第二章微生物发酵产酶
第二章 微生物发酵产酶
曲霉、欧文氏菌 啤酒酵母、假丝酵母
水勇果于加工开，始果，汁、才果能酒找澄到清，成麻类纤维脱胶
功的路
制造转化糖
凝乳酶
米赫毛霉、大肠杆菌和真菌生产的重组酶 制造乳酪
脂肪酶 葡萄糖氧化酶 葡萄糖异构酶 青霉素酰化酶
曲霉、根霉、酵母等 青霉、曲霉 凝结芽胞杆菌，白色链霉菌 细菌、霉菌、放线菌
加酶洗涤剂，油脂加工，生物化工 食品去氧、除葡萄糖，测定葡萄糖 生产果葡糖浆 制造6-氨基青霉烷酸
第三节 发酵工艺条件及控制
工艺流程
原生质体 固定化原生质体
培养基
保藏细胞 细胞活化 扩大培养
发酵 分离纯化
酶
固定化细胞
预培养 无菌空气
一、细胞活化与扩大培养
1、生产菌种的来源
（1）购买或筛选
向菌种保藏机构索取有关的菌株，从中筛选所需菌株。 中国工业微生物菌种保藏中心（CICC）； 中国典型培养物保藏中心（CCTCC，又称武大保藏中心）
一、产酶菌种的要求
1、发酵周期短，产量高； 2、容易培养和管理； 3、产酶稳定性好，不易变异退化，不易被感染； 4、利于酶的分离纯化； 5、安全可靠，无毒性。（非致病菌）。
二、产酶微生物
菌种是发酵生产酶的重要条件。已经在自然界中 发现的酶有数千种，目前投入工业发酵生产的酶约有 50～60种。它们的生产菌种十分广泛，包括细菌、放 线菌、酵母菌、霉菌。
工业规模应用的微生物酶和它们的某些来源
酶
α-淀粉酶
葡萄糖淀粉酶 中性蛋白酶 碱性蛋白酶
植酸酶
产酶微生物 枯草芽胞杆菌， 地衣芽胞 杆菌， 米曲霉
米曲霉，黑曲霉，米根霉 枯草芽胞杆菌，米曲霉
地衣芽胞杆菌 黑曲霉，毕赤酵母工程菌株
第二章微生物发酵20121120
• 适应型酶 环境因素对它们的合成速率影 响较大。
• 研究结果表明，转录水平的调节控制对酶 的生物合成是最重要的。
4.原核生物中酶生物合成的调节
• 转录水平的调节控制，又称为基因的调节， 它最早是由雅各(Jacnb)和莫诺德(Monod) 于1960年提出的操纵子学说来阐明的。 1965年，莫诺与雅可布即荣获诺贝尔生理 学与医学奖。
• 提供转录停止信号的DNA序列叫终止子。
5.转录的起始
• RNA转录酶结合到DNA链上，DNA双链部 分解开形成转录空泡.由σ因子辨认转录起 始位点。
• 加入的第一个核苷三磷酸常是GTP或ATP。所形成 的启动子、全酶和核苷三磷酸复合物称为三元起 始复合物，第一个核苷三磷酸一旦掺入到转录起 始点， σ亚基就会被释放脱离核心酶。
园盘固体发酵机
产品描述
• 规格范围:直径2m-12m 园盘固体发酵机（园盘式自动微生物培养 床），是在微生物培养平床的基础上不断 改进，并吸收国外某些先进经验，设计制 造。通过实践证明，比微生物培养平床更 先进，更优越，其条件更合适微生物的生 成、发育。
园盘式自动微生物培养床（园盘制 曲机）的主要特点
2、酶的发酵生产的种类
• 根据微生物培养方式的不同可分为： • 固体培养发酵 • 液体深层发酵 • 固定化微生物细胞发酵 • 固定化微生物原生质体发酵
1）. 固体发酵法
定义：利用麸皮和米糠为主要原料，添加谷 壳，豆饼等，加水拌成半固体状态，供微 生物生长和产酶用。
浅盘法、转桶法、厚层通气法
（1）浅盘法：将固态培养基平铺在浅盘（多为木
二、蛋白质的生物合成——翻译
• 翻译：以mRNA为模板，以氨基酸为底物，在核 糖体上通过各种tRNA，酶和辅助因子的作用， 合成多肽的过程。
第二章 (酶工程)微生物发酵产酶ppt课件
分解代谢物阻遏现象：
实验：细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基上生长，优先 利用葡萄糖。待葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，产生 了两个对数生长期中间隔开一个生长延滞期的“二次 生长现象”(diauxie或biphasic growth）。
这一现象又称葡萄糖效应， 产生的原因是由于葡萄糖降解 物阻遏了分解乳糖酶系的合成。 此调节基因的产物是环腺苷酸 受体蛋白（CRP）,亦称降解物 基因活化蛋白（CAP）。
腺苷酸 环化酶 cAMP
抑制
CAP：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein）
5'-AMP
磷酸二酯 酶 激活
分解代 谢产物
三、提高酶产量的策略
（一）菌种选育（一劳永逸） 1.诱变育种
(1) 使诱导型变为组成型——选育组成型突变株
(2)使阻遏型变为去阻遏型
C R P c A M P 复 合 物
C R P + c A M P
cAMP-CRP复合物的作用示意图
操纵基因（Operater gene）:
位于启动基因和结构基因之间的一段碱基 顺序，能特异性地与调节基因产生的变构蛋 白结合，操纵酶合成的时机与速度。
结构基因（Structural gene）:
