酶膜反應(yīng)器及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用

1、 56 酶膜反應(yīng)器及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用許牡丹檀志芬(陜西科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院咸陽(yáng)712081摘要:酶膜反應(yīng)器把酶促反應(yīng)的專一性和膜分離過(guò)程高效融合,創(chuàng)造出有利的過(guò)程熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué),因而具有反應(yīng)和傳質(zhì)速度快、條件溫和、選擇性高、易于連續(xù)化和自動(dòng)化、操作和設(shè)備成本低等特點(diǎn)。概述了酶膜反應(yīng)器的原理、特點(diǎn)及分類,重點(diǎn)介紹了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:酶膜反應(yīng)器;酶促反應(yīng);分離;應(yīng)用中圖分類號(hào):TS206.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005-9989(200310-0056-04Enzyme membrane reactors and its application in food ind

2、ustriesXU Mu-dan TAN Zhi-fen(Shanxi University of Science & Technology, Life Sciences& Engineering College, Xianyang, 712081Abstract:Enzyme membrane reactor can create favorable thermodynamics and kinetics by combining the high selectivity of enzymatic reaction and high efficiency of membrane separa

3、tion process, and thus possesses the following main features: high reaction and mass transfer rates, mild reaction condition, high selectivity, and smooth continuous operation and automation, low operation and equipment cost. The conception, distinct features and different classification of enzyme m

4、embrane reactor were generally described. Emphases its application in food Industries.Key words: enzyme membrane reactor; enzymatic reaction; separation; application0 前言酶膜反應(yīng)器是膜和生物化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的系統(tǒng)或操作單元,依靠酶的專一性、催化性及膜特有的功能,可在生物反應(yīng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)反應(yīng)與反應(yīng)的耦合,產(chǎn)物的原位分離、濃縮和酶的回收利用于一體,從而達(dá)到改變反應(yīng)進(jìn)程、控制反應(yīng)過(guò)程、減少副產(chǎn)物的生成、提高產(chǎn)品得率等目的。自20世紀(jì)60年

5、代末Blatt等人首次提出了酶膜反應(yīng)器的概念后,在近40年的時(shí)間內(nèi),酶膜反應(yīng)器在生物、醫(yī)藥、石化、食品、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等許多領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用1。本文概述了酶膜反應(yīng)器的原理、特點(diǎn)及分類,重點(diǎn)介紹了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。1 酶膜反應(yīng)器的原理酶膜反應(yīng)器是以膜作為固定化酶的載體,進(jìn)行酶收稿日期:2003-08-10作者簡(jiǎn)介:許牡丹(1963-,女,副教授,研究方向?yàn)槭称飞锛夹g(shù)與分析檢測(cè)。促反應(yīng)的同時(shí),利用膜的選擇性透過(guò)作用,在有外推力(壓差、電位差等的情況下,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的分離、濃縮和酶的回收再利用。對(duì)于一個(gè)成功的連續(xù)操作的酶膜反應(yīng)器而言,要求酶在反應(yīng)體系中完全截留,截流率為100%,以保證酶完全

6、留在反應(yīng)體系中;對(duì)催化的反應(yīng)產(chǎn)物應(yīng)能在濃縮梯度或壓力差下通過(guò)擴(kuò)散或傳導(dǎo)透過(guò)膜微孔,使產(chǎn)物不斷的得到分離且要求產(chǎn)物的截留率為0,若產(chǎn)物是一類低溶解度的易沉淀物質(zhì),產(chǎn)物在反應(yīng)過(guò)程中一直存在于反應(yīng)體系中,可達(dá)到很高的產(chǎn)物得率。在酶膜反應(yīng)器中,酶通常以兩種形式存在,可溶或不溶狀態(tài)處在膜的表面或微孔中,通過(guò)物理吸附、包埋、共價(jià)鍵合和化學(xué)交聯(lián)等方法將酶固定在某些媒介上(如惰性蛋白質(zhì)、凝膠、脂質(zhì)體等或直接固定在膜上,使酶處于膜的某一空間范圍內(nèi)。在多相反應(yīng)體系中,酶通常固定在膜親水的一側(cè)或膜內(nèi),但是對(duì)某些酶如酯酶則固定在膜朝向疏水的一側(cè)。 57No. 10. 2003 超濾(UF膜的孔徑分布范圍為1100nm

