酶工程技术.docx

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酶工程技术

酶工程技术

酶工程技术

酶工程是指在一定的生物反映器内，利用酶的催化作用，将相应的原料转化成有用物质的技术，

是将酶学理论与化工技术结合而形成的新技术，酶工程是研究酶的生产和应用的一门新兴学科，

其应用领域已经涉及农业、食品、医药、环境保护、能源开发和生命科学理论研究等各个方面。

与此同时，酶工程产业也在快速发展，1998年全世界工业酶制剂销售额高达16亿美元。

预计

到2008年，销售额将达到30亿美元。

迄今为止，全世界己发现的酶有3000多种，而工业

上生产的酶有60多种，真正达到工业规模的只有20多种。

当前，欧、美和日本在酶工程研究和产业化方面发展迅速，后世界领先地位，我国也正加紧

对酶工程的研究与开发，以便赶上国际上的发展动向。

国际上对酶工程的研究主要集中在以下

几方面:

（1）研究开发新的人工合成酶和模拟酶。

（2）运用基因工程和蛋白质工程，改善原有酶的各种性能，提高酶的产率和稳定性，使其在后

提取工艺和应用过程中更容易操作，采用定点突变技术对天然酶蛋白进行改性或通过蛋白质全新设计出新的酶蛋白。

（3）加紧对核酸酶和抗体面的研究：

人们在研究过程中发现，核酸酶是一种多功能的生物催化

剂，不仅可作用于RNA和DNA，而且还可以作用于多糖、氨基酸等底物；抗体酶也具有较高

的催化活性，可表现出一定程度的底物专一性和主体专一性。

目前，抗体酶催化的反应己包括：

水解反应、合成反应、交换反应、闭环反应、异构反应和氧化还原反应等。

对这两种酶的研究

将会为酶的生产开创一条崭新的途径。

（4）研究酶在有机合成和非水介质中进行生物催化等领域中的应用，也就是对面化学技术和非

水相酶学的研究，拓宽酶应用领域。

（5）研究开发酶的定向固定化技术，拓宽酶的应用范围，使酶活性的损失降低到最小程度。

（6）深入进行微生物学和糖基转移酶的研究：

大量的研究已表明，复合糖类中的糖链，在受精、

发生、发育、分化、神经系统和免疫系统恒态的维持方面起着重要作用，也与机体老化、自身

免疫疾病、癌细胞异常增殖和转移，病源体感染等生命现象密切相关，所以对这方面的研究有

非常重大的意义。

酶在食品工业中的应用可以增加产量，提高质量，降低原材料和能源消耗，改善劳动条件，

降低成本，甚至可以生产出用其它方法难以得到的产品，促进新产品、新技术、新工艺的兴起

和发展。

酶在食品工业中的应用见表1。

随着基因工程、细胞工程等高新技术应用于酶工程领域，不断研究开发出更多的新品种、新

用途、高活力的酶类，同时酶的固定化技术，酶分子修饰技术及模拟酶技术也得到更快发展．使

酶具有更高的催化效率和精巧的选择性，在食品工业也必将得到更加广泛的应用，生产出符合

