化学工艺学：酶学与酶工程

第二节酶学与酶工程1酶的分类与命名1.1习惯命名法1.根据被催化的底物来命名，如淀粉酶、脂肪酶等；2.根据酶所催化反应的性质来命名，如转氨酶、脱氢酶等；3.结合酶催化的底物和催化反应类型来命名，如乳酸脱氢酶、谷丙转氨酶等；4.在上述命名的基础上加上诸如酶的来源或酶的其他特点来命名，如胰蛋白酶、碱性磷酸酯酶等。缺点：缺乏系统性，常常会不可避免地出现一酶数名或一名数酶的混乱情况。返回1.2国际系统分类酶1-氧化还原酶类2-转移酶类3-水解酶类6-合成酶类5-异构酶类4-裂合酶类生物化工反应单元操作——酶学与酶工程氧化还原酶催化氧化-还原反应主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(oxidase)

例如，L-乳酸：NAD+氧化还原酶（乳酸脱氢酶）催化乳酸氧化生成丙酮酸的反应。氧化还原酶类生物化工反应单元操作——酶学与酶工程转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如,谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。转移酶类生物化工反应单元操作——酶学与酶工程催化的是水解反应或水解反应的逆反应主要包括酯酶、淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、糖苷酶等例如，青霉素酰化酶催化青霉素G水解生成6-氨基青霉烷酸。水解酶类生物化工反应单元操作——酶学与酶工程裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。主要包括脱羧酶、醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。富马酸裂合酶催化富马酸生成苹果酸。裂合酶类生物化工反应单元操作——酶学与酶工程异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。例如，葡萄糖异构酶将葡萄糖异构化生产D-果糖。

异构酶类生物化工反应单元操作——酶学与酶工程能够催化C-C、C-O、C-N以及C-S键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。例如，谷氨酰胺合成酶催化L-谷氨酸、ATP和NH3生成谷氨酰胺、ADP和磷酸盐。

合成酶或连接酶类生物化工反应单元操作——酶学与酶工程EC命名法ECx.y.z.nEC为酶学委员会EnzymeCommission亚亚类下的具体的个别酶的顺序号各亚类下的亚亚类酶所属大类1~6大类下的亚类x,y,z编号中的前三个数字表明了该酶的特性如反应物的种类、反应的性质生物化工反应单元操作——酶学与酶工程国际系统命名法

XY正反应、逆反应都用同一名称催化的反应名称底物名底物1:底物2ATP:己糖磷酸基转移酶DH2+NAD+

D+NADH+H+DH2

NAD+氧化还原酶生物化工反应单元操作——酶学与酶工程各大类酶的特殊命名规则氧化还原酶往往可命名为供体：受体氧化还原酶转移酶为供体：受体被转移基团转移酶生物化工反应单元操作——酶学与酶工程2酶的化学本质、来源和生产2.1酶的化学本质和组成迄今为止已经发现并证实了少数有催化活性的RNA分子，但绝大部分酶的化学本质是蛋白质。酶蛋白中的肽键