7、 ,分子量切割(NMWCO為500100000道爾頓,而酶的分子量范圍是10000100000道爾頓,因此,超濾膜特別適用于酶膜反應(yīng)器,尤其是具有高的通透率、易清洗等優(yōu)點(diǎn)的非對(duì)稱性超濾膜在工業(yè)中已得到大規(guī)模的應(yīng)用。在選擇膜時(shí),不僅要考慮酶底物、產(chǎn)物的分子大小,而且還應(yīng)考慮它們?cè)谌芤褐械幕瘜W(xué)特性以及膜本身的特性如膜材料的形態(tài)、孔度、孔徑分布、截留分子量大小、化學(xué)穩(wěn)定性、適宜的pH 值范圍、熱穩(wěn)定性、耐壓的能力、是否影響到酶的活力、膜的價(jià)格等因素。 2 酶膜反應(yīng)器的分類按酶與底物的反應(yīng)方式分,酶膜反應(yīng)器包括擴(kuò)散式、超濾式、異相反應(yīng)式三種,如圖1所示。(III異相反應(yīng)式圖1 酶膜反應(yīng)器的三種形式在(

8、I中,底物由進(jìn)料液側(cè)經(jīng)擴(kuò)散透過(guò)膜與酶接觸反應(yīng),產(chǎn)物則從酶溶液側(cè)透過(guò)膜返回底物溶液中,酶一般被固定在大量對(duì)稱膜的海綿層中。在(II中,底物S 不斷向酶溶液側(cè)輸入,產(chǎn)物P 則隨著溶液向透過(guò)液側(cè)移動(dòng)而被分離出去。在(III中,S 1、S 2分別為水難溶和水溶性底物,S 1在由微孔膜穩(wěn)定的界面上反應(yīng)。超濾式酶膜反應(yīng)器有三種操作方式:(a循環(huán)式;(b末端式;(c滲析式。如圖2所示。圖2 超濾式酶膜反應(yīng)器的三種操作方式循環(huán)式最典型的結(jié)構(gòu)是攪拌反應(yīng)器與膜組件結(jié)合在一起,反應(yīng)器中的酶與底物由供料泵送往膜組件,被截留在膜上的酶和未反應(yīng)的底物由循環(huán)泵輸回反應(yīng)器繼續(xù)利用。末端式酶膜反應(yīng)器操作簡(jiǎn)單,常在實(shí)驗(yàn)室中用于檢

9、驗(yàn)反應(yīng)機(jī)理等。滲析式酶膜反應(yīng)器,底物被輸入反應(yīng)器中酶液一側(cè),產(chǎn)物則透過(guò)膜進(jìn)入另一側(cè),兩側(cè)的溶液分別以大體相同的流速循環(huán),這種方式傳質(zhì)效率低,應(yīng)用受限。 3 酶膜反應(yīng)器的特點(diǎn)酶膜反應(yīng)器較傳統(tǒng)反應(yīng)器具有如下特點(diǎn): (1 酶促反應(yīng)具有較高的反應(yīng)速率和選擇性; (2 膜作為酶的固定化載體,可以使酶在類似于生物膜的環(huán)境中高效發(fā)揮作用;(3 反應(yīng)產(chǎn)物能及時(shí)從反應(yīng)區(qū)域移出,可有效地消除產(chǎn)物抑制和副反應(yīng);(4 在反應(yīng)中酶可重復(fù)利用,有利于降低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率;(5 對(duì)油水等多相反應(yīng)系統(tǒng),生物催化膜反應(yīng)器為它提供充分的接觸反應(yīng)界面,并在反應(yīng)完后油水進(jìn)行即時(shí)分離,不會(huì)帶來(lái)傳統(tǒng)反應(yīng)器產(chǎn)生的乳化問(wèn)題;(6 易于

