生物工程專業(yè)英語第五章翻譯

1、第五章、酶和固定化細胞技術(shù)微生物，特別是酵母菌，已使用了幾千年生產(chǎn)啤酒，葡萄酒和其他發(fā)酵產(chǎn)品。然而，這是不到1878的實際組成部分的酵母細胞負責發(fā)酵為酶（來源于希臘語意味著它在年）。不到二十年后非生命的性質(zhì)的酶是清楚地表明與無細胞提取物對酵母，能促進葡萄糖轉(zhuǎn)化為乙醇。最后驗證了酶是蛋白質(zhì)僅在1926的純化和結(jié)晶尿酶。在接下來的幾年里，與演化的新的學科生物化學，酶被證明是在所有活的生物體，并利用活細胞催化特定的化學反應(yīng)。隨后，酶已被證明是非常具體的作用，運作的高轉(zhuǎn)換率，和溫和的生理條件下運作低壓力和溫度，在水溶液中。雖然正常的酶的作用位點是細胞能排泄到環(huán)境中的酶來打破大的有機分子（蛋白質(zhì)，脂肪，

2、淀粉）（分泌）（胞外酶）有無數(shù)的例子，在活細胞的內(nèi)部否則不能進入細胞，一些微生物的胞外酶生產(chǎn)的正常生長非常重要的是，它是從這個源酶首次投入商業(yè)利用。5.1、商業(yè)作用的酶所有產(chǎn)品的商業(yè)發(fā)酵過程的最終結(jié)果是酶活性在生產(chǎn)者有機體。可以孤立的酶替代生產(chǎn)生物在特定發(fā)酵？這是個常見的問題，但令人滿意的成果很少被意識到實踐。使用整個生物體造成一定的缺點在發(fā)酵過程：1、最佳條件可能不同的增長和產(chǎn)品的形成。2.一個高比例的基板可以轉(zhuǎn)化為生物量。3.副反應(yīng)可以發(fā)生；4.轉(zhuǎn)化率所需的產(chǎn)品可能是緩慢的；5.所需的產(chǎn)品從發(fā)酵可能是困難的。因此，使用分離和純化酶最，如果不是全部，這些限制可以減少或克服的。最明顯的優(yōu)點是簡

3、單的處理，更大的可預測性的活動和改善特異性催化作用。然而，大多數(shù)發(fā)酵使用傳統(tǒng)的整個生物體有可能持續(xù)到未來。雖然超過2000酶已被分離出的微生物，植物和動物，少于20的使用規(guī)模上可以被視為重要的，無論是商品生產(chǎn)者或用戶在行業(yè)或服務(wù)。目前主要的輸出商業(yè)生產(chǎn)者關(guān)注的是相對簡單的酶用于天然的形式主要是在食品及相關(guān)行業(yè)和洗滌劑制造（圖.5.1）。大多數(shù)的水解酶，如淀粉酶，蛋白酶，纖維素酶，果膠酶，等等，和功能主要是作為添加劑或過程助劑中烘烤，乳制品，啤酒和果汁行業(yè)。與此相反的粗散裝酶是一個迅速擴大的市場一定的高度純化的酶，如葡萄糖異構(gòu)酶和葡萄糖氧化酶。這些酶和許多其他的發(fā)現(xiàn)越來越多的應(yīng)用在制藥行業(yè)，在治

4、療應(yīng)用在臨床化學分析。5.2酶來源商業(yè)用酶是來自植物和動物組織, 和來自選育的微生物. 從植物中得到的酶包括蛋白酶, 淀粉酶, 脂氧合酶和一些特殊的酶. 從動物組織中的酶主要是胰腺的胰島素和脂肪酶及制作奶酪的凝乳酶. 植物和動物原料會出現(xiàn)供應(yīng)問題,由于季節(jié)變化, 低濃度和生產(chǎn)植物酶的高成本, 而;來自肉類工業(yè)副產(chǎn)品的動物酶,它的供應(yīng)有限,并且會和其他的使用者競爭. 現(xiàn)在出現(xiàn)許多傳統(tǒng)的源料都不足以滿足現(xiàn)在的酶需求, 正在尋找為現(xiàn)有的和新的酶的微生物來源。在實踐中，微生物的酶是從一個相對有限的微生物和微生物，特別是，一個歷史悠久的可接受性的食品和飲料生產(chǎn)商的首選。這是特別昂貴的制造商獲得批準，立法

