第十章酶的应用

第八章酶的应用2/6/20231随着酶工业化生产的发展，酶已广泛应用于工业、农业、医药、环保及科研等领域。酶的应用包括各种游离酶、固定化酶及修饰酶等在各个领域的应用。内容十分广泛。2/6/20232酶在医药行业的应用酶在食品、轻工方面的应用酶在生物工程中的应用酶在其它领域的应用Contents2/6/202338.1酶在食品、轻工方面的应用国内外最广泛使用酶的领域是在食品和轻工业部门。轻工、食品行业与人们日常生活息息相关。酶的广泛应用，促进了新产品、新工艺和新技术的发展；而且可增加产品产量、提高产品质量、降低原材料消耗、改善劳动条件、减轻劳动强度等。显示出良好的经济与社会效益。2/6/20234工业用酶制剂的市场和发展历史自20世纪中叶以来，工业用酶制剂的市场得到了蓬勃发展。据统计数据表明：1981年工业酶制剂生产量约65000t，产值4亿美元；1985年工业酶制剂约生产75000t，产值约6亿美元。进入20世纪90年代后，市场对酶制剂的需求增强，以世界上最大的酶制剂生产商丹麦的NovoNordisk公司为例：1993年酶制剂销售为9亿美元；1998年产业用酶的销售额为15.18亿美元。自２０００年１１月１４日起诺和诺德分立为三家独立的公司，诺维信Novozymes公司正式宣告成立。原诺和诺德生物制药业务继续沿用诺和诺德的名称。诺维信与诺和诺德同为丹麦诺和集团成员。2/6/202352/6/202362/6/20237目前在世界上最有影响的酶制剂厂主要有：丹麦的Novozymes公司(在全世界50个国家有13000个从业人员，在140个国家销售其产品)荷兰的DSM（原Gist—Brocades）公司美国的Genencor公司

2/6/202382/6/202392/6/202310下列的几个图表分别表示欧洲、日本酶制剂市场发展情况及酶制剂在各行业的应用现状。2/6/2023112/6/2023128.1.1酶在食品工业方面的应用2/6/202313制糖工业酶法生产葡萄糖过去国内外葡萄糖生产通常采用酸法水解，现在大都采用酶法。原料：淀粉。酶：-淀粉酶和糖化酶。都要求达到一定纯度。通常使用游离酶分批方式，也可采用固定化糖化酶进行连续生产。工艺流程：

2/6/20231420世纪5O年代末，日本成功地应用酶法水解淀粉制葡萄糖，从此，在国内外大都采用酶法生产葡萄糖。该法生产葡萄糖与酸水解法相比，具有许多优点。酶法生产葡萄糖是以淀粉为原材料，先经a一淀粉酶液化成糊精，再用糖化酶催化生成葡萄糖。淀粉酶是最早实现工业生产的酶，也是迄今为止用途最广的酶。糖化酶在食品和酿造工业上有着广泛用途，是酶制剂工业的重要品种。糖化酶的产生菌几乎全部是霉菌，目前，国内生产糖化酶的菌种主要是黑曲霉和根霉。2/6/202315以下是淀粉糖化生产葡萄糖的工艺流程:

2/6/202316注意：

α—淀粉酶和糖化酶都要求达到一定的纯度。尤其是糖化酶中应不含或尽量少含葡萄糖苷转移酶．因为葡萄糖苷转移酶会催化葡萄糖生成异麦芽糖等杂质，严重影响葡萄糖的收率。若糖化酶中含有葡萄糖苷转移酶，则要在使用前进行适当的处理．以除去。去除葡萄糖转苷酶的最简单的方法之一是将糖化酶配成酶液后，加酸调节pH值至2.0～2.5，室温下静置一段时间，可以选择性地破坏葡萄糖苷转移酶。葡萄糖的生产除了使用游离酶分批进行液化和糖化以外，可采用固定化糖化酶，将糊精连续水解成葡萄糖。

2/6/202317啤酒的酿制在啤酒的酿造过程中，运用到酶的两个阶段是：制浆和调理。在煎浆过程中温度逐渐升高，有利于使蛋白酶、a-淀粉酶和β-葡萄糖酶发挥作用，使麦芽中的多糖及蛋白质类降解为酵母可利用的合适的营养物质。在啤酒加酒花前，应煮沸麦芽汁使上述酶失活。在发酵完毕后，啤酒需要加一些酶处理，以使其口味和外观更容易于为消费者所接受。木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶或酸性蛋白酶都可以降解使啤酒浑浊的蛋白组分，应用糖化酶能够降解啤酒中的残留糊精，一方面保证了啤酒中最高的乙醇含量，防止啤酒的冷浑浊，延长啤酒的贮存期；另一方面不必添加浓糖液来增加啤酒的糖度。2/6/202318

2/6/202319果葡糖浆的生产果葡糖浆是由葡萄糖异构酶催化葡萄糖异构化生成部分果糖而得到的混合糖浆。由于甜度的提高，可减少用量，而且摄取果糖后血糖不易升高，有一定保健功能。原料：葡萄糖，一般由淀粉通过酶法水解制得。但需经过层析等方法精制后使用。酶：葡萄糖异构酶。最适pH可由于来源不同而有所差别；温度不宜超过70℃。高果糖浆：通常果葡糖浆含果糖42%左右，若将其中的葡萄糖与果糖分离，将分离出的葡萄糖再进行异构化，如此反复，可得到果糖含量达70%、90%甚至更高的糖浆，称为高果糖浆。2/6/202320注意：①钙离子对淀粉酶有保护作用，在淀粉液化时需要添加，但它对葡萄糖异构酶却有抑制作用，所以葡萄糖溶液需用层析等方法精制，以除去其中所含的钙离子。②钴镁离子是葡萄糖异构酶的激活剂，所以葡萄糖液中需加入0.01mol／L左右的硫酸镁。而Co2+的需要量极微量，一般自来水中已含有，故不必另外添加。若水中完全没有Co2+的，则可加进微量的氯化钴。2/6/202321③葡萄糖异构酶的最适pH值，根据其来源不同而有所差别。一般放线菌产生的葡萄糖异构酶，其最适pH值在6.5～8.5的范围内。但在碱性范围内，葡萄糖容易分解而使糖浆的色泽加深，为此，生产时pH值一般控制在6.5～7.0。④葡萄糖转化为果糖的异构化反应是吸热反应。随着反应温度的升高，有利于果糖的生成。考虑到酶的稳定性，一般控制反应温度在60~70℃。2/6/202322饴糖的生产饴糖是我国传统的淀粉糖制品。是以大米或糯米为原料，加进大麦芽，利用麦芽中的-淀粉酶和-淀粉酶，将淀粉糖化而成的麦芽糖浆。其中含麦芽糖30%~40%，糊精60%-70%。饴糖也可用酶法生产。原料也是大米或糯米，所用酶为-淀粉酶和-淀粉酶，此法生产的饴糖，麦芽糖含量可达60%-70%。2/6/202323蛋白制品加工乳制品加工：凝乳蛋白酶用于制造奶酪；用乳糖酶生产低乳糖奶；蛋白酶用于生产乳蛋白水解物等。蛋制品加工：葡萄糖氧化酶用于除去蛋制品中存在的少量葡萄糖，以防止褐变，提高产品质量。鱼制品加工：利用蛋白酶生产可溶性的鱼蛋白粉；用三甲基胺氧化酶脱腥等。肉制品加工：蛋白酶用于制造肉类水解蛋白；用木瓜蛋白酶制成嫩肉粉；蛋白酶用于生产明胶；溶菌酶用于肉类制品的保鲜防腐等。2/6/202324木瓜蛋白酶的应用实例猪血水解：

100公斤新鲜猪血加1公斤浓度为3％柠檬酸钠溶液抗凝。在有搅拌下的100公斤水，加入200克酶，加热至50℃－60℃，将猪血分批倒入水中，保温酶解8－12小时。加入1公斤氢氧化钠在90℃－100℃碱解1－3小时。用酪蛋白或HCL中和至PH5－6，浓缩，用2％硅藻土和活性碳过滤。烘干或喷雾干燥就可得到蛋白质水解物。产物中氨基酸含量超过70mg/g。用于饲料添加剂则在酶解后加入98％浓硫酸20公斤100℃酸解10小时，冷却后用石灰中和至PH5－6，用活性碳脱色脱臭，干燥。经酶解的肉骨粉和羽毛粉是优质的饲料。2/6/202325果蔬加工果胶酶用于果汁和果酒的澄清；

1、水果中的胶状及可溶性果胶经果胶酶水解后，可降低果汁的粘度,有助于压榨并提高出汁率；2、果胶酶能破坏果汁中悬浮物的稳定性,使其凝聚沉淀,得到澄清果汁；3、用果胶酶处理超滤膜能提高果汁起滤的通量，缩短超滤时间；4、经果胶酶处理的果汁比较稳定,浓缩后不再发生混浊；5、在葡萄酒酿造中加入果胶酶能起到提高葡萄酒得率、澄清效果和过滤速度的作用,还可促使葡萄汁中的酒石酸发生沉淀。2/6/202326柚苷酶和橙皮苷酶可分别用于柑桔类果汁或罐头制品脱除苦味和防止出现白色浑浊；葡萄糖氧化酶可去除果汁、饮料、罐头食品和果蔬干制品中的氧气，防止产品氧化变质，防止微生物生长，延长食品保存期；溶菌酶可防止细菌污染，起保鲜作用等。2/6/202327改善食品的品质和风味风味酶的发现和应用，在食品风味的再现、强化和改变方面有广阔应用前景。例如：用洋葱风味酶处理甘蓝等蔬菜；用奶油风味酶作用于含乳脂的巧克力、冰淇淋、人造奶油等食品；风味酶用于恢复甚至强化原来的天然风味。在面包制造中，面团中添加适量的-淀粉酶和蛋白酶，可缩短面团发酵时间，面包的品质也有所提高。2/6/2023288.1.2酶在轻工业方面的应用原料处理发酵原料的处理淀粉原料的处理，一般采用-淀粉酶和糖化酶；含纤维素原料可用纤维素酶处理；含戊聚糖的植物原料可用各种戊聚糖酶处理。纺织原料的处理上浆：用-淀粉酶处理淀粉，可用作上浆的浆料；退浆：利用-淀粉酶使浆料水解；若上浆时用动物胶作胶浆，可用蛋白酶使之退浆。造纸原料的制浆酶法制浆：木质素酶可水解除去木质素，提高纸的质量，而且环保。2/6/202329生丝的脱胶处理胰蛋白酶、木瓜蛋白酶或微生物蛋白酶可在温和条件下催化丝胶蛋白水解。羊毛的除垢羊毛在染色前需除垢，可利用蛋白酶来实现，提高羊毛的着色率，并保持羊毛的特点，提高羊毛制品的质量。2/6/202330轻工产品制造酶法生产L-氨基酸L-氨基酰化酶用于DL-酰基氨基酸的光学拆分，工业上已采用固定化酶的方式连续生产L-苯丙氨酸和L-色氨酸等；工业上已将固定化菌体形式的天门冬氨酸酶和天门冬氨酸--脱羧酶分别用于L-天门冬氨酸和L-丙氨酸的连续生产；已内酰胺水解酶用于L-赖氨酸的生产；噻唑啉羧酸水解酶用于合成L-半胱氨酸。酶法生产核苷酸5’-磷酸二酯酶水解RNA生产各种5’-核苷酸；腺苷酸脱氨酶水解AMP生产IMP；核苷磷酸化酶催化肌苷生成5’-IMP，催化鸟苷生成5’-鸟苷酸，催化AMP生成ADP和ATP等。2/6/202331酶法生产有机酸工业上采用固定化延胡索酸酶连续生产L-苹果酸；环氧琥珀酸水解酶用于生产L-酒石酸。酶法制酱酱油或豆酱生产中，利用蛋白酶催化大豆蛋白质水解，可缩短生产周期，提高蛋白质利用率；酱油酿造中，添加纤维素酶可提高原料利用率。酶法制革蛋白酶可用于原料皮脱毛；酸性蛋白酶和少量脂肪酶可用于皮革软化。2/6/202332增强产品的使用效果加酶洗涤剂目前洗涤剂中最广泛最大量使用的是碱性蛋白酶；酶也可加到肥皂中制成加酶肥皂等；淀粉酶、脂肪酶、果胶酶和纤维素酶等也可添加于固体和液体洗涤剂中。加酶牙膏、牙粉和嗽口水可添加到洁齿用品中的酶有蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和右旋糖酐酶等。可利用酶的催化作用，增加洁齿效果，减少牙垢并可防止龋齿的发生。加酶饲料淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶和半纤维素酶等在饲料中添加，可增加饲料的可消化性。加酶护肤用品SOD、碱性磷酸酶、尿酸酶、弹性蛋白酶等在护肤及化妆品中的添加，可有效提高护肤效果。2/6/2023332/6/202334酶在医学中的应用主要在疾病的诊断和治疗这两方面的应用主要的医用酶:酶来源用途淀粉酶、脂肪酶胰脏、麦芽、微生物消化不良、食欲不振溶菌酶蛋清、细菌止血、消炎、镇痛尿激酶人尿治疗心肌梗死、黄斑部出血青霉素酶腊状芽孢杆菌治疗青霉素引起的变态胶原酶细菌消炎、化脓、治疗溃疡溶纤酶蚯蚓溶血栓L-精氨酸酶、L-蛋氨酸酶微生物抗癌α-半乳糖苷酶牛肝、人胎盘治疗遗传缺陷病8.2酶在医药行业的应用2/6/202335酶在医药方面的应用可归纳为：用酶进行疾病的诊断；用酶治疗各种疾病；用酶制造各种药物。由于酶具有专一性强和效率高的特点，所以在医药方面使用的酶具有种类多、用量少、纯度高的特点。2/6/2023368.2.1酶在疾病诊断方面的应用根据体液内酶活力的变化诊断疾病酸性磷酸酶前列腺癌患者及出现肝炎、甲状旁腺机能亢进、红血球病变等疾病时，血清中酸性磷酸酶的活力会升高。碱性磷酸酶佝偻病、骨骼软化症、骨瘤、骨骼广泛性转移癌、甲状腺机能亢进、黄疸性肝脏疾病等，患者血清中碱性磷酸酶活力升高；而软骨发育不全等疾病，引起该酶活力下降。转氨酶血清中GPT(谷丙转氨酶)和GOT(谷草转氨酶)的活力测定，已在肝脏疾病和心肌梗塞等疾病的诊断中得到广泛应用。-葡萄糖醛缩酶、胃蛋白酶、乳酸脱氢酶、醛缩酶、磷酸葡萄糖变位酶等的活力测定，有助于对某些癌症作出诊断。2/6/2023378.2.2酶在疾病治疗方面的应用酶作为药物可治疗多种疾病，且具有疗效显著，副作用小的特点。蛋白酶可用于治疗多种疾病，是临床上使用最早、用途最广的药用酶之一。可作为消化剂，治疗消化不良和食欲不振；可作为消炎剂，治疗各种炎症；经静脉注射，可治疗高血压。2/6/202338溶菌酶是一种应用广泛的药用酶。具有抗菌、消炎、镇痛等作用。可作用于细菌的细胞壁，使病原菌、腐败性细菌等溶解死灭，疗效显著而副作用很小。与抗生素联合使用，可显著提高抗生素的疗效。溶菌酶作为一种存在于人体正常体液及组织中的非特异性免疫因素，具有多种药理作用，它具有抗菌、抗病毒、抗肿瘤的功效，目前日本已生产出医用溶菌酶，其适应症为出血、血尿、血痰和鼻炎等。2/6/202339溶菌酶具有破坏细菌细胞壁结构的功能，以此酶处理G+细菌得到原生质体，因此，溶菌酶是基因工程、细胞工程中细胞融合操作必不可少的工具酶。溶菌酶是一种无毒、无副作用的蛋白质，又具有一定的溶菌作用，因此可用作食品防腐剂。现已广泛应用于水产品、肉食品、蛋糕、清酒、料酒及饮料中的防腐；还可以添入乳粉中，使牛乳人乳化，以抑制肠道中腐败微生物的生存，同时直接或间接地促进肠道中双歧杆菌的增殖。此外，还能利用溶菌酶生产酵母浸膏和核酸类调味料等。2/6/202340SOD可使机体免遭超氧负离子的损害；具有抗辐射作用并对红斑狼疮、皮肌炎、结肠炎及氧中毒等疾病有显著疗效。L-天门冬酰胺酶是一种用于治疗癌症的酶。特别是对治疗白血病有显著疗效。2/6/202341L-天冬酰胺抗肿瘤作用

肿瘤细胞无此功能，靠吸收血液中的天冬酰胺才能存活。给病人以天冬酰胺酶，分解天冬酰胺，血液中没有天冬酰胺，癌细胞就会死亡。对治疗白血病有显著疗效。L-天冬酰胺+水------------------L-天冬氨酸+NH3Asn合成酶

L-天冬氨酸+ATP+NH3------------------L-天冬酰胺+ADP+Pii正常细胞能催化如下反应：

天冬酰胺酶2/6/2023428.2.3酶在药物制造方面的应用青霉素酰化酶在半合成抗生素的生产上有重要作用的一种酶。它催化青霉素或头孢菌素水解，又可催化酰基化反应，合成新型青霉素和头孢菌素。不同来源的该酶对温度和pH的要求不同。同一来源的该酶在催化水解反应和催化合成反应时所要求的条件各不相同，尤其是pH条件相差很大，操作时要控制好。催化合成反应时，要控制好pH、温度和酶浓度。反应液中适当加入一些表面活性剂或异丁醇等，有利于提高转化率。2/6/202343-酪氨酸酶可催化L-酪氨酸或邻苯二酚生成多巴。已经制成固定化酶使用。多巴是治疗帕金森氏综合症的一种重要药物。该酶作用pH为3.5~6.0，温度为30~55℃，为控制氧化进程，应添加维生素C或硫酸肼等抗氧化剂。核苷磷酸化酶可催化阿糖尿苷生成阿糖腺苷；而阿糖尿苷由尿苷通过化学方法转化而成；阿糖腺苷具有显著的抗癌和抗病毒作用。无色杆菌蛋白酶可以特异性催化胰岛素B链羧基末端上的氨基酸置换反应，由猪胰岛素转变为人胰岛素，以增加疗效。2/6/2023448.3.1酶在除去细胞壁方面的应用生物工程研究与应用中，有时需要除去细胞壁：提取胞内物质；原生质体的制备。除去细胞壁的方法有多种，诸如机械研磨，物理、化学破碎法等。但在制备原生质体或提取胞内某些稳定性较差的活性物质时，只能利用各种专一性的酶。根据不同细胞的结构和细胞壁组分的不同，除去细胞壁时所采用的酶也有所区别。此外，还必须控制好酶作用条件和时间。8.3酶在生物工程中的应用2/6/2023458.3.2酶在大分子切割方面的应用限制性核酸内切酶一类在特定的位点上，催化双链DNA水解的磷酸二酯酶。目前已成为基因工程中必不可少的常用工具酶。DNA外切核酸酶一类从DNA分子末端开始逐个除去末端核苷酸的酶。在基因工程中用于载体或基因片段的切割加工。还可用于由DNA生产脱氧核苷酸。2/6/202346碱性磷酸酶该酶可除去DNA或RNA链中的5’-磷酸。在基因工程中主要用于防止质粒DNA的自我环化，或在用32P对DNA或RNA进行5’-末端标记前除去5’-磷酸。核酸酶S1该酶作用于单链DNA或RNA。在基因工程中，用于从具有单链末端的DNA分子中除去单链部分的核苷酸，而变成齐平末端。在cDNA合成时，用于除去生成的“发夹状环”。2/6/2023478.3.3酶在分子拼接方面的应用DNA连接酶能使双链DNA的缺口封闭。在基因工程中主要采用的是T4-DNA连接酶。DNA聚合酶一类催化DNA复制和修复DNA分子损伤的酶。主要包括大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及T4-DNA聚合酶。在基因工程中，主要应用于DNA的缺口修补。2/6/202348末端脱氧核苷酸转移酶该酶从小牛胸腺分离得到。在基因工程中利用该酶给DNA片段加上一段同聚物，形成附加末端。或者用32P标记的脱氧核苷酸进行3’-末端标记。反转录酶该酶又称为依赖于RNA的DNA聚合酶。它以RNA为模板合成DNA。该酶在基因工程中用于