CN1144910C - 用于底物的酶催化氧化的多成分系统及酶催化氧化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及进行介体依赖性酶催化氧化的多成分系统，其包括氧化催化剂、氧化剂及介体，其特征在于：a)氧化催化剂选自由锰氧化酶组成的组；b)氧化剂选自由氧及含氧化合物组成的组；c)介体选自由含有锰离子的化合物组成的组。

Description

用于底物的酶催化氧化的多成分系统及酶催化氧化方法
本发明涉及用于底物的介体依赖性酶催化氧化的多成分系统及酶催化氧化方法。
用于底物的介体依赖性酶催化氧化的多成分系统及相应的方法，基本上是已知的。就此而言，介体通常是可被氧化还原酶氧化的化合物，即首先也是酶氧化催化剂的底物。介体以介体的氧化的形式(经活化的介体，例如介体游离基或介体阳离子)而著名，它们具有足够长的寿命而能自氧化还原酶扩散至氧化系统的实际底物并与其相互作用的。在经活化的介体与底物的相互作用中，底物被介体氧化。借助于底物的氧化，介体可被再生(催化型氧化系统)或被失活(化学计量氧化系统)。若介体被再生，则可用于新的催化循环。在直接酶催化氧化方法中，通过介体自底物转移至氧化还原酶的电子被转移至终端电子受体，如氧或过氧化物。
在以过氧化物(直接或由前体释放)作为终端电子受体的方法中，仅过氧化物酶可被用作氧化还原酶。虽然已知许多这样的方法，但它们的缺点甚多：在如纸张漂白或洗衣洗涤剂的工业方法中使用的过氧化物酶，其生产极为昂贵。再者，添加过氧化物酶亦成问题，因为在使方法有效的浓度下，过氧化物使过氧化物酶失活。前述作为过氧化物酶介体的许多化合物不能在工业上使用，因为它们经强烈着色，在毒理学或生态毒理学上是有害的，不能生物降解或仅能略微生物降解及供应量不足或不足够廉价。所以利用过氧化物作为终端电子受体的方法，目前尚不适于经济有利的工业用途。
在氧作为来自待氧化的底物的电子的终端电子受体的方法中，氧化酶被用作氧化还原酶。文献中曾述及两组可用于介体依赖性酶催化氧化方法的氧化酶：漆酶(Boubonnais和Paice(1990)，FEBSLETTERS，第267卷(1)，第99至102页，WO 94/29510)及酪氨酸酶(WO 94/29510)。与血红素辅基作为氧化还原活性中心的过氧化物酶的情况相反，在漆酶及酪氨酸酶的情况中，电子转移是由四个铜离子催化的，该铜离子与这些氧化酶(“蓝铜”氧化酶)的四个相应的铜结合位点配位。自介体顺序取总共四个电子，之后在四电子转移中将该四个电子转移至分子氧上。分子氧被还原成水，氧化酶被再生用于新的反应循环。举例言之，在WO 94/29510、WO97/06244、WO 96/10079或WO 95/01426中曾述及许多介体，它们催化自待氧化的底物至氧化酶的电子转移。
这些包含氧化酶及氧的介体依赖性酶催化氧化方法用于煤液化(WO 94/29510)，用于木浆漂白(WO 94/29510)，用于有机合成(Potthast等(1995)，J.Org.Chem.，第60卷，第4320至4321页)，作为洗衣洗涤剂及洗碗洗涤剂的漂白系统(WO 97/06244)，用于粗斜纹绵布漂白(WO 96/12846)，用于洗涤过程中防止染料转印(WO 98/23716)或用于多环芳烃的裂解(Johannes等(1996)，Appl.Microbilo.Biotechnol.，第46卷，第313至317页)是已知的。
但是，因介体具有妨碍工业使用的性质，利用氧化酶的酶催化氧化方法亦有重大缺点：—在WO 94/29510中被描述为特别有效的介体HBT不能生物降解(Amann(1997)，9th Int.Symp.On Wood and Pulp.Chem.，F4-1至F4-5)。—许多介体如HBT及紫尿酸的活性形式所使用的氧化酶失活(Amann(1997)，9th Int.Symp.On Wood and Pulp.Chem.，F4-1至F4-5)，所以在相应方法中需要使用大量的酶。—一组活性甚高的介体的特征在于具有N-O基，所以每个介体分子含有至少一个氮原子(WO 94/29510)。因此使用含有N-O的化合物具有与毒性及生物降解性有关的问题。此外，纸浆制造业的生物废水纯化系统经常不能处理额外的氮负荷量。—一些介体，例如ABTS，形成强烈着色的游离基，所以导致待氧化的底物的不期望的褪色。—大多数介体含有氮或硫原子，所以生产比较昂贵。