5、機關(guān)使用的產(chǎn)品來自未經(jīng)證實，微生物作為他們必須評估毒性和安全。出于這個原因，大多數(shù)工業(yè)微生物的酶是從很少超過11，真菌，細菌和酵母菌和84在實踐生產(chǎn)商通常尋求新的酶在這一組（表5.1）。除非更便宜的方法進行安全性測試可以發(fā)展將有相當大的限制的新產(chǎn)品開發(fā)微生物活動。篩選方案，酶的生產(chǎn)是極其復雜，特別是種植方式被用來確定菌株的選擇。它已經(jīng)表明，某些菌株只會產(chǎn)生高效價在表面或固體培養(yǎng)，而其他菌株適合于深層培養(yǎng)或液體培養(yǎng)。因此，選擇的技術(shù)必須與最終的商業(yè)化生產(chǎn)工藝。5.3 酶生產(chǎn)在選擇菌體之后,生長必須在酶生產(chǎn)量最大化條件下進行. 胞外酶比胞內(nèi)酶有一些特殊的優(yōu)勢,因為它們的產(chǎn)品不需要昂貴的細胞破碎技術(shù)

6、; 胞外酶在液體培養(yǎng)基中以一種相對較純的狀態(tài)存在, 而胞內(nèi)酶需要更為復雜的分離和純化方法. 工業(yè)生產(chǎn)的酶大部分是胞外酶, 但是胞內(nèi)酶在醫(yī)學和工業(yè)中作為診斷酶起著越來越重要的作用.選擇的微生物應(yīng)該很穩(wěn)定和酶生產(chǎn). 并且能夠形成孢子, 能夠在廉價的培養(yǎng)基上升長良好, 不產(chǎn)生有毒的底物, 并且沒有抗生素活性.現(xiàn)在工業(yè)酶生產(chǎn)主要依靠深層發(fā)酵或者是固體發(fā)酵方法. 由于微生物酶通常是小體積生產(chǎn)的, 所以很難從經(jīng)濟上證明深層培養(yǎng)生產(chǎn)所需的特殊發(fā)酵設(shè)備的發(fā)展是合理的. 通常, 所用的設(shè)備和抗生素生產(chǎn)所用的在設(shè)計上和功能是很相似. 一個典型的酶生產(chǎn)反應(yīng)器是用不銹鋼制成的, 帶有機械攪拌和空氣鼓泡器,容量大概是1

7、0-50m3. 這種生物反應(yīng)器有嵌入式的靈活性, 可以很容易的轉(zhuǎn)變成其他的生產(chǎn)模式.通常保外酶是用持續(xù)30個到50個小時的分批發(fā)酵過程來生產(chǎn)的. 停止發(fā)酵的最佳時間在產(chǎn)量最大化和酶活性最大化之間. 最佳時間是由原料成本, 工廠規(guī)模和恢復的難易決定的. 連續(xù)培養(yǎng)技術(shù)可以在實驗規(guī)模上用于酶生產(chǎn)在實驗, 但是幾乎沒有證據(jù)證明有任何生產(chǎn)商用這種方法. 分批培養(yǎng)方法?？梢詳U大, 通過連續(xù)的或分批添加碳水化合物或蛋白質(zhì)可以提高酶產(chǎn)量. 現(xiàn)在還沒有通用的酶動力學模型, 但是有可能研究特定酶的調(diào)控機制. 僅僅一小部分重要的商業(yè)酶是在指數(shù)期生產(chǎn)的, 大部分是在指數(shù)生長周期之后合成的, 有用的酶蛋白的產(chǎn)量大概是最

