酶工程简介教学辅导

第五章第四节酶工程简介教学辅导
一、知识结构
二、重点和难点
1.教学重点
（1）酶制剂的生产和应用。

（2）生物工程各分支领域之间的密切关系。

2.教学难点
生产酶制剂的基本原理。

三、参考答案
复习题一、2.主要区别有两点：一是前者将所需要的酶固定在一定的空间范围内；二是前者可以重复使用。

四、参考资料
酶工程发展情况简介1894年，日本科学家首次从米曲霉中提炼出淀粉酶，并将淀粉酶用作治疗消化不良的药物，从而开创了人类有目的地生产和应用酶制剂的先例。

1908年，德国科学家从动物的胰脏中提取出胰酶（胰蛋白酶、胰淀粉酶和胰脂肪酶的混合物），并将胰酶用于皮革的鞣制。

同年，法国科学家从细菌中提取出淀粉酶，并将淀粉酶用于纺织品的退浆。

1911年，美国科学家从木瓜中提取出木瓜蛋白酶，并将木瓜蛋白酶用于除去啤酒中的蛋白质浑浊物。

此后，酶制剂的生产和应用就逐步发展起来了。

然而，在此后的近半个世纪内，酶制剂的生产一直停留在从现成的动植物和微生物的组织或细胞中提取酶的方式。

这种生产方式不仅工艺比较复杂，而且原料有限，所以很难进行大规模的工业生产。

1949年，科学家成功地用液体深层发酵法生产出了细菌α淀粉酶，从此揭开了近代酶工业的序幕。

早在1916年，美国科学家就发现，酶和载体结合以后，在水中呈不溶解状态时，仍然具有生物催化活性。

但是，系统地进行酶的固定化研究则是从20世纪50年代开始的。

1953年，德国科学家首先将聚氨基苯乙烯树脂重氮化，然后将淀粉酶等与这种载体结合，制成了固定化淀粉酶。

1969年，日本科学家首先在工业上应用固定化氨基酰化酶生产出L-氨基酸。

同年，各国科学家开始使用“酶工程”这一名称来代表生产和使用酶制剂这一新兴的科学技术领域。

1971年，第一次国际酶工程学术会议在美国召开，会议的主题就是固定化酶的研制和应用。

20世纪70年代后期，酶工程领域又出现了固定化细胞（又叫做固定化活细胞或固定化增殖细胞）技术。

固定化细胞是指固定在一定空间范围内的、能够进行生命活动的并且可以反复使用的活细胞。

1978年，日本科学家用固定化细胞成功地生产出α-淀粉酶。

我们知道，细胞中的一些物质之所以不能分泌到细胞外，原因之一就是细胞壁起到了阻碍作用。

科学家设想，如果将细胞壁除去，就有可能使比较多的胞内物质分泌到细胞外，这就是科学家开展固定化原生质体研究的意图。

1986年，我国科学家利用固定化原生质体发酵生产碱性磷酸酶和葡萄糖氧化酶等相继获得成功，为酶工程的进一步发展开辟了新的途径。

近20年来，在固定化酶、固定化细胞和固定化原生质体发展的同时，酶分子修饰技术、酶的化学合成以及酶的人工合成等方面的研究，也在积极地开展中，从而使酶工程更加显示出广阔而诱人的前景。

