1833年人類由發芽的大麥中提取出淀粉酶，發現淀粉酶能把糊化的淀粉轉變為糖。20世紀初，首次制成含酶洗滌劑，酶開始用于污垢清洗。1958年，由枯草菌發酵制得微生物堿性蛋白酶，于1961年投入市場，1974年應用于清洗過程。1989年，開始出現用于洗滌的脂肪酶和纖維素酶。

現在應用于污垢清洗的酶制劑主要是能分解淀粉的淀粉酶，能分解蛋白質的蛋白酶，能分解脂肪的脂肪酶以及能分解纖維素的纖維素酶等。

酶的命名與分類

1.酶的命名方法

通常根據酶所作用的底物，或酶所催化的反應類型命名。例如，作用于蛋白質的酶稱為蛋白酶；作用于脂肪的酶稱為脂肪酶；催化氧化反應的稱為氧化酶。盡管此法不夠嚴格與準確，但是簡單明了。

國際酶學會提出的系統命名法是以酶所催化的整體反應為基礎的。例如，α淀粉酶命名為α-1，4-葡萄糖麥芽糖水解酶，表明所催化的水解過程是在各糖苷鍵上，打開聚葡萄糖的連接。

2.酶的分類

①氧化還原酶是能對發生電子或氫原子得失的反應起催化作用的酶。有氧化酶、脫氫酶等。

其反應通式是：A?2H+B=A+B?2H

②水解酶對底物和水所發生的水解反應起催化作用的酶。例如，蛋白酶、脂肪酶、糖酶等。

其反應通式是：AB+H?O=AOH+BH

③轉移酶：對官能團的轉移起催化作用，使官能團由一個分子轉移到另一個分子的酶。例如轉氨酶等。

其反應通式是：AR+B→A+BR

④裂解酶：是對雙鍵斷裂起催化作用的酶。例如，脫羧酶、醛縮酶等。

⑤加和酶：對碳原子與另一個碳原子或氧、氮、硫等其他原子形成化學鍵的過程起催化作用的酶。例如，合成酶等。

⑥異構酶：對同分異構體的相互轉變起催化作用的酶。例如，把葡萄糖轉化為果糖的酶。

這六大類酶再按底物中被作用的鍵或基團的特點分為若干亞類，每個亞類又可以分為若干亞一亞類。

在系統分類法中，每個酶都有一個分類編號。分類編號由四個數字組成。第一個數字表示酶屬上述六大類中的一類；第二、第三數字分別表示酶所屬的亞類、亞一亞類；第四個數字是酶在亞一亞類中的編號。在分類編號前，往往冠上EC，這是酶學委員會（EnzymeCommission）的縮寫。

例如，乳酸的NAD+氧化還原酶的系統編號是：EC1.1.1.27。具體的分類規則可查手冊。

酶的催化作用機理與特點

1.酶的催化作用機理

酶是一種存在于有機體內的有機化合物，是能加速反應的生物催化劑。

由酶催化的反應過程中，反應物又稱為底物（S），被酶（Z）作用并結合到酶分子上，生成酶一底物復合物（ES），是配合物中間體。此時，發生化學反應，底物分子（S）轉變為最終產物（P），并和酶脫離開，脫離開的酶再和另一個底物分子結合，如此不斷進行下去。

這個過程可以表示為：

E+S→ES

ES→E+P

2.酶作為一般催化劑所具有的特性

酶作為生物催化劑也具有一般化學催化劑的特性。

①能降低反應的活化自由能酶和一般的化學催化劑一樣，其作用在于降低化學反應所需的活化自由能，但是其效率更高，因此，只要很少的能量即可使反應物變成“活化態”，活化的分子數量增加，從而使反應速度加快。

②用量少作為催化劑在化學反應過程中本身不發生變化，在參加一次反應后，酶立即恢復原有狀態，再參加下一次反應，因此用少量的酶即可在短時間內催化大量的底物發生反應。

③不改變反應的平衡點正如一般的催化劑一樣，酶不能改變任何反應的熱力學情況，不能使本不可能發生反應的過程發生，只能使在熱力學上可能反應，而在動力學速度很慢的反應加快。

