第三章 酶工程原理及其在食品工业中的应用PPT课件.ppt

第三章酶工程原理及其在食品工业中的应用,王继刚wjg801715872435159,1,第一节酶工程原理和方法,（一）酶工程的定义利用酶、菌体细胞具有的特异催化功能，或对酶结构进行修饰改造，并借助于生物反应器和工艺优化过程，有效地发挥酶的催化特性来生产人类所需产品的技术。它包括酶、细胞固定化技术、酶化学修饰技术和酶反应器设计等。,一、酶工程概述,2,酶工程是现代生物技术的重要组成部分。以微生物或酶为催化剂进行物质转化的工业生物技术，大规模生产人类所需的化学品、医药、能源和材料等，是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段。,3,酶工程一般工艺流程示意图,胞外酶胞内酶菌种基因改造发酵发酵酶液（预处理细胞分离细胞破壁碎片分离）提取精制酶制剂及其改造酶制剂原料前处理杀菌酶反应器反应液产品提取成品,4,（二）酶工程的发展历程1.20世纪5060年代早期的酶工程技术，主要是从动物、植物和微生物原料中提取、分离、纯化制造各种酶制剂，并将其应用于化工、食品和医药等工业领域。1949大规模工业化阶段（液体深层发酵）细菌淀粉酶2.20世纪70年代后期，酶的固定化技术取得了突破，使固定化酶、固定化细胞、生物反应器与生物传感器等酶工程技术迅速获得应用。1969日本固定化氨基酰化酶，第一次将固定化酶成功地应用于工业生产。酶工程诞生,5,3.目前，各种酶工程技术已用于制造多种精细化工产品和医药产品，并且在食品工业、化学检测和环境保护等各个领域中得到了有效的应用。酶的非水相催化新酶的开发,6,（三）酶的分类：按酶催化反应的类型分类,1氧化还原酶2转移酶3水解酶4裂合酶5异构酶6连接酶（合成酶）,7,1氧化还原酶(Oxidoreductase),催化氧化-还原反应，转移氢或加氧。主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)、过氧化氢酶、氧合酶、细胞色素氧化酶。如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。,8,2转移酶(Transferase),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。参与生物物质的代谢例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。,9,10,3水解酶(Hydrolase),水解酶催化底物的加水分解反应（或逆反应）。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：,11,4裂合酶(Lyase),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。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如，延胡索酸水合酶催化的反应。,12,5异构酶(Isomerase),此类酶为生物代谢需要对某些物质进行分子异构化，分别进行外消旋、差向异构、顺反异构等，分为差相异构酶、消旋酶、顺反异构酶等,13,6连接酶（合成酶）(LigaseorSynthetase),合成酶，又称为连接酶，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。A+B+ATP+H-O-H=AB+ADP+Pi例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸+CO2草酰乙酸,14,酶用于生物催化的概况,15,国际系统命名法,系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶（-ase）字。酶的系统编号：EC1.1.1.1例如：习惯名称:谷丙转氨酶系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶酶催化的反应:谷氨酸+丙酮酸-酮戊二酸+丙氨酸,16,17,工业酶制剂的命名和分类分类：碳水化合物酶、蛋白质酶、酯酶和其他酶如淀粉酶高转化率糖化酶（葡萄糖淀粉酶）一些习惯归类：1、动物酶、植物酶、微生物酶2、胞内酶和胞外酶3、溶液酶和固定化酶,18,二、酶制剂的生产,1.包括菌种的来源、产酶菌种的分离、筛选、育种和酶的发酵生产等。2.酶生产菌的要求（1）不能是致病菌，特别是对食品用酶和医药用酶。目前认为可用于食品工业和医药工业的生产菌种有：枯草杆菌、黑曲霉、米曲霉、啤酒酵母和脆壁克鲁维酵母。（2）不易退化，不易感染噬菌体。（3）产酶量高，而且最好产生胞外酶。（4）能利用廉价的原料，发酵周期短，易培养。,19,3.酶的发酵方法,1、固体培养发酵,培养基以麸皮、米糠等为主要原料加入其它营养成分，经灭菌、接产酶菌株，在一定条件下发酵，目的获得淀粉酶和蛋白酶，如酒曲生产。,2、液体深层发酵,液体培养基，在发酵容器中，经灭菌、冷却接入产酶细胞，在一定条件下发酵，是目前酶生产的主要方法。,3、固定化细胞发酵,20,三、微生物细胞的破碎,胞外酶：能分泌透过细胞壁到细胞外部的酶。胞内酶：存在于细胞内部的酶。对于胞内酶的提取，需要破碎技术，胞外酶则无需破碎。