酶的發(fā)酵生產(chǎn)課件

第四章酶工程第四章酶工程1第一節(jié)酶工程概述一、酶及酶工程的概念（一）酶1．酶的定義酶是具有生物催化功能的生物大分子，按照其化學(xué)組成，可以分為蛋白類酶（P酶）和核酸類酶（R酶）兩大類別。蛋白酶主要是由蛋白質(zhì)組成，核酸類酶主要由核酸（RNA）組成。目前已發(fā)現(xiàn)的酶有7000種以上第一節(jié)酶工程概述一、酶及酶工程的概念2第一節(jié)酶工程概述一、酶及酶工程的概念2．酶的特性（1）酶催化作用的專一性強（2）酶催化作用的效率高（3）酶催化作用的條件溫和3．酶的分類和命名第一節(jié)酶工程概述一、酶及酶工程的概念3第一節(jié)酶工程概述一、酶及酶工程的概念（二）酶工程狹義：是指在一定的生物反應(yīng)器中，利用酶的催化作用，將相應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)的技術(shù)廣義：是指研究酶的生產(chǎn)和應(yīng)用的一門技術(shù)性學(xué)科，它包括酶的發(fā)酵生產(chǎn)、酶的固定化、酶的化學(xué)修飾、酶反應(yīng)器和酶的應(yīng)用等方面內(nèi)容。第一節(jié)酶工程概述一、酶及酶工程的概念4第一節(jié)酶工程概述二、酶的發(fā)展歷程1833年1896年1913年1926年1960年1965年1982年20多年來，新發(fā)現(xiàn)的核酸類酶越來越多第一節(jié)酶工程概述二、酶的發(fā)展歷程5第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)優(yōu)點：①微生物生長繁殖快，生活周期短，產(chǎn)量高；②微生物培養(yǎng)方法簡單，生產(chǎn)原料大多為農(nóng)副產(chǎn)品，來源豐富，價格低廉，機械化程度高，經(jīng)濟效益高；③微生物菌株種類繁多，酶的品種齊全；④微生物具有較強的適應(yīng)性和應(yīng)變能力，可以通過適應(yīng)、誘導(dǎo)、誘變及基因工程等方法培育出新的產(chǎn)酶菌種。第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)優(yōu)點：①微生物生長繁殖快，生活周期短，6第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)一、產(chǎn)酶菌種的篩選（一）優(yōu)良菌株的標準一個優(yōu)良的產(chǎn)酶菌種應(yīng)具備以下幾點：①繁殖快，產(chǎn)酶量高，生產(chǎn)周期短；②適應(yīng)性強、易培養(yǎng)和控制，便于管理和降低生產(chǎn)成本；③產(chǎn)酶性能穩(wěn)定，不易退化，不易受噬菌體侵襲；④產(chǎn)生的酶容易分離純化；⑤菌種本身和代謝產(chǎn)物安全無毒，對生產(chǎn)人員、生產(chǎn)環(huán)境，酶的應(yīng)用不會產(chǎn)生不良影響。第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)一、產(chǎn)酶菌種的篩選7第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)一、產(chǎn)酶菌種的篩選（二）菌株篩選過程主要包括以幾個步驟：含菌樣品的采集，菌種分離，產(chǎn)酶性能測定及復(fù)篩等。第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)一、產(chǎn)酶菌種的篩選8第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)一、產(chǎn)酶菌種的篩選（三）產(chǎn)酶常用的微生物1．細菌2．放線菌3．霉菌4．酵母菌第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)一、產(chǎn)酶菌種的篩選9第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)二、基因工程菌的構(gòu)建理想的宿主載體系統(tǒng)應(yīng)具備以下幾個特性：①載體與宿主相容，攜帶酶基因的載體能在宿主中穩(wěn)定維持；②菌體容易大規(guī)模培養(yǎng)，生長無特殊要求，且能利用廉價的原料；③所生產(chǎn)的目標酶占總蛋白質(zhì)的比例較高，且能以活性形式分泌；④宿主菌對人安全、不分泌毒素。第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)二、基因工程菌的構(gòu)建10第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)是指在人工控制的條件下，有目的利用微生物培養(yǎng)來獲得所生產(chǎn)需要的酶制劑。微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)包括菌種活化、菌種擴大培養(yǎng)、培養(yǎng)基制備和發(fā)酵生產(chǎn)等。