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第六章 酶工程制药
30.12.2020
1
第一节 概 述
一、酶工程简介（Enzyme Engineering）
酶工程是酶学和工程学相互渗透结合，发展而形 成的一门新的技术学科。它是从应用的目的出发研究 酶、应用酶的特异催化性能，并通过工程化将相应原 料转化成有用物质的技术。
酶工程的名称出现在20世纪20年代，主要指自然 酶制剂在工业上的规模应用。
1953年，Grubhoger 和 Schleith 提出了酶固定化技 术。
1969年，日本人用固定化技术拆分了DL-氨基酸。 1971年，第一届国际酶工程会议提出酶工程的主 要内容： 酶的生产、分离纯化、酶的固定化、酶及固 定化的反应器、酶和固定化酶的应用。
30.12.2020
2
现代酶工程的主要内容：
要 7. 辅助因子的反应。
30.12.2020
12
三、酶的固定化方法与制备技术
① 物理吸附法
一、载体结合法 ② 离子结合法
二、交联法
③ 共价结合法
① 微囊型
三、包埋法
② 胶囊型
30.12.2020
13
1. 物理吸附法
用物理方法将酶吸附于不溶性载体的一种固定方法 此类载体很多。
无机载体：活性炭、多孔玻璃、酸性白土、 漂白土、高岭石、氧化铝、硅胶、膨润土、羟基磷 灰石、等。
30.12.2020
10
二、固定化酶的特点：
优点;
1. 可以在较长时间内多次使用，而且在多数情况下，
2. 酶的稳定性提高。
3. 2. 反应后，酶与底物和产物易于分开，产物中无残
留
4. 酶，易于纯化，产品质量高。
5. 3. 反应条件易于控制，可实现转化反应的连续化和
自
6. 动化控制。
7. 4. 酶的利用效率高，单位酶催化的底物量增加，用
酶
8. 量减少。
9. 5. 30.12.2020 比水溶性酶更适合于多酶反应。
11
二、固定化酶的特点：
缺点：
1. 固定化时，酶活力有损失。 2. 增加了生产成本，工厂初始投资大。 3. 只能用于可溶性底物，而且较适合于小分子底物 4. ，对大分子底物不适宜。 5. 4. 胞内酶必须经过酶的分离纯化过程。 6. 5. 与完整菌体相比不适宜用于多酶反应，特别是需
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⑶ 目前常用的产酶微生物
A、E.coil：是应用最广泛的产霉菌。分泌胞内酶， 经细胞破碎分离得到。在工业上用于生产谷氨酸 脱羧酶，天门冬氨酸酶、青霉素酰化酶、β-半乳 糖苷酶。 B、枯草杆菌：主要用于生产α-淀粉酶、 β-葡萄 糖氧化酶、碱性磷酸脂酶。 C、啤酒酵母：用于酿造啤酒、酒精、饮料、面包 等。 D、曲酶（黑曲霉和黄曲霉）：主要生产糖化酶、 蛋白酶、淀粉酶、果胶酶、葡萄糖氧化酶、氨基酰 化酶和脂肪酶。 E、其他产酶菌：青霉菌、木霉菌、根霉菌、链霉 菌等。
微生物中得到； B. 微生物繁殖快，生产周期端，培养简便，并可通过控制
培养条件来提高酶的产量； C. 微生物具有较强的适应性，通过各种遗传变异的手段，
能培育出新的高产菌株。
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二、酶的来源和生产商
2、酶的生产菌 ⑴ 对菌种的要求：
a、产酶量高、酶的性质符合使用要求，而且最好是 产生胞外酶的菌； b、不是致病菌，在系统发育上与病原体无关，也不 产生毒素； c、稳定，不易变异退化，不易感染噬菌体； d、能利用廉价的原料，发酵周期短，易于培养。
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2. 离子结合法
优点：操作简单、处理条件温和，酶的高级结构
和活性中心的氨基酸残基不易被破坏，能得到酶活 回收率较高的固定化酶。
缺点：载体和酶的结合力比较弱，容易受缓冲液
种类或pH的影响，在离子强度高的强度下进行反 应时，往往会发生酶从载体上脱落的现象。
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⑵ 生产菌的来源： a、菌种保藏机构和有关研究部门获得。
b、大量要从自然界中分离筛选；自然界是产酶菌种 的主要来源，土壤，深海，温泉，火山，森林等 都是菌种采集地。
筛选产酶菌的方法：采集、菌种的分离初筛，纯化， 复筛和生产性能检定等。 菌种改良的途径：应用遗传学原理进行基因突变，基 因转移和基因克隆。
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二、酶的来源和生产商
1、酶的来源：酶的生产目前只宜直接从生物体中提取 分离。 早期酶的生产多以动植物为主要原料，如激肽释放酶、
菠萝蛋白酶、木瓜蛋白酶。近10年来，研究发展了动植物 组织培养技术，但周期长、成本高。工业生产一般都以微 生物为主要来源。目前使用的千余种商品酶，大多数是微 生物生产的。其特点是： A. 微生物种类繁多，凡是动植物体内存在的酶，几乎都从