破碎的目的是将细胞壁和细胞膜破坏掉，使胞内物质释放出来，包括机械破碎法和非机械破碎法。,21,（一）机械破碎法1.高压匀浆法适合于细菌和酵母的破碎，不适合于丝状真菌及某些基因工程菌。2.珠磨法适合于各种微生物细胞的破碎。3.超声破碎法对杆菌的破碎较容易，对酵母菌的破碎效果较差。,22,（二）非机械破碎法1.酶溶法加酶法:常用的有溶菌酶、蛋白酶、糖苷酶等，它们对细胞壁或细胞膜进行酶解，使细胞破碎。自溶法：在微生物生长代谢过程中，控制一定条件，诱发微生物产生少量的溶胞酶或激发自身溶胞酶的活力，以达到细胞自溶的目的。2.化学渗透法用有机溶剂、变性剂、表面活性剂、抗生素或金属螯合物等处理，使细胞壁或膜的通透性（渗透性）改变，从而使胞内物质有选择地渗透出来。,23,四、酶的提取与纯化,酶的提取:在一定条件下，用适当的溶剂处理含酶原料，使酶充分溶解到溶剂中的过程，也称作酶的抽提，即初步纯化。常用的方法：盐溶液提取、酸溶液提取、碱溶液提取、有机溶剂提取。酶的精制:即高度纯化。常用的方法：沉淀法、超滤法、色谱分离法、结晶法等。其中沉淀法和超滤法既可用于初步纯化，也可用于精制。,24,分离：将酶从原料中抽提出来，并尽可能少引入杂质，得到粗酶液纯化：将酶和杂质中分离开来，或者有选择地将酶从包含杂质中分离出来，得到一定纯度的酶。,25,酶的纯化过程与一般蛋白质纯化过程相比的特点：1、特定的一种酶在细胞中的含量较少，2、酶可以通过测定活力的方法加以跟踪。前者给纯化带来了困难，而后者却迅速找出纯化过程的关键所在。理想的提取和分离纯化方法：在提高酶的比活的同时，要求酶回收率高，提取步骤少、工艺简单，成本低。,26,策略：酶产品的质量要求设定目标：（用途：医用、食品级、工业级或研究级）目标酶蛋白与主要杂质的性质提取过程的设计应尽可能防止酶的损失，减少处理步骤。,27,提取方法的经济性和可分析性尽量减少添加剂的使用尽早使用高效分离方法，将昂贵、费时的分离方法放在最后阶段。酶活力、蛋白浓度、纯度测定方法可行性剂型（液体浓缩酶、粉状酶、精制酶、结晶酶等）,28,基本过程：（一）、材料（选择）预处理及破碎细胞1.胞内酶和胞外酶2.破碎细胞（二）、固液分离（离心或过滤）酶的溶解性、稳定性,29,（三）、净化与脱色絮凝剂脱色处理（四）、浓缩（热量法、沉淀分离、膜分离）（五）纯化、结晶（干燥）,30,提取和纯化方法：（一）根据酶分子溶解度不同的方法通过改变某些条件，使溶液中某种物质的溶解度降低，从溶液中沉淀析出，达到与其他物质分离的目的。1.盐析沉淀法通常采用的盐有硫酸铵、硫酸钠、磷酸钾、硫酸镁、氯化钠和磷酸钠等。其中以硫酸铵最为常用，因为它在水中的溶解度大而温度系数小，不影响酶的活性，分离效果好，而且价廉易得。盐析沉淀所得到的产品常含有大量盐分，一般可用超滤或层析等方法脱盐，使酶进一步纯化。,31,2.等电点沉淀法在酶的沉淀分离中，等电点沉淀法经常与盐析沉淀、有机溶剂沉淀和复合沉淀等方法一起使用，使其沉淀完全。3.有机溶剂沉淀法利用酶等物质在有机溶剂中的溶解度不同而使其分离。常用的有机溶剂有乙醇、丙酮、异丙酮、甲醇等。4.复合沉淀法在酶液中加入某些高分子聚合物，例如，单宁，使它与酶形成复合物而沉淀下来，分离出沉淀后，再用适当方法将酶从复合物中重新析出。,32,（二）根据酶分子大小和形状不同的方法1.离心分离法在酶的提取分离纯化过程中，细胞的收集、细胞碎片和沉淀的分离以及酶的纯化等往往要使用离心分离。,33,2.体积排阻法利用具有一定大小网状的凝胶颗粒（固定相）填充柱的分子筛作用，利用溶液中各组分的相对分子质量不同来进行层析分离的一种方法。常用的凝胶有琼脂糖凝胶（Sepharose）、聚丙烯酰胺凝胶（Biogel）和葡聚糖凝胶（Sephadex）等。,34,35,3.透析透析膜可用动物膜、羊皮纸、火棉胶或塞璐玢等制成。使用时可做成透析管、透析袋或透析槽等形式。优点：设备简单，操作简便。缺点：时间长，若不更换水或缓冲液时，只扩散到膜内外平衡为止。透析结束时，透析袋内的保留液体积较大，浓度较低。透析主要用于酶、蛋白质、核酸等生物大分子的分离纯化，从中除去小分子物质。透析在酶纯化过程中极为常用，通过透析可以除去酶液中的盐类、有机溶剂、低相对分子质量的抑制剂等。,36,4.超滤借助于超滤膜将不同相对分子质量的物质分离的技术，是在一定的正压力或负压力驱动下，将料液强制通过一定孔径的超滤膜，部分小分子的溶质和溶剂透过膜而成为超滤液，而大分子的酶和蛋白质等物质被截留，从而达到分离纯化的目的，也可用于酶液的浓缩和脱色。超滤膜截留的颗粒直径范围为2200nm，相当于相对分子质量1000500000。构成超滤膜的主要材料有醋酸纤维、尼龙、聚砜、陶瓷等。,37,（三）根据酶分子电荷性质的方法1.离子交换层析根据被分离物质与分离介质（离子交换剂）间异种电荷的静电引力的不同来进行物质分离的。不同离子交换剂上的可解离基团对各种离子的亲和力不同，而使不同物质分离。离子交换剂根据活性基团的性质分为阳离子交换剂和阴离子交换剂。酶具有两性性质，可用阳离子交换剂，也可用阴离子交换剂进行酶的分离纯化。,38,2.电泳分离在外电场作用下，不同蛋白质离子所带净电荷的多少和性质不同，因而其向两极泳动的方向和速度也不相同，从而达到分离的目的。为了减少对流扩散，电泳过程一般在浸透了缓冲液的聚丙烯酰胺凝胶、淀粉胶等介质上进行。