酶的產(chǎn)生和在生活中的重要用途 黃偉

1、酶的產(chǎn)生和在生活中的重要用途Enzyme production and important purpose in life 食品系 Department of Food Science 生物工程（一）班 Bioengineering (a) classes 姓名Name：黃偉Huang Wei 學(xué)號 Student ID：15 指導(dǎo)老師Guidance teacher 王娣 【摘要】Abstract：酶的生產(chǎn)和應(yīng)用的技術(shù)過程稱為酶工程。其主要任務(wù)是通過預(yù)先設(shè)計,經(jīng)人工操作而獲得大量所需的酶,并利用各種方法使酶發(fā)揮其最大的催化功能。本文意在闡述近年來酶工程在分子水平的研究進(jìn)展,展示酶工程在醫(yī)藥、

2、農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展,并對其未來前景進(jìn)行了展望。(Enzyme production and application of the process is called enzyme engineering. Its main task is to get a large number of enzymes required for the pre-designed manual and the enzyme using a variety of methods to maximize its catalytic function. This article is intende

3、d to elaborate enzyme engineering in recent years, the research progress in the molecular level, to show the progress of the enzyme works in the fields of medicine, agriculture, food, environmental protection, and its future prospects.)【關(guān)鍵詞】Keyword: 生物催化劑Biocatalyst、固定化酶 immobilized enzyme、酶促反應(yīng)the e

4、nzymatic reaction、酶反應(yīng)器、enzyme reaction底物the substrate、酶的應(yīng)用the application of the enzyme、能源開發(fā)energy development目錄： 1.1 酶的簡介 1.2 酶的固定 1.2.1 固定化 1.2.2 固定化酶的定義 1.3 固定化酶的特點及不足 1.4 固定化的方法 1.5 固定化酶的作用 2.1 固定化酶反應(yīng)器 2.1.1 酶反應(yīng)器 2.1.2 酶反應(yīng)器的分類 2.1.3 酶反應(yīng)器的選擇 3.1 酶工程的應(yīng)用 3.1.1 酶工程在食品、化工、醫(yī)藥、檢測 的應(yīng)用 3.1.2 酶工程在科研領(lǐng)域的用途

5、4.1 酶工程的前景1.1 酶的簡介酶（enzyme）, 早期是指in yeast 在酵母中的意思, 指由生物體內(nèi)活細(xì)胞產(chǎn)生的一種生物催化劑。大多數(shù)由蛋白質(zhì)組成（少數(shù)為RNA）。能在機(jī)體中十分溫和的條件下，高效率地催化各種生物化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)生物體的新陳代謝。生命活動中的消化、吸收、呼吸、運動和生殖都是酶促反應(yīng)過程。 酶是細(xì)胞賴以生存的基礎(chǔ)。細(xì)胞新陳代謝包括的所有化學(xué)反應(yīng)幾乎都是在酶的催化下進(jìn)行的。如哺乳動物的細(xì)胞就含有幾千種酶。它們或是溶解于細(xì)胞液中，或是與各種膜結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，或是位于細(xì)胞內(nèi)其他結(jié)構(gòu)的特定位置上。這些酶統(tǒng)稱胞內(nèi)酶；另外，還有一些在細(xì)胞內(nèi)合成后再分泌至細(xì)胞外的酶胞外酶。 1.2

6、 酶的固定化(immobilized enzyme) 1.2.1 固定化 固定化:英文名immobilized; immobilization; 所謂固定化是指用物理或化學(xué)方法使酶成為不溶性衍生物或使細(xì)胞成為不易從載體上流失的形式制成生物反應(yīng)器用以催化生化反應(yīng)、細(xì)胞數(shù)量的增殖等。 它包括固定化酶技術(shù)和固定化細(xì)胞技術(shù)。固定化細(xì)胞載體主要可分為兩大類, 一類是無機(jī)載體, 如硅藻土、活性炭等;另一類是有機(jī)載體, 又可分為兩種, 一種為天然高分子凝膠載體, 如瓊脂、角叉萊膠和海藻酸鈣等, 它們無生物毒性, 傳質(zhì)性好, 但強度低, 在厭氧條件下易被生物分解。另一種是有機(jī)合成高分子凝膠載體, 如聚丙烯酰銨