人们需求的新食品，促进食品工业的飞速发展。

酶工程主要包括酶的生产开发技术、酶的分离和纯化技术、酶的固定化技术、酶分子改造技

术、固定化酶反应器的研制技术、酶的应用技术。

1.酶的化学本质与催化特性

酶是一种生物催化剂，生物体内的各种生化反应几乎都是在酶的催化作用下进行的。

从化学

构成上看，酶其实是一类蛋白质，也与蛋白质一样，酶也有单纯酶和复合酶。

酶具有普通催化剂的特点，能缩短反应达到平衡点的时间，在反应过程中本身不被消耗。

同

时，还具有突出的特点。

（1）酶催化的高效性。

（2）酶的专一性：

一种酶仅能作用于某一种物质或同一类结构相似的物质，

并催化某种类型的反应，这种特性称为酶的专一性。

如果仅能催化一种化合物进行的酶反应，

称为绝对专一性；如果能催化一类结构相似的物质进行某种相同类型的反应，称为相对专一

性。

（3）酶的催化反应条件：

酶的催化反应一般都在温和的pH、温度条件下进行，强酸、强碱、

高温等会使蛋白质变性而使酶失去催化活性。

（4）酶催化反应的广泛性：

酶催化反应的范围很宽，可催化很多化学反应，因而在生产中应

用广泛。

2.人工合成酶和模拟酶

人工合成酶在结构上具有两个特殊部位，一个是底物结合位点，一个是催化位点。

现已发现，

构建底物结合位点比较容易，而构建催化位点比较困难，两个位点可以分开设计。

但是已经发

现，如果人工合成酶有一个反应过渡态的结合位点，则该位点常常会同时具有结合位点和催化

位点的功能。

在模拟酶方面，固氮酶的模拟最令人瞩目。

人们从天然固氮酶由铁蛋白和铁相蛋白，两

种成分组成得到启发，提出了多种固氮酶模型，如过渡金属（铁、钴、镍等）的氮络合物，过渡金属（钒等）的氮化物，石墨络合物，过渡金属的氨基酸络合物等。

此外，利用铜、铁、钴等

金属络合物，可以模拟过氧化氢酶等。

3.酶的分类

这里酶的分类主要阐述食品工业中常用的蛋白酶、碳水化合物水解酶、脂肪酶和其它酶类。

（1）蛋白酶

蛋白酶是一种水解酶，按其来源可分为：

动物蛋白酶、植物蛋白酶和微生物蛋白酶；按其催

化中心可分为：

天冬氨酰蛋白酶、金属蛋白酶、丝氨酸蛋白酶和组氨酸蛋白酶；按其催化反应

的种类可分为：

内切蛋白酶和外切蛋白酶。

天冬氨酰蛋白酶有胃蛋白酶和凝乳酶（来源于动物），微生物凝乳酶（来源于毛酶）及酱油和面包制造中使用的曲蛋白酶；金属蛋白酶有耐热蛋白酶、

中性蛋白酶。

最常用的丝氨酸蛋白酶有木瓜蛋白酶（从木瓜中提取）、菠萝蛋白酶（从菠萝植物茎提取）、无花果蛋白酶（从无花果汁中提取）等。

（2）淀粉酶

按其结构和作用可分为：

α-淀粉酶（不规则分解淀粉，切断α-1，4糖苷键）

、β-淀粉酶（从还原端开始，以麦芽糖为单位分解α-l，4糖苷键）、糖化型淀粉酶（从非还原端开始，以葡萄糖为单位依次分解α-l，4糖苷键）、异淀粉酶（分解支链淀粉，产物为糊精，从