10、連續(xù)化和自動(dòng)化控制,易于與反應(yīng)過(guò)程集成和組合;(7 反應(yīng)、分離、濃縮一體化,降低產(chǎn)品在下游加工中分離純化的費(fèi)用;(8 在實(shí)驗(yàn)研究中,超濾生物催化反應(yīng)器是研究反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、產(chǎn)物抑制、底物抑制、酶失活的一種強(qiáng)有力手段。4 酶膜反應(yīng)器在食品工業(yè)中地應(yīng)用酶膜反應(yīng)器在食品工業(yè)中主要應(yīng)用于淀粉、蛋白質(zhì)、纖維素水解生產(chǎn)麥芽糖、異麥芽低聚糖、多肽、氨基酸、牛乳中乳糖的降解和乳清的再利用、用油脂生產(chǎn)食品添加劑、果汁的澄清、肉類嫩化及一些生物活性物質(zhì)的合成等方面。 4.1 在乳品工業(yè)中的應(yīng)用牛乳和乳清中含大量乳糖,世界上有相當(dāng)?shù)娜藢儆谌樘遣贿m者,乳糖不易發(fā)酵、溶解度較低,在冷凍制品中易形成結(jié)晶,影響食品的加工性能,

11、液態(tài)牛乳在通過(guò)管道進(jìn)行高溫瞬時(shí)殺菌時(shí),乳糖的存在會(huì)產(chǎn)生膠狀物堵塞管道,并且乳清中大量乳糖使乳清的排放造成很大的環(huán)境污染等問(wèn)題。Jone 、Bollen 等分別將-半乳糖苷酶固定于中空纖維膜卷式膜上水解牛乳中乳糖處理乳清,生產(chǎn)低聚糖牛乳和嬰兒食品等,這種方法與常規(guī)固定化方法相比其初始化速率提高了13個(gè)數(shù)量級(jí),擴(kuò)散阻力低、傳質(zhì)效率高、短暫的時(shí)間即能達(dá)到相當(dāng)?shù)娜樘寝D(zhuǎn)化率,并能使乳糖的轉(zhuǎn)化與高分子蛋白質(zhì)的回收用簡(jiǎn)單的步驟即可完成。具有雙歧桿菌增殖作用的低聚半乳PSP(+SSS 2 p 2P 1S 1S 2P 1S 1(I擴(kuò)散式(II超濾式(b(aE+(S+PE+S 2(a(b (c超濾單元超濾單元P

12、SP S超濾單元PS 58 糖可用-半乳糖苷酶轉(zhuǎn)化乳糖來(lái)合成,1995年,Miguel 2用多微孔的PVC 膜將米曲霉的-半乳糖苷酶固定,使乳清超濾濃縮液連續(xù)流過(guò)反應(yīng)器,當(dāng)乳糖轉(zhuǎn)化率為25%40%時(shí),可得到較高的低聚半乳糖。Ismail Y.S 3等1998年用酶膜反應(yīng)器研究低聚半乳糖合成,通過(guò)不斷去除反應(yīng)過(guò)程中生成的單糖,解除其阻遏作用,提高了低聚半乳糖的產(chǎn)率。 4.2 在淀粉糖生產(chǎn)中的應(yīng)用淀粉糖生產(chǎn)中目前所用的反應(yīng)器存在著體積大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、酶只能利用一次、生產(chǎn)不連續(xù)、不同批次生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量有變化等缺陷。酶膜反應(yīng)器集催化反應(yīng)、分離/濃縮、催化劑回收和利用于一體,能有效克服普通反應(yīng)器的缺陷。