的吸附条件不同，吸附量与酶活力不一定呈平行关系； 酶与载体之间结合力不强，酶易于脱落，导致酶活力 下降并污染产物
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2. 离子结合法
离子结合法是酶通过离子键结合于具有离子交 换的水不溶性载体上的固定化方法，此法的载体有 多糖类离子交换剂和合成高分子离子交换树脂，如 DEAE-纤维素。
a. 酶的分离纯化、大批量生产及新酶和酶的应用开发； b. 酶和细胞的固定化及酶反应器的研究，包括酶传感器、
反应监测； c. 酶生产中基因工程技术的应用及遗传修饰酶的研究； d. 酶的分子改造和化学修饰，结构与功能的研究； e. 有机相中酶反应的研究； f. 酶的抑制剂、激活剂的开发与应用研究； g. 抗体酶、核酸酶的研究； h. 模拟酶、合成酶及酶分子的人工设计、合成研究。
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第二节 酶和细胞的固定化
一、什么是固定化酶？
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定义：
指限制或固定于特定空间位置的酶，具 体来说，是指经物理或化学方法处理，使酶 变成不易随水流失即运动受到限制，而又能 发挥催化作用的酶制剂，制备固定化酶的过 程称为酶的固定化。
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酶的固定化技术和固定化酶
天然高分子载体：淀粉、谷蛋白、纤维素等
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1.来自百度文库物理吸附法
• 静止法 • 电沉积法 • 反应器上直接吸附法 • 混合浴或震荡浴吸附法
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15
优点：操作简单，可选用不同电荷和不同形状的载
体；固定化过程可与纯化过程同时实现；酶失活后载 体仍可再生。
缺点：吸附酶量无规律可循，对不同载体和不同酶
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第一节 概 述
一、酶工程简介（Enzyme Engineering）
酶工程是酶学和工程学相互渗透结合，发展而形 成的一门新的技术学科。它是从应用的目的出发研究 酶、应用酶的特异催化性能，并通过工程化将相应原 料转化成有用物质的技术。
酶工程的名称出现在20世纪20年代，主要指自然 酶制剂在工业上的规模应用。
1953年，Grubhoger 和 Schleith 提出了酶固定化技 术。
1969年，日本人用固定化技术拆分了DL-氨基酸。 1971年，第一届国际酶工程会议提出酶工程的主 要内容： 酶的生产、分离纯化、酶的固定化、酶及固 定化的反应器、酶和固定化酶的应用。
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现代酶工程的主要内容：
要 7. 辅助因子的反应。
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三、酶的固定化方法与制备技术
① 物理吸附法
一、载体结合法 ② 离子结合法
二、交联法
③ 共价结合法
① 微囊型
三、包埋法
② 胶囊型
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1. 物理吸附法
用物理方法将酶吸附于不溶性载体的一种固定方法 此类载体很多。
无机载体：活性炭、多孔玻璃、酸性白土、 漂白土、高岭石、氧化铝、硅胶、膨润土、羟基磷 灰石、等。
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二、固定化酶的特点：
优点;
1. 可以在较长时间内多次使用，而且在多数情况下，
2. 酶的稳定性提高。
3. 2. 反应后，酶与底物和产物易于分开，产物中无残
留
4. 酶，易于纯化，产品质量高。
5. 3. 反应条件易于控制，可实现转化反应的连续化和
自
6. 动化控制。
7. 4. 酶的利用效率高，单位酶催化的底物量增加，用
酶
8. 量减少。
9. 5. 30.12.2020 比水溶性酶更适合于多酶反应。
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二、固定化酶的特点：
缺点：
1. 固定化时，酶活力有损失。 2. 增加了生产成本，工厂初始投资大。 3. 只能用于可溶性底物，而且较适合于小分子底物 4. ，对大分子底物不适宜。 5. 4. 胞内酶必须经过酶的分离纯化过程。 6. 5. 与完整菌体相比不适宜用于多酶反应，特别是需
