食品與酶工程PPT課件

1、第一部分第一部分 酶工程相關(guān)概念酶工程相關(guān)概念第1頁(yè)/共51頁(yè) 酶：活細(xì)胞產(chǎn)生的具有高度催化活力和高度專一性的生物催化劑。 酶工程：酶的生產(chǎn)及其在生物反應(yīng)器中進(jìn)行催化應(yīng)用技術(shù)的過(guò)程。酶的制備與發(fā)酵生產(chǎn)：生物細(xì)胞內(nèi)生物合成或直接提取分離微生物發(fā)酵生產(chǎn)制取酶第2頁(yè)/共51頁(yè)動(dòng)、植物細(xì)胞培養(yǎng)和微生物細(xì)胞培養(yǎng)比較項(xiàng)目項(xiàng)目微生物微生物動(dòng)物細(xì)胞動(dòng)物細(xì)胞植物細(xì)胞植物細(xì)胞大小（大?。╩）1-1010-10020-300懸浮生長(zhǎng)懸浮生長(zhǎng)可以可以大部分附著大部分附著可以，易成團(tuán)可以，易成團(tuán)營(yíng)養(yǎng)要求營(yíng)養(yǎng)要求簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單非常復(fù)雜非常復(fù)雜較復(fù)雜較復(fù)雜生長(zhǎng)速率生長(zhǎng)速率快，快，0.5-5h慢，慢，15-100h慢，慢，24-7

2、4h代謝調(diào)節(jié)代謝調(diào)節(jié)內(nèi)部?jī)?nèi)部?jī)?nèi)部、激素內(nèi)部、激素內(nèi)部、激素內(nèi)部、激素環(huán)境敏感環(huán)境敏感能忍受廣范能忍受廣范圍圍非常敏感（無(wú)細(xì)胞非常敏感（無(wú)細(xì)胞壁）壁）能忍受廣泛范能忍受廣泛范圍圍細(xì)胞分化細(xì)胞分化無(wú)無(wú)有有有有剪切力敏感剪切力敏感低低非常高非常高高高傳統(tǒng)變異、篩傳統(tǒng)變異、篩選選廣泛使用廣泛使用不常使用不常使用有時(shí)使用有時(shí)使用細(xì)胞或產(chǎn)物濃細(xì)胞或產(chǎn)物濃度度較高較高低低低低第3頁(yè)/共51頁(yè)動(dòng)、植物細(xì)胞培養(yǎng)目的動(dòng)物細(xì)胞 ：疫苗、激素、多肽藥物、單克隆抗體、酶、皮膚等人體組織、器官等功能性蛋白質(zhì)。植物細(xì)胞 ：色素、藥物、香精、酶等次級(jí)代謝物。第4頁(yè)/共51頁(yè)酶的制備植物細(xì)胞酶的制備植物細(xì)胞一、植物細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)酶

3、的工藝流程1.外植體的選擇與處理 外植體：是指從植株取出，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，用于植物組 織和細(xì)胞培養(yǎng)的植物的組織片段或小塊。外植體外植體細(xì)胞獲取細(xì)胞獲取細(xì)胞培養(yǎng)細(xì)胞培養(yǎng)分離純化分離純化產(chǎn)物產(chǎn)物第5頁(yè)/共51頁(yè)2.植物細(xì)胞的獲取 獲取細(xì)胞的方法有：直接分離法、愈傷組織誘導(dǎo)法和原生質(zhì)體再生法。 直接分離法 直接從外植體中獲得細(xì)胞，包括機(jī)械搗碎法和酶解法 愈傷組織誘導(dǎo)法 愈傷組織：一種能迅速增殖的、無(wú)特定結(jié)構(gòu)和功能的薄壁細(xì)胞團(tuán) 原生質(zhì)體再生法 原生質(zhì)體：除去細(xì)胞壁的微球體 植物原生質(zhì)體的分離方法一般有機(jī)械分離法和酶解法酶的制備植物細(xì)胞第6頁(yè)/共51頁(yè)第7頁(yè)/共51頁(yè)酶的制備植物細(xì)胞 3.細(xì)胞懸浮培養(yǎng) 4