酶的生产酶的生产是指经过预先设计，并且通过人工控制而获得所需要的酶的过程。

概括地说，酶的生产方法有提取法、发酵法和化学合成法三种。

提取法是最早采用并且一直沿用至今的一种方法。

提取法采用各种技术，直接从动植物或微生物的细胞或组织中将酶提取出来。

提取法虽简单易行，但必须要有充足的原材料，这就使提取法的广泛应用受到了限制。

但是，在动植物或微生物资源丰富的地区，提取法仍然具有应用价值。

例如，在屠宰厂，可从家畜胰脏中提取胰酶；在水果加工厂，可从菠萝皮中提取菠萝蛋白酶。

发酵法是20世纪50年代以来生产酶的主要方法。

发酵法主要通过微生物发酵来获得人们所需要的酶。

发酵法一般包括固体发酵、液体深层发酵、固定化细胞发酵和原生质体发酵等多种方式。

化学合成法是20世纪60年代末出现的一种生产酶的新技术。

1969年，美国科学家首次采用化学合成的方法获得了含有124个氨基酸的核糖核酸酶。

但是，化学合成法的成本比较高，并且只能合成那些已知化学结构的酶。

所以，化学合成法目前仍然停留在实验室内合成的阶段。

酶的提取和分离纯化许多酶都存在于细胞内。

为了提取这些胞内酶，首先需要对细胞进行破碎处理。

细胞破碎的方法很多，主要包括机械破碎法、物理破碎法、化学破碎法和酶学破碎法等。

机械破碎法是指利用捣碎机、研磨器或匀浆器等将细胞破碎开来。

物理破碎法是指利用温度差、压力差或超声波等将细胞破碎开来。

化学破碎法是指利用甲醛、丙酮等有机溶剂或表面活性剂作用于细胞膜，使细胞膜的结构遭到破坏或透性发生改变。

酶学破碎法是指选用合适的酶，使细胞壁遭到破坏，进而在低渗溶液中将原生质体破碎开来。

酶的提取是指在一定条件下，用适当的溶剂处理细胞破碎后的含酶原料，使酶充分地溶解到提取液中的过程。

酶的提取方法有盐溶液提取法、碱溶液提取法和有机溶剂提取法等。

为了提高酶的提取率和防止酶提取后变性失活，提取过程中必须注意保持适宜的温度和pH，并且添加适量的保护剂。

提取液中含有多种酶，要想从提取液中分离纯化出某一种酶，必须根据这种酶的特性，选择适合的分离纯化方法。

酶分离纯化的方法很多，下面简介利用酶相对分子质量的大小进行分离纯化的过程。

首先，通过透析的方法，使提取液中的酶和其他蛋白质分子与提取液中的各种小分子物质分离开来。

其次，通过高速离心使酶和其他蛋白质分子沉降。

在高速离心的情况下，酶和其他蛋白质分子虽然都会发生沉降，但是沉降的速度因各自相对分子质量的不同而不同。

人们利用这一原理就可以达到分离纯化酶的目的。

具体做法是，取一只离心试管，管内注入具有连续浓度梯度的蔗糖溶液（试管上部溶液的浓度低，下部溶液的浓度高）。

在蔗糖溶液的表层，小心地滴上含有酶和其他蛋白质的待分离纯化的液体（图5-8）。

通过高速离心后，酶和其他蛋白质就会沿着浓度梯度形成各自的区带，每个区带中只含有一种酶或一种蛋白质。

将离心试管的底部钻一个小孔，使管内的溶液分段流出。

这样就可以将各区带的溶液分开，进而通过结晶和干燥等方法获得所需要的那种酶。

也可以将整个离心试管进行冷冻，然后通过切割获得含有所需酶的那个区带，进而通过结晶和干燥等方法获得那种酶。

酶的固定化方法酶的固定化方法不下百种，归纳起来大致可以分为三类，即载体结合法、交联法和包埋法（图5-9）。

载体结合法是指将酶固定到非水溶性载体上的方法。

根据固定方式的不同，这种方法又可以分为物理吸附法、离子结合法和共价结合法。

物理吸附法是指将酶吸附到固体吸附剂表面的方法，固体吸附剂多
为活性碳、多孔玻璃等。

离子结合法是指通过离子键将酶结合到具有离子交换基团的非水溶性载体上的方法，载体有离子交换树脂等。

共价结合法是指酶和载体以共价键的形式结合在一起的方法，这种方法需要酶和载体都具有氨基、羧基或羟基等官能团。

交联法是指通过双功能试剂，将酶和酶联结成网状结构的方法。

交联法使用的交联剂是戊二醛等水溶性化合物。

包埋法是指将酶包裹在多孔的载体中，如将酶包裹在聚丙烯酰胺凝胶等高分子凝胶中，或包裹在硝酸纤维素等半透性高分子膜中。

前者包埋成格子型，后者包埋成微胶囊型。

高果糖浆简介生产高果糖浆的原料是葡萄糖，葡萄糖是由淀粉转化而来的。

生产高果糖浆的基本过程是，含淀粉的浆液经过α-淀粉酶的催化作用，可以形成糊精；糊精经过糖化酶的催化作用形成葡萄糖；葡萄糖在葡萄糖异构酶的催化作用下，分子的结构发生变化，这叫做葡萄糖的异构化。