第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)11微生物發(fā)酵產(chǎn)酶的一般工藝流程微生物發(fā)酵產(chǎn)酶的一般工藝流程12第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)是指在人工控制的條件下，有目的利用微生物培養(yǎng)來獲得所生產(chǎn)需要的酶制劑。微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)包括菌種活化、菌種擴大培養(yǎng)、培養(yǎng)基制備和發(fā)酵生產(chǎn)等。微生物發(fā)酵產(chǎn)酶的一般工藝流程如圖4-1所示。第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)13第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)（一）菌種活化與擴大培養(yǎng)應(yīng)用于生產(chǎn)時，保藏菌種必須接種于新鮮的斜面培養(yǎng)基或液體培養(yǎng)基，在合適的條件下培養(yǎng)一定時間，以恢復(fù)菌種的活力，稱之為菌種活化?；罨木N經(jīng)過種子罐擴大培養(yǎng)后得到的菌種稱一級菌種，可用作發(fā)酵罐大規(guī)模生產(chǎn)；如果生產(chǎn)規(guī)模非常大，還需將菌種再擴大培養(yǎng)一次，稱為二級菌種。第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)14第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)（一）菌種活化與擴大培養(yǎng)菌種活化與擴大培養(yǎng)工藝流程：菌種（原菌）→斜面試管→小三角瓶→大三角瓶→卡氏罐→一級種子罐→二級種子罐第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)15第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)（二）發(fā)酵方法1.溫度的控制枯草桿菌的最適生長溫度為34～37℃，黑曲霉的最適生長溫度為28～32℃。2.通氣和攪拌在發(fā)酵過程中必須不斷供給氧，一般通過供給無菌空氣來實現(xiàn)；第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)16第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)（二）發(fā)酵方法3.pH值的控制細菌和放線菌的生長最適pH值為6.5～8.0；霉菌和酵母的生長最適pH值為4～6；植物細胞的生長最適pH值為5～6。第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)17第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)（三）培養(yǎng)基1.碳源2.氮源3.無機鹽4.生長因子5.產(chǎn)酶促進劑第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)18第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)（四）提高酶產(chǎn)量的措施1.添加誘導(dǎo)物酶作用底物、酶反應(yīng)產(chǎn)物、酶底物類似物2.控制阻遏物濃度3.表面活性劑4.添加產(chǎn)酶促進劑第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)19第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（一）細胞破碎第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程20第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（二）酶的提取酶的提取是指在一定條件下，用適當?shù)娜軇┗蛉芤禾幚砗冈?，使酶充分溶解到溶劑或溶液中的過程，又稱為酶的抽提。第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程21酶的提取方法酶的提取方法22第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（三）沉淀分離第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程23第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（四）離心分離（五）過濾與膜分離第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程24第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（六）層析分離第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程25第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（七）電泳分離帶電離子在電場中向著與其本身所帶電荷相反的電極移動的過程稱為電泳。