电泳分离的蛋白质量通常较小（约数毫克），常用作分析用。但现在已发展了制备电泳，用这种方法制备的酶，可以在介质中洗脱或直接从电泳柱底部依次流出。,39,3.等电聚焦电泳先从阳极顶端扩散装入一种酸（如磷酸），然后从阴极端扩散装入一种碱（如乙醇胺），用具有不同等电点的脂肪族聚氨基聚羧基化合物作为两性电介质载体，当阴阳两极通电以后电介质在一定范围内便形成pH值梯度，当该载体电介质同样品一起电泳时，蛋白质便朝其各自等电点相等的pH值位置移动而被浓缩。优点：不但可将各种酶精确分开，通过测定各段的pH值还可以了解该酶的等电点。可以分离和检出等电点相差仅0.02的两种蛋白质成分。,40,（四）根据酶分子专一性结合的分离方法1.亲和层析酶的底物、底物类似物及酶的竞争性抑制剂同酶之间有着较高的亲和力，可作为配基固定于不溶性载体，可选择性地将酶吸附而同杂质分离。然后可以通过改变缓冲液的离子强度和pH值的方法，也可以使用浓度更高的同一配体溶液或亲和力更强的配体溶液，将酶洗脱下来。2.免疫吸附层析利用抗原一抗体的高亲和性反应原理进行酶的分离纯化。,41,42,（五）酶分离纯化的原则1.防止酶失活这一原则要贯穿纯化工作的始终，在后期尤为重要。建立一个可靠和快速、易行的测定酶活方法物理因素、化学因素和生物因素导致酶失活2.分离纯化的环节的选择（经济、宜行）：纯化倍数、酶活回收率和重现性（衡量优劣）经济、可靠，建立灵敏、快速、特异、精确的检测（酶活和蛋白质的含量）手段。3、分离步骤、方法和成本间的关系提取、分离、纯化、制剂,43,（六）酶的分离纯化应注意的问题1.要注意防止酶变性失活低温、不能过酸、过碱等。2.酶分离纯化的目的是将酶以外的所有杂质尽可能除去，因此选择分离方法是应尽可能不破坏酶所需要的条件。3.通过检测酶活性，为选择适当方法和条件提供了直接依据。一个好的酶分离纯化的方法和措施是使酶的纯度提高倍数大，活力回收高，同时重复性好。,44,（七）酶的纯度与酶活力许多分离方法都可用于检验酶的纯度，实验室常用聚丙烯酰胺凝胶电泳来检验酶的纯度。酶分子结构高度复杂，同一种酶制剂，采用不同方法检验结果可能不一致，酶的纯度应注明达到哪种纯度，如电泳纯、HPLC纯等。比活力：每毫克酶蛋白具有的酶活力单位数。一般情况下，酶的比活力随酶的纯度的提高而提高。酶的纯度也可用酶的比活力来衡量。,45,酶活力测定方式有二：,1.测定一定时间内的化学反应的量通常测定在一定时间内最适于酶的条件下酶促反应产物的生成量。如蛋白酶的活力，可据酶催化酪蛋白水解生成的酪氨酸与酚试剂作用蓝色反应，再用比色法测定之。2.测定完成一定量反应所需的时间，测定酶所催化的一定量底物的减少或一定量产物的生成所需的时间，酶活力与之成反比。,46,47,测定酶活力可采用中止反应法、连续反应法，或采用自动化酶分析仪操作进行。中止反应法:在恒温反应系统中进行酶促反应，间隔一定的时间，分几次取出一定容积的反应液，使酶停止作用，然后分析产物的生成量或底物的消耗量。几乎所有的酶都可根据这一原理，设计出测定其活力的具体方法。,48,连续反应法:不需要取样中止反应，而是基于反应过程中光谱吸收、气体体积、酸碱度、温度、黏度等的变化，用仪器跟踪检测反应进行的过程，记录结果，算出酶活力。连续法使用方便，一个样品可多次测定，但很多酶反应不能用该法测定。自动化酶分析仪:从加样、启动反应、检测、数据记录及结果处理等，整个过程均由仪器自动完成。,49,酶偶联法指选择另一种酶与酶发生偶联反应，即第一种酶E1所催化的产物作为E2的底物，通过测定第二个酶促反应产物的量变化来测的活力，此法适用于活力不高或所催化产物不便测定的一些酶活力测定。,50,51,52,53,54,55,举例：-淀粉酶活力测定1.标准碘液法原理：淀粉对碘呈蓝黑色的特异性逐渐消失，消失的速率与酶活性有关。方法：终止法稀盐酸测吸光度2.DNS法-淀粉酶可随机地作用于淀粉中的-1,4-糖苷键，生成葡萄糖、麦芽糖、麦芽三糖、糊精等还原糖，同时使淀粉的粘度降低，因此又称为液化酶。方法：终止法热变性测吸光度,56,酶法分析,57,58,59,60,底物浓度对酶速的影响,61,酶法分析包括两个步骤：1.酶反应在适宜的条件下进行催化反应2.检测测定反应前后物质的变化情况，可以测定底物的减少、产物的增加或辅酶的变化,62,63,64,65,66,67,68,69,70,71,游离酶催化的缺点：1.稳定性差：在高温、强酸、强碱等外界因素下易失活。2.酶的一次性使用:反应结束后，酶即使仍有活性，也难以回收，成本提高，难于连续化生产。3.产物的分离纯化较困难：酶与产物混在一起。,六、酶的固定化,72,六、酶的固定化,（一）酶的固定化方法1.吸附法（1）物理吸附法。酶被物理吸附于不溶性载体的一种固定化方法。吸附的载体：包括无机载体（活性炭、石英砂、多孔玻璃、氧化铝、硅胶、磷酸钙）和有机载体（淀粉、谷蛋白、纤维素、葡聚糖、琼脂糖、聚丙烯酰胺）等。优点：具有不破坏酶活性中心和酶高级结构变化少，若能找到适当的载体，这是简单的好方法。缺点：酶与载体结合力弱、酶易脱落等。,73,（2）离子吸附法。通过离子效应，将酶分子固定到含有离子交换基团的固相载体上。常见的载体：DEAE-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶、CM-纤维素、DOWEX-50等。