第六章 酶制剂的应用.ppt

酶制剂生产与应用 Enzymepreparationproductionandapplication 食品与营养工程学院李西腾 第六章酶制剂的应用 6 1酶在食品工业中的应用6 2酶在环保与能源方面的应用6 3酶在医药领域中的应用6 4酶在基因工程与细胞工程中的应用6 5酶在饲料工业和养殖业中的应用 了解 酶在环保 能源 医药 基因工程 细胞工程 动物饲养等领域的应用 本章教学要求 熟悉 酶在食品保鲜 淀粉加工 蛋白制品加工 果蔬加工 食品添加剂生产 食品品质和风味的改善 食品分析检测等食品工业领域中的应用 掌握 淀粉酶 蛋白酶 纤维素酶 果胶酶等的应用方法 目前 国内外广泛使用酶的领域是食品工业 国内外大规模工业生产的淀粉酶 淀粉酶 异淀粉酶 蛋白酶 果胶酶 葡萄糖异构酶 葡萄糖氧化酶 脂肪酶 纤维素酶 天冬氨酸酶 糖化酶 溶菌酶等大部分都在食品工业中应用 酶在食品工业方面主要用于食品保鲜 淀粉加工 蛋白制品加工 果蔬加工 食品添加剂的生产以及改善食品的品质和风味等 6 1酶在食品工业中的应用 6 1 1酶在食品保鲜方面的应用 酶法保鲜技术是利用酶的催化作用 防止或消除各种外界因素对食品产生的不良影响 从而保持食品原有的优良品质和风味特色的技术 随着人们对食品各方面的要求不断提高和科学技术的飞速发展 酶法保鲜技术越来越受到人们的关注和欢迎 并被广泛地应用于各种食品的保鲜 一 食品的除氧保鲜 氧气是影响食品质量的主要因素之一 容易引起富含油脂的食品发生氧化作用 引起油脂的酸败 产生不良的气味 降低其营养价值 甚至变成有毒物质 氧化作用还会使去皮的马铃薯 苹果及果汁 果酱等果蔬制品变色 氧化作用也会使肉类褐变 解决氧化问题的根本方法是除氧 二 蛋类制品的脱糖保鲜 蛋类制品主要有蛋白片 蛋白粉 全蛋粉等 在蛋类制品的加工和贮藏过程中 往往会引起褐变 出现小黑点或溶解度下降等 从而影响产品质量 引起褐变的原因是由于蛋白中含有的葡萄糖 葡萄糖的羰基与蛋白质的氨基反应 结合生成黑蛋白而出现褐变 小黑点或使全蛋粉的溶解度下降等现象 为了尽可能地保持蛋类制品的色泽和溶解性 必须进行脱糖处理 将蛋白中的葡萄糖除去 三 食品的灭菌保鲜 微生物的污染会引起食品的变质 腐败 防止微生物的污染是食品保鲜的主要任务 杀灭微生物的方法有很多 常用的物理和化学方法极易引起食品品质的改变 而且添加大量的防腐剂还可能对人体健康带来不良的影响 采用溶菌酶进行食品保鲜 不但效果好 而且不存在食品安全问题 溶菌酶是一种专门作用于细菌细胞壁的水解酶 又称细胞壁溶解酶 它专一地作用于细菌细胞壁中的肽多糖分子中N 乙酰胞壁酸与N 乙酰氨基葡萄糖之间的 1 4糖苷键 催化细胞壁中的肽多糖水解 从而破坏细菌的细胞壁 使细菌溶解死亡 溶菌酶在食品保鲜方面的应用 6 1 2酶在淀粉类食品生产方面的应用 在淀粉类食品的加工中 主要用酶有淀粉酶 淀粉酶 葡萄糖淀粉酶 糖化酶 支链淀粉酶 异淀粉酶 葡萄糖异构酶等 酶在淀粉类食品生产中的应用 6 1 3酶在蛋白类食品生产方面的应用 蛋白质是食品的主要营养成分之一 以蛋白质为主要成分或以蛋白质为主要原料加工而成的食品称为蛋白质类食品 如乳制品 肉制品 蛋制品和鱼制品等 在蛋白质类食品的生产过程中 