微生物酶资源的开发利用PPT课件
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建立有效的初筛模型是最为重要的一个环节。
Hale Waihona Puke Baidu
四、菌种的复筛
复筛的目的是在初筛的基础上，筛选产酶量高、性能 更符合生产要求的菌种。在复筛阶段，酶活力测定方法的建
立十分重要。
最后，应该指出，除了可以从自然界中分离获得目的 酶产生菌外，也可以从已经保藏的菌种中筛选产酶菌种。这 样做不仅可以节约大量的人力和物力，而且可以根据前人的 资料和经验，了解产酶微生物的类别，然后有目的地加以寻 找，搜集有关菌种或相类似的微生物，则可达到事半功倍的
20世纪90年代后，基因工程＋发酵工艺＋先进发酵设备 是酶工业的第三个飞跃。这个飞跃使微生物酶制剂地位 进一步加强。
二、微生物酶的工业应用
用微生物生产的商业化酶已有百余种。但产量大、应用广、 经济效益高的酶品种主要是各种分解酶。另外，基因工程改 造酶也从根本上改变了人们的生活。
1.食品加工业 2.环境保护 3.生物化工 4.医疗卫生 5.纺织业
收集发酵液 胞外酶 酶的制备
收集菌体 破碎 胞内酶
指
导
工
业
生
产
酶学研究
实 践
产品 扩大
一、样品的采集
采样的目的决定采样地点的选择、采样方法及采 样的数量。存在目的酶作用底物或潜在作用底物的场所是首
选的采样地。
实例：为了获得产纤维素酶的目的菌，就可以到垃圾填埋场 或长期堆放纤维材料的地方，甚至食草动物的消化道中采样 采样的另一个原则就是到特殊。或极端环境中采集样品，从这
些微生物中往往能获得新酶或具有特殊稳定性的酶种。
实例：生物工程中应用到的Taq酶就是来自于从美国黄石国 家公园100℃硫泉中分离获得的水生栖热菌。
二、菌种的分离
菌种的分离是整个工作的第一个关键步骤。分离 应注意以下几个问题：
• 分离培养基的确定。 • 分离培养条件的选择，如培养温度、湿度、好氧或厌
氧培养等； • 在分离的最初阶段一般不给予严密的培养条件，尽可
能分离到尽可能多的纯菌种。
三、菌种的初筛 菌种的初筛有两种方法： • 用简单的定性反应进行初筛； • 在最初分离阶段就给予特殊的培养基或培养条件，进 而让目的菌株得以繁殖，尽可能地把只成为目的菌的菌株或 只将其最适菌株的一株纯化分离。
初筛的目的：就是要用最简单和最快捷的方法来 对大量的待筛菌进行测试。
青霉素酰化酶与抗生素改造
青 霉 素
N
6-APA
N
R=
*********
工业规模的酶催化转化
葡萄糖异构酶
高果糖玉米糖浆，固定床反应器，多家公司，年产量 >1,000,000 t
乳糖酶
无乳糖牛奶，固定床反应器，多家公司，年产量超过 100,000 t
腈水解酶
丙烯酰胺，分批反应器，Nitto Co，年产量>10,000 t
效果。
五、对复筛获得的菌株的要求
对于经过复筛之后获得的高产菌株还应在此阶段进行 考察。
青霉素酰化酶
由于人类对抗生素的无节制的滥用，因细菌产生的抗药性 已使天然青霉素的治疗效果明显下降。为了解决细菌的抗 药性问题，人们利用青霉素酰化酶的作用来改变天然青霉 素的侧链结构，使其具有抵御抗药性微生物β-内酰胺酶 攻击的能力。
该酶广泛存在于细菌、放线菌、霉菌及酵母菌内。 用途： 用于新青霉素的半合成； 催化水解和合成除头孢霉素之外的头孢霉素衍生物。
脂肪酶
类可可脂，固定床反应器，Fuji Oil
青霉素酰化酶
氨苄青霉素，搅拌式固定床反应器，DSM
酶催化的优点
高选择性
底物专一性
化学、区域、对映体选择性 酶催化杂合性
1
反应条件温和
常温、常压、中性pH及 水相中
3
高温淀粉酶（啤酒发酵）
优点
高催化活性
2 H2O2
2 H2O + O2
2
反应速率
FeCl3
1,000
血红素
1,000,000
过氧化氢酶
1,000,000,000
生物催化剂能作用反应
日益增多
4
Diels Alderase，1995年 Claisen重排，分支酸变位酶， 1989年
三、微生物酶的开发
应用微生物来开发酶的优点
• 微生物生长繁殖快，生活周期短。因此，用微生物来生 产酶产品，生产能力（发酵）几乎可以不受限制地扩大 ，能够满足迅速扩张的市场需求。
