酶工程的应用.ppt

第八章酶的应用 概述 酶催化的高效性 特异性 产品的高效回收和反应体系的简单等优点使酶工程技术成为现代生物技术的生要支柱之一 随着酶的工业化生产发展 酶已广泛应用于工业 农业 医药 环保及科研等领域 酶分子修饰 酶和固定化酶等酶工程技术的发展 使酶的应用显示出更加广阔美好的前景 酶工程技术已成为生物技术和产业之间的重要桥梁 酶的应用包括各种游离酶 固定化酶以及修饰酶等在食品加工 轻工业 医学和能源等各个领域的应用 工业用酶制剂的市场和发展历史 1981年工业酶制剂生产量65000t 产值4亿美元 1985年工业酶制剂生产量75000t 产值6亿美元 丹麦的NoVoNordisk公司 世界上最大的酶制剂生产商 全世界50个国家中有13000个从业人员 在140个国家销售其产品 诺和诺德是世界最大的生物制药公司之一 在用于糖尿病治疗的胰岛素开发和生产方面居世界领先地位 诺和诺德总部位于丹麦首都哥本哈根 现今在全球70个国家设有分支机构 员工16 000人 销售遍及超过179个国家 诺和诺德的历史最早可追溯至1923年 近80多年来 诺和诺德不断运用先进的生物技术完善胰岛素研究和生产手段 取得突破性进展 成为这一领域的先驱 诺和诺德公司选用Apis公牛作为标志 象征着公司继承和发扬几百年来药学家和化学家努力进取 不断探索的古老传统 诺和诺德的标志是古埃及动物Apis公牛 它被看成是掌管科学和艺术之神 Ptah的化身 象征着生命和健康 公司标志是1925年根据一尊公元前600年的古埃及青铜雕像设计的 另外在世界上有影响的酶制剂厂还有 荷兰 Gist Brocades公司 美国 Genencor公司 芬兰 Alko公同 德国 Bayer公司 芬兰 Cultor公司 比利时 Sovay CieSA公司 日本 天野制药和长濑产业 前三家公司产品占整个市场的74 3 酶制剂在各行业所占百分比 工业酶制剂的来源及特点 多于80 的工业酶是水解酶 蛋白酶 淀粉酶 脂肪酶是目前工业应用的三大酶系 木瓜蛋白酶 菠萝蛋白酶 无花果蛋白酶 麦芽淀粉水解酶 大豆脂肪氧合酶 猪胰蛋白酶 胃脂肪酶 工业级 食品级 医药级 植物来源的酶 动物酶 酶制剂等级 酶是通过催化活性来识别和出售 而不是质量 工业酶制剂对酶稳定性要求 干燥品 25oC保持6个月 4oC保持12个月 液体酶 25oC保持3个月 4oC保持6个月 酶制剂的价格与其活力及纯度有很大关系 目前发达国家酶制品开发热点 5 临床诊断用酶 治疗用酶 化妆品用酶 1 食品加工用酶 特别是生产低聚糖的酶类 2 饲料用酶 重点是植酸酶 3 纺织用酶 特别提到的是原果胶酶 protopectinase 的开发与应用 4 洗涤剂用酶 第一节酶在轻工 食品方面的应用 食品和轻工业部门是酶使用最广泛的领域 大规模工业生产的 淀粉酶 糖化酶 蛋白酶 葡萄糖异构酶 果胶酶 脂肪酶 纤维素酶 葡萄糖氧化酶等大部分都在轻工和食品方面应用 表8 1酶在轻工 食品方面的应用 1 表8 1酶在轻工 食品方面的应用 2 表8 1酶在轻工 食品方面的应用 3 酶的作用 促进了新产品 新工艺和新技术的发展 增加产品产量 提高产品质量 降低原材料消耗 改善劳动条件 减轻劳动强度 原因 酶具有催化效率高 专一性强和作用条件温和等特点 固定化酶更具有稳定性好 可连续生产较长时间 容易与产物分离等优越性 一 酶在食品工业方面的应用 食品工业是最早和最广泛应用酶的部门之一 已有几十种酶成功地应用于食品工业 20世纪50年代以来 以淀粉酶与葡萄糖异构酶为基础制备葡萄糖的工艺获得成功 使淀粉加工业成为酶制剂的主要用户 近年来 氧化还原酶的开发为食品工业增添了新活力 世界食品用酶60 是NovoNordisk公司提供的 1 酶法生产葡萄糖 酸水解法生产葡萄糖浆 在右旋糖浆当量值 DE 高于55时产生异味 淀粉 30 40 淀粉浆 调pH6 0 6 5加水添加 淀粉酶 85 90oC 保温45min 糊精 冷却至55 60oC pH4 5 5 0 适量糖化酶保温48hr 葡萄糖 50年代末 日本成功应用酶法生产葡萄糖 工艺 注意事项 1 利用喷射液化器 淀粉液化成糊精效果更佳 2 采用高温淀粉酶时 液化温度可提高到105 115oC 3 为保持 淀粉酶稳定性 通常加入定量CaCl2 