优点：操作简单，处理条件温和，能得到酶活回收率较高的固定化酶。缺点：酶与载体的结合力较弱，当离子强度高、缓冲液种类或pH值发生变化时，酶容易脱落。,74,2.化学结合法（1）共价结合法。将载体有关基团活化、与酶分子上的功能团发生化学反应形成共价键的一种固定化方法，是研究得最多的固定化方法之一。可与载体结合的酶的功能团：或-NH2，、或-羧基，巯基，咪唑基，酚基等，但参与共价结合的氨基酸残基应当是酶催化活性的非必需基因，否则可能会导致固定后酶活力完全丧失。特点：反应条件苛刻，操作复杂，容易使酶的高级结构发生变化而破坏活性中心，操作时需注意。,75,（2）共价交联法。通过双功能或多功能试剂（交联剂），在酶分子之间或酶分子与微生物细胞之间形成共价键的连接方法。它与共价结合法的区别是它使用交联剂而不用载体。常用的交联剂：戊二醛、异氰酸酯、顺丁烯二酸酐和乙烯共聚物等。特点：反应条件比较激烈，固定化酶的活力回收率较低，但尽量降低交联剂浓度和缩短反应时间，会有助于固定化酶比活力的提高。,76,3.包埋法可分为凝胶网格型和微囊型。将酶或微生物包埋在高分子凝胶网格中的包埋法称为凝胶网格包埋型，将其包埋在高分子半透膜中的包埋法称为微囊型。优点：一般不需要与酶蛋白的氨基酸残基起结合反应，较少改变酶的高级结构，酶活力的回收率较高。缺点：仅适用于小分子底物和产物的酶，因为只有小分子物质才能扩散进入高分子凝胶的网格，并且这种扩散阻力还会导致固定化酶动力学行为的改变和酶活力的降低。,77,（1）凝胶网格型。采用明胶、卡拉胶、海藻酸钠或淀粉等天然高分子化合物作为包埋剂时，可以将酶直接与溶胶态的包埋剂混合凝胶化。缺点：凝胶孔径不规则，有一部分大于平均孔径，时间稍长时，酶容易泄漏。常与交联法结合达到加固的目的，如先用明胶包埋，再用戊二醛交联等。,78,（2）微囊型。利用各种类型的膜将酶封闭起来，这类膜能使小分子产物和底物通过，而酶和其他的高分子不能通过。缺点：反应条件要求高，制备成本高。,79,80,（二）细胞的固定化方法细胞固定化的主要方法有用载体对细胞的包埋法和利用载体与细胞之间吸引力的吸附法两种。固定化细胞的制备方法类似于固定化酶的制备方法。优点：固定化后酶活基本没有损失，它还保留了细胞原有的多酶系统，对于多步催化转换的反应，优势更加明显，而且勿需辅酶的产生，直接将微生物细胞固定化，不仅可以免去提纯酶的步骤。,81,缺点：只适用于胞内酶，而且细胞中的酶很多，可能产生副反应，使产物不纯。在选用固定化细胞作为催化剂时，应考虑到底物和产物是否容易通过细胞膜，膜内是否存在产物分解系统和其他副反应系统，或者说虽有这两种系统，但是否可事先用热处理或pH值调整等简单方法使之失效。,82,（三）固定化酶（细胞）的性质1.酶活力的变化酶经固定化后，酶分子的构象可能改变，导致了酶与底物结合能力或催化底物转化能力发生变化；载体的存在给酶的活性部位或调节部位造成某种空间障碍，影响酶与底物的作用；酶包埋于载体，底物必须扩散进入载体才能和酶分子接触，扩散速率的不同限制了酶与底物的作用。,83,2.酶稳定性的变化经固定化后，大多数酶的稳定性提高，这对实际应用十分有利。固定化酶的稳定性常用半衰期（t1/2）表示，即固定化酶活力降为最初活力一半所经历的连续工作时间。它是衡量固定化酶操作稳定性的关键。3.最适pH值的变化氢离子在溶液和固定化酶之间的分配效应，对反应速度具有重要影响。如果酶反应产生酸或消耗酸时，pH值曲线会发生显著变化（曲线向右移动或向左移动），最适pH值也会相应变化。,84,4.最适温度的变化酶反应的最适温度是酶失活速度与酶反应速度综合的结果。在一般情况下，固定化后酶的失活速度下降，最适温度也随之提高。5.动力学常数的变化酶固定于电中性载体后，表观米氏常数往往比游离酶的米氏常数高，而最大反应速度变小；而当底物与带有相反电荷的载体结合后，表观米氏常数往往减小，这对固定化酶实际应用有利。此外，在高离子强度下，酶的动力学常数几乎不变。,85,（四）固定化酶（细胞）的评价指标1.相对酶活力具有相同重量酶蛋白的固定化酶与游离酶活力的比值。它与载体结构、颗粒大小、底物相对分子质量及酶的结合效率有关。相对酶活力低于75%的固定化酶，一般无实际应用价值。2.酶的活力回收率固定化酶的总活力与用于固定化的酶总活力的百分比。一般情况下，活力回收率应小于l。,86,（五）固定化酶的优缺点优点：极易将产物和底物分开；可以在较长时间内进行反复分批反应和装柱连续反应；在大多数情况下，可以提高酶的稳定性；酶反应过程可以严格控制；产物中没有酶的残留，简化了工业设备；较水溶性酶更适合于多酶反应；可以增加产物的收得率，提高产物的质量；酶使用效率提高，成本降低。,87,缺点：固定化时，酶活力有损失；增加了固定化的成本，工厂投资开始增大；只能用于水溶性底物，而且较适用于小分子底物，对大分子底物不适宜；与完整菌体相比，不适合多酶反应，特别是需要辅助因子的反应；胞内酶必须经过酶的分离过程。,88,七、酶反应器,生物反应器：利用生物催化剂进行生物技术产品生产的反应装置称为生物催化反应器，一般称为生物反应器（Bioreactor）,发酵罐（fermenter）：细胞生物反应器生化反应器（biochemicalreactor）生物反应器：传统的发酵罐、酶反应器、固定化酶或固定化细胞反应器、动植物细胞培养用反应器和光合生物反应器。