酶催化技术在现代工业中的应用

酶催化技术在现代工业中的应用

摘要:酶作为一种生物催化剂,已广泛地应用于轻工业的各个生产领域。近几十年来,随着酶工程不断的技术性突破,酶在工业、农业、医药卫生、能源开发及环境工程等方面的应用越来越广泛。酶工程作为现代生物技术的重要组成部分,它作为一项高新技术在医药工业的发展中起了重要推动作用。本文主要对酶在氨基酸、有机酸、抗生素、肽类药物等方面的应用进行了分析,并对酶催化在医药行业的发展前景进行了探讨。

关键词:酶催化技术应用

酶工程就是将酶或者微生物细胞,动植物细胞,细胞器等在一定的生物反应装置中,利用酶所具有的生物催化功能,借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备,酶的固定化,酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。酶工程的应用,主要集中于食品工业,轻工业以及医药工业中。

1 食品加工中的应用

酶在食品工业中最大的用途是淀粉加工,其次是乳品加工、果汁加工、烘烤食品及啤酒发酵。与之有关的各种酶如淀粉酶、葡萄糖异构酶、乳糖酶、凝乳酶、蛋白酶等占酶制剂市场的一半以上。

目前,帮助和促进食物消化的酶成为食品市场发展的主要方向,包

括促进蛋白质消化的酶(菠萝蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等),促进纤维素消化的酶(纤维素酶、聚糖酶等),促进乳糖消化的酶(乳糖酶)和促进脂肪消化的酶(脂肪酶、酯酶)等。

2 轻化工业中的应用

酶工程在轻化工业中的用途主要包括:洗涤剂制造(增强去垢能力)、毛皮工业、明胶制造、胶原纤维制造(粘接剂)牙膏和化妆品的生产、造纸、感光材料生产、废水废物处理和饲料加工等。

3 医药上的应用

重组DNA技术促进了各种有医疗价值的酶的大规模生产。用于临床的各类酶品种逐渐增加。酶除了用作常规治疗外,还可作为医学工程的某些组成部分而发挥医疗作用。如在体外循环装置中,利用酶清除血液废物,防止血栓形成和体内酶控药物释放系统等。另外,酶作为临床体外检测试剂,可以快速、灵敏、准确地测定体内某些代谢产物,也将是酶在医疗上一个重要的应用。

4 酶催化技术在医药工业中的应用

现代酶工程具有技术先进、投资小、工艺简单、能耗粮耗低、产品收率高、效率高、效益大和污染小等优点,成为化学、医药工业应用方面的主力军。以往采用化学合成、微生物发酵及生物材料提取等传统技术生产的药品,皆可通过现代酶工程生产,甚至可获得传统技术不可能得到的昂贵药品,如人胰岛素、McAb、1FN、6-APA、7-ACA 及7-ADCA等。固定化基因工程菌、工程细胞以及固定化技术与连续生物反应器的巧妙结合。将导致整个发酵工业和化学合成工业的根本性变革。

4.1.1 应用酶工程制备生物代谢产物

应用固定化细胞可大量生产各种初级或中间产物,如糖、有机酸和氨基酸等。产品有I)_葡萄糖、果糖、甘油、1,6-二磷酸果糖、柠檬酸、苹果酸、富马酸、乳酸、右旋糖酐、丙氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸等。利用酶T程技术生产抗菌素、色素、生物碱、性引诱剂、信息素等生物次级代谢产物,典型的产品有6-氨基青霉烷酸(6-APA)、7-烷基头孢烷酸(7-ACA)及7-氨基脱乙酰氧头孢烷酸(7-ADCA)、麦角生物碱、羟化孕酮、可的松和肉瘤碱等。我国用固定化大环内酯-4-丙酯化酶将螺旋霉素转化为丙酰螺旋霉素,用固定化生产米卡链霉菌突变菌株也可完成产品的转化。