目前这些缺点也限制这些用于氧化底物的系统在工业上广泛使用。
Archibald和Roy(Archibald和Roy(1992)，Appl.Environ.Microbiol.，第58卷，第1496至1499页)曾述及一种方法，其中由酚类及Mn2+/Mn3+组成的氧化还原级联作为氧化酶与待氧化的底物间的介体。该系统利用氧作为终端电子受体。所用的氧化酶是漆酶。被漆酶氧化的初级底物，最初为酚类，如间羟基苯甲酸或间甲苯酚。在有络合剂如焦磷酸根离子的存在下，在氧化的酚类的参与下，将Mn2+氧化成Mn3+的次级氧化可以发生。对该系统而言，并不能证实非酚类底物亦可被氧化。而且用仅用漆酶、Mn2+及络合剂的系统进行木质素氧化，不能发现去木质素作用。因该介体依赖性酶催化氧化系统不采用介体而改用酚类、络合剂及锰离子的组合，且由于必须采用酚类介体，因毒理学原因而妨碍了该方法的使用，所以，就技术观点而言，该系统较其它所述系统并无任何重大改进。此外，该系统的反应时间长达超过15小时，妨碍了该系统的实际使用。
本发明的目的是提供用于底物的介体依赖性酶催化氧化的多成分系统，该系统无已知多成分系统的缺点，所以使待氧化的底物的简单及价廉的转化成为可能。
借助于包括氧化催化剂、氧化剂及介体的多成分系统达到此目的，该多成分系统的特征在于：
a)氧化催化剂选自由锰氧化酶组成的组，
b)氧化剂选自由氧及氧化合物所组成的组，
c)介体选自由含有锰离子的化合物组成的组。
优选地，本发明的多成分系统包括选自由可以与锰离子络合的络合剂组成的组的络合剂。
为达到本发明的目的，锰氧化酶被理解为是直接氧化锰或锰离子并将所得电子转移至氧的氧化酶。优选地，在氧及络合剂的存在下，这种氧化酶能将Mn2+氧化成Mn3+。优选为含有铜离子作为氧化还原活性催化基团的锰氧化酶。
举例而言，锰氧化酶可自己知的微生物中分离。为完成该项分离工作，这种微生物在它们形成锰氧化酶的条件下生长。在本发明的组合物中，最简单的情况中所用的锰氧化酶可为微生物的含有全部锰氧化酶的酶催化或化学破坏的细胞制品。但亦可能采用含有锰氧化酶的培养物上清液或分离出来的锰氧化酶。
举例而言，锰氧化酶是由生盘纤发菌、SG-1芽孢杆菌及假单胞菌种形成(Nealson等(1989)，Beveridge和Doyle(编著)，金属离子及细菌，John Wiley and sons，Inc.，纽约，第383至411页)。用以编码来自生盘纤发菌及SG-1芽孢杆菌的锰氧化酶的基因已经被克隆并测序(Corstjens等(1997)，Geomicrobilo.Journal，第14卷，第91至108页及Van Waasbergen等(1996)，Journal of Bacteriology，第178卷，12期，第3517至3530页)。两种基因均编码含有自“蓝铜”氧化酶得知的铜结合序列的蛋白质，且其锰氧化酶活性通过添加铜而增加。
除所述产生锰氧化酶的微生物外，其它微生物亦可用作锰氧化酶的来源。因此，举例言之，在锰氧化酶累积于芽孢内的微生物的情况中，例如：SG-1芽孢杆菌，分离出来的芽孢亦可在本发明方法内用作酶源。
再者，可以使用由重组体生产方法生产的锰氧化酶。在此情况中，重组体生产方法是指所有以下方法，其中编码锰氧化酶的基因是自天然生产者分离出来，且然后以已知方法导入适当的生产菌株，该菌株亦可为原来的酶生产者。
锰离子在本发明的组合物中起介体作用。这些锰离子可以任何氧化态加入该方法内。
优选地，所用锰离子的氧化态为+2或+3。
氧化态为+2的锰优选以硫酸锰或氯化锰的形式使用。
