第2节　酶在工业生产中的应用.docx

第3章 生物科学与工业第2节 酶在工业生产中的应用阅读材料【概念1 酶工程】酶工程（英语：Enzyme engineering）又称蛋白质工程学，是指工业上有目的的设置一定的反应器和反应条件，利用酶的催化功能，在一定条件下催化化学反应，生产人类需要的产品或服务于其它目的的一门应用技术。酶工程就是将酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备，酶的固定化，酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。酶工程的应用，主要集中于食品工业，轻工业以及医药工业中。【概念2 酶的分类和命名】迄今为止已发现约4000多种酶，在生物体中的酶远远大于这个数量。随着生物化学、分子生物学等生命科学的发展，会发现更多的新酶。为了研究和使用的方便，需要对已知的酶加以分类，并给以科学名称。1961年国际生物化学学会酶学委员会推荐了一套新的系统命名方案及分类方法，已被国际生物化学学会接受。决定每一种酶应有一个系统名称和一个习惯名称。1961年以前使用的酶的名称都是习惯沿用的，成为习惯名。主要依据两个原则：根据酶作用的底物命名如催化水解淀粉的酶叫淀粉酶，催化水解蛋白质的酶叫蛋白酶。有时还加上来源以区别来源不同的同一类酶，如胃蛋白酶、胰蛋白酶。根据酶催化反应的性质及类型命名如水解酶、转移酶、氧化酶等。有的酶结合上述两个原则来命名，如琥珀酸脱氢酶是催化琥珀酸脱氢反应的酶。习惯命名法比较简单，应用历史较长，尽管缺乏系统性，但现在还在被人们使用。【概念3 固定化酶技术】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。1916年N elson和GrImn最先发现了酶的固定化现象。科学家们就开始了同定化酶的研究工作。我国的固定化酶研究开始于1970年，首先是微生物所和I上海生化所的工作者开始了固定化酶的研究。固定化酶技术是用物理或化学手段将游离酶封锁住固体材料或限制在一定区域内进行活跃的、特有的催化作用，并可回收长时间使用的一种技术。酶的固定化技术已经成为酶应用领域中的一个主要研究方向。经固定化的酶与游离酶相比具有稳定性高、回收方便、易于控制、可反复使用、成本低廉等优点，在生物工业、医学及临床诊断、化学分析、环境保护、能源开发以及基础研究等方面发挥了重要作用。类型优点不足直接使用酶催化效率高，低耗能，低污染等对环境条件非常敏感，容易失活；溶液中酶很难回收，不能被再次利用，反应后酶会混合在产物中，可能影响产品质量固定化酶酶既能与反应物接触，又能与产物分离，同时，固定在载体上的酶还可以被反复利用一种酶只能催化一种化学反应，而在生产实践中，很多产物都是通过一系列的酶促反应才能得到的固定化酶技术的优缺点固定化酶的几种方法酶的固定方法原理固定载体优点吸附法离子键作用、物理吸附纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等载体工艺简便且条件温和，在生产上应用广泛交联法酶和多功能试剂之间形成共价键利用多功能试剂在酶与酶、酶与载体之间进行交联，从而形成三维的交联网架结构包埋法将酶包埋在能固化的载体中将酶包裹在聚丙烯酰胺凝胶等高分子凝胶中，或包裹在硝酸纤维素等半透性高分子膜中，前者包埋成格子形，后者包埋成微胶囊形【概念4 酶工程在工业中的应用实例】生产实例1：葡萄糖的生产以前曾采用酸水解淀粉的方法生产。这种生产工艺，反应温度高、酸性强，设备假容易被腐蚀，而且，水解后获取的产物颜色深，提取葡萄糖的难度大。现在采用酶制剂的方法生产。大致过程是：将30%的淀粉浆与高温的-淀粉酶混合后加热到90100，在-淀粉酶的作用下，淀粉被水解成由10个左右的葡萄糖组成的糊精，然后再加入糖化酶，在5560保温，水解40h以上，糊精被水解为葡萄糖。