湿润性较好、强度几乎不降低,且没有成本较高的障碍,因此其应用前景十分广阔,并很快将达到世界规模。2.2植物韧皮纤维脱胶目前碱性果胶酶在苎麻、亚麻、黄麻和大麻等麻类植物的脱胶工艺中有效应用并越来越受到重视。碱性果胶酶脱胶有许多优点:不破坏植物纤维,不污染环境,节约能源。麻类纤维是非常优良的纺织品原料,但是这些纤维中除了含有纤维素外还含有20%30%的果胶质。脱胶就是从植物纤维中除去有黏性的非纤维物质。传统的脱胶工艺是把麻浸泡在强碱溶液中24h在沸水中煮14h,漂洗,中和,清洗,烘干后再用柔软剂处理以防止纤维脆弱。这种方法能耗高,排放大量有毒物质严重污染环境,且损

8、害部分纤维,对其质量造成一定影响。用微生物和酶脱胶可以克服以上的缺点。用碱性果胶酶处理时可以有效快速除去与纤维粘着的胶类物质,不损害麻类纤维。3造纸行业随着生物技术的发展和人们对环境的重视,酶在造纸行业的应用越来越受到重视。许多国家已把甘露聚糖酶、碱性果胶酶和漆酶用于造纸业中。在热磨机械纸浆过程中,溶解性的胶体物会从真叶木原料中释放出来。这些胶体物质主要是溶解性阴离子多糖(果胶或聚半乳糖醛酸),在造纸过程中严重影响过滤,需要添加大量的阳离子聚合物来去消除其危害。纸浆中的聚半乳糖醛酸与阳离子聚合物的结合能力与其聚合度有关,聚合度小于3时消耗阳离子不明显,聚合度大于6时则会大量消耗阳离子。碱性果胶

9、酶可以将果胶或聚半乳糖醛酸降解,减少阳离子聚合物的消耗量,提高纸浆的质量。4环境领域在柑橘加工和蔬菜加工过程中会产生大量含果胶的废水,传统的处理方法包括以下步骤:物理脱水、喷淋冲洗、化学絮凝、活性淤泥处理、化学水解、甲烷发酵等。其缺点是成本高、处理时间长、产生二次污染。在含果胶废水中加入碱性果胶酶或产碱性果胶酶的微生物可以分解废水中的果胶再用活性淤泥处理可以克服以上缺点,成本低,效果好且不产生二次污染。5生物技术领域制备纯的植物病毒在其物理、化学及生物学特性研究中是非常必要的。有些情况下病毒被束缚在植物组织的韧皮部,这时可以加入一些碱性果胶酶和纤维素酶就可以把病毒从这些植物组织里给分离出来,从

10、而有利于植物病毒的纯化。6其他应用领域6.1饲料添加剂目前动物饲料中主要含有大量非淀粉多糖、戊聚糖、果胶、丹宁等,这些物质不但不会被动物消耗吸收,而且会溶于水成胶体状态,还会增大肠道内容物的黏度,阻碍营养物质的扩散,影响其吸收,起到了所谓的“抗营养因子”的作用。近年来用酶抑制“抗营养因子”受到了饲料行业的重视。碱性果胶酶与纤维素酶、半纤维素酶等配合,可降解植物细胞壁中果胶和纤维,促使淀粉、脂类、维生素和蛋白质等释放出来,从而提高了饲料的营养价值;碱性果胶酶添加到饲料中可降低饲料的黏度,促进饲料在动物消化道内的消化吸收。6.2洗涤剂食品污垢往往难于从被污染的底物上有效地去除。由水果和/或蔬菜汁形成的“干涸”污渍特别难于除去。加入含碱性果胶酶的洗涤剂,对这些污渍具有良好的去污性能。7结语近年来国内外许多学者对产碱性果胶酶菌种的筛选、发酵条件的优化、酶的分离纯化以及酶学和分子生物学特性进行了研究,这大大地促进了碱性果胶酶在许多领域的应用。碱性果胶酶制剂往往不是单一组分,其中除了含有不同种类的碱性果胶酶外,还含有其他组分,如:原果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶等,各组分之间具有一定的协同作用