4.1.2 应用酶工程技术转化甾体

利用微生物酶工程技术不仅研究提高某一步转化反应的专一性

和收率或寻找某一转化反应代替某一个用化学合成法难以进行的反应,而且进一步综合应用了酶抑制剂、生化阻断突变株和细胞通透性的改变等生物技术从而制得了雄甾-1,4-烯-3,17一二酮(ADD)、雄甾-4-烯一3,17-二酮(4AD)和3-氧联降胆甾-1,4-二烯-2O酸(BDA)等关键中间体,使复杂的天然资源经过几步反应就合成了各种性激素和皮质激素。应用固定化微生物细胞技术可生产强的松、11-去氧强的松、氢化可的松、△-胆甾烯酮、△-雄二烯-3,17-二酮等甾体化合物。

4.1.3 应用酶工程生产抗生素

应用酶工程可以制备6-APA[青霉素酰化酶]、7-ACA[头孢菌素酰化酶]、头孢菌素Ⅳ[头孢菌素酰化酶]、7-ADCAE青霉素V酰化酶]、脱乙酰头孢菌素[头孢菌素乙酸酯酶],近年来还进行固定化产黄青霉(青霉素合成酶系)细胞生产青霉素的研究,合成青霉素和头孢菌素前体物的最新工艺也采用酶工程的方法。

4.1.4 应用酶工程生产氨基酸和有机酸

氨基酸经化学合成的氨基酸均为D,L混旋型产物,药效差。50年代以来猪肾和米曲氨基酸化酶已被用来拆分乙酰-D,L-氨基酸。1969年日本田边制药会社成功地利用固定化酶催化技术连续拆分D,L-氨基酸,生产L-氨基酸和乙酰-D-氨基酸,乙酰-D-氨基酸用化学消旋后再在固定化酶柱上拆分大量生产L-苯丙氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸、色氨酸和丙氨酸。日本左右田等以α-酮酸为起始原料,在D-氨基酸转氨

酶、谷氨酸消旋酶、谷氨酸脱氢酶及申酸脱氢酶这4种酶的作用下,开发了D-氨基酸的合成方法。南京化工大学国家生化技术工程中心则成功地利用较廉价的α-苯丙酮酸,通过转氨酶等催化生产L-苯丙氨酸并联产副产物丙酮酸。Kula等开发了酶拆分-原位连续再生辅酶系统-膜分离耦合工艺,可自动化控制及扩大规模生产L-氨基酸。南京化工大学国家生化工程研究中心成功地利用多酶系统从D-对羟苯海海因转化合成D-对羟苯甘氨酸,目前正在开发与膜分闻相结合的新工艺,他们还开发了酶法与原位结晶分离耦合技术生产L-丙氨酸的新工艺,并已成功进行了工业化生产。

4.1.5 应用酶工程生产维生素

制造2-酮基-I-古龙糖酸[山梨糖脱氢酶及I-山梨糖醛氧化酶]、肌醇[肌醇合成酶]、I-肉毒碱EN碱酯酶]、CoAECoA合成酶系]等。由山梨醇和葡萄糖生产维生素及丙烯酰胺的生产也采用酶工程的方法。

4.1.6 应用酶工程生产核苷酸类药物

腺嘌呤核苷酸(AMP)由产蛋白假丝酵母菌体用热水提取核酸,再经核酸酶水解制得。脱氧核苷酸由鱼白提取脱氧核糖核酸(DNA)后,经5磷酸二酯酶酶解制得。先由富含核酸的动植物(花粉等)提取核糖核酸(RNA),再用5,_磷酸二酯酶酶解为磷酸腺苷(AMP)、磷酸胞苷(CMP)、磷酸尿苷(UMP)及磷酸鸟苷(GMP)制得混合核苷酸。肌苷酸由腺苷脱氨酶制得。ATP和AMP分别由氨甲酰磷酸激酶、激酶加乙