靛藍(lán)（indigo）是一種用于紡織印染最古老的染料，其作為織物染料的歷史最早大約可以追溯到6000多年前。2009年，考古學(xué)家在秘魯發(fā)現(xiàn)了一塊被染成靛藍(lán)色且具有6200年歷史的布料，這塊布料也被推測(cè)可能是現(xiàn)今牛仔褲的“始祖”。

靛藍(lán)也是當(dāng)前已知的唯一能夠產(chǎn)生藍(lán)色牛仔布獨(dú)特顏色的分子。目前，每年生產(chǎn)的5萬(wàn)噸靛藍(lán)主要都用于牛仔布染色。這種染料曾經(jīng)是依賴于從植物中提取，而現(xiàn)在主要是通過人工合成。

不過，靛藍(lán)本身幾乎不溶于水，如果要使其溶于水染色需要添加還原劑以及處于堿性條件中，比如添加強(qiáng)還原劑和二亞硝酸鈉。而這些化學(xué)物質(zhì)會(huì)損害紡織工人的健康，也會(huì)造成水和土壤污染。

日前，丹麥技術(shù)大學(xué)的研究人員提出了一種更經(jīng)濟(jì)環(huán)保生產(chǎn)靛藍(lán)的技術(shù)并驗(yàn)證了可行性。這是一種稱之為“插入式吲哚酚糖苷合成”的技術(shù)，利用一種經(jīng)工程化改造的吲哚糖基轉(zhuǎn)移酶突變體PtU GT1stable，可將吲哚酚高效轉(zhuǎn)化為吲哚酚糖苷（indican），這種糖苷可在紡紗上直接合成靛藍(lán)染色。

研究團(tuán)隊(duì)還展示了一種經(jīng)濟(jì)可行且毒性更低的染色工藝，其中酶法牛仔布染色工藝有潛力將藍(lán)色牛仔布染色對(duì)環(huán)境的有害影響降低92%。

這項(xiàng)研究已發(fā)表在期刊上。論文的通訊作者之一是維納，她是丹麥技術(shù)大學(xué)諾和諾德基金會(huì)生物可持續(xù)性中心的高級(jí)研究員、組長(zhǎng)。維納的研究方向是酶工程和結(jié)構(gòu)生物學(xué)，包括開發(fā)酶生物催化劑用于工業(yè)生產(chǎn)天然產(chǎn)品，系統(tǒng)研究次生代謝糖基轉(zhuǎn)移酶（GT）的結(jié)構(gòu)和功能決定因素，為有效的次生代謝發(fā)現(xiàn)和工程化改造提供了基礎(chǔ)。

吲哚酚糖苷屬于染料靛藍(lán)和靛玉紅的前體，是靛藍(lán)在可提取靛藍(lán)植物中的天然儲(chǔ)存形式?；谶@種糖苷染色被認(rèn)為是一種環(huán)境友好型藍(lán)色牛仔布染色劑。

維納表示，吲哚酚糖苷是一種天然產(chǎn)物，而非人工合成的。它的優(yōu)勢(shì)在于吲哚酚糖苷可溶于水，基本上可以直接把紡織品浸入其中染色，而靛藍(lán)無法直接實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這種方法無需添加很多化學(xué)物質(zhì)，已成為一種極具吸引力的解決方案。

據(jù)研究人員介紹，如果想在牛仔布染色中高效利用吲哚酚糖苷合成的染料染色，前提是必須開發(fā)兩種工藝，即生產(chǎn)工藝和染色工藝。這兩種工藝既要比傳統(tǒng)方法具有環(huán)保效益，又要經(jīng)濟(jì)可行和負(fù)擔(dān)得起?；诖?，該團(tuán)隊(duì)從經(jīng)濟(jì)可行性、環(huán)保表現(xiàn)以及社會(huì)影響等三個(gè)維度入手探討開發(fā)滿足上述要求的工藝。研究人員通過結(jié)合酶和工藝方法設(shè)計(jì)了一種糖基轉(zhuǎn)移酶突變體生產(chǎn)吲哚酚糖苷，并評(píng)估了兩種牛仔布染色工藝。

