食品化学酶的历史.doc

酶的历史一、概念 酶工程亦称酶工艺，是在生物反应器中，利用酶的催化作用，将相应的原料转化为有用物质的技术 酶工程与发酵工程密切相关，是发酵工业发展的产物，是酶学原理与化工技术相结合而形成的一门理论性很强的应用技术。主要内容包括各种酶的开发、生产和利用，酶的分离、纯化技术、酶的化学修饰技术，固定化技术，酶反应器的研制和应用等。 酶是生物催化剂，是生物体产生的具有活性的蛋白质。它可高效、专一地催化特定的生化反应，酶的催化作用可使反应速度提高10的8次到10的20次倍。酶促反应具有反应条件温和、能耗低、污染小、操作简单等优点。2、1961 年国际生化联合会酶学委员会提出将酶分为： 氧化还原酶：在生物体内参与产能、解毒和某些生物活性物质的合成； 转移酶：在生物体内将某功能基团从一个化合物转至另一个化合物； 水解酶：在生物体内外起降解作用，是人类应用最广的酶类； 裂解酶：可脱去底物上某一基团而留下双链，或可相反地在双链处加入某一基团； 异构酶：依生物代谢需要对某些物质进行分子异构化； 连接酶（合成酶）：关系着许多生命物质的合成； 3、酶蛋白有3种组成形式： 单体酶：是仅有1个活性部位的多肽链构成的酶，分子量为13000-35000 。 寡聚酶：是由若干相同或不同的亚基结合而组成的酶。 多酶复合物：是指多种酶进行连续反应的系统，前一反应产物为后一反应的底物。 二、酶的探索与发现：公元前800年,古老的烹调方法中已使用来自微生物的酶。1833-1835年,淀粉的第一次酶解法国化学家Anselme Payen和ean-Franois Persoz描述了从大麦的麦芽中分离淀粉酶多聚体的过程，并将之命名为淀粉酶。1836年,德国生理学家Theodor Schwann在研究消化过程时，分离出一种在胃内消化蛋白的物质，将它命名为胃蛋白酶。这是第一个从动物组织中提取到的酶。1883年,Johan Kjeldahl建立了一套检测有机物中-3价氮的方法，即测定氮的含量的方法。1894年,加酶食品的第一次商业化生产1894-1913年,德国化学家Emil Fisher根据糖化酶的特点建立了钥匙-锁理论。1926年,科学家发现酶是蛋白质1953-1958年,Watson 和 Crick发现DNA是双螺旋结构1963年,碱性蛋白酶-洗涤剂用酶的突破1965-1974年,淀粉工业的重大突破随着一种可以将淀粉分解成糖的，不含转葡萄糖苷酶的葡萄糖淀粉酶上市，微生物酶类应用于食品工业的首次重大突破于20世纪60年代发生。 酶的生产和利用一、微生物酶制剂的生产主要有以下步骤： 1、目的酶生产菌株的分离筛选 （1）从自然界分离筛选（2）用物理、化学因子处理诱变（3）用基因重组或细胞融合技术选育2、酶的生产 （1）要选择好的培养方法，包括培养基组成配比、培养温度、pH 值、通气量等。 图:微生物在相当于三层楼高的发酵罐里生长繁殖，产生所需的酶（2）确定工业规模大量生产的一系列工程和工艺条件，以及培养罐的形式、大小、通气条件、温度和 pH 值的控制等。 图：通过改变培养基类型、酸碱度、氧气浓度和温度，研究人员现了生产某种酶的微生物的最佳生长条件。三、酶的提取、分离和纯化 1、微生物酶制剂的工业提取步骤大致如下： 如果是胞内酶，则首先要分离收集其菌体，使之破碎，将酶提取至液相中，此为出发酶液； 如果是胞外酶，它的深层发酵液或固体培养物的抽提液则为出发酶液。 