第九章酶及固定化酶的应用.docx
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第九章酶及固定化酶的应用
第九章酶及固定化酶的应用
第九章酶及固定化酶的应用
在食品、发酵、制革、纺织以及日用化学工业方面,在抗生素、氨基酸以及有机酸等合成工业方面,在医疗诊断、环境保护以及能源开发方面,还有在生物工程、化学分析以及生物传感器方面,酶的应用日益扩大。
第一节酶在医疗保健方面的应用
酶在医疗保健方面的应用,可以分为两部分:
一是治疗,二是诊断。
一、酶在治疗疾病中的应用
(一)药用酶的治疗作用
(1)由于体内有害物质的积累所引起的疾病,可以用酶来消除毒物。
例如:
用脲酶来消除血液中过量的尿素。
(2)由于酶功能不正常、或者酶缺乏、酶量不足所产生的疾病,可以用酶来调整作用,或者补充酶量。
如,用苯丙氨酸羟化酶可以治疗先天性缺苯丙氨酸羟化酶的苯基酮尿症患者。
(3)癌细胞内异常的生化环境可用酶来破坏,以杀死癌细胞。
(4)由于细菌、病毒引起机体产生的疾病,可以用抗生素抑制微生物代谢所需要的酶,使微生物死亡,从而恢复人体健康。
(二)药用酶的种类
现已知道,有药用价值的酶有一百多种。
其中,临床疗效肯定、服用安全的酶有30多种。
药用酶分成六类:
一类治疗消化道疾病用酶,二类抗炎清淤用酶,三类溶解血栓用酶,四类治疗心血管病用酶,五类治疗遗传性缺酶症用酶,六类治疗肿瘤用酶。
(三)药用酶的新剂型及新的给药方式
目前,酶治疗遇到下列几个难题:
(1)外源酶具有抗原性,注入人体后易产生过敏反应。
(2)外源酶进入人体后极易被蛋白酶水解,被抑制剂抑制,因而在体内的半衰期很短。
(3)外源酶进入人体后如何集中到发病部位以达到最高疗效。
近年来,在药用酶的新剂型和新的给药方式方面,开展了下列研究工作:
1(载酶人造细胞
载酶人造细胞指用人工制造的包含药用酶的细胞。
载酶人造细胞包括:
载酶红细胞、载酶微囊、载酶脂质体。
1)载酶红细胞。
红细胞膜具有许多小孔。
用低渗盐溶液使膜孔扩大,可(
将血红蛋白从红细胞内除去,并且让药用酶进入红细胞内,加入高渗盐水处理后,便制成载酶红细胞。
(2)载酶微囊。
用人血清蛋白或尼龙、聚丙烯酰胺为材料,制成直径约20μm的球状微囊。
囊内包含药用酶溶液;囊壁为半透膜。
(3)载体脂质体。
脂质体的主要材料是磷脂。
在水中可形成双分子层膜结构的球状小泡,即脂质体。
小泡内充满药用酶溶液。
(酶用于体外循环装置2
体外循环装置是一种医疗器械。
患者的血液,通过体外循环装置除去有毒的代谢废物(如尿素)之后,又返回体内。
人工肾脏就是体外循环装置最成功的代表。
二、酶在疾病诊断中的应用
(一)酶法诊断
酶法检测具有灵敏、准确、快速、简便等优点,可以为诊断疾病提供重要的依据。
酶法诊断包括两个方面:
(1)测定体内与疾病有关的某种酶的活力,利用该酶的活力变化作为诊断某种疾病及其病情严重程度的重要指标。
例如:
人血清谷丙转氨酶(GPT)的活力大小可以作为人类肝炎活动期的诊断指标,其正常值为7~50U/L。
(2)利用某种酶制剂作为分析试剂,测定体内与疾病有关的代谢物质的浓度变化,利用该物质浓度的变化程度作为诊断某种疾病及其病情严重程度的重要指标。
例如:
利用高纯度的葡萄糖氧化酶制剂测定人体血清中的葡萄糖浓度(血糖浓度)。
正常值3.9,5.9mmol/L。
诊断用酶的产品必须达到一定的纯度。
粗酶制剂混杂了许多杂酶,其中有些杂酶可以影响检测结果。
(二)建立酶反应系统
酶法分析有两个目的:
一是测定代谢物质浓度;二是测定酶浓度。
要达到测试目的必须建立一个酶反应系统。
在大多数情况下,酶反应系统必须包含两种酶和两个酶反应,才能达到测试目的。
例如:
为了测定血清中胆固醇的浓度,
需要建立一个由两种酶(胆固醇氧化酶与过氧化物酶)和两个酶反应(始发反应与指示反应)组成的酶反应系统。
(三)酶盒和酶试纸
(酶盒1
常常将酶反应系统中所需要的各种酶和配套试剂以一定的比例混合,做成酶诊断试剂盒(酶盒)。
使用时,只要加入溶剂及定量的样品,在几分钟内就能测出样品中目的物质的浓度。
例如:
胆固醇测定酶盒,就是由胆固醇氧化酶、过氧化物酶与胆固醇、显色剂以一定的比例混合而成的酶盒,用于测定血清中的胆固醇浓度。
2(酶试纸
将酶固定化于DEAE,纤维素或羧甲基纤维素(CMC)纸片上,制成酶试纸,用于测定样品中某种物质的含量,非常简便、迅速。
例如:
葡萄糖氧化酶和过氧化物酶可以联合催化下列偶联反应:
式中DH为还原性色素原,一般为邻联甲苯胺、邻联茴香胺。
它们本身无2
色,氧化后则变成蓝色化合物。
将上述二种酶和DH固定在纸片上,就可以制成检糖试纸。
将其浸入待测2
溶液中,如果存在葡萄糖,则试纸可呈现蓝色。
作为诊断糖尿病和妊孕的临床指标。
尿液检测试纸可以同时检测尿液中葡萄糖、蛋白质、胆红素、亚硝酸盐、酮体、尿胆素原、隐血、pH8个临床指标。
其他还有乳糖试纸、过氧化氢试纸等。
(四)酶管和酶柱
将酶固定在尼龙管内壁上,制成酶管,或者将固定化酶装填在柱内,制成酶柱。
然后,将酶管或酶柱与测试仪器(如分光光度计,或荧光光度计、电量计等)组合在一起,可以对样品中的目的物质含量进行自动分析。
例如:
用戊二醛把乳酸脱氢酶交联固定在尼龙管内壁上,制成酶管,然后将酶管与分光光度计组合在一起,构成自动生化分析仪。
(五)酶电极
将酶固定在薄膜(如醋酸纤维素薄膜)上,制成酶膜,然后将酶膜与离子选择性电极相结合,便制成了酶电极。
例如:
葡萄糖氧化酶电极测定血液、尿液中葡萄糖含量;脲酶电极测定血液、尿液中尿素含量;乳酸脱氢酶电极测定血液中乳酸含量。
(六)酶标免疫测定
又称为免疫酶技术。
它是利用抗原与抗体专一结合的免疫反应和催化无色底物变为有色产物的酶反应,对样品中的抗原或抗体进行定性定量测定的技术。
该技术的核心是酶标免疫测定试剂(酶标记物)。
酶标免疫测定法有多种。
其中,研究最多应用最大的是酶联免疫吸附测定
ELISA,夹心法)。
法(EnzymeLinkedImmunosobeutAssay,
第二节酶在食品工业中的应用
酶在食品工业中,主要应用于:
淀粉加工,乳品加工,水果加工,酒类酿造,肉、蛋、鱼类加工,面包与烤焙食品的制造,食品保藏,以及甜味剂制造等工业。
一、酶在淀粉加工中的应用
1(用于淀粉加工的酶有:
α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶(糖化酶)、葡萄糖异构酶、脱支酶以及环糊精葡萄糖基转移酶等。
2(淀粉加工的第一步是,用α-淀粉酶将淀粉水解成糊精,即液化,第二步是,通过上述各种酶的作用,制成各种淀粉糖浆。
3(
工业生产所用的葡萄糖异构酶实际上都是D-木糖异构酶,通常,用固定化
异构酶来生产果葡糖浆。
在异构酶的催化下,一部分葡萄糖便转化成果糖,从而产生果葡糖浆。
二、酶在乳品加工中的应用
1(用于乳品工业的酶有:
凝乳酶、乳糖酶、过氧化氢酶、溶菌酶、以及脂肪酶等。
凝乳酶用于制造干酪;乳糖酶用于分解牛奶中的乳糖;过氧化氢酶用于消毒牛奶;溶菌酶添加到奶粉中,可以防止婴儿肠道感染;脂肪酶可增加干酪和黄油的香味。