電泳的方法很多。紙電泳、薄層電泳、薄膜電泳、凝膠電泳、自由電泳和等電聚焦電泳。第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程26第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（八）萃取分離萃取分離是利用物質(zhì)在兩相中的溶解度不同而使其分離的技術(shù)。萃取中的兩相一般為互不相溶的兩個液相或其他流體。按照兩相的組成不同，萃取可以分為有機溶劑萃取、雙水相萃取、超臨界萃取和反膠束萃取等。第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程27第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（九）結(jié)晶結(jié)晶是溶質(zhì)以晶體形式從溶液中析出的過程。酶的結(jié)晶是酶分離純化的一種手段。酶在結(jié)晶之前，酶液必須經(jīng)過純化達到一定純度和濃度。第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程28第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（十）干燥干燥是將固體、半固體或濃縮液中的水分或其他溶劑除去一部分，以獲得含水分較少的固體物質(zhì)的過程。物質(zhì)經(jīng)過干燥后，可以提高酶的穩(wěn)定性，利于產(chǎn)品保存、運輸和使用。常用的干燥方法有真空干燥、冷凍干燥、噴霧干燥、氣流干燥和吸附干燥等。第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程29第三節(jié)酶的分離純化二、酶的純度與酶活力酶活力是指在一定條件下，酶所催化的反應(yīng)初速度。1961年國際生物化學(xué)與分子生物學(xué)聯(lián)合會規(guī)定：在特定條件下（溫度可采用25℃，pH值等條件均采用最高條件），每1min催化1μmol的底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的酶量定義為1個酶活力單位，這個單位稱為國際單位(IU)。第三節(jié)酶的分離純化二、酶的純度與酶活力30第三節(jié)酶的分離純化三、酶制劑的保存（一）溫度（二）緩沖液（三）氧化/還原（四）蛋白質(zhì)的濃度及純度第三節(jié)酶的分離純化三、酶制劑的保存31第四節(jié)酶分子的改造一、酶分子修飾酶分子修飾是指通過各種方法使酶分子結(jié)構(gòu)發(fā)生某些改變，從而改變酶的某些特性和功能的技術(shù)。主要包括金屬離子置換修飾、大分子結(jié)合修飾、側(cè)鏈基團修飾、肽鏈有限水解修飾、核苷酸鏈有限水解修飾、氨基酸置換修飾和酶分子物理修飾等。第四節(jié)酶分子的改造一、酶分子修飾32第四節(jié)酶分子的改造一、酶分子修飾酶分子修飾是指通過各種方法使酶分子結(jié)構(gòu)發(fā)生某些改變，從而改變酶的某些特性和功能的技術(shù)。主要包括金屬離子置換修飾、大分子結(jié)合修飾、側(cè)鏈基團修飾、肽鏈有限水解修飾、核苷酸鏈有限水解修飾、氨基酸置換修飾和酶分子物理修飾等。第四節(jié)酶分子的改造一、酶分子修飾33第四節(jié)酶分子的改造一、酶分子修飾（一）金屬離子置換修飾（二）大分子結(jié)合修飾（三）側(cè)鏈基團修飾（四）側(cè)鏈水解修飾第四節(jié)酶分子的改造一、酶分子修飾34第四節(jié)酶分子的改造二、酶的蛋白質(zhì)工程酶的蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，酶的蛋白質(zhì)工程致力于天然蛋白質(zhì)的改造，制備各種定做的蛋白質(zhì)。第四節(jié)酶分子的改造二、酶的蛋白質(zhì)工程35第四節(jié)酶分子的改造三、生物酶的人工模擬人工合成酶：在結(jié)構(gòu)上具有兩個特殊部位：底物結(jié)合位點、催化位點。固氮酶的模擬、過氧化氫酶、生物印跡技術(shù)抗體酶：本質(zhì)上是免疫球蛋白，在其易變區(qū)域賦予了酶的活性?？贵w酶具有較高的活性，其催化效率遠比模擬酶高。第四節(jié)酶分子的改造三、生物酶的人工模擬36第五節(jié)酶與細胞的固定化一、酶的固定化固定化酶是指在一定空間內(nèi)以閉鎖狀態(tài)存在的酶。第五節(jié)酶與細胞的固定化一、酶的固定化37第五節(jié)酶與細胞的固定化一、酶的固定化（一）載體結(jié)合法1.物理吸附法2.離子吸附法3.共價結(jié)合法4.