4、.分離純化二、植物細(xì)胞培養(yǎng)的培養(yǎng)基1.植物細(xì)胞培養(yǎng)基的特點(diǎn) 生長(zhǎng)和發(fā)酵需要大量的無(wú)機(jī)鹽 需要多種維生素和植物激素 氮源一般為無(wú)機(jī)氮 以蔗糖為碳源第8頁(yè)/共51頁(yè)酶的制備植物細(xì)胞2.幾種常見(jiàn)的植物細(xì)胞培養(yǎng)基 MS、B5、White、KM-8P培養(yǎng)基三、溫度和pH 植物細(xì)胞培養(yǎng)溫度一般在25左右 pH一般控制在微酸性范圍，5.5左右四、通風(fēng)和攪拌 耗氧速率較慢，細(xì)胞比較大，較脆弱，對(duì)剪切敏感，所以，通氣和攪拌不能太強(qiáng)烈。第9頁(yè)/共51頁(yè)酶的制備植物細(xì)胞五、光照 對(duì)一些植物酶有誘導(dǎo)作用或抑制作用。六、前體和刺激的添加 前體：指處于目標(biāo)代謝物代謝途徑上游的物質(zhì)。 添加劑：指可以促進(jìn)植物細(xì)胞的物質(zhì)代謝朝

5、所需次級(jí)代謝物生成的方向發(fā)展的物質(zhì)（常用的刺激劑有微生物細(xì)胞壁碎片和果膠酶、纖維素酶等胞外酶）。第10頁(yè)/共51頁(yè)酶的制備動(dòng)物細(xì)胞酶的制備動(dòng)物細(xì)胞動(dòng)物細(xì)胞的特性： 細(xì)胞生長(zhǎng)速度慢（需加抗生素） 細(xì)胞體積大，無(wú)細(xì)胞壁保護(hù)，對(duì)剪切力敏感 反應(yīng)過(guò)程成本高，產(chǎn)品價(jià)格貴 細(xì)胞具有群體效應(yīng)，錨地依賴性、接觸抑制性以及功能 全能性第11頁(yè)/共51頁(yè)酶的制備動(dòng)物細(xì)胞動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)特點(diǎn)：（1）主要用于功能蛋白質(zhì)和多肽的生產(chǎn)（2）生長(zhǎng)較慢，15-100h（3）需要添加抗生素以防染菌（4）無(wú)細(xì)胞壁，體積較大，對(duì)剪切力敏感，要求嚴(yán)格控制培養(yǎng)條件如pH、滲透壓、溶解氧等（5）大部分動(dòng)物細(xì)胞有錨地依賴性，需要貼壁培養(yǎng)（6）

6、培養(yǎng)基成分復(fù)雜，分離純化復(fù)雜，成本較高，多用于高價(jià)值藥物的生產(chǎn)（7）原代細(xì)胞培養(yǎng)50代之后即會(huì)退化死亡，需要重新分離細(xì)胞第12頁(yè)/共51頁(yè)酶的制備動(dòng)物細(xì)胞動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)方式： 懸浮培養(yǎng) 血液、淋巴組織的細(xì)胞 貼壁培養(yǎng) 成纖維細(xì)胞型（fibroblast） 上皮細(xì)胞型(epithilium cell type) 游走細(xì)胞型(wondering cell type) 多形性細(xì)胞型 (polymorphic cell type) 固定化細(xì)胞培養(yǎng)第13頁(yè)/共51頁(yè)酶的制備動(dòng)物細(xì)胞動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程：動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)基的組成成分：氨基酸、維生素、無(wú)機(jī)鹽、葡萄糖、激素、生長(zhǎng)因子種質(zhì)細(xì)胞種質(zhì)細(xì)胞懸浮細(xì)胞懸浮細(xì)胞細(xì)胞

7、培養(yǎng)細(xì)胞培養(yǎng)分離純化分離純化產(chǎn)物產(chǎn)物第14頁(yè)/共51頁(yè)酶的制備動(dòng)物細(xì)胞動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)條件：（1）溫度：一般控制在36.5，允許溫度波動(dòng)范圍在0.25之內(nèi)。（2）pH值：一般控制在pH7.0-7.6微堿性范圍內(nèi)，通常在pH7.4的條件下生長(zhǎng)最好。（3）滲透壓：培養(yǎng)液中滲透壓應(yīng)當(dāng)與細(xì)胞內(nèi)的滲透壓處于等滲狀態(tài)，一般控制在700-850kPa范圍內(nèi)。（4）溶解氧：至關(guān)重要，供氧不足時(shí)，細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制，供氧過(guò)量時(shí)，也會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害。第15頁(yè)/共51頁(yè)第二部分第二部分 酶工程在食品酶工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用工業(yè)中的應(yīng)用第16頁(yè)/共51頁(yè)酶法降解纖維素及其應(yīng)用1、纖維素酶的概念2、纖維素酶的分類3、影響纖維