,89,发酵生产过程示意图,过程调控,发酵罐,灭菌,原料预处理,产物分离提纯,产品,菌种培养,空气,除菌,能量,热量,90,生物催化反应过程示意图,过程调控,生物催化反应器,底物,产物分离提纯,产品,生物催化剂制备,能量,91,生物反应器的特点优良的生物反应器应具备：1.严密的结构2.良好的液体混合性能3.高效的传质、传热性能4.配套而可靠的检测和控制仪表酶反应器较发酵罐简单,92,生物反应器工程,通过反应器型式、操作方式的改变能否使生物催化反应效率最大化？将反应与传质紧密相关,93,酶反应器：,用于游离或固定化酶（细胞）进行催化反应的容器及其附属设备。,分类：,按结构分为：,搅拌罐式反应器,鼓泡式反应器,填充床式反应器,流化床式反应器,膜反应器,喷射反应器,94,按操作方式：间歇（分批）式连续式半连续式（包括流加）理想型：连续操作活塞式反应器（CPFR）连续操作搅拌式反应器（CSTR）,95,（一）搅拌罐式反应器（StirredTankReactor,STR）,组成：,反应罐,搅拌器,保温装置,分类：,分批搅拌罐式反应器,流加分批搅拌罐式反应器,连续搅拌罐式反应器,96,1、分批搅拌罐式反应器(BSTR),将酶和底物溶液一次性加到反应器中，在一定条件下反应一段时间，然后将反应液全部取出。,97,1分批搅拌反应器（BatchStirredTankReactor,BSTR）,反应器结构简单，不需要特殊装置，适与小规模试验缺点是：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易失去活性，故在工业生产中，间歇式酶反应器很少用于固定化酶，但常用于游离酶。,98,2、连续搅拌罐式反应器（ContinuousStirredTankReactor,CSTR）,催化剂采用颗粒状的固定化酶，少数应用片状固定化酶。运转过程中要不断分出部分反应液，同时补充等量的新鲜底物溶液，为不致使酶随反应液流失，所以在它的出口处通常有滤膜。适于有底物抑制场合。缺点是：搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒,99,3连续搅拌罐-超滤反应器,酶循环,100,（二）填充（固定）床式反应器（PBR）,固定化酶堆叠在一起，固定不动，底物溶液按照一定的方向以一定的速度流过反应床，通过底物溶液的流动，实现物质的传递和混合。,101,填充床反应器（PackedReactor,PBR）,优点是：高效率、易操作、结构简单等，因而，PBR是目前工业生产及研究中应用最为普遍的反应器。它适用于各种形状的固定化酶和不含固体颗粒、黏度不大的底物溶液，以及接近平推流，当有产物抑制时，可获得高转化效率。缺点是：传质和热系数相对较低，固定化酶颗粒大小会影响压降和内扩散阻力。当底物溶度含固体颗粒或黏度很大时，不宜采用PBR。,102,三、流化床反应器（FBR）,底物溶液以足够大的流速向上通过固定化酶床层，使固体颗粒处于流化状态。可用于处理粘性强和含有固体颗粒的底物，或用于需要供应气体或排放气体的反应。,适用于固定化酶进行连续催化反应。,103,流化床反应器（FluidizedBedReactor,FBR）。FBR可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶度，同时，亦可用于需要供气体或排放气体的酶反应（即固、液、气三相反应）。但因FBR混合均匀，故不适用于有产物抑制的酶反应。,104,四、鼓泡式反应器(bubblecolumnreactor,BCR),利用从反应器底部通入的气体产生的大量气泡，在上升过程中起到提供反应底物和混合两种作用的一类反应器，是一种无搅拌装置的反应器。,105,五、膜反应器,将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器。,106,膜反应器（membranereactor,MR）可以用于游离酶的催化反应，也可以用于固定化酶的催化反应。用于固定化酶催化反应的膜反应器是将酶固定在具有一定孔径的多孔薄膜中，而制成的一种生物反应器。膜反应器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纤维型、转盘型等多种形状。常用的是中空纤维反应器。,107,六、喷射式反应器,利用高压蒸汽的喷射作用，实现酶和底物的混合，进行高温短时催化反应的一种反应器。,108,109,110,1984年A.Zaks和A.MKlibanov首次发表了关于非水相介质中脂肪酶的催化行为及热稳定性的研究报道，引起了广泛的关注。传统的酶学领域迅速产生一个全新的分支非水酶学。现在非水酶学方法在多肽合成、聚合物合成、药物合成以及立体异构体拆分等方面显示出广阔的应用前景。,八非水介质中的酶催化反应,111,非水相介质：有机溶剂反应介质，气相反应介质，超临界流体反应介质。优点：1)酶在有机介质中由于水分子的减少，相对来说酶分子的构象表现出比水溶液中更具有“刚性”特点。因而使通过选择不同性质的溶剂来调控酶的某些特性成为可能。例如在有机溶剂中，可以利用酶与配体的相互作用性质，诱导改变酶分子的构象，调控酶的底物专一性,、立体选择性和手性选择性等。,112,(3)由于引起酶变性的许多因素都与水的存在有关,因此在有机介质中酶的稳定性得到显著提高。