氧化态为+3的锰优选以可溶性锰络合物的形式使用。这种锰络合物的实例是锰/甲酸盐、锰/乳酸盐、锰/草酸盐或锰/丙二酸盐。
介体(例如Mn3+离子)自待氧化的物质取得一个电子。这样该物质被氧化，锰离子本身被还原(例如成为Mn2+离子)。这种形式的锰离子转运电子，该电子被输送至锰氧化酶并在那里被释放，而锰被氧化回最初的氧化态(例如成为Mn3+离子)。氧作为锰氧化酶的氧化剂从而作为终端电子受体。
借助已知的化学或酶催化的氧发生系统，反应中可直接产生氧。氧亦可由电解水产生，或者氧可以气态或液态直接使用。
优选地，氧是以气态或液态氧的形式或以含氧气体混合物例如空气的形式直接使用。特别优选地，氧以含氧气体混合物例如空气的形式引入。
优选地，由锰氧化酶直接氧化Mn2+所形成的Mn3+在络合剂的存在下起作用。
适当的络合剂优选是络合Mn3+从而将其稳定化的化合物。
优选地，使用不含氮的、易于生物降解的且在毒理学上无害的络合剂。举例而言之，这种络合剂是甲酸盐、乳酸盐、丙二酸盐或草酸盐。
与已知系统相比，本发明的系统具有下列优点：
-举例而言，当过氧化物用作电子受体时发生的氧化还原酶的失活问题，在本发明的组合物内不发生，这是因为氧用作氧化剂因而作为终端电子受体。
-氧可以技术上简单的方法及足够的量被加入。
-如已知的，与过氧化物酶及锰过氧化物酶不同，锰氧化酶的活性不需要辅基，例如血红素基。因此锰氧化酶毫无问题地以常规的生产系统在工业规模制备。
-本发明的系统不需要含氮或含硫的介体或着色或不易生物降解的或毒性的介体。惟一的氧化还原作用介体是锰离子，其在两种氧化态之间转换(优选在氧化态2+及3+之间转换)。与已知介体的失活不同，举例言之，化学修饰不能使该锰介体失活。
本发明的组合物可用以氧化多数各种各样的底物。优选地，用以氧化可被锰离子氧化的底物。特别优选地，它可用以氧化可被Mn3+离子氧化的底物。
举例言之，本发明的多成分系统适于用作洗衣洗涤剂及洗碗洗涤剂的漂白系统、木浆漂白、粗斜纹棉布漂白、废水处理、有机合成、洗涤过程中防止染料转印或多环芳烃的裂解。其它可能的用途是，举例言之，用于煤液化。
使用氧化酶及氧的介体依赖性酶催化氧化方法的已有技术上描述了相应的方法。
对于本领域技术人员，利用本申请所说明的成分及方法条件以修饰相应的已知方法及利用本发明的组合物以达到所述目的是容易的。
本发明另外涉及用以氧化底物的方法，其特征在于，在氧以及，如果适当，锰离子的络合剂的存在下，锰氧化酶直接氧化Mn2+形成Mn3+，该Mn3+离子氧化底物，其本身被还原为Mn2+，而又可以被锰氧化酶直接氧化。
在本发明的方法中，所用的底物优选是水溶液、混合物或悬浮液的形式。
在本发明的方法中，每升反应物所用活性锰氧化酶的量优选为0.001至50毫克。
加入反应混合物的锰氧化酶，优选为颗粒、溶液、悬浮液形式或带有载体物质。
特别优选地，加入反应混合物的锰氧化酶是悬浮液的形式，该悬浮液在非离子洗涤剂中包括0.5％至50％(重量)的酶。
在本发明的方法中，优选地，氧化态Mn2+或Mn3+的锰用作氧化还原介体。氧化态为2+或3+的锰离子可在此氧化态下直接使用，或可由其它氧化态的锰离子，例如Mn4+或Mn7+在该方法中制得。
氧化态为3+的锰优选是可溶性锰络合物的形式，例如锰/甲酸盐、锰/乳酸盐、锰/草酸盐或锰/丙二酸盐。
在本发明的方法中，优选使用氧化态为2+的锰。特别优选使用硫酸锰或氯化锰。
在本发明的方法中，所用锰离子的浓度为0.005毫摩尔/升至50毫摩尔/升。所用锰离子的浓度优选为0.05毫摩尔/升至5毫摩尔/升，且浓度特别优选为0.1毫摩尔/升至1毫摩尔/升。
取决于具体的应用，所需的锰可以已经存在于待氧化的底物中。通常不需外加锰离子的本发明的方法的一个实例是木浆漂白。木材及由其制得的纸浆经常已经天然含有本发明的氧化方法所需的足够高量的锰离子。
在本发明的方法中，所用氧的分压优选为0.05至5巴。特别优选地，所用氧的分压为0.1至2.5巴。特别优选地，所用氧的分压为0.2至1巴。
