酶在发酵工业生产的应用现状及发展趋势

酶在发酵工业生产中的应用现状和发展趋势

塔骥

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摘要：本文通过列举酶在发酵工业生产中的应用，及在这些应用中的应用现状，对酶法在这些工业生产中未来的发展进行了探讨。

关键词：酶；发酵；工业生产

一、前言

酶制剂行业是高技术产业，它的特点是用量少、催化效率高、专一性强，是为其他相关行业服务的工业。酶制剂产业经历了半个多世纪的起步和迅速成长之后，现已形成一个富有活力的高新技术产业，保持持续高速度发展。过去10年里，国际酶制剂产业的生产技术发生了根本性的变化，以基因工程和蛋白质工程为代表的分子生物学技术的不断进步和成熟，以及对各个应用行业的引入和实践，把酶制剂产业带入了一个全新的发展时期。我国酶制剂已广泛应用于食品、酿造、味精、制药、有机酸、淀粉糖、纺织、皮革、洗涤剂及保健品等很多领域，并且应用领域不断扩大，应用技术水平不断提高，然而与国外先进国家相比尚有差距。

二、酶在发酵工业中的应用

2.1酶法生产葡萄糖

利用酶水解淀粉生产葡萄糖是酶催化工业的一项重大成就，由日本在20世纪50年代末研究成功，现已在全世界普遍采用。酶法生产葡萄糖是以淀粉为原料，先经。一淀粉酶液化成糊精，再用糖化酶催化生成葡萄糖。如北京房山酶制剂总厂的产品耐高温a-淀粉酶采用地衣芽孢杆菌深层培养、提炼等工序精制而成；能随机水解淀粉、糖原及降解物内部的 a-1.4 葡

萄糖苷键使得胶状淀粉溶液的黏度迅速下降，产生可溶性糊精和寡聚糖，过度的水解则可产生葡萄糖和麦芽糖。低聚糖的制备：低聚糖是由3-9个单糖昔键连接而成的低度聚合糖。它之所以具有生理功效，是因为他能促进人体肠道内固有的有益细菌一双歧杆菌的增殖，从而抑制肠道内腐败菌的生长，减少有毒发酵产物的形成。目前，微生物糖昔水解酶在生产中应用较多，而且技术都比较成熟。如利用α-葡萄糖苷酶生产的低聚异麦芽糖，利用节杆菌产生的β一呋喃果糖苷酶合成的低聚乳果糖、低聚半乳果糖等，利用α-半乳糖昔酶生产的棉子糖和密二糖等。

2..2酶法生产蛋白氨基酸

酶催化在化学工业已经被沿用已久,用于生产精细化学品,现正大力开发其潜力。工业开发酶生产氨基酸开始于差不多40 年前,当时日本为了通过固定化酰化酶拆分N-乙酰DL-氨基酸。为了生产L-蛋氨酸,要求用于输液和特别的饮食,这要求继续选择生产方法,使用米曲霉酰化酶在酶膜反应器上酶法拆分可最小化的减少酶的消耗被证明是特别有用的。每年几百吨L-蛋氨酸和L-缬氨酸通过酶膜反应器生产。一个新的酶法生产蛋氨酸的途径近来被提出,该法借助于D 型氨基酸氧化酶和亮氨酸脱氢酶酶法转化DL-蛋氨酸生产L-蛋氨酸,这两种酶均可以通过重组大肠杆菌表达得到。

L-天冬氨酸是适宜酶法获得的又一种氨基酸,天冬氨酸酶催化添加的氨到富马酸上可直接得到L-天冬氨酸,L-天冬氨酸在甜味剂阿斯巴甜生产上大量需要,也是作为使用固定化天冬氨酸β-脱羧酶酶法生产L-丙氨酸的起始原料。随着菌株的开发将来有可能建立L-半胱氨酸生产的发酵技术。3酶法生产核苷酸

5'-核苷酸是一种重要核酸类物质，在食品及医药工业等方面都有着广泛的用途。目前仅有酶法可用来工业化生产四种5'-核苷酸，它是用核酸酶P_1水解酵母RNA的磷酸二酯键以得到5'-核苷酸的。日本早在上世纪70年代就用此方法实现了5'-核苷酸的工业化生产。但是，目前在国内有能力生产核苷酸的厂家比较少，且都存在技术和成本上的严重缺陷，生产的产品很难与国外，特别是与日本的公司抗衡。为了改变这一不利状况，我们开展了酶法生产5'-核苷酸项目的研究。目前项目进展良好，已基本完成了前期的小试研究，即将进入中试扩大化研究阶段。本论文的主要研究内容集中在该项目上游工艺部分，包括核酸酶P_1的发酵以及利用核酸酶P_1催化RNA的水解生产5'-核苷酸（即酶解部分）两部分。目前，国内在上游部分同国外的差距主要是核酸酶P_1的发酵水平低和酶解转化率低等。这些技术上的不足不仅增大了整个项目所需的成本，而且为下游的分离纯化等工作带来了极大的压力。

2.3酶法生产生物柴油

目前，生物柴油的工业化生产方法主要是碱催化法。碱法生产生物柴油速度快且转化率高，但此法在生产过程中产生废碱液，对环境造成污染，且不能处理废油脂。酸催化法适用于游离脂肪酸和水分含量高的反应体系，产率高，但甲醇用量大，反应时间长，需要较高的反应温度。

2001年，Saka S和Kusdiana D提出了超临界法。用超临界法生产生物柴油无需催化剂，反应速率快、转化率高，反应分离可同时进行，但反应需在高温高压的条件下进行，对设备要求相当高且能耗巨大。

生物酶法是以脂肪酶为催化剂，催化油脂与短链醇进行酯交换反应。

与上述方法相比，生物酶法具有多方面的优势)。相对于酸碱化学法，生物酶法酯交换反应醇消耗量较少，产品回收过程简单，无污染排放，适用范围广。跟超临界法相比，生物酶法具有条件温和、醇用量小、产品易于收集、无污染排放等优点，是一种很有潜力的绿色生产方法。但生产中酶的成本过高、甲醇和甘油对酶的毒害作用这两大问题还未能得到根本性地解决，使得生物酶法一直不能在工业生产上得到推广应用。因此，开发价廉高效的酶催化剂以及优化生物柴油的生产工艺对生物柴油的酶法生产尤为迫切。

2.4酶法生产抗生素

β-内酰胺抗生素经过多年的发展，己成为抗生素中的最主要类型之一。由于具有良好的抗菌效力，较低的毒副作用，在临床上广泛应用，其发展非常迅速。现全世界耗用量已过万吨，预计今后还会增长。其中青霉素和头孢菌素为最重要的两大类β-内酰胺抗生素。酶法合成技术始于20世纪60年代末70年代初，经过 30多年的发展，现在酶缩合反应技术、产品分离以及固定化酶技术等方面取得很大的发展，配套技术日益完善，具备了大规模工业化生产的条件，全球著名的β- 内酰胺抗生素生产厂家如荷兰DSM公司已有酶法合成的商品头孢氨苄、阿莫西林等产品面世。由于酶法应用于β-内酰胺抗生素合成，不仅可减少反应步骤，而且还可减少废弃物的产生，有利于保护环境，降低生产成本，产品质量优异，所含杂质极少。因此,21世纪β-内酰胺抗生素的酶法合成将是发展的必然趋势。我国酶法合成研究起步并不晚，但至今仍未形成大规模工业化生产，与国外先进厂家差距较大。随着我国经济快速发展，人们对自身居住环境