8、素酶作用的因素4、纖維素酶在食品加工中的應(yīng)用5、纖維素酶在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用第17頁(yè)/共51頁(yè)纖維素酶的概念 纖維素酶是指能水解纖維素-1,4-葡聚糖-4-葡聚糖苷鍵，使纖維素變成纖維二糖和葡萄糖的一組酶的總稱，它是一種起協(xié)同作用的多組分酶系。第18頁(yè)/共51頁(yè)纖維素酶的分類 葡萄糖內(nèi)切酶：隨機(jī)水解-1,4糖苷鍵，切斷長(zhǎng)鏈纖維素分子，產(chǎn)生大量非還原性末端的小分子纖維素。 葡萄糖外切酶（纖維二糖水解酶）：作用于纖維素線狀分子末端，水解-1,4糖苷鍵，每次切下一個(gè)纖維二糖分子。 一葡萄糖苷酶（纖維二糖酶）：水解纖維二糖和短鏈的纖維寡糖生成葡萄糖。第19頁(yè)/共51頁(yè)影響纖維素酶作用的因素 底物的結(jié)構(gòu)和

9、濃度：底物是纖維素，木質(zhì)結(jié)構(gòu)的障礙和纖維素本身的結(jié)晶度和聚合度的阻礙，使酶解效率下降。 酶的組成及濃度：選擇相應(yīng)的纖維素酶 pH：最適pH一般在4.56.5。 溫度：最適溫度一般在4060C 重金屬離子：如銅和汞離子能抑制纖維素酶， 中性鹽類：使纖維素酶活化。第20頁(yè)/共51頁(yè)纖維素酶在食品加工中的應(yīng)用1、飲料生產(chǎn)： 促進(jìn)果汁的提取與澄清、提高可溶性固形物含量、并可將皮渣綜合利用。2、蔬菜生產(chǎn) 使細(xì)胞壁膨脹、軟化，提高可消化性和改進(jìn)口感。 在制備脫水蔬菜，可改進(jìn)脫水蔬菜的燒煮性和復(fù)原性。第21頁(yè)/共51頁(yè)纖維素酶在食品加工中的應(yīng)用3、種子蛋白利用 促進(jìn)脫皮，增加大豆提取優(yōu)質(zhì)水溶性蛋白質(zhì)的得率，

10、也可用于回收豆渣中的蛋白質(zhì)和油渣。4、速溶茶 用纖維素低溫提取，既可提高得率，又可保持茶葉的色、香、味。第22頁(yè)/共51頁(yè)纖維素酶在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用1、醬油釀造 改善醬油質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)量。2、釀酒工業(yè) 提高酒精和白酒的出酒率。3、纖維素渣的轉(zhuǎn)化應(yīng)用 提供新能源和變?yōu)閺U為寶。第23頁(yè)/共51頁(yè)酶法降解甲殼素及其應(yīng)用1、甲殼素的概念2、酶在殼聚糖制備的應(yīng)用第24頁(yè)/共51頁(yè)甲殼素的概念 甲殼素又稱幾丁質(zhì)。 甲殼素具有抗癌抑制癌、瘤細(xì)胞 轉(zhuǎn)移，提高人體免疫力及護(hù)肝解 毒作用。 甲殼素的脫乙?；苌餁ぞ厶恰＿@種殼聚糖由于它的大分子結(jié)構(gòu)中存在大量氨基，從而大大改善了甲殼素的溶解性和化學(xué)活性

11、，因此使它在醫(yī)療、營(yíng)養(yǎng)和保健等方面具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。第25頁(yè)/共51頁(yè)酶在殼聚糖制備的應(yīng)用（一）酶法脫蛋白 多用于多糖的提取。優(yōu)點(diǎn)：化學(xué)試劑用量少，蛋白質(zhì)易回收，可有效降低加工成本。缺點(diǎn)：蝦蟹殼很難與酶反應(yīng)，脫蛋白效果不好；有些酶在降解蛋白質(zhì)的同時(shí)也會(huì)引起甲殼素的降解，不適用于大分子殼聚糖的制備。方法：1、直接用酶水解脫蛋白 2、利用微生物發(fā)酵脫蛋白第26頁(yè)/共51頁(yè)酶在殼聚糖制備的應(yīng)用（二）酶法脫乙酰 酶法制備殼聚糖最重要的應(yīng)用是以專一性酶對(duì)甲殼素進(jìn)行脫乙酰反應(yīng)。但是水不溶于甲殼素，酶法脫乙酰效果并不明顯。在加酶前對(duì)甲殼素進(jìn)行處理，可提高酶催化的脫乙酰的速度和產(chǎn)率。第27頁(yè)/共51頁(yè)酶在殼