还原端开始，以麦芽糖为单位分解α-l，4糖苷键）。

（3）其它碳水化合物酶

其它碳水化合物酶主要有：

纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、多聚半乳糖苷酸酶、

α-半乳糖苷酸酶、葡萄糖氧化酶、异构酶（葡萄糖异构酶和木糖异构酶）和花青素酶。

（4）脂肪酶

脂肪酶属高级脂肪酸甘油三酯水解物，来源于动物胰脏、植物的种子和微生物。

（5）其它酶类

正在应用或建议应用的其它氧化还原酶包括过氧化氢酶、超氧化物酶、乙醇氧化

乳糖超氧化物酶，以及疏基氧化酶，它们均来源于动物肝脏或菌类。

4.非水系酶酶反应通常在水为介质的系统中进行，但是，酶反应也能在非水系统内进行。

1984年以来，美国麻省理工学院以Zaks和K1ihanov教授为首的研究小组，一直从事非水系统内酶反应的

研究，取得了引人注目的成果，并由此产生了一个全新的分支学科——非水酶

学。

他们发现这类反应具有如下特点：

（1）热力学原理，一些在水中不可能进行的反应，有可能在非水系统中进行；

（2）大多数有机化合物在非水系统内溶解度很高；

（3）非水系统内回收反应产物比水中容易；

（4）在非水系统内酶很容易回收和反复使用，不需要进行固定化。

实验结果证明，在几乎没

有水的系统内，仍可进行各种酶反应。

以往，人们都是从酶的最适pH的水溶液中回收酶，然后，将其研磨成粉末，再分散

在合适的有机溶剂中，制成酶的悬浮液，以便在水—有机溶剂两相系统中进行酶的催化反

应。

近来Klianov为首的研究组又探索出一种新方法，可以便酶溶解而不是悬浮在有机溶剂

中，而且，找到很多能够溶解酶有机溶剂，并阐明了导致有机溶剂中较高蛋白质浓度的规律。

由此，可以进一步研究溶解在有机溶剂中的天然酶的结构和催化特性，因而，必

将大大拓宽酶在非水系统中的应用范围。

酶有稳定性差、活力不够理想及具有抗原性等缺点，这些不足使酶的应用受到限制，为此常

需对酶进行适当再修饰加工，以改善酶的性能。

酶的修饰可分为化学修饰和选择性

遗传修饰两类。

1.酶的化学修饰

对自然酶的化学结构进行修饰以改善酶的性能的方法很多，现举例说明如下，例如，

α-淀粉酶一般有Ca2+、Mg2+、Zn2+等金属离子，属于杂离子型，若通过离子置换法将

其他离子都换成Ca2+，则酶的活性提高3倍，稳定性也大大增加；胰凝乳蛋白酶与水溶性大

分子化合物右旋糖酐结合，酶的空间结构发生某些细微改变，使其催化活力提高4倍；抗白血病药物天冬酰的游离氨作用、配化反应进行修饰后，该酶在血浆中的稳定性得到很大的提高。