决定某一多肽的DNA模板，与酶有各自 的对应关系，其中的遗传信息可转录为 mRNA，再翻译为蛋白质。
阻遏蛋白
蛋白质
诱导剂
调节基因(regulator gene)：
可产生一种组成型调节蛋白(regulatory protein) （一种变构蛋白），通过与效应物 (effector) （包括诱导物和辅阻遏物）的特异结合 而发生变构作用，从而改变它与操纵基因的结合力。 调节基因常位于调控区的上游。
酶的发酵生产
分解代谢物阻遏
定义：容易利用的基质（常为碳源）阻遏某些酶 （主要是诱导酶）生物合成的现象。
cAMP receptor protein
第四节 酶的发酵生产技术
一、微生物发酵产酶方式
1、固体培养 利用麸皮和米糠为主要原料，添加谷 壳，豆饼等，加水拌成半固体状态，供 微生物生长和产酶用。 浅盘法、转桶法、厚层通气法
含菌体较少，利于产品分离。 缺点：（1）不能强烈搅拌；（2）技术要求高，传质 传热效果差（氧气供给，温度控制。培养基成分的控 制）；理论研究阶段；（3）只适用于胞外酶的生产。
4、固定化原生质体发酵（80年代中期）
优点：（1）解除细胞壁扩散障碍，可使胞内物质分泌 到胞外，变革了胞内酶的生产工艺和技术路线；（2） 可使细胞胞间质中的物质，如碱性磷酸酶等变为胞外 产物；（3）稳定性良好，可反复或连续使用。 。缺点：（1）原生质体的制备比较复杂；（2）发酵培 养基中需维持较高的渗透压；（3）要防止细胞壁再生
河南科技学院
第二章 酶的发酵生产
Producting Enzyme by Fermention
第一节 酶的生产方法
一、酶的生产：指经过预先设计，通过人工操 作控制而获得所需的酶的过程。 二、酶的生产方法 1、提取法：最早采用的方法，现仍继续使用。 指采用各种提取、分离技术从动、植物或微 生物细胞或组织中将酶提取分离出来。 优缺点：方法简单，有时候需先培养含酶组织 或细胞而使工艺路线变得复杂，且产品杂质 多造成分离纯化困难。
பைடு நூலகம்
工业规模应用的微生物酶和它们的某些来源
纤维素酶 半纤维素 酶 里氏木霉、黑曲霉
木霉、曲霉、根霉
水洗布生产，饲料添加剂，消 化植物细胞壁 饲料添加剂，消化植物细胞壁， 低聚木糖生产
02第二章 微生物发酵产酶 第三章 动植物细胞培养产酶
Amylase from Bacillus Protease from Bacillus Phosphatase from Bacillus Glucoamylase from Aspergillus …… Plant cell culture Animal cell culture
Few examples
30
进 位
成肽 转 位
31
合成终止
32
高效率的蛋白 质合成体系
33
蛋白质的折叠
蛋白质的空间结构如何形成？ 功能与结构如何统一？ 体外、体内的结构如何变化？
蛋白质分子设计及蛋白质工程的需要 越来越多的基因工程产物需要复性复活, 要求蛋白质折叠 的理论及技术的指导。基因工程重组蛋白类产物必须要形 成正确的折叠才能表现出功能和活性。
19
蛋白质合成的几个要素-遗传密码，nucleotide triplet codon
mRNA分子中,每三个相邻的核苷酸组成的三联体 代表某种氨基酸或其它信息，称为密码子或三联 密码。 四种核苷酸编成三联体可形成43个即64个密码子。 其中： 一个起始密码: AUG
三个终止密码: UAA
可产生一种组成型调节蛋白(regulatory protein) （一种变构蛋白），通过与效应物 (effector) （包括诱导物和辅阻遏物）的特异 结合而发生变构作用，从而改变它与操纵基因 的结合力。 调节基因常位于调控区的上游。
38
启动基因（promotor gene）（启动子）：
有两个位点： （1）RNA聚合酶的结合位点 （2）cAMP-CAP的结合位点。 CAP：分解代谢产物基因活化蛋白（catabolite gene activator protein），又称环腺苷酸受体蛋白(cAMP receptor protein，CRP）。 只有cAMP-CRP复合物结合到启动子的位点上，RNA 聚合酶才能结合到其在启动子的位点上，酶的合成才 能开始。 P S DNA O R
酶工程第二章微生物发酵产酶
精品医学ppt
6
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7
参与白酒生产中的微生物
1.霉菌
白酒生产常见的霉菌菌种：曲霉、根霉、念珠霉、青
霉、链孢霉等。
2.酵母菌
常见的酵母菌菌种：酒精酵母、产酯酵母、假丝酵母
采用固态配醅发酵，发酵物料的含水量较低，常 控制在55%～65%；
在较低温度下边糖化边发酵，保证酶和酵母的活 性，有利于香味物质的形成和累积；
多种微生物混合发酵，保证有益微生物正常生长 繁殖和发酵代谢；
固态甑桶蒸馏提取成品酒。大曲酒酿造分为清渣 法和续渣法两种。
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大曲分类（按微生物来源）
