第五章 酶工程原理及其在食品工业中的应用课件

第五章酶工程及其在食品工业中的应用第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用第一节酶工程原理概述（一）酶工程的定义

利用酶的特异催化功能，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、酶工程概述第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用酶工程技术的应用范围大致有：（1）对生物宝库中存在天然酶的开发和生产；（2）自然酶的分离纯化及鉴定技术；（3）酶的固定化技术（固定化酶和固定化细胞技术）；（4）酶反应器的研制和应用；（5）与其它生物技术领域的交叉和渗透。其中固定化酶技术是酶工程的核心。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用食品酶工程是将酶的理论与技术应用在食品领域，将酶学基本原理与食品工程相结合，为新型食品和食品原料的开发提供技术支持。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用加酶洗衣粉中加入一些酶可大大加强其去污能力。用葡萄糖生产果糖行业来说，将葡萄糖异构酶固定起来，不仅能使其在常温、常压下行使专一的催化功能，而且由于酶密度提高，使催化效率更高、反应更易控制。菠萝蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶、胃蛋白酶等十几种可以进行食物转化的酶都已进入食品和药物中，以解除许多有胃分泌功能障碍患者的痛苦，此外还有抗肿瘤的L-天冬酰胺酶、白喉毒素，用于治疗炎症的胰凝乳蛋白酶，降血压的激肽释放酶，溶解血凝块的尿激酶等。新型青霉素产品及青霉素酶抑制剂等也都是酶工程在医药医疗领域的成功应用实例。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用目前已鉴定的酶约2500多种，有工业应用前景的50一60种，大规模生产应用的仅16种，小批量生产的商品酶只有100多种。酶在工业上应用受到限制的原因：①大多数酶脱离生理环境后极不稳定，而酶在生产和应用过程中的条件与其生理环境差别很大；②分离纯化酶的技术繁琐、复杂，酶制剂成本高，价格贵，不利于广泛应用。因此有人根据酶工程研究和解决问题的手段不同，将酶工程分为化学酶工程和生物酶工程。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用酶工程的内容

化学酶工程

化学酶工程亦称初级酶工程，是指自然酶、化学修饰酶、固定化酶及化学人工酶的研究和应用。它主要是由酶学原理与化工技术相互渗透和结合而形成的一门科学技术。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用自然酶:由材料中分离出来，制成酶制剂，应用于纺织、食品、制药等行业。化学修饰酶:通过酶分子的化学修饰达到改性改构的目的。常采用：酶分子功能基团修饰、交联反应，酶与高分子结合等方法。主要应用于酶学研究和疾病治疗。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用固定化酶:酶分子通过吸附、交联、包埋及共价键结合等方法束缚于某种特定支持物上而发挥酶的作用。它在医药和食品工业上具有极大的使用价值。人工合成酶:这是化学家模拟酶的催化功能，用化学方法合成的催化剂，称之为人工酶。人工酶的制备有两种：半合成法和全合成法。这类酶目前尚未具备使用价值。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用生物酶工程

生物酶工程是酶学和以基因重组技术为主的现代分子生物学技术结合的产物，亦称高级酶工程。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用生物酶工程主要包括三个方面:用基因工程技术大量生产酶（克隆酶），目前已经克隆成功的酶基因有100多种，其中尿激酶，纤溶酶原激活剂与凝乳酶等已获得有效的表达，已经或正在投入生产。修饰酶基因产生遗传修饰酶（突变酶），这方面的研究很少，但己揭开了序幕。设计新酶基因，创造优质酶，用于特殊的高价化学药品和超自然生物制品的生产，满足人类的其他需要。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用酶反应器和酶传感器

酶反应器是完成酶促反应的装置。其研究内容包括：酶反应器的类型及特性；酶反应器的设计、制造及选择等。

酶传感器又称酶电极。酶电极是由感受器（如固定化酶）和换能器（如离子选择性电极）所组成的一种分析装置。用于测定混合液中某种物质的浓度。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用酶工程的研究进展及其重要意义

由于酶制剂不稳定，不能重复使用，从20世纪60年代起，人们曾把注意力集中到酶和细胞的固定化研究上。

1953年,Crubhofet和Schleith,将胃蛋白酶、淀粉酶、梭肤酶和核糖核酸酶等结合在重氮化的树脂上，实现了酶的固定化。1969年，日本千烟一朗首次应用固定化氨基酰化酶大规模生产L-氨基酸。现在已有十多种固定化酶用于工业生产。例如：利用固化定葡萄糖异构酶生产高果糖浆；利用固定化青霉素酞化酶生产6-氨基青霉烷酸；利用固定化乳糖酶生产低乳糖牛奶。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用酶技术应用十分广泛：

（1）运用酶技术生产有重要价值产品例如：利用固定化氨基酰化酶拆分DL一酞化氨基酸，自动连续地生产L一氨基酸；利用固定化青霉素酰化酶合成青霉素；利用固定化木瓜蛋白酶合成高甜度低热量的甜味二肽；利用a-淀粉酶、糖化酶以及固定化葡萄糖异构酶从淀粉生产高果糖浆等。（2）利用酶制剂改进生产工艺，提高产品质量和产率，降低生产成本

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用（3）酶技术在医疗卫生和环保方面，亦发挥着极其重要的作用

在治疗疾病方面，不少酶制剂可以作为治疗疾病的药用酶，有很好的疗效。例如：尿激酶在治疗各种血栓病方面，有特效；天冬酰胺酶能治疗白血病，抗肿瘤；人尿胰蛋自酶抑制剂能使急性胰腺炎患者转危为安；猪、牛凝血酶在外科手术过程中用于止血，效果很好。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用第二节食品酶的生产与改造2.1酶的生产

从理论上讲，人们可以通过两条途径获得酶制剂，即:①化学合成；②从生物体内直接提取分离获得。酶的生产早期，人们主要是从动植物体中提取获得酶制剂。目前仍有蛋白酶、淀粉酶、溶菌酶等少数几种酶，以动植物体为原料获得。目前酶的生产主要以微生物为原料。近年来在合成酶的类似物和模似酶方面取得了一定进展，但它们的催化性和专一性方面都很低。所以，在较长的一段时间内，酶只有直接从生物体中提取。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用2.1.1酶生产菌的要求作为酶制剂生产菌的要求：

（1）不能是致病菌。特别是对于食品用酶和医药用酶尤其如此，现已经过某些国家和国际机构鉴定后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、啤酒酵母和脆壁酵母等。

（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。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用2.1.2发酵方法与发酵条件用于酶生产的发酵方法有：

（1）固体发酵法

即以鼓皮、米糠等为基本原料，加无机盐和适量水分（通常50％左右）进行的一种微生物培养法。固体发酵方法，最简单的是浅盘法，培养基一般不超过5cm厚。其次是转鼓法，培养基在转鼓内翻动。近年来多用通气式后发酵，培养基可达20-30cm，一般用于霉菌，如用曲霉和毛霉生产淀粉酶和蛋白酶，用青霉和曲霉生产果胶酶，用木霉生产纤维素酶仍沿用这种固体发酵法，设备简单，便于推广，但培养基利用不完全，劳动量大。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用利用合成的液体培养基在发酵罐内进行搅拌通气培养，是目前主要的方式。①间歇发酵产酶量高，同时营养物质与诱导物浪费少。②连续发酵法提高劳动生产率，同时还可能打破酶合成的反馈阻遏，使产酶率提高。

(2)液体发酵法第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用先确定菌体生长的最适条件，然后作出调整以满足酶生成的需要。首先，培养基组成对菌的生长和酶的合成具有最直接的影响。其次，通风量、培养温度等因素不仅影响菌体生长，也影响酶的合成。一般来说在低于生长温度下产酶量高。培养温度还影响酶活力的稳定性。另外，在生产中掌握适宜酶的回收时期也很重要，对于大多数胞外酶来说，酶合成与菌株生长大致平行，生长停止时酶产量达最大，再培养酶产量多要下降。

发酵条件既要有利菌体生长繁殖，又不影响酶的形成第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用2.1.3提高酶产量的方法在正常情况下，酶产量受其合成调节机制的调控，因此要提高酶产量就必须打破这种调控机制。总的来说，真核细胞酶的合成调节远比原核细胞的复杂。除了组织器官的调节外，在细胞水平上有复制、转录、翻译水平调节；有转录、翻译后水平调节；还有染色体、核等因素的调节；另外有神经递质、激素水平的昼夜周期性调节。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用酶合成主要取决于转录的速度，调控环节为转录，原核细胞的调控目前接受的是操纵子模型。操纵子（operon）是由结构基因、操纵基因和启动基因等组成的染色体上控制蛋白质合成的功能单位。（1）酶合成的调节机制第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用一些基因调控蛋白可以控制基因转录的开启和关闭，大肠杆菌的乳糖操纵子就是这样一个双重控制的例子。葡萄糖和半乳糖的水平控制着乳糖操纵子转录的起始，决定操纵子是“开”还是“关”。1.培养大肠杆菌时，如果不加入乳糖，一个抑制蛋白就会结合到操纵子上，阻止RNA聚合酶转录操纵子基因。此时操纵子就处于关闭状态。2.当加入诱导物乳糖后，乳糖就会和抑制蛋白结合，并改变抑制蛋白的构象使得它不能结合到操纵子上。只要没有抑制蛋白的结合，RNA聚合酶就可以识别启动子并转录操纵子的结构基因，得到mRNA。此时操纵子是开启的。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用(2)诱导与阻遏①诱导

有些酶在通常情况下不合成或者很少合成，加入诱导物后，就能大量合成，这种现象叫诱导。诱导作用是由于阻遏蛋白与诱导物结合而发生别构，失去与操纵子结合的能力，所以结构基因能转录并翻译成相应的酶，这些酶便叫诱导酶。许多参加分解代谢的酶类如淀粉酶、纤维素酶都是诱导酶。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用②阻遏

阻遏有两种，即尾产物阻遏和分解代谢产物阻遏。尾产物阻遏是指有些酶当它们的作用产物积累到一定浓度，并能满足机体需要后，它们的合成就受阻。这是由于阻遏蛋白本身没有与操纵子结合的能力，在正常时不产生阻遏，但它能以酶作用产物为效应物（辅阻遏物）并与之结合产生别构，变为能与操纵子结合而关闭了结构基因。这些酶一般是参加合成代谢的酶接受这种调节，某些参与分解代谢的酶也直接或间接地接受这种调控。另外一种情况是当细胞在容易利用的碳源（葡萄糖）上生长时，有些酶，特别是参与分解代谢的酶类的合成受阻。这叫分解代谢产物阻遏又叫葡萄糖效应。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用酶合成的调节机制：1.酶合成的诱导：加进某种物质，使酶生物合成开始或加速进行；2.末端（尾）产物阻遏：由某代谢途径末端产物的产量过量累积引起的阻遏；3.分解代谢物阻遏：指细胞内同时有两种分解底物（碳源或氮源）存在时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物的有关酶合成的现象。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用2.1.4打破酶合成调节机制限制的方法酶合成调节控制能保证机体最经济有效地将体内原料和能量用于合成生命活动最需要的物质，但是人们为了需要使某些酶大量合成就必须打破这种调节机构。打破这种调节机构一般有：①控制条件：包括添加诱导物和降低阻遏物浓度；②遗传控制：包括基因突变和基因重组；③也有其他如添加表面活性剂、产酶促进等一些方法。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用A.添加诱导物这种方法只适应于诱导酶的合成。其关键在于选择适宜的诱导物及其浓度。

诱导物：一是酶的作用底物，但有些底物并不一定是诱导物；

二是一些难以代谢的底物类似物，如异丙基-β-D-琉基半乳糖不易被作用，但可使β-半乳糖苷酶产量增加1000倍。

三是诱导物的前体物质，如犬尿氨酸能诱导犬尿氨酸的前体,Trp也有同样效果。此外对于参加分解代谢的胞外酶，它们的产物也往往有诱导作用，如纤维二糖诱导纤维素酶。诱导与阻遏之间没有绝对界限，其关键在于浓度

eg:纤维二糖,浓度为0.05mg/mL以下能诱导纤维素酶形成，当浓度提高100倍时纤维素酶合成受阻。

2.1.4.1通过条件控制提高酶产量第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用B.降低阻遏物浓度对于受分解代谢产物阻遏的酶，常采用直接限制碳源或相应的生长因子供应。对于合成代谢的酶有两种方法解决尾产物阻遏：一是于培养基中添加尾产物类似物或添加尾产物形成的抑制剂.二是采用营养缺限型菌株，并限制其生长必需因子的供应。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用2.1.4.2通过基因突变提高酶产量根据酶合成的调节机制，要使酶产量因基因突变而提高，不外乎有两种可能：一是使诱导型变成组成型，即获得的突变株在没有诱导物存在的条件下酶产量达诱导的水平；二是使阻遏型变为去阻遏型，即获得的突变株在引起阻遏的条件下，酶产量达到无阻遏的水平。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用诱导的方法有物理方法：紫外线、x-射线、快中子等；化学方法有：5-嗅代尿嘧啶、亚硝酸等。(1）组成型变异株筛检的筛选方法

①将诱变后的产酶株在以低诱导力的诱导物为主要碳源或氮源的培养基上培养，并同时限制诱导物为一定水平，或同时加人诱导抑制剂，在此条件下增殖的为组成突变型株。

②将诱导后产酶菌在含诱导物和不含诱导物的培养基上交替培养可获得变异株。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用(2）抗分解代谢产物阻遏型变异株筛检

①以被阻遏的酶的底物为惟一氮源。如产气杆菌诱变后在含有葡萄糖以His为惟一氮源的培养基上培养便得到产HIS酶的抗葡萄糖效应的变异株。②变异后的产酶菌在含葡萄糖和不含葡萄糖培养基上交替培养。(3）抗尾产物阻遏变异株的筛检往往采用在诱变后的菌株的培养基中加入结构上和尾产物相类似的毒性抗代谢物。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用(l）添加表面活性剂人们发现许多表面活性剂能提高酶的产量，特别有利于霉菌胞外酶的生产，而且它们对菌和酶没有专一性。通常用的是非离子型表面活性剂如Tween8O、TritonX-100等。表面活性剂可能是提高了细胞膜的透性，有助于打破细胞内酶合成的“反馈平衡”。

(2）其它产酶促进剂

有时除了表面活性剂外，添加其他一些物质也能提高酶的产量。如枯青霉培养基中添加植酸钙镁，可使5’-P-二酯酶产量增加10-20倍。

(3）通过基因重组提高酶的产量2.1.4.3其他提高酶产量的方法第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用酶的使用目的不同，要求的纯度不同。一般工业上用的酶制剂用量大，纯度不高。但不同的工业用酶的纯度也不一样，如工业上销售的a-淀粉酶，用于食品工业和用于织物退浆其纯度质量差别甚大；同样用于皮革工业和食品工业的蛋白酶其纯度和质量要求也相差甚远。酶的应用如生化试剂、分析工具、静脉注射等需用纯化的酶。2.2酶的分离纯化第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用酶的分离提纯包括三个基本的环节：抽提，即把酶从材料转入溶剂中来制成酶溶液；纯化，即把杂质从酶溶液中除掉或从酶溶液中把酶分离出来；制剂，即将酶制成各种剂型。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用根据酶本身的特征，在分离纯化工业中必须注意下列问题。

(l）要注意防止酶变性失活。

除少数情况外，所有操作必须在低温下进行，特别是有机溶剂存在时更要特别小心；大多数酶在pH<4或pH>l0的条件下不稳定，故不能过酸过碱；酶溶液常易在表面上形成泡沫而变性，故应防止泡沫的形成；重金属能引起酶失效，有机溶液能使酶变性，微生物污染、蛋白酶使酶分解，都必须予以防止。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用(2）酶的分离纯化的目的是将酶以外的所有杂质尽可能除去，因此在不破坏酶所需的条件下，可使用各种“激烈”的手段，此外，由于酶和它的底物、抑制剂等具有亲和性，当这些物质存在时，酶的理化性质和稳定性又会发生一定的变化，从而提供了更多可供采用的条件和方法。

(3）通过检测酶活性，跟踪酶的来龙去脉，为选择适当方法和条件提供了直接依据。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用3化学修饰酶与化学人工酶(自学）p185-p1954固定化酶固定化酶（immoblizedenzyme）是20世纪60年代开始发展起来的一项技术。最初主要是将不溶性酶与水不溶性载体结合起来，成为不溶于水的酶的衍生物，所以曾叫做“水不溶酶”

后来发现，也可以将酶包埋在凝胶内或置于超滤装置中，高分子底物与酶在超滤膜一边，而反应产物可以透过膜逸出，在这种情况下，酶本身仍是可溶的，只不过是固定在一个有限的空间内不再自由流动罢了。1971年第一届国际酶工程会议上，正式建议采用“固定化酶”这一名称。20世纪60年代起，固定化酶研究的发展很快。初期，集中于各种制备方法的研究，近年，转向固定化酶和固定化细胞在工业、医学、化学分析、亲和层析和环境保护、能源开发等方面的应用研究。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用固定化酶（immobilized

enzyme）：酶本身还是溶于水的，只是是用物理的或化学的方法使酶与水不溶性大分子载体结合或把酶包埋在载体中，使得酶在水不溶性凝胶或半透膜的微囊体中从而导致流动性降低。酶固定化后一般稳定性增加，易从反应系统中分离，且易于控制，能反复多次使用。便于运输和贮存，有利于自动化生产。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用固定化酶与水溶性酶相比，具有下列优点：①极易将底物、产物分开；②可以在较长时间内进行反复分批反应和装柱连续反应；③在大多数情况下，可以提高酶的稳定性；④酶反应过程可以加以严格控制；⑤产物中没有酶的残留，简化了工业设备；⑥较水溶性酶更适合于多酶反应；⑦可以增加产物的收得率，提高产物的质量；⑧酶使用效率提高，成本降低。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用固定化酶在使用中存在如下的缺点：①固定化时，酶活力有损失；②增加了固定化的成本，工厂初始投资大；③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；④与完整菌体比，不适于多酶反应，特别是需要辅因子的反应；⑤胞内酶必须经过酶的分离手续。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用4.1酶的固定方法酶的固定方法有下述四种，即吸附法、共价键结合法、交联法、包埋法。A.吸附法物理吸附法

通过氢键和π电子亲和力等物理作用，将酶固定在水不溶载体上的方法。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用常用的载体：无机吸附剂如高岭土、硅藻土、硅胶、磷酸钙胶、微孔玻璃等。无机吸附剂吸附容量低，一般小于lmg蛋白/g吸附剂，还易发生解吸。有机吸附剂有纤维素、骨胶原、赛璐玢、火棉胶等。吸附容量可达70mg蛋白/cm2

膜。物理吸附法制成的固定化酶，酶活力损失少，但酶易脱落很少实用价值。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用离子吸附法

离子吸附法是将酶同含有离子交换剂的水不溶性载体相结合。酶吸附较牢固，在工业上用途很广。常用载体有：①阴离子交换剂DEAE（二乙氨基乙基）-纤维素、ECTEOLA-（混合氨类）-纤维素、TEAE（四乙氨基乙基）-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶等；②阳离子交换剂如CM-纤维素、纤维素-柠檬酸等。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用B.包埋法将聚合物单体和酶溶液混合，再借助于聚合促进剂（包括交联剂）的作用进行聚合，使酶包埋于聚合物中以达到固定化。合成的高聚物：聚丙烯酰胺、聚氯乙烯、聚乙烯、光敏树脂、尼龙、醋酸纤维等。天然高聚物：卡拉胶、海藻酸、角叉菜胶、明胶、胶原、琼脂、大豆蛋白等。此法由于酶分子仅仅是被包埋，未受到化学反应，故酶活力高，但此法对作用于大分子底物不适宜。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用

聚丙烯酰胺凝胶包埋法:将1mL酶液，加人含有750mg丙烯酞胺单体和40mg甲叉丙烯酸胺（交联剂)的3mL溶液中，再加人0.5mL的5％二甲氨基丙腈（加速剂）,加人1％过硫酸钾作为引发剂，混合23℃保温10min。此凝胶孔径为1-4nm。卡拉胶包埋法:卡拉胶是由角叉菜（一种红色海藻）提取的一种多糖。将100mg酶在37-50℃溶于蒸馏水中。又将1.7g卡拉胶在40-60℃溶于34mlL生理盐水中，混合后，冷却到10℃，使凝胶化，后浸在0.3mol/LKCL溶液中，做成颗粒即为固定化酶。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用大豆蛋白质包埋法:将酶放在大豆蛋白溶液中，在6℃用碳酸镁处理使其凝结、过滤、作成粒状，干燥，取后用戊二醛或六甲叉二胺处理，使其硬化。微胶囊法

它是将酶包埋于半透性聚合体胶内，形成微囊，直径为1-100um，如Asn酶，此酶供医疗之用。界面聚合法液体干燥法分相法液膜法第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用C.共价结合法

是指将酶与聚合物载体以共价键结合的酶的固定方法。

酶与载体共价结合的功能基团

①氨基、②羧基、③酚基、Tyr的酚环；④巯基、⑤羟基、⑥咪唑基、⑦吲哚基。常见的包括-NH2、-COOH、Tyr、His的芳香环。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用偶联反应

选择什么偶联反应取决于载体的功能基团和酶分子上的非必需基团。重氮化反应异硫氰酸酯反应溴化氢-氨碳酸基反应芳香烃化反应叠氮反应酸酐反应缩合反应金属偶联反应第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用重氮化反应第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用D.交联法

利用双/多功能试剂在酶分子间或酶与载体间，或酶与惰性蛋白间进行交联反应以制备固定化酶。常用交联剂：戊二醛、苯基二异硫氰酸酯、双重N联苯胺-2,2‘-二磺酸、甲苯-2-异氰-4-异硫氰等，其中戊二醛用得最多。

交联反应可以发生在酶分子之间，也可以发生在酶分子内部，酶浓度低发生在酶分子内部，高酶浓度下分子间交联比例上升形成固定化酶后往往为不溶态。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用交联法第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用各种固定化酶方法的比较第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用4.2固定化酶的性质A.固定化对酶反应系统的影响

固定化对酶活性和酶反应系统的影响十分复杂，常因酶的种类、反应系统的组成，特别固定的方法以及载体不同而显著不同。为了使问题简化，通常都要做两个共同的假设：

(l）酶在载体表面上或在多孔介质内的分布完全均匀。

(2）整个系统各向同性。

在上述条件下，固定化酶对酶反应体系的影响可概括为如下三种类型：

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用1构象改变和立体屏蔽效应

构象改变指酶在固定化过程中，酶与载体的相互作用引起酶活力中心或变构中心的构象发生变化，从而导致酶活性下降。这种效应，难以定量描写，也难以预测，通常出现于吸附法和共价偶联法。立体屏蔽效应由于载体的空间大小，或是由于固定方法与位置的不同，对酶的活性中心或者是调节中心造成空间障碍，因而与效应物无法接触，从而影响酶活性。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用2微环境影响

微环境是指紧邻固定化酶的环境区域。由于载体的亲水、疏水性质和介质的介电常数等直接影响酶的催化效率或者是酶对效应物作出反应的能力。通常可以通过改变载体与介质的性质可作出判断和调节。3分配效应与扩散效应，与微环境密切相关

分配效应由于固定化载体的亲水和疏水性质使酶的底物、产物以及其他效应物在微环境与宏观体系间发生了不等分配，改变了酶反应系统的组成平衡，从而影响了反应速度。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用B.固定化对酶稳定性的影响大多数酶在固定化以后，有较高的稳定性和较长的有效寿命，其原因是：①固定化增加了酶结构型的牢固性程度；②阻挡了不利因素对酶的侵袭；③限制了酶分子的相互作用。但固定化如果触及到酶的敏感区域。也可能导致稳定性下降。增加热稳定化增强对变剂性、抑制剂的抵抗能力固定化减轻蛋白酶的破坏作用半衰期延长

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用

固定化酶法生产果葡糖浆

果葡糖浆是一种以果糖和葡萄糖为主要成分的混合糖浆，国际上按果糖含量及其发展分为三代：第一代果葡糖浆含42％的果糖，其它成分为葡萄糖53%，低聚糖5%，浓度为70％一72%，甜度与蔗糖相同；第二代果葡糖浆含果糖55%，葡萄糖40%，低聚糖5%，浓度为76％一78%，甜度约为蔗糖的1.1倍；第三代果葡糖浆含果糖量在90％以上，低聚糖3%，浓度为79％一80%，其甜度为蔗糖的1.4倍。此外有的国家还生产果糖，纯度为97％以上的结晶果糖。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用5酶反应器

酶反应器是利用游离酶、或固定化酶将底物转化成产物的装置。根据使用对象的不同，可以分为游离酶反应器、固定化酶反应器。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用5.1固定化酶反应器的类型及其特点A.间歇式搅拌罐间歇式酶反应器。分为搅拌罐反应器(BSTR)以及搅拌式反应罐。它是由容器、搅拌器的恒温装置组成的。酶的底物一次性加入反应器，而产物一次性取出。反应完成，将固定化酶滤出，再转入下一批反应。优点，反应器结构简单，造价较低；由于搅拌使内容物混合均匀；反应温度和pH值易于控制；传质阻力小，反应能迅速达到稳态；能处理难溶底物或胶状底物，适用于受底物抑制的酶反应。缺点，反应效率较低，搅拌动力消耗大，搅拌桨的剪切易使固定化酶颗粒受到磨损、破碎，容易造成酶失活，游离酶不能回收。不适用于大规模工业生产。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用B.连续式搅拌罐

向反应器投人固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速补充新鲜底物溶液，以相同流速输出反应液。优点，不需要将固定化酶滤出，因而操作较简便。缺点，反应效率较低，搅拌动力消耗大，搅拌桨的剪切力易使固定化酶颗粒遭到破坏。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用连续式搅拌罐第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用

C.固定床反应器

又称为填充床反应器（packedbedreactor,PBR）。将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的固定床。底物溶液以一定的方向和流速不断地流进固定床，产物从固定床出口不断地流出来。在固定床横切面上，液体流体流动速度完全相同，沿液体流动方向，底物浓度和产物浓度都是逐渐变化的。但是，在同一横切面上，无论是底物浓度，还是产物浓度都是一致的。因此，可以把PBR看成是一种平推流型反应器或称活塞流反应器。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用优点是：可以使用高浓度的生物催化剂，反应效率较高；由于产物不断流出，可以减少产物对酶的抑制作用；结构简单，容易操作，适用于大规模工业生产。它适用于各种形状的固定化酶和不含固定颗粒、黏度不大的底物溶液，以及有产物抑制和转化反应。缺点是：传质系数和传热系数较低；由于床内压力降相当大，底物溶液必须在加压下才能流人柱床内；床内有自压缩倾向，容易堵塞；更换固定化酶较麻烦。当底物溶液含固体颗粒或黏度很大时，不宜采用PBR。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用固定床反应器第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用D.流化床反应器（fluidizedbedreactor,FBR)特点是底物溶液以较大的流速，从反应器底部向上流过固定化酶柱床，从而使固定化酶颗粒始终处于流化（浮动）状态。优点是：流动方式使反应液混合比较充分，进而使传质、传热情况良好；对温度和pH值的调控及气体的供给都比较容易；柱床不易堵塞，可用处理粉末状底物或黏度大的底物溶液；即使应用细颗粒固定化酶，压力降也不会很高。缺点是：需要保持较大的流速，运转成本较高，难以放大；固定化酶处于流动状态，易使酶颗粒磨损；流化床的空隙体积大，使酶浓度不高；底物溶液高速流动，易使固定化酶冲出反应器外，从而降低了产物转化率。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用厌氧流化床气提式生物流化床第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用

E.膜型反应器

由膜状或板状的固定化酶所组装的反应器，均称膜型反应器。

含酶的膜是半透性，只允许小分子的底物和产物通过膜，而大分子酶则不能通过。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用6酶传感器酶传感器是生物传感器的一种，在固定化酶的催化作用下，利用生化反应所产生的或消耗的物质的量，通过电化学装置转换成电信号，进而选择性地测定出某种成分的装置。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用7食品酶工程的应用7.1改进啤酒工艺，提高啤酒质量

传统的啤酒生产主要依靠麦芽中的α、β一淀粉酶的水解作用，生成麦芽糖，进而发酵过滤等，又称全麦啤酒。传统的生产过程缓慢，效率低，难以适应现代化的要求，正逐步向外加酶制剂的方向发展。多种酶的添加成为现代啤酒技术进步的一个标志。。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用A.固定化生物催化剂酿造啤酒新工艺

B.固定化酶用于啤酒澄清前苏联专家把酵母细胞镶嵌在陶瓷或聚乙烯材料的环形载体上进行啤酒发酵，发酵周期缩短到2d，鲜啤酒的理化指标均可达标，产量比传统增加2一2.5倍。

啤酒中含有多肽和多酚物质，在长期放置过程中，会发生聚合反应，使啤酒变混浊。在啤酒中添加木瓜蛋白酶等蛋白酶，可以水解其中的蛋白质和多肽，防止出现混浊。但是，如果水解作用过度，会影响啤酒泡沫的保持性。研究用固定化木瓜蛋白酶来处理啤酒，既可克服蛋白酶的这一缺陷，又可防止啤酒的混浊。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用C.添加蛋白酶和葡萄糖氧化酶，提高啤酒稳定性添加蛋白酶提高啤酒稳定性添加葡萄糖氧化酶，提高啤酒稳定性和保质期通过蛋白酶来降解啤酒中的蛋白质，提高啤酒稳定性。目前主要采用添加菠萝蛋白酶和木瓜蛋白酶，加入方式多数是在成熟啤酒过滤之前，与酒液混合进过滤机，或者直接加入清酒罐中。氧化作用是促使啤酒混浊的重要因素。葡萄糖氧化酶的存在可以去除啤酒中的溶氧和成品酒中瓶颈氧，是阻止啤酒氧化变质、防止老化、保持啤酒原有风味、延长保质期的一项有效措施。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用D.β-葡聚糖酶提高啤酒的持泡性成品啤酒中序葡聚糖含量超标，容易形成雾浊或凝胶沉淀，严重影响产品质量。在生产中常因发芽欠佳而导致β-葡聚糖超标。添加β-葡聚糖酶来降低β-葡聚糖含量，保障糖化和发酵的正常进行，提高啤酒的持泡性和稳定性。E.降低啤酒中双乙酰含量在啤酒生产中，双乙酰的形成与消除直接影响啤酒成熟和发酵周期。一般成品啤酒的双乙酞含量不得超过0.lmg/L，否则会使啤酒带有不愉快的馊味。a一乙酞乳酸脱梭酶可使a一乙酞乳酸转化为3一经基丙酮，改变了a一乙酞乳酸转化途径，从而有效地降低啤酒中双乙酞的含量，加快啤酒的成熟。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用F.改进工艺，生产干啤酒与普通啤酒相比，干啤酒（drybeer）具有发酵度高、残糖低、热量低、干爽及饮后无余味等特点。随着人们生活水平的不断提高，干啤酒越来越受欢迎，已成为目前国际市场上的新潮饮品。生产干啤酒，要求提高发酵度，降低残糖。提高发酵度主要通过提高麦汁可发酵糖的含量或选育高发酵度的菌种。通过添加a一淀粉酶、异淀粉酶、糖化酶、普鲁兰酶等酶制剂，可以提高发酵度，酿造干啤酒。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用干啤酒又称为低热值啤酒，或低糖啤酒，属于不甜、干净、在口中不留余味的啤酒，实际上是高发酵度的啤酒，口味清爽的啤酒新品种。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用7.2改进果酒、果汁饮料的生产工艺

橘苷酶可用于分解柑橘类果肉和果汁中的柚皮苷，以脱除苦味；橙皮苷酶可使橙皮苷分解，能有效地防止柑橘类罐头制品出现白色浑浊；果胶酶可用于果汁和果酒的澄清；纤维素酶可将传统加工中果皮渣等废弃物综合利用，促进果汁的提取与澄清，提高可溶性固形物含量。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用果汁提取果汁生产中果胶酶的应用

在浑浊果汁内加入果胶裂解酶（PL）并轻轻搅拌，在酶作用下，不溶性果胶渐渐凝聚成絮状物析出，从而可以获得清澈的琥珀色苹果汁。有的苹果因果肉柔软难以压出果汁，但添加PL能大大促进果汁的提取。

果汁澄清新压榨出来的果汁不黏度大，而且浑浊。加果胶酶澄清处理后，使果汁得以快速澄清、易于过滤。0.1%的果胶酶与0.1％的纤维素酶结合使用，效果更好。有些果汁含较多淀粉，为了防止果汁由于淀粉的存在出现浑浊，可用淀粉酶进行澄清处理。果酒澄清、过滤第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用7.3食品保鲜

常见的保鲜技术主要有添加防腐剂或保鲜剂和冷冻、加热、干燥、密封、腌制、烟熏等。随着人们对食品的要求不断提高和科学技术的不断发展，一种崭新的食品保鲜技术―酶法保鲜正在崛起。酶法保鲜的原理是利用酶的催化作用，防止或消除外界因素对食品的不良影响，在较长时间内保持食品原有的品质和风味。目前应用较多的是葡萄糖氧化酶和溶菌酶的酶法保鲜。第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用A.利用葡萄糖氧化酶保鲜

葡萄糖氧化酶（glucoseoxidase）是一种氧化还原酶，它可催化葡萄糖与氧反应，生成葡萄糖酸和双氧水，有效地防止食品成分的氧化作用，起到食品保鲜作用。葡萄糖氧化酶可以在有氧条件下，将蛋类制品中的少量葡萄糖除去，而有效地防止蛋制品的褐变，提高产品的质量。

第五章酶工程原理及其在食品工业中的应用食品的除氧保鲜

食品在运输、储藏保存过程中，氧的存在容易引发色、香、味的改变。如油脂的酸败，水果蔬菜及草毒酱、苹果酱、肉类等变色，影响商品质量。葡萄糖氧化酶可有效防止氧化的发生。葡萄糖氧化酶可直接加入到啤酒及果汁、果酒和水果罐头中，不仅起到防止食品氧化变质的作用，还可有效防止罐装容器的氧化腐蚀。含有葡萄糖氧化酶的吸氧保鲜袋也已在生产中得到广泛应用。蛋类制品的脱糖保