13、20世紀(jì)70年代初,不少學(xué)者已經(jīng)開始研究酶膜反應(yīng)器在淀粉水解中的應(yīng)用。Butterworth et al 4最早將末端式平膜反應(yīng)器用于-淀粉酶水解預(yù)糊化的粘玉米淀粉的實(shí)驗(yàn)。Closset et al 5用管式膜反應(yīng)器代替平膜反應(yīng)器研究,實(shí)驗(yàn)證明酶膜反應(yīng)器比普通反應(yīng)器效率更高,操作性能更好,但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,膜通量持續(xù)降低,始終不穩(wěn)定。Gaouar et al 6在中空纖維酶膜反應(yīng)器中水解液化淀粉生成麥芽糖,與固定化酶生產(chǎn)麥芽糖比較,產(chǎn)量提高525倍,轉(zhuǎn)化率提高了10%20%。Yi-Hsu Ju et al 7對(duì)-淀粉酶固定在中空纖維酶膜上液化可溶性淀粉進(jìn)行了研究,展示了膜反應(yīng)器在淀粉糖工業(yè)中的新

14、用途。雖然固定化后酶活降低,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,9.5min 內(nèi)(平均值淀粉即可被水解至DE 值12。此種方法可用于實(shí)際生產(chǎn)中。李昊等人8采用聚砜中空纖維酶膜反應(yīng)器,運(yùn)用-淀粉酶和異淀粉酶雙酶協(xié)同作用以木薯淀粉為原料來(lái)制取麥芽低聚糖,獲得最終產(chǎn)品M 36含量達(dá)到70%以上。試驗(yàn)表明酶膜反應(yīng)連續(xù)化新工藝大大節(jié)省酶用量及縮短反應(yīng)周期。另?yè)?jù)文獻(xiàn)報(bào)道,用酶膜反應(yīng)器水解淀粉生產(chǎn)糖漿,與間歇釜反應(yīng)器相比較,后者所用時(shí)間為前者的8倍。4.3 在生物活性肽合成中的應(yīng)用酯為底物,在陶瓷膜反應(yīng)中進(jìn)行了二肽Ac-Phe- Leu-NH 2的合成。由于二肽能夠選擇性地從反應(yīng)體系中沉淀析出,從而實(shí)現(xiàn)了酶促反應(yīng)與產(chǎn)物分離和有

15、效集成,二肽得率達(dá)到70%80%,純度92%,酶的催化活性在7d 內(nèi)基本不衰減。我國(guó)姜思義10 2001年報(bào)道,利用酶膜反應(yīng)器進(jìn)行二肽N-Ac-L-Phe- L-Leu-NH 2的合成研究。N-乙酰-L-苯丙氨酸乙酯(APEE的正辛醇溶液從聚丙烯腈中纖維膜的管程通入并循環(huán),L-亮氨酰胺的磷酸鹽緩沖液(pH=7.8從中空纖維膜的管程通入并循環(huán)。兩股進(jìn)料液擴(kuò)散進(jìn)入膜孔后,由固定在膜中的脂肪酶催化而生成二肽,二肽依據(jù)其溶解度被分配在水相或有機(jī)相中,當(dāng)超過(guò)飽和溶解度后從液相沉淀出來(lái),從而純化,實(shí)現(xiàn)了酶促反應(yīng)與分離純化的有效耦合而達(dá)到較高的效率,酶的初始反應(yīng)速率為6.6nmol/min ,產(chǎn)品得率為90

16、%。Hlorsheimer 成功地用酶膜反應(yīng)器研究了-胰凝乳蛋白酶合成L-Trg-L-Arg 。Givibo 則在此基礎(chǔ)上把酶膜反應(yīng)器體積放大到0.2L ,在150L 溶液純化可得到273g L-Trg-L-Arg 。 4.4 在飲料生產(chǎn)中的應(yīng)用膠質(zhì)是D-半乳糖醛酸一定程度的甲基化得到的線形聚合體,膠質(zhì)和糖(半乳糖、樹膠醛糖和鼠李糖的相互作用反映了果汁的濃度和粘度。果膠酶(水解多聚半乳糖醛酸鏈和果膠酯酶(水解膠質(zhì)的酯鍵產(chǎn)生果膠酸用于降低果汁粘度,果膠酶固定在膜反應(yīng)器上使酶可重復(fù)利用并通過(guò)橫流超濾控制澄清過(guò)程中的膜污染問(wèn)題11,把酶固定在膜上(聚砜螺旋卷組件與溶液中的游離酶相比,滲透量提高了30

