纤维素酶对纤维素纤维吸附参数的研究.pdf

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1、纺织学报第二十一卷第五期 纤维素酶对纤维素纤维吸附参数的研究 沈 勇孙铠 ( 上海工程技术大学)( 东华大学) 【摘要】吸附等温方程中的吸附参数a 值能反映纤维素酶制剂中酶与纤维结合的有效酶蛋白的分 数，吸附参数卅、K 。和K ：则表明了纤维吸附纤维素酶的能力和饱和程度，利用吸附参数m 、K 。和Kz ，能 分别估算出纤维吸附酶的其它特性参数和吸附平衡常数。结果表明，S F 纤维素酶的平均a 值约为0 ，4 3 ， 棉、粘胶和亚麻的吸附参数值有很大差异。 关键词：纤维素酶纤维素纤维吸附参数生化整理研究 中圉分类号：T S1 9 0 2 随着纤维素酶在纺织品后整理中的应用愈 来愈广泛”，对纤维素

2、酶作用纤维的机理研究 也日益引起人们的重视。由于纤维素酶是一个 多组份的复杂酶体系，对纤维素纤维的作用是 个多相催化反应，使纤维素酶与纤维素的作用 机理研究带来非常大的难度o “1 ，至今尚无纤 维素酶对纺织用纤维素纤维( 棉、麻、粘胶等) 酶 解机理研究的详细报道。 由参考资料 6 ，纤维素酶对纤维素纤维非 均相固一液平衡吸附反应中，在酶浓度 P 。 恒 定条件下，若酶的浓度大大低于纤维的浓度，则 纤维平衡吸附酶量 - E S 与纤维浓度口。 间存 在下列关系式： E S P 。 一a I S 。3 ( K + I S 。 )( 1 ) 而在纤维浓度一定时，吸附酶量 E s 与游离酶 浓度

3、P 间的吸附等温方程则为： E S 口。 = m e l P 。 ( 1 一a ) K z + 尸 一E F 。：( 1 一。) ) ( 2 ) 式中吸附参数a 为酶制剂中能与纤维结合的最 大酶蛋白分数，K 。为纤维素底物的半饱和吸附 常数( g 纤维L ) ，K 。是纤维素酶的半饱和吸附 常数( g 酶I 。) ，m 为单位重量纤维能最大吸附 结合的酶量( g 酶g 纤维) 。 通过纤维素酶催化纤维素纤维的吸附等温 方程式( 1 ) 和( 2 ) 的研究，以求得各纤维的吸附 参数，了解各纤维的吸附特性，以便能够对纤维 素酶处理织物的过程进行控制。 、实验材料和方法 1 实验材料 试剂均为市售

4、A R 和C P 级。酶制剂：S F 纤维素酶( 自制) 0 3 。纱线：棉纱，2 8t e x ；亚麻 纱，2 2 2t e x ( 4 5m ) ；粘胶纱，3 0t e x ；均已经过 煮练等前处理。 2 吸附方法 在3 0 0m L 带塞锥形瓶中，分别加入一定 量稀释的纤维素酶溶液和0 0 5M 柠檬酸钠缓 冲液( p H4 8 ) ，至1 0 0m L 液体。然后将锥形瓶 放入恒温振荡水浴槽中，预热至5 0 ，再准确 称取一定量绝对干重的纱线( 1 0 5 烘燥4 小 时) 置于瓶中，保持p H4 8 、温度5 0 士1 的条 件进行吸附。 3 酶溶液中可溶性蛋白质含量的测定 以牛清血

5、蛋白为标准，用L o w r y 法0 3 测 定。 二、结果与讨论 1 纤维浓度对酶吸附的影响 不同浓度的棉、粘胶和亚麻纤维在S F 纤 维素酶浓度 P 0 一0 3 3 6 9g L 、p H4 8 、温度 5 0 “ C 的条件下，分别处理3 0 m i n ，得到的酶吸附 分数 - E S P 。 与纤维初始浓度 s o 的关系曲 线，如图1 所示。从图1 看出，棉、粘胶和亚麻纤 维吸附酶时， - E S P 。 与 s 。 间都存在着良好 的双曲线关系，与式( 1 ) 推导结果相附。将式 ( 1 ) - - 边同时取倒数，并作适当的数学变形，式 ( 1 ) 可以表达成下列双倒数形式：