2(干酪生长的第一步是,用乳酸菌将牛奶发酵成酸奶,第二步是用凝乳酶将可溶性к-酪蛋白水解成不溶性P-к-酪蛋白和糖肽。
ara
,23(在酸性溶液中,Ca使酪蛋白凝固。
再经过切块、加热、压榨、熟化,便制成干酪。
过去,凝乳酶取自小牛的皱胃,全世界一年要宰杀4000多万头小牛,来源不足,价格昂贵。
现在,85,的动物酶已由微生物酶所代替,凝乳酶已成为仅次于淀粉酶的大商品酶。
4(乳糖是由半乳糖残基与葡萄糖残基通过α-1,4-糖苷键连接而成的双糖,溶解度很低,缺乏甜味。
现在,用固定化黑曲霉乳糖酶装成酶柱,让牛奶以一定的流速通过酶柱,可以生产脱乳糖的牛奶。
三、酶在水果加工中的应用
用于水果加工保藏的酶有:
果胶酶、柚苷酶、纤维素酶、半纤维素酶、橙皮苷酶、葡萄糖氧化酶以及过氧化氢酶等。
四、酶在酒类酿造中的应用
啤酒厂常用大麦、大米、玉米等作为辅助原料来代替一部分大麦芽。
使用微生物的淀粉酶、中性蛋白酶和β-葡聚糖酶等酶制剂来处理上述原料,可以补偿原料中酶活力不足的缺陷。
上述原料糖化时,添加糖化酶,可以增加发酵度,缩短糖化时间。
在啤酒巴氏灭菌前,加入木瓜蛋白酶,或菠萝蛋白酶、霉菌酸性蛋白酶,处理啤酒,可以防止啤酒混浊,延长保存期。
糖化酶代替麸曲,用于制造白酒、黄酒、酒精,可以提高出酒率,节约粮食,简化设备等。
五、酶在肉、蛋、鱼类加工中的应用
用木瓜蛋白酶或菠萝蛋白酶、米曲霉蛋白酶等酶制剂,可以水解胶原蛋白,从而使肌肉嫩化。
工业上嫩化瘦肉的方法有二种:
一种是宰杀前,肌注酶溶液于动物体;另一种是,将酶制剂涂抹于肌肉片的表面,或者用酶溶液浸肌肉。
利用蛋白酶水解废弃的动物血、杂鱼以及碎肉中的蛋白质,然后抽提其中的蛋白质,以供食用,或者用作饲料。
这是开发人类蛋白质资源的有效途径。
六、酶在面包与烤焙食品制造中的应用
向陈面粉团添加霉菌的α-淀粉酶和蛋白酶制剂,可以提高面包质量。
加β-淀粉酶,可以防止糕点老化;加蔗糖酶,可以防止糕点中的蔗糖从糖浆中析晶;加蛋白酶,可以使通心面条风味佳,延伸性好。
七、酶在甜味剂制造中的应用
天门冬氨酰苯丙氨酸甲酯(H-Asp-Phe-OMe)是一种低热的新型二肽甜味剂。
其甜度是蔗糖的200倍,特别适用于糖尿病人。
其合成过程是:
第三节酶在轻化工业中的应用
一、酶在氨基酸工业中的应用
L-氨基酸在医药、食品工业及农业等方面的应用十分广泛。
因此,近年来对L-氨基酸的需要量激增。
酶在氨基酸工业生产中的应用有两个方面:
(一)对酰化-DL-氨基酸的光学拆分
用化学合成发合成的是酰化-DL-氨基酸。
用氨基酰化酶不对称地水解酰化DL-氨基酸,则产生L-氨基酸和酰化-D-氨基酸。
酰化-D-氨基酸可以用消旋酶(即转化成酰化-DL-氨基酸),然后,继续光学拆分,直到几乎全部的酰化-DL-氨基酸变成L-氨基酸为止。
(二)酶法合成氨基酸
利用化学法合成的结构简单的化合物为氨基酸的前体,采用酶法合成一些发酵法和化学合成法尚难解决的氨基酸,如L-Lys、L-Trp、L-Phe、L-Ala、L-Asp等。
例如:
L-Asp是以化学法合成的氨和延胡索酸为原料,通过大肠杆菌天门冬氨酸酶的催化而合成的。
二、酶在有机酸合成工业中的应用
酶法与化学法相结合的生产工艺,已经用于苹果酸、酒石酸、长链脂肪酸等有机酸的工业生产。
三、酶在皮革和裘皮制造中的应用
可以利用蛋白酶对生皮进行脱毛和软化。
现在用碱性蛋白酶或中性蛋白酶溶液对生皮脱毛、软化。
用酶法软化生皮,即控制好酸性蛋白酶或中性蛋白酶对非胶原蛋白的水解条件,使生皮软化,而不脱毛。
