酶工程在寧夏輕工業(yè)的應(yīng)用前景

皇甫瑞濤　焦育榮

【摘 要】輕工業(yè)在寧夏工業(yè)中占比較低，“十三五”規(guī)劃對寧夏輕工業(yè)未來的發(fā)展提出了更高的要求。目前寧夏積極承接?xùn)|部產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，紡織業(yè)發(fā)展迅猛，生物發(fā)酵及制藥產(chǎn)業(yè)形成集群，造紙業(yè)也頗具規(guī)模，但同時(shí)也面臨著市場競爭激烈，生產(chǎn)成本上漲，技術(shù)創(chuàng)新缺乏，環(huán)保壓力增加等問題。酶工程作為工業(yè)中重要的技術(shù)手段，經(jīng)過幾十年的蓬勃發(fā)展已經(jīng)成為生物技術(shù)領(lǐng)域的前沿產(chǎn)業(yè)，有著廣泛的應(yīng)用。本文旨在根據(jù)酶工程在國內(nèi)外的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀對其在寧夏輕工業(yè)未來發(fā)展中的作用做前景分析。

【關(guān)鍵詞】酶工程；輕工業(yè)；造紙；紡織；發(fā)酵；寧夏

1 酶及酶工程簡介

酶是指具有生物催化功能的高分子物質(zhì)，大多數(shù)由蛋白質(zhì)組成（少數(shù)為RNA），能在機(jī)體中溫和的條件下，高效率地催化各種生物化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)生物體的新陳代謝。酶工程就是將酶或者細(xì)胞、細(xì)胞器等在一定的生物反應(yīng)裝置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段生產(chǎn)人類需要的產(chǎn)品或服務(wù)于其它目的的一門應(yīng)用技術(shù)。酶工程的應(yīng)用，主要集中于食品工業(yè)，輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)中。

與無機(jī)催化劑相比較，酶有很高的催化效率，在溫和條件下（室溫、常壓、中性）極為有效，其催化效率為一般非生物催化劑的109至1012倍。酶催化劑選擇性（又稱作用專一性）極高，即一種酶通常只能催化一種或一類反應(yīng)，而且只能催化一種或一類反應(yīng)物（又稱底物）的轉(zhuǎn)化，包括立體化學(xué)構(gòu)造上的選擇性。由于大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，因而會(huì)被高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等破壞，在使用條件上比無機(jī)催化劑要嚴(yán)苛。

2 寧夏輕工業(yè)發(fā)展概況

寧夏的工業(yè)主要以煤炭、冶金、建材、機(jī)電等重工業(yè)為主，輕重比約15：85，近年來，隨著國家供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革要求的提出，寧夏大力發(fā)展輕工業(yè)及第三產(chǎn)業(yè)。2016年，全區(qū)第三產(chǎn)業(yè)比重為45.6%，比上年同期上升1.2個(gè)百分點(diǎn)，輕工業(yè)占規(guī)模以上工業(yè)增加值的比重為19.3%，比上年同期提高1.4個(gè)百分點(diǎn)，高耗能工業(yè)比重從2015年末的52.6%下降至51.6%。在寧夏“十三五”規(guī)劃中，設(shè)定了到2020年，輕工業(yè)年均增長超過15%，輕重工業(yè)比達(dá)到25：75的目標(biāo)。目前，寧夏圍繞羊絨紡織、棉紡織、亞麻紡織和化纖四大產(chǎn)業(yè)，大力發(fā)展現(xiàn)代紡織產(chǎn)業(yè)示范園、銀川高新技術(shù)開發(fā)區(qū)（靈武羊絨產(chǎn)業(yè)園）、吳忠利通毛紡織園區(qū)、石嘴山高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)等紡織園區(qū)，同時(shí)在造紙、生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)方面也加大特色專業(yè)園區(qū)建設(shè)，計(jì)劃到2020年，現(xiàn)代紡織總產(chǎn)值突破600億元，增加值150億元，生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過100億元，實(shí)現(xiàn)增加值35億元。

3 酶在輕工業(yè)的應(yīng)用

酶在輕工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用范圍十分廣泛，如紡織、造紙、發(fā)酵、制革、毛皮洗滌劑、食品加工、醫(yī)藥、天然橡膠等領(lǐng)域，現(xiàn)就寧夏規(guī)模較大的紡織、造紙和發(fā)酵行業(yè)詳細(xì)論述。

3.1 酶在紡織行業(yè)的應(yīng)用

寧夏紡織行業(yè)主要以羊絨紡織和棉紡織為主，其中羊絨纖維去皮、染色、紗線處理等環(huán)節(jié)均可應(yīng)用酶工程技術(shù)。羊絨是具有高價(jià)值的動(dòng)物纖維，俗稱軟黃金，加工后的無毛絨價(jià)格約50萬元/噸，品質(zhì)較好原絨是通過抓絨取得的，其中含粗毛、沙土、皮屑、汗脂等雜質(zhì)，雖然通過洗毛分梳等工序后可以去除大部分雜質(zhì)，但皮屑不易被清除，后續(xù)染色時(shí)會(huì)在產(chǎn)品中留有深色皮膚點(diǎn)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品外觀。利用角質(zhì)酶和胃蛋白酶在低溫弱酸性環(huán)境下可較為有效地去皮屑雜質(zhì)而不損傷羊絨纖維，國內(nèi)已有科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)研究[1]。通過利用角蛋白酶和蛋白酶協(xié)同作用，還可以提髙羊絨纖維表面鱗片去除效果，使得纖維氈化幾率大大降低。