6、 尸。 I S 。? j L E S 3 一K ，u + 口。 口 ( 3 ) 由式( 3 ) 可知， 尸。 I s 。 E s 与口o 间应万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 0 年1 0 月 成线性关系，其斜率为1 a ，截距为K 。a 。 图2 和表1 为棉、粘胶和亚麻纤维用S F 纤维素酶处理时的 P 。 I s 。 E s 与口。 的关 系曲线和相关关系。 衰1 不同纤维处理时 P o X S o E s 与 s 。 的相关关系

7、纤维 相关直线方程相关系数自由度 棉 ，= 1 9 6 6 8 2 + 2 3 1 6 0 3 x 0 9 8 8 7 1 96 粘胶y 一1 5 5 5 4 5 + 2 3 4 6 9 x 0 9 7 8 9 8 2 6 亚麻 ，一2 3 7 7 8 + 2 2 9 9 9 4 x 0 9 8 1 0 4 96 注：临界相关系数R ( 6 ) 0 0 1 0 8 3 4 0 衰2 不同纤维吸附s F 纤维素酶的a 和K ，值 吸附参数棉粘胶亚麻 0 4 3 1 80 4 2 6 10 4 3 4 8 K l ( g 纤维L ) 8 ，4 9 36 6 2 81 0 3 4 05 0 4 03

8、 0 2 0 1 0 01 02 03 0 柏5 0 7 0 【s o l ( B 几) 圉1 纤维浓度与S F 纤维素酶 吸附量的关系 ( P 。 一0 3 3 6 9g L ，p H4 8 ，温 度5 0 ，处理时间3 0 m i n ) 吉 一 宵 娶 = 垦 区 从图2 和表 1 可以看出，棉、 粘胶和亚麻纤维 吸附S F 纤维素 酶时， P 。 I S 。 E s 与纤维初 始浓度 s 。 在 0 0 1 水平下均 显著线性相关， 从而说明吸附方 几乎保持恒定，这表明了a 值与纤维种类无关， 而主要与酶制剂本身的性质有关。本实验中测 得S F 纤维素酶的平均n 值约为0 4 3 ，表

9、明有 效酶蛋白量占酶制剂总蛋白量的4 3 ，而其余 5 7 的不能与纤维结合的蛋白质应包括非酶蛋 白和已失活变性的酶蛋白质等” 。而纤维半饱 和吸附常魏K 。则显著地与纤维性能有关，粘 胶纤维的五。值最小，表明粘胶纤维具有较强 的与纤维素酶结合的能力，而亚麻纤维的K 。 最大，则与酶结合的能力较差。 2 酶浓度对纤维吸附酶的影响 据理论推导，在纤维起始浓度恒定的情况 下，不同浓度的纤维索酶对纤维吸附达平衡时， 纤维吸附的酶蛋白量 E S l 和溶液中游离酶蛋 白量 P 的关系应服从式( 2 ) 。若将式( 2 ) 二边 同时取倒数，并经适当的数学变形，则式( 2 ) 可 以表示成下列双倒数形式

10、： ( s 。 E s ) ( P P 。( 1 一a ) 一K ：m + P P 。( 1 一口) ) m( 4 ) 由式( 4 ) 可知， S 。 f P P 。( 1 - - a ) E S l 与( 尸 一P o ( 1 - - a ) ) 应成线性关系，其斜率为1 m ，截 距为K 。m 。 图3 为不同浓度的S F 纤维素酶在棉、粘 胶和亚麻纤维的初始浓度眵。 ：4 0g L 、p H4 8 、温度5 0 “ C 的条件下，分别处理3 0 m i n ，测得的 s 。 ( P P 。( 1 一d ) ) E S 与 P P 。( 1 一a ) ) 的关系曲线；表3 为它们的相关关系

11、。 表3 不同纤维的 s 。 ( P 一 ( 1 - - a ) E S 与( P P 。( 1 一a ) 的相关关系 纤维 相关直线方程相关系数自由度 棉 _ 一8 5 1 3 8 8 + 9 1 3 5 9 2 x 0 9 9 3 5 67 粘胶 Y 一6 6 1 0 6 8 + 4 4 7 1 1 7 x 0 9 8 0 7 0 77 亚麻 v 一1 0 ，3 5 7 + 1 4 9 3 1 z0 9 9 9 4 4 97 注：临界相关系数c 9 R ( 7 ) 0 0 l 一0 7 9 8 0 从图3 和表3 看出，棉、粘胶和亚麻纤维在 不同浓度S F 纤维素酶处理时，吸附达到平衡 后

