漆酶用于环境修复的研究及应用前景马现成
摘要:本文对漆酶的来源、种类、结构及应用进行了叙述,漆酶最初是从植物中发现的,随后在动物和细菌中也发现了它的存在,真菌是漆酶的主要分泌者。漆酶作为多铜氧化酶家族的一份子,可以降解酚类、芳香类等化合物。漆酶在酒类制造、饮料制造、面制品制造及食用菌生产等食品行业有着广泛的应用;在造纸工业、染料降解、生物修复等环境修复领域也有着重要的应用前景。但在环境修复方面的实际运用与推广还需要更加深入的探究。
关键词:漆酶;种类;结构;应用
漆酶作为多铜氧化酶家族的一部分,是一种含铜多酚氧化酶,跟其同源的蛋白质有抗坏血酸氧化酶和哺乳动物血浆铜蓝蛋白[1]。日本学者Yoshi在紫胶漆树(Rhusvernicifera)漆液中最早发现漆酶[2]。19世纪末,G.Betranel第一次将其以生漆固化的活性物质分离出来,并命名为漆酶(Laccuse)。自然界中的漆酶根据生产者的不同可分为植物漆酶、动物漆酶、细菌漆酶以及真菌漆酶,其中真菌漆酶是目前研究较多的一类。漆酶能催化氧化超过200种不同种类型的物质,广泛运用于食品工业,造纸行业、生物修复、生物燃料电池[3]等方面。
细菌产生的漆酶主要存在于细胞内,而真菌分泌的漆酶通常为胞外酶。国内外对于真菌漆酶和植物漆酶研究已有大量的报道,而对于细菌漆酶和动物漆酶的研究较少。
1漆酶的种类
1.1植物漆酶
在6000a前的中国,人们已经开始有意识的使用漆酶了。当时中国的艺术家们利用漆树受伤部位的分泌物,也就是利用漆酶的聚合作用来制造艺术品。漆树漆酶是最早被报道的漆酶,同时也是植物漆酶中活性最高的漆酶。近年来在杨树漆酶被报道的同时,无花果、烟草、棉花、大槭树[4]等植物中也都相继发现了漆酶的存在。
1.2动物漆酶
动物漆酶的存在,是近几年才发现的。节肢动物如淡水鳌虾血细胞中发现有漆酶存在,可能参与甲壳的硬化等生理过程。昆虫中也有漆酶的报道,如甲壳虫赤拟谷盗漆酶,可能参与甲壳角质蛋白的硬化、变色等。在果蝇的免疫反应中,漆酶参与黑色素的形成,烟草天蛾体内的漆酶可能对其摄取的植物中有毒化合物进行氧化、脱毒处理。
1.3细菌漆酶
原核生物和真核生物同样具有生产漆酶的能力,包括很多革兰氏阳性及阴性细菌;相关的基因分析数据表明,这些漆酶细菌可能是从极端嗜热菌早期进化出来的分支。放线菌StreptomycescyaneusCECT3335所产的漆酶与真菌漆酶性质相似[5];枯草芽孢杆菌Bacillussubtilis中的CotA蛋白表现出了漆酶的活性和特征[6]。
1.4真菌漆酶
担子菌门的白腐真菌是自然界中漆酶的主要生产者,大部分的白腐真菌分泌的漆酶为胞外漆酶。至今为止,报道产漆酶的真菌已超过1000种[7]。其中除了常见的担子菌能分泌漆酶外,其他真菌亦有产漆酶的能力,如地衣真菌。而在众多的漆酶生产者中,白腐密孔菌因容易培养、产酶活力高等特点,在漆酶的生产及应用中具有巨大的潜力。
2漆酶的结构
漆酶分子结构呈球状,是由3个cupredoxin-like结构域结合形成,这种结构形式是铜蓝蛋白家族所共有的[8]。漆酶多为一条多肽链组成的单体酶,相对分子质量主要分布在5×104-1×105之间,由500~550个氨基酸组成[9],皆为糖蛋白,含糖质量分数在10%~80%,碳水化合物的质量分数约占15%~45%。近年来Kaichangl等测试了4种含糖质量分数差别显着的漆酶的稳定性,发现含糖质量分数高的漆酶既没有提高漆酶的热稳定性,也不能阻止自身失活[10]。纵观近年来不同来源的漆酶,其氨基酸序列相似性并不高,例如子囊菌漆酶与担子菌漆酶的序列相似性仅在15%左右[8]。
漆酶分子结构中一般含有4个Cu原子[11],根据不同酶分子的磁学和光谱学性质的不同可将漆酶分子中4个Cu原子分成3类:其中单电子受体有Ⅰ型Cu(T1Cu)1个和Ⅱ型Cu(T2Cu)1个,呈顺磁性;双电子受体有Ⅲ型Cu(T3Cu)2个,是耦合离子对,呈反磁性。形成单核中心的是Ⅰ型Cu原子,而形成三核铜簇的是Ⅱ型和Ⅲ型Cu原子。在610nm时,Ⅰ型Cu原子有呈蓝色的强烈光吸收,Ⅱ型Cu原子有无特征吸收光谱,具有电子顺磁共振效应(EPR)性质;而在330nm附近,Ⅲ型Cu原子有吸收带,无EPR性质。漆酶分子结构中也会存在其他金属原子,取代铜原子从而使铜原子少于4个。PalmieriG等从糙皮侧耳(Pleurotusostreatus)中纯化的一种新型漆酶POXA1只有1个Cu,却含有2个Zn原子和1个Fe原子,因为缺少T1Cu,在610nm处没有吸收峰,因此该酶蛋白呈现乳白色[12]。
3漆酶的应用
3.1食品工业
3.1.1饮料生产
漆酶有氧化酚类物质的特性,可将其转化为多酚氧化物,多酚氧化物自身能够发生聚合形成大颗粒,则可以通过滤膜除去这些酚类物质。正因为漆酶具有这一特性,所以在饮料的生产中漆酶被用来进行饮料的澄清与色度的控制,而且漆酶的催化专一性高,澄清的果汁不仅颜色浅而且性质稳定,果汁生产中不会出现二次混浊问题,可以长期保存。在利用漆酶处理果汁的过程中,不需要使用澄清剂、助滤剂及聚乙烯吡咯烷酮等对人体健康有影响的物质。
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