在本发明的方法中，所述络合剂的浓度优选为1毫摩尔/升至500毫摩尔/升。优选地，所用适当的络合剂的浓度为5毫摩尔/升至100毫摩尔/升，更优选的浓度为10毫摩尔/升至50毫摩尔/升。
本发明的氧化方法可用以氧化所有可被Mn3+离子氧化的化合物。举例言之，本发明的方法可用于造纸及木浆生产中木质素的氧化、作为洗衣洗涤剂及洗碗洗涤剂的氧化系统、酶催化染料漂白、酶催化织物漂白、洗涤过程中防止染料转印、有机合成过程中有机靶分子的特定氧化、氧化废水处理、氯化烃类的降解、多环芳烃的裂解及煤液化。
下列实施例用以进一步说明本发明。
实施例1：
生产锰氧化酶的微生物的分离
1.a.锰氧化微生物的分离：
通过Krumbein和Altmann的方法(Krumbein和Altmann(1973)，Helgolander wiss.Meeresunters，第25卷，第347至356页)，在指示板上将锰氧化微生物，尤其是真菌及细菌分离出来。
在氧化态锰离子Mn3+至Mn7+的存在下，在pH 4-7，柏贝林蓝(Berbelin blue)形成深蓝色染料。在柏贝林蓝浓度升高及适当锰离子的存在下，在pH高达10形成蓝色氧化产物。
为进行平板筛选，将无色柏贝林蓝(N，N′-二甲氨基-P，P′-三苯甲烷-O″-磺酸)加入营养培养基内。在每100毫升营养培养基中10-4至10-5克柏贝林蓝的浓度范围内，未发生细菌生长的抑制。
为了分离异养锰氧化细菌，使用下列培养基：
3.5克/升Difco-Bacto-蛋白胨
0.8克/升MnSO4·H2O
100毫克/升FeSO4·7H2O
15克/升Difco-Bacto-琼脂
750毫升海水
245毫升蒸馏水
10毫升柏贝林蓝储备溶液(4克/升)pH7.6
以适当的稀释度或浓度将含有细菌的样品，如海水样品、沉积物样品、土壤样品、来自矿床的土壤等施加在这种指示板上，使每个指示板上有100至300个个体菌落生长。
细菌在这种指示板上培养5至10天之后，形成蓝色菌落(即锰氧化活性被与细胞相关(cell-associated))，或在菌落周围具有蓝晕(即锰氧化酶被分泌至培养物上清液内)，对该细菌作进一步的分析。
1.b.柏贝林蓝氧化微生物内锰氧化酶的检测
如1a中所述分离的微生物可产生锰氧化酶，但锰过氧化物酶或Fe2+的氧化也导致染蓝现象。根据Boogerd和de Vrind所述的方法(Boogerd和de Vrind(1987)，J.Bacteriol.，第169卷(2)，第489至494页)进行锰氧化酶活性的特异性检测：首先，待测试微生物各自于分离所用的未添加琼脂或柏具贝林蓝的1升培养基内生长10天。然后通过离心(15分钟，10000xg，4℃)将细胞除去。在实施例1a中所述于指示板上形成蓝色菌落的细胞的情况中，细胞团粒用于下述凝胶电泳。在指示板上形成蓝晕的细胞的情况中，在微粒滞留能力＞10000D的超滤膜上，通过超滤将无细胞的培养物上清液浓缩至其初始体积的五十分之一。将浓缩液或细胞团粒与等体积的缓冲液(0.125摩尔/升Tris/Cl，pH 6.8，20％甘油，2％SDS，10％2-巯基乙醇，0.01％溴酚蓝)混合。于10％聚丙烯酰胺凝胶上，电泳分离50微升该混合物的等分试样。电泳后，用去离子水将凝胶洗涤四次，历时15分钟。之后，于pH 7.5的在10毫摩尔/升Hepes中的100微摩尔/升二氯化锰内保温2小时。在此过程期间，在含有锰氧化酶的样品中，电泳之后锰氧化酶被固定于凝胶内的点，形成棕色氧化锰沉淀。因该混合物内无过氧化物存在且除Mn2+之外亦无其它离子存在，因此观察到的氧化锰形成在所有情况中都是由锰氧化酶直接氧化Mn2+所致。
实施例2：
锰氧化酶的生产及分离
2.a.来自芽孢杆菌的含有锰氧化酶的芽孢
通过实施例1所述的方法，将已将锰氧化酶引入其芽孢内的芽孢杆菌分离物分离出来。对于工业用途，直接使用这种含有锰氧化酶的芽孢或制备并使用含有锰氧化酶的芽孢壳。这种芽孢或芽孢壳的生产方法如下：