7、(ACRM) 凝膠、聚乙烯醇( PVA) 凝膠等, 一般強度較好, 但傳質(zhì)性能較差, 包埋后對細(xì)胞活性有影響。1.2.2 固定化酶的定義 水溶性酶經(jīng)物理或化學(xué)方法處理后，成為不溶于水的但仍具有酶活性的一種酶的衍生物。在催化反應(yīng)中以固相狀態(tài)作用于物。 酶本身還是溶于水的，只是是用物理的或化學(xué)的方法使酶與水不溶性大分子載體結(jié)合或把酶包埋在其中，使得酶在水中溶性 凝膠或半透膜的微囊體從而導(dǎo)致流動性降低。酶固定化后一般穩(wěn)定性增加，易從反應(yīng)系統(tǒng)中分離，且易于控制，能反復(fù)多次使用。便于運輸和貯存，有利于自動化生產(chǎn)，但是活性降低，使用范圍減小，技術(shù)還有發(fā)展空間。固定化酶是近十余年發(fā)展起來的酶應(yīng)用技術(shù)，在工業(yè)

8、生產(chǎn)、化學(xué)分析和醫(yī)藥等方面有誘人的應(yīng)用前景。1.3 固定化酶的特點及不足固定化酶的特點固定化酶的最大特點是既有生物催化劑的特點，又具有固定催化劑的特性。與天然酶相比，固定化酶具有以下優(yōu)點：（1）同一批固定化酶能在工藝流程中重復(fù)多次地使用； （2）固定化后，和反應(yīng)物分開，有利于控制生產(chǎn)過程，同時也省去了熱處 理使酶失活的步驟； （3）穩(wěn)定性顯著提高； （4）可長期使用，并可預(yù)測衰變的速度； （5）提供了研究酶動力學(xué)的良好模型。 固定化酶的不足但是，固定化酶也帶來了一些問題和缺點，具體如下：1、固定化酶所用載體與試劑較貴、成本高、工廠投資大，加上固定化過程中酶活力有損失，即酶活力回收率低，更增加了

9、工業(yè)化生產(chǎn)的投資困難。如果用胞內(nèi)酶進(jìn)行固定化，還要增加酶的分離成本。固定化酶在長期使用后，因染雜菌，酶的滲漏，載體降解以及其它錯誤操作，也會致使酶失活。 2、固定化酶一般只適用于水溶性的小分子底物；大分子底物常受載體阻攔，不易接觸酶，致使催化活力難以發(fā)揮。 3、目前固定化酶尚限于單級反應(yīng)，多酶反應(yīng)，特別是需要輔因子的固定化酶技術(shù)，還有待開發(fā)。1.4 固定化的方法自20世紀(jì)60年代以來，人們就一直對酶的固定化技術(shù)進(jìn)行研究和改進(jìn)，開發(fā)和應(yīng)用了上百種固定化方法進(jìn)行酶的固定化，但迄今為止，還沒有一種固定化方法可以普遍地使用于各種各樣固定化方法，但按所用載體和操作方法的差異，主要有以下四類： 1 吸附法

10、 :利用各種吸附劑將酶或含酶菌體吸附在其表面上而使酶固定的方法。 常用吸附劑有活性炭、氧化鋁、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃等。 采用吸附法固定酶，其操作簡便、條件溫和，不會引起酶邊形或失活，且載體廉價易得，可反復(fù)使用。 2包埋法 :酶被裹在凝膠的細(xì)格子中或被半透性的聚合物膜包圍而成為格子型和微膠囊型兩種。優(yōu)點酶包埋在聚合物中不易漏出;操作條件溫和、對外界環(huán)境的緩沖作用大，可防止酶體的機(jī)械損傷,易于再生,產(chǎn)物分離提取容易。 3共價結(jié)合法 (屬化學(xué)法中的結(jié)合法)即酶蛋白的非必需基團(tuán)通過共價鍵和載體形成不可逆的連接。共價結(jié)合法酶與載體之間結(jié)合緊密，不易脫落，穩(wěn)定性好，但反應(yīng)條件激烈，操作復(fù)雜，控制條件

11、苛刻，活力損失較大 4交聯(lián)法 依靠雙功能團(tuán)試劑使酶分子之間發(fā)生交聯(lián)凝集成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使之不溶于水從而形成固定化酶，此法制備的細(xì)胞與載體結(jié)合緊密，但制備麻煩，活力損失較大?！?】四種固定化酶制備方法的特點小結(jié): 制法 特性物理吸附包埋法共價結(jié)合法共價交聯(lián)法制備易易難難結(jié)合力弱強強強酶活力高高中中底物專一性無變化無變化有變化有變化再生可能不可能不可能不可能固定化費用低中高中1.5 固定化酶的作用固定化酶的研究始于1910年,正式研究于20世紀(jì)60年代,70年代已在全世界普遍開展。酶的固定化(Immobilization of enzymes)是用固體材料將酶束縛或限制于一定區(qū)域內(nèi),仍能進(jìn)行其特有的催