葡萄糖经过异构化，就形成了果糖。

但是，并不是所有的葡萄糖经异构化后都转化成果糖。

这是因为葡萄糖异构酶催化效率最高时（温度为60～70 ℃），葡萄糖转化成果糖的比率也只有53.5%～56.5%，并且要使这一催化反应达到平衡，需要很长的时间。

因此，生产上葡萄糖转化成果糖的比率实际上只有42%～45%，其余的仍然是葡萄糖。

也就是说，这样的产品实际上是葡萄糖和果糖的混合物，这种混合物叫做果葡糖浆。

如果把果葡糖浆中的果糖和葡萄糖分离开来，将分离出来的葡萄糖再次进行异构化，并且如此反复多次，最后的混合物中果糖的含量可以达到70%～90%，这样的混合物就叫做高果糖浆。

加酶洗衣粉简介加酶洗衣粉中添加了多种酶制剂，如碱性蛋白酶制剂和碱性脂肪酶制剂等。

这些酶制剂不仅可以有效地清除衣物上的污渍，而且对人体没有毒害作用，并且这些酶制剂及其分解产物能够被微生物分解，不会污染环境。

所以，加酶洗衣粉受到了人们的普遍欢迎。

加酶洗衣粉中的碱性蛋白酶制剂可以使奶渍、血渍等多种蛋白质污垢降解成易溶于水的小分子肽。

碱性蛋白酶的主要产生菌是某些芽孢杆菌。

衣物上脂质污垢的主要成分是甘油三酯。

甘油三酯很难被一般洗衣粉中的表面活性剂乳化，而留在衣物上的甘油三酯容易发生氧化反应，使纺织品变黄变脆。

碱性脂肪酶制剂能将甘油三酯水解成容易被水冲洗掉的甘油二酯、甘油单酯和脂肪酸，从而达到清除衣物上脂质污垢的目的。

碱性脂肪酶的主要产生菌是某些青霉。

20世纪80年代，日本的一家公司首先推出含有碱性纤维素酶制剂的洗衣粉。

碱性纤维素酶本身不能去除衣物上的污垢，它的作用是使纤维的结构变得蓬松，从而使渗入到纤维深处的尘土和污垢能够与洗衣粉充分接触，从而达到更好的去污效果。

碱性纤维素酶还能去除棉纺织品表面的浮毛，使洗涤后的棉纺织品柔软蓬松，织纹清晰，色泽更加鲜艳，穿着更加舒适。

嫩肉粉简介嫩肉粉中的蛋白酶制剂，是用木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶或米曲霉蛋白酶制成的。

我们知道，肌肉组织中含有胶原蛋白，胶原蛋白是一种纤维蛋白，这种蛋白质的分子中由于存在着交联键而使肌肉具有很强的机械强度。

交联键分为两种：一种具有耐热的特性；另一种具有不耐热的特性。

幼小畜禽肌肉中的胶原蛋白里不耐热的交联键比较多，这种交联键一经加热就会断裂，所以，幼小畜禽的肌肉烹调后很容易软化。

而年老畜禽肌肉中的胶原蛋白里耐热的交联键比较多，这种交联键经过加热不易断裂，所以，年老畜禽的肌肉烹调后不容易软化。

用嫩肉粉处理年老畜禽的肌肉（通常是将嫩肉粉的浆液涂抹在肉块的表面或浸泡肉块），可以使这类肌肉中的胶原蛋白水解，使肌肉变软并且易于烹调。

酶传感器简介传感器又叫变送器，是一类能将某一种被测物理量变换成便于传送和处理的另一种物理量（通常为电量）的器件或装置。

例如，验钞器就是一种比较简单的传感器。

当正常钞票送检时，验钞器通过检测，将钞票上的正常信息变换成电量，并显示出正常的检验结果。

相反，当伪钞送检时，验钞器通过检测，将伪钞上的不正常信息变换成电量，并显示出不正常的检验结果。

酶传感器是一种生物传感器。

生物传感器是指利用生化反应所产生的或消耗的物质的量，通过电化学装置转换成电信号，进而选择性地测定出某种成分的器件。

电化学装置转换成电信号的方式有电位法和电流法两种。

电位法是指根据各种离子在感应膜上产生的电位，进一步显示出参与反应的各种离子浓度的方法，所需元件有氨电极、氢电极和二氧化碳电极等。

电流法是指通过电极活性物质（如某些离子）的正负电极处发生化学反应所产生的电流值来检测被测物质浓度的方法，所需元件有氧电极、过氧化氢电极等。

根据固定化膜上连接物质的不同，生物传感器可以分为酶传感器、免疫传感器、微生物传感器和细胞传感器等。