,(2)在适当的条件下，可以改变酶促反应的热力学平衡向有利于合成方向（而不是水解方向）进行。,113,(5)在有机介质中进行的酶促反应，可以省略产物的萃取分离过程,提高收率，从低沸点的溶剂中分离纯化产物比水中容易；酶不溶于有机介质，易于回收再利用。,(4)由于有机溶剂的存在,水量减少，大大降低了许多需要水参与的副反应，如酸酐的水解、氰醇的消旋化和酰基转移等。,114,(6)脂溶性底物和产物在有机溶剂中的高度溶解性,有利于提高底物浓度总的水平。同时由于底物和产物的高脂溶性，使它们在酶分子表面的实际浓度较低,可以减少底物或产物对酶引起的抑制作用。(7)在有机溶剂的存在下，一般不存在微生物污染问题。(8)由于酶不溶于有机溶剂中，所以是一个非均相反应体系。应用振荡或搅拌改善底物及产物的交换是反应的关键。,115,（一）有机相酶反应具备条件,1保证必需水含量。2选择合适的酶及酶形式。3选择合适的溶剂及反应体系。4选择最佳pH值。,116,必需水(EssentialWater)：维持酶催化活性所必须的最少量的水。与酶分子紧密结合的一层左右的水分子，对酶活性至关重要的。不同酶与必需水结合的紧密程度及所结合的必需水量是不同的。把有机溶剂中酶催化反应理解为宏观上是非水相，而微观上是微水相反应。因此非水体系又称低水体系。,117,118,119,脂肪酶活性与水的关系,在反应体系中，必需水量也决定于有机溶剂。,120,影响酶反应体系中需水含的因素,a不同酶需水量不同b.同一种酶在不同有机溶剂中需水量不同溶剂疏水性越强，需水量越少,121,二、有机溶剂的选择,1、有机溶剂与酶活性：溶剂主要是通过对体系中水、酶以及底物和产物的作用来间接地或直接地影响酶活性：(1)对吸附在酶分子上的水分的影响，溶剂可以夺走吸附在酶分子表面的必需水，破坏了维持酶蛋白构象的氢键和疏水作用，降低了酶的活性和稳定性。,122,(2)对底物和产物的影响，有机溶剂可以直接与底物、产物分子发生反应，或者可以通过底物和产物在水相和有机相的分配，从而影响其在酶分子表面的水层中的浓度来改变酶的活性。(3)对酶的直接影响，溶解于水层中的溶剂分子可以抑制处于水中的酶或使酶失活，酶与两相界面的直接接触也可导致酶的失活,123,2选择有机溶剂必须考虑因素,(1)有机溶剂与反应的匹配性（即相容性）包括反应产物与溶剂的匹配性，极性产物倾向于保留在酶附近，可能引起产物抑制或不必要的副反应发生。,124,相容性,例：对于酶促糖改性而言，使用疏水性的，与水不互溶的溶剂是不现实的，因为不溶性底物和不溶性的酶之间无相互作用，必须用亲水性的溶剂（如吡啶或二甲基甲酰胺）,125,(2)溶剂必须对于该主反应是惰性,例：酯基转移反应涉及到醇对于酯的亲核攻击而产生另一种酯，如果溶剂也是酯，就会生成以溶剂为基础的酯，如果溶剂是醇，也会得到类似结果。,126,(3)必须考虑的其他因素,溶剂的密度、黏度、表面张力、毒性、废物处理和成本等（溶剂因底物而宜）溶剂参数lgP：即一种溶剂在辛醇/水两相间分配系数的常用对数值，它能直接反映溶剂的疏水性。,127,三、溶剂及反应体系的选择,水溶性有机溶剂：甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、甘油、丙酮、乙晴等水不溶性的有：石油醚、己烷、庚烷、苯、甲苯、四氯化碳、氯仿、乙醚、戊醚等,128,六、有机介质对酶性质的影响,1、稳定性2、活性3、专一性4、反应平衡方向,129,（一）稳定性,（）热稳定性提高（）储存稳定性提高,130,结论,在低水有机溶剂体系中，酶的稳定性与含水量密切相关；一般在低于临界含水量范围内，酶很稳定；含水量超出临界含水量后酶稳定性随含水量的增加而急剧下降。,131,（二）活性,1、单相共溶剂体系中，有机溶剂对酶活性影响（1）有机溶剂直接作用于酶（2）有些酶的活性会随着某些有机溶剂浓度升高而增大，在某一浓度（最适浓度）达到最大值；若浓度再升高，则活性下降。,132,2、低水有机溶剂体系中，大部分酶活性得以保存，但也有某些酶活性亦变化,例：有人对吸附在不同载体上的胰凝乳蛋白酶或乙酸脱氢酶在各种水浓度下的酶活性研究表明，酶活性随水活度大小而变化，在一定水活度下，酶活性随载体不同而变化,133,3、在反向微团体系中，微团效应使某些酶活性增加,超活性：凡是高于水溶液中所得酶活性值的活性称为超活性（Super-activity）。认为：超活性是由围绕在酶分子外面的表面活性剂这一外壳之较大刚性所引起。,134,（三）专一性,某一些有机介质可能使某些酶的专一性发生变化，这是酶活性中心构象刚性增强的结果。有些在水中不能实现的反应途径，在有机介质中却成为主导反应。,135,（四）反应平衡方向,136,七、酶形式的选择,（1）酶粉：例如：有人研究a-胰凝乳蛋白酶在酒精中转酯反应，发现催化活性随反应体系中酶量的减少而显著增加。,137,（）化学修饰酶（疏水性修饰、反相胶束）：例如：SOD酶经糖脂修饰后变成脂溶性，它对温度、PH、蛋白酶水解的稳定性均高于天然SOD。,138,（）固定化酶：把酶吸附在不溶性载体上（如硅胶、硅藻土、玻璃珠等）制成固定化酶，其对抗有机介质变性的能力、反应速度、热稳定性等都可提高。,139,（）固定化酶：,140,有机相中固定化后载体对酶的影响,A.载体能通过分配效应剧烈地改变酶微环境中底物和产物的局部浓度。,141,B.