酶的產生和在生活中的重要用途 黃偉

酶的產生和在生活中的重要用途Enzymeproductionandimportantpurposeinlife食品系DepartmentofFoodScience生物工程（一）班Bioengineering(a)classes姓名Name：黃偉HuangWei學號StudentID：15指導老師Guidanceteacher王娣【摘要】Abstract：酶的生產和應用的技術過程稱為酶工程。其主要任務是通過預先設計,經人工操作而獲得大量所需的酶,并利用各種方法使酶發(fā)揮其最大的催化功能。本文意在闡述近年來酶工程在分子水平的研究進展,展示酶工程在醫(yī)藥、農業(yè)、食品、環(huán)境保護等領域的應用進展,并對其未來前景進行了展望。(Enzymeproductionandapplicationoftheprocessiscalledenzymeengineering.Itsmaintaskistogetalargenumberofenzymesrequiredforthepre-designedmanualandtheenzymeusingavarietyofmethodstomaximizeitscatalyticfunction.Thisarticleisintendedtoelaborateenzymeengineeringinrecentyears,theresearchprogressinthemolecularlevel,toshowtheprogressoftheenzymeworksinthefieldsofmedicine,agriculture,food,environmentalprotection,anditsfutureprospects.)【關鍵詞】Keyword:生物催化劑Biocatalyst、固定化酶immobilizedenzyme、酶促反應theenzymaticreaction、酶反應器、enzymereaction底物thesubstrate、酶的應用theapplicationoftheenzyme、能源開發(fā)energydevelopment目錄：1.1酶的簡介1.2酶的固定1.2.1固定化1.2.2固定化酶的定義1.3固定化酶的特點及不足1.4固定化的方法1.5固定化酶的作用2.1固定化酶反應器2.1.1酶反應器2.1.2酶反應器的分類2.1.3酶反應器的選擇3.1酶工程的應用3.1.1酶工程在食品、化工、醫(yī)藥、檢測的應用3.1.2酶工程在科研領域的用途4.1酶工程的前景酶的簡介酶（enzyme）,早期是指inyeast在酵母中的意思,指由生物體內活細胞產生的一種生物催化劑。大多數(shù)由蛋白質組成（少數(shù)為RNA）。能在機體中十分溫和的條件下，高效率地催化各種生物化學反應，促進生物體的新陳代謝。生命活動中的消化、吸收、呼吸、運動和生殖都是酶促反應過程。酶是細胞賴以生存的基礎。細胞新陳代謝包括的所有化學反應幾乎都是在酶的催化下進行的。如哺乳動物的細胞就含有幾千種酶。它們或是溶解于細胞液中，或是與各種膜結構結合在一起，或是位于細胞內其他結構的特定位置上。這些酶統(tǒng)稱胞內酶；另外，還有一些在細胞內合成后再分泌至細胞外的酶──胞外酶。酶的固定化(immobilizedenzyme)1.2.1固定化固定化:英文名immobilized;immobilization;所謂固定化是指用物理或化學方法使酶成為不溶性衍生物或使細胞成為不易從載體上流失的形式制成生物反應器用以催化生化反應、細胞數(shù)量的增殖等。它包括固定化酶技術和固定化細胞技術。固定化細胞載體主要可分為兩大類,一類是無機載體,如硅藻土、活性炭等;另一類是有機載體,又可分為兩種,一種為天然高分子凝膠載體,如瓊脂、角叉萊膠和海藻酸鈣等,它們無生物毒性,傳質性好,但強度低,在厭氧條件下易被生物分解。另一種是有機合成高分子凝膠載體,如聚丙烯酰銨(ACRM)凝膠、聚乙烯醇(PVA)凝膠等,一般強度較好,但傳質性能較差,包埋后對細胞活性有影響。1.2.2固定化酶的定義水溶性酶經物理或化學方法處理后，成為不溶于水的但仍具有酶活性的一種酶的衍生物。在催化反應中以固相狀態(tài)作用于物。\o"查看圖片"酶本身還是溶于水的，只是是用物理的或化學的方法使酶與水不溶性大分子載體結合或把酶包埋在其中，使得酶在水中溶性凝膠或半透膜的微囊體從而導致流動性降低。酶固定化后一般穩(wěn)定性增加，易從反應系統(tǒng)中分離，且易于控制，能反復多次使用。便于運輸和貯存，有利于自動化生產，但是活性降低，使用范圍減小，技術還有發(fā)展空間。固定化酶是近十余年發(fā)展起來的酶應用技術，在工業(yè)生產、化學分析和醫(yī)藥等方面有誘人的應用前景。固定化酶的特點及不足固定化酶的特點固定化酶的最大特點是既有生物催化劑的特點，又具有固定催化劑的特性。與天然酶相比，固定化酶具有以下優(yōu)點：（1）同一批固定化酶能在工藝流程中重復多次地使用；

（2）固定化后，和反應物分開，有利于控制生產過程，同時也省去了熱處理使酶失活的步驟；

（3）穩(wěn)定性顯著提高；

（4）可長期使用，并可預測衰變的速度；

（5）提供了研究酶動力學的良好模型。

固定化酶的不足但是，固定化酶也帶來了一些問題和缺點，具體如下：1、固定化酶所用載體與試劑較貴、成本高、工廠投資大，加上固定化過程中酶活力有損失，即酶活力回收率低，更增加了工業(yè)化生產的投資困難。如果用胞內酶進行固定化，還要增加酶的分離成本。固定化酶在長期使用后，因染雜菌，酶的滲漏，載體降解以及其它錯誤操作，也會致使酶失活。

2、固定化酶一般只適用于水溶性的小分子底物；大分子底物常受載體阻攔，不易接觸酶，致使催化活力難以發(fā)揮。

3、目前固定化酶尚限于單級反應，多酶反應，特別是需要輔因子的固定化酶技術，還有待開發(fā)。固定化的方法自20世紀60年代以來，人們就一直對酶的固定化技術進行研究和改進，開發(fā)和應用了上百種固定化方法進行酶的固定化，但迄今為止，還沒有一種固定化方法可以普遍地使用于各種各樣固定化方法，但按所用載體和操作方法的差異，主要有以下四類：1·吸附法:利用各種吸附劑將酶或含酶菌體吸附在其表面上而使酶固定的方法。常用吸附劑有活性炭、氧化鋁、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃等。采用吸附法固定酶，其操作簡便、條件溫和，不會引起酶邊形或失活，且載體廉價易得，可反復使用。2·包埋法:酶被裹在凝膠的細格子中或被半透性的聚合物膜包圍而成為格子型和微膠囊型兩種。優(yōu)點酶包埋在聚合物中不易漏出;操作條件溫和、對外界環(huán)境的緩沖作用大，可防止酶體的機械損傷,易于再生,產物分離提取容易。3·共價結合法(屬化學法中的結合法)即酶蛋白的非必需基團通過共價鍵和載體形成不可逆的連接。共價結合法酶與載體之間結合緊密，不易脫落，穩(wěn)定性好，但反應條件激烈，操作復雜，控制條件苛刻，活力損失較大4·交聯(lián)法依靠雙功能團試劑使酶分子之間發(fā)生交聯(lián)凝集成網(wǎng)狀結構，使之不溶于水從而形成固定化酶，此法制備的細胞與載體結合緊密，但制備麻煩，活力損失較大?！?】四種固定化酶制備方法的特點小結:

制法特性物理吸附包埋法共價結合法共價交聯(lián)法制備易易難難結合力弱強強強酶活力高高中中底物專一性無變化無變化有變化有變化再生可能不可能不可能不可能固定化費用低中高中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世紀60年代,70年代已在全世界普遍開展。酶的固定化(Immobilizationofenzymes)是用固體材料將酶束縛或限制于一定區(qū)域內,仍能進行其特有的催化反應、并可回收及重復利用的一類技術。與游離酶相比,固定化酶在保持其高效專一及溫和的酶催化反應特性的同時,又克服了游離酶的不足之處,呈現(xiàn)貯存穩(wěn)定性高、分離回收容易、可多次重復使用、操作連續(xù)可控、工藝簡便等一系列優(yōu)點。固定化酶不僅在化學、生物學及生物工程、醫(yī)學及生命科學等學科領域的研究異?；钴S,得到迅速發(fā)展和廣泛的應用,而且因為具有節(jié)省資源與能源、減少或防治污染的生態(tài)環(huán)境效應而符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。固定化酶反應器酶反應器由于固定化技術的發(fā)展，使\o"酶"酶可以和一般\o"催化劑"催化劑一樣反復作用。同時，\o"固定化細胞"固定化細胞可以代替某些發(fā)酵過程。這樣，酶反應器技術應運而生。

酶反應器是根據(jù)酶的催化特性而設計的反應\o"設備"設備。其設計的\o"目標"目標就是生產效率高、成本低、耗能少、污染少，以獲得最好的經濟效益和社會效益。2.1.2酶反應器的分類酶反應器有兩種類型：一類是直接應用游離酶進行反應，即均相酶反應器；另一類是應用固定化酶進行的非均相酶反應器。酶反應器的種類很多，大致可根據(jù)催化劑的形狀來選用。粒狀催化劑可采用攪拌罐、固定化床和鼓泡塔式反應器，而細小顆粒的催化劑則宜選用流化床。對于膜狀催化劑，則可考慮采用螺旋式、轉盤式、平板式、空心管人膜反應器。2.1.3酶反應器的選擇(一)酶的應用形式1．游離酶：回收困難，除了BSTR外，其他反應器不適用。連續(xù)攪拌罐式反應器超濾反應器2.固定化酶顆粒狀或片狀——CSTR、PBR膜狀和纖維狀——PBR小顆粒狀——FBR(二)底物的物理性質底物1.溶解性物質——任何類型反應器2.膠粒物質和顆粒物質——CSTR、PBR和RCR（三）反應操作要求1．若酶受高濃度底物抑制、需要不斷調整pH——攪拌罐型反應器2.反應耗氧——鼓泡塔型反應器【2】3.1酶工程的應用3.1.1酶工程在食品、化工、醫(yī)藥、能源、環(huán)境及檢測上的應用酶作為一種生物催化劑，已廣泛地應用于輕工業(yè)的各個生產領域。近幾十年來，隨著酶工程不斷的技術性突破，在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、能源開發(fā)及環(huán)境工程等方面的應用越來越廣泛?！?、食品加工中的應用酶在食品工業(yè)中最大的用途是淀粉加工，其次是乳品加工、果汁加工、烘烤食品及啤酒發(fā)酵。與之有關的各種酶如淀粉酶、葡萄糖異構酶、乳糖酶、凝乳酶、蛋白酶等占酶制劑市場的一半以上。【3】目前，幫助和促進食物消化的酶成為食品市場發(fā)展的主要方向，包括促進蛋白質消化的酶（菠蘿蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等），促進纖維素消化的酶（纖維素酶、聚糖酶等），促進乳糖消化的酶（乳糖酶）和促進脂肪消化的酶（脂肪酶、酯酶）等。二、輕化工業(yè)中的應用酶工程在輕化工業(yè)中的用途主要包括：洗滌劑制造（增強去垢能力）、毛皮工業(yè)、明膠制造、膠原纖維制造（粘接劑）牙膏和化妝品的生產、造紙、感光材料生產、廢水廢物處理和飼料加工等。三、醫(yī)藥上的應用重組DNA技術促進了各種有醫(yī)療價值的酶的大規(guī)模生產。用于臨床的各類酶品種逐漸增加。酶除了用作常規(guī)治療外，還可作為醫(yī)學工程的某些組成部分而發(fā)揮醫(yī)療作用。如在體外循環(huán)裝置中，利用酶清除血液廢物，防止血栓形成和體內酶控藥物釋放系統(tǒng)等。另外，酶作為臨床體外檢測試劑，可以快速、靈敏、準確地測定體內某些代謝產物，也將是酶在醫(yī)療上一個重要的應用。四、能源開發(fā)上的應用在全世界開發(fā)新型能源的大趨勢下，利用微生物或酶工程技術從生物體中生產燃料也是人們正在探尋的一條新路。例如，利用植物、農作物、林業(yè)產物廢物中的纖維素、半纖維素、木質素、淀粉等原料，制造氫、甲烷等氣體燃料以及乙醇和甲醇等液體燃料。另外，在石油資源的開發(fā)中，利用微生物作為石油勘探、二次采油、石油精煉等手段也是近年來國內外普遍關注的課題。五、環(huán)境工程上的應用在科學技術高度發(fā)展的同時，環(huán)境凈化尤其是工業(yè)廢水和生活污水的凈化，作為保護自然的一項措施，具有十分重要的意義。在現(xiàn)有的廢水凈化方法中，生物凈化常常是成本最低而最可行的。微生物的新陳代謝過程，可以利用廢水中的某些有機物質作為所需的營養(yǎng)來源。因此利用微生物體中酶的作用，可以將廢水中的有機物質轉變成可利用的小分子物質，同時達到凈化廢水的目的。人們利用基因工程技術創(chuàng)造高效菌種，并利用固定化活微生物細胞等方法，在廢水處理及環(huán)境保護作用中取得了顯著的成效。六、檢測上的應用1、對疾病的檢測疾病治療效果的好壞在很大程度上決定于診斷的準確性。在眾多的疾病診斷方法中，酶學診斷具有可靠、簡便和快捷的特點，已在臨床上得到廣泛的應用。生命現(xiàn)象是由多種酶催化反應的綜合結果，因此，只要一種酶出現(xiàn)異常，就可能造成代謝為紊亂，引起人類的疾病，借助于體內酶活性水平的檢測就可以對疾病進行診斷；同樣，對于由于疾病引起的體內代謝產物濃度的變化，也可以通過酶與代謝產物的特殊反應進行檢測。2、對環(huán)境的檢測生物傳感器的出現(xiàn)為環(huán)境監(jiān)測的連續(xù)化和自動化提供了可能，降低了環(huán)境監(jiān)測的成本，加強了環(huán)境監(jiān)督的力度?！?】3.1.2酶工程在科研領域的用途4.1酶工程的前景【發(fā)展前景】