8、初的培養(yǎng)基干底物的1%到5% , 典型的發(fā)酵中細胞產(chǎn)量可以是2%到10%怎樣調(diào)控生物反應(yīng)器中的酶生產(chǎn)達到商業(yè)操控的最優(yōu)勢? 現(xiàn)在有很多方法可以克服可能限制目的酶產(chǎn)量的控制機制中任何一個問題. 在原則上有倆類, 操控遺傳物質(zhì)和操控微生物生長環(huán)境. 通常一起用這兩種方法會出現(xiàn)最成功的結(jié)果. 微生物的遺傳操控在第三章有討論, 許多公認的已經(jīng)應(yīng)用于調(diào)控研究. 突變體的形成依然是工業(yè)應(yīng)用最廣的方法, 但是技術(shù)的應(yīng)用范圍會增加，特別是在非食品行業(yè)過程控制員可以通過選擇合適的培養(yǎng)基組分或者培養(yǎng)參數(shù)來控制生長環(huán)境從而克服由調(diào)控機制引起的酶合成抑制，誘導物的添加可能會非常有效應(yīng)用最廣的誘導物是非代謝底物的類似物

9、酶合成的終產(chǎn)物的抑制我們可以通過以下的方法進行阻止：（a）通過在培養(yǎng)基中添加抑制劑來限制終產(chǎn)品的積累（b）確保終產(chǎn)品不出現(xiàn)在供應(yīng)的培養(yǎng)基中（c）選擇一調(diào)節(jié)性的不會受終產(chǎn)品抑制的突變體許多重要的工業(yè)酶都會受到代謝的抑制實踐上通過以下的方法可以避免代謝抑制：（a）抵抗代謝抑制的突變體（b）避免使用抑制性碳源（c）通過生來抑制來去酶合成抑制，包括抑緩慢添加抑制性底物或者代謝類似物和底物的衍生物的緩慢利用在許多重要的此生代謝產(chǎn)物的工業(yè)生產(chǎn)中，產(chǎn)品形成通常是出現(xiàn)在在繁殖期例如在快速生長的初期之后這些現(xiàn)象第一次報道是出現(xiàn)在抗生素生產(chǎn)上但是現(xiàn)在知道有很多相關(guān)的因子啟動次生代謝的因子不是很清楚, 但是它和細胞

10、中特定酶的組成的明顯的變化有關(guān). 固體底物培養(yǎng)方法起到了重要的作用在商業(yè)酶生產(chǎn)中, 特別是在日本. 特別是曲霉中的淀粉酶, 曲霉和毛酶中的蛋白酶, 長久以來在商業(yè)上就有重要的作用. 其他的酶產(chǎn)品包括果膠酶和纖維素酶, 最初, 培養(yǎng)是在托盤上的用手工操作, 但是隨后清洗, 培養(yǎng)基裝配及托盤清理的機械系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來了. 固體培養(yǎng)系統(tǒng)和深層培養(yǎng)方法相比, 優(yōu)點和缺點都有深入的分析. 酶生產(chǎn)的固體培養(yǎng)方法的主要的優(yōu)點優(yōu)點是:(a)單位體積發(fā)酵罐的酶產(chǎn)量高(b)耗能少(c)所需控制最少(d)提取的濃縮酶溶液產(chǎn)量高(e)設(shè)備規(guī)模通常較小(f)規(guī)模放大不是很困難連續(xù)操作可以在培養(yǎng)過程中和底物添加一起.毫無

11、疑問, 深層培養(yǎng)方法目前在商業(yè)酶生產(chǎn)中占優(yōu)勢, 由于操作成本和更容易控制過程中感染雜菌的風險. 對于酶生產(chǎn)是使用固體底物還是用深層發(fā)酵的方法最終取決于兩個過程的相對成本. 然而固體底物發(fā)酵和許多微生物的自然生長環(huán)境相似. 特別是真菌. 這樣可能更好的提供了酶活性的混合. 未來酶生產(chǎn)的固體底物發(fā)酵的方法的成功將很大程度上取決于下面的研究成果, 包括顆粒內(nèi)部的質(zhì)量傳遞, 不溶性底物的酶降解和生物反應(yīng)器設(shè)計和過程操作的提高.5.4酶相關(guān)法規(guī)微生物酶產(chǎn)品需要在毒性和其他的安全方面滿足嚴格的規(guī)定. 商業(yè)酶產(chǎn)品在安全方面潛在的關(guān)注領(lǐng)域主要是:(a) 產(chǎn)品中有其他蛋白質(zhì)引起的變態(tài)反應(yīng), 包括酶蛋白質(zhì)和其他的

