酶的产生和在生活中的重要用途 黄伟

1、酶的产生和在生活中的重要用途Enzyme production and important purpose in life 食品系 Department of Food Science 生物工程（一）班 Bioengineering (a) classes 姓名Name：黄伟Huang Wei 学号 Student ID：15 指导老师Guidance teacher 王娣 【摘要】Abstract：酶的生产和应用的技术过程称为酶工程。其主要任务是通过预先设计,经人工操作而获得大量所需的酶,并利用各种方法使酶发挥其最大的催化功能。本文意在阐述近年来酶工程在分子水平的研究进展,展示酶工程在医药、

2、农业、食品、环境保护等领域的应用进展,并对其未来前景进行了展望。(Enzyme production and application of the process is called enzyme engineering. Its main task is to get a large number of enzymes required for the pre-designed manual and the enzyme using a variety of methods to maximize its catalytic function. This article is intende

3、d to elaborate enzyme engineering in recent years, the research progress in the molecular level, to show the progress of the enzyme works in the fields of medicine, agriculture, food, environmental protection, and its future prospects.)【关键词】Keyword: 生物催化剂Biocatalyst、固定化酶 immobilized enzyme、酶促反应the e

4、nzymatic reaction、酶反应器、enzyme reaction底物the substrate、酶的应用the application of the enzyme、能源开发energy development目录： 1.1 酶的简介 1.2 酶的固定 1.2.1 固定化 1.2.2 固定化酶的定义 1.3 固定化酶的特点及不足 1.4 固定化的方法 1.5 固定化酶的作用 2.1 固定化酶反应器 2.1.1 酶反应器 2.1.2 酶反应器的分类 2.1.3 酶反应器的选择 3.1 酶工程的应用 3.1.1 酶工程在食品、化工、医药、检测 的应用 3.1.2 酶工程在科研领域的用途

5、4.1 酶工程的前景1.1 酶的简介酶（enzyme）, 早期是指in yeast 在酵母中的意思, 指由生物体内活细胞产生的一种生物催化剂。大多数由蛋白质组成（少数为RNA）。能在机体中十分温和的条件下，高效率地催化各种生物化学反应，促进生物体的新陈代谢。生命活动中的消化、吸收、呼吸、运动和生殖都是酶促反应过程。 酶是细胞赖以生存的基础。细胞新陈代谢包括的所有化学反应几乎都是在酶的催化下进行的。如哺乳动物的细胞就含有几千种酶。它们或是溶解于细胞液中，或是与各种膜结构结合在一起，或是位于细胞内其他结构的特定位置上。这些酶统称胞内酶；另外，还有一些在细胞内合成后再分泌至细胞外的酶胞外酶。 1.2

6、 酶的固定化(immobilized enzyme) 1.2.1 固定化 固定化:英文名immobilized; immobilization; 所谓固定化是指用物理或化学方法使酶成为不溶性衍生物或使细胞成为不易从载体上流失的形式制成生物反应器用以催化生化反应、细胞数量的增殖等。 它包括固定化酶技术和固定化细胞技术。固定化细胞载体主要可分为两大类, 一类是无机载体, 如硅藻土、活性炭等;另一类是有机载体, 又可分为两种, 一种为天然高分子凝胶载体, 如琼脂、角叉莱胶和海藻酸钙等, 它们无生物毒性, 传质性好, 但强度低, 在厌氧条件下易被生物分解。另一种是有机合成高分子凝胶载体, 如聚丙烯酰铵

7、(ACRM) 凝胶、聚乙烯醇( PVA) 凝胶等, 一般强度较好, 但传质性能较差, 包埋后对细胞活性有影响。1.2.2 固定化酶的定义 水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水的但仍具有酶活性的一种酶的衍生物。在催化反应中以固相状态作用于物。 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其中，使得酶在水中溶性 凝胶或半透膜的微囊体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，但是活性降低，使用范围减小，技术还有发展空间。固定化酶是近十余年发展起来的酶应用技术，在工业