生长
为生产含有锰氧化酶的芽孢，在有氧及25℃的条件下，于下列培养基内生长适当的芽孢杆菌菌株：
2克/升蛋白胨(Difco)，0.5克/升酵母提取物(Difco)，10微克/升铁一EDTA，100微克/升无菌滤过MnCl2×4H2O于在80％天然海水内的50毫摩尔/升Tris内，pH7.0。
生长时间10天后，超过所有细胞的95％的细胞形成芽孢。
芽孢的制备：
通过离心(30分钟，10000xg，4℃)收集芽孢，用去离子水洗涤并悬浮于10毫摩尔/升Tris/Cl，pH7.0(0.1克/毫升)中。为制备芽孢壳，依照下述方法将该材料进一步加工。若芽孢直接用于本发明的方法，则如下进一步处理芽孢：
将50微克/毫克溶菌酶加入该悬浮液内，在37℃将该混合物保温30分钟，然后用1摩尔/升氯化钠、0.15摩尔/升氯化钠、0.1％SDS洗涤芽孢并用去离子水洗涤五次。在4℃下在去离子水中保存以此方式纯化的芽孢，直至在本发明的方法中使用。
芽孢壳的制备：
除另有说明外，整个过程在室温下进行。除洗涤用的1％SDS及去离子水之外，所有溶液均含有10毫摩尔/升EDTA，pH 7.5，及PMSF(0.3％(重量))。依照上述方法将经纯化的芽孢悬浮在10毫摩尔/升pH 7.0(0.1克/毫升)的Tris缓冲液内，并添加等体积的玻璃珠(直径10至50微米)。之后，在0℃及最大振幅下，利用超声波细胞破碎器(Sonifier)，以30秒的间隔处理悬浮液15分钟。处理后，将悬浮液于冰上保温5分钟；使上清液与沉降玻璃珠分开。之后，用相当于玻璃珠本身体积的10毫摩尔/升pH 7.0的Tris缓冲液，将玻璃珠洗涤两次。将首批上清液与洗涤过程中所得的上清液合并并在15000g下离心15分钟。之后分离上清液，将沉淀悬浮于10毫摩尔/升pH 7.5的Tris缓冲液内并在37℃下用溶菌酶(100微克/毫升)处理30分钟。在15000g下，再次离心混合物15分钟。用1摩尔/升氯化钠、0.14摩尔/升氯化钠、1％SDS洗涤含有芽孢壳的沉淀物并用去离子水洗涤五次。
2.b.来自生盘纤发菌的锰氧化酶
成鞘生物如可生产锰氧化酶的生盘纤发菌—分离物可通过实施例1所述的方法得到。这种分离物也可自商品化的菌株(生盘纤发菌ATCC 51168、生盘纤发菌ATCC 51169)得到。特别适于生产锰氧化酶的是已经失去成鞘能力的生盘纤发菌衍生菌。当成鞘菌株在实验室条件下连续培养相对长的时间时，这种衍生菌则自然产生(Adams和Ghiorse(1986)，Arch.Microbilo.，第145卷，第126至135页)。这种不再成鞘的衍生菌将锰氧化酶分泌至培养物培养基内。
以下实施例描述了在不再能够成鞘且依照布达佩斯条约以保藏号DSM 12667保藏在德意志微生物保藏中心，不伦瑞克D-38124的生盘纤发菌(Leptothrix discophora)衍生菌的培养物上清液内生产并自其中分离锰氧化酶。
培养物：
为生产锰氧化酶，将生盘纤发菌培养在含有下列成分的培养基内：
每升去离子水中
0.25克/升Difco-蛋白胨
0.25克/升Difco酵母提取物
0.25克/升葡萄糖
0.6克/升MnSO4·7H2O
0.07克/升CaCl2·2H2O
0.015克/升MgSO4·H2O
在将培养高温灭菌之前，用1摩尔/升氢氧化钠将pH调至7.6。
为生产锰氧化酶，使45升所述的培养基与2升生盘纤发菌预培养物在同一培养基内接种。在26℃及曝气(每分钟每单位体积培养基0.2体积的空气)的条件下，培养40小时。
自培养物上清液制备酶：
于40小时之后中止培养。通过离心将生盘纤发菌细胞自培养物上清液中分离出来。于微粒滞留能力＞10 000D的超滤膜上，通过超滤作用将无细胞、含有锰氧化酶的培养物上清液浓缩至0.5升。浓缩的培养物上清液用作下述实施例中的锰氧化酶源。
实施例3：
使用N，N，N′，N′-四甲基-对苯二胺(TMPD)定量测定锰氧化酶的活性。