12、外來的材料(b) 酶的催化活性(c)有毒物質(zhì)的存在, 例如真菌毒素和抗生素酶不同, 它們的抗原性也不同, 雖然它們會變化, 但是它們對使用者的影響可以通過配方達到最小化. 大多數(shù)的問題都是酶以粉末的形式產(chǎn)生的, 但是這可以通過包裹在惰性載體中來消除. 液體狀體的酶應(yīng)用的更廣.由于酶催化活性產(chǎn)生的直接影響現(xiàn)在并不是很關(guān)注下. 通常, 純酶是沒有毒的.在酶制劑中的有毒物質(zhì)主要以兩種方式出現(xiàn). 有毒物質(zhì)可能存在發(fā)酵的培養(yǎng)基中, 由于大多數(shù)的酶產(chǎn)品只是經(jīng)過相對簡單的純化工藝, 所以有毒物質(zhì)可能出現(xiàn)在最終的產(chǎn)品中. 因此為了確保沒有攜帶有毒物質(zhì), 食品或食品級的添加劑材料必須規(guī)定, 并且所有的系統(tǒng)應(yīng)該測

13、試微生物污染物.對真菌酶毒理學的關(guān)注主要是生產(chǎn)菌種的真菌毒素. 在最近的二十年, 逐漸的意識到許多真菌產(chǎn)生的有毒代謝產(chǎn)物或者真菌毒素, 也必須檢測所有的真菌酶樣品的真菌毒素. 許多真菌毒素在測試菌上會表現(xiàn)出致癌性, 雌激素性, 誘變性或者致畸性. 危險的定量評價是相當?shù)睦щy. 因為人類對低濃度的真菌毒素幾乎沒有什么信息 但是, 假如真菌毒素能夠檢測到, 那么這些產(chǎn)品就不能使用.用于酶生產(chǎn)的微生物可以分成三類. 根據(jù)分類, 將有不同的毒性測試要求. 類型A微生物是長久以來用于食品或食品生產(chǎn)過程. 在這類中不需要毒理學研究. 類型B微生物是食品中無害的污染物, 這類需要短期的毒性測試. 在類型C是

14、不存在類型A和B中的所有微生物. 這些微生物需要更為嚴格的毒理學研究, 包括在多種動物上的長久的食物檢測. 負責酶產(chǎn)品安全的主要是生產(chǎn)商和新產(chǎn)品需要通過相關(guān)的政策. 國家和國際組織已經(jīng)對一些酶制定相關(guān)的規(guī)格和建議. 總結(jié)來說, 酶產(chǎn)品必須是均一的, 可靠地和安全的, 并且這是生產(chǎn)商的責任來滿足這些規(guī)格. 5.5 酶固定化 使用分離酶主要的缺點是它們在操作條件下不夠穩(wěn)定, 作為水溶性的自由分子, 很難將它們和底物及產(chǎn)品分離開來并循環(huán)使用.在最近的一些年, 試圖利用酶固定化過程來克服這些不利因素. 固定化通?？醋魇敲笍乃苄缘? 可移動性的狀態(tài)轉(zhuǎn)變成不容的, 不可移動的狀態(tài). 固定化阻止酶在反應(yīng)混

15、合物中的擴散, 并且有利于從產(chǎn)品液體中回收酶,通過簡單的固液分離技術(shù). 因此反應(yīng)的產(chǎn)品中不含有酶類, 并且這些酶可以重新. 固定化酶可以應(yīng)用于連續(xù)的操作反應(yīng)器中. 酶固定化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了一百多年. 他們可以分成不同的種類. 實踐上, 可以通過將酶共價連接到不溶性材料的表面; 和不溶于水的合適的顆粒載體交聯(lián); 捕獲到多孔的基質(zhì)或凝膠內(nèi)部; 底物和產(chǎn)品的交聯(lián)化; 以及吸附到固體支持物上面等來實現(xiàn)酶的固定化. 酶共價偶聯(lián)到固體支持物上 已經(jīng)利用了多種的支持物, 包括多孔性玻璃, 陶瓷(淀粉轉(zhuǎn)葡萄糖苷), 合成的聚合物(胰蛋白酶), 纖維素(天冬氨酸酶, 淀粉酶), 尼龍(尿酶)和氧化酶(葡萄糖氧化酶