传统大曲，菌种来源于大自然。 强化大曲，人工接入某些特殊菌种，使大曲在
糖化力、发酵力或产香方面更加突出。 纯种大曲，采用多菌纯种培养大曲，该大曲出
酒率高，是今后发展方向。
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大曲分类（按制曲温度分）
高温大曲，培养制曲的最高温度在60℃以上，酱 香型和部分浓香型大曲酒，采用此大曲。
用的碳源等）经过分解代谢产生的物质阻遏某 些酶（主要是诱导酶）生物合成的现象。 例如：葡萄糖阻遏 – 半乳糖苷酶的生物合成。
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转录水平的调节——操纵子学说
转录水平的调节机制 2、酶生物合成的诱导作用 加入某些物质使酶的生物合成开始或加速进行
的现象，成为酶生物合成的诱导作用，简称为 诱导作用。 如：乳糖诱导分解乳糖相关酶的产生。
第二章 微生物发酵产酶
第二章 酶的生物合成与发酵生产
第二章酶的生物合成与发酵生产酶工程就是将酶所具有的生物催化功能，借助工程手段应用于社会生活的一门科学技术。
酶制剂是如何生产的呢？我们知道，酶是活细胞产生的具有催化作用的生物大分子，广泛存在于动植物和微生物体内。
酶的生产方法有三种：提取分离法、生物合成法、化学合成法。
生物合成法又包括：微生物细胞发酵产酶、植物细胞发酵产酶和动物细胞发酵产酶第一节酶生物合成及调节一、酶的生物合成先从遗传信息传递的中心法则谈起（1958年，Crick提出）遗传信息传递的中心法则：生物体通过DNA复制将遗传信息由亲代传递给子代，通过RNA 转录和翻译而使遗传信息在子代得以表达。
DNA具有基因的具有基因的所有属性。
基因是DNA的一个片段，基因的功能最终由蛋白质来执行，RNA控制着蛋白质的合成。
核酸是遗传的物质基础，蛋白质是生命活动的体现者。
1970年Temin和Baitimore发现了逆转录酶，是对中心法则的补充。
即：细胞能否合成某种酶分子。
首先取决于细胞中的遗传信息载体－DNA分子中是否存在有该酶所对应的基因。
DNA分子可以通过复制生成新的DNA，再通过转录（transcription）生成所对应的RNA，然后再翻译（translation）成为多肽链，经加工而成为具有完整空间结构的酶分子。
（一）RNA的生物合成--转录(transcription)P102DNA分子中的遗传信息转移到RNA分子中的过程，称为转录。
转录：见课件附图，书P102定义：以DNA为模板，以核苷三磷酸为底物，在RNA聚合酶（转录酶）的作用下，生成RNA分子的过程。
模板链（template strand）：又称反意义链（antisense strand），指导转录作用的一条DNARNA的转录过程：转录过程分为三步：起始、延长、.终止补充：原核生物的RNA聚合酶(DDRP)-见课件附图E.coli的RNA聚合酶是由四种亚基组成的五聚体（α2、β、β′、）全酶（holoenzyme）包括起始因子σ和核心酶（core enzyme）。
酶工程 考试重点
第二章微生物发酵产酶名词解释酶生物合成的诱导作用：加入某些物质使酶的生物合成开始或加速进行的现象酶生物合成的反馈阻遏作用：又称产物阻遏作用，是指酶催化反应的产物或代谢途径的末端产物使该酶的生物合成受到阻遏的现象分解代谢物阻遏作用：是指某些物质（主要是指葡萄糖和其他容易利用的碳源等）经过分解代谢产生的物质阻遏某些酶（主要是诱导酶）生物合成的现象判断组成酶or诱导酶受什么阻遏固定化细胞：又称为固定化活细胞或固定化增殖细胞，指采用各种方法固定在载体上，在一定的空间范围进行生长、繁殖和新陈代谢的细胞固定化原生质体：是指固定在载体上，在一定的空间范围内进行新陈代谢的原生质体原生质体：是除去细胞壁后由细胞膜及包内物质组成的微球体。
原生质体由于除去细胞壁这一扩散屏障，有利于胞内物质透过细胞膜分泌到细胞外，可以用于胞内酶等胞内产物的生产。
问答题何为细胞产酶动力学，简述其动力学模型产酶动力学主要研究发酵过程中细胞产酶速率以及各种因素对产酶速率的影响规律，主要为宏观产酶动力学。
根据细胞产酶模式的不同，产酶速率和细胞生长速率的关系也有所不同。
1)同步合成型的酶：其产酶与细胞生长欧联，在平衡期产酶速率为零，即非生长偶联的比产酶速率β=0 方程： dE /dt=αμX2)中期合成型的酶：在培养液中有阻遏物存在，α=0，无酶产生。
在此阶段的产酶动力学方程与同步合成型相同3)滞后合成型：其合成模式为非生长偶联行，生长偶联的比产酶系数α=0 方程： dE/dt=βX4)延续合成型的酶：在细胞生长期和平衡期均可以产酶，产酶速率是生长偶联与非生长偶联产酶速率之和（最理想状态）方程： dE /dt=αμX+βX受mRNA抑制的模型：1）、2）原核生物中酶生物合成的调节主要是转录水平的调节，与酶的生物合成密切相关的基因有4种：调节基因、启动基因、操纵基因和结构基因。