Mn3+离子能氧化无色化合物TMPD。氧化产物“沃斯特氏蓝”具有深蓝色，该颜色的加深可在波长610纳米处用光度法跟踪。
过程：
每次量测之前，新配2.1毫摩尔/升TMPD在蒸馏水中的TMPD储备液。将待测定的酶制品用10毫摩尔/升HEPES(N-2-羟乙基哌嗪-N′-2-乙磺酸，pH7.5)稀释，以使在下述活性测定中，于10分钟测定时间之后，测得的OD 610为0.5至1.5。
所用锰源是10毫摩尔/升硫酸锰在蒸馏水中的溶液。
为测定酶样品内的锰氧化酶活性，平行地将3毫升在HEPES内的酶稀释液(参见上文)与0.3毫升TMPD储备液混合。于0分钟时间点，各将10微升硫酸锰储备液加入各平行测定溶液中。将两个样品均混匀并在40℃保温10分钟。10分钟后，将样品短暂离心(15秒；5000转/分钟)，随后于1毫升各含硫酸锰的上清液内测定OD 610。所用参比是无硫酸锰的参比样品。在610纳米波长处，吸光度每增加1.0，即等于形成100微摩尔“沃斯特氏蓝”。锰氧化酶的一个单位(IU)定义为于1分钟内导致由TMPD形成1微摩尔/升“沃斯特氏蓝”所需酶的量。
为了随后的测定，在所有情况下均使用来自实施例2b的含有锰氧化酶的浓缩培养物上清液及来自实施例2a的50微升芽孢壳悬浮液。测得的结果如下：
酶的来源     OD 610
生盘纤发菌     1.03
芽孢杆菌     0.85
实施例4：
作为锰浓度及络合剂变化的函数的均匀存在的底物藜芦基醇的氧化过程：
制备0.25克/毫升底物藜芦基醇(3，4-二甲氧基苄醇)(Ardrich)在乙醇中的储备液。
氧化反应在45℃及轻微搅拌下进行。为此在所有情况下均于22.23毫升含有络合剂(50毫摩尔/升甲酸盐、乳酸盐、丙二酸盐或草酸盐；pH均为7.5)的溶液内添加硫酸锰(0.00、0.05、0.50毫摩尔/升硫酸锰)。然后，在所有情况下均添加0.268毫升藜芦基醇储备液。在45℃下将混合物平衡10分钟，随后通过添加2.5毫升酶溶液(来自生盘纤发菌的锰氧化酶，10单位/毫升)以使反应开始。8小时后通过高效液相色谱分析藜芦醛的形成而研究反应。为此，将0.4毫升H2SO4溶液(0.5摩尔/升)加入0.8毫升测试液内。将20微升该样品施加在LiChospher 60RP Select B分离柱(Merck 50940)上并用水/甲醇(65∶35)混合物洗脱。流速为1毫升/分钟。洗脱液中的产物用UV检测器在275纳米处检测。
下表显示在本发明的方法中所述条件下于8小时内将藜芦基醇氧化成藜芦醛的以％表示的量：
络合剂    硫酸锰(毫摩尔/升)     无锰氧化酶(％v.藜芦醛)   有来自生盘纤发菌的锰氧化酶(％v.藜芦醛)
50毫摩尔/升甲酸盐    0     0.00   0.00
50毫摩尔/升甲酸盐    0.05     0.01   7.24
50毫摩尔/升甲酸盐    0.5     0.00   12.46
50毫摩尔/升乳酸盐    0     0.00   0.00
50毫摩尔/升乳酸盐    0.05     0.00   3.32
50毫摩尔/升乳酸盐    0.5     0.02   2.79
50毫摩尔/升丙二酸盐    0     0.00   0.00
50毫摩尔/升丙二酸盐    0.05     0.03   14.23
50毫摩尔/升丙二酸盐    0.5     0.02   22.96
50毫摩尔/升草酸盐    0     0.00   0.00
50毫摩尔/升草酸盐    0.05     0.06   17.30
50毫摩尔/升草酸盐    0.5     0.07   21.44
实施例5：
木浆漂白