2.酶的固定化技术

酶是由生物体产生的具有催化活性的蛋白质，它能特定地促成某个化学反应而本身却不参加

反应，具有反应效率高，条件温和，反应产物污染小，能耗低，反应容易控制等特点。

这是任

何无机催化剂都无法比拟的优点。

但因为酶的化学本质是蛋白质，其最大弱点是不稳定性，对

酸、碱、热及有机溶液容易发生酶蛋白的变性作用，从而降低或失去活性。

而且酶往往在溶液中进行反应，反应以后会残留在溶液系统中不易回收，造成最终产品生化分离提纯操作上的麻

烦。

加之酶反应只能分批进行，难于连续化、自动化操作。

这大大地阻碍了酶工程的发展应用

为克服上述缺点，要将游离酶固定化后进行应用。

固定化酶技术是把从生物体内提取出来的酶，

用人工方法固定在载体上。

由于固定化酶的运动被化学或物理的方法限制了，能将其从反应介

质中回收，所以它原则上能在批量操作成连续操作中重复使用酶。

将酶或细胞限制或定位于特定空间位置的技术，称为酶或细胞固定化技术，是酶工程关链技

术之一。

经固定后之酶称为固定化酶或“固着酶”。

固定化酶称之为固定化生物催化剂，其特点

是既保持生物催化剂功能，又具有固相催化剂特点。

固定化酶具有如下性质：

（1）酶的稳定性提高；

（2）酶的活性和催化底物有所变化；（3）最适温度有所提高。

与水溶性的酶相比，固定化酶的优点有：

（1）反应完成后可通过简单的方法回收酶，酶活力

降低不多，这样可使酶重复使用，同时由于酶没有游离到产品中，便于产品的分离和纯化；

（2）酶固定化处理后一般稳定性有较大提高，对温度和pH值的适应范围增大，对抑制剂和蛋白酶

的敏感性降低；（3）实现批量或连续操作模型的可能，适于产业化、连续化、自动化生产。

固定化酶在工业、临床、分析和环境保护等方面有着广泛的应用．但是，在大多数情

况下，酶固定化以后活性部分失去，甚至全部失去，一般认为，酶活性的失去是由于酶蛋

白通过几种氨基酸残基在固定化载体上的附着造成的，这些氨基残基主要有：

赖氨酸氨基和

N—末端氨基，天门冬氨酸和酪氨酸的苯甲基以及组氨酸的米唑基。

由于酶蛋白多点附着在载

体上，引起了固定化酶蛋白无序的定向和结构变形的增加。

近来，国外的研究者们在探索酶蛋

白的固定化技术方面，已经寻找到几条不同的途径，使酶蛋白能够以有序方式附着在载体的表

面，实现酶的定向固定化而使酶活性的损失降低到最小程度。

这种定向固定化技术具有以下一些优点：

（1）一个酶蛋白分子通过其一个特定的位点以可重复的方式进行固定化；

（2）蛋白质的定向固定化技术有利于进一步研究蛋白质结构；

（3）这种固定化技术可以借助一个与酶蛋白的酶活性无关或影响很小的氨基酸来实现。

3.酶的固定方法

（1）包埋法：

是将微生物包埋在载体（如聚丙烯先胺凝胶、矽酸盐凝胶、藻酸盐、角叉菜聚糖

等）的微小格子或微胶囊等的有限空间内,微生物被限制在该空间内不能离开,而底物和产物能自由地进出这个空间。

常用的有凝胶包埋法、纤维包埋法和微胶囊法。

包埋法

不仅能装载较大容量的细胞,并且对微生物的稳定性、细胞的洗出以及应用于流化床等工程问

题来说,也是包埋法适应性最大。

此法最简单，但固定后的酶活力不高，固定酶的牢度不强。

（2）吸附法：

又叫载体结合法,通过非特异性物理吸附法或生物物质的特异吸附作用将酶固定

到载体（如硅藻土、陶瓷、塑料等）表面，该方法操作简单,固定化过程对细胞活性的影响小,

但所固定的微生物较易受所用载体的种类及表面积的限制,同时,微生物与载体间的吸附强度

也不够牢固,吸附的静电作用力容易受到反应液中pH变化的影响。

故载体（填料）的选择是关键。

一般要求载体内部多孔、比表面积大、传质性能良好、性质稳定、强度高、价格低廉等。

常采

用引入疏水和亲水配位体后制成的载体衍生物来固定化微生物。

（3）交联法固定化法[1]：

是通过与具有两个或两个以上官能基团的交联试剂反应,使微生物菌体相互连接成网状结构而达到固定微生物的目的。

在此过程中,官能基团直接与微生物细胞表

面的氨基、羟基等进行交联形成共价键。

使用该方法,微生物间的结合强度高,稳定性好,经得起温度和ｐＨ值等的剧烈变化。

但同时因固定化反应条件剧烈,因而酶活性有所降低,再加上交联剂大都较昂贵,所以交联法的应用受到一定限制。

有时为了使吸附在载体上的微生物结合得更牢

固,或者使包埋后的微生物不易漏出,往往需要对微生物进行交联化处理。

因此在实际过程中各

种固定化方法的联合应用是比较常见的。

如先用结合法将

微生物吸附到载体上,再用交联法将细胞交联起来形成“细胞网”结构;或可先用结合法处理,再用高分子聚合物进行包埋,这样可以克服结合法结合强度低和交联法中微生物活性低的不足;此外还可用载体置换的方法来提高固定化强度及微生物活性,比如将固定化后的海藻酸钙凝胶置

换成海藻酸铝。

总之,具体采用哪种固定化方法应依据不同情况而定。

作为工业规模的微生物固定化方法要求具备如下条件[2]:

载体价廉,固定化费用低。

对于一次

性固定化微生物这一点尤为重要;载体最好能再生并重复利用;固定化收率高,制备工艺简单,而且结合强度高;载体机械强度高;载体物理及化学性质稳定;固定化后微生物的活性损失少,而稳定性增加较多。

