超声波和微波作用对酶的影响研究进展

1、超声波和微波作用对酶的影响研究进展摘要 :超声波对酶的影响与超声波时间、声强、温度、功率、频率和介质的性质有关。适宜的超声可提高酶促反应速度，较低强度的超声可提高酶的活性，而较高强度的超声会降低酶促反应速度甚至使酶失活。 酶的化学本质是蛋白质。酶和蛋白质一样会受到某些物理、化学因素作用而发生变性，失去活力。酶的相对分子质量很大，具有胶体性质，不能透析。酶也能被蛋白酶水解。酶催化反应具有高效性，它可以在常温常压和温和的酸碱度下高效地进行。1个酶的分子在1min内能引起数百万个底物分子转化为产物，酶的催化能力比一般的催化剂的催化能力大1000万倍到10万亿倍。酶催化反应的另一个特点，就是酶对底物的

2、高度的专一性。一种酶只能催化一种或一类物质反应，即酶是一种仅能促进特定的化合物、特定的化学键、特定的化学变化的催化剂。酶还具有：其作用受到调节控制、有的酶的作用还需要辅因子的参与等特点。酶的作用机制酶促反应之所以具有高效性和专一性，是因酶与底物专一的形成了中间产物，使反应的活化能降低，从而，活化分子数增加，底物结合在酶的活性中心上。诱导楔合说认为:当酶蛋白与底物结合时，酶蛋白活性部位即发生一定的构象变化，使酶蛋白中进行反映所需要的催化基团和结合基团得以正确地排列和定向，以与底物楔合；同时，由于酶蛋白分子中原有电子分布发生了改变，因而诱导底物原子间某些化学键发生极化现象而趋向不稳定状态，故可以加

3、速反应进行。 酶活力：酶催化某一化学反应的能力。用酶催化反应的速度来表示。酶学对食品科学的重要性酶的应用已有几千的历史，尽管那时人们并没有任何关于催化剂和化学反应方面的知识，但在是食品的加工过程中，人们已经开始利用微生物细胞产生的各种酶的催化作用。酶学和食品科学的关系十分密切。早在科学家最初开始研究消化、发酵和水解反应中的酶时就涉及了食品。食品科学家对酶在食品中的应用，尤其是导致食品变质败坏的酶作用进行了细致研究。近几十年来，随着酶学研究的不断深入和酶生产的快速发展，酶在食品科学中的重要性日益凸现。<1997>1引言 超声波是物质介质中的一种弹性机械波近年来，超声波在高分子的降解和

4、聚合、有机合成提取和分离、雾化结晶、干燥等许多方面得到广泛研究和应用。本文将介绍超声波对酶反应影响的研究进恳2超声波对酶反应的影响2 1超声波声功率大小不同，作用效果也不no用超声波提取细胞内酶的研究由来已久。1957年MarrA.G等和1969年Zetela-ki K等先后对超声波破壁提取葡萄糖氧化酶(EC1. 1. 3 .4)进行了研究，其中后者用声功率100W的超声破碎机，结果导致了酶失活1982年Yoshio等用温和的超声处理条件，频率20kHz声功率15w，连续处理15小时，提高了酶产率，而并未发现葡萄糖氧化酶的失活，他们把原因归于较低的超声波声活力足够高的条件下，以温和的超声波条件

5、应用于胞内酶的连续生产1。与此类似，用20开kHz 10W的超声波作用于脆壁克鲁弗氏酵母生产菊糖酶，当声功率小于10W时，产酶活力随声功率而增大，当功率大于10W时，产酶活力下降，这是由于较弱的超声波对细胞产生的破坏很少，主要起促进可逆渗透、加强细胞的物质传输的作用，而强的超声波的空化作用使细胞破碎，酶活降低222用超声波处理时，固定化酶的适应性强，酶失活少。用频率0 88kHZ声强0.05-1w/n2的超声波，对肌酸激酶、乳酸盐脱氢酶己糖激酶丙酮酸盐激酶所催化的反应进行多次不同条件的试验，对反应速率均没有明显的直接影响。但将酶固定化以后，超声波处理使固定化酶反应速率明显增加，该研究者认为，这

6、种增加是由于超声波的高频振荡作用，使底物和固定化酶的接触次数大大增加，同时产物的释放也加快，从而使反应速率增加4。以20-40kHz，10-100W的超声波作用于固定化糖化酶水解淀粉的反应，反应效率提高2倍以上5.以酪阮作底物，用20kH z的超声波处理固定于琼脂胶上的a-胰凝乳阮酶，可使其活性提高2倍。用7MH z超声波作用于固定在多孔聚苯乙烯上的a-淀粉酶，固定化酶活力也有提高【3】2 3许多研究表明，在有机溶剂中，一些酶的抗失活能力增强【6,4】。例如，枯草杆菌蛋白酶在50mM, PH 7. 8的磷酸缓冲液中，以波长2 10m,声功率150W的超声波处理2小时，酶活约下降50%，而在含该

7、缓冲液1%的t-戎醇中，超声处理6小时，酶活几乎没有损失在几种不同的醇溶液中，超声波对枯草杆菌蛋白酶催化的内醋化反应的反应速率均有不同程度的提高。醇的碳链越长，反应速率提高越多。超声波的影响取决于超声波长(频率沐反应介质中水的含量及介质的疏水性超声波连续处理比只用超声波预处理酶效果更好【6】。再如，在蛋白酶催化合成多肤的反应中，以100W, 38kH z的超声波作用于反应，介质是缓冲水溶液时，超声波对反应没有促进;当用有机溶剂时，介质的亲水性越强，则对反应的促进较小，介质的疏水性越强，则超声波对反应的促进越大同时，有许多研究表明，少量的水存在于有机溶剂介质中，对酶有保护作用【7】2 4底物浓度

8、对超声波作用也有影响。于淑娟等8研究了在无底物和有底物时，超声波对纤维素酶的作用。分别以20kH z，40W,45W,60W,90W的超声波作用于无底物的商品纤维素酶(用柠檬酸钠缓冲液配制成1%溶液)，在规定温度下作用5分钟后，酶活力分别降低7.5%、15.1%、26.5%、50.6%。如果酶与底物混合后再加超声波作用，在一定条件下，酶活力有一定程度的提高。当超声功率小于45W时，酶活力随着声功率的增加而增加，大于45W时，酶活力开始下降该论文作者认为，超声波对有底物和无底时纯酶活性改变的区别在于无底物时超声波直接对酶作用而使其空间构象改变而失活;加入底物时，酶首先与底物形成络合物，超声波产生

9、的振荡施加在络合物上，在某种程度上，底物对酶起到支撑和保护的作用。超声振荡可以加快溶剂和产物的运动速度，改变浓度差，增强传质动力。小结 超声波对酶反应的影响，在不同的条件下结果有很大的不同，甚至完全相反对这些现象的解释也有不少。但目前比较统一的认识有如下几点:( 1)酶反应时所采用的超声波声功率不宜过大否则，将使酶失活;( 2)有机溶中一些酶的抗失活能力强，超声波催化这些酶反应的效果比在水溶液中好;(3)固定化酶的抗失活能力强，能适应较高的频率和较大的声功率而获得较好的超声催化效果;( 4)没有底物的酶液受超声作用易失活，较高的底物浓度对酶有保护作用，超声催化效果好;(5)超声波对某些反应可使

10、产物专化;( 6)超声波对酶反应的催化作用主要缘于超声振荡加速了底物与酶的接触和产物的释放空化效应，特别是瞬态空化应尽量避兔一般对酶反应来说热效应影响不大。 参考文献 1 Yoshio T shinori Isao Karube and ShuichiSuzuki Contamous production of glucose oxidasewith aspergillus spunderultrasoundwaves EnzymeM icrob T echnol; 1982(4); 85- 88 2林影，高大维，梁宏等.微超声波对脆壁克鲁弗氏酵母菊糖酶生产的促进作用.李宝璋，李稳宏，范代娣编

11、，第六届全国生物化工学术会议论文集，北京:化学工业出版社，1995, 119- 122 3冯若，赵逸云，李化茂等.超声在生物技术中应用的研究进展.生物化学与生物物理进展，199烤21( 6): 500- 503 4 E P Chetvemkova T N Pashovka N A Rosanov et al Interaction of therapeutic ultra-sound with purified enzym es in vitro U ltrasonics,1985,(7): 183- 188 6 EvgeniN Vulfsou Douglas B Sarney andBarr

12、y A Law. Enhancanent of subtili。a to 1y sedinteresterification in organic solvents by ultrasoundirradaiation EnzymeMicrob Technol 1991;(13 ):123-126 7 J V S in isterra A pp lira tion of a ltrasound tob io technology一an overview. U ltrasonics 1992 30(3): 180- 185 8于淑娟.超声波催化酶法提取灵芝多糖，华南理工大学学位论文，广州，1996

13、 <2010.7> 超声波是指频率大于19.2 kHz的声波，具有波动与能量双重属性，是一种均匀的球面机械波，以其独特的空化作用，在液体内部产生强烈的冲击波和微射流，出现局部高温、高压，导致诸多次级效应，如击碎、乳化、扩散、强烈的机械振荡等，从而加速体系的传质、传热等过程。当超声波振动时会产生并传递强大的能量，使起媒质质点以极高的速度和加速度进入振动状态，媒质结构也会发生变化，促使有效成分进入溶剂中。当振动处于稀疏状态时，液体会被撕裂成很多的小空穴，这些小空穴瞬问闭合会产生高达几千大气压的瞬时压力，即空化现象。这种空化现象在液体内形成的空化泡，在瞬问迅速涨大并破裂，吸收的声场能量在

14、极短的时问和极小的空问内释放出来，形成高温和高压的环境，同时伴随有强大的冲击波和微声流，细胞结构的瞬问破裂会使细胞内的有效成分得以释放，进入溶剂后充分混合，有利于提高提取率1 不同的酶分子有不同的立体构象，相同的酶分子在不同环境卜也会有不同的构象。不同的酶分子或处于不同环境条件卜的酶分子对超声波能量有不同的敏感性2。另外，超声具有效率高、价格低、无污染、易获得等优点，特别适用于生物研究领域。因此，研究超声对酶解反应的影响具有良好的应用前景。1超声场对酶解反应的影响 超声场对酶的作用是多方面的。酶在有超声作用和没超声作用的情况曰舌力不同。在大豆蛋白酶解技术比较的实验中，对有、无超声波作用卜大豆蛋

15、白水解度进行比较，考察超声波作用的效果时，分别以水解度和水解度提高率为左、右纵坐标，以正交优化实验序号为横坐标，以有、无超声波作用卜的正交实验的结果作图。实验表明，与无超声波作用时的大豆蛋白酶解相比，超声波作用使水解度明显提高，平均提高21.18%0可见，超声波作用有效地促进了大豆蛋白的酶解31.1超声温度对酶解反应的影响 各种酶在最适温度范围内酶活性最强，酶促反应速度最大。超声波作为一种能量形式具有加热作用和空化作用，对酶反应可产生促进和抑制双重作用。当温度较低时，与空化作用相比，加热作用占主导，超声场卜的反应体系吸收超声波能量，从而加速了酶促水解反应，表现为促进作用。随着温度的升高，空化作

16、用逐步显现，在液体介质中微泡的形成和破裂及伴随能量的释放，产生瞬时局部高温、高压，可产生自由基，如水分子电离产生H·和OH·自由基，这些自由基可进入酶活性中心，破坏酶分子的构象。 在玉米秸秆超声辅助酶水解实验中，水浴温度分别为45、50、55，其余条件相同。通过实验可知，超声波场下的纤维素酶水解最适作用温度与非超声波场卜纤维素酶水解最适作用温度相一致，均为50。超声场条件卜不同水浴温度的纤维素酶解得率均高于其相应的未加超声波的酶解得率。超声场条件下温度为45、50、55的酶解得率分别比未加超声波的酶解得率提高了58.17%, 77.19%和53.18%，因此酶解的最适温度为

17、50【4】。1.2超声时问对酶解反应的影响 超声时问的长短会影响超声的空化效应。时问太短，超声作用不完全，不能有效地利用超声技术;反之，超声时问太长，会产生其他影响，抑制酶l舌。 在用超声辅助酶法提取燕麦蛋白的研究实验中，超声时问对燕麦蛋白提取率的影响测试是取40目的燕麦粉各20 g，按料水比1:8加水160mL，在超声温度 50、超声功率60 W,酶解温度50、酶解时问2 h,加酶量1%, pH值为7的条件h，每隔0 min , 5 min , 10 min , 15 min ,20 min , 25 min , 3 0 min进行试验，结果表明超声提取与未超声提取燕麦蛋白提取率有显著差异，

18、说明短时问超声处理可以明显地提高燕麦蛋白的提取率。当超声时问超过25 min后燕麦蛋白提取率略有卜降，故确定超声时问为25 min【5】。在10条件下，用超声波处理菜豆种子超氧化物岐化酶不同的时问，未经超声波处理的酶活力以100%计，测定酶活力提高的百分率。用20 W, 15 kHz的超声波处理不同的时问，其中处理12 min .酶活力提高了15.4%【6】1.3超声强度对酶解反应的影响 在超声辅助酶法制备大蒜素的工艺研究的实验中，超声强度分别取0.1W/cm2 , 0.2 W/cm2 , 0.3W/cm2, 0.4 W/cm2，酶解温度为35，酶解时问为30 min，料水比为2 : 3，超声

19、频率为50 kHz.然后用 95%乙醇以料液比1:4的比例在30温度条件卜萃取1.5 h，分析不同超声强度对大蒜素得率的影响。 实验得出，大蒜素得率随超声强度的升高而增大，当强度为0.4 W/cm2时，大蒜素的得率最高。说明超声酶解强度大时，改变酶的分子构象有利于大蒜素的形成【7】。1.4超声频率对酶解反应的影响 在超声辅助酶法制备大蒜素的工艺研究的实验中，超声频率分别取28 kHz, 40 kHz, 50 kHz,135 kHz，酶解时问为30 min.酶解温度35为，料水比为2 : 3，超声强度为0.4 W/cm2，然后用95%乙醇以料液比1:4的比例在30下萃取1.5h，分析不同超声频率

20、对大蒜素得率的影响。 随超声酶解频率的增加大蒜素得率呈现出先增后降的趋势，当超声频率为50 kHz时，大蒜素的得率最高。其原因可能是因为随着超声频率的增加，酶和底物分子的碰撞频率也增大，使得反应速度加快，大蒜素得率高，而当超声频率过大时，酶分子构象进一步改变，酶活性反而降低，影响了大蒜素的生成阴。1.5超声功率和次数对酶解反应的影响 超声波的功率大小反映了超声波破碎细胞空化作用的强弱。为考察超声功率和超声次数对菌体破碎的影响，在酶解超声法破碎大肠杆菌提纯包含体实验中，用超声波处理经酶解的菌液，进一步把细胞碎片破碎，并把大的蛋白质、核酸分子打断成较小的分子，使菌液的孰度降低，提高包含体的纯度。

21、从实验进行的400 W, 500 W, 600 W的超声破碎研究可知，酶解后的菌液具有较高的A 650nm,值，说明其中仍含有较多的细胞碎片，经超声波处理后A 650nm值明显降低;但3种破碎功率对菌体碎片的进一步破碎没有显著的差别，分别超声50次时，细胞碎片破碎均较完全，A 650nm趋于稳定。在3种不同超声功率作用卜，使蛋白质和核酸释放达到最大所需超声次数(40次一50次)均较接近，但随着功率的增大，释放出的大分子蛋白和核酸被打碎成较小的分子，使AA 280nm和AA 260nm增加8在菠萝果蛋白酶与底物酪蛋白反应的过程中，一定参数的超声作用会在一定程度上改变菠萝蛋白酶的分子构象，并影响其

22、活力。当把酶反应系统置于H66025型超声发生器（50 W-250 W, 16.5kHz, 10） mim时，测得的酶活力都有一定程度的提高。在150 W范围内，随着功率的增加，作用效果越明显。当然这种增长不会是无限制的，当作用功率超过150 W后，酶活力不冉增加，并稍有卜降。方差分析结果表明，经超声处理的酶活性显著高于不经处理的对照酶活性【9】。 2超声场提高酶解反应速度的机理 超声提高酶解反应速度的机理目前己有不少研究，主要有以卜4个方面:改变酶分子的三级结构，提高酶活，从而加速酶解反应;超声波对反应底物有均质作用，增加了酶与底物的接触面积，从而有利于酶解反应的进行;超声波的热效应，在酶解

23、体系中施加超声，可以提高酶解体系的温度，从而促进酶解反应的进行;当超声波振动时能产生并传递强大的能量，引起媒质质点以极高的速度和加速度进入振动状态，增加了酶与底物的接触机会，因此提高了酶解反应的速度。3小结 在一定的超声时问、温度、功率、频率等条件下，超声场对酶解反应有促进作用。超声参数选择不合适，反而抑制酶解反应的进行，因此要达到促进酶解的目的，必须根据具体情况选择不同的超声条件。 参考文献:1王毕妮，张富新.超声技术在皱胃酶提取中的应用J.中国乳品工业，2005, 33(11):54- 55.2吕鹏，庄重，凌建亚等.超声对酶的影响J.生物技术通讯， 2004, 15（5）:534- 536

24、.3胡爱军，郑捷.大豆蛋白酶解技术比较J.精细化工，2005, 22 （56）:461-463.4肖琼，姚春才，崔玲等.玉米秸秆超声辅助酶水解J.南京林业大学学报，2007 31（4）:85- 88.5吴素萍.超声辅助酶法提取燕麦蛋白的研究J.粮食与饲料工业，2007(9):22- 25.6钱春梅，谭兆赞，李云等.超声波对菜豆种子超氧化物歧化酶活性的影响J.华南农业大学学报，2004,25（3）:73一77.7莫英杰，土静，曹雁平等.超声辅助酶法制备大蒜素的工艺研究J.食品科学·工艺技术，2009 30 （10）:42- 45.8刘红，潘红春，蔡绍哲等.酶解超声法破碎大肠杆菌提纯包含

25、体J.重庆大学学报，2004, 27 （10）:75一78.9朱国辉，黄卓烈，徐凤彩等.超声波对菠萝果蛋白酶活性和光谱的影响J.应用声学，2003, 2210- 15.胡爱军，郑捷.大豆蛋白酶解技术比较J.精细化工，2005, 22（6）:461一463.由于超声波的这些效应，使得超声波在食品加工及食品检测中广泛应用，如食品干燥、有效成分提取、乳化、结晶、杀菌和解冻。 酶作为一类特殊的具有生物催化活性的蛋白质，在食品保藏、加工和食品分析中具有重要的作用。超声波对酶的作用很复杂，由于超声处理的条件和强度不同会产生激活或者钝化作用，酶性质不同也会产生不同的作用。1对酶的激活作用大量的研究表明:适宜的超声处理条件可提高酶促反应速度。Ateqad3'等利用2 MHz 5.2W /an，的超声处理木瓜蛋白酶，使酶活性有较大幅度的提高。Sakakibara等4也发现:超声处理可使蔗糖酶水解蔗糖的反应速度提高30%。Vaigas L H M等5超声处理黑曲霉中转移酶，在两振幅(20%,40%)下都能显著地提高整个转移酶活性，当振幅为20%，作用8 m in时酶活力提高