结构基因与操纵基因、启动基因一起组成操纵子。
原核生物中有两种类型操纵子：诱导性，如乳糖操纵子；阻遏型操纵子，如色氨酸操纵子。
微生物发酵产酶
抗体酶 （abzyme）
是一种具有催化功能的抗体分子，在其可变区赋予了酶的属性。
抗体酶制备的理论依据： 1948年， Pauling提出的过渡态理论； 1975年，Kohler和 Milstein发明的单克隆抗体制备技术； 1986年，Lerner和Schultz 分别获得具有催化活性的抗体酶。此 后，不少抗体酶被制备出来。
本章小结
1. 不是所有的微生物都能用于发酵产酶；
2. 微生物生长有4个时期，微生物培养产酶有4种方式，可根据 蛋白质生物合成理论、操纵子理论调节控制；
3. 影响微生物生长的环境因素有：培养基的组成、pH、温度、 溶解氧，精心调节，效益增加；
4. 固定化微生物发酵产酶是在传统方式上的一种新尝试，优点 很多。
一、酶生物合成的模式 二、细胞生长动力学 三、产酶动力学
酶生物合成的模式
细胞生长过程（4个阶段）： 调整期、生长期、平衡期、衰退期。
酶生物合成模式（4种）： P60图2－9 ➢ 同步合成型 ➢ 延续合成型 ➢ 中期合成型 ➢ 滞后合成型 结论：最理想的合成模式是延续合成型。
第五节 固定化微生物细胞发酵产酶 第六节 固定化微生物原生质体发酵产酶
P53
调节pH值的必要性: 培养基的pH值与细胞的生长、繁殖以及 发酵产酶关系密切。
pH值变化的原因：
细胞的生长和代谢产物的积累；
细胞特性；
培养基的组成成分；
P54
发酵工艺条件。
调节pH值常用的的方法：
改变培养基的组分或其比例； 使用缓冲液； 通过流加适宜的酸、碱溶液到培养 基中。
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产生一种阻遏 决定酶的合成
蛋白，由多个 是否开始，有
亚基组成。 两个位点：一
酶工程--酶的微生物发酵生产 ppt课件
酶发酵生产的一般工艺流程图
保藏菌种
试管斜面培养（活化）
摇瓶扩大培养
种子罐培养 培养基 发酵罐
分离纯化 酶
无菌空气
二、酶生产菌种 （一）产酶菌种的要求
（1）产酶量高； （2）繁殖快，发酵周期短；
（3）产酶稳定性好，不易退化，不易被感染；
（4）能够利用廉价原料，容易培养和管理； （5）安全性可靠，非致病菌。
液体培养基，经灭菌、冷却后，接入产酶细胞，在一定条件 下发酵。
2、固体培养发酵
培养基以麸皮、米糠等为主要原料，经灭菌后，接入产酶菌 株，在一定条件下发酵。
3、固定化细胞发酵（70年代后期发展）
将细胞固定在载体上后，进行发酵生产。
4、固定化原生质体发酵（80年代中期发展）
原生质体是指除去了细胞壁的微生物细胞或植物细胞。
酶合成的基因调控类型：诱导和阻遏
1、酶合成的诱导作用
加进某些物质，使酶的生物合成开始或加速的现象，称为 诱导作用。 诱导物一般是酶催化作用的底物或其底物类似物。 例：乳糖诱导ß-半乳糖苷酶的合成 淀粉诱导a-淀粉酶的合成
2、酶合成的阻遏 （1）终产物阻遏
指酶催化反应的产物或代谢途 径的末端产物使该酶的生物合成受 到阻遏的现象。
二、应用微生物来开发酶的优点 1、微生物种类多，酶种丰富； 2、微生物生长繁殖快，易提取酶，特别是胞外酶； 3、微生物培养基来源广泛，价格便宜； 4、可采用微电脑等新技术，控制酶发酵生产过程； 5、可利用以基因工程为主的近代分子生物学技术选 育菌种，增加酶的产率和开发新酶种。
三、酶发酵生产的类型 1、液体深层发酵：
第二节 酶生物合成的基本理论
一、酶生物合成的过程
DNA
转录
RNA
酶工程 1~10章题目及答案
第一章绪论试题精选一、名词解释1、酶2、酶工程3、核酸类酶4、蛋白类酶5、酶的生产6、酶的改性7、酶的应用8、酶的专一性9、酶的转换数二、填空题1、根据分子中起催化作用的主要组分的不同，酶可以分为_蛋白类酶_和核酸类酶_两大类。
2、核酸类酶分子中起催化作用的主要组分是_核糖核酸，蛋白类酶分子中起催化作用的主要组分是_蛋白质_。
3、进行分子内催化作用的核酸类酶可以分为_自我剪切酶_，_自我剪接酶_。
4、酶活力是_酶量_的量度指标，酶的比活力是_酶纯度_的量度指标，酶的转换数的主要组分是_酶催化效率_的度量指标。
5、非竞争性抑制的特点是最大反应速度Vm_减小_，米氏常数Km__不变_。
三、选择题1、酶工程是（C）的技术过程。
A、利用酶的催化作用将底物转化为产物B、通过发酵生产和分离纯化获得所需酶C、酶的生产与应用D、酶在工业上大规模应用2、核酸类酶是（D）。
A、催化RNA进行水解反应的一类酶B、催化RNA进行剪接反应的一类酶C、由RNA组成的一类酶D、分子中起催化作用的主要组分为RNA的一类酶3、RNA剪切酶是（B）。
A、催化其他RNA分子进行反应的酶B、催化其他RNA分子进行剪切反应的R酶C、催化本身RNA分子进行剪切反应的R酶D、催化本身RNA分子进行剪接反应的R酶4、酶的改性是指通过各种方法（A）的技术过程。