（4）囊包埋法：

以火棉胶作膜材，用相分离法将过氧化氢酶微胶裹化。

另外，还可依靠疏水和亲和结合；交联以形成不溶性聚结物或先吸附然后再交联等方法制备

固定化酶。

4.固定化酶中应用的载体材料固定化酶中应用的载体可分为有机高分子载体、无机载体材料和复合载体三大类。

（1）有机高分子载体

有机高分子载体有二类。

一类是天然高分子载体材料。

此类材料一般无毒性，传质性能好，

但强度较低，在厌氧条件下易被微生物分解，寿命短。

常见的有琼脂、海藻酸钠等。

近年来研究比较热门的新载体是甲壳素和壳聚糖及其衍生物、丝素膜（家蚕丝纤维）。

另一类是合成有机高分子载体材料。

一般来说强度大，但传质性能较差。

这类材料种类很多，有聚乙烯醇（PVA）冷冻胶、聚乙烯氧化物载体、Po1y（EGDMA／AAm）共聚物珠状载体、无孔聚苯乙烯（PS）／聚苯乙烯磺酸钠（PNaSS）微球载体等。

（2）无机载体材料

无机载体材料具有一些有机材料不具备的优点，如稳定性好、机械强度高、对微生物无毒性，不易被微生物分解，耐酸碱，成本低，寿命长等。

（3）复合载体材料

复合载体材料是以有机材料和无机材料复合组成的新载体材料。

如磁性高分子微球，这是一

种内部合有磁性金属或金属氧化物的超细粉末，从而具有磁响应性的高分子微球。

6.酶在保健食品生产中的应用

（1）无乳糖牛乳（乳糖水解乳）

牛乳经过装有固定化β-半乳糖苷酶的生物反应器处理，使牛乳中的乳糖水解为半乳糖和葡萄糖，制成无乳糖牛乳以供乳糖不耐症患者食用。

（2）低胆固酵乳脂乳

采用固定化胆固醇还原酶或胆固醇氧化酶处理牛乳，生产低胆固醇乳脂乳。

7.在保健食品素材（功能成分）开发中的应用

（1）活性多糖

壳聚糖甲壳素经细菌中的甲壳素脱乙酞酶处理制取壳聚糖。

粘多糖鲜猪皮加胰蛋白酶酶解制取粘多糖。

（2）硫酸软骨素动物软骨经木瓜蛋白酶处理提取硫酸软骨素。

（3）肝素猪小肠粘膜（肠衣加工废弃物）经胰蛋白酶处理提取肝素。

（4）功能性低聚糖

低聚果核蔗糖加水溶解后通过装有固定化果糖基转移酶的生物反应器（控制温度、PH、通风）制造低聚果糖。

低聚木糖玉米芯、甘蔗渣（木聚糖）经木聚糖酶处理制得。

纤维低聚糖纤维素经纤维素酶分解生成纤维低聚糖，可用作双歧因子。

魔芋低聚糖魔芋淀粉经由细菌产生的甘露聚糖酶处理，水解生成魔芋低聚糖，可用作双歧因

子。

偶合糖淀粉和蔗糖经环化糊精合成酶作用制得。

偶合糖有低腐蚀性，可用于防龋齿

低聚壳聚糖以1：

1乳糖和蔗糖为原料，经β—蚨喃果糖苷酶处理制得。

该糖可用于减肥食

品，亦可用作双歧因子。

帕拉金糖蔗糖经α—葡萄糖基转移酶处理制得。

低聚壳聚糖壳聚糖经壳聚糖酶处理制得。

（5）糖醇

麦芽糖醇淀粉先经α—淀粉酶液化，再由β—淀粉酶糖化，制得麦芽糖。

然后在镍催化下高

压氢化制得。

异麦芽糖醇蔗糖经α—葡萄糖基转移酶处理制得帕拉金糖，然后在镍催化下氢化制得。

山梨醇淀粉经α—淀粉酶、糖化酶处理制得葡萄糖，然后在镍催化下氢化制得。

赤藓醇淀粉经酶解成葡萄糖后，由嗜高渗酵母发酵制得。

（6）活性肤及氨基酸

酪蛋白磷酸肽（CPP）酪蛋白经胰蛋白酶（或产碱杆菌蛋白酶）等蛋白酶作用下水解制得。