螯合法第五節(jié)酶與細胞的固定化一、酶的固定化38第五節(jié)酶與細胞的固定化一、酶的固定化（二）包埋法（三）供價交聯(lián)法第五節(jié)酶與細胞的固定化一、酶的固定化39第五節(jié)酶與細胞的固定化二、細胞的固定化（一）吸附法（二）包埋法將細胞包埋在多孔載體內(nèi)部而制成固定化細胞的方法稱為包埋法。包埋法可分為凝膠包埋法、纖維包埋法和微膠囊法。其中凝膠包埋法應(yīng)用最廣泛第五節(jié)酶與細胞的固定化二、細胞的固定化40第五節(jié)酶與細胞的固定化三、固定化酶的性質(zhì)（一）酶的活性變化（二）酶穩(wěn)定性提高（三）最適pH的變化（四）最適溫度提高（五）反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)變化第五節(jié)酶與細胞的固定化三、固定化酶的性質(zhì)41第五節(jié)酶與細胞的固定化四、固定化酶的指標（一）相對酶活力（二）酶的活力回收率（三）固定化酶的半衰期第五節(jié)酶與細胞的固定化四、固定化酶的指標42第六節(jié)酶反應(yīng)器一、酶反應(yīng)器的基本類型（一）攪拌罐型反應(yīng)器（二）固定床型反應(yīng)器（三）流化床型反應(yīng)器（四）膜式反應(yīng)器第六節(jié)酶反應(yīng)器一、酶反應(yīng)器的基本類型43間歇式酶反應(yīng)器間歇式酶反應(yīng)器44第六節(jié)酶反應(yīng)器二、酶反應(yīng)器的設(shè)計原則底物的酶促反應(yīng)動力學(xué)以及溫度、壓力和pH等操作參數(shù)對反應(yīng)器的影響，反應(yīng)器的類型和反應(yīng)器內(nèi)流體的流動狀態(tài)及傳熱特性，生產(chǎn)工藝流程和生產(chǎn)量的需求等。在設(shè)計酶反應(yīng)器時，還應(yīng)在經(jīng)濟、社會、時間和空間上實現(xiàn)最優(yōu)化。第六節(jié)酶反應(yīng)器二、酶反應(yīng)器的設(shè)計原則45第六節(jié)酶反應(yīng)器三、酶反應(yīng)器的性能評價（一）空時（二）轉(zhuǎn)化率（三）生產(chǎn)強度第六節(jié)酶反應(yīng)器三、酶反應(yīng)器的性能評價46第六節(jié)酶反應(yīng)器四、酶反應(yīng)器的操作（一）酶反應(yīng)器中微生物污染的控制（二）酶反應(yīng)器中流動狀態(tài)的控制（三）反應(yīng)器中恒定生產(chǎn)能力的控制第六節(jié)酶反應(yīng)器四、酶反應(yīng)器的操作47第七節(jié)生物傳感器生物傳感器是一種由生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、電化學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)及電子技術(shù)等多學(xué)科相互滲透而發(fā)展起來的分析檢測裝置，具有選擇性高、分析速度快、操作簡單和價格低廉等特點，而且能進行連續(xù)測定和在線分析，甚至可以活體分析。生物傳感器的誕生是酶技術(shù)與信息技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。第七節(jié)生物傳感器生物傳感器是一種由生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、電化學(xué)、光48第七節(jié)生物傳感器一、生物傳感器的原理生物傳感器是使用固定化的生物分子結(jié)合換能器，用來偵測生物體內(nèi)或生物體外的環(huán)境化學(xué)物質(zhì)或與之起特異性交互作用后產(chǎn)生響應(yīng)的一種裝置。第七節(jié)生物傳感器一、生物傳感器的原理49第七節(jié)生物傳感器一、生物傳感器的原理工作原理：待測物質(zhì)經(jīng)擴散作用進入固定化生物敏感層，經(jīng)分子識別，發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的化學(xué)或物理換能器轉(zhuǎn)化為可定量和可處理的電信號，再經(jīng)儀表的放大和輸出，便可獲得待測物的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。第七節(jié)生物傳感器一、生物傳感器的原理50第七節(jié)生物傳感器一、生物傳感器的原理生物傳感器由兩個主要關(guān)鍵部分所構(gòu)成。一部分是生物傳感器信號接收或產(chǎn)生部分，來自于生物體分子、組織部分或個體細胞的分子辨認組件；另一部分屬于硬件儀器組件部分，主要為物理信號轉(zhuǎn)換組件。