四、酶在纺织和印染工业中的应用
蚕丝含有大量的丝心蛋白和少量的丝胶蛋白。
从丝织物中除去丝胶蛋白,称为脱胶。
现在,用蛋白酶(细菌、霉菌中性蛋白酶,细菌碱性蛋白酶)脱胶,使丝织品质量大为提高。
棉布印染前,须除去纺织时浆纱的淀粉,即退浆。
过去用碱法退浆,有不少缺点,现在用耐高温α-淀粉酶退浆。
五、酶在日用化工中的应用
(一)酶在洗涤剂制造中的应用
衣物的污垢含有蛋白质、脂肪、淀粉等各种物质,在洗涤剂中添加碱性蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶,更易除去衣物污垢中的蛋白质、脂肪和淀粉,大大提高洗涤剂的洗涤效果,减少搓擦,延长衣物寿命。
(二)酶在化妆品和牙膏中的应用
将蛋白酶、胶原酶或霉菌脂肪酶加入冷霜、洗发香波中,可以溶解皮屑角质,消除皮脂,使皮肤柔嫩,促进皮肤新陈代谢,增加皮肤对治疗药物的吸收,使皮肤角质层中致病菌的耐药性降低等。
将右旋糖苷酶或蛋白酶加入牙膏(牙粉)中,有助于清除牙垢,尤其是枯草杆菌中性蛋白酶的效果最好。
六、酶在农副产品和饲料加工中的应用
纤维素酶包含纤维二糖水解酶、β-葡萄糖苷酶、内切型和外切型β-1,4-葡聚糖酶,是一种复合酶,能将纤维素水解成葡萄糖。
农业上大量的废弃物,如稻草、麦秆等富含纤维素,可以通过纤维素酶水解,制成葡萄糖。
纤维素的酶水解产物可以用作动物饲料,亦可作为微生物培养基的碳源。
酶在动物饲料中的应用第四节
动物对饲料的利用,是在消化道内各种消化酶的作用下,将各种养分降解为小分子而被消化道吸收后利用的。
饲料中添加外源酶,在辅助动物消化,提高动物的消化能力,改善饲料利用率,扩大对饲料物质的利用范围,扩大饲料资源等方面,已显示出其潜力。
目前,在饲料中添加酶的研究和应用主要在两方面显示出效果:
一是补充动物自身消化酶分泌不足,防止生产性能下降;二是添加动物体内缺乏的植物细胞壁物质分解酶和植酸酶等。
扩大动物对饲料养分的利用范围,提高对非常规饲料的利用率。
一、饲用酶对动物的作用
1.补充动物体内消化酶分泌不足
2.植物细胞壁非淀粉多糖降解酶
3.植酸酶和油粕中低聚糖降解酶
4.消炎酶
二、饲用酶的种类和来源
应用于饲料中的酶,有淀粉酶、脂解酶、蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、植酸酶和棉籽糖分解酶等。
主要来源于微生物(包括细菌、真菌、酵母)发酵物,部分来源于植物组织和动物组织(或消化液)。
三、饲用酶制剂的种类、特性和要求
用作饲料添加剂的酶制剂多为粗酶制剂,包括单酶制剂和复合酶制剂。
粗制单酶制剂是指具有特定分解能力的单一菌种(或菌株)培养物经浓缩等处理制成的酶制剂。
复合酶制剂是由多种来源酶配制而得的产品。
此外,还有由精制酶与粗制酶配置的复合制剂。
粗制酶作用效果好。
由于含有一定量的维生素和未知生长因子,粗制酶常有较好的促生长作用,且生产成本低,所以,饲用酶制剂多为粗制酶产品。
第五节酶在半合成抗生素工业生产中的应用
一、概述
抗生素是青霉素、链霉素、四环素、红霉素等一类化合物的总称。
它是由微生物(或某些动、植物)细胞所产生的,能在低浓度下有选择地拟制或杀灭其他微生物或肿瘤细胞的有机化合物。
微生物是产生抗生素的主要来源。
其中,以放线菌产生的抗生素为最多,真菌其次,细菌又次之,而来源于动、植物的最少。
现在,大多数抗生素都是用发酵法生产的。
现代抗生素工业生产过程如下:
菌种?
孢子制备?
种子制备?
发酵?
发酵液预处理?
提取、精制?