3.酶作為生物催化劑所具有的特性

①催化作用的專一性很強：酶或者只對某種底物起催化作用，或者只對某一類反應起催化作用，或者只對某種立體異構起催化作用。

絕對專一性：有的酶專門作用于某一種底物的性質稱為酶作用的絕對專一性。例如，麥芽糖酶只作用于麥芽糖，使麥芽糖分解成葡萄糖；琥珀酸脫氫酶僅作用于琥珀酸，催化琥珀酸，使之脫氫，轉變為反丁烯二酸，而不產生順丁烯二酸；脲酶僅能分解尿素等。

反應專一性：有的酶專催化某種類型的反應，稱為反應專一性。例如蛋白酶專門催化動物蛋白酶和植物蛋白酶的水解反應；蔗糖酶專門催化蔗糖和棉籽糖的水解反應；脂肪水解酶專門催化有機酸酯類的水解等。

立體異構專一性另有的酶僅作用于立體異構，稱為立體專一性。多數和糖及氨基酸發生作用的酶有立體專一性，例如，胰蛋白酶僅可作用于L-型氨基酸的肽及酯鍵。

②高效性：酶的催化作用效率很高，是一般無機催化劑的10?~1013倍。而且它所要求的條件溫和，不要求一般催化劑所需要的高溫、高壓、強酸性、強堿性等條件。只要很少量的酶，在常溫常壓下，即可以使所催化的生物體內的化學反應非常迅速地完成。

例如在1s內，每個酶分子即可使10?個CO?分子發生水合作用；脲酶催化的尿素水解的一級反應速度常數為3×10?s-1，比非酶反應快101?倍以上；碳酸酹酶的催化反應比非酶反應快10?倍等。雙氧水分解為水和氧的反應，1mol過氧化氫酶在一定的條件下，可以催化5×10?mol過氧化氫分解，而同樣的條件下，鐵催化劑只能使6×10-?mol過氧化氫催化分解。

③酶的活性的可調節性可以采用多種形式，對酶的催化作用進行調節、控制和激活。

4.酶的活力（又稱為活性）的測定方法

在測定酶的含量時用重量或體積表示是不確切的，而應采用酶的活力的概念，即在一定溫度，pH值等條件下，通過測定每個質量單位酶蛋白所含活力單位數來表示。國際酶學委員會規定，在特定的條件下，每1min內引起1μmol底物轉變為產物的酶的量為一個酶活力單位（用U表示）。特定條件是指溫度298K，底物的濃度、緩沖液離子強度、pH值為最適宜條件。

在實際測定中，一般是測定產物的增加量，而不采用測定底物的減少量。因為，底物濃度是大大過量的，反應時底物減少的量所占比例很小，測定不容易精確。而反應前后，產物的量從無到有，變化大，易于測定。

同種酶在測定時采用的條件，如溫度、底物的濃度、離子強度、pH值等可能不同，所測結果也不同。同種酶的活力，可以用幾種方法表示，取不同的單位。

人們對不同酶的活性有一些習慣的表示方法。例如，對脂肪酶定義1g固體酶在40℃，PH=7.5時，在1min內水解脂肪產生1μmol脂肪酸為一個活力單位的脂肪酶。對于α—淀粉酶，定義1g固體酶（或1cm3液體酶）在60°C，pH=6.0時，在1h內水解1g溶性淀粉為一個活力單位的α—淀粉酶。1g固體酶（或1cm3液體酶）在一定溫度和pH值條件下，1min內水解1μg酪素酸定義為一個活力單位的蛋白酶等。

清洗用酶的去污作用機理與基本要求

在污垢清洗中，所用都是水解酶。主要清洗用酶及其所水解的對象見表4-16。

表4-16清洗用酶及其所水解的有機物

1.酶清除污垢的機理

污垢有無機物和有機物兩大類。有機物如油脂、蛋白質等；無機物如沙土、無機鹽等。無機污垢通常是附著在有機物垢上。在清洗掉有機污垢的同時，無機污垢一般可以隨著清除。

清洗用酶從化學上分類屬于水解酶。酶對脂肪、蛋白質、纖維素、淀粉等有機污垢等有機物的分解有催化作用。酶促進有機污垢降解為可溶于水的或經過表面活性劑增溶后而溶解于水的小碎片，而被清洗。