12、的 s 。 P P 。( 1 - - a ) ) E S 与 P P o ( 1 一 a ) 存在良好的直线关系，在0 o l 水平下均显 著线性相关，这也从另一方面证明了吸附方程 鞫一 I，I L f】，【邕 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 纺织学报第二十一卷第五期 ( 2 ) 或( 4 ) 是合理的。 甚1 5fr 而 对照式 ；：； | ：譬I ( 4 ) 的关系式， 酉： l 坐J “J 州天系A 荸i il 可由表3 中的 宅i - 相关

13、直线方程 电：k ! ! ! 一L 一。 的斜率和截 邑 o 0 0 5o i0 1 50 2 0 2 5距，求得棉、粘 P P o ( 1 “) 】( 扎) 胶和亚麻纤维 里3 不同纤维的眵。 f P 一只( 1 的吸附参数m a ) E E S 与 P P 。( 1 n ) 的和岛结果如 关系 表4 所示。 裹4 不同纤维吸附S F 纤维素酵的m 、K ：值 吸附参数棉粘胶亚麻 m ( g 酶g 纤维) 0 1 0 9 50 2 2 3 70 0 6 6 9 7 岛( g 纤维L ) 0 9 3 1 91 4 7 90 6 9 3 7 从表4 可以看出，不同纤维吸附酶时，吸附 参数m 和K

14、 z 值的差异很大。从吸附参数m 值 来看，在相同的条件下，粘胶纤维具有最大的结 合S F 纤维素酶的能力，其每克纤维最大结合 酶蛋白量可达到2 2 4m g ；棉纤维其次，为1 1 0 m g 酶蛋白g 纤维；而亚麻纤维最低，最大结合 酶量仅为6 7m g 酶蛋白g 纤维。s F 纤维素酶 的半饱和吸附常数K 。值，也反映了纤维吸附 酶的能力大小，粘胶纤维的岛值最大，其吸附 S F 纤维素酶的能力最强，而棉和亚麻纤维的 K z 值依次降低，它们与S F 纤维素酶的结合能 力也逐渐降低。因而，可以认为吸附参数m 和 K z 是纤维吸附酶的特性参数，反映了纤维的结 构性能( 如纤维的结晶度、表面

15、积、内部孔隙尺 寸等) 对吸附酶的影响。 3 吸附参数的应用意义 ( 1 ) a 值 吸附参数a 为能被纤维最大程度吸附的酶 蛋白量 P 。 的分数，利用a 值能估算出酶制剂 中能与纤维结合的有效酶蛋白的数量。通过实 验可知S F 纤维索酶对棉、粘胶和亚麻纤维吸 附时，平均a 值约为0 4 3 ，因而，S F 纤维素酶 的最大有效酶蛋白量约为酶制剂中总蛋白量的 4 3 。 ( 2 ) m 、K 1 和K 。值 由前面讨论可知，利用吸附参数m 、K 。和 K 。值的大小，能够判断纤维吸附酶的能力大小 和饱和程度，除此之处，利用吸附参数K 和 K z ，也能估算纤维其它吸附酶的特性参数和吸 附反应

16、的平衡常数。若假定纤维素酶为一球状 的酶分子，其直径如一6 5 8 1 0 “m ，球状酶分 子体积y j 一】4 9 1 0 1 5 m 3 ，平均分子量M E 一 4 8 0 0 0 。” ，则经推导可得： 纤维吸附酶时可供与酶结合位置数 ( m o l g ) 为：n m 肘。 吸附酶的纤维表观分子量( 即为吸附l t o o l 酶所需纤维的重量0 3 ) 为：M s = M E m 。 单位重量纤维吸附酶达最大值时被酶覆 盖的表面积( 特性表面积) ( m 2 g ) 为：A ”一( “ 4 ) d ；N n ，式中， 为阿伏伽德罗( A v o g a d r o ) 常数( N

17、A 一6 0 2 2 1 0 ”m 0 1 ) 。 单位重量纤维能被酶占据的最大体积 ( m 3 g ) 为：矿。c y E N n 。 吸附平衡常数( m o l L ) 为K K 。胁， 或者K K 慨。 表5 为利用表2 和表4 的实验结果，经计 算而得的棉、粘胶和亚麻纤维吸附酶的特性参 数和吸附平衡常数。由表5 可知，棉、粘胶和亚 麻纤维的特性表面积( A s ，) 和可被酶占据的微 孔体积( V o c ) 差异很大，三种纤维的A s ，和y o c 之比都约为，粘胶：棉t 亚麻一3 3 2 ：1 6 3 t 1 ，其结果与L a d i s c h 等人“2 一采用液相色谱法研 究