12、聚糖制備的應(yīng)用（三）酶法制備低聚殼聚糖與殼聚糖相比，低聚殼聚糖功能特性更好：具有物理性能穩(wěn)定、良好的溶解性、親水吸濕性、抑菌防腐、生物降解性等理化性能。由于殼聚糖的純天然活性及無(wú)毒副作用，對(duì)人體有良好的親和性，能促進(jìn)機(jī)體合成分泌大量免疫球蛋白抗體，調(diào)節(jié)提高人體免疫力；吸附體內(nèi)毒素、有害色素和輻射素；螯合體內(nèi)有害的重金屬離子，隨代謝物排出體外；調(diào)節(jié)人體pH值，增強(qiáng)免疫活性細(xì)胞的質(zhì)量和數(shù)量，活化正常體細(xì)胞；延緩衰老；抑制癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移等功效。第28頁(yè)/共51頁(yè)酶在殼聚糖制備的應(yīng)用低聚糖一般通過(guò)降解殼聚糖的方法制備： 1、化學(xué)法：分為酸解和氧化降解。 缺點(diǎn)：反應(yīng)條件劇烈，不好控制； 化學(xué)試劑較多，不容易

13、分離提純； 廢物排放多，易造成環(huán)境污染。第29頁(yè)/共51頁(yè)酶在殼聚糖制備的應(yīng)用2、酶法：分為非專一性酶水解法和專一性酶水解法。非專一性酶水解目前已發(fā)現(xiàn)多種非專一性酶可以水解殼聚糖，但很難得到高度水解的產(chǎn)物，需要專一性水解酶。專一性水解酶包括溶菌酶、甲殼素酶、殼聚糖酶等。第30頁(yè)/共51頁(yè)第三部分第三部分 纖維素酶在食纖維素酶在食品中應(yīng)用實(shí)例品中應(yīng)用實(shí)例第31頁(yè)/共51頁(yè)一、纖維素酶在茶葉提取加工中的應(yīng)用第32頁(yè)/共51頁(yè)一、纖維素酶在茶葉提取加工中的應(yīng)用 茶葉的主要成分有茶多酚、碳水化合物、蛋白質(zhì)、氨基酸、咖啡堿、茶多糖和芳香性物質(zhì)等。第33頁(yè)/共51頁(yè)一、纖維素酶在茶葉提取加工中的應(yīng)用 酶法

14、提取的原理是利用纖維素酶、果膠酶、半纖維素酶等水解酶分解茶葉細(xì)胞壁,使細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞,從而促進(jìn)茶葉中有效成分的擴(kuò)散和浸出,有利于固形物的溶出和浸提率的提高。同時(shí)酶法提取一般在較低溫度下進(jìn)行,對(duì)茶湯香氣也有積極的作用。 酶解過(guò)程還具有一般酶促反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn),例如反應(yīng)條件溫和,對(duì)環(huán)境無(wú)污染和催化效率高等。第34頁(yè)/共51頁(yè)一、纖維素酶在茶葉提取加工中的應(yīng)用 在速溶茶加工的萃取過(guò)程中添加纖維素酶,在酶解參數(shù)為酶添加量2.4 U/g,底物濃度6.5%,酶解溫度50 C,酶解時(shí)間8 h,酶解pH值5.0。纖維素酶可以有效提高茶湯的可溶性固形物含量,茶多盼含量和速溶茶的提取率,經(jīng)酶處理的茶飲料在短期內(nèi)可以提高其

15、穩(wěn)定性。纖維素酶酶法提取茶葉時(shí),由于細(xì)胞壁多糖的水解茶葉水浸出物率和還原糖含量顯著增加。第35頁(yè)/共51頁(yè)二、纖維素酶在沼氣發(fā)酵中的應(yīng)用第36頁(yè)/共51頁(yè)二、纖維素酶在沼氣發(fā)酵中的應(yīng)用 沼氣是一種是由微生物將有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下分解代謝而產(chǎn)生的高熱值可再生的潔凈生物質(zhì)能源。作物秸稈發(fā)酵生產(chǎn)沼氣是利用秸稈中儲(chǔ)存的豐富生物質(zhì)能的簡(jiǎn)便途徑，沼氣的生產(chǎn)不僅使生物質(zhì)資源得到深度開(kāi)發(fā)和循環(huán)利用，對(duì)解決當(dāng)今所面臨的能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。第37頁(yè)/共51頁(yè)二、纖維素酶在沼氣發(fā)酵中的應(yīng)用 秸稈的主要成分為纖維素、半纖維素及木質(zhì)素，利用化學(xué)或生物技術(shù)轉(zhuǎn)化成可溶性糖，然后利用微生物發(fā)酵技術(shù)將可溶