• 微生物种类繁多，它们散布于整个地球的各个角落，而 且不同环境下生存的微生物都有其迥然不同的代谢方式 ，能分解利用不同的底物。这一特征就为微生物酶品种 的多样性提供了物质基础。
微生物酶开发的一般程序
样品 菌种 初筛 摇瓶 采集 分离 复筛 实验
保藏菌种
最佳产酶条件组合研究
微生物育种
物理诱变 化学诱变 分子改造
脂肪酶
自然界中有许多微生物可以通过它们分泌的脂肪酶来利用 油脂作为生长所需的碳源物质。 由于微生物脂肪酶的种类很多，具有比动植物更广泛的pH 适应性、温度范围及对底物的专一性，又便于生产，更容 易获得高纯度制剂，因此其在研究和应用上的进展相当迅 速。 用途：
药物作用，帮助消化，降低血脂及治疗局部炎症等； 生物能源；皮革造纸等。
Contents
酶的简介 酶制剂的工业应用 微生物酶的开发 酶的改造
一、酶的简介
酶是活细胞产生的一种生物催化剂。在酶的参与下，生 物体内的新陈代谢才能有序进行。
酶商品化生产在1897年后，最初开始由动植物提取；之 后由霉菌开始生产淀粉酶；二次世界大战后，用微生物 获得商品化酶制剂形成规模性的产业化生产。
纤维素酶
纤维素酶是一种重要的酶产品，是一种复合酶，主要由外切 β-葡聚糖酶、内切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等组成， 将纤维素分解成寡糖或单糖。在饲料、酒精、纺织和食品等 领域具有巨大的市场潜力，将是继糖化酶、淀粉酶和蛋白酶 之后的第四大工业酶种。
• 改善饲料的营养价值 • 提高饲料的利用率 • 防止环境污染
淀粉酶
淀粉酶是能催化淀粉水解为麦芽 糖或葡萄糖的一类酶的总称。
淀粉酶作用于淀粉、糖原和多糖 衍生物。
•α淀粉酶：从底物分子内部将糖苷 键裂开； •β淀粉酶：从底物的非还原性末端 将麦芽糖单位水解下来； •葡萄糖淀粉酶：从底物的非还原性 末端将葡萄糖单位水解下来。
蛋白酶
水解蛋白质肽键的一类酶的总称。按其水解多肽的方式， 可以将其分为内肽酶和外肽酶两类。蛋白酶已广泛应用在 皮革、毛皮、丝绸、医药、食品、洗涤等方面。
Hale Waihona Puke Baidu
四、菌种的复筛
复筛的目的是在初筛的基础上，筛选产酶量高、性能 更符合生产要求的菌种。在复筛阶段，酶活力测定方法的建
立十分重要。
最后，应该指出，除了可以从自然界中分离获得目的 酶产生菌外，也可以从已经保藏的菌种中筛选产酶菌种。这 样做不仅可以节约大量的人力和物力，而且可以根据前人的 资料和经验，了解产酶微生物的类别，然后有目的地加以寻 找，搜集有关菌种或相类似的微生物，则可达到事半功倍的
20世纪90年代后，基因工程＋发酵工艺＋先进发酵设备 是酶工业的第三个飞跃。这个飞跃使微生物酶制剂地位 进一步加强。
二、微生物酶的工业应用
用微生物生产的商业化酶已有百余种。但产量大、应用广、 经济效益高的酶品种主要是各种分解酶。另外，基因工程改 造酶也从根本上改变了人们的生活。
1.食品加工业 2.环境保护 3.生物化工 4.医疗卫生 5.纺织业
收集发酵液 胞外酶 酶的制备
收集菌体 破碎 胞内酶
指
导
工
业
生
产
酶学研究
实 践
产品 扩大
一、样品的采集
采样的目的决定采样地点的选择、采样方法及采 样的数量。存在目的酶作用底物或潜在作用底物的场所是首
选的采样地。
实例：为了获得产纤维素酶的目的菌，就可以到垃圾填埋场 或长期堆放纤维材料的地方，甚至食草动物的消化道中采样 采样的另一个原则就是到特殊。或极端环境中采集样品，从这
些微生物中往往能获得新酶或具有特殊稳定性的酶种。
实例：生物工程中应用到的Taq酶就是来自于从美国黄石国 家公园100℃硫泉中分离获得的水生栖热菌。
二、菌种的分离
菌种的分离是整个工作的第一个关键步骤。分离 应注意以下几个问题：
• 分离培养基的确定。 • 分离培养条件的选择，如培养温度、湿度、好氧或厌
氧培养等； • 在分离的最初阶段一般不给予严密的培养条件，尽可
能分离到尽可能多的纯菌种。