将经氧去木质素、木质素含量为κ(kappa)16.5的软木牛皮纸浆洗涤并用30毫摩尔/升草酸钠缓冲液(pH 7.5)将其调整至纸浆密度为5％。随后添加硫酸锰(0.5毫摩尔/升)。用适当的搅拌器将悬浮液均化60秒。之后，于两份平行的溶液内，以每克纸浆5单位的量添加锰氧化酶(生盘纤发菌、芽孢杆菌)。无酶的第三份溶液作为对照。将溶液再次均化60秒并将其引入容许气体导入的控温钢质高压灭菌器内。将该高压灭菌器密封，施加3巴的氧气压，并在45℃将高压灭菌器保温4小时。之后将反应液放出。在50℃下，用10体积的流水洗涤纸浆，之后，在70℃及碱性条件下，用氢氧化钠水溶液将木质素碎片自纸浆中萃取出来。萃取时，每千克纸浆使用20克氢氧化钠。萃取后，在50℃下，再次用10体积的流水洗涤纸浆。依照“斯堪地那维亚纸浆及造纸会议”(Scandinavian Pulp and PaperBoard)的标准化测试方法SCAN-C 1:77通过κ值最后测定纸浆样品的木质素含量。
酶     κ值     去木质素的％
无酶的对照     15.2     7.9
生盘纤发菌     13.4     18.8
芽孢杆菌芽孢壳     10.7     35.1
与对照样品相比，当使用本发明的氧化方法时，木质素额外地去除10.9％至27.2％。
实施例6：
染料转印的抑制作用
用以证明本发明的氧化系统对染料转印的抑制作用的试验于可加热的玻璃烧杯(100毫升容量)内进行。所用对照样品是0.25克商品洗涤剂溶于50毫升水所形成的溶液。用锰氧化酶的试验于含有0.5摩尔/升硫酸锰的50毫升30毫摩尔/升丙二酸钠缓冲液(pH 7.5)内进行。首先将50毫升测试液加热至45℃，之后适当地于缓冲液内添加0.5单位/毫升的锰氧化酶。将棉织物样品(在所有情况下均是5克)加入测试液内，之后向各测试液内添加经预热至45℃的10毫升15微摩尔Cibacron Marine C-B溶液(Ciba)，作为测试染料。于45℃下保温一小时之后，自测试液中取出织物样品，并在50℃下用1升流水洗涤。随后洗涤并干燥织物样品。随后用光度法测定初始样品及经处理样品的亮度：
经处理的棉质样品的亮度与未经处理的样品在下表中进行比较：
酶     丙二酸盐缓冲液/二氯化锰     水/洗涤剂
无     73.3％     89％
生盘纤发菌     89.2％     -
芽孢杆菌     92％     -
表内所示数值表明，本发明的氧化系统适于防止所加染料转印至棉质样品上。以品质而言，其效果与商品洗涤剂相似。
实施例7：
污渍漂白(洗衣洗涤剂应用)
为证明本发明的方法的污渍漂白作用，进行洗涤试验。为此，在所有情况下于白色棉质样品(7.5厘米×7.5厘米)上逐滴施加0.3毫升100ppm的伊文思蓝(可以自Wako Pure Chemical Industry Co.，大阪购得)以形成标准化的污渍。随后于可加热的玻璃烧杯(100毫升容积)内，在有氧的存在下在搅拌(磁力搅拌器)下，用锰氧化酶、硫酸锰及适当的络合剂，依照本发明处理这些织物样品。所用对照样品是符合以下的测试液，其中a)仅用丙二酸盐缓冲液，或b)不添加硫酸锰，或c)不添加锰氧化酶：
试验于有或无0.5毫摩尔/升硫酸锰的50毫升30毫摩尔/升丙二酸钠缓冲液(pH 7.5)内进行。首先将50毫升测试液加热至45℃，随后向各将含有锰氧化酶的测试液内添加1单位/毫升来自芽孢杆菌或来自纤发菌属的锰氧化酶。将经污染的棉质样品加入测试液内。在45℃下保温1小时之后，自测试液中取出织物样品，并各自在50℃下用1升流水洗涤。随后将织物样品干燥。
为测定样品与无锰氧化酶及硫酸锰的对照样品在颜色上的差别，用色差计(CR-200，Minolta)测量风干棉质样品的Y、y及x值。为评价本发明的方法的漂白效果，由所得数值确定Z值(Z＝(1-x-y)Y/y)。
下表显示所测样品白度与无酶且无硫酸锰对照样品白度的比较。
    +硫酸锰     -硫酸锰
芽孢杆菌     2.7     -0.3
纤发菌属     1.6     0.1
无酶     0.2     0.0
由上表可看出，与无酶且无硫酸锰的样品相比，含有锰氧化酶及硫酸锰的样品的白度增加1.6至2.7点。
实施例8：
有机合成
以下实施例证明本发明的方法适于有机物质的靶向合成。