由这种方法生产的葡萄糖很容易分离纯化，而且产量高，质量好。生产实例2：果汁的生产将水果制成果汁，既提高了水果的经济附加值，又方便了食用。但是，在制作果汁的过程中，人们发现以下问题：水果出汁率低，耗费的时间长，榨取的果汁混浊，黏度高，不溶性物质含量多，放置一段时间后，很容易发生沉淀等。为解决这些问题，工业上采用果胶和纤维素酶来处理果肉，不仅提高了果肉的出汁率，缩短了出汁时间，而且能使生产的果汁澄清，稳定性强。生产实例3：棉布的生产为使牛仔服柔软、光洁，改善手感和外观，以前，人们常用沙石洗工艺时棉布进行处理。但这种处理容易导致纤维不均匀、损害织物的强度等问题。用纤维素酶处理棉布，就不会出现这些问题。我国目前制作牛仔服的棉布，其生产过程中都采用了纤维素酶处理工艺。生产实例4：造纸工业中的应用用酶代替化学和物理方法制造纸浆和漂白，解决了造纸产生的大量污染，并提高了纸浆质量。用废纸制造纸浆时，用酶代替化学脱墨，可保持制成的纸的强度。生产实例5：半合成青霉素的生产青霉素在临床上已经应用了半个多世纪，许多致病菌已产生对青霉素的耐药性。降低了青霉素的治疗效果。研究发现，青霉素在化学结构上是由青霉素母核和侧链组成的，母核是决定青霉素杀菌活性的主要部分，侧链的结构与青霉素的抗菌谱及稳定性有关。通过把各种新的侧链连接到青霉素母核上的方法，可以获得许多抗菌谱广、抗耐药性强和稳定性好的新的青霉素，它们被统称为半合成青霉素。以前是用化学方法将发酵生产的青霉素水解，除去侧链获得母核。但生产效果很差，产品质量低，无法满足半合成青霉素生产的需要。现在则使用青霉素酰化酶催化青霉素的水解反应，将侧链“切下”获得母核。其生产效率高，产品质量好。成本也大幅度降低。然后，再用化学方法或在青霉素酰化酶催化下，将新的侧链连接到母核上，制备成半合成青霉素。现在医院里使用的氨苄青霉素和羟氨苄青霉素都是这样生产的。这些产品疗效高，过敏反应低，甚至可以口服，使用更方便。生产实例6：多巴的生产帕金森综合症是一种老年性疾病，患者手指颤，肌肉僵直，行动不便。发病原因是因为大脑神经细胞不能将酪氨酸转化成神经递质类的多巴。治疗这种疾病的重要手段就是给病人服用多巴。人们从微生物中找到了一种酪氨酸酶，它能够将邻苯二酚、丙酮酸和氨合成多巴。这个反应效率很高，可以大量生产多巴。附：生物技术五大工程:基因工程、细胞工程、蛋白质工程、酶工程、发酵工程一、基因工程基因工程（genetic engineering）又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图。在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。基因工程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段。二、细胞工程细胞工程是生物工程的一个重要方面。总的来说，它是应用细胞生物学和分子生物学的理论和方法，按照人们的设计蓝图，进行在细胞水平上的遗传操作及进行大规模的细胞和组织培养。当前细胞工程所涉及的主要技术领域有细胞培养、细胞融合、细胞拆合、染色体操作及基因转移等方面。通过细胞工程可以生产有用的生物产品或培养有价值的植株，并可以产生新的物种或品系。三、蛋白质工程蛋白质工程就是通过对蛋白质化学、蛋白质晶体学和蛋白质动力学的研究，获得有关蛋白质理化特性和分子特性的信息，在此基础上对编码蛋白质的基因进行有目的的设计和改造。通过基因工程技术获得可以表达蛋白质的转基因生物系统，这个生物系统可以是转基因微生物、转基因植物、转基因动物，甚至可以是细胞系统四、酶工程酶工程（英语：Enzyme engineering）又称蛋白质工程学，是指工业上有目的的设置一定的反应器和反应条件，利用