第七節(jié)生物傳感器一、生物傳感器的原理51酶的發(fā)酵生產(chǎn)課件52第七節(jié)生物傳感器二、生物傳感器的分類酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、場效應(yīng)晶體管傳感器第七節(jié)生物傳感器二、生物傳感器的分類53第七節(jié)生物傳感器三、生物傳感器的發(fā)展前景（一）功能更加全面，朝微型化方向發(fā)展（二）智能化程度更高第七節(jié)生物傳感器三、生物傳感器的發(fā)展前景54第八節(jié)酶的應(yīng)用一、酶應(yīng)用的領(lǐng)域第八節(jié)酶的應(yīng)用一、酶應(yīng)用的領(lǐng)域55第八節(jié)酶的應(yīng)用二、酶應(yīng)用的例子（一）酶在葡萄糖生產(chǎn)中的應(yīng)用葡萄糖的酶法生產(chǎn)工藝流程：淀粉→調(diào)漿→液化→糖化→脫色→過濾→離子交換→真空濃縮→結(jié)晶→分離→干燥→葡萄糖產(chǎn)品第八節(jié)酶的應(yīng)用二、酶應(yīng)用的例子56酶的發(fā)酵生產(chǎn)課件57第八節(jié)酶的應(yīng)用二、酶應(yīng)用的例子（二）酶在疾病診斷方面的應(yīng)用第八節(jié)酶的應(yīng)用二、酶應(yīng)用的例子58酶的發(fā)酵生產(chǎn)課件59【實驗實訓(xùn)】淀粉酶在果葡糖漿生產(chǎn)上的應(yīng)用一、實驗?zāi)康恼莆盏矸勖杆獾矸鄣脑恚私鉁囟?、pH值和淀粉酶添加量的變化對果葡糖漿得率的影響。二、實驗原理淀粉水解的方法有酸解法、酸酶結(jié)合法和酶法三種。酶法是采用酶液化和酶糖化得到葡萄糖液的一種工藝。此法已經(jīng)廣泛用于淀粉糖品的生產(chǎn)，其中果葡糖漿的生產(chǎn)即采用雙酶法。【實驗實訓(xùn)】淀粉酶在果葡糖漿生產(chǎn)上的應(yīng)用一、實驗?zāi)康?0淀粉酶在果葡糖漿生產(chǎn)上的應(yīng)用三、材料用具（一）材料玉米淀粉或薯類淀粉（二）試劑α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶（糖化酶）、異構(gòu)酶、濃度0.1%稀鹽酸、0.1mol/LCaCl2溶液、0.01mol／L的硫酸鎂溶液（三）器具500ml燒杯、量筒、微量移液器、磁力攪拌器、離子交換樹脂、真空濃縮器、恒溫干箱、連續(xù)蒸發(fā)器、異構(gòu)酶柱桶、酸度計、高效液相色譜、封口膜淀粉酶在果葡糖漿生產(chǎn)上的應(yīng)用三、材料用具61淀粉酶在果葡糖漿生產(chǎn)上的應(yīng)用四、制備方法（一）工藝流程淀粉酶在果葡糖漿生產(chǎn)上的應(yīng)用四、制備方法62淀粉酶在果葡糖漿生產(chǎn)上的應(yīng)用四、制備方法（二）操作要點1.調(diào)漿與液化2.糖化3.糖化液精制4.酶法異構(gòu)葡萄糖為果糖5.果糖與葡萄糖的分離6.制備高果糖漿淀粉酶在果葡糖漿生產(chǎn)上的應(yīng)用四、制備方法63淀粉酶在果葡糖漿生產(chǎn)上的應(yīng)用五、注意事項1.α-淀粉酶根據(jù)熱穩(wěn)定性和最適反應(yīng)溫度的不同2.pH值的影響3.Ca2+的影響4.影響葡萄糖淀粉酶作用的主要因素是pH值和溫度。5.現(xiàn)在推出的新型異構(gòu)酶，酶分子中含有鈷和鎂，最適pH值8.0，最適溫度60℃。6.異構(gòu)化反應(yīng)溫度控制。淀粉酶在果葡糖漿生產(chǎn)上的應(yīng)用五、注意事項64第四章酶工程第四章酶工程65第一節(jié)酶工程概述一、酶及酶工程的概念（一）酶1．酶的定義酶是具有生物催化功能的生物大分子，按照其化學(xué)組成，可以分為蛋白類酶（P酶）和核酸類酶（R酶）兩大類別。蛋白酶主要是由蛋白質(zhì)組成，核酸類酶主要由核酸（RNA）組成。目前已發(fā)現(xiàn)的酶有7000種以上第一節(jié)酶工程概述一、酶及酶工程的概念66第一節(jié)酶工程概述一、酶及酶工程的概念2．酶的特性（1）酶催化作用的專一性強（2）酶催化作用的效率高（3）酶催化作用的條件溫和3．酶的分類和命名第一節(jié)酶工程概述一、酶及酶工程的概念67第一節(jié)酶工程概述一、酶及酶工程的概念（二）酶工程狹義：是指在一定的生物反應(yīng)器中，利用酶的催化作用，將相應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)的技術(shù)廣義：是指研究酶的生產(chǎn)和應(yīng)用的一門技術(shù)性學(xué)科，它包括酶的發(fā)酵生產(chǎn)、酶的固定化、酶的化學(xué)修飾、酶反應(yīng)器和酶的應(yīng)用等方面內(nèi)容。第一節(jié)酶工程概述一、酶及酶工程的概念68第一節(jié)酶工程概述二、酶的發(fā)展歷程1833年1896年1913年1926年1960年1965年1982年20多年來，新發(fā)現(xiàn)的核酸類酶越來越多第一節(jié)酶工程概述二、酶的發(fā)展歷程69第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)優(yōu)點：①微生物生長繁殖快，生活周期短，產(chǎn)量高；②微生物培養(yǎng)方法簡單，生產(chǎn)原料大多為農(nóng)副產(chǎn)品，來源豐富，價格低廉，機械化程度高，經(jīng)濟效益高；③微生物菌株種類繁多，酶的品種齊全；④微生物具有較強的適應(yīng)性和應(yīng)變能力，可以通過適應(yīng)、誘導(dǎo)、誘變及基因工程等方法培育出新的產(chǎn)酶菌種。