A、改进酶的催化特性B、改变酶的催化特性C、提高酶的催化效率D、提高酶的稳定性5、酶的转换数是指（C）。
A、酶催化底物转化成产物的数量B、每个酶分子催化底物转化为产物的分子数C、每个酶分子每分钟催化底物转化为产物的分子数D、每摩尔酶催化底物转化为产物的摩尔数四、判断题（V）1、相同的酶在不同的pH条件下进行测定时，酶活力不同。
（V）2、竞争性抑制的特点是最大反应速度Vm不变，米氏常数Km 增大。
（X）3、催化两个化合物缩成一个化合物的酶称为合成酶。
（X ）4、RNA剪切酶是催化RNA分子进行剪切反应的核酸类酶。
微生物的发酵与产酶过程
微生物的发酵与产酶过程微生物的发酵与产酶过程是一种重要的生物技术，在食品工业、药品制造以及环境保护等领域扮演着重要角色。
微生物发酵通过利用微生物的代谢作用，将有机废弃物转变为有用的化合物，产酶则是指微生物在发酵过程中产生并分泌的特定酶类。
本文将从微生物发酵和产酶的定义、发酵与产酶的应用以及发酵与产酶的前景等方面来探讨微生物的发酵与产酶过程。
一、微生物发酵和产酶的定义微生物发酵是指在合适的条件下，利用微生物的代谢活动，通过控制发酵过程，获得所需产物的一种生物技术。
微生物发酵一般分为液态发酵和固态发酵两种形式。
液态发酵常用于大规模工业生产，而固态发酵则更适用于小规模生产和特定产品的制备。
产酶是微生物在发酵过程中分泌的特定酶类，这些酶能够催化特定底物的转化反应。
产酶的种类很多，包括脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶等。
这些酶在医药、食品、化工等行业中具有重要的应用价值。
二、发酵与产酶的应用1. 食品工业中的应用微生物发酵在食品工业中被广泛应用。
例如，嗜酸乳杆菌可以发酵牛奶，制成酸奶。
酸奶中的乳酸菌有助于改善肠道菌群，增强人体免疫能力。
此外，假丝酵母菌的发酵可以产生酵母、面包、啤酒等食品。
2. 药品制造中的应用微生物发酵在药品制造中也起到重要的作用。
通过微生物发酵，可以产生多种药用物质，如抗生素、肽类药物等。
其中，青霉素是一种广泛应用的抗生素，通过青霉菌的发酵生产得到。
3. 环境保护中的应用微生物发酵还可以应用于环境保护领域。
例如，利用微生物发酵处理有机废弃物，可以将废物转化为有机肥料或生物柴油。
这种方法不仅能减少废弃物对环境的污染，还能获得可再利用的资源。
三、发酵与产酶的前景微生物的发酵与产酶技术在许多领域都显示出广阔的应用前景。
随着科学技术的不断发展，微生物的发酵与产酶技术也在不断创新和改进。
以下是展望微生物发酵与产酶技术的几个发展方向。
1. 高效产酶菌株的筛选与改造在微生物发酵过程中，寻找和改造高产酶菌株是提高产酶效率的关键。
《酶工程》课件-微生物发酵产酶
05
微生物发酵产酶存在问题与挑战
产量问题
微生物发酵产酶产量低
由于微生物发酵过程中受到多种因素 的影响，如营养物质的供应、发酵条 件、微生物菌种等，导致酶的产量较 低。
发酵周期长
微生物发酵产酶通常需要较长的发酵 周期，这增加了生产成本和时间成本。
稳定性问题
酶稳定性差
许多酶在发酵过程中容易受到温度、pH值、金属离子等因素的影响，导致酶的稳定性降低。
04
微生物发酵产酶应用实例
工业应用
洗涤剂制造
微生物发酵产生的酶可用于制造 洗涤剂，如蛋白酶用于去除蛋白 质污渍，淀粉酶用于去除淀粉污
渍。
纺织工业
利用微生物发酵产生的酶处理纺织 品，可以改善其质地、手感和外观， 如纤维素酶用于棉织物的生物抛光。
造纸工业
通过微生物发酵产酶技术，可以改 进造纸工艺，提高纸张质量和降低 环境污染，如木聚糖酶用于纸浆漂 白。
过程优化与控制
通过人工智能技术，对微生物发酵产酶过程进行建模和优化，提高 目标酶的产量和质量。
个性化定制酶
结合人工智能和基因工程技术，实现个性化定制酶的合成，满足不 同领域的需求。
THANKS
感谢观看
《酶工程》课件-微生物发酵 产酶
• 微生物发酵产酶概述 • 微生物发酵产酶原理与过程 • 微生物发酵产酶技术与方法
• 微生物发酵产酶应用实例 • 微生物发酵产酶存在问题与挑战 • 未来发展趋势与展望
01
微生物发酵产酶概述
酶工程简介
酶工程定义
酶工程是生物工程的重要组成部分，是利用酶或者微生物细胞、动植物细胞、 细胞器等具有的生物催化功能，借助工程手段来生产有用物质、设计改造酶或 者生产细胞、器官乃至整个生物体的一门科学技术。
酶工程_02-微生物发酵产酶
一般是酶催化反应的产物或
B. 有阻遏物 … R P O S1 S2 …
代谢途径的末端产物
阻遏物 +
阻遏物
阻遏蛋白 O基因
Enzyme Engineering
酶生物合成的模式（重点）
微生物细胞生长曲线（四阶段）
延迟期（调整期） 生长期（对数生长期） 平衡期 衰退期
酶是蛋白质 ——
微生物发酵产酶
如何获得蛋白？—— 蛋白生物合成
从基因到蛋白质：遗传信息的传递 ——
复制
中心法则