12、化反應(yīng)、并可回收及重復(fù)利用的一類技術(shù)。與游離酶相比,固定化酶在保持其高效專一及溫和的酶催化反應(yīng)特性的同時,又克服了游離酶的不足之處,呈現(xiàn)貯存穩(wěn)定性高、分離回收容易、可多次重復(fù)使用、操作連續(xù)可控、工藝簡便等一系列優(yōu)點。固定化酶不僅在化學(xué)、生物學(xué)及生物工程、醫(yī)學(xué)及生命科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的研究異?；钴S,得到迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用,而且因為具有節(jié)省資源與能源、減少或防治污染的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)而符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。2.1 固定化酶反應(yīng)器2.1.1 酶反應(yīng)器由于固定化技術(shù)的發(fā)展，使酶可以和一般催化劑一樣反復(fù)作用。同時，固定化細(xì)胞可以代替某些發(fā)酵過程。這樣，酶反應(yīng)器技術(shù)應(yīng)運而生。酶反應(yīng)器是根據(jù)酶的催化特性而設(shè)計

13、的反應(yīng)設(shè)備。其設(shè)計的目標(biāo)就是生產(chǎn)效率高、成本低、耗能少、污染少，以獲得最好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 2.1.2 酶反應(yīng)器的分類酶反應(yīng)器有兩種類型：一類是直接應(yīng)用游離酶進(jìn)行反應(yīng)，即均相酶反應(yīng)器；另一類是應(yīng)用固定化酶進(jìn)行的非均相酶反應(yīng)器。酶反應(yīng)器的種類很多，大致可根據(jù)催化劑的形狀來選用。粒狀催化劑可采用攪拌罐、固定化床和鼓泡塔式反應(yīng)器，而細(xì)小顆粒的催化劑則宜選用流化床。對于膜狀催化劑，則可考慮采用螺旋式、轉(zhuǎn)盤式、平板式、空心管人膜反應(yīng)器。 2.1.3 酶反應(yīng)器的選擇 (一) 酶的應(yīng)用形式1 游離酶：回收困難，除了BSTR外，其他反應(yīng)器不適用。連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器超濾反應(yīng)器2. 固定化酶顆粒狀或片狀CS

14、TR、PBR膜狀和纖維狀PBR小顆粒狀FBR(二) 底物的物理性質(zhì)底物 1. 溶解性物質(zhì)任何類型反應(yīng)器 2. 膠粒物質(zhì)和顆粒物質(zhì)CSTR、PBR和RCR（三） 反應(yīng)操作要求 1若酶受高濃度底物抑制、需要不斷調(diào)整pH攪拌罐型反應(yīng)器 2. 反應(yīng)耗氧鼓泡塔型反應(yīng)器【 2】3.1 酶工程的應(yīng)用 3.1.1 酶工程在食品、化工、醫(yī)藥、能源、環(huán)境及檢測上的應(yīng)用 酶作為一種生物催化劑，已廣泛地應(yīng)用于輕工業(yè)的各個生產(chǎn)領(lǐng)域。近幾十年來，隨著酶工程不斷的技術(shù)性突破，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、能源開發(fā)及環(huán)境工程等方面的應(yīng)用越來越廣泛。 、食品加工中的應(yīng)用 酶在食品工業(yè)中最大的用途是淀粉加工，其次是乳品加工、果汁加工、

15、烘烤食品及啤酒發(fā)酵。與之有關(guān)的各種酶如淀粉酶、葡萄糖異構(gòu)酶、乳糖酶、凝乳酶、蛋白酶等占酶制劑市場的一半以上。【3】 目前，幫助和促進(jìn)食物消化的酶成為食品市場發(fā)展的主要方向，包括促進(jìn)蛋白質(zhì)消化的酶（菠蘿蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等），促進(jìn)纖維素消化的酶（纖維素酶、聚糖酶等），促進(jìn)乳糖消化的酶（乳糖酶）和促進(jìn)脂肪消化的酶（脂肪酶、酯酶）等。 二、輕化工業(yè)中的應(yīng)用 酶工程在輕化工業(yè)中的用途主要包括：洗滌劑制造（增強去垢能力）、毛皮工業(yè)、明膠制造、膠原纖維制造（粘接劑）牙膏和化妝品的生產(chǎn)、造紙、感光材料生產(chǎn)、廢水廢物處理和飼料加工等。 三、醫(yī)藥上的應(yīng)用 重組DNA技術(shù)促進(jìn)了各種有醫(yī)療價值的酶的大規(guī)模生