主要使用的酶是各种蛋白酶 此外也使用乳糖酶和其他一些酶 蛋白酶 Proteinases 是一类催化蛋白质水解的酶 根据其来源的不同 可分为动物蛋白酶 如胰蛋白酶 胃蛋白酶等 植物蛋白酶 如木瓜蛋白酶 菠萝蛋白酶等 以及微生物蛋白酶 如枯草杆菌蛋白酶 黑曲霉蛋白酶等 在蛋白类食品的生产中广泛应用的蛋白酶和乳糖酶 主要是用其进行蛋白水解产物 氨基酸 明胶 干酪的生产 肉类的嫩化 低乳糖奶的生产等 6 1 4酶在果蔬类食品生产方面的应用 果蔬类食品是指以各种水果或蔬菜为主要原料加工而成的食品 在果蔬类食品的生产过程中 为了提高产量和产品质量 常常加入各种酶 常用的有果胶酶 柚苷酶 橙皮苷酶 花青素酶等 主要用于果汁 果酒 果冻 果蔬罐头等的生产 6 1 4酶在果蔬类食品生产方面的应用 1 酶在果汁生产中的应用2 酶在果酒生产中的应用3 酶在低糖果冻生产中的应用4 柑橘制品去除苦味5 柑橘罐头防止产生白色浑浊6 果蔬制品的脱色 6 1 5酶在食品添加剂生产中的应用 食品添加剂是指为改善食品品质和色 香 味 以及为防腐和加工工艺需要而加入食品中的化学合成或天然物质 食品添加剂的生产可以采用提取分离法 微生物发酵法 酶催化合成法和化学合成法等 由于酶具有催化效率高 专一性强和作用条件温和等特点 随着酶工程的发展 作为高效 安全的生物催化剂 酶在食品添加剂的生产中已经较为广泛地得到应用 一 酶在酸味剂生产中的应用 常用的酸味剂一般分为无机酸和有机酸 食品中常用的无机酸为磷酸和己二酸 有机酸为柠檬酸 酒石酸 苹果酸 乳酸 醋酸等 有机酸一般是采用提取法 发酵法和化学合成法制得 近期酶法合成的研究逐渐增多 主要集中在乳酸 苹果酸 葡萄糖酸及一些新的酸味剂上 二 酶在增味剂生产中的应用 食品增味剂或称食品风味增强剂 是指补充或增强食品原有风味的一类物质 通常又称为鲜味剂 鲜味是食品物质刺激人们的味觉器官而产生的一种鲜美感觉 能够刺激味觉器官产生鲜美感觉的物质称为鲜味剂 例如 味精 肌苷酸钠等 酶催化法生产食品增味剂 利用酶的催化作用 将底物转化为食品增味剂的技术过程 酶催化法可以提高产率 减少设备投资 提高产品质量 逐渐被广泛的应用于工业化生产 酶催化法主要用于氨基酸和呈味核苷酸的生产 二 酶在增味剂生产中的应用 1 L 氨基酸的酶法生产 2 呈味核苷酸的酶法生产 三 酶在甜味剂生产中的应用 食品甜味剂能改进食品的可口性和其他食用性质 满足有些人的爱好 并且可供给人体热能 近年来 由于高热量糖类物质的过量摄入而引起的肥胖 高血脂和龋齿等疾病已成为世界各国一大社会问题 此外人们对食用合成甜味剂糖精 甜蜜素等存在顾虑 因此 开发新型低热能甜味剂一直是国内外研究的热点 尤其是那些甜度高 味质好 不致龋的低热能产品发展很快 在这些新产品的研究开发过程中 酶技术占据了重要地位 三 酶在甜味剂生产中的应用 通过酶的催化作用可以生成各种甜味剂 1 嗜热菌蛋白酶催化天冬氨酸和苯丙氨酸反应生成天苯肽 2 葡萄糖基转移酶生产帕拉金糖 3 果聚糖蔗糖酶生产低聚果糖低聚果糖是指在蔗糖的果糖基上结合个果糖分子而成的非还原性糖 低聚果糖存在于洋葱 香蕉等果蔬中 但含量较低 其甜度约为蔗糖的低聚果糖的生产可以采用蔗糖为原料 通过果聚糖蔗糖酶催化作用生成 