Active Enzyme
DNA
转录 逆转录
RNA
翻译 ？
Protein
折叠
要生物合成一个酶，首先应知道这个酶对应的基因 生成的多肽链必须经过正确的加工修饰，并正确折叠，
才能生成有活性的酶
微生物发酵产酶
Cell amount
酶的生物合成模式（四类）
—— 根据酶产生与细胞生长的关系
同步合成型 延续合成型 中期合成型 滞后合成型
0
A
B Time
C
D
Enzyme Engineering
酶生物合成的模式
酶生物合成的四种模式
酶生物合成的调节
微生物发酵产酶
—— 转录水平
调节模式 1：分解代谢物阻遏作用
某些物质（容易利用的碳源）经过分解代谢产生的物质阻遏了某
些诱导酶生物合成的现象
连锁效应
实质 —— 解决 ——
cAMP 通过启动基因调控酶的合成 添加 cAMP，控制易用碳源的用量
Enzyme Engineering
操纵子 ——
第二章 微生物产酶
滞后合成型
• 1）细胞生长一段时间或进入平衡期以后才开始酶 的合成，又称非生长偶联型。
• 2）许多水解酶属于此合成模型。 • 3）阻碍物存在延缓了酶的合成。 • 4）酶的mRNA稳定。 • 5）滞后合成型↔延续合成型。
6）典型例子：黑曲霉培养合成羧基蛋白酶
图2-11，黑曲霉细胞生长约 24h后，几乎进入平衡期， 此时羧基蛋白酶才开始合成， 直至80h，酶的合成还在继 续。
④最好分泌胞外酶，产量高且易纯化。
⑤能利用廉价原料，营养要求低，对培养基要 求不苛刻，发酵周期短、原料利用率高、易于 培养。
采用一个新的产酶菌时，应有大量病理或动物 喂养实验数据作基础。美国FDA认定可用于食 品医药工业的生产菌有：曲霉（黑曲霉、米曲 霉）、枯草杆菌、某些芽孢杆菌、某些酵母、 根霉等。
5）典型例子：米曲霉培养生产单宁酶
图2-8 所示，单宁酶的生物合成与米曲霉细胞生长同步，属于同步合成 型（生长偶联型）
延续合成型
1）酶的生物合成伴随细胞生长开始，当细胞进入 平衡期后酶还可以继续合成。
2）酶的生物合成可以被诱导物诱导，一般不被细 胞代谢物阻碍。
3）酶的mRNA相当稳定。在平台期仍然可以翻译成 酶。
4）典型的例子， 黑曲霉培养生产聚半乳糖醛酸酶（图2-9A）。
图2-9A，以半乳糖醛酸为诱导物的情况下，培养一段时间以后（约40h）， 细胞生长旺盛，半乳糖醛酸酶开始合成；当细胞生长达到平衡期（约 80h），此酶继续合成，直至约120h以后。呈现延续合成型模式。 图2-9B，以粗果胶（含葡萄糖）为诱导物时，细胞生长较快，但是聚半乳 糖醛酸酶的合成被推迟。 因此，酶合成受到分解代谢物阻遏，葡萄糖被细胞利用完之后，酶才开始 合成，细胞进入平衡期，酶的合成还在继续。呈现滞后合成型模式。
2章(发酵动力学产酶)
在培养过程中， 细胞生长速率与细 胞浓度成正比
X-细胞浓度
μ-比生长速度
营养物浓度（生长限制基质浓度）和生长速率之间的动力学 关系：Monod模型
dX dt
1 X
m S
Ks S
µ:比生长速率（1/h） （specific growth rate）
µmax：最大比生长速率（1/h）
5.3.3固定化细胞连续产酶动力学
在固定化细胞连续发酵过程中， 如反应器内系全混流态， Xf在整个反应器中是均一的，与流出反应器的游离细胞浓 度相同。其细胞生长速率为：
dX ---- =μgXg +μfXf - DXf =μgXg +（μf - D）Xf dt （2-14）
D为稀释率。从式中可以看到，稀释率只会影响游离细胞的浓度，对固定 在载体上的细胞浓度无影响。 当D <μf 时, 发酵容器内的细胞浓度越来越高,直到达到平衡为止。 当D >μf 时,发酵容器内的细胞浓度越来越低, 直到达到新的稳态。 而固定在载体上的细胞浓度不受稀释率的影响。所以，固定化细胞发酵的 显著优点之一，就是可以在高稀释率的条件下进行连续发酵。 在D=μf 的条件下，发酵容器内的细胞浓度达到动态平衡，游离细胞浓度 （Xf）和固定在载体上的细胞浓度（Xg）基本上保持恒定。
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酶工程电子教案第二章微生物发酵产酶◆酶的生物合成：酶在生物体内合成的过程。
◆酶的发酵生产：经过预先设计，通过人工操作，利用微生物的生命活动，获得所需的酶的技术过程。
◆大多数酶的生产采用发酵生产→原因：微生物具有种类多、繁殖快、易培养、代谢能力强等特点◆优良的产酶微生物具备的条件：（1）酶的产量高；（2）产酶稳定性好；（3）容易培养和管理；（4）利于酶的分离纯化；（5）安全可靠、无毒性等。
◆酶的发酵生产的方式：固体培养发酵液体深层发酵固定化微生物细胞发酵固定化微生物原生质体发酵1. 酶生物合成的基本理论◆蛋白类酶和核酸类酶→酶的生物合成主要是指细胞内RNA和蛋白质的合成过程◆合成过程:酶的基因（DNA）→（转录）→RNA →（翻译）→多肽链→（加工、组装）蛋白质1.1 RNA 的生物合成—转录（参考相应的生物化学与分子生物学课程知识）1.2 蛋白质的生物合成—翻译（参考相应的生物化学与分子生物学课程知识）1.3酶生物合成的调节◆组成型酶（Constitutive enzyme）：生物细胞中合成的酶的量比较恒定，这些酶的合成速率影响不大。