18、纤维的微孔体积和可及表面积的结论相符。 因而，在酶吸附时，粘胶纤维具有较多的能与酶 分子结合的活性位置b ) ，纤维的表观分子量 ( M s ) 也较低，使粘胶纤维在酶处理时，易与酶 分子结合形成酶一纤维复合物( E s ) ，使纤维容 易被酶水解；亚麻纤维的A s ，和y m 最低，由于 亚麻具有较高的结晶度，酶分子不易通过微孔 渗入到纤维内部的活性部位与纤维结合形成复 合物，所以亚麻纤维应具有较高的耐酶水解性 能；而棉则介于粘胶和亚麻纤维之间。另外，表 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to

19、remove the watermark 2 0 0 0 年l O 月 5 中的吸附平衡常数( K ) 也证明了上述结论。 强，棉其次，亚麻纤维最低，这主要原因是粘胶 表5 各纤维的特性参数和吸附平衡常数 参数 棉 粘胶 亚麻 ( m o l g ) 2 2 8 1 0 6 4 6 6 1 0 6 1 4 0 1 0 6 M s4 4 0 0 0 02 1 0 0 0 07 2 0 0 0 0 A s P ( m 2 g ) 4 6 79 5 42 8 7 V c c ( m 3 g ) 2 0 5 1 0 7 4 1 9 X 1 0 7 1 2 6 1 0 7 K ( - - K 2 I M

20、 p ) ( m o l L )1 9 4 1 0 53 0 8 1 0 51 4 5 1 0 _ 蜀( 一K M s ) ( t o o l L ) 1 9 3 1 0 53 1 6 1 0 51 4 4 1 0 5 注：S F 纤维素酶，p H4 8 ，9 0 “ C 。 三、结论 1 吸附参数a 值能反映纤维素酶制剂中 能与纤维结合的有效蛋白的分数，而吸附参数 m 、K ，和K ，值则表明了纤维吸附酶的能力和 饱和程度；并且，利用参数m 、K ，和噩能分别 佶算出纤维吸附酶的其它特性参数( 如：A s p ， V o c ，”和 靠) ，以及吸附反应的平衡常数( K ) 。 2 实验结果

21、表明，S F 纤维素纤维的平均a 值约为0 4 3 棉、粘胶和亚麻纤维尽管都属于 纤维素纤维，但由于纤维内部微结构和分子形 态的差异，表现出各自的吸附参数m 、K 。和K 。 值也差异很大，其中，粘胶纤维吸附酶的能力最 纤维具有较大的特性表面积( 山，) 和微孔体积( V o c ) ，吸附酶时可供与 酶结合位置数( n ) 较多，而棉与亚麻 纤维的A s ，、y o c 和n 值则较低。 参考资料 1 M e h r a ，R H ，e ta 1 ，T h e3 r d A s i a nT e x t i l eC o n f e r e n c e ，：7 1 5 7 2 0 ( 1 9

22、 9 5 ) 2 M i e h e a lW a d h a m ，J S D C ，1 1 0 ( 1 2 ) ：3 6 7 3 6 8 ( 1 9 9 4 ) 3 L e e ，S B ，e t ，a 1 ，B i o t e c h n 0 1 B i o e n g ，2 4 ：2 1 3 7 2 1 5 3 ( 1 9 8 2 ) S c h u r z ，J ，e ta 1 ，C e l l u l o s eC h e m T e c h n 0 1 ， 2 3 ：4 6 5 4 7 6 ( 1 9 8 9 ) w a I k e r ，L P W i l s o n ，D B

23、 ，B i o r e s o u r e T e c h n o l o g y 3 6 ：3 1 4 ( 1 9 9 1 ) 纺织学报，2 0 0 0 ，N o 4 P 1 2 1 5 。 沈勇 中国纺织大学博士学位论文，中国1 9 9 9 。 L o w r y ，O H ，e ta 1 ，J B i o c h e m ，1 9 3 ：2 6 5 ( 1 9 5 1 ) 中国科学院数学研究所数理统计组编 回归分 析方法，北京：科学出版社，1 9 7 4 。 A g u j a ，P M ，e ta 1 ，E u r B i o p h y s J ，1 5 ：3 3 0 3 4 2 ( 1 9 8 9 ) H a y n H E s t e r b a u e rH ，J C h r o m a t o g r ，9 2 9 ： 3 7 9 ( 1 9 8 5 ) L a d l s c h ，C M ，e ta 1 ，T e x t i l eR e s J ，6 2 ：3 6 1 3 9 9 ( 1 9 9 2 ) 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark