酶工程的应用论文09687.doc

毕 业 设 计（论文）（说 明 书）题 目：酶工程的应用 目 录一、论文摘要3二、酶工程的应用4 1.酶工程的基本概念和技术 42.在食品领域的应用4 3.在医药领域的应用5 4.结语6三、参考文献7一摘要 简要论述了酶的基本相关概念及酶工程技术,如酶的固定化技术的概念、性质及应用。同时介绍了酶工程与食品和医药等方面的应用，并对酶工程的一些发展前景作出展望。关键词： 酶 酶工程 应用二酶工程的应用1. 酶工程的基本概念和技术酶工程主要指天然酶制剂在工业上的大规模应用,由4 个部分组成:酶的产生、酶的纯化、酶的固定化、生物反应器1. 1 酶的产生酶是生物细胞原生质合成且具有高度催化活性的蛋白质。因其来源于生物体，故通常称为生物催化剂。世界酶制剂工业从19世纪末诞生，二次世界大战后抗生素工业的通风搅拌发酵技术的利用，使微生物酶制剂工业得到迅速发展。而20世纪后期遗传工程蛋白质工程等现代生物技术的研究成果，则促使世界酶制剂工业持续地高速发展，成为生物工程4大主导产业中最早产业化的高技术产业。由于生物酶催化的优越性，对应用产业在开发新品种。提高质量、节约原料和能源。降低成本、保护环境方面产生巨大的经济效益和社会效益，所以，这一产业的发展受到我国政府的高度重视。酶具有改善食品品质和加工性能，酶在食品工业中的应用日益深入和广泛，极大地促进了酶制剂工业的发展。酶的来源及其性质也关乎食品质量安全，特别是随着生物技术的发展，通过基因工程手段改造部分微生物的基因，从而改变酶蛋白的基本结构，达到强化酶在某方面功能特性目的的酶的生产是各种生物技术优化与组合的过程。分为生物提取法、生物合成法和化学合成法三种,其中生物提取法是最早采用而沿用至今的方法,生物合成法是20 世纪60 年代以来酶生产的主要方法,而化学合成法至今仍处在实验室研究的阶段2 。提取分离法是采用各种提取、分离、纯化技术从动物、植物、器官、细胞或微生物细胞中将酶提取出来。生物合成法是利用微生物细胞、植物细胞或动物细胞的生命活动而获得人们所需酶的技术过程。化学合成法因其成本高,而且只能合成那些已经弄清楚其化学结构的酶,所以这种方法难以工业化生产。1. 2 酶的纯化酶的提纯手段一般都是依据酶的分析大小、形状、电荷性质、溶解度、专一结合位点等性质而建立的。要得到纯酶,一般需要将各种方法联合使用。最常用的纯化方法有根据溶解度特性的沉淀法;根据电荷极性的离子交换层析、等电点聚焦电泳等;根据大小或重量的离心分离、透析、超滤等;根据亲和部位的亲和层析、共价层析等。1. 3 酶的固定化技术酶是由生物体产生的具有催化活性的蛋白质,它能特定地促成某个化学反应而本身却不参加反应,具有反应效率高、条件温和、反应产物污染小、能耗低、反应容易控制等特点。这是任何无机催化剂都无法比拟的优点。但因为酶的化学本质是蛋白质,其最大弱点是不稳定性,对酸、碱、热及有机溶液容易发生酶蛋白的变性作用,从而降低或失去活性。而且酶往往在溶液中进行反应,反应以后会残留在溶液系统中不易回收,造成最终产品生化分离提纯操作上的麻烦。加之酶反应只能分批进行,难于连续化、自动化操作,这大大地阻碍了酶工程的发展应用。为克服上述缺点,要将游离酶固定化后进行应用。固定化酶技术是把从生物体内提取出来的酶,用人工方法固定在载体上。由于固定化酶的运动被化学或物理的方法限制了,能将其从反应介质中回收,所以它原则上能在批量操作或连续操作中重复使用酶。固定化酶技术是酶工程的核心,它使酶工程提高到一个新水平。固定化酶具有如下性质:酶的稳定性提高;最适pH 值改变;酶的活性和催化底物有所变化;最适温度有所提高。酶固定化处理后一般稳定性有较大提高,对温度适应范围增大,对抑制剂和蛋白酶的敏感性降低;反应完成后可通过简单的方法回收酶,酶活力降低不多,这样可使酶重复使用,同时由于酶没有游离到产品中,便于产品的分离和纯化;实现批量或连续操作模型的可能,适于产业化、连续化、自动化生产。1.4 酶催化技术 传统的酶催化反应主要在水相中进行，但自1987年Kilibanov等3用脂肪酶粉或固定化酶在几乎无水的有机溶剂中成功地催化合成了肽以及手性的醇、脂和酰胺以来，对酶在非水相介质的催化反应技术的开发及研究报道迅速增加，特别在手性药物的不对称合成及手性药物拆分的生物技术开发中得到了很多应用。目前非水相中的酶催化技术已衍生出以下几类体系：水与有机溶剂的互溶均相体系；水与有机溶剂形成的两相或多相体系；单相有机溶剂体系；反胶束体系；超临界液体；低温体系等。不同的介质体系都有各自的适用范围，研究在不同介质中的酶催化反应动力学及热力学平衡以及酶催化机制将对某一特定催化反应所需介质的筛选和使用起到十分重要的指导意义，樊可可和欧阳平凯在两相体系酶催化反应介质的选取方面做了很多的实验及理化研究，已初步归纳出经实验验证行之有效的两相体系中酶促肽键合成反应介质的筛选原则。2.酶工程在食品领域的应用2.1 酶的固定化技术的应用2.1.1 固定化葡萄糖异构酶在高果糖浆生产中的应用固定化葡萄糖异构酶是世界上生产规模最大的一种固定化酶,1973 年就已应用在工业化生产,它可以用来催化玉米糖浆和淀粉生产高甜度的高果糖糖浆4 。用淀粉生产高果糖浆包含三步: (1)用淀粉酶液化淀粉; (2) 用糖化酶将其转化为葡萄糖,即糖化; (3) 用葡萄糖异构酶将葡萄糖异构为果糖。2. 1.2 固定化酶用于水解牛奶中的乳糖牛奶中含有4. 3 %4. 5 %的乳糖。患乳糖酶缺乏症的人饮用牛奶后将导致不良后果。用乳糖酶可以将乳糖分解为组成乳糖的两个单糖: 半乳糖和葡萄糖。用固定化乳糖酶反应器可以连续处理牛奶,将乳糖分解,用于连续化生产低乳糖奶。该技术已于1977年实现工业化。此外,乳糖在温度较低时易结晶,用固定化乳糖酶处理后,可以防止其在冰淇淋类产品中结晶,改善口感,增加甜度。固定化乳糖酶还可以用来分解乳糖,制造具有葡萄糖和半乳糖甜味的糖浆。2. 2果蔬加工中的应用水果蔬菜加工中最常用的有果胶酶,纤维素酶,半纤维素酶,淀粉酶,阿拉伯糖酶等。其中果胶酶已成为许多国家果汁、蔬菜汁加工的常用酶之一。利用果胶酶可以明显提高果汁澄清度,增加果汁出汁率,降低果汁相对黏度,提高果汁过滤效果。果胶酶主要由滋生物来生产,人们通过一系列诱变育种技术,可以筛选优良菌种3 。随着人们对天然健康食品的不断需求,近年来,采用果胶酶和其他的酶(如纤维素酶等) 处理可以大大提高出汁率,简化工艺步骤,并且可制得透明澄清的蔬菜汁。再经过种种调配就可以制成品种繁多的饮料食品,如胡萝卜汁,南瓜汁,番茄汁,洋葱汁饮料等。葡萄糖氧化酶可用于果汁脱氧化,国内外对其生产及固定化方法进行了深入的研究。