如DNA聚合酶、RNA聚合酶、糖酵解途径的各种酶等。
◆适应型酶（Adaptive enzyme）或调节型酶（Regulated enzyme）：生物细胞中合成的酶的含量却变化很大，其合成速率明显受到环境因素的影响。
如大肠杆菌β-半乳糖苷酶。
◆生物体为了适应环境的变化，使代谢过程有条不紊地进行，需要根据各种条件的变化，对各种适应型酶的生物合成进行调节控制。
◇转录水平的调节◇转录产物的加工调节◇翻译水平的调节◇翻译产物的加工调节和酶降解的调节等◆转录水平的调节对酶的生物合成是最重要的调节1.3.1原核生物中酶生物合成的调节机制◆原核生物中酶生物合成的调节主要是转录水平的调节◆雅各（Jacob）和莫诺德（Monod）于1960年提出的操纵子学说（Operon theory）来阐明的。
◇操纵子学说概述启动基因（Promoter gene）：由两个位点组成，一个是RNA聚合酶的结合位点，另一个是环腺苷酸（cyclic AMP, cAMP）与CAP组成的复合物( cAMP-CAP) 的结合位点。
操纵基因（Operator gene）：与调节基因产生的变构蛋白（阻遏蛋白）中的一种结构结合，从而操纵酶生物合成的时机和合成速度。
调节基因（Regulator gene）:产生一种阻遏蛋白。
阻遏蛋白是一种由多个亚基组成的变构蛋白，它可以通过与某些小分子效应物（诱导物或阻遏物）的特异结合而改变其结构，从而改变它与操纵基因的结合力。
当阻遏蛋白与操纵基因结合时，由于空间排挤作用，RNA聚合酶就无法结合到启动基因的位点上，也无法进行结构基因的位置进行转录，酶的生物合成也就无法进行。
结构基因（Strutural gene）：结构基因与多肽链有各自的对应关系。
结构基因上的遗传信息可以转录成为mRNA上的遗传密码，再经翻译成为酶蛋白的多肽链，每一个结构基因对应一条多肽链。
◆操纵子（Operon）：是基因表达和控制的一个完整单元，其中包括结构基因，调节基因，操纵基因和启动基因。
◇诱导型操纵子（Inducible operon）—大肠杆菌乳糖操纵子◇阻遏型操纵子（Repressible operon）—色氨酸操纵子( Trp operon )(1) Trp作为辅阻遏物(corepressor)(2)阻遏物和RNA pol 在P,O重叠区产生竞争性抑制；(3)阻遏物的阻遏能力低，是LacR的1/千；(4)trpO调节合成代谢，存在衰减作用。
色氨酸阻遏衰减子作用◇分解代谢物阻遏作用：是指某些物质（主要是指葡萄糖和其它容易利用的碳源等）经过分解代谢产生的物质阻遏某些酶（主要是诱导酶）生物合成的现象。
（葡萄糖效应、二次生长现象）（1）乳糖操纵子的启动基因内，除RNA聚合酶结合位点外，还有一个称为CAP-cAMP复合物的结合位点（2）cAMP 是环腺苷酸，CAP是降解物基因活化蛋白（又称为cAMP受体蛋白，CRP），当CAP与cAMP结合后，就会被活化。
（3）CAP-cAMP复合物又会激活启动基因，并使RNA 聚合酶与启动基因结合。
（4）乳糖与葡萄糖同时存在时，因为分解葡萄糖的酶类属于组成酶，能迅速地将葡萄糖降解成某种中间产物（X），X既会阻止ATP环化形成cAMP，同时又会促进cAMP分解成AMP，从而降低了cAMP的浓度，继而阻遏了与乳糖降解有关的诱导酶合成。
1.3.2 真核生物酶生物合成的调节◆目前为止，还没有统一的理论和模型来阐述真核生物酶生物合成的调节规律。
◆真核生物细胞中酶合成的调节控制：从细胞分化改变酶的生物合成、基因扩增加速酶的生物合成、增强子促进酶的生物合成、抗原诱导抗体酶的生物合成等。
2.常用的产酶微生物◆用于酶的生产的细胞必须具备几个条件：(1)酶的产量高(2)容易培养和管理(3)产酶稳定性好(4)利于酶的分离纯化(5)安全可靠，无毒性◆产酶微生物: 细菌、放线菌、霉菌、酵母等。
2.1细菌细菌是在工业上有重要应用价值的原核微生物。
在酶的生产中常用的细菌有大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等。
(1)大肠杆菌（Escherichia coli）大肠杆菌细胞有的呈杆状，有的近似球状, 大小为0.5 ×1.0～3.0 μm，一般无荚膜，无芽孢，革兰氏染色阴性，运动或不运动，运动者周生鞭毛。
菌落从白色到黄白色，光滑闪光，扩展。
大肠杆菌可以用于生产多种酶。
大肠杆菌产生的酶一般都属于胞内酶，需要经过细胞破碎才能分离得到。
例如，大肠杆菌谷氨酸脱羧酶，用于测定谷氨酸含量或用于生产γ-氨基丁酸；大肠杆菌天门冬氨酸酶，用于催化延胡索酸加氨生产L-天门冬氨酸；大肠杆菌青霉素酰化酶，用于生产新的半合成青霉素或头孢霉素；大肠杆菌天门冬酰胺酶，对白血病具有显著疗效；大肠杆菌β-半乳糖苷酶，用于分解乳糖或其他β-半乳糖苷。