果聚糖蔗糖酶可以通过黑曲霉发酵得到 4 葡萄糖醛酸苷酶生产单葡萄糖醛酸基甘草皂甙 四 酶在乳化剂生产中的应用 食品乳化剂是食品加工过程中使互不相溶的液体 如油和水 形成稳定乳浊液的一类食品添加剂 目前 国内外最普遍使用的乳化剂是甘油单脂及其衍生物和大豆磷脂等 这些乳化剂在人体消化过程中被分解为脂肪酸和多元醇 从而被人体吸收或排出体外 对人体代谢无不良作用 利用脂肪酶的作用 将甘油三酯水解生成的甘油单酯 简称单甘酯 是一种广泛应用的食品乳化剂 6 1 6酶在改善食品品质与风味方面的应用 风味酶的发现和应用在食品风味的再现 强化和改善方面呈现广阔的应用前景 例如 用洋葱风味酶处理甘蓝等蔬菜 可使被处理的蔬菜呈现出洋葱的风味 用奶油风味酶作用于含乳脂的巧克力 冰淇淋和人造奶油等食品 可使这些食品增强奶油的风味 有些食品在加工或保藏过程中 可能会使原有的风味减弱或失去 若在这些食品中添加各种风味酶 则可使它们恢复甚至强化原来的天然风味 面包加工过程中添加的酶及其对面包质量的影响 在含有蔗糖的糕点 饮料等食品的生产过程中 添加适量的蔗糖酶 可以催化蔗糖水解生成葡萄糖和果糖 果糖具有类似蜜糖的风味 从而使改善产品的风味 同时还可以防止蔗糖析出结晶 在可溶性鱼蛋白水解物的生产过程中 往往会产生苦味肽 使产品带有苦味 为了减轻或消除产品的苦味 可以添加适量的羧肽酶或者氨肽酶 催化生产中产生的苦味肽水解生成氨基酸 从而改善鱼蛋白水解物的风味 乳制品的特有香味主要是由脂肪酸及其分解产物产生的 在乳制品生产过程中 加入适量脂肪酶或酯酶 可以使乳中的脂肪水解 生成脂肪酸和甘油二酯等 或甘油单酯从而显著增加干酪 奶油等乳制品的香味 同时增强乳化性 6 1 7酶在食品分析检测中的应用 在食品分析与检测中 需要测定的组分很多 包括醇类和胆固醇类 糖类 氨基酸类 有机酸类 硝酸盐和亚酸盐 氰化物以及各种毒素等 对于食品中的这些组分的分析与检测 总是需要快速而准确地测定 酶法检测技术作为一种新的检测技术 其具有专一性强 准确性高 检测速度快等优点 在食品分析与检测中已广泛应用 6 1 7酶在食品分析检测中的应用 1 醇类和胆固醇的测定2 食品中糖类的测定3 氨基酸类的测定4 有机酸的测定5 食品中其他组分的测定 环境监测的目的是了解环境情况 掌握环境质量变化 环境监测是进行环境保护的一个重要环节 酶在环境监测方面的应用越来越广泛 已经在农药污染的监测 重金属污染的监测 微生物污染的监测等方面取得重要成果 6 2酶在环保与能源方面的应用 6 2 1酶在环境监测方面的应用 利用胆碱酯酶可以催化胆碱酯水解生成胆碱和有机酸 一 利用胆碱酯酶监测有机磷农药污染 有机磷农药是胆碱酯酶的一种抑制剂 可以通过检测胆碱酯酶的活性变化 来判断是否受到有机磷农药的污染 可以通过固定化胆碱酯酶的受抑制情况 检测空气或水中微量的酶抑制剂 有机磷等 灵敏度可达0 1mg L 乳酸脱氢酶5种同工酶 它们具有不同的结构和特性 当遇到重金属离子时 活性会发生一定的变化 通过检测家鱼血清乳酸脱氢酶 SLDH 的活性变化 可以检测水中重金属污染的情况及危害程度 镉和铅的存在可以使SLDH3活性升高的活性 汞的污染使SLDH1活性升高 铜的存在则引起SLDH4活性降低 二 