由于無細(xì)胞生物催化可以比細(xì)胞工廠更具規(guī)模化和效率，該團(tuán)隊(duì)研究了基于天然吲哚基糖基轉(zhuǎn)移酶PtUGT1的吲哚基酶法合成靛藍(lán)的三個(gè)維度。PtUGT1是一種可溶性UDP依賴性糖基轉(zhuǎn)移酶，存在于可提取靛藍(lán)生物植物黃蓼中。與此前的方法不同，該團(tuán)隊(duì)結(jié)合一致誘變、環(huán)移植和二硫橋工程化等方法，在PtUGT1活性位點(diǎn)之外合理引入穩(wěn)定突變，并篩選出了具有最佳穩(wěn)定性和活性的十倍組合變體PtU GT1stable。該變體在高底物濃度、高溫、有機(jī)溶劑、長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存和無緩沖水中都很穩(wěn)定。

在經(jīng)濟(jì)維度，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)，原材料價(jià)格達(dá)到9.9美元/公斤，通過對(duì)主要原材料銷售價(jià)格的不確定性分析得出的預(yù)估結(jié)果為5～13美元/公斤。在反應(yīng)時(shí)間縮短至20.1小時(shí)、產(chǎn)率下降至53％時(shí)，這種方法在經(jīng)濟(jì)上也是可行的；在環(huán)境維度，如果這種方法合成靛藍(lán)的產(chǎn)量可以從65%提高到66%，環(huán)境成本將與傳統(tǒng)靛藍(lán)相同。如果反應(yīng)時(shí)間和產(chǎn)量減少到上述經(jīng)濟(jì)可行性的臨界值（20.1小時(shí)和53％），環(huán)境影響將略有增加；在社會(huì)可持續(xù)性維度，選擇定性評(píng)估該技術(shù)對(duì)社會(huì)可持續(xù)性的影響，包括生產(chǎn)國(guó)的宜居性和健康狀況。與傳統(tǒng)靛藍(lán)生產(chǎn)方法相比，這種方法是一種即插即用技術(shù)，幾乎不存在刺激性化學(xué)物質(zhì)等健康危害。

“這些結(jié)果表明，PtU GT1stable能更經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)工業(yè)規(guī)模的靛苷，有可能顯著減少藍(lán)色牛仔布染色對(duì)環(huán)境和社會(huì)的影響，而成本只會(huì)略有增加?！?/p>

建立吲哚酚糖苷化學(xué)酶途徑后，接下來研究團(tuán)隊(duì)評(píng)估了其作為染料的染色工藝，包括酶法染色工藝和光解法染色工藝。在酶法工藝中，通過優(yōu)化反應(yīng)參數(shù)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估方法預(yù)計(jì)每條牛仔褲的酶染色工藝成本為0.2美元，這是傳統(tǒng)染色成本的1.5倍。研究團(tuán)隊(duì)還預(yù)計(jì)酶促染色工藝有可能將牛仔布染色工藝的年度環(huán)境成本降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

在光解法工藝中，光解反應(yīng)的最佳pH值為1.7，不受氧氣水平影響，但依賴于光。通過優(yōu)化工藝，在潛在規(guī)模擴(kuò)大效應(yīng)下，預(yù)估每條牛仔褲的染色成本范圍為0 . 0 8 ～ 0 . 1 4美元。如果每條牛仔褲的用電量可以減少到0.24度（即達(dá)到當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件的60%），光解法染色將比酶染色更具環(huán)保競(jìng)爭(zhēng)力，且比傳統(tǒng)染色在經(jīng)濟(jì)上具有競(jìng)爭(zhēng)力。

在目前條件下，光解法染色工藝有可能將藍(lán)色牛仔布染色對(duì)環(huán)境的影響減少73%，而酶染色可減少92%。根據(jù)市場(chǎng)分析，鑒于每年交易40億條牛仔褲，這將使全球每年二氧化碳的排放量減少350萬(wàn)噸，并幫助染色工人遠(yuǎn)離有害化學(xué)物質(zhì)?？傊瑹o論是酶法還是光解法，我們預(yù)計(jì)吲哚酚糖苷染色將對(duì)印染廠周圍社區(qū)的宜居性和健康產(chǎn)生顯著積極的影響。

“我們這項(xiàng)工作展示了整合生物技術(shù)和可持續(xù)性研究的力量，為可持續(xù)藍(lán)色牛仔布印染提供了一個(gè)新方向?！?（ 綜合整理報(bào)道）（策劃/小文）