制革过程蛋白酶在皮革多孔介质内的传质强化及催化活性调控

Application of efficient and clean biotechnologies based on proteases for leather manufacture is one of the most essential trends in leather industry. However, collagen in the surface layers of hide/leather is liable to be excessively hydrolyzed due to the low transfer rate and the high reaction rate of protease in the porous hide/leather matrix. This will dramatically reduce the quality of leather and extremely degrade the performance of protease treatments. In this project, the mass transfer of protease will be enhanced by regulating the interfacial tension and the charge of protease/leather, and the hydrolysis rate of collagen will be decreased by reversible inhibition of the protease. As a result, the key scientific problem concerning the paradox between the mass transfer of protease and its catalysis during leather processing is expected to be solved. The main contents of this project will include: 1) regulation of the protease-hide/leather interfacial tension by typical surfactants and Gemini surfactants, and the relationship between this interfacial tension and the mass transfer of proteases; 2) regulation of the charge state of proteases by environmental conditions and chemical modifications of proteases, and the relationship between the electrostatic interaction of protease with hide/leather and the mass transfer of proteases; 3) regulation of the inhibition and the recovery of the catalytic activities of typical proteases used in leather industry by reversible inhibitors, and the mechanism of the interaction between the inhibitors and the proteases; 4) optimization of the coupling of the mass transfer enhancement and the catalytic activity regulation obtained above. This project will hopefully provide a theoretical basis and an effective solution for developing safe and efficient biological processes in leather manufacture.

基于蛋白酶作用的高效、清洁制革生物技术的应用是制革工业的重要发展方向之一。但由于蛋白酶在皮革多孔介质内传递速率慢而反应速率快，皮革表层胶原蛋白容易被过度水解，致使皮革品质严重降低，这极大限制了蛋白酶处理技术的应用效果。本项目拟从界面张力和电荷调控的角度强化蛋白酶传质，同时通过酶的可逆抑制降低蛋白酶水解皮胶原蛋白的反应速率，解决制革过程蛋白酶传质与反应相矛盾这一关键科学问题。主要研究内容包括：1）典型和Gemini表面活性剂对酶与皮革间界面张力的调控规律，以及该界面张力与蛋白酶传质行为的关系；2）环境条件和酶的化学修饰等对酶电荷性质的调控规律，以及酶和皮革的静电相互作用与蛋白酶传质行为的关系；3）可逆抑制剂对典型制革用蛋白酶催化活性抑制/恢复的调控规律，以及其与蛋白酶的作用机制；4）蛋白酶传质强化与催化活性调控的耦合优化。研究结果可望为实现安全且高效的制革生物处理过程提供理论指导和解决方案。

蛋白酶在皮革多孔介质内传递速率慢而反应速率快，容易损伤皮革表面胶原纤维、降低皮革品质，这限制了制革生物技术的大规模应用。本项目旨在解决制革过程蛋白酶传质与反应相矛盾这一关键科学问题，主要研究内容和重要结果包括：1）通过研究系列表面活性剂、有机小分子、蛋白质大分子对典型制革用蛋白酶表面活性、电荷性质、催化活性、传质行为、皮革处理效果等的影响规律及机理，探明了酶分子与皮革的界面张力和静电相互作用是影响制革过程蛋白酶传质行为的关键因素，并筛选出数种能显著提高蛋白酶传质速率的表面活性剂和电荷调节剂。所选表面活性剂能明显降低酶溶液的表面张力，电荷调节剂能改变酶与胶原纤维间的静电相互作用、降低酶与皮革表面的亲和力，从而提升蛋白酶在皮革中的渗透速率和分布均匀性，缩短蛋白酶在皮革表层的滞留时间，最终减小皮革表面的损伤风险。2）系统研究了竞争型抑制剂——Kunitz型胰蛋白酶抑制剂（KTI）对胰蛋白酶（典型制革软化用酶）抑制作用的剂量-效应和时间-效应关系，以及KTI对胰蛋白酶分子尺寸、电荷性质、传质行为、软化效果等的影响。结果表明，在软化初期使用胰蛋白酶-KTI复合物能有效阻止胰蛋白酶快速水解皮表层蛋白质，且随着复合物逐渐渗入皮中，皮蛋白质可与KTI形成竞争而恢复酶活力，KTI的可逆抑制作用明显降低了皮革的损伤风险；另一种情况，待胰蛋白酶渗透裸皮后，加入足量KTI能充分抑制皮表面的蛋白酶活性，避免皮革表面受损且不会影响酶软化效果。由此，建立了“初期酶活抑制—后期酶活恢复”和“初期酶渗透—后期酶抑制”两类制革软化方法，为合理调控酶催化活性、科学设计酶应用工艺提供了新思路。综上所述，本项目从界面张力和电荷调控的角度提高了蛋白酶在皮革中的传质速率，同时选用可逆抑制剂降低了蛋白酶水解皮表面胶原的反应速率，有效缓解了制革过程蛋白酶传质与反应的突出矛盾。研究结果为高质量应用蛋白酶制剂、保证成革品质提供了理论指导和技术支撑。