利用乳酸脱氢酶的同工酶监测重金属污染 将4 甲基香豆素基 葡聚糖苷酸掺入选择性培养基中 样品中如果有大肠杆菌存在 大肠杆菌中葡聚糖苷酸酶就将其水解 生成甲基香豆素 甲基香豆素在紫外光的照射下发出荧光 由此可以通过紫外光分光光度法检测水或食品中大肠杆菌的污染程度 三 通过 葡聚糖苷酸酶监测大肠杆菌污染 亚硝酸还原酶是催化亚硝酸还原生产一氧化氮的氧化还原酶 四 利用亚硝酸还原酶检测水中亚硝酸盐浓度 利用固定化亚硝酸还原酶 可检测水中亚硝酸盐浓度 不同的废水 含有的物质不同 因此应采用不同的酶进行处理 废水中含有淀粉 蛋白质 脂肪等各种有机物质 可以在有氧和无氧的条件下用微生物处理 也可以用固定化淀粉酶 蛋白酶 脂肪酶等进行处理 废水中含有硝酸盐 亚硝酸盐等酸性物质 可以用固定化硝酸还原酶 亚硝酸还原酶和一氧化氮还原酶进行处理 使硝酸根 亚硝酸根逐步还原 最终成为氮气 6 2 2酶在废水处理方面的应用 目前 应用于各个领域的高分子材料 大多数是生物不可降解或不可完全降解的材料 这些高分子材料使用以后 成为固体废弃物 造成环境污染 研究和开发可生物降解材料是当今国内外的重要课题 其中 利用酶的催化作用合成可生物降解材料 已经成为开发可生物降解材料的重要途径 利用酶在有机介质中的催化作用合成的可生物降解材料主要有 利用蛋白酶或脂肪酶合成多肽类或聚酰胺类物质 利用脂肪酶的有机介质催化合成聚酯类物质和聚糖酯类物质等 6 2 3酶在生物降解材料方面的应用 由于酵母菌不能直接利用淀粉和纤维素等原料 所以乙醇的生产必须经过糖化和发酵两个阶段 6 2 4酶在乙醇生产方面的应用 为了简化发酵工艺过程 人们可以采用各种生物技术使酵母菌具有直接利用淀粉或纤维素发酵生产乙醇的能力 采用酶工程技术将糖化酶等淀粉酶或者纤维素酶与酵母细胞共固定化 通过多糖水解酶和酵母细胞内酒化酶系的共同作用 将淀粉或纤维素转化为乙醇 6 2 5酶在生物柴油制造方面的应用 生物柴油是甘油酯与小分子醇类经过酯交换反应而得到的脂肪酸酯类物质 可以代替柴油作为柴油发动机的燃料使用等 在当今石油资源面临枯竭的情况下 研究和开发新的生物能源具有重要的意义和应用价值 在有机介质中 脂肪酶或酯酶可以催化甘油酯与小分子醇类进行酯交换反应 生成小分子的酯类混合物 甘油和酯 6 3酶在医药领域中的应用 疾病治疗效果的好坏 在很大程度上决定于诊断的准确性 疾病诊断的方法很多 其中 酶学诊断方法具有可靠 简便 快捷等特点 酶学诊断方法包括两个方面 一是根据体内原有酶活力的变化来诊断某些疾病 二是利用酶测定体内某些物质含量的变化来诊断某些疾病 6 3 1酶在疾病诊断方面的应用 1 酸性磷酸酶2 碱性磷酸酶3 转氨酶4 乳酸脱氢酶5 乳酸脱氢酶同工酶6 葡萄糖磷酸异构酶7 胆碱酯酶8 端粒酶 一 根据体内酶活力的变化诊断疾病 1 利用葡萄糖氧化酶诊断糖尿病2 利用葡萄糖氧化酶和过氧化物酶诊断糖尿病3 利用胆固醇氧化酶诊断高血脂症4 利用谷氨酰胺酶诊断肝硬化 肝昏迷5 利用尿素酶诊断肝 肾病变6 利用DNA聚合酶检测癌基因7 利用酶标免疫检测法测定抗体或抗原 二 利用酶测定体内某些物质的变化诊断疾病 酶可以作为药物治疗多种疾病 用于治疗疾病的酶称为药用酶 药用酶具有疗效显著 不良反应小等特点 