例如脂肪酶能促進脂肪水解成脂肪酸和甘油，淀粉酶能促進淀粉水解為糊精、葡萄糖和麥芽糖，蛋白酶能促進蛋白質水解為氨基酸和多肽。

2.清洗用酶的基本要求

不是所有酶都可以應用于清洗作業中，應用于清洗的酶應滿足下述基本要求：

①有高的活性；

②在清洗的溫度條件下穩定，不變質，并具有高的活性；

③在清洗溶液的pH值范圍內保持高活性，不與酸或堿反應；

④與清洗液的各組分有良好的相容性，不發生副反應。

影響酶作用效果的因素

酶是具有催化活性的蛋白質，外界因素對其催化性能和生物活性有很大的影響，主要影響因素如下。

1.激活劑的影響

激活劑是能加快酶的催化反應速度的物質，多數是離子或簡單有機化合物。

2.抑制劑的影響

抑制劑是在不使酶變性的情況下，使其結構發生改變，對酶的催化活性起抑制作用的外界物質。

3.重金屬離子的影響

Cu2+、Hg+、Ag+、Pb2+等重金屬離子可使酶失去催化活性，發生不可逆的變性。

4.pH值的影響

pH值對大多數酶的活性是有影響的。酶反應的最適宜pH值是酶的催化反應具有最快速度的pH值條件。高于或低于此pH值，酶的催化反應速度都會降低。酶反應最適宜值可通過實驗測定，并隨反應底物的濃度、溫度及其他條件的變化而改變。根據酶的最適宜pH值，可把它分為酸性、中性和堿性幾類。pH值可使酶的催化反應速度發生顯著變化。一般的酶適合pH值范圍在7左右。但是，也有的要求酸性或堿性條件。

根據酶的最適宜pH值，可把它分為酸性、中性和堿性幾類。如胃蛋白酶是酸性蛋白酶，在鹽酸的環境中具有良好的活性。應用于清洗劑中的蛋白酶則在弱堿性介質中活性最強。脂肪酶在pH值高于10的環境中也能適應，是耐強堿性的酶。

5.溫度的影響

隨溫度的升高，酶催化反應的速度加快。與一般的化學反應相似，在較低的一定的溫度范圍內，溫度每升高10°C，反應速度增加1?2倍。溫度超過65°C，酶蛋白質會逐漸失去生物活性，酶的催化效率反而降低。

一般清洗用酶最好在50°C左右使用。但是，不同種類的酶最適宜溫度條件不同。脂肪酶的最適宜清洗使用溫度是35°CSA（Savinme8.0）和ES（Esperase8.0）蛋白酶是70~80年代用于工業生產中的堿性蛋白酶，SA的最適宜pH值為9?10.5，溫度范圍是9?10.5°C；ES的最適宜pH值為10?11.5，溫度范圍是40-75°C。

6.應用環境中其他化學制劑的影響

用于清洗液中的酶應考慮其配伍性。表面活性劑及其他助劑對不同酶的活性有影響。例如，酶的結構為氨基酸，強的氧化還原劑會與其發生反應；氯會破壞酶的活力，在和含氯、過硼酸鹽等漂白劑混合使用時，應先加入酶，再加入漂白劑。脂肪酶在非離子表面活性劑中所起的作用優于在陰離子表面活性劑中。

酶在水中的穩定性較差。酶所在的體系含水量過高，如果堿性又強，酶會發生降解。因此，長期貯存的加酶洗滌劑中水的含量應控制在40%以下，pH值在7~9.5之間。pH值過高，酶會失去活性；pH值過低，清洗性能不好。