17、%,然而,穩(wěn)態(tài)彌散流需要進(jìn)一步提高來(lái)滿足大規(guī)模應(yīng)用,其它影響滲透量的參數(shù)有:(1固定的生物催化劑的數(shù)量;(2流膜壓力;(3軸向壓力;(4操作方式12-14。酒中的多酚化合物影響酒的色澤和風(fēng)味,漆酶氧化溶液中的多酚物質(zhì)來(lái)穩(wěn)定酒類15,固定化花色素酶于合成或天然聚合物上水解花色素來(lái)穩(wěn)定酒類。酶膜反應(yīng)器在食品添加劑方面的應(yīng)用主要表現(xiàn)在生產(chǎn)氨基酸、有機(jī)酸、乳化劑及香味物質(zhì)等。 59No. 10. 2003 在許多氨基酸和有機(jī)酸酶法合成時(shí),一些酶在進(jìn)行反應(yīng)時(shí),需要輔助因子如NAD +、NADP +、ATP 、輔酶A 來(lái)協(xié)助完成共價(jià)鍵生成、能量傳遞、基因轉(zhuǎn)移和氧化還原反應(yīng),但這些輔助因子通常價(jià)格昂貴,若在

18、反應(yīng)系統(tǒng)中不能再生,將大幅度增加生產(chǎn)成本。由于酶膜反應(yīng)器可允許同時(shí)固定化幾種酶在膜上協(xié)同催化反應(yīng)或允許幾種底物在膜上發(fā)生系列反應(yīng),可實(shí)現(xiàn)酶催化的串聯(lián)反應(yīng),輔酶或輔助因子的再生降低了生產(chǎn)成本。利用酶膜反應(yīng)器已合成L-丙氨酸、亮氨酸、L-乳酸、甘露酸等。其中L-亮氨酸脫氫酶轉(zhuǎn)化丙酮酸為L(zhǎng)-丙氨酸的過(guò)程已大規(guī)模生產(chǎn)。NADH 為參加該反應(yīng)的輔助因子,并依靠甲酯脫氨酶將NAD +再生為NADH ,同時(shí)NADH 固定在PEG 上,維持膜反應(yīng)系統(tǒng)。每一輔基分子循環(huán)利用達(dá)50萬(wàn)次。利用酶膜反應(yīng)器以脂酶通過(guò)水解油脂合成甘油一酸酯、甘油二酸酯、甘油磷脂等。脂酯在相界面可得到活化,尤其是在多相酶膜反應(yīng)器中脂酯活性

19、可顯著提高,因?yàn)檫@有利于酶和底物的界面接觸。這類反應(yīng)器使兩個(gè)互不相溶的相分別流過(guò)膜的兩側(cè),一種底物通過(guò)膜與固定在膜另一側(cè)的酶分子結(jié)合,反應(yīng)在界面上發(fā)生,不產(chǎn)生乳化問(wèn)題。圖3 用于水解油脂的中空纖維酶膜反應(yīng)器圖3為中空纖維酶膜水解油脂生產(chǎn)乙酸乙酯的示意圖,該膜為親水膜,脂肪酸被固定在膜的內(nèi)側(cè),油相走膜的內(nèi)側(cè),通過(guò)泵循環(huán),水相走膜的外側(cè),也用泵循環(huán),油相循環(huán)引起的高壓足以保持兩相分開,所以水分子不會(huì)透過(guò)膜而進(jìn)入脂相。Giorn141 Ho W S, Sirkar K K. Membrane HandbookM.NewYork:Van Nostrand Reinhold,1992:353-4132

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