载体影响酶分子上的结合水,通过选择合适的载体可使体系中的水进行有利分配。,142,C.通过载体与酶之间形成的多点结合作用，可稳定酶的催化活性构象。,例：-胰凝乳蛋白酶与聚丙烯酰胺凝胶共价结合后，在乙醇中的稳定性明显提高，并且对有机溶剂的抗性随酶与载体间共价键数量的增加而增强。,143,D.酶动力学影响一个酶同时催化的两个反应的相对速度。,例在低水活度下把胰凝乳蛋白酶固定在聚酰胺载体上，水解反应被抑制却有利于醇解反应。,144,八、酶在微水体系中的应用,1、有机合成氧化光学活性物质的合成手性药物的合成油和脂肪的精制（生物柴油）生物表面活性剂的合成肽的合成其他的专一性合成,145,2、化学分析（胆固醇的测定）3、聚合（高聚物合成，环保材料合成）4、解聚5、外消旋混合物的分离,146,脂肪酸酯的合成,酶催化的酯交换反应和酯合成反应也成功的应用到需要量小、价值高的食品、医药产品、化妆品添加剂的合成中。其中包括简单的烷基、萜烯、硫醇酯以及蜡酯，如异戊酸乙酯、油酸戊醇酯，乙酸牻牛耳春牛儿醇酯、乙酸香茅醇酯，棕榈酸异丙醇酯等。,147,多肽的合成,例a-胰蛋白酶可以催化N-乙酰色氨酸与亮氨酸合成二肽水中反应合成率为0.1%以下在乙酸乙酯和微量水组成的系统中，合成率可达100%,148,第二节酶工程在食品工业中的应用,（一）淀粉糖加工1.-淀粉酶（EC3.2.1.1）淀粉内切酶，能随机水解直链或支链淀粉分子-1,4-糖苷键生成不同长度的寡糖，液化淀粉速度快，最终产物为-极限糊精和少量的葡萄糖及麦芽糖。细菌-淀粉酶热稳定性高，主要用于淀粉高温液化，作用条件一般为85，pH5.57.0。,一、酶工程与食品加工,149,2.-淀粉酶（EC3.2.1.2）一种淀粉外切酶，在淀粉链非还原性末端水解-1,4-糖苷键，产生麦芽糖。与-淀粉酶相同，-淀粉酶也不能水解-1,6-糖苷键，形成-极限糊精，麦芽糖的含量仅为60%。如果将-淀粉酶与脱支酶联合应用可将淀粉水解成麦芽糖。-淀粉酶较佳作用条件为pH6.57.0，温度50。,150,151,3.葡萄糖淀粉酶（EC3.2.1.3）也称糖化酶，主要催化淀粉和寡糖的-1,4-糖苷键水解，从分子的非还原性末端释放出-葡萄糖分子。此酶还可缓慢水解-1,6糖苷键和-1,3糖苷键，水解后生成DE值为9798，葡萄糖含量为95%97%(ww)的葡萄糖浆。生成的葡萄糖浆也可以脱水得到结晶葡萄糖，或用作高果糖浆的原料。在pH4.5、3560时，可将-淀粉酶生成的糊精转变成葡萄糖。葡萄糖淀粉酶对-1,6糖苷键活性较低，这样达到所需要的水解程度，要加大酶用量或延长保温时间，或将该酶与脱支酶联用。,152,4.葡萄糖异构酶（EC5.3.1.5）能够将葡萄糖转化成果糖，它是加工果糖和高果糖浆（HFCS）的重要酶类。能产生葡萄糖异构酶的微生物主要有芽孢杆菌、链霉菌、密苏里游动放线菌等。在pH7.58.0、5560下作用效果良好。Mg2+是葡萄糖异构酶的稳定剂和激活剂，木糖可用于这种酶的诱导。,153,5.脱支酶，又称异淀粉酶（EC3.2.1.68）:能够专一作用于支链淀粉中的-1,6-糖苷键，对于链结构中的-1,6-糖苷键不能水解。将这种酶同葡萄糖淀粉酶一起使用，可以产生DE96的葡萄糖浆；与-淀粉酶一起使用，可将液化后的淀粉浆转化成麦芽糖浆，麦芽糖的产量比-淀粉酶单独作用时显著增加。,154,实例果葡糖浆1.果葡糖浆的功能和应用以淀粉为原料，通过-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶水解形成葡萄糖，再利用葡萄糖异构酶的异构化反应，制成一种含有果糖与葡萄糖的混合糖浆。,155,第一代果葡糖浆含42%的果糖；第二代果葡糖浆也称为高果糖浆，含果糖55%，甜度约为蔗糖的1.1倍；第三代果葡糖浆被称为高纯度果葡糖浆，果糖含量为90%，甜度为蔗糖的1.4倍。果葡糖浆溶解度高，发酵性能好，化学稳定性高，并且易为人体所吸收，因此，在饮料工业广泛应用，在面包、糕点、罐头和冷饮等领域也有不同程度的应用。,156,2.果葡糖浆的酶法合成生产工艺主要包括淀粉的液化、糖化和异构化等步骤。首先，淀粉乳在-淀粉酶的作用下被液化成DE值为15%20%的液化液，液化液经调整pH值和温度，并加入糖化酶进行糖化至糖化液DE值达到96.7%98%，然后过滤，最后再用活性炭和离子交换树脂处理，成为净化的葡萄糖液。被净化后葡萄糖液通过装有固定化异构酶的反应器被异构化，最终得到果糖含量在42%左右的果葡糖浆。,157,158,159,160,161,（二）乳品加工1.乳糖酶（EC3.2.1.23）也称为-D-半乳糖苷酶，广泛存在于桃、杏、苹果等植物及大肠杆菌、乳酸杆菌、酵母菌和霉菌等微生物中，其作用是将乳糖分解形成葡萄糖和半乳糖。（1）乳糖水解乳的加工哺乳动物尤其是人在出生后肠道里具有乳糖酶活性，但断奶后用其他食物如牛乳等代替母乳，乳糖酶活性逐渐减小甚至无乳糖酶产生，因而引起乳糖不适应症。食后会引起腹泻和胃肠不适。乳糖水解乳利用乳糖酶将乳中乳糖水解加工而成，是乳糖不适应症的理想食品。,162,163,（2）防止乳糖结晶乳糖溶解度较低，在高浓度时会结晶析出，一些浓缩乳清在贮运中会出现乳糖结晶，还有一些浓缩乳制品如甜炼乳，由于乳糖结晶析出影响产品外观和保藏。若在乳清中添加乳糖酶或在炼乳加工中添加25%30%乳糖水解乳，可以防止结晶现象，并且增加产品甜度，减少蔗糖用量。