产品包
装
抗生素的种类很多,不同的抗生素有不同的抗菌作用。
例如:
青霉素能抑制革兰氏阳性细菌;链霉素能抑制革兰氏隐形细菌。
因而,不同的抗生素用于治疗不同微生物感染的疾病。
随着抗生素的广泛应用,也发现了一些问题,如耐药性、毒副作用,抗菌谱不广等。
解决上述问题的重要途径之一,就是对原有抗生素品种进行化学结构改造。
所谓半合成抗生素,就是指,用化学法或酶法改造已知抗生素的化学结构,所产生的抗生素衍生物。
对抗生素化学结构进行改造,有下列目的要求:
一是增强抗菌力。
二是扩大抗菌谱。
三是对耐药菌有抑杀作用。
四是便于口服。
五是减低毒副作用。
六是改善药理性质,提高生物有效性。
目前,研究的重点是β-内酰胺类抗生素,包括半合成青霉素和半合成头孢菌素。
二、酶用于半合成青霉素生产
青霉素是由青霉菌产生的,主要有青霉素G和青霉素V两种类型。
要将青霉素G或V改造成半合成青霉素,需要经过两个反应步骤:
第一步,将青霉素G和V裂解成6-氨基青霉烷酸(6-APA);第二步,以6-APA为中间体,在其NH上接上不同的侧链,如苯甘氨酸等,产生一系列半合成青霉素。
2
三、酶用于半合成头孢菌素生产
目前,常用的半合成头孢菌素类药物有:
头孢I号(噻孢霉素)、头孢II号(头孢利定)、头孢III号(头孢甘氨酸)、头孢IV号(头孢立新)、头孢V号(唑啉头孢菌素)等。
以青霉素G为出发原料,用化学法,通过扩环等一系列化学反应,合成苯乙酰-7-ADCA,然后,用固定化酰化酶或者化学法,将苯乙酰-7-ADCA裂解成7-ADCA。
7-ADCA是半合成头孢菌素的母核,其NH基接上不同侧链,可以合成一2
系列半合成头孢菌素。
这一步反应可以由头孢菌素酰化酶在弱酸性条件下催化。
酶在环境保护中的应用第六节
一、应用微生物细胞净化污水
某些微生物能将污水中的毒性有机化合物分解成无毒的物质。
例如:
假单孢杆菌或镰刀霉菌能将污水中剧毒的氰酸(HCN)分解成无毒的CO和H。
由22于HCN诱导菌体产生氰分解酶系:
氰水解酶、甲酰胺酶、甲酸脱氢酶。
目前,几乎所有城市的污水处理,都采用活性污泥法。
由各种细菌、原生动物所组成的微生物群体形成表面积较大的菌胶团。
此菌胶团就是活性污泥,它能够大量絮凝、吸附污水中的毒性有机化合物,并将这些物质同化为菌体本身,或者将这些物质氧化、分解成无毒物质。
二、应用固定化酶净化污水
根据需要,固定化酶可以制成各种形状,如:
酶膜、酶布、酶管、酶粒、酶片。
净化静态污水宜选用酶布、酶片;净化动态污水,选用酶管为好。
三、对环境中毒物的监测
酶电极在环境监测方面,已有广泛的应用,目前,在监测水和空气中的有机磷农药浓度方面,乙酰胆碱酯酶电极已应用成功,其灵敏度可达0.1μl/L。
用活性污泥处理水,测定活性污泥中脱氢酶的活性,可以测出水中CN浓
度。
因为脱氢酶活性随[CN]增加而下降。
第七节酶在能源开发中的应用
一、由纤维素发酵生产乙醇
纤维素经过冷冻粉碎之后,利用固定化纤维素酶能够将其连续水解成葡萄糖。
然后,用纤维素水解液为原料,通过固定化酵母的发酵作用,连续产生乙醇。
二、由葡萄糖发酵生产氢
有些微生物或蓝藻含有氢化酶系,能产生氢。
氢化酶系极易失活,但是,将菌体固定化之后,可以提高氢化酶系稳定性。
三、微生物发酵生产甲烷
葡萄糖通过甲烷产生菌的发酵,能够产生甲烷。
我国部分农村已经建立了小型沼气池,以屎尿、农作物废弃物、野草以及污泥为原料,通过甲烷产生菌等各种微生物的发酵作用,产生沼气。
四、生物化学电池
利用固定化酶或固定化微生物制造燃料电池(生物化学电池,微生物电池),将化学能转变成电能。
将固定化葡萄糖氧化酶装到铂电极上,制成酶电极,与银电极组成燃料电池。
复习思考题:
1.名词解释:
酶盒酶试纸酶管和酶柱免疫酶技术半合成抗生素
2.酶在医疗保健方面有哪些的应用,
3.酶在食品工业中有哪些的应用,
4.酶在氨基酸工业生产中的应用有哪两个方面,
5.常用的饲用酶有哪些,
6.简述酶和固定化酶在环境保护方面的应用。
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