a)醇基氧化成醛
在45℃下将在1毫升乙醇中的269毫克(1.6毫摩尔)3，4-二甲氧基苄醇加入含有0.5毫摩尔/升硫酸锰，pH 7.5的22毫升30毫摩尔/升丙二酸盐内。保温10分钟后，将锰氧化酶(40单位)加入。反应24小时后，用氯仿萃取反应液并以核磁共振光谱研究。在锰氧化酶来自纤发菌属的情况下，3，4-二甲氧基苯甲醛的收率为32％，在锰氧化酶来自芽孢杆菌的情况下，3，4-二甲氧基苯甲醛的收率为27％。
b)醇类氧化成酮类
在45℃下将196毫克(1.6毫摩尔)1-苯乙醇添加于含有0.5毫摩尔/升硫酸锰的pH7.5的22毫升30毫摩尔/升丙二酸盐溶液内。保温10分钟之后，加入锰氧化酶(40单位)。反应24小时后，以高效液相色谱研究反应液。在锰氧化酶来自纤发菌属的情况下，苯乙酮的收率为17％，在锰氧化酶来自芽孢杆菌的情况下，苯乙酮的收率为19％。
在该两个实施例中，本发明的氧化方法均成功地用于给定物质的合成。所用的底物在这里仅试图以例证方式证明方法的氧化能力，而并非试图限制可以合成的产物的范围。
实施例9：
粗斜纹棉布漂白
于密闭的500毫升烧杯内在11.5毫升液体总体积中，在45℃下将数片剪成方块(9克/160厘米2)经染色的粗斜纹棉布织物连同锰氧化酶、0.2毫摩尔/升硫酸锰及15毫摩尔/升络合剂(草酸盐)保温。测试液的pH为7.0(15毫摩尔/升草酸盐)。每克织物添加10单位的锰氧化酶。保温4小时之后，于流水下洗涤织物片直至洗涤水无色。于平板干燥器内将织物片干燥，随后压平并任选地用适当的分光光度计评价。
使用CM 3700d型分光光度计(Minolta)并依照制造商的说明书测定漂白度。测量在无光且无紫外线的条件下进行。样品的亮度以与白度标准(R 457)相比的全反射百分率而被测定。L*是亮度的量度(白＝100；黑＝0)。
经处理的织物的数值与未经处理的对照织物的数值相比。样品与未经处理的对照样品相比的亮度变化(ΔL*)使用软件PP2000(Opticontrol)计算得来。
ΔL*
对照 0
纤发菌属 23.14
芽孢杆菌 28.72
亮度变化为5，已经是肉眼可见的，即两种氧化酶均完成了显著的漂白作用。

Claims (10)

1.用于介体依赖性酶催化氧化的多成分系统，其包括氧化催化剂、氧化剂及介体，其特征在于：
a)氧化催化剂选自由锰氧化酶组成的组，
b)氧化剂选自由氧及氧化合物组成的组，
c)介体选自由含有锰离子的化合物组成的组。
2.如权利要求1所述的多成分系统，其特征在于，其另外包括选自由可以络合锰离子的络合剂组成的组的络合剂。
3.如权利要求1或2所述的多成分系统，其特征在于，介体为Mn2+或Mn3+离子。
4.如权利要求2所述的多成分系统，其特征在于，络合剂不含氮、易于生物降解且在毒理学上无害。
5.如权利要求1所述的多成分系统，其特征在于，氧以气态形式或液态氧形式直接存在或以含氧气体混合物存在。
6.氧化底物的方法，其特征在于，在氧的存在下，以及在锰离子的络合剂的存在下，锰氧化酶通过直接氧化Mn2+而形成Mn3+，以及Mn3+离子氧化底物，其自身被还原成Mn2+，而又可以被锰氧化酶直接氧化。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所用底物是水溶液、混合物或悬浮液的形式。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所用锰离子的浓度为0.005毫摩尔/升至50毫摩尔/升。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，使用分压为0.05至5巴的氧。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，使用浓度为1毫摩尔/升至500毫摩尔/升的络合剂。
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