NaCL 4 淀粉注解化程度以控制淀粉液DE值在15 20范围为宜 5 淀粉酶和糖化酶都要求达到一定纯度 不含或少含葡萄糖苷转移酶 6 也可采用固定化糖化酶将糊精连续转化为葡萄糖 2 果葡糖浆的生产 全世界淀粉糖产量达1000多万吨 其中70 为果葡糖浆 1966年日本首先用游离葡萄糖异构酶工业化生产果葡糖浆 葡萄糖甜度是蔗糖的70 果糖的甜度是蔗糖的1 5 1 7倍 使用果糖 糖用量少 血糖不易升高 具滋润肌肤的作用 生产工艺简单流程 淀粉 葡萄糖 层析 浓度40 45 精制葡萄糖液 DE 96 调pH6 5 7 0 0 01MMgSO4 60 70oC 加异构酶 果葡糖浆 注意事项 1 层析除去Ca 解除对葡萄糖异构酶抑制 2 Mg Co 是葡萄糖异构酶的激活剂 3 不同来源异构酶最适pH不同 生产时控制pH在6 5 7 0 防止碱性时葡萄糖分解使糖浆色泽加深 4 温度升高 反应平衡向有利于果糖方向变化 但超过70oC 异构酶失活 温度以60 700C为宜 5 将异构化后混合糖中葡萄糖与果糖分离 再异构化葡萄糖 得高果糖浆 3 饴糖的生产 大米或糯米 研磨 粉浆 浓度18 20B pH6 0 6 5 淀粉酶 85 90oC 液化液 糊精 冷却至62oC 淀粉酶 保温 麦芽糖 4 酶在蛋白制品加工方面的应用 以蛋白质为主要成分的制品称为蛋白制品 如 1 乳制品2 蛋制品3 鱼制品4 肉制品 酶在蛋白制品加工中的主要用途是改善组织 嫩化肉类 转化废弃蛋白质为供人类使用或作为饲料的蛋白质浓缩液 增加蛋白的价值和可利用性 不同来源的蛋白酶在反应条件和底物专一性上有很大差别 食品工业中应的主要有中性和酸性蛋白酶 动植物来源的蛋白酶在食品工业中应用广泛 不同来源的蛋白酶对食品作用后的效果不同 如 不同蛋白酶水解蛋白的位点不同 产生的小肽结构不同 导致调味剂的味道不同 5 酶在果蔬加工方面的应用 果胶酶 澄清作用 是第一个用于果汁处理工业中的酶 1930年 美国Z J Kertesz和德国A Mehlitz同时建立了用果胶酶澄清苹果汁的工艺 果胶在植物中作为一种细胞间隙充填物质而存在 在酸性和高浓度糖下形成凝胶 是制造果冻 果酱的基础 却导致压榨和澄清的困难 果胶酶处理溃碎果实 可加速果汁过滤 促进澄清 世界果胶酶销售达酶制剂总销售额的3 柚苷酶 脱苦味 橙皮苷酶 防止混浊 葡萄糖氧化酶 去氧防变质 溶菌酶 防止细菌污染 保鲜 6 用酶改善食品的品质 风味与颜色 一类风味酶的应用 风味物质占世界添加剂市场的10 15 占市场价值的25 分解型和抽出型 1 洋葱风味酶 2 奶油风味酶 3 淀粉酶 蛋白酶 面包加工 4 色素 占食品添加剂的0 5 0 8 的消耗量 目前较多用纤维素酶和果胶酶处理果皮提取 天然调味料制造分两大类 二 酶在轻工业方面的应用 轻工业与人们日常生活息息相关 酶在轻工业方面促进了新产品 新工艺和新技术的发展 酶制剂的广泛应用 提高产品质量 降低原材料消耗 改善劳动条件 减轻劳动强度 酶在轻工业方面的应用 概括起来主要有3种用途 1 酶在原材料处理方面的应用 link 2 酶在轻工产品制造方面的应用 link 3 加酶增强产品的使用效果 link 1 酶在原材料处理方面的应用 作用 缩短原料处理时间 提高处理效果 提高产品质量 改善劳动条件 减轻劳动强度 1 发酵原料的处理 2 纺织原料的处理 3 造纸原料的制浆 4 生丝的脱皮处理 5 羊毛的除垢 类别 1 发酵原料的处理 淀粉 用 淀粉酶和糖化酶进行处理 纤维素 纤维素酶 纤维素的研究与应用在国际上普遍受关注 仍有不少问题有待解决 戊聚糖 存在于植物原料中 可用戊聚糖酶处理 2 纺织原料的处理 两道工序均需 淀粉酶 增强纤维的强度和光便于纺织 需先上浆 漂白 印染之后 需将浆料除去 称之退浆 传统牛仔裤用浸渍过次氯酸钠或高锰酸钾的浮石进行 石磨 丹麦Novo公司首先用纤维素酶处理牛仔布的棉纤维 有种古朴的感觉 Textile EnzymeApplications Amylase Cellulase Laccase GettheLookYouWantwithEnzymes BlueJeanExperimentProtocol DyeTransferInhibition Laccase catalyzed