第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)優(yōu)點：①微生物生長繁殖快，生活周期短，70第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)一、產(chǎn)酶菌種的篩選（一）優(yōu)良菌株的標準一個優(yōu)良的產(chǎn)酶菌種應(yīng)具備以下幾點：①繁殖快，產(chǎn)酶量高，生產(chǎn)周期短；②適應(yīng)性強、易培養(yǎng)和控制，便于管理和降低生產(chǎn)成本；③產(chǎn)酶性能穩(wěn)定，不易退化，不易受噬菌體侵襲；④產(chǎn)生的酶容易分離純化；⑤菌種本身和代謝產(chǎn)物安全無毒，對生產(chǎn)人員、生產(chǎn)環(huán)境，酶的應(yīng)用不會產(chǎn)生不良影響。第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)一、產(chǎn)酶菌種的篩選71第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)一、產(chǎn)酶菌種的篩選（二）菌株篩選過程主要包括以幾個步驟：含菌樣品的采集，菌種分離，產(chǎn)酶性能測定及復(fù)篩等。第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)一、產(chǎn)酶菌種的篩選72第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)一、產(chǎn)酶菌種的篩選（三）產(chǎn)酶常用的微生物1．細菌2．放線菌3．霉菌4．酵母菌第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)一、產(chǎn)酶菌種的篩選73第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)二、基因工程菌的構(gòu)建理想的宿主載體系統(tǒng)應(yīng)具備以下幾個特性：①載體與宿主相容，攜帶酶基因的載體能在宿主中穩(wěn)定維持；②菌體容易大規(guī)模培養(yǎng)，生長無特殊要求，且能利用廉價的原料；③所生產(chǎn)的目標酶占總蛋白質(zhì)的比例較高，且能以活性形式分泌；④宿主菌對人安全、不分泌毒素。第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)二、基因工程菌的構(gòu)建74第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)是指在人工控制的條件下，有目的利用微生物培養(yǎng)來獲得所生產(chǎn)需要的酶制劑。微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)包括菌種活化、菌種擴大培養(yǎng)、培養(yǎng)基制備和發(fā)酵生產(chǎn)等。第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)75微生物發(fā)酵產(chǎn)酶的一般工藝流程微生物發(fā)酵產(chǎn)酶的一般工藝流程76第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)是指在人工控制的條件下，有目的利用微生物培養(yǎng)來獲得所生產(chǎn)需要的酶制劑。微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)包括菌種活化、菌種擴大培養(yǎng)、培養(yǎng)基制備和發(fā)酵生產(chǎn)等。微生物發(fā)酵產(chǎn)酶的一般工藝流程如圖4-1所示。第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)77第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)（一）菌種活化與擴大培養(yǎng)應(yīng)用于生產(chǎn)時，保藏菌種必須接種于新鮮的斜面培養(yǎng)基或液體培養(yǎng)基，在合適的條件下培養(yǎng)一定時間，以恢復(fù)菌種的活力，稱之為菌種活化?；罨木N經(jīng)過種子罐擴大培養(yǎng)后得到的菌種稱一級菌種，可用作發(fā)酵罐大規(guī)模生產(chǎn)；如果生產(chǎn)規(guī)模非常大，還需將菌種再擴大培養(yǎng)一次，稱為二級菌種。第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)78第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)（一）菌種活化與擴大培養(yǎng)菌種活化與擴大培養(yǎng)工藝流程：菌種（原菌）→斜面試管→小三角瓶→大三角瓶→卡氏罐→一級種子罐→二級種子罐第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)79第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)（二）發(fā)酵方法1.