生物化工反应单元操作——酶学与酶工程根据酶蛋白分子的特点又可将酶分为单体酶、寡聚酶、多酶复合体、多酶融合体等。单体酶一般由一条肽链组成，相对分子质量在3.5万以下，不含四级结构，例如牛胰核糖核酸酶、鸡蛋清溶菌酶等。寡聚酶是由两个或两个以上亚基组成的酶，相对分子质量一般高于3.5万，具有四级结构，例如果糖-1,6-二磷酸酯酶、牛肝谷氨酸脱氢酶等。生物化工反应单元操作——酶学与酶工程多酶复合体由两个或两个以上的酶靠共价键连接而成，其中的每一种酶分别催化一个反应，所有反应依次连接，构成一个代谢途径或代谢途径的一部分，反应效率非常高，例如大肠杆菌色氨酸合成酶复合体、大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体。多酶融合体是指具有一个以上催化活性的若干种蛋白质。例如，天冬氨酸激酶I-高丝氨酸脱氢酶I融合体、克木毒蛋白、红色链孢霉的AROM多酶融合体以及脂肪酸合成酶系等。生物化工反应单元操作——酶学与酶工程辅酶和辅基有机辅助因子可依据其与酶蛋白结合的牢固程度不同分为辅酶和辅基通常辅酶与酶蛋白的结合比较松弛，多数情况下，可以用透析或其他方法将全酶中的辅酶除去，如辅酶Q、辅酶A等。辅基与酶蛋白之间常以共价键紧密结合，不易通过透析等方法将其除去，如细胞色素氧化酶的铁卟啉辅基。生物化工反应单元操作——酶学与酶工程2.2酶的来源和生产酶植物动物微生物生物化工反应单元操作——酶学与酶工程动植物粗品酶纯酶分离纯化木瓜木瓜蛋白酶菠萝菠萝蛋白酶例1例2颌下腺激肽释放酶例3生物化工反应单元操作——酶学与酶工程生产周期长来源有限地理、气候和季节影响技术、经济以及伦理限制动植物原料的特点和不足不易于进行大规模的生产生物化工反应单元操作——酶学与酶工程酶的化学合成中国科学家1964年Gutte和Merrilield1969年胰岛素核糖核酸酶化学合成法经济试剂设备可行性？生物化工反应单元操作——酶学与酶工程微生物发酵法微生物酶①微生物种类繁多，制备出的酶种类齐全，几乎所有的酶都能从微生物中得到②微生物繁殖快、生产周期短、培养简便，并可以通过控制培养条件来提高酶的产量③微生物具有较强的适应性和应变能力，可以通过适应、诱导、诱变以及基因工程等方法培育出新的产酶高的菌株优点商品酶的主要生产方法生物化工反应单元操作——酶学与酶工程微生物发酵法优良的产酶菌种是提高酶产量的关键优良菌种①繁殖快、产酶量高，酶的性质应符合使用要求，而且最好是能产生胞外酶，产生的酶容易分离纯化②产酶性能稳定，菌种不易变异退化，不易受噬菌体感染侵袭③易于培养，能够利用廉价的原料进行酶的生产，并且发酵周期要短④菌种不是致病菌，也不产生有毒物质或其他生理活性物质，确保酶生产和使用的安全微生物所产的酶大肠杆菌枯草杆菌谷氨酸脱羧酶、天冬氨酸转氨酶、青霉素酰化酶、β-半乳糖苷酶等α-淀粉酶、β-葡萄糖氧化酶、碱性磷酸酯酶等酵母菌丙酮酸脱羧酶、乙醇脱氢酶等曲霉菌糖化酶、蛋白酶、果胶酶、葡萄糖氧化酶、氨基酰化酶及脂肪酶等青霉菌葡萄糖氧化酶、青霉素酰化酶、5′-磷酸二酯酶、脂肪酶等李氏木霉内切纤维素酶、外切纤维素酶、β-葡萄糖苷酶等根霉菌淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶等链霉菌葡萄糖异构酶等一些常用的微生物及它们所产的酶生物化工反应单元操作——酶学与酶工程酶的发酵生产方式固体发酵液体深层发酵微生物发酵法生物化工反应单元操作——酶学与酶工程固体发酵表面培养或曲式培养以麸皮、米糠等为基本原料,加入适量的无机盐和水作为培养基进行产酶微生物菌种培养的一种培养技术浅盘培养转鼓培养多用通风式厚层培养固体发酵技术原理生物化工反应单元操作——酶学与酶工程微生物发酵法固体发酵法设备简单，便于推广，特别适合于霉菌的培养和产酶发酵条件不易控制、物料利用不完全、劳动强度大、容易染菌等优点缺点不适于胞内酶的生产生物化工反应单元操作——酶学与酶工程液体深层发酵浸没式发酵利用液体培养基，在发酵罐内进行的一种搅拌通气培养方式液体发酵技术原理酶制剂生产的主要培养方式原料的利用率和酶的产量都较高，培养条件容易控制微生物发酵法生物化工反应单元操作——酶学与酶工程微生物发酵法提高酶产量的措施基因突变体外基因重组控制温度改善通气和搅拌控制pH添加诱导物控制阻遏物浓度添加表面活性剂体内基因重组改良菌株的产酶特性发酵工艺条件生物化工反应单元操作——酶学与酶工程3酶的固定化3.1固定化酶的定义所谓固定化酶，是指在一定空间内呈闭锁状态存在的酶，能连续地进行反应，反应后的酶可以回收重复使用。因此，不管用何种方法制备的固定化酶，都应该满足上述固定化酶的条件。生物化工反应单元操作——酶学与酶工程固定化酶与游离酶相比，具有下列优点:

（l）极易将固定化酶与底物、产物分开；

（2）可以在较长时间内进行反复分批反应和装柱连续反应；

（3）在大多数情况下，能够提高酶的稳定性；

（4）酶反应过程能够加以严格控制；

（5）产物溶液中没有酶的残留，简化了提纯工艺；

（6）较游离酶更适合于多酶反应；

（7）可以增加产物的收率，提高产物的质量；

（8）酶的使用效率提高，成本降低。

生物化工反应单元操作——酶学与酶工程

固定化酶也存在一些缺点:

（l）固定化时酶活力有损失；（2）增加了生产的成本，工厂初始投资大；（3）只能用于可溶性底物，而且较适用于小分子底物，对大分子底物不适宜；（4）与完整菌体相比不适宜于多酶反应，特别是需要辅助因子的反应；（5）胞内酶必须经过酶的分离过程。生物化工反应单元操作——酶学与酶工程固定化酶的制备原则

（l）必须注意维持酶的催化活性及专一性，保持酶原有的专一性、高效催化能力和在常温常压下能起催化反应的特点；（2）固定化应该有利于生产自动化、连续化；（3）固定化酶应有最小的空间位阻；（4）酶与载体必须结合牢固；（5）固定化酶应有最大的稳定性；（6）固定化酶应能保持甚至超过原有酶液的活性；

(7)固定化酶成本要低，应为廉价的、有利于推广的产品，以便于工业使用。生物化工反应单元操作——酶学与酶工程酶的固定化方法按用于结合的化学反应类型分类固定化方法分类非化学结合法结晶法分散法物理吸附法离子结合法化学结合法交联法共价结合法包埋法

微囊法网格法生物化工反应单元操作——酶学与酶工程非化学结合法1结晶法使酶结晶从而实现固定化的方法。优点：提供非常高的酶浓度。缺点：在不断的重复循环中，酶会有损耗2分散法通过将酶分散于水不溶相中而实现酶固定化的方法。优点：酶易于分离、再利用。缺点：产生传质阻力，使酶的催化活力降低。生物化工反应单元操作——酶学与酶工程3物理吸附法通过氢键、疏水键等物理作用力将酶或含酶菌体吸附在不溶性载体表面上而实现酶固定化的方法。吸附载体：活性炭、多孔玻璃、硅胶、膨润土等无机载体和淀粉、谷蛋白等天然高分子载体。优点：酶活性中心不易被破坏、酶高级结构变化小、操作方便、条件温和、载体廉价易得、可反复使用。缺点：酶与载体相互作用力弱，酶易脱落。生物化工反应单元操作——酶学与酶工程4离子结合法利用酶的侧链基团通过离子键结合于水不溶性载体配基上的固定化方法。载体：DEAE－纤维素、DEAE－葡聚糖凝胶等阴离子交换剂和CM－纤维素、AmberliteCG－50、Dowex－50等阳离子交换剂。优点：操作简单、处理条件温和、酶的高级结构和活性中心的氨基酸残基不易被破坏以及酶活回收率较高。缺点：酶与载体相互作用力弱，酶易脱落。生物化工反应单元操作——酶学与酶工程化学结合法1共价结合法通过共价键将酶的活性非必需侧链基团与载体上的配基结合的固定化方法称为共价结合法。载体：天然有机载体(如多糖、蛋白质、细胞)，无机物(玻璃、陶瓷等)，合成聚合物（聚酯、聚胺、尼龙等）。常用的载体活化方法主要有重氮法、叠氮法、溴化氰法和烷化法等。生物化工反应单元操作——酶学与酶工程2交联法交联法是指借助于双功能试剂或多功能试剂能使酶分子之间发生交联作用，而利用双功能或多功能试剂使酶与酶之间交联，制成网状结构固定化酶的方法。多功能试剂：戊二醛、己二胺、顺丁烯二酸酐、双偶氮苯、异氰酸酯等。优点：固定化酶一般比较牢固，可以长时间使用。缺点：反应条件比较激烈，酶活回收率一般较低。

因此，尽可能降低交联剂浓度和缩短反应时间将有利于固定化酶比活力的提高。生物化工反应单元操作——酶学与酶工程3

包埋法将酶包埋在各种多孔载体中使酶固定化的方法称为包埋法。分为网格型和微囊型两种。一般将酶或微生物包埋在高分子凝胶细微网格中的称为网格型；将酶或微生物包埋在高分子半透膜中的称为微囊型。生物化工反应单元操作——酶学与酶工程网格型固定化酶

微囊型固定化酶

生物化工反应单元操作——酶学与酶工程4酶的应用成功的饲料用酶，如植酸酶可减少向环境中排放磷

纺织精炼用酶

洗涤剂酶

酶增强牙膏的洁净能力

使用酶生产没有反式脂肪酸的食用油和奶油

提高啤酒质量

酶替代面包中的乳化剂用于面条的酶将成为一个有趣的应用领域

烘焙工业用酶

用酶处理皮革可减少化学品的使用

促进草皮生长的产品

酶与人类生活息息相关生物化工反应单元操作——酶学与酶工程淀粉乳（35%

~40%固形物）液化糖液α-淀粉酶糖化液糖化酶精制糖液浓缩糖液果葡糖浆脱色