Materials complimentsofNovozymesBiotech Reagent1 Chicagoskyblue6B textiledye 03mMinH2O Reagent2 methylsyringate 0 2MinETOH isanacceleratorReagent3 laccase recombinantenzyme 38U mlinH2O deionizedwaterpipettors tips microfugetubesProtocol1 DyeFormation Takes 1minuteforRXNTest 1mlwater 20microliter 1 1microliter 2 BlueProtocol2 DyeBleaching observereactionfor 4minutesTest Add1microliterof 3 totubewithbluesolution pink paleyellow clear DyeTransferInhibitionatwork Haslaccase NOLaccase Trichodermareeser的酸性纤维酶处理纤维棉和麻的纤维 产生自然和软性 除去纤维表面的毛 使纤维表面发出光泽 中性纤维素酶处理牛仔布后 着色率提高 纤维表面用酶处理后 纤维与肌肤的接触更加惬意 蛋白酶对毛面料处理 使西装面料得到极大改善 3 造纸原料的制浆 木质素问题 造纸原料中含木质素 易使纸变为褐色 强度降低 影响纸的质量 1994年 美国波士顿召开美国工业微生物会议 酶在制纸 纸浆产业上的应用成为一个令人关注的问题 化学法 碱性硫酸盐和二氯化盐处理 致癌 环境污染 酶法 木质素酶水解 沥青的去除 沥青即甘油三磷酸酯 用脂肪酶处理 日本最早使用 1990年 减少了沥青吸收剂用量 纸张漂白 酶法 木聚糖酶 有希望代替氯法 加拿大ICI公司液态木聚糖酶 ECOPULPX 200 处理30min每天生产900t的优质纸浆 每吨成本2美元以下 化学法每吨4美元 1998年 日本开始应用 1999年年处理量46000t纸浆 市场销售额30亿日元 纸的回收再利用 美国有1 3的纸进行回收利用 每吨30美元 酶法 美国农业部威司康欣洲森林产品实验室 Forestproductslaboratory 用纤维素酶处理 每吨3美元 机理还不清 化学法 back 2 酶在轻工产品制造方面的应用 将原料转变为所需的产品 除去某些不需要的物质而得到所需的产品 1 酶法生产L 氨基酸 将底物转化为L 氨基酸 或将DL 氨基酸拆分而生产L 氨基酸 过程 化学合成的N 酰基DL 酰基氨基酸经L 氨基酸酰化酶不对称水解生成L 氨基酸和DL 酰基氨基酸 后者再进行不对称水解 如此反复DL 酰基氨基酸几乎都转化成L 氨基酸 L 苯丙氨酸 L 色氨酸 L 天门冬氨酸 L 丙氨酸 L 赖氨酸等生产均是 例 L 赖氨酸由己内酰胺水解酶生产 尼龙副产品环己烯 DL 氨基 己内酰胺 化学合成 水解酶 L 赖氨酸 D 赖氨酸 DL 型 L 型 2 酶法生产核苷酸 核苷酸在食品和医药等方面有重要作用 可用多种酶生产 5 核苷酸 5 磷酸二脂酶水解RNA肌苷酸IMP 腺苷酸脱氨酶水解AMP5 肌苷酸 5 鸟苷酸 核苷磷酸化酶AMP ATP 核苷酸磷酸化酶 3 酶法生产有机酸 L 苹果酸 L 酒石酸 4 酶法制酱 酱油或豆酱 5 酶法制革 原料皮的软化 几千年来人们都是用动物排泄物提取物进行皮革软化的 罗马作家普林格 Pliny 曾报道两千年前 人们用鸽粪进行皮革处理 近世纪 人们利用狗粪便进行皮革处理 1908年 德国的罗门 Rohm 发明了Oropon标准软化工艺 用酶代替排泄放进行皮革软化 即采用屠宰动物的胰脏提取物 含有胰蛋白酶 trypin back 3 加酶增强产品的使用效果 应用领域 1 加酶洗涤剂 2 加酶牙膏 牙粉和嗽口水 3 加酶饲料 4 加酶护肤用品 1 加酶洗涤剂 1998年全球洗涤剂用酶销售额达4 98亿美元 是工业酶最大应用领域 1914年 罗门首先发明了复合冼涤剂 1962年 丹麦Novo公司首次推出加酶冼衣粉 1 碱性下能使用 2 表面活性剂 LAS AOS 存在下 很少失活 3 洗涤辅助成分存在下不失活 4 洗涤温度下不失活 洗涤