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⑶ 目前常用的产酶微生物
A、E.coil：是应用最广泛的产霉菌。分泌胞内酶， 经细胞破碎分离得到。在工业上用于生产谷氨酸 脱羧酶，天门冬氨酸酶、青霉素酰化酶、β-半乳 糖苷酶。 B、枯草杆菌：主要用于生产α-淀粉酶、 β-葡萄 糖氧化酶、碱性磷酸脂酶。 C、啤酒酵母：用于酿造啤酒、酒精、饮料、面包 等。 D、曲酶（黑曲霉和黄曲霉）：主要生产糖化酶、 蛋白酶、淀粉酶、果胶酶、葡萄糖氧化酶、氨基酰 化酶和脂肪酶。 E、其他产酶菌：青霉菌、木霉菌、根霉菌、链霉 菌等。
微生物中得到； B. 微生物繁殖快，生产周期端，培养简便，并可通过控制
培养条件来提高酶的产量； C. 微生物具有较强的适应性，通过各种遗传变异的手段，
能培育出新的高产菌株。
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二、酶的来源和生产商
2、酶的生产菌 ⑴ 对菌种的要求：
a、产酶量高、酶的性质符合使用要求，而且最好是 产生胞外酶的菌； b、不是致病菌，在系统发育上与病原体无关，也不 产生毒素； c、稳定，不易变异退化，不易感染噬菌体； d、能利用廉价的原料，发酵周期短，易于培养。
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2. 离子结合法
优点：操作简单、处理条件温和，酶的高级结构
和活性中心的氨基酸残基不易被破坏，能得到酶活 回收率较高的固定化酶。
缺点：载体和酶的结合力比较弱，容易受缓冲液
种类或pH的影响，在离子强度高的强度下进行反 应时，往往会发生酶从载体上脱落的现象。
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⑵ 生产菌的来源： a、菌种保藏机构和有关研究部门获得。
b、大量要从自然界中分离筛选；自然界是产酶菌种 的主要来源，土壤，深海，温泉，火山，森林等 都是菌种采集地。
筛选产酶菌的方法：采集、菌种的分离初筛，纯化， 复筛和生产性能检定等。 菌种改良的途径：应用遗传学原理进行基因突变，基 因转移和基因克隆。
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二、酶的来源和生产商
1、酶的来源：酶的生产目前只宜直接从生物体中提取 分离。 早期酶的生产多以动植物为主要原料，如激肽释放酶、
菠萝蛋白酶、木瓜蛋白酶。近10年来，研究发展了动植物 组织培养技术，但周期长、成本高。工业生产一般都以微 生物为主要来源。目前使用的千余种商品酶，大多数是微 生物生产的。其特点是： A. 微生物种类繁多，凡是动植物体内存在的酶，几乎都从
的吸附条件不同，吸附量与酶活力不一定呈平行关系； 酶与载体之间结合力不强，酶易于脱落，导致酶活力 下降并污染产物
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2. 离子结合法
离子结合法是酶通过离子键结合于具有离子交 换的水不溶性载体上的固定化方法，此法的载体有 多糖类离子交换剂和合成高分子离子交换树脂，如 DEAE-纤维素。
a. 酶的分离纯化、大批量生产及新酶和酶的应用开发； b. 酶和细胞的固定化及酶反应器的研究，包括酶传感器、
反应监测； c. 酶生产中基因工程技术的应用及遗传修饰酶的研究； d. 酶的分子改造和化学修饰，结构与功能的研究； e. 有机相中酶反应的研究； f. 酶的抑制剂、激活剂的开发与应用研究； g. 抗体酶、核酸酶的研究； h. 模拟酶、合成酶及酶分子的人工设计、合成研究。
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第二节 酶和细胞的固定化
一、什么是固定化酶？
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定义：
指限制或固定于特定空间位置的酶，具 体来说，是指经物理或化学方法处理，使酶 变成不易随水流失即运动受到限制，而又能 发挥催化作用的酶制剂，制备固定化酶的过 程称为酶的固定化。
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酶的固定化技术和固定化酶
天然高分子载体：淀粉、谷蛋白、纤维素等
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1.来自百度文库物理吸附法
• 静止法 • 电沉积法 • 反应器上直接吸附法 • 混合浴或震荡浴吸附法
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优点：操作简单，可选用不同电荷和不同形状的载
体；固定化过程可与纯化过程同时实现；酶失活后载 体仍可再生。
缺点：吸附酶量无规律可循，对不同载体和不同酶