16、產(chǎn)。用于臨床的各類酶品種逐漸增加。酶除了用作常規(guī)治療外，還可作為醫(yī)學(xué)工程的某些組成部分而發(fā)揮醫(yī)療作用。如在體外循環(huán)裝置中，利用酶清除血液廢物，防止血栓形成和體內(nèi)酶控藥物釋放系統(tǒng)等。另外，酶作為臨床體外檢測試劑，可以快速、靈敏、準(zhǔn)確地測定體內(nèi)某些代謝產(chǎn)物，也將是酶在醫(yī)療上一個重要的應(yīng)用。 四、能源開發(fā)上的應(yīng)用 在全世界開發(fā)新型能源的大趨勢下，利用微生物或酶工程技術(shù)從生物體中生產(chǎn)燃料也是人們正在探尋的一條新路。例如，利用植物、農(nóng)作物、林業(yè)產(chǎn)物廢物中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、淀粉等原料，制造氫、甲烷等氣體燃料以及乙醇和甲醇等液體燃料。另外，在石油資源的開發(fā)中，利用微生物作為石油勘探、二次采油、石油

17、精煉等手段也是近年來國內(nèi)外普遍關(guān)注的課題。 五、環(huán)境工程上的應(yīng)用 在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的同時，環(huán)境凈化尤其是工業(yè)廢水和生活污水的凈化，作為保護(hù)自然的一項措施，具有十分重要的意義。 在現(xiàn)有的廢水凈化方法中，生物凈化常常是成本最低而最可行的。微生物的新陳代謝過程，可以利用廢水中的某些有機(jī)物質(zhì)作為所需的營養(yǎng)來源。因此利用微生物體中酶的作用，可以將廢水中的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成可利用的小分子物質(zhì)，同時達(dá)到凈化廢水的目的。人們利用基因工程技術(shù)創(chuàng)造高效菌種，并利用固定化活微生物細(xì)胞等方法，在廢水處理及環(huán)境保護(hù)作用中取得了顯著的成效。 六、 檢測上的應(yīng)用1、對疾病的檢測疾病治療效果的好壞在很大程度上決定于診斷的準(zhǔn)確性

18、。在眾多的疾病診斷方法中，酶學(xué)診斷具有可靠、簡便和快捷的特點，已在臨床上得到廣泛的應(yīng)用。生命現(xiàn)象是由多種酶催化反應(yīng)的綜合結(jié)果，因此，只要一種酶出現(xiàn)異常，就可能造成代謝為紊亂，引起人類的疾病，借助于體內(nèi)酶活性水平的檢測就可以對疾病進(jìn)行診斷；同樣，對于由于疾病引起的體內(nèi)代謝產(chǎn)物濃度的變化，也可以通過酶與代謝產(chǎn)物的特殊反應(yīng)進(jìn)行檢測。2、對環(huán)境的檢測生物傳感器的出現(xiàn)為環(huán)境監(jiān)測的連續(xù)化和自動化提供了可能，降低了環(huán)境監(jiān)測的成本，加強了環(huán)境監(jiān)督的力度?！?】3.1.2 酶工程在科研領(lǐng)域的用途4.1 酶工程的前景【發(fā)展前景】 現(xiàn)在已知的酶的酶有幾千種，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對酶日益增長的需要。隨著科技的發(fā)展，人們正在發(fā)現(xiàn)更多、更好的酶。其中，令人矚目的有核酸酶和抗體酶、端粒酶、糖生物學(xué)和糖基轉(zhuǎn)移酶和極端環(huán)境微生物和不可培養(yǎng)微生物的新酶種，此外，新的固定化、分子修飾和非水相催化等技術(shù)越來越受到人們關(guān)注。伴隨著人類基因組計劃取得的巨大成果，基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的誕生，生物信息學(xué)的興起，以及DNA重排技術(shù)的發(fā)展，預(yù)期在不久的將來，眾多新酶的出現(xiàn)將使酶的應(yīng)用達(dá)到前所未有的廣度和深度。 可以預(yù)計,隨著各種高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用及酶工程研究工作的不斷深入,酶工程研究和酶制劑工業(yè)必將取得更快、更大的發(fā)展