在印染加工方面，目前使用較多的酶制劑主要是纖維素酶、蛋白酶、淀粉酶、果膠酶、脂肪酶、過氧化酶、漆酶、葡萄糖氧化酶八類。在退漿工藝中利用淀粉酶的選擇性反應(yīng)，可使用作掛漿的淀粉大分子分解，完全退漿，同時(shí)又不損傷主要成分是纖維素的織物；在煮練工藝中使用堿性果膠酶、纖維素酶和脂肪酶等，可去除果膠質(zhì)、纖維表面的棉籽殼及蠟質(zhì)，遠(yuǎn)優(yōu)于堿煮效率；在棉織物經(jīng)雙氧水漂白后，利用過氧化氫酶進(jìn)行脫氧，可將練漂后布面所殘留的雙氧水去除，減少對后道染色工序的影響。織物后整理環(huán)節(jié)，棉織物經(jīng)過纖維素酶整理后，可大幅改善手感和外觀，如在傳統(tǒng)的牛仔布石洗過程中，應(yīng)用纖維素酶結(jié)合浮石打磨處理使牛仔布的色彩變淡就可以達(dá)到良好的效果，在外觀、價(jià)格、處理時(shí)間及固體殘留等方面都有較大優(yōu)勢。

3.2 酶在造紙行業(yè)的應(yīng)用

寧夏造紙及包裝行業(yè)近年發(fā)展勢頭較好，但是造紙工業(yè)對于環(huán)境的污染也很顯著，主要是污水排放總量及排放污水中化學(xué)耗氧量較高，現(xiàn)已成為我國污染環(huán)境的主要行業(yè)之一。造紙工業(yè)的污染主要包括制漿和抄紙兩個(gè)過程中的污染，傳統(tǒng)化學(xué)制漿過程中的黑液是整個(gè)造紙生產(chǎn)過程中污染最為嚴(yán)重的廢水，黑液COD一般在30000mg/L至150000mg/L，漂白過程每噸漿耗水約100m3，廢水的COD一般在200mg/L至1000mg/L。一般的化學(xué)法制漿，不但要用到各種化學(xué)藥品，而且成本高、能耗大。漆酶是一種含銅的多酚氧化酶，廣泛分布于自然界，通過酶法制漿，使用漆酶（下轉(zhuǎn)第180頁）（上接第164頁）降解木素，方法簡單，對環(huán)境也無污染。使用漆酶在蒸煮前木素原料進(jìn)行預(yù)處理，把原料降解成低分子質(zhì)量木素，在增加了木素的溶出和被抽提的能力的同時(shí)還降低了紙漿的Kappa值，提高紙漿的白度和強(qiáng)度。有研究表明，在20～90℃，pH值2～10條件下用漆酶對原料中的木素進(jìn)行改性預(yù)處理，結(jié)果磨漿能耗明顯降低，每噸漿能耗從1300kW·h降到850kW·h，節(jié)省動(dòng)力約30%，且機(jī)械漿的物理性能得到改善，紙漿質(zhì)量達(dá)到化學(xué)熱磨機(jī)械漿的水平[2]。

3.3 酶在發(fā)酵行業(yè)的應(yīng)用

發(fā)酵行業(yè)作為寧夏五大支柱產(chǎn)業(yè)之一在工業(yè)總量中占比較大，主要生產(chǎn)味精及四環(huán)素、紅霉素等。在谷氨酸生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)方法是以酸水解淀粉為原料進(jìn)行水解，而同時(shí)使用淀粉酶和糖化酶雙酶法糖化相較于酸法制糖得到的糖液質(zhì)量更高，粉糖轉(zhuǎn)化率也比酸糖法高3%以上，同時(shí)還可以使用質(zhì)量較差的淀粉原料節(jié)約成本。在抗生素生產(chǎn)方面，β-內(nèi)酰胺抗生素由于具有良好的抗菌效力，較低的毒副作用，在臨床上廣泛應(yīng)用，全世界耗用量已過萬噸，通過酶法生產(chǎn)應(yīng)用于β-內(nèi)酰胺抗生素合成，產(chǎn)品所含雜質(zhì)極少，不僅可減少反應(yīng)步驟，而且還可減少廢棄物的產(chǎn)生，降低生產(chǎn)成本。

4 小結(jié)

按照寧夏“十三五”規(guī)劃，在可預(yù)見的未來，寧夏輕工業(yè)必將獲得巨大的發(fā)展，在工業(yè)中占比也會(huì)進(jìn)一步提高，廣泛應(yīng)用于輕工業(yè)的酶工程在寧夏也將迎來高速的發(fā)展。然而國內(nèi)酶工程產(chǎn)業(yè)雖然發(fā)展較快，但與發(fā)達(dá)國家水平仍有較大差距，技術(shù)研究與開發(fā)滯后，科研技術(shù)轉(zhuǎn)化能力不強(qiáng)，酶制劑生產(chǎn)成本高、活性低等現(xiàn)狀依然存在，一定程度上會(huì)制約酶工程技術(shù)在寧夏的應(yīng)用。因此，應(yīng)當(dāng)在政策上給予酶工程輕工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用項(xiàng)目的扶持，激勵(lì)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)創(chuàng)新研發(fā)，同時(shí)做好酶工程專業(yè)人才培養(yǎng)，加大酶工程應(yīng)用推廣力度，助力其在寧夏輕工業(yè)發(fā)展中擔(dān)任更為重要的角色。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳曉盟，王樹根，薛晨.采用生物酶法去除山羊絨膚皮屑.紡織學(xué)報(bào)，2013（9）：21-26.

[2]Jujop.Enzymes are breaking into paper[J].Pulp and Paper Int.，1991，33（9）：81.endprint