采用大肠杆菌生产的限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、核酸外切酶等，在基因工程等方面广泛应用。
(2)枯草杆菌（Bacillus subtilis）枯草杆菌是芽孢杆菌属细菌。
细胞呈杆状，大小为0.7～0.8 ×2～3 μm, 单个细胞, 无荚膜，周生鞭毛，运动，革兰氏染色阳性。
芽孢0.6～0.9 ×1.0～1.5 μm,椭圆至柱状。
菌落粗糙，不透明，不闪光，扩张，污白色或微带黄色。
枯草芽孢杆菌是应用最广泛的产酶微生物，可以用于生产α-淀粉酶, 蛋白酶, β-葡聚糖酶，5’-核苷酸酶，碱性磷酸酶等。
例如，枯草杆菌BF7658 是国内用于生产α-淀粉酶的主要菌株；枯草杆菌AS1.398用于生产中性蛋白酶和碱性磷酸酶。
枯草杆菌生产的α-淀粉酶和蛋白酶等都是胞外酶，而其产生的碱性磷酸酶存在于细胞间质之中。
2.2放线菌(actinomycetes)放线菌是具有分支状菌丝的单细胞原核微生物。
常用于酶发酵生产的放线菌主要是链霉菌(Streptomyces)。
链霉菌菌落呈放射状，具有分枝的菌丝体，菌丝直径0.2～1.2μm。
革兰氏染色阳性。
菌丝有气生菌丝和基内菌丝之分，基内菌丝不断裂，只有气生菌丝形成孢子链。
链霉菌是生产葡萄糖异构酶的主要微生物。
还可以用于生产青霉素酰化酶、纤维素酶、碱性蛋白酶、中性蛋白酶、几丁质酶等。
此外，链霉菌还含有丰富的16α羟化酶，可用于甾体转化。
2.3霉菌霉菌是一类丝状真菌。
用于酶的发酵生产的霉菌主要有黑曲霉、米曲霉、红曲霉、青霉、木霉、根霉、毛霉等。
(1) 黑曲霉（Aspergillus niger）黑曲霉是曲霉属黑曲霉群霉菌。
菌丝体由具有横隔的分支菌丝构成，菌丛黑褐色，顶囊大球形，小梗双层，分生孢子球形，平滑或粗糙。
黑曲酶可用于生产多种酶，有胞外酶也有胞内酶。
例如，糖化酶，α-淀粉酶, 酸性蛋白酶，果胶酶，葡萄糖氧化酶，过氧化氢酶，核糖核酸酶，脂肪酶，纤维素酶，橙皮苷酶，柚苷酶等。
(2) 米曲酶(Aspergillus oryzae)米曲霉是曲霉属黄曲霉群霉菌。
菌丛一般为黄绿色，后变为黄褐色，分生孢子头呈放射形，顶囊球形或瓶形，小梗一般为单层，分生孢子球形，平滑，少数有刺，分生孢子梗长达2 mm 左右，粗糙。
米曲霉中糖化酶和蛋白酶的活力较强，这使米曲霉在我国传统的酒曲和酱油曲的制造中广泛应用。
此外，米曲霉还可以用于生产氨基酰化酶、磷酸二酯酶、果胶酶、核酸酶P 等。
(3) 红曲霉（Monascus）红曲霉菌落初期白色，老熟后变为淡粉色、紫红色或灰黑色。
通常形成红色色素。
菌丝具有隔膜，多核，分枝甚繁。
分生孢子着生在菌丝及其分枝的顶端，单生或成链，闭囊壳球形，有柄，其内散生十多个子囊，子囊球形，内含8个子囊孢子，成熟后子囊壁解体，孢子则留在闭囊壳内。
红曲霉可用于生产α-淀粉酶、糖化酶、麦芽糖酶、蛋白酶等。
(4) 青霉(Penicillium)青霉属半知菌纲。
其营养菌丝体无色、淡色或具有鲜明的颜色，有横隔，分生孢子梗亦有横隔，光滑或粗糙，顶端形成帚状分枝，小梗顶端串生分生孢子，分生孢子球形、椭圆形或短柱形，光滑或粗糙，大部分在生长时呈蓝绿色。
有少数种会产生闭囊壳，其内形成子囊和子囊孢子，亦有少数菌种产生菌核。
青霉菌种类很多，其中产黄青霉（Penicillium chrysogenum ）用于生产葡萄糖氧化酶、苯氧甲基青霉素酰化酶（主要作用于青霉素）果胶酶、纤维素酶等。
桔青霉（Penicillium cityrinum）用于生产5’-磷酸二酯酶、脂肪酶、葡萄糖氧化酶、凝乳蛋白酶、核酸酶S1、核酸酶P1等。
(5)．木霉(Trichoderma)木霉属于半知菌纲。
生长时菌落生长迅速，呈棉絮状或致密丛束状，菌落表面呈不同程度的绿色，菌丝透明，有分隔，分枝繁复，分枝上可继续分枝，形成二级分枝、三级分枝，分支末端为小梗，瓶状，束生、对生、互生或单生，分生孢子由小梗相继生出，靠粘液把它们聚成球形或近球形的孢子头。
分生孢子近球形、椭圆形、圆筒形或倒卵形。
光滑或粗糙，透明或亮黄绿色。
木霉是生产纤维素酶的重要菌株。
木霉生产的纤维素酶中包含有C1酶、C x酶和纤维二糖酶等。
此外，木霉中含有较强的17 -α羟化酶，常用于甾体转化。
(6) 根霉(Rhizopus)根霉生长时,由营养菌丝产生匍匐枝，匍匐枝的末端生出假根，在有假根的匍匐枝上生出成群的孢子囊梗，梗的顶端膨大形成孢子囊，囊内产生孢子囊包子。
孢子呈球形、卵形或不规则形状。
根霉可用于生产糖化酶、α-淀粉酶、蔗糖酶、碱性蛋白酶、核糖核酸酶、脂肪酶、果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶等。
根霉有强的11-α羟化酶，是用于甾体转化的重要菌株。
(7) 毛霉(Mucor)毛霉的菌丝体在基质上或基质内广泛蔓延，无假根。