《生物技术概论》4酶工程
生物技术 酶工程
医学领域：
助消化，如多酶片
抗肿瘤或抗菌试剂，如半合成青霉素
血液凝块的处理
分析应用：
诊断领域
监测各种工业过程
杀虫剂的分析
化学药物的生产：
通过固定化酶或固定化细胞完成
废物处理：
降解正常的底物：碳水化合物、蛋白质、脂 肪和油 将废物“再循环”，以便再利用 纤维素的回收和利用
其它应用
三、酶工程的技术范围
1. 各类自然酶的开发和生产 2. 酶的分离、纯化及鉴定技术
3. 固定化技术
4. 多酶反应器的研制和应用
5. 酶的修饰与改造
பைடு நூலகம்
四、酶的主要应用领域
食品工业：
佐料、香味剂等食品组分的生产及改良外观颜色和 营 养价值
去污剂：
碱性丝氨酸蛋白酶，这类酶的特点： 在PH9.0~10.5是稳定且有活性 在55～100 °C范围是耐热的 可与过硼酸盐、表面活性剂、鳌合剂等共存 如加酶洗衣粉
十二、酶的纯度与酶活力
酶的纯度可用酶的比活力来衡量，酶的 比活力是以每毫克蛋白所具有的酶活力 单位来表示。一般情况下，酶的比活力 随酶纯度的提高而提高。
五、酶制剂的保存
酶的保存条件的选择必须有利于维护酶 天然结构的稳定性，应注意： （1）温度 一般在0~4℃。 （2）缓冲液 （3）氧防护 （4）蛋白质的浓度与纯度
二、优良产酶菌种的筛选
生物技术概论_酶工程
（三） 酶的保存
保护要有利于维护酶的天然构象的稳定。 （尤其时在使用过程中） 保存要注意： 温度 缓冲液 酶浓度及纯度
第三节 酶分子的改造
一、酶分子修饰
二、酶的蛋白质工程
三、生物酶的人工模拟
一、酶分子修饰
（一） 概念
通过对酶蛋白主链的剪接切割和侧链的化学修
饰对酶分子进行改造，使酶分子结构发生某些 改变，改变酶的某些特性和功能的技术。
温度
pH值
盐浓度
搅拌 微生物污染
（三） 酶的纯化方法
根据酶分子的性质（溶解度、电荷、底物、 亲和部位等）来确定分离方法，常见方法特 点如表5－1所示。
表5-1 常见分离方法的特点 酶分子性质 大小或轻重 分离方法 离心 分离能力 大小不限
凝滤 透析、超滤 离子交换
小量100mg 小量 大小不限
间形成共价键。
常用的双功能试剂有：戊二醛、已二胺、顺
丁烯二酸酐、双偶氯苯等。
5、热处理法
指将含酶细胞在一定温度下加热处理一段时
间，使酶在菌体内被固定化的方法。
适合于热稳定性较好的酶的固定化。 几种固定化方法的优缺点见下表
各种固定化方法的优缺点比较表
吸附法
固定化方法 制备 结合程度
物理吸 附法
（二） 提取： 影响提取的主要因素：溶剂、环境条件； 根据结构和溶解性质选择合适的溶剂； 确定和控制好温度、pH等条件。
酶工程 重点整理总结
第一章绪论
1、何为酶工程，试述其主要内容和任务。
答：（1）酶工程：酶的生产、改性与应用的技术过程称为酶工程。（2）主要内容：微生物细胞发酵产酶，动植物细胞培养产酶，酶的提取与分离纯化，酶分子修饰，酶、细胞、原生质体固定化，酶非水相催化，酶定向进化，酶反应器和酶的应用等。（3）主要任务：经过预先设计，通过人工操作获得人们所需的酶，并通过各种方式使酶的催化特性得以改进，充分发挥其催化功能。
2、酶有哪些显著的催化特性？
答：（1）酶催化作用的专一性强（①绝对转移性：一种酶只能催化一种第五进行一种反应；②相对专一性：一种酶能够催化一类结构相似的底物进行某种相同类型的反应）；（2）酶催化作用的效率高（107~1013倍）；（3）酶催化作用条件温和。
3、简述影响酶催化作用的主要因素。
答：（1）底物浓度的影响：决定酶催化作用的主要因素。酶催化反应速度随底物浓度增加现增加在逐步趋向平衡再反而下降。（2）酶浓度的影响：底物浓度足够高的条件下，酶催化反应速度与酶浓度成正比。（3）温度的影响：适宜温度范围内，酶能进行催化反应，最适温度条件下，酶的催化反应速度达到最大。一般60°C以上易失活，5°C以下活性极低，Taq聚合酶95°C下仍稳定。（4）PH的影响：适宜PH范围内，酶才能显示其催化活性，最适pH条件下，酶催化反应速度达到最大。（5）抑制剂的影响：在抑制剂的影响下，酶的催化活性降低甚至丧失，从而影响酶的催化功能，有竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制。（6）激活剂的影响：在激活剂的作用下，酶的催化活性提高或者由无活性的酶生成有催化活性的酶。如Ca、Mg、Co、Zn、Mn、等金属离子和Cl等无机负离子。
第四章 酶工程
试剂
核糖 核酸酶
设备
微生物发酵法
商品酶的主要 生产方法
优点
①微生物种类繁多，制备出 的酶种类齐全，几乎所有的 酶都能从微生物中得到 ②微生物繁殖快、生产周期 短、培养简便，并可以通过 控制培养条件来提高酶的产量
微生物
酶
③微生物具有较强的适应性和 应变能力，可以通过适应、诱 导、诱变以及基因工程等方法 培育出新的产酶高的菌株
• 合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、 C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与 ATP分解反应相互偶联。 • A + B + ATP + H-O-H ===A B + ADP +Pi • 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。
丙酮酸+CO2+ATP+H2O 草酰乙酸+ADP+Pi
HOOCCH=CHCOOH H2O HOOCCH2CHCOOH OH
异构酶 Isomerase
• 异构酶催化各种同分异构体的相互转化， 即底物分子内基团或原子的重排过程。 例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。
CH2OH O OH OH OH OH
CH2OH O
CH2OH OH OH
OH
合成酶 Ligase or Synthetase
1-根据酶的作用底物命名
蛋白酶 脂肪酶
酶工程复习要点
1、酶的催化作用特点：具有专一性，催化效率高和反应条件温和等显著特点。
2、酶研究的两个方向：理论研究方向和应用研究方向。理论研究方向：酶的理化性质、催化性质、催化机制等。应用研究：促进了酶工程的形成。
3、酶工程的定义：利用酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器，借助于酶的催化作用，通过工程学手段生产产品或提供社会服务的科学体系。
4、酶工程的应用范围：①对生物资源中天然酶的开发和生产②自然酶的分离纯化与鉴定技术③酶的固定化技术④酶反应器的研制与应用⑤与其它生物技术领域的交叉与渗透。
5、酶工程的组成：①酶的发酵生产②酶的分离纯化③酶分子修饰④酶和细胞固定化⑤酶反应器和酶的应用等方面。
6、酶工程的主要任务：通过预先设计，经过人工操作控制而获得大量所需的酶，并通过各种方法使酶发挥其最大的催化功能。
8、酶的分类：第1类，氧化还原酶；第2类，转移酶；第3类，水解酶；第4类，裂合酶；第5类，异构酶；第6类，合成酶；第7类，核酸类酶。
9、酶的作用机制：酶的催化机理可能与几种因素有关：酶与底物结合时，两者构象的改变使它们互相契合，底物分子适当地向酶分子活性中心靠近，并且趋向于酶的催化部位，使活性中心这一局部地区额底物浓度大大增高，并使底物分子发生扭曲，易于断裂。在另一些情况中，可能还有一些其他的因素使酶反应速度稍有一些提高，如酶与底物形成有一定稳定度的过渡态中间物——共价的ES中间物，这种ES中间物又可迅速地分解成产物，又如酶活性中心的质子供体和质子受体对底物分子进行了广义的酸碱催化等。
10、酶的催化能力：酶仅能改变化学反应的速度，并不不能改变化学反应的平衡点。酶本身在反应前后也不发生变化例如肽键遇水自发地进行水解的反应极为缓慢，当有蛋白酶存在时，这个反应则进行得十分迅速，可降低反应的活化能。在一个化学反应体系中，反应开始时，反应物(S)分子的平均能量水平较低为“初态”，在反应的任何一瞬间反应物中都有一部分分子具有了比初态更高一些的能量，高出的这一部分能量称为活化能，使这些分子进入“过渡态”，这时就能形成或打破一些化学键，形成新的物质——产物（P）。即S变为P。这些具有较高能量，处于活化态的分子称为活化分子，反应物中这种活化分子愈多，反应速率就越快。活化能的定义是在一定温度下一摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能，单位是焦耳/摩尔。
生物技术概论复习重点
1、生物技术：生物技术有时也称生物工程，是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，按照预先的设计改造生命体或加工生物原料，为人类生产出所需的产品或达到某种目的。
2、基因工程：（DNA体外重组技术）应用人工的方法把生物的遗传物质（通常是DNA）分离出来，在体外进行切割、拼接和重组，然后将重组DNA导入某种宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传品性，有时还使新的遗传信息在新的宿主细胞或个体中大量表达已获得基因产物。
3、细胞工程：是指以细胞为基本单位，在体外进行培养、繁殖，或人为地使细胞的某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种或创造新品种；或加速繁育动植物个体；或获得某些有用的物质的过程。（包括动植物细胞的体外培养技术、细胞融合技术、细胞器移植技术、克隆技术和干细技术等）
4、发酵工程：利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在适合的条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品。
5、酶工程：（包括酶的固定化技术、酶反应器的设计及应用、酶制剂的制备）是利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，对酶进行修饰改造，并借助生物反应器来生产人类所需产品的一项技术。
6、蛋白质工程：是指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等的学科基础知识，通过对基因的人工定向改造等手段，对蛋白质进行修饰、改造和拼接以生产能满足人类需要的新型蛋白质的技术。
7、连接酶：能够催化双链DNA片段3’、5’末端形成磷酸二酯键的酶。
第四章 酶工程
（三）根据酶分子电荷性质的方法
离子交换层析 （1）根据被分离物质与分离介质（离子交换剂）间
异种电荷静电引力的不同来进行物质分离。不同离子交 换剂上可解离基团对各种离子的亲和力不同，而使不同 物质分离；
（2）离子交换剂根据活性基团的性质分为阳离子交 换剂和阴离子交换剂。酶具有两性性质，可用阳离子交
非水介质中的酶反应
主要研究非水相中酶的酶学性质、影响因素和催化 机制等酶学基础问题，探索生物大分子与环境间相互 影响规律，加深对各种生命活动现象的理解和认识。
酶反应器
酶反应器是完成酶促反应的装置，研究内容包括酶 反应器的类型、特性；酶反应器的设计、制造及选择 等。
二、酶的生产与分离纯化技术
酶的生产 （1）经过预先设计，并且通过人工控制而获得所
有机溶剂沉淀法
利用酶在有机溶剂中溶解度不同而使其分离。常 用有机溶剂：乙醇、丙酮、异丙酮等。
（二）根据酶分子大小和形状不同的方法
离心分离法 在酶的提取分离纯化过程中，细胞收集、细胞碎片
和沉淀的分离以及酶纯化等要使用离心分离。
体积排阻法
利用溶液中各组分相对分子质量不同来进行分离的 一种方法。常用凝胶：葡聚糖凝胶（Sephadex）、琼 脂糖凝胶（Sepharose）和聚丙烯酰胺凝胶（Biogel） 等。
通过改变某些条件，使溶液中某种物质的溶解度降 低，从溶液中沉淀析出，达到与其他物质分离的目的。 盐析沉淀法
生物技术概论
生物技术概论》复习题及参考答案
一、名词解释
1.生物技术(biotechnology)：有时也称为生物工程(bioengineering),是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，利用生物得体或其
体系或它们的衍生物来制造人类所需要的各种产品或达到某种目的的一门新兴的、综合性
的学科。
2.基因工程(geneenginerring)：是指在基因水平上的操作并改变生物遗传特性的技术。即按照人们的需要，用类似工程设计的方法将不同来源的基因(DNA分子)在体外构建成杂种DNA 分子，然后导入受体细胞，并在受体细胞内复制、转录和表达的操作，也称DNA重组技术。
3.细胞工程(cellengineering)：是指在细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖
或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新
品种的目的，加速繁育动植物个体，或获得某种有用物质的技术。
4.酶工程(enzymeengineering)：是利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的技术。
5.发酵工程(fermentationengineering)：是指利用包括工程微生物在内的某些微生物或动、植物细胞及其特定功能，通过现代工程技术手段(主要是发酵罐或生物反应品的自动化、高效化、功能多样化、大型化)生产各种特定的有用物质；或把微生物直接用于某些工业化生产的一种技术。由于发酵多与微生物密切联系在一起，所以又称之为微生物工程或
酶工程小知识点
一小知识点
1、生物技术（生物工程）的四大支柱：基因工程，细胞工程，酶工程，发酵工程
2、最早的酶学试验：1783年，意大利科学家Spallanzani（斯帕兰札尼）鸟的胃液能将肉类分解消化
3、酶的最早发现者：1810年，药物学家Planche在植物的根中发现能使创木脂氧化变蓝的物质
4、确立了酶的化学本质：1930年，美国的生物化学家Northro p（诺斯罗普）分离得到了胃蛋白酶（pepsin）、胰蛋白酶（trypsin）、
胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）结晶，~。
5、酶分两大类：蛋白类酶（P酶），核酸类酶（R酶）
6、两种途径获得抗体酶：①采用过渡态的底物类似物诱导；②在现有的抗体基础上，通过化学修饰或通过蛋白质工程向其
配体结合部位导入催化基团。
7、化学酶工程（初级酶工程）：酶化学与化学工程技术相结合的产物，主要研究内容：酶的制备、酶的分离纯化、酶与细
胞的固定化技术、酶分子修饰、酶反应器和酶的应用。
8、生物酶工程（高级酶工程）：在化学酶工程基础上发展起来的、酶学与现代分子生物学技术相结合的产物。1）用基因
工程技术大量生产酶（克隆酶）2）用蛋白质工程技术定点改变酶结构基因（突变酶）3）设计新的酶结构基因，生产自然界从未有过的性能稳定、活性更高的新酶。
9、根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分成6大类：氧化还原酶Oxidoreductase转移酶Transferase水解酶hydrolase
裂合酶Lyase异构酶Isomerase合成酶Ligase or Synthetase
10、核酸类酶（R酶）的分类：剪切型核酶（自体催化，异体催化剪切型）剪接型核酶（I类内含子（IVS）的自我剪接需要
对《酶工程》的认识
对《酶工程》的认识
酶工程是一门基于现代生物学和生物技术理论，将微生物、酶和其他生物化学成分与
工程技术相结合，用于生产和应用酶的一门重要学科。它不仅仅是一种单纯的酶制剂的生产，更包括了从酶的制备到使用的所有流程，并且也与其他领域有着广泛的交叉。
酶工程的主要目的是研究和解决利用酶的时效性、稳定性、选择性、活性和纯净度等
方面的问题，以实现在特定生产或应用过程中酶的高效利用。酶工程的发展史可以大致分
为三个阶段：初始阶段（1970年代至1980年代），主要是从酶生产的传统工艺进行改进；中间阶段（1980年代至1990年代），主要是酶工程理论的不断发展和成熟；现代阶段（1990年代至今），主要是基于基因工程等新技术应用于酶工程中。现在，酶工程可以根据具体
的需要为不同的工业领域提供支持。
酶工程的应用非常广泛，涵盖了食品、饲料、化妆品、医药、环保、生物技术等领域。其中最大的应用领域是食品和饲料工业，酶工程在这些领域的应用主要是在生产过程中进
行一系列的酶反应，从而提高生产效率和质量，减少成本；而在医药和生物技术领域，酶
工程则可以发挥其高效、选择性、低毒以及环境友好等特点，用于药品、诊断试剂、基因
工程、蛋白质纯化等方面。
总的来说，酶工程是一个十分重要且广泛应用的学科，其应用涵盖了各个领域，并随
着科技的发展不断推陈出新。酶工程技术的不断发展和完善将为实现可持续发展和环保做
出更大的贡献。
酶工程名词解释
酶工程名词解释
一、酶工程
酶工程是以酶为有效的生物催化剂，设计、构建、运用和优化不同的复合体（如多肽、蛋白质、核酸、抗原或抗体）在生命过程中进行酶反应的研究和应用。它涉及技术有基因工程、蛋白质工程、分子生物学以及分子生物计算等。
酶工程主要用于增强活性及特性，修饰活性中心位点，调整热稳定性，改介质和改变温度等来改善反应的速率、生物效率、稳定性以及产物的生产效率。
酶工程是一种创新的可持续发展的生物技术方法，可有效地改进和提高酶的功能，提高活性，改进反应条件以及提高应用性能。
二、酶
酶是一种特殊的蛋白质，它以酶基因的形式存在于细胞中，在体内发生化学反应可以催化，并以消除不必要的化学反应而达到一定目的。
酶有许多作用，比如可以分解有机分子、形成新的分子或改变分子结构，改变酶结构调节性质和功能，可以促进重要化学反应的进行，维持细胞代谢的正常发挥作用，可以帮助细胞适应外界环境变化，抑制和抗毒素的作用。
三、酶的催化机理
酶的催化机理是指酶通过把化学反应的活性中心结合到自身的
活性中心，形成一个活性复合物，使反应次序从量子化学反应的一步
反应，变成现代酶催化反应的多步复杂反应，从而提高反应速率和效率。
酶催化反应的催化机理可分为几个步骤：
1. 抑制反应体：酶将会抑制原始反应体，从而降低反应的活化能；
2. 促进反应发生：酶通过质点，可以促进反应物间的作用力和配位作用力，从而促进反应的发生；
3. 选择性反应：酶可以选择性地使反应物与活性中心结合，从而确保反应发生的选择性；
4. 调节反应进程：酶还可以调节反应的进程，防止反应的不必要产生，保证反应发生的稳定性。
第四章酶工程-PPT文档资料
• • • • •
1）、催化效率高； 2）、专一性强； 3）、反应条件温和； 4）、活力可被调控； 5）、对环境条件比较敏感。
• 酶工程：利用酶的特异性催化功能或微 生物细胞、动植物细胞、细胞器的特定 功能，并通过工程化为人类生产有用的 产品及提供有益服务的技术。 • 酶 工程发展所经历的历程： • 1）、自然酶的开发应用； • 2）、固定化酶和固定化细胞； • 3）、多酶 反应器； • 4）、仿生技术。
• 优缺点（P111）： • 2）、微囊包埋法：包有酶的微囊也称为 人工细胞。制备微囊固定化酶的方法主 要有界面聚合法、界面沉淀法和液中干 燥法等。 • 常用界面聚合法即利用不溶于水的高 聚物单体在油-水界面上聚合成膜的过程 将酶包裹起来。
3、交联法
• 应用多功能或双功能试剂在酶与酶或 酶与载体之间进行交联固定化的技术。
二、酶的开发与生产
• • • • • • 1、目的酶生产菌株的获得： 1）、从自然界分离筛选； 2）、人工诱变育种； 3）、遗传工程育种。 2、酶的生产方式： 通过各种方法得到优良的菌株，是酶生 产的先决条件。要想有效地进行酶生产， 还必须探讨该菌种产酶的最适培养条件。
• • • • •
1）、培养方法； 2）、工业大规模生产的工程和工艺条件； 3）、是胞内酶还是胞外酶？ 4）、分离纯化的方法和条件； 5）、酶纯度的鉴定。
• 离子吸附法：是将解离状态的酶溶液与离子交 换树脂混合后，酶蛋白通过离子键与树脂结合 在一起。然后洗去末结合的杂质和酶，即可得 到固定化酶。 • 这种方法 结合能力较强，如多糖离子交换 剂每克载体吸附酶蛋白量为50—150mg。 • 影响载体吸附的因素较多。如溶液PH值、离子 浓度、温度、酶蛋白浓度及载体比表面积等 （具体的影响同学自学）。
《食品生物技术概论》4酶工程
一、酶的固定化
1. 吸附法 （1）物理吸附法 （2）离子吸附法
2. 包埋法 3. 共价结合法 4. 交联法
二、细胞的固定化
细胞固定化技术是将完整的细胞连接在固相载体上，免 去破碎细胞提取酶的程序，保持了酶的完整性和活性的 稳定。
包括微生物、植物和动物细胞的固定化
三、固定化酶的性质
1. 固定化酶的催化活性 固定化之后，多数情况下酶的活性会降低。
1. 细胞破碎和分离发酵液 2. 粗酶液的抽提 3. 酶的初步分离
（1）沉淀分离 （2）膜分离技术 （3）萃取技术
4. 酶的纯化与成品加工
（1）层析技术分离 （2）浓缩 （3）结晶 （4）冷冻干燥
三、酶的纯度与酶活力
1. 酶纯度的检测 （1）电泳检测技术 （2）高压液相色谱技术
2. 酶的一般评价
第三节 酶的分离纯化
一、酶分离纯化的基本原则和方式
1. 酶分离纯化的基本原则 ① 必须在低温条件下进行 ② 控制系统不要过酸或过碱 ③ 尽量减少泡沫形成 ④ 加入适量金属鳌合剂
⑤添加酶与它作用的底物及其类似物、 抑制剂 ⑥ 应尽可能减少分离纯化步骤
⑦ 清除微生物和蛋白酶的污染
⑧加入高浓度的其他蛋白质减少酶蛋白的 失活
二、基因工程菌的构建
酶 基 因 工 程 菌 构 建 过 程
三、微生物酶的发酵生产 1. 微生物发酵产酶的工艺过程
生物技术概论之酶工程
品弹力
3.乳品工业
乳糖酶，降解乳糖为半乳糖，增加可消化性 凝乳酶，制造奶酪，溶菌酶用于婴儿奶粉消毒。
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4.酿酒工业 填加糖化酶，降解淀粉，缩短酿造时间，提高出酒率。 中性蛋白酶可分解麦芽汁中的蛋白质，提高氨基酸含量， 促进酵母发酵 木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶等可用于啤酒澄清，延长保质期 5.果蔬加工工业 常用的有果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶、淀粉酶和阿拉 伯糖酶 6.面粉烘烤工业 改善面粉质量、改善面团性质、改变颜色、漂白面粉
合成酶一般是指在ATP参加的合成反应，这类酶关系着许多重要生 命物质的合成，如蛋白质、核酸等。
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（三） 酶工程的应用
一. 酶在食品工业中的应用
1.淀粉加工工业
用于水解淀粉，生产功能性低聚糖、葡萄糖、果糖、麦芽糖浆， 年产1000万t，大多数低聚糖由酶水解或酶转移生产。
2.蛋白质加工工业
但是，20世纪80年代发现了核酶，其本身属于一种RNA，并非蛋白质，
但也能特异性地催化某个反应。
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例如：许多脱氢酶需要NAD或NADP为辅酶（烟酰胺核苷酸）
H
O
C
C3 H
NA2DH NAD C2 H OH
酶工程的应用
酶是生物催化剂。生物体内的各种化学反应都是在酶的催化下进行的，所以没有酶生物体就无法进行新陈代谢，生命也就停止了。
酶工程
酶工程是生物工程(生物技术) 的内容之一。它利用生物酶催化效率高、专一性强的特点，将生物酶置于适当的反应器中，使之生产人类所需产品或达到其它目的，如处理污染等。酶工程的应用范围包括工业、农业、环保、医学诊断等诸多领域。
固定化酶。由于生物酶在体外条件下稳定性不好，体外环境中的许多因素都可能使它失活，因此为了克服酶的这些缺点，发展了酶的固定化技术。即将酶固定在适当的载体上，做成固定化酶后，使产品回收提纯的工艺大大简化，而且酶也可以反复利用。现在固定化酶已成为酶工程产业化中的一个关键环节。
酶工程的广泛应用。利用固定化酶技术可以在常温常压下将乙烯或丙烯氧化为环氧乙烷和环氧丙烷等化工产品。在食品工业上，在转化糖、麦芽糖、乳酪等的生产上酶工程发挥了重要的作用。在环保领域，固定化酶生物反应器用来监测和处理含苯、酚、氰化物等有毒物质的污水和废水。在医药领域，可将青霉素酰胺酶固定化，将青霉素分解为6-氨基青霉烷酸，此项工艺可以替代传统的化学合成方法，消除有机溶剂对人健康的危害。
食品工业生产中酶的应用就是酶工程。酶的特点使工业生产能在常温常压下进行，酶的高效催化率加快了生产过程，酶的专一性保证了产物只含一种异构体。
进行酶工程要考虑的主要问题，一是酶的性质和来源。从工业角度来讲，酶最好使用微生物来生产，因酶被分泌到培养液中，酶量大，且易分离;二是将酶以什么方式进行最大程度的利用。目前最好的方法是使反应液通过装有固定化酶颗粒的柱子，流出的即是生成物，这可省去从生成物中除去酶的步骤，且酶便于反复使用。工业上生产果葡糖就是利用酶工程来完成的，首先利用从细菌或真菌中生产出来的酶使淀粉分解成葡萄糖，再把葡萄糖溶液流过装有葡萄糖异构酶的酶颗粒柱，调节流出速度，即可得到所要求葡萄糖和果糖比例的果葡糖浆。其葡萄糖异构酶颗粒能反复使用，它的半衰期为800小时。
生物工程与技术导论(第四章 酶与酶工程)
生活中酶
➢乙醇发酵过程： ✓α-淀粉酶:内切酶，麦芽糖、 低聚糖和小量葡萄糖 ✓β-淀粉酶：外切酶，麦芽糖； ✓糖化酶:外切酶，葡萄糖; ✓果胶酶:果胶不利于葡萄酒 澄清，阻碍单宁和色素的浸 提；
生活中酶
面包用酶：戊聚糖酶、葡萄糖氧化酶、淀粉酶等 饲料用酶：植酸酶、抗营养因子（非淀粉多糖）
示，1：氧化还原酶 2：转移酶 3：水解酶 4：裂 合酶 5：异构酶 6：合成酶 (连接酶) ➢ 2）根据底物中被作用的基团或键的特点，将每一 大类分为若干个亚类，编号用1、2、3等； ➢ 3）每个亚类又可分为若干个亚一亚类，用编号1、 2、3表示。
酶的分类与命名
葡萄糖氧化酶 EC1.1.3.4 ➢ 第一个数字表示大类： 氧化还原酶类 ➢ 第二个数字表示反应基团：醇基 ➢ 第三个数字表示电子受体：以氧为氢受体 ➢ 第四个数字表示此酶底物：该酶在小类中的特定
厂，最大的是无锡酶制剂厂; ➢ 差距在酶的活力和提纯技术；
酶与酶工程的发展史
早期酿造技术，酵母菌之外，酶起到关键作用； 春秋战国时期用曲来治疗消化不良； 1833年，佩恩和帕索兹从麦芽得到淀粉酶物质； 1878年，昆尼将酵母细胞内进行乙醇发酵的物质
称为酶，Enzyme, 希腊文意思是“在酵母中”； 1896年，巴克纳兄弟发现酵母无细胞抽提液也能
温度160-210℃、压力10~90MPa;
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4.添加产酶促进剂
第三节 酶的分离纯化
一、酶制剂生产的基本过程
（一）细胞破碎
第三节 酶的分离纯化
一、酶制剂生产的基本过程
（二）酶的提取 酶的提取是指在一定条件下，用适当的溶剂或 溶液处理含酶原料，使酶充分溶解到溶剂或溶 液中的过程，又称为酶的抽提。
酶的提取方法
第三节 酶的分离纯化
第八节 酶的应用
二、酶应用的例子
（二）酶在疾病诊断方面的应用
【实验实训】淀粉酶在果葡糖浆生 产上的应用
一、实验目的
掌握淀粉酶水解淀粉的原理，了解温度、pH值 和淀粉酶添加量的变化对果葡糖浆得率的影响。
第三节 酶的分离纯化
二、酶的纯度与酶活力
酶活力是指在一定条件下，酶所催化的反应初 速度。1961年国际生物化学与分子生物学联合 会规定：在特定条件下（温度可采用25℃，pH 值等条件均采用最高条件），每1min催化1μmol 的底物转化为产物的酶量定义为1个酶活力单位， 这个单位称为国际单位(IU)。
第二节 酶的发酵生产
优点：①微生物生长繁殖快，生活周期短，产 量高；②微生物培养方法简单，生产原料大多 为农副产品，来源丰富，价格低廉，机械化程 度高，经济效益高；③微生物菌株种类繁多， 酶的品种齐全；④微生物具有较强的适应性和 应变能力，可以通过适应、诱导、诱变及基因 工程等方法培育出新的产酶菌种。
第二节 酶的发酵生产
三、微生物酶的发酵生产
（一）菌种活化与扩大培养 菌种活化与扩大培养工艺流程： 菌种（原菌）→斜面试管→小三角瓶→大三角 瓶→卡氏罐→一级种子罐→二级种子罐
第二节 酶的发酵生产
三、微生物酶的发酵生产
（二）发酵方法 1.温度的控制 枯草杆菌的最适生长温度为34～37℃，黑曲霉 的最适生长温度为28～32℃。
（一）空时 （二）转化率 （三）生产强度
第六节 酶反应器
四、酶反应器的操作
（一）酶反应器中微生物污染的控制 （二）酶反应器中流动状态的控制 （三）反应器中恒定生产能力的控制
第七节 生物传感器
生物传感器是一种由生物学、医学、电化学、 光学、热学及电子技术等多学科相互渗透而发 展起来的分析检测装置，具有选择性高、分析 速度快、操作简单和价格低廉等特点，而且能 进行连续测定和在线分析，甚至可以活体分析。 生物传感器的诞生是酶技术与信息技术结合的 产物。
第七节 生物传感器
一、生物传感器的原理
生物传感器由两个主要关键部分所构成。一部 分是生物传感器信号接收或产生部分，来自于 生物体分子、组织部分或个体细胞的分子辨认 组件；另一部分属于硬件仪器组件部分，主要 为物理信号转换组件。
第七节 生物传感器
二、生物传感器的分类
酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组 织传感器、场效应晶体管传感器
第五节 酶与细胞的固定化
一、酶的固定化
固定化酶是指在一定空间内以闭锁状态存在的 酶。
第五节 酶与细胞的固定化
一、酶的固定化
（一）载体结合法 1.物理吸附法 2.离子吸附法
3.共价结合法
4.螯合法
第五节 酶与细胞的固定化
一、酶的固定化
（二）包埋法 （三）供价交联法
一、酶及酶工程的概念
2．酶的特性 （1）酶催化作用的专一性强 （2）酶催化作用的效率高
（3）酶催化作用的条件温和
3．酶的分类和命名
第一节 酶工程概述
一、酶及酶工程的概念
（二）酶工程 狭义：是指在一定的生物反应器中，利用酶的 催化作用，将相应的原料转化成有用物质的技 术
第二节 酶的发酵生产
一、产酶菌种的筛选
（一）优良菌株的标准 一个优良的产酶菌种应具备以下几点：①繁殖 快，产酶量高，生产周期短；②适应性强、易 培养和控制，便于管理和降低生产成本；③产 酶性能稳定，不易退化，不易受噬菌体侵袭； ④产生的酶容易分离纯化；⑤菌种本身和代谢 产物安全无毒，对生产人员、生产环境，酶的 应用不会产生不良影响。
2.通气和搅拌
在发酵过程中必须不断供给氧，一般通过供给 无菌空气来实现；
第二节 酶的发酵生产
三、微生物酶的发酵生产
（二）发酵方法 3. pH值的控制 细菌和放线菌的生长最适pH值为6.5～8.0；霉 菌和酵母的生长最适pH值为4～6；植物细胞的 生长最适pH值为5～6。
第二节 酶的发酵生产
第六节 酶反应器
二、酶反应器的设计原则
底物的酶促反应动力学以及温度、压力和pH等 操作参数对反应器的影响，反应器的类型和反 应器内流体的流动状态及传热特性，生产工艺 流程和生产量的需求等。在设计酶反应器时， 还应在经济、社会、时间和空间上实现最优化。
第六节 酶反应器
三、酶反应器的性能评价
第五节 酶与细胞的固定化
二、细胞的固定化
（一）吸附法 （二）包埋法 将细胞包埋在多孔载体内部而制成固定化细胞 的方法称为包埋法。包埋法可分为凝胶包埋法、 纤维包埋法和微胶囊法。其中凝胶包埋法应用 最广泛
第五节 酶与细胞的固定化
三、固定化酶的性质
（一）酶的活性变化 （二）酶稳定性提高 （三）最适pH的变化
（一）金属离子置换修饰 （二）大分子结合修饰 （三）侧链基团修饰
（四）侧链水解修饰
第四节 酶分子的改造
二、酶的蛋白质工程
酶的蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起 来的，酶的蛋白质工程致力于天然蛋白质的改 造，制备各种定做的蛋白质。
第四节 酶分子的改造
三、生物酶的人工模拟
人工合成酶：在结构上具有两个特殊部位：底 物结合位点、催化位点。 固氮酶的模拟、过氧化氢酶、生物印迹技术 抗体酶：本质上是免疫球蛋白，在其易变区域 赋予了酶的活性。抗体酶具有较高的活性，其 催化效率远比模拟酶高。
三、微生物酶的发酵生产
（三）培养基 1. 碳源 2. 氮源
3. 无机盐
4. 生长因子
5. 产酶促进剂
第二节 酶的发酵生产
三、微生物酶的发酵生产
（四）提高酶产量的措施 1.添加诱导物 酶作用底物、酶反应产物、酶底物类似物
2.控制阻遏物浓度
3.表面活性剂
第四节 酶分子的改造
一、酶分子修饰
酶分子修饰是指通过各种方法使酶分子结构发 生某些改变，从而改变酶的某些特性和功能的 技术。 主要包括金属离子置换修饰、大分子结合修饰、 侧链基团修饰、肽链有限水解修饰、核苷酸链 有限水解修饰、氨基酸置换修饰和酶分子物理 修饰等。
第四节 酶分子的改造
一、酶分子修饰
第三节 酶的分离纯化
一、酶制剂生产的基本过程
（八）萃取分离 萃取分离是利用物质在两相中的溶解度不同而 使其分离的技术。萃取中的两相一般为互不相 溶的两个液相或其他流体。按照两相的组成不 同，萃取可以分为有机溶剂萃取、双水相萃取、 超临界萃取和反胶束萃取等。
第三节 酶的分离纯化
一、酶制剂生产的基本过程
第二节 酶的发酵生产
一、产酶菌种的筛选
（二）菌株筛选过程 主要包括以几个步骤：含菌样品的采集，菌种 分离，产酶性能测定及复筛等。
第二节 酶的发酵生产
一、产酶菌种的筛选
（三）产酶常用的微生物 1．细菌 2．放线菌
3．霉菌
4．酵母菌
第二节 酶的发酵生产
二、基因工程菌的构建
一、酶制剂生产的基本过程
（三）沉淀分离
第三节 酶的分离纯化
一、酶制剂生产的基本过程
（四）离心分离 （五）过滤与膜分离
第三节 酶的分离纯化
一、酶制剂生产的基本过程
（六）层析分离
第三节 酶的分离纯化
一、酶制剂生产的基本过程
（七）电泳分离 带电离子在电场中向着与其本身所带电荷相反 的电极移动的过程称为电泳。 电泳的方法很多。纸电泳、薄层电泳、薄膜电 泳、凝胶电泳、自由电泳和等电聚焦电泳 。
（四）最适温度提高
（五）反应动力学常数变化
第五节 酶与细胞的固定化
四、固定化酶的指标
（一）相对酶活力 （二）酶的活力回收率 （三）固定化酶的半衰期
第六节 酶反应器
一、酶反应器的基本类型
（一）搅拌罐型反应器 （二）固定床型反应器 （三）流化床型反应器
（四）膜式反应器
间歇式酶反应器
（九）结晶 结晶是溶质以晶体形式从溶液中析出的过程。 酶的结晶是酶分离纯化的一种手段。酶在结晶 之前，酶液必须经过纯化达到一定纯度和浓度。
第三节 酶的分离纯化
一、酶制剂生产的基本过程
（十）干燥 干燥是将固体、半固体或浓缩液中的水分或其 他溶剂除去一部分，以获得含水分较少的固体 物质的过程。物质经过干燥后，可以提高酶的 稳定性，利于产品保存、运输和使用。常用的 干燥方法有真空干燥、冷冻干燥、喷雾干燥、 气流干燥和吸附干燥等。
理想的宿主载体系统应具备以下几个特性：① 载体与宿主相容，携带酶基因的载体能在宿主 中稳定维持；②菌体容易大规模培养，生长无 特殊要求，且能利用廉价的原料；③所生产的 目标酶占总蛋白质的比例较高，且能以活性形 式分泌；④宿主菌对人安全、不分泌毒素。
第二节 酶的发酵生产
三、微生物酶的发酵生产
微生物酶的发酵生产是指在人工控制的条件下， 有目的利用微生物培养来获得所生产需要的酶 制剂。微生物酶的发酵生产包括菌种活化、菌 种扩大培养、培养基制备和发酵生产等。
第七节 生物传感器
三、生物传感器的发展前景
（一）功能更加全面，朝微型化方向发展 （二）智能化程度更高
第八节 酶的应用
一 、 酶 应 用 的 领 域
第八节 酶的应用
二、酶应用的例子
（一）酶在葡萄糖生产中的应用 葡萄糖的酶法生产工艺流程： 淀粉→调浆→液化→糖化→脱色→过滤→离子 交换→真空浓缩→结晶→分离→干燥→葡萄糖 产品
微 生 物 发 酵 产 酶 的 一 般 工 艺 流 程
第二节 酶的发酵生产
三、微生物酶的发酵生产
微生物酶的发酵生产是指在人工控制的条件下， 有目的利用微生物培养来获得所生产需要的酶 制剂。微生物酶的发酵生产包括菌种活化、菌 种扩大培养、培养基制备和发酵生产等。微生 物发酵产酶的一般工艺流程如图4-1所示。
广义：是指研究酶的生产和应用的一门技术性 学科，它包括酶的发酵生产、酶的固定化、酶 的化学修饰、酶反应器和酶的应用等方面内容。
第一节 酶工程概述
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二、酶的发展历程
1833年 1896年 1913年 1926年 1960年 1965年 1982年 20多年来，新发现的 核酸类酶越来越多
第二节 酶的发酵生产
三、微生物酶的发酵生产
（一）菌种活化与扩大培养 应用于生产时，保藏菌种必须接种于新鲜的斜面培养 基或液体培养基，在合适的条件下培养一定时间，以 恢复菌种的活力，称之为菌种活化。 活化的菌种经过种子罐扩大培养后得到的菌种称一级 菌种，可用作发酵罐大规模生产；如果生产规模非常 大，还需将菌种再扩大培养一次，称为二级菌种。
第七节 生物传感器
一、生物传感器的原理
生物传感器是使用固定化的生物分子结合换能 器，用来侦测生物体内或生物体外的环境化学 物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一 种装置。
第七节 生物传感器
一、生物传感器的原理
工作原理：待测物质经扩散作用进入固定化生 物敏感层，经分子识别，发生生物化学反应， 产生的信息继而被相应的化学或物理换能器转 化为可定量和可处理的电信号，再经仪表的放 大和输出，便可获得待测物的相关数据信息。
第三节 酶的分离纯化
三、酶制剂的保存
（一）温度 （二）缓冲液 （三）氧化/还原
（四）蛋白质的浓度及纯度
第四节 酶分子的改造
一、酶分子修饰
酶分子修饰是指通过各种方法使酶分子结构发 生某些改变，从而改变酶的某些特性和功能的 技术。 主要包括金属离子置换修饰、大分子结合修饰、 侧链基团修饰、肽链有限水解修饰、核苷酸链 有限水解修饰、氨基酸置换修饰和酶分子物理 修饰等。
第四章 酶工程
第一节 酶工程概述
一、酶及酶工程的概念
（一）酶 1．酶的定义 酶是具有生物催化功能的生物大分子，按照其 化学组成，可以分为蛋白类酶（P酶）和核酸 类酶（R酶）两大类别。蛋白酶主要是由蛋白 质组成，核酸类酶主要由核酸（RNA）组成。 目前已发现的酶有7000种以上
第一节 酶工程概述