糖巨肽（GMP）κ—酪蛋白经凝乳酶处理制得。

GMP有抗病毒、活化双歧杆菌等功能。

大豆多肽大豆蛋白经木瓜蛋白酶等蛋白酶处理制得。

大豆多肽具有促进脂肪代谢、降低胆固

醇、活化双歧杆菌等功能。

高F值低聚肽玉米醇溶蛋白经碱性蛋白酶及木瓜蛋白酶两步酶解法制得。

该肽具有预防肝硬化、抗疲劳等功能。

谷胱甘肽L—谷氨酸L—甘氨酸经固定化谷胱甘肽合成酶催化，合成谷胱肽。

（7）功能性油脂

鱼油中EPA（20碳5烯酸）、DHA（22碳6烯酸）的富集，利用各种脂肪水解酶的专一性，采

用柱晶假醇母脂肪酶、黑曲霉脂肪酶等脂肪酶可选择性水解鱼油中的非多不饱和脂肪酸部分，

富集EPA、DHA。

酶解卵磷脂由大豆磷脂或蛋黄磷脂经磷脂酶处理制得。

可提高卵磷脂的乳化性能。

（8）核苷酸

脱氧核苷酸由鱼白（鱼精）提取脱氧核糖核酸（DNA）后，经5’-磷酸二酯酶酶解制得。

脱氧核

苷酸具有防治白血球、血小板减少的功能。

（9）微量活性元素—铁红血素先由畜血、禽血提取血红蛋白，再用蛋白酶处理后分离制得。

8.我国酶制剂行业存在的一些问题

经过近40年的发展，我国酶制剂工业从无到有，逐步形成一定的生产规模，取得了不

少成绩。

但是，与发达国家相比，与国际大公司相比，差距很大，问题不少。

（1）工艺、设备落后，生产技术水平低下。

我国配制剂工厂由于经济效益差，无力

采用新工艺、新技术，增添新设备，致使生产技术水平低下。

（2）复建设，效益低下，生产能力闲置。

（3）研究、开发投入不足，新产品开发能力很差。

（4）品种少、剂型少，产品结构极不合理，应用范围非常狭窄。

我国配制剂产品的品种少，剂

型少，产品结构极不合理，应用范围非常狭窄。

在迈向迎接2l世纪的知识经济时代之际，我国酶制剂行业面临着很大的挑战和机

遇。

为使我国的配制剂工业健康发展，适应国民经济发展的需要，并积极参与国际竞争，

我们必须应该采取以下措施：

（1）走集约化、规模化经营之路，采用先进生产设备，提高生产技术水平。

面对国际

上大型酶制剂公司的强有力的竞争，我国酶制剂生产厂只有通过合并、兼并，走集约化、

规模化经营之路，努力采用先进生产设备，提高生产技术水乎，加快新产品的开发和应用

领域的扩大，增加酶制剂的产量，提高经济效益。

（2）科技投入，调整科研体制。

我国目前用于酶工程领域的研究和开发经费非常之少，加大

研究和开发经费的投入是提高我国配制剂行业竞争能力的关键。

加大经费的投入必须由企业和

国家共同出资。

与此同时，要调整科研体制，充实科研力量，按生产经济规律办事，把研究经

费用到实处，使之真正发挥作用。

（3）力采用和推广高新技术，尽快发展具有中国自己知识产权的创新技术。

为了提高我国酶

制剂行业的竞争能力，国家应大力扶持，尽快采用和推广行之有效的各种高新技术，推动行业

的技术进步。

（4）尽快调整产品结构，大力开发新酶种和新用途，努力提高产品质量。

我国的酶制剂，产品

单一，质量差，杂质多，不能满足市场和消费者的需要。

[1]闫志明.普红平.阳立平.生物固定化技术研究及应用评述四川化工2004年01期

[2]山根恒夫.生化反应工程,西北大学出版社,1992