特别是近年来,随着葡萄糖酸钙,葡萄糖酸锌,葡萄糖酸铁等葡萄糖酸系列产品的兴起,需求日益增加,因而开发性能优良的固定化葡萄糖氧化酶用以氧化葡萄糖生产葡萄糖酸具有实际意义。 3. 酶工程在医药领域的应用3.1 酶的固定化技术在医药领域的应用 酶的蛋白质属性，进人人体后产生免疫反应，因稀释效应，而无法集中于靶器官组织，常不能保持最适合的治疗浓度，而固定化酶则很好的克服了游离酶的这些缺点，应用于治疗镁缺乏症、代谢异常症及制造人工内脏方面，如固定化L-天冬酰胺酶用于治疗白血病。葡萄糖氧化酶被固定化在纳米微带金电极上可用于活体检测的微生物传感器2。固定化酶技术可用于治疗一些代谢障碍疾病。已知人类关于新陈代谢的疾病已过120余种，很多病因归结为人体缺乏某种酶的活性，一种可能的治疗方法就是通过某种方式给病人提供他所缺乏的酶。其提供的方式主要有：将固定化酶用于体内作为治疗药物；将固定化酶组装成体外生物反应器，通过体外循环作为临床治疗剂。将固定化酶用于临床诊断的例子很多，如各种酶测试盒层出不穷，采用固定化酶柱反应器的FIA(流动注射法)可用于临床诊断检测尿酸、葡萄糖、氨、尿素、胆甾醇、谷氨酸、乳酸、无机磷等。3.2 酶催化技术在医药领域的应用 应用酶催化技术可以生产许多成品药及医药中间体。它是通过以制造初级代谢产物、中间代谢产物、次级代谢产物及催化转化和拆分等形式来进行的。这已成为当今新药开发和改造传统制药工艺的重要手段，特别在手性药物及中间体的生产中更有广泛的应用前景。以下重点介绍几个制药领域中酶催化技术的应用：生产医药用的氨基酸（如L-丙氨酸）、有机酸（柠檬酸、L一苹果酸、L-酒石酸）、抗生素（如6一氨基青霉烷酸、氨苄青霉素和羟氨青霉素）、肽类药物（如胰岛素、环孢菌素A）以及广泛应用于多种维生素(VB2、VB12)、甾体药物(氢化可的松、脱氢泼尼松、睾丸激素等)及核苷酸类药物(5-核苷酸，3-核苷酸)等的生产。结语 现在已知的酶的酶有几千种，但是还远远不能满足人们对酶日益增长的需要。随着科技的发展，人们正在发现更多、更好的酶。其中，令人瞩目的有核酸酶和抗体酶、端粒酶、糖生物学和糖基转移酶和极端环境微生物和不可培养微生物的新酶种，此外，新的固定化、分子修饰和非水相催化等技术越来越受到人们关注。伴随着人类基因组计划取得的巨大成果，基因组学和蛋白质组学的诞生，生物信息学的兴起，以及DNA重排技术的发展，预期在不久的将来，众多新酶的出现将使酶的应用达到前所未有的广度和深度。 可以预计,随着各种高新技术的广泛应用及酶工程研究工作的不断深入,酶工程研究和酶制剂工业必将取得更快、更大的发展。可以相信,将来人们可以用化学的方法随心所欲地构造出各种性能优异的人工合成酶和模拟酶,而且还可以采用生物学方法在生物体外构造出性能优良的产酶工程菌为生产和生活服务,酶工程技术必将在工业、医药、农业、化学分析、环境保护、能源开发和生命科学理论研究等各个方面发挥越来越大的作用。三、参考文献1 张斌,金莉. 固定化酶及其在食品中的应用J . 中国食品添加剂,2006 (1) :147 - 151.2 袁勤生,赵健. 酶与酶工程M . 上海:华东理工大学出版社,2005.3 唐忠海,饶力群. 酶工程技术在食品工业中的应用J . 食品研究与开发,2004 ,25 (4) :10 - 14.4 陈红霞. 酶工程研究及应用J . 化学