三、菌种的初筛 菌种的初筛有两种方法： • 用简单的定性反应进行初筛； • 在最初分离阶段就给予特殊的培养基或培养条件，进 而让目的菌株得以繁殖，尽可能地把只成为目的菌的菌株或 只将其最适菌株的一株纯化分离。
初筛的目的：就是要用最简单和最快捷的方法来 对大量的待筛菌进行测试。
青霉素酰化酶与抗生素改造
青 霉 素
N
6-APA
N
R=
*********
工业规模的酶催化转化
葡萄糖异构酶
高果糖玉米糖浆，固定床反应器，多家公司，年产量 >1,000,000 t
乳糖酶
无乳糖牛奶，固定床反应器，多家公司，年产量超过 100,000 t
腈水解酶
丙烯酰胺，分批反应器，Nitto Co，年产量>10,000 t
效果。
五、对复筛获得的菌株的要求
对于经过复筛之后获得的高产菌株还应在此阶段进行 考察。
青霉素酰化酶
由于人类对抗生素的无节制的滥用，因细菌产生的抗药性 已使天然青霉素的治疗效果明显下降。为了解决细菌的抗 药性问题，人们利用青霉素酰化酶的作用来改变天然青霉 素的侧链结构，使其具有抵御抗药性微生物β-内酰胺酶 攻击的能力。
该酶广泛存在于细菌、放线菌、霉菌及酵母菌内。 用途： 用于新青霉素的半合成； 催化水解和合成除头孢霉素之外的头孢霉素衍生物。
脂肪酶
类可可脂，固定床反应器，Fuji Oil
青霉素酰化酶
氨苄青霉素，搅拌式固定床反应器，DSM
酶催化的优点
高选择性
底物专一性
化学、区域、对映体选择性 酶催化杂合性
1
反应条件温和
常温、常压、中性pH及 水相中
3
高温淀粉酶（啤酒发酵）
优点
高催化活性
2 H2O2
2 H2O + O2
2
反应速率
FeCl3
1,000
血红素
1,000,000
过氧化氢酶
1,000,000,000
生物催化剂能作用反应
日益增多
4
Diels Alderase，1995年 Claisen重排，分支酸变位酶， 1989年
三、微生物酶的开发
应用微生物来开发酶的优点
• 微生物生长繁殖快，生活周期短。因此，用微生物来生 产酶产品，生产能力（发酵）几乎可以不受限制地扩大 ，能够满足迅速扩张的市场需求。
• 微生物种类繁多，它们散布于整个地球的各个角落，而 且不同环境下生存的微生物都有其迥然不同的代谢方式 ，能分解利用不同的底物。这一特征就为微生物酶品种 的多样性提供了物质基础。
微生物酶开发的一般程序
样品 菌种 初筛 摇瓶 采集 分离 复筛 实验
保藏菌种
最佳产酶条件组合研究
微生物育种
物理诱变 化学诱变 分子改造
脂肪酶
自然界中有许多微生物可以通过它们分泌的脂肪酶来利用 油脂作为生长所需的碳源物质。 由于微生物脂肪酶的种类很多，具有比动植物更广泛的pH 适应性、温度范围及对底物的专一性，又便于生产，更容 易获得高纯度制剂，因此其在研究和应用上的进展相当迅 速。 用途：
药物作用，帮助消化，降低血脂及治疗局部炎症等； 生物能源；皮革造纸等。
Contents
酶的简介 酶制剂的工业应用 微生物酶的开发 酶的改造
一、酶的简介
酶是活细胞产生的一种生物催化剂。在酶的参与下，生 物体内的新陈代谢才能有序进行。
酶商品化生产在1897年后，最初开始由动植物提取；之 后由霉菌开始生产淀粉酶；二次世界大战后，用微生物 获得商品化酶制剂形成规模性的产业化生产。
纤维素酶
纤维素酶是一种重要的酶产品，是一种复合酶，主要由外切 β-葡聚糖酶、内切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等组成， 将纤维素分解成寡糖或单糖。在饲料、酒精、纺织和食品等 领域具有巨大的市场潜力，将是继糖化酶、淀粉酶和蛋白酶 之后的第四大工业酶种。
• 改善饲料的营养价值 • 提高饲料的利用率 • 防止环境污染
淀粉酶
淀粉酶是能催化淀粉水解为麦芽 糖或葡萄糖的一类酶的总称。
淀粉酶作用于淀粉、糖原和多糖 衍生物。
•α淀粉酶：从底物分子内部将糖苷 键裂开； •β淀粉酶：从底物的非还原性末端 将麦芽糖单位水解下来； •葡萄糖淀粉酶：从底物的非还原性 末端将葡萄糖单位水解下来。
蛋白酶
水解蛋白质肽键的一类酶的总称。按其水解多肽的方式， 可以将其分为内肽酶和外肽酶两类。蛋白酶已广泛应用在 皮革、毛皮、丝绸、医药、食品、洗涤等方面。