第三章 生物催化剂与酶工程应用
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成一些化学合成难以进行的反应。
基于绿色化学的十二条准则，生物催化成为当前 国际公认最绿色的化学转化技术之一。
• 生物催化材料有酶、微生物菌体、动植物的组织 及细胞。在手性合成中应用较多的是水解酶、氧 化-还原酶以及面包酵母等微生物。
• 生物催化的方式有添加前体发酵法、游离酶法、 静息细胞法、固定化酶法、固定化细胞法。可在 水相、有机相和水-有机溶剂双相等系统中进行。
物转化进行有机反应 例如:
CH3CH20H
醋酸细菌
CH3COOH
（2）生物转化与发酵的区别
发酵的含义
利用微生物，在适宜的条件下，将原料经 过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的 过程
区别：
发酵过程常常是有多步反应过程构成。 生物转化仅仅由一个或少数几个酶促反应 组成。 生物转化的产物是微生物细胞对底物的特定 部位的化学反应。
工业应用 接近成熟/工业应用
开发中
石油馏分生物脱硫
• Poly(Butylene-Succinate) PBS 聚丁二酸丁二醇酯 Poly(butylene succinate-co-butylene adipate) PBSA丁 二酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯共聚物 poly(butylene succinate-co-terephthalate)s PBST聚丁 二酸/对苯二甲酸丁二醇酯 Soft biodegradable material technology 软性生分解材 料技术
生物催化几乎能应用于所有化学反应，例如氧 化反应、羟基化反应、脱氢反应、还原反应、水 解反应、酰基化反应等。
（3）生物催化的特点
A 专一性强，具有独特、高效的底物选择性； B 环境友好，通常用水作为反应媒介(水是最绿色的溶
剂)； C 通常在室温和常压下进行，减少了能源的使用，降
低了反应的不可控性； D 减少了保护、脱保护步骤，原子经济性好，并能完
L-赖氨酸是一种生物体必须的氨基酸, 目前 利用固定酶, 已可以从合成的化工原料环已烷 开始生产L-赖氨酸方法是：首先将环已烷转化 成D.L-a 氨基-已内酞胺。将L-a 氨基-已内酞 胺水解酶和a -氨基-已内酞胺消旋酶以离子键 方式固定在纤维素上。将这两种固定酶同时作 用于D，L-a-氨基-已内酰胺。L-a-氨基-已内酞 胺水解成L -赖氨酸, 剩下的D -a -氨基-已内 酸胺又消旋为D , L 一消旋体, 再水解为赖氨 酸, 这种方法收率儿乎达100%
生物催化技术的应用领域
工业部门 石油炼制 大宗化学品 高分子聚合物
特殊有机中间体 医药
农用化学品 日用化学品 环境保护
应用领域 生物脱硫 乙醇/甘油 可生物降解 聚合物
手性中间体 医用蛋白/ 手性药物
生物杀虫剂 乳酸/柠檬酸 废物处理技术
成熟程度及应用情况 工业示范
已成熟/工业示范 工业应用
工业应用 工业应用
• 20世纪80年代以来，基因工程技术用于酶学 研究得到高度重视。应用DNA重组技术可以 生产出高效能、高质量的酶产品，用定点突变 法在指定位点突变，可以改变酶的催化活性与 专一性。
（三）酶催化剂的应用
• 应用领域：化工、饲料、皮革、造纸、纺 织、酿造。
• 酶催化剂具有手性结构，是不对称合成的 最佳催化剂组分，在药物合成领域有非常 广阔的应用前景。
第三章 生物催化剂与 酶工程应用
3.1 概述 3.2 酶制剂 3.3 酶在食品和饲料工业中的应用 3.4 酶在轻化工领域中的应用 3.5 酶在医药工业中的应用
一 概述
（一）生物催化的基本概念
定义：是利用生物催化剂(主要是酶或微生物) 来改变(通常是加快)化学反应速度的作用。
生物催化转化的分类：
Photodegradable Plastics光降解性塑胶 Disintegradable Plastics 崩解性塑胶 Biodegradable Materials生物可分解材料 Bio-Polymer生物高分子聚合物 Green Plastics绿色塑胶 酯)
L-赖氨酸的生产
氨基酸是食品、药物、化妆品的重要原料, 用化学方法合成的氨基酸皆为D，L -氨基酸的 消旋混合物。作为药用的氨基酸只有L 一异构 体具有生理活性, 为了得到纯的异构体, 就必 须对消旋的混合物进行光学拆分, 以前用化学 方法拆分成本高效率低, 现在可以用固定酶的 方法拆分, 将氨基酸混合通过固定化的酞化氨 基酸水解酶柱式反应器, 可将混合物转化为L异构体, 收率可达80 %
• 酶晶体的获得,才认识到酶是蛋白质,是由酰胺键连 接的氨基酸组成;
• 1926年,Sumner从刀豆中得到脲酶结晶,催化尿素 水解,产生CO2和NH3.
1967年,丝氨酸蛋白酶,它专门用于洗涤剂.
1992年,用于生产酶的克隆技术
1982年 Cech小组发现，四膜虫的rRNA(核糖 体核糖核酸)前体能在完全没有蛋白质的情况 下进行自我加工，催化得到成熟的rRNA产物。 这就是说，RNA本身就是生物催化剂（生物分 子也具有催化活性）。
用麦曲含有的淀粉酶
是细胞内酶作用的结果 将淀粉降解为麦芽糖
Hale Waihona Puke Baidu
在霉菌蛋白酶作用下,豆类蛋白质水解 得豆酱和豆鼓,压榨后制得酱油
• 1878年,Kuhne第一次提出“酶”(Enzyme)的概 念,意为“在酵母中”(in yeast);
• 1894年,Emil Fischer发现了酶对底物(酶作用的物 质)的专一性现象,提出了“锁和钥匙”模型;
手性农药中间体：S-生物丙烯菊酯（特异性脂肪酶） S-生物丙烯菊酯生物活性是普通丙烯菊酯的245
2
倍，不仅用量大大减少，而且残留极少，产品的质 量好于国外同3类产品，已形成2亿元的年产值，取得 了很好的经济效益。
17
(二）生物催化的产生与发展
远古时代：酒的酿造,饴糖的制作,豆类做酱
酵母发酵的产物,
1 发酵：用活细胞将原材料(如糖、淀粉)转化成 更复杂的目标产物。 2 生物转化：是指外源化学物在机体内经多种酶 催化的代谢转化。 3 酶催化：提取粗酶或部分纯化的酶，将底物转 化成目标产物。
（1）生物转化是微生物将一种化合物转化为结构上
相关产物的过程。1864年，Pasteur发现醋酸杆菌
（Acetobacter）可氧化乙醇成为醋酸，首次以微生
基于绿色化学的十二条准则，生物催化成为当前 国际公认最绿色的化学转化技术之一。
• 生物催化材料有酶、微生物菌体、动植物的组织 及细胞。在手性合成中应用较多的是水解酶、氧 化-还原酶以及面包酵母等微生物。
• 生物催化的方式有添加前体发酵法、游离酶法、 静息细胞法、固定化酶法、固定化细胞法。可在 水相、有机相和水-有机溶剂双相等系统中进行。
物转化进行有机反应 例如:
CH3CH20H
醋酸细菌
CH3COOH
（2）生物转化与发酵的区别
发酵的含义
利用微生物，在适宜的条件下，将原料经 过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的 过程
区别：
发酵过程常常是有多步反应过程构成。 生物转化仅仅由一个或少数几个酶促反应 组成。 生物转化的产物是微生物细胞对底物的特定 部位的化学反应。
工业应用 接近成熟/工业应用
开发中
石油馏分生物脱硫
• Poly(Butylene-Succinate) PBS 聚丁二酸丁二醇酯 Poly(butylene succinate-co-butylene adipate) PBSA丁 二酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯共聚物 poly(butylene succinate-co-terephthalate)s PBST聚丁 二酸/对苯二甲酸丁二醇酯 Soft biodegradable material technology 软性生分解材 料技术
生物催化几乎能应用于所有化学反应，例如氧 化反应、羟基化反应、脱氢反应、还原反应、水 解反应、酰基化反应等。
（3）生物催化的特点
A 专一性强，具有独特、高效的底物选择性； B 环境友好，通常用水作为反应媒介(水是最绿色的溶
剂)； C 通常在室温和常压下进行，减少了能源的使用，降
低了反应的不可控性； D 减少了保护、脱保护步骤，原子经济性好，并能完
L-赖氨酸是一种生物体必须的氨基酸, 目前 利用固定酶, 已可以从合成的化工原料环已烷 开始生产L-赖氨酸方法是：首先将环已烷转化 成D.L-a 氨基-已内酞胺。将L-a 氨基-已内酞 胺水解酶和a -氨基-已内酞胺消旋酶以离子键 方式固定在纤维素上。将这两种固定酶同时作 用于D，L-a-氨基-已内酰胺。L-a-氨基-已内酞 胺水解成L -赖氨酸, 剩下的D -a -氨基-已内 酸胺又消旋为D , L 一消旋体, 再水解为赖氨 酸, 这种方法收率儿乎达100%
生物催化技术的应用领域
工业部门 石油炼制 大宗化学品 高分子聚合物
特殊有机中间体 医药
农用化学品 日用化学品 环境保护
应用领域 生物脱硫 乙醇/甘油 可生物降解 聚合物
手性中间体 医用蛋白/ 手性药物
生物杀虫剂 乳酸/柠檬酸 废物处理技术
成熟程度及应用情况 工业示范
已成熟/工业示范 工业应用
工业应用 工业应用
• 20世纪80年代以来，基因工程技术用于酶学 研究得到高度重视。应用DNA重组技术可以 生产出高效能、高质量的酶产品，用定点突变 法在指定位点突变，可以改变酶的催化活性与 专一性。
（三）酶催化剂的应用
• 应用领域：化工、饲料、皮革、造纸、纺 织、酿造。
• 酶催化剂具有手性结构，是不对称合成的 最佳催化剂组分，在药物合成领域有非常 广阔的应用前景。
第三章 生物催化剂与 酶工程应用
3.1 概述 3.2 酶制剂 3.3 酶在食品和饲料工业中的应用 3.4 酶在轻化工领域中的应用 3.5 酶在医药工业中的应用
一 概述
（一）生物催化的基本概念
定义：是利用生物催化剂(主要是酶或微生物) 来改变(通常是加快)化学反应速度的作用。
生物催化转化的分类：
Photodegradable Plastics光降解性塑胶 Disintegradable Plastics 崩解性塑胶 Biodegradable Materials生物可分解材料 Bio-Polymer生物高分子聚合物 Green Plastics绿色塑胶 酯)
L-赖氨酸的生产
氨基酸是食品、药物、化妆品的重要原料, 用化学方法合成的氨基酸皆为D，L -氨基酸的 消旋混合物。作为药用的氨基酸只有L 一异构 体具有生理活性, 为了得到纯的异构体, 就必 须对消旋的混合物进行光学拆分, 以前用化学 方法拆分成本高效率低, 现在可以用固定酶的 方法拆分, 将氨基酸混合通过固定化的酞化氨 基酸水解酶柱式反应器, 可将混合物转化为L异构体, 收率可达80 %
• 酶晶体的获得,才认识到酶是蛋白质,是由酰胺键连 接的氨基酸组成;
• 1926年,Sumner从刀豆中得到脲酶结晶,催化尿素 水解,产生CO2和NH3.
1967年,丝氨酸蛋白酶,它专门用于洗涤剂.
1992年,用于生产酶的克隆技术
1982年 Cech小组发现，四膜虫的rRNA(核糖 体核糖核酸)前体能在完全没有蛋白质的情况 下进行自我加工，催化得到成熟的rRNA产物。 这就是说，RNA本身就是生物催化剂（生物分 子也具有催化活性）。
用麦曲含有的淀粉酶
是细胞内酶作用的结果 将淀粉降解为麦芽糖
Hale Waihona Puke Baidu
在霉菌蛋白酶作用下,豆类蛋白质水解 得豆酱和豆鼓,压榨后制得酱油
• 1878年,Kuhne第一次提出“酶”(Enzyme)的概 念,意为“在酵母中”(in yeast);
• 1894年,Emil Fischer发现了酶对底物(酶作用的物 质)的专一性现象,提出了“锁和钥匙”模型;
手性农药中间体：S-生物丙烯菊酯（特异性脂肪酶） S-生物丙烯菊酯生物活性是普通丙烯菊酯的245
2
倍，不仅用量大大减少，而且残留极少，产品的质 量好于国外同3类产品，已形成2亿元的年产值，取得 了很好的经济效益。
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(二）生物催化的产生与发展
远古时代：酒的酿造,饴糖的制作,豆类做酱
酵母发酵的产物,
1 发酵：用活细胞将原材料(如糖、淀粉)转化成 更复杂的目标产物。 2 生物转化：是指外源化学物在机体内经多种酶 催化的代谢转化。 3 酶催化：提取粗酶或部分纯化的酶，将底物转 化成目标产物。
（1）生物转化是微生物将一种化合物转化为结构上
相关产物的过程。1864年，Pasteur发现醋酸杆菌
（Acetobacter）可氧化乙醇成为醋酸，首次以微生