其应用越来越广泛 6 3 2酶在疾病治疗方面的应用 酶在医药制造方面的应用是利用酶的催化作用将前体物质转变为药物 这方面的应用日益增多 现在很多贵重的药物都采用酶法生产 6 3 3酶在药物制造方面的应用 酶在药物制造方面的应用 6 4酶在基因工程与细胞工程中的应用 胞内物质的提取 如胞内酶 胰岛素及干扰素等基因工程菌的产物 天然抗氧化剂等植物细胞次级代谢产物等都存在于细胞内 若提取这些胞内物质 则需要将细胞壁破坏或除去 6 4 1酶在除去细胞壁方面的应用 提取某些胞内物质或制备原生质体时 既要除去细胞壁 又要不损伤其他成分 这样就不能采用强烈的破碎方法 而且只能用各种具有专一性的酶 根据细胞的结构不同和细胞壁组分的差异 除去细胞壁时所采用的酶也有所区别 在基因工程中使用的限制性核酸内切酶 其切割位点一般都在其识别顺序之内 除去革兰氏阳性菌的细胞壁采用由蛋清中分离得到的溶菌酶 该酶专一地作用于细菌细胞壁的肽多糖分子中N 乙酰胞壁酸与N 乙酰氨基葡萄糖之间的 1 4键 除去革兰氏阴性菌的细胞壁需用溶菌酶和EDTA共同作用 才能达到较好的效果 这是由于EDTA可以作用于脂多糖的缘故 1 除去细菌细胞壁 酵母的细胞壁分为两层 外层由磷酸甘露糖和蛋白质组成 内层由 葡聚糖构成细胞壁的骨架 除去酵母细胞壁主要采用 1 3 葡聚糖酶 该酶作用于细胞壁内层的 葡聚糖分子酵母细胞壁中 1 3 的糖苷键 使作为 葡聚糖水解 而使细胞壁破坏 2 除去酵母菌细胞壁 霉菌的细胞壁比较复杂 不同种属的霉菌 其细胞壁结构和组分有较大差别 毛霉 根霉的细胞壁主要由几丁质和壳聚糖等多种物质组成 破壁时主要采用放线菌或细菌产生的壳多糖酶 几丁质酶及蛋白酶等多种酶的混合物 米曲霉 黑曲霉和青霉的细胞壁主要由几丁质和葡聚糖等组成 破壁时主要采用葡聚糖酶和几丁质酶的混合物 3 除去霉菌细胞壁 植物细胞壁主要由纤维素 半纤维素 木质素和果胶等组成 破壁时主要采用纤维素酶 半纤维素酶和果胶酶组成的混合酶 4 植物细胞壁的破除 生物工程经常与生物大分子打交道 在许多情况下需要把大分子切割成较小的分子或片段 以便在生物工程的有关领域使用 生物大分子的切割需要在特定的位点上进行 所以就只能借助于专一性强的酶作用 6 4 2酶在大分子切割方面的应用 基因工程方面常用的水解酶 限制性核酸内切酶 DNA外切核酸酶 碱性磷酸酶 核酸酶S1 自我剪切酶 RNA剪切酶 许多酶都具有分子拼接能力 能将两个或多个分子连接在一起而合成较大的分子 这些酶类在生物体内是至关重要的 它们催化各种各样的生物合成反应 在DNA体外重组过程中 需要使用一些酶 使分子拼接起来 6 4 3酶在分子拼接方面的应用 常用的拼接相关酶 DNA连接酶 DNA聚合酶 末端脱氧核苷酸转移酶 反转录酶 蛋白酶 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 酵母菌等 发酵物 部分来源于植物组织和动物组织 或消化液 6 5酶在饲料工业和养殖业中的应用 6 5 1饲用酶制剂的种类和来源 1 补充内源酶的不足 改善消化道内的微生态环境2 打破植物细胞壁 提高饲料的有效能值 3 降低胃肠道黏性 提高养分的消化吸收率 减少疾病的发生 4 消除饲料中的抗营养因子