清洗用的酶制劑

1.脂肪酶

脂肪酶早在1834年已被發現。它存在于動物的組織、植物的種子和微生物體內。現已可以通過微生物培養的生物工程技術進行工業化制備。

不論是動物脂肪還是植物油脂，它們的主要成分都是高級脂肪酸的甘油酯。脂肪酶能催化脂肪水解，生成脂肪酸和甘油三酯，再進一步催化其水解生成甘油單酯和甘油。

按其功能的不同，脂肪酸分為有位置特異性和無位置特異性兩類。能夠把脂肪分子中的三個甘油鍵無區別地催化水解的念珠菌酵母脂肪酶，屬于無位置特異性的脂肪酶；對甘油三酯中外側的1，3位鍵有選擇地催化水解的絲狀白微菌脂肪酶和胰脂肪酶，即為有位置特異性的脂肪酶。

脂肪性污垢主要是甘油三酯、甘油二酯、甘油單酯和游離脂肪酸等，以及其他的無機雜質的混合物，親水性不良，用水不容易清除，尤其在較低的溫度下更是如此。

在用堿液清洗時，堿可以和油脂污垢中的游離脂肪酸反應，生成肥皂而除去，有衣面活性劑作用的肥皂還可以使脂肪性污垢中的其他成分乳化分散。但是，堿一般難以艙脂肪中的甘油三酯皂化水解。

脂肪酶可以起到堿起不到的作用，可使甘油三酯逐步催化水解，生成極性較強的甘油二酯、甘油單酯，甚至生成游離脂肪酸和甘油，而被清洗劑中的其他組分清除。

如果脂肪酶和表面活性劑配合使用，二者有良好的協同清洗作用。使用有位置特異性的酶比無位置特異性的酶效果更好。在清除甘油二酯、甘油單酯、游離脂肪酸時，使用陰離子表面活性劑比聚氧乙烯型的非離子表面活性劑的效果更好。使用含有脂肪酶的表面活性劑清洗液，可以在常溫下清除動植物油脂性的污垢。

例如，低溫堿性脂肪酶Lipolase有良好的低溫清洗性，最適宜在35°C時使用，其活性和溫度的關系見圖4-45a。Lipolase脂肪酶能耐強堿，pH值對脂肪酶活性的影響見圖4-45b。

圖4-45溫度和pH值對脂肪酶活性的影響

2.蛋白酶

①蛋白酶的組成：酶都是蛋白質，蛋白酶是由20多種氨基酸組成的蛋白質分子，能催化蛋白質和多肽分子內的酰胺鍵（肽鍵）的水解。蛋白質和多肽都是由多種α—氨基酸分子內的氨基和竣基進行縮合反應，由此形成酰胺鍵（肽鍵），結合成的大分子。由兩個α—氨基酸分子通過酰胺鍵結合成的分子為二肽；由多個α—氨基酸分子通過酰胺鍵結合成的分子為多肽。相對分子量大于10000的多肽為蛋白質。

②蛋白酶的分類：按其來源可分為胰蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶、霉菌或細菌蛋白酶等。其中由微生物制取得蛋白酶按其最適宜的pH值，可分為酸性蛋白酶、堿性蛋白酶和中性蛋白酶。

按其功能可分為兩類：一是內切酶，是能從蛋白質或多肽分子內部切開肽鍵，生成分子質量較小的多肽的蛋白酶；另一是外切酶，是只能從蛋白質或多肽分子的氨基或羧基末端使肽鍵水解，而生成游離氨基酸的蛋白酶。

③蛋白酶的作用機理：酶只對某一特定基質有催化作用的性質稱為酶的基質特異性。對于蛋白酶來說，指它只能對多肽鍵中的某些肽鍵的水解起催化作用的性質。但是，多肽分子中實際上有多種肽鍵。若蛋白酶僅對少數特定的肽鍵的水解有催化作用，稱其為基質特異性狹窄的酶。若蛋白酶對多種氨基酸形成的肽鍵的水解有催化作用，則稱其為基質特異性廣闊的酶。