2、制取工业酶制剂的步骤： 第一步除去出发酶液中的悬浮固形物，获得澄清酶液，必要时再进行减压浓缩； 第二步根据质量要求和经济性采用适当方法（如用盐析法、有机溶剂沉淀法、丹宁沉淀法等）将酶沉淀分离； 图：只有酶和水能通过转鼓式过滤机；培养基和微生物则被留在硅藻土上。第三步收集沉淀、干燥、研粉、加适当的稳定剂、填充剂、做成粉末制剂。 酶粒是在大型连续运转的水平混合机内生产出来的。提取的酶与盐、纤维素及其他成分混合形成0.5mm大小的粒状物。然后用一种聚合体包裹，以防止酶尘在使用过程中可能引起的致敏危险。 图:用多聚体包裹酶以减少酶尘引起的致敏危险。3、其他方法对于质量要求高可提取液中共存有妨碍目的酶工艺效果的其他酶时，常用一些特殊纯化方法将目的酶与其他酶和杂蛋分开，再分别沉淀制取。常用的方法有： （ 1 ）蛋白质选择性变性法 （ 2 ）分级盐析法 有机溶剂分级沉淀法 等电点法 柱层析法 电泳法 亲和层析法 四、酶的化学修饰技术1、金属离子置换修饰 2、大分子结合修饰 3、肽链有限水解修饰 4、侧链修饰 图：微生物的基因经修饰能够产生所需的酶五、固定化酶和固定化细胞固定化酶是通过物理或化学的处理，使水溶性酶和固态的水不溶支持物（载体）相结合或被载体包埋，但仍保留酶活力。 1、固定化酶的特征（1）反应完成后经过过滤或离心等简单的分离就可回收，重复使用，降低了酶制剂的成本； （2）可以装成酶柱，当底物溶液流经酶柱时，就能发生酶促反应，适合于工业化应用； （3）酶经固定化后，稳定性一般都有所提高。 2、固定化酶的特点（1）省去了酶分离纯化的时间和费用； （2）可进行多酶反应； （3）保持了酶的原始状态，从而增加了酶的稳定性； （4）由于辅助因子存在和细胞内的连续性合成，酶的活力较为持久； （5）用固定化细胞反应柱或反应床可连续进行发酵，一边加入培养基，一边排出发酵液，可避免产物对酶活性的抑制。 3、固定化酶的方法（1）载体结合法 a、物理吸附法是将酶吸附在活性炭、多孔玻璃、酸性白土、高岭土、硅胶等惰性载体上，此法对酶活性破坏较少，但吸附作用力常较弱而易脱落，因而常与交联法结合使用。 b、离子结合法是利用离子键将酶及带有离子交换基团的不溶性载体，如离子交换树脂或带有交换基团的纤维素、葡萄聚糖结合在一起，此法操作简便，酶回收率也较高，但在较强离子强度下进行酶反应时易于脱落。 c、共价结合法是利用共价键将酶和载体加以偶联，但因涉及条件较苛刻而化学反应又剧烈，因而酶回收率较低、操作复杂，但酶与载体的结合相当牢固。 (2)交联法 这是利用双功能试剂将酶分子相互交联而不需要载体。常用的交联剂有戊二醛、异氰酸酯、双重氮联苯胺或乙烯双马来亚胺（形成重氮盐）。此法反应也较为剧烈，从而影响酶的回收，但固定后的酶稳定性较好。 (3)包埋法 a、网格型是将酶固定在具有网格结构的高分子凝胶中。通常作为凝胶材料者有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等合成高分子材料以及海藻酸、明胶、胶原等天然大分子材料。此法操作方便，很少改变酶的高级结构，因而回收率高，但在反应中存在“固相”扩散阻力，只适用于小分子底物和产物，机械强度往往也较差。 b、微囊型是将酶液包埋在微小（300m ）的具有半透性高分子材料外壳形成的珠囊中。此法操作较复杂，酶回收率一般不高，但被包埋的酶不易流失，微囊的比表面积很大，一般也只能适用于小分子底物和产物。 六、酶反应器 酶反应器 游离酶反应器 可截留 不可截留 固定化酶反应器 不可截留：是指酶一次性分批使用不再回收。 可截留：是通过超滤膜