16、). 來自多肽和蛋白質(zhì)化學的方法可以用于實現(xiàn)連接. 共價鍵的形成有形成連接的優(yōu)勢, 就是不可由pH, 離子強度和底物逆轉(zhuǎn). 雖然化學反應(yīng)是用于產(chǎn)生共價鍵, 但是它也有可能導致酶部分或全部的失活. 現(xiàn)在有多種共價結(jié)合的方法和固定化方法至少包括兩個步驟, 支持物的激活酶本身的結(jié)合. 在實際中涉及化學鍵形成的基團是氨基, 亞氨基, 氨基化合物, 羥基, 羧基, 巰基, 甲巰基, 酰基, 咪唑基和苯酚基類. 凝膠中酶的捕獲 總體上所用的這種方法是非常溫和的, 不可能傷害酶的活性. 在凝膠形成之前酶可以添加到單體溶液中. 通過改變溫度或增加誘導化合物可以形成凝膠. 凝膠依然保存本來的狀態(tài), 并沒有阻塞活

17、性位點, 基團或通過化學鍵形成的酶分子的危險. 但是, 這種形成的固定化主要的缺點是酶的不連續(xù)性, 通過孔和由底物和產(chǎn)品傳遞擴散控制的酶反應(yīng)的延遲, 它是和高分子化合物密切相關(guān)的. 載體物質(zhì)包括硅膠, 橡膠, 淀粉, 聚丙烯酰胺. 聚丙烯酰胺是用的最廣的捕獲材料. 已經(jīng)應(yīng)用于天冬酰胺酶, 葡萄糖異構(gòu)酶, 過氧化酶和許多其他的酶類.酶的膠囊化 這種方法是包裹方法的變異, 涉及在半透膜內(nèi)的膠囊化. 這些膜是不能通過酶和其他的分子物質(zhì), 但是可以通過小分子物質(zhì)和產(chǎn)品. 所用的材料類型包括火膠棉(過氧化氫酶, 天冬酰胺酶), 纖維素衍生物(脂肪酶), 聚苯乙烯(催化酶)和常用的尼龍(胰蛋白酶和尿酶).

18、 這些材料可以形成薄的, 球形的半透膜, 這些半透膜通過包裹酶形成微囊劑. 固體表面的酶吸附 吸附方法最顯著的特點是簡單. 吸附條件沒有特異性反應(yīng), 并且對酶沒有修飾. 最常用的吸附劑包括許多有機的和無機的材料, 例如氧化鋁(氨基?；? 淀粉酶), 纖維素(纖維素酶), 粘土(過氧化氫酶), 玻璃(淀粉). 離子交換劑容易吸附大多數(shù)蛋白質(zhì), 由于支個原因它廣泛用于酶的固定化. 酶的結(jié)合是可逆的,因此在底物存在或增加離子強度的時候它可以解吸附.和多功能的載體交聯(lián) 假如反應(yīng)是在沒有固體支持物存在的情況發(fā)生的, 那么這種方法會導致三維的酶分子形成. 實踐上更多是交聯(lián)在合適的載體物質(zhì)表面吸附后才進行

19、的. 最常用的交聯(lián)劑是脂肪族的二元胺, 二甲基己二亞胺肽脂 二甲基辛二胺脂,和特殊的戊二醛. 交聯(lián)可以在分子間(產(chǎn)生不溶性集合)和分子內(nèi). 酶通過工聚合作用可以實現(xiàn)固定化. 例如共價連接成聚合物, 通常包括與順丁烯二酸酐和乙烯的共聚作用. 一種廣泛應(yīng)用的方法包括最初在玻璃膜上的吸附和與戊二醛的交聯(lián)(淀粉酶, 過氧化氫酶, 葡萄糖氧化酶). 對于包埋和微膠囊化, 這些衍生物沒有或很少對大分子物質(zhì)表現(xiàn)出生理活性.商業(yè)化固定酶 一種合適的固定化方法的選擇將主要取決于這種酶怎樣影響酶的活性. 共價連接和交聯(lián)方法會在酶和支持物之間產(chǎn)生很強的化學鍵. 這些方法相對困難和昂貴. 它們可能引起酶失活, 并在.