從微生物中提取的蛋白酶能通過對多種氨基酸形成的肽鍵的水解過程起催化作用，使蛋白質污垢變得容易清除，是基質特異性廣闊的酶，因此有很強的清除蛋白質污垢的能力。反之，番木瓜中提取的木瓜酶、動物體內提取的蛋白酶、動物胰臟中提取的胰蛋白酶等的基質特異性狹窄，對蛋白質污垢的清洗能力差。

用微生物發酵的生物工程制取的蛋白酶，適合于大量生產，用于清洗過程，其來源廣，成本低。在清洗中使用最多的是芽砲桿菌產生的堿性蛋白酶。堿性蛋白酶分子的活性中心是絲氨酸，所以又稱其為絲氨酸型蛋白酶。絲氨酸型蛋白酶的主要清洗對象是人體污垢，人體排泄物、乳汁中的蛋白質，皮膚衍生的蛋白質、食物殘留物等。蛋白酶使細菌在蛋白質基質上生長，并使之水解成水溶性的氨基酸或低聚肽而清除：

被蛋白質污垢所包裹與粘附的其他污垢也同時清除。

在催化水解的過程中，絲氨酸活性中心能對多肽鍵中氨基酸間酰胺鍵的碳一氮鍵產生親核活化，并生成中間產物絲氨酸酯。絲氨酸酯在蛋白酶活性中心的組氨酸基及復雜的氫鍵網絡的參與下，發生水解，生成相對分子質量較小的產物，再進一步反應，最后得到水溶性的氨基酸。

由于多肽的相對分子質量大于10000才叫蛋白質，當蛋白酶將蛋白質污垢分子催化水解到相對分子質量為幾百至幾千的多肽小分子時，通過表面活性劑的水溶液的加溶、分散作用以及機械力的助洗，即可被清除。表面活性劑與蛋白酶的共同作用表現出良好的協同效應。

3.淀粉酶

能對淀粉的水解過程起催化作用的酶稱為淀粉酶。

（1）淀粉的分類和水解過程

淀粉是多糖類的一種，是右旋葡萄糖的聚合物，由α-葡萄糖通過α-1，4-糖昔鍵結合成的直鏈淀粉，和在α-1，6位有分支的支鏈淀粉所構成。

按淀粉的結構可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉兩種。直鏈淀粉是由α-1，4-昔鍵連接葡萄糖分子形成的線性高聚物。當線性高分子鏈中的葡萄糖基本單元的6號位羥基，和其他葡萄糖分子結合成α-1，6-昔鍵，而形成支鏈結構，含有該種支鏈結構的淀粉為支鏈淀粉。

?在不同來源的淀粉中，這兩種淀粉的含量不同。在一般的谷類和薯類淀粉中，支鏈淀粉約占10%?20%，其余的是直鏈淀粉；在糯米淀粉中，支鏈淀粉的含量高達99%；而在豆類淀粉中，幾乎全是直鏈淀粉。