（3）缩短乳凝固时间用乳糖水解乳制造酸乳和奶酪等可以加快酸化过程，有助于奶酪结构和风味的形成，并且可缩短乳凝固时间，奶酪凝固也更加坚实。,164,（4）乳清糖浆及半乳糖葡萄糖浆的制造及应用乳清是加工干酪及干酪素的副产物，世界年生产量约9107t，其中一半用于生产乳糖和乳清蛋白，其余一半当废水排放，不仅污染环境，而且会流失有价值的营养物。通过乳糖酶水解乳清，使其中4.5%乳糖分解成半乳糖和葡萄糖，所得称为乳清糖浆。乳清糖浆的甜度达到蔗糖甜度的65%80%，溶解度增加34倍。若再经过葡萄糖异构酶作用，将其中葡萄糖异构化生成果糖，则称为半乳糖果葡糖浆，其甜度与等浓度的蔗糖相当。水解乳清能够代替蔗糖作为甜味剂，用于各种点心、饮料、糖果、焙烤食品、罐头食品及冰淇淋加工。,165,2.凝乳酶（EC3.4.4.3）奶酪加工中一个重要的步骤就是要使液态乳转变成凝乳，这个凝结过程是采用凝乳酶类来催化完成。乳中的酪蛋白以胶体状态存在，其胶粒结构的外围为-酪蛋白，中心为s1-和-酪蛋白酸钙。凝乳酶的作用是使-酪蛋白中苯丙氨酸和亮氨酸间键的断裂，酪蛋白胶粒成为亚稳态，内部的s1-和-酪蛋白酸钙会凝聚成较大胶体聚合物沉淀出来形成凝乳。,166,传统使用的凝乳酶是犊牛皱胃酶，但是以犊牛为原料制取凝乳酶远远不能满足干酪生产需要，各国都在寻求新的凝乳酶资源，研究发现微小毛霉、米曲毛霉及浅白隐球酵母均能产生凝乳酶，微生物凝乳酶具有巨大的开发潜力，其不足之处是有些酶热稳定性较高，致使在乳制品中残留量升高。,167,3.蛋白酶能够将乳中的蛋白质分解产生氨基酸和肽类，在奶酪成熟和风味形成中发挥重要作用。并且能够缩短全脂奶酪成熟时间，改善低脂奶酪的风味和质地。,168,4.脂肪酶在乳品中的应用主要是在干酪生产中，用于加速干酪的成熟，缩短成熟时间，提高生产效率。现在的干酪生产一般都是同时添加蛋白酶和脂肪酶，以促进干酪的成熟，使干酪产生出其特有的风味。此外，还可将脂肪酶添加到奶油中，以增加奶油的风味。,169,5、过氧化氢酶6、溶菌酶可作为防腐剂，它的主要功用是水解细菌细胞壁，在细胞内，则对吞噬后的病原菌起破坏作用.该酶对革兰氏阳性菌中的枯草杆菌、耐辐射微球菌有分解作用。对大肠杆菌、普通变形菌和副溶血性弧菌等革兰氏阴性菌也有一定程度溶解作用，其最有效浓度为0.05%。与植酸、聚合磷酸盐、甘氨酸等配合使用，可提高其防腐效果。,170,（三）果蔬加工1.果胶酶（EC3.2.1.15）内切或外切聚半乳糖醛酸酶，存在于真菌、植物和某些细菌中，它们水解聚半乳糖醛酸残基的-1,4-糖苷键形成小分子果胶，在果蔬加工中应用最多，主要用于果汁和果酒的澄清。,171,（1）果汁澄清有些水果如山楂、草莓、柑橘、苹果、葡萄等含有丰富的果胶，在制汁工艺中，由于果胶产生很高的黏性，影响压榨取汁和果汁澄清。通常在果实破碎后添加适量果胶酶，在适宜条件下作用一定时间，以分解原料中果胶，加速果汁的压榨和澄清。,172,173,（2）果酒澄清在现代果酒酿造过程中，已普遍使用果胶酶，它对果酒质量和生产效率发挥重要作用。在葡萄酒生产中，同果蔬汁加工相同，果胶酶也是在果实破碎后加入，用量为2.54mL100L，处理温度1535，酶解时间为310d。经过果胶酶处理的原酒，其自流汁含量明显增加，也就是高档酒产量增加。同时原酒过滤速度加快，色素浸出物增加，能节约助滤汁皂土30%以上。,174,（3）柑橘去囊衣去囊衣柑橘罐头生产传统的方法是采用酸或碱处理除去囊衣，这种方法在处理过程中对果肉会造成一定破坏，耗水量也较大，容易形成酸（碱）残留。利用黑曲霉产生的果胶酶、纤维素酶和半纤维素酶的混合物，在一定温度、pH值条件下，能有效去除囊衣，处理效果优于酸碱法。此外，某些蔬菜、水果经过纤维素酶适当处理，可使细胞壁膨胀软化，提高其消化性并改进口感。在果蔬汁加工中，纤维素酶与果胶酶一起使用可将汁液中纤维素类物质和果胶物质分解，促进果汁的提取和澄清。,175,176,2.纤维素酶（EC3.2.1.4）一组包含果胶酶、蛋白酶、半纤维素酶和核糖核酸酶的多酶复合体，具有很强的降解纤维素和果实细胞壁的功能。纤维素酶能够将植物纤维素水解为纤维二糖和葡萄糖，使细胞内容物得以充分释放。（1）果汁澄清纤维素酶经常与果胶酶协同作用进行果汁澄清。在草莓果浆中添加适量的纤维素酶和果胶酶，能有效地提高出汁率，并且缩短压榨时间。（2）板栗去皮酶法去除板栗外皮能较好地保持果肉营养成分、形状、口感及色泽。,177,3.柚苷酶某些柑橘中含有苦味的物质柚苷，从而会影响到其加工品的风味和质量。真菌柚苷酶能够将柚苷降解起到脱苦作用。在应用中，一般应选用耐酸性强（pH2.8左右）、酶活性高的柚苷酶制剂添加于果汁中，在3040下处理12h，即达到脱苦效果。柑橘罐头加工中需要进行加热杀菌，需选用耐热性强的柚苷酶。,178,4.葡萄糖氧化酶能够将-D-吡喃葡萄糖氧化形成葡萄糖酸，同时消耗氧气。果汁中含有的L-抗坏血酸在有氧情况下极易被氧化，尤其在热加工过程中损失很大。在果汁加工过程中添加一定量的葡萄糖氧化酶，可以通过它这种耗氧性质对L-抗坏血酸起到保护作用。,179,（四）鱼、肉制品加工1.木瓜蛋白酶来源于番木瓜，是成分复杂的多酶体系，主要包括木瓜蛋白酶、木瓜凝乳蛋白酶及番木瓜蛋白酶等，其主要功能是催化蛋白质和肽类水解。目前应用较多的是通过它的蛋白质分解活性，在肉制品加工中用于肉