8、生产、化学分析和医药等方面有诱人的应用前景。1.3 固定化酶的特点及不足固定化酶的特点固定化酶的最大特点是既有生物催化剂的特点，又具有固定催化剂的特性。与天然酶相比，固定化酶具有以下优点：（1）同一批固定化酶能在工艺流程中重复多次地使用； （2）固定化后，和反应物分开，有利于控制生产过程，同时也省去了热处 理使酶失活的步骤； （3）稳定性显著提高； （4）可长期使用，并可预测衰变的速度； （5）提供了研究酶动力学的良好模型。 固定化酶的不足但是，固定化酶也带来了一些问题和缺点，具体如下：1、固定化酶所用载体与试剂较贵、成本高、工厂投资大，加上固定化过程中酶活力有损失，即酶活力回收率低，更增加了

9、工业化生产的投资困难。如果用胞内酶进行固定化，还要增加酶的分离成本。固定化酶在长期使用后，因染杂菌，酶的渗漏，载体降解以及其它错误操作，也会致使酶失活。 2、固定化酶一般只适用于水溶性的小分子底物；大分子底物常受载体阻拦，不易接触酶，致使催化活力难以发挥。 3、目前固定化酶尚限于单级反应，多酶反应，特别是需要辅因子的固定化酶技术，还有待开发。1.4 固定化的方法自20世纪60年代以来，人们就一直对酶的固定化技术进行研究和改进，开发和应用了上百种固定化方法进行酶的固定化，但迄今为止，还没有一种固定化方法可以普遍地使用于各种各样固定化方法，但按所用载体和操作方法的差异，主要有以下四类： 1 吸附法

10、 :利用各种吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面上而使酶固定的方法。 常用吸附剂有活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃等。 采用吸附法固定酶，其操作简便、条件温和，不会引起酶边形或失活，且载体廉价易得，可反复使用。 2包埋法 :酶被裹在凝胶的细格子中或被半透性的聚合物膜包围而成为格子型和微胶囊型两种。优点酶包埋在聚合物中不易漏出;操作条件温和、对外界环境的缓冲作用大，可防止酶体的机械损伤,易于再生,产物分离提取容易。 3共价结合法 (属化学法中的结合法)即酶蛋白的非必需基团通过共价键和载体形成不可逆的连接。共价结合法酶与载体之间结合紧密，不易脱落，稳定性好，但反应条件激烈，操作复杂，控制条件

11、苛刻，活力损失较大 4交联法 依靠双功能团试剂使酶分子之间发生交联凝集成网状结构，使之不溶于水从而形成固定化酶，此法制备的细胞与载体结合紧密，但制备麻烦，活力损失较大。【1】四种固定化酶制备方法的特点小结: 制法 特性物理吸附包埋法共价结合法共价交联法制备易易难难结合力弱强强强酶活力高高中中底物专一性无变化无变化有变化有变化再生可能不可能不可能不可能固定化费用低中高中1.5 固定化酶的作用固定化酶的研究始于1910年,正式研究于20世纪60年代,70年代已在全世界普遍开展。酶的固定化(Immobilization of enzymes)是用固体材料将酶束缚或限制于一定区域内,仍能进行其特有的催

12、化反应、并可回收及重复利用的一类技术。与游离酶相比,固定化酶在保持其高效专一及温和的酶催化反应特性的同时,又克服了游离酶的不足之处,呈现贮存稳定性高、分离回收容易、可多次重复使用、操作连续可控、工艺简便等一系列优点。固定化酶不仅在化学、生物学及生物工程、医学及生命科学等学科领域的研究异常活跃,得到迅速发展和广泛的应用,而且因为具有节省资源与能源、减少或防治污染的生态环境效应而符合可持续发展的战略要求。2.1 固定化酶反应器2.1.1 酶反应器由于固定化技术的发展，使酶可以和一般催化剂一样反复作用。同时，固定化细胞可以代替某些发酵过程。这样，酶反应器技术应运而生。酶反应器是根据酶的催化特性而设计

13、的反应设备。其设计的目标就是生产效率高、成本低、耗能少、污染少，以获得最好的经济效益和社会效益。 2.1.2 酶反应器的分类酶反应器有两种类型：一类是直接应用游离酶进行反应，即均相酶反应器；另一类是应用固定化酶进行的非均相酶反应器。酶反应器的种类很多，大致可根据催化剂的形状来选用。粒状催化剂可采用搅拌罐、固定化床和鼓泡塔式反应器，而细小颗粒的催化剂则宜选用流化床。对于膜状催化剂，则可考虑采用螺旋式、转盘式、平板式、空心管人膜反应器。 2.1.3 酶反应器的选择 (一) 酶的应用形式1 游离酶：回收困难，除了BSTR外，其他反应器不适用。连续搅拌罐式反应器超滤反应器2. 固定化酶颗粒状或片状CS

14、TR、PBR膜状和纤维状PBR小颗粒状FBR(二) 底物的物理性质底物 1. 溶解性物质任何类型反应器 2. 胶粒物质和颗粒物质CSTR、PBR和RCR（三） 反应操作要求 1若酶受高浓度底物抑制、需要不断调整pH搅拌罐型反应器 2. 反应耗氧鼓泡塔型反应器【 2】3.1 酶工程的应用 3.1.1 酶工程在食品、化工、医药、能源、环境及检测上的应用 酶作为一种生物催化剂，已广泛地应用于轻工业的各个生产领域。近几十年来，随着酶工程不断的技术性突破，在工业、农业、医药卫生、能源开发及环境工程等方面的应用越来越广泛。 、食品加工中的应用 酶在食品工业中最大的用途是淀粉加工，其次是乳品加工、果汁加工、

15、烘烤食品及啤酒发酵。与之有关的各种酶如淀粉酶、葡萄糖异构酶、乳糖酶、凝乳酶、蛋白酶等占酶制剂市场的一半以上。【3】 目前，帮助和促进食物消化的酶成为食品市场发展的主要方向，包括促进蛋白质消化的酶（菠萝蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等），促进纤维素消化的酶（纤维素酶、聚糖酶等），促进乳糖消化的酶（乳糖酶）和促进脂肪消化的酶（脂肪酶、酯酶）等。 二、轻化工业中的应用 酶工程在轻化工业中的用途主要包括：洗涤剂制造（增强去垢能力）、毛皮工业、明胶制造、胶原纤维制造（粘接剂）牙膏和化妆品的生产、造纸、感光材料生产、废水废物处理和饲料加工等。 三、医药上的应用 重组DNA技术促进了各种有医疗价值的酶的大规模生

16、产。用于临床的各类酶品种逐渐增加。酶除了用作常规治疗外，还可作为医学工程的某些组成部分而发挥医疗作用。如在体外循环装置中，利用酶清除血液废物，防止血栓形成和体内酶控药物释放系统等。另外，酶作为临床体外检测试剂，可以快速、灵敏、准确地测定体内某些代谢产物，也将是酶在医疗上一个重要的应用。 四、能源开发上的应用 在全世界开发新型能源的大趋势下，利用微生物或酶工程技术从生物体中生产燃料也是人们正在探寻的一条新路。例如，利用植物、农作物、林业产物废物中的纤维素、半纤维素、木质素、淀粉等原料，制造氢、甲烷等气体燃料以及乙醇和甲醇等液体燃料。另外，在石油资源的开发中，利用微生物作为石油勘探、二次采油、石油

17、精炼等手段也是近年来国内外普遍关注的课题。 五、环境工程上的应用 在科学技术高度发展的同时，环境净化尤其是工业废水和生活污水的净化，作为保护自然的一项措施，具有十分重要的意义。 在现有的废水净化方法中，生物净化常常是成本最低而最可行的。微生物的新陈代谢过程，可以利用废水中的某些有机物质作为所需的营养来源。因此利用微生物体中酶的作用，可以将废水中的有机物质转变成可利用的小分子物质，同时达到净化废水的目的。人们利用基因工程技术创造高效菌种，并利用固定化活微生物细胞等方法，在废水处理及环境保护作用中取得了显著的成效。 六、 检测上的应用1、对疾病的检测疾病治疗效果的好坏在很大程度上决定于诊断的准确性

18、。在众多的疾病诊断方法中，酶学诊断具有可靠、简便和快捷的特点，已在临床上得到广泛的应用。生命现象是由多种酶催化反应的综合结果，因此，只要一种酶出现异常，就可能造成代谢为紊乱，引起人类的疾病，借助于体内酶活性水平的检测就可以对疾病进行诊断；同样，对于由于疾病引起的体内代谢产物浓度的变化，也可以通过酶与代谢产物的特殊反应进行检测。2、对环境的检测生物传感器的出现为环境监测的连续化和自动化提供了可能，降低了环境监测的成本，加强了环境监督的力度。【4】3.1.2 酶工程在科研领域的用途4.1 酶工程的前景【发展前景】 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