16、性糖轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸、醇、醋以及甲烷、二氧化碳、氫氣等化工原料和能源。第38頁(yè)/共51頁(yè)二、纖維素酶在沼氣發(fā)酵中的應(yīng)用 秸稈經(jīng)過(guò)纖維素酶預(yù)處理后，破壞了包覆在纖維素分子表面的半纖維素和木質(zhì)素分子，使纖維素半纖維素與木質(zhì)素分離，并且發(fā)生部分分解，改善了秸稈的厭氧消化性質(zhì)，為厭氧菌提供了易消化的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這是秸稈產(chǎn)氣量提高的主要原因。第39頁(yè)/共51頁(yè)第四部分第四部分 酶法降解甲殼酶法降解甲殼素的實(shí)例素的實(shí)例第40頁(yè)/共51頁(yè)一、利用甲殼素脫乙酰酶制備殼聚糖甲殼素脫乙酰酶（CDA）： 甲殼素脫乙酰酶是一種催化甲殼素中N-乙?；?D-葡糖胺的乙酰氨基水解的酶。 廣泛存在于自然界，尤其是一些真菌中。第41

17、頁(yè)/共51頁(yè)1、酶的制備：菌種：藍(lán)色犁頭霉和構(gòu)巢曲霉最適條件：溫度：培養(yǎng)的最適溫度是2528,而最適的發(fā)酵溫度是3133。時(shí)間：最適的發(fā)酵時(shí)間為96小時(shí)。培養(yǎng)篩選配制培養(yǎng)基接種發(fā)酵分離純化酶第42頁(yè)/共51頁(yè)一、利用甲殼素脫乙酰酶制備殼聚糖pH值：培養(yǎng)基初始pH值為6.5。碳源：選擇可溶性殼聚糖，可提高菌種產(chǎn)甲殼素脫乙酞酶的活力。氮源：蛋白胨和酵母粉。金屬離子：Mg2+作為酶活性中心的組成部分,可以維持生物大分子和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,調(diào)節(jié)并維持細(xì)胞的滲透壓平衡、氫離子濃度和氧化還原電位。Co2+對(duì)菌種的產(chǎn)酶能力有明顯的促進(jìn)作用。第43頁(yè)/共51頁(yè)一、利用甲殼素脫乙酰酶制備殼聚糖2.甲殼素脫乙酰酶

18、對(duì)甲殼素的脫乙酰化影響因素： 溫度、pH值、底物濃度、Mg2+濃度、酶液量、反應(yīng)時(shí)間。最適條件： 溫度50；pH值4. 55. 0；酶液量0. 40%；底物濃度0.75%；反應(yīng)時(shí)間90 min。第44頁(yè)/共51頁(yè)一、利用甲殼素脫乙酰酶制備殼聚糖 酶法制備殼聚糖是一種生物的制備方法,此種方法不僅可以解決嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題,而且能降低能耗,彌補(bǔ)濃堿熱處理所得產(chǎn)品的一些不足。隨著生物技術(shù)的發(fā)展,脫乙酰酶生產(chǎn)成本的降低,未來(lái)這種不消耗氫氧化鈉,能在常溫下脫除乙酰基的清潔的生物制備殼聚糖方法,將有很大的前景。第45頁(yè)/共51頁(yè)二、酶法制備低聚殼聚糖專一性酶（如殼聚糖酶） 水解率高，是殼聚糖水解的最適合酶。但得率低，價(jià)格高，難以獲得大量而廉價(jià)的殼聚糖專一性酶，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。非專一性酶 種類多，來(lái)源廣，廉價(jià)易得。有的酶對(duì)殼聚糖的降解活性與殼聚糖酶相似，甚至超過(guò)了殼聚糖酶。第46頁(yè)/共51頁(yè)二、酶法制備低聚殼聚糖纖維素酶降解殼聚糖 殼聚糖和纖維素分別是殼聚糖酶和纖維素酶的底物，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上十分相似，都是D-葡糖單元由-1,4糖苷鍵