20、 相反, 通過吸附和凝膠包埋的固定化方法簡單而且有效, 并不會再沒和基質(zhì)之間產(chǎn)生很強的化學鍵. 當然, 酶經(jīng)常會從基質(zhì)中泄露出來. 這個問題可以通過將吸附或包埋的酶與戊二醛交聯(lián)來克服. 許多酶的固定化已經(jīng)在實驗水平上實現(xiàn)了, 但是僅僅一小部分成功的放大到工業(yè)生產(chǎn)了. 兩個最解除的商業(yè)成功的例子是食品工業(yè)中葡萄糖異構(gòu)酶的使用和抗生素工業(yè)中青霉素?；傅氖褂? 葡萄糖異構(gòu)酶可以催化部分的葡萄糖轉(zhuǎn)化成果糖從而生產(chǎn)出低成本的甜味劑, 這將改變世界內(nèi)甘蔗糖和甜菜糖的使用格局, 傳統(tǒng)的甜味劑來源. 現(xiàn)在至少有五家公司供應(yīng)大量的用不同的微生物生產(chǎn)的果糖甜味劑(鏈霉菌, 凝結(jié)芽孢桿菌, 游放線菌). 實踐上這

21、些酶為達到最大的活性需要高濃度的葡萄糖底物, 這些有廉價淀粉生產(chǎn)的添加到生物反應(yīng)器中的糖漿含葡萄糖應(yīng)達到40%-50%的水平. 在連續(xù)的泵操作中可能會出現(xiàn)黏度的問題, 但是這些問題可在高溫和高p的操作環(huán)境中克服已經(jīng)發(fā)展了色譜技術(shù)來分開果糖和葡萄糖從而含有或更高的果糖產(chǎn)量的濃縮的果糖糖漿現(xiàn)在每年用上千噸的酶生產(chǎn)百萬噸的果糖糖漿葡萄糖異構(gòu)酶工業(yè)應(yīng)用包括酶的固定化和細胞的固定化工業(yè)使用的第二重要的固定化酶是抗生素纖維素酶（來自大腸桿菌），它可以催化自然出現(xiàn)的側(cè)鏈的脫乙酰作用，從而生產(chǎn)氨基青霉烷酸（）可以用于合成幾種半合成的抗生素，這有重要的醫(yī)藥應(yīng)用用這種方法，重要的抗生素氨芐青霉素是用于合成苯基甘氨

22、酸和每年至少生產(chǎn)3500噸6APA, 但是這僅僅需要30噸的酶制劑. 固體床生物反應(yīng)器中使用的酶是顆粒形式的. 5.6 固定化酶的性能固定化酶在他的性能上有很重要的改變.這些變化可能歸因于酶結(jié)構(gòu)的化學和/或構(gòu)象改變, 固定化酶對催化作用的抑制性特性, 和所用載體的物理和化學性質(zhì).在生物技術(shù)中最具挑戰(zhàn)的問題是提高酶的穩(wěn)定性. 當酶在生物反應(yīng)器系統(tǒng)中使用時, 環(huán)境通常比在體內(nèi)反應(yīng)時更為嚴格. 實踐上他們可能遭受高溫, 失活雜質(zhì)和活性中保護性的平衡條件的缺失. 甚至酶化學很多年都不知道酶失活的機制. 盡管有很多的通過固定化提高酶穩(wěn)定性的例子, 但是通常固定化不是一種提高酶穩(wěn)定性的方法. 固定化像許多其他的隨機處理一樣, 可提高, 可能降低或?qū)γ傅幕钚詻]有影響. 熱量代表了一種生物反應(yīng)器中酶失活主要的因素. 酶的熱失活毫無疑問是蛋白質(zhì)分子中構(gòu)象改變的結(jié)果. 當?shù)鞍踪|(zhì)共價連接到固體支持物上時, 蛋白質(zhì)分子變得更加鋼性, 并且更不容易展開, 因此失活的可能性