在淀粉酶的催化作用下，淀粉分子中的α-1，6-苷鍵和站α-1，4-昔鍵發生水解，分子鏈斷裂，淀粉分子生成葡萄糖小分子。不同結構的淀粉，淀粉酶對其水解作用也不同。

淀粉的基本水解過程：

（C?H??O?）n→（C?H??O?）m→C??H??O??→C?H??O?（m<n）

淀粉糊精麥芽糖葡萄糖

（2）淀粉酶的種類

在動植物和微生物體內廣泛存在淀粉酶。來源不同的淀粉酶，性質不同，對淀粉的水解能力也不同。

按淀粉酶水解淀粉的方式，工業上用處最大的淀粉酶有以下幾種：

①α-淀粉酶廣泛存在于麥芽、唾液、胰臟和微生物中。

②β-葉淀粉酶是最早被人類應用于釀酒、飴糖生產中的酶。廣泛存在于麥類、山藥、豆類和一些蔬菜中。

③淀粉葡萄糖苷酶：又稱為糖化酶，也曾稱為γ-淀粉酶，是一種外切型淀粉酶，只存在于微生物界，許多霉菌都可以生產糖化酶，黑曲霉是其最重要的生產菌種。

④解枝酶：是一類切開支鏈淀粉的酶，廣泛存在于植物和微生物中。

⑤環狀麥芽糊精葡萄糖基轉移酶：能催化淀粉通過分子內的葡萄糖基轉移反應（環化反應）而生成環糊精，也能水解α-1，4葡聚糖和環糊精。

此外還有麥芽糖生成酶等。

4.纖維素酶

能把纖維素水解成葡萄糖的酶總稱為纖維素酶。纖維素酶包括內切葡萄糖酶、β-葡萄糖昔酶、纖維二糖水解酶。在一定的條件下，由于它們的協同作用把纖維素水解為葡萄糖。

①纖維素酶在清洗中的作用棉、麻等天然的纖維的主要成分是纖維素。棉、麻的紡織品在多次洗滌之后，部分織物微纖維會從主纖維上分離出來，由于這些微纖維對光線的反射暗淡，影響紡織品的表面色澤，手感變壞。纖維素酶可使紡織品表面的微纖維水解而清除，恢復其光澤和平滑，使手感變得柔軟。吸附在微纖維網絡內的細微污垢，將隨微纖維的水解而被釋放岀來。因此，加有纖維素酶的表面活性劑洗滌液，能達到普通表面活性劑洗滌液所達不到的清洗效果。

②纖維素酶使纖維素水解的機理纖維素分子鏈的基本結構單元是葡萄糖，基本單元之間由1，4-昔鍵相連接，形成長鏈線性的高分子。纖維素酶的作用機理尚未清楚。初步的觀點是先由內切葡萄糖酶的作用于微纖維的非晶態區，使其暴露出許多末端與外切型酶作用。再由纖維二糖水解酶從非還原性的末端依次分解，產生纖維二糖。爾后，部分降解的纖維素再由纖維二糖水解酶與內切葡萄糖酶協同作用，進一步分解為纖維二糖、纖維三糖等低聚糖。最后，由β-葡萄糖昔酶作用而分解為葡萄糖。

酶在清洗中的應用

1.污垢的清洗

在釆用各類清洗劑清除污垢時，只要清洗的環境條件不破壞酶的活性，被清洗物含有酶能催化水解的有機物，即可選用適當的酶加入清洗劑中，可以大大改善清洗的效果。這類相關的污垢包括動植物油脂、蛋白質、纖維素等。

2.紡織品脫漿

為了使紗線有一定的強度，減少織造過程中的摩擦，織布以前紗線需要上漿，漿料的主要成分是淀粉。布料織造以后，染整以前，需要去掉這些漿料。酶可用于退漿劑中。我國紡織業中常用的酶是胰淀粉酶、BF-7658淀粉酶（即α-淀粉酶）等。BF-7658淀粉酶的相對分子質量是55000，最適宜反應溫度是75°C，最適宜pH值是5?7。

3.生絲脫膠

為了使絲綢有絲鳴和絲光現象，有柔軟的質感，應脫去生絲表面的絲膠。絲膠的主要成分是可溶性蛋白質，可用高溫堿皂法除去。但是該法影響絲織品的光澤，使絲綢的色澤暗淡，手感粗糙。采用由微生物培養的中性或堿性蛋白酶進行脫膠，可以明顯提高絲綢的質量。

4.管道清淤

被蔬菜、樹葉、草根、明膠、食物殘渣等堵塞的管道，可采用各種酶的混合物清淤與疏通。明膠是一種動物蛋白質，被明膠等污垢堵塞的膠片廠下水道，可用含蛋白酶的清洗液清洗。

5.感光廢膠片的清洗與回收

采用50?60℃的中性或堿性蛋白酶清洗液清洗感光廢膠片，使膠片上的蛋白質明膠膜被蛋白酶分解，銀進入溶液可以回收。醋酸纖維素片基溶于適當的溶劑中回收。

6.農產品加工與食品機械清洗

沾粘上蛋白質等有機物的各種機械，可用蛋白酶溶液浸泡清洗。

7.隱形眼鏡清洗

用蛋白酶液浸泡隱形眼鏡片，可清除鏡片上的指紋及淚液的蛋白質污垢。