微生物酶资源的开发利用

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
❖ 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
青霉素酰化酶与抗生素改造
青 霉 素
N N
6-APA
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
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
建立有效的初筛模型是最为重要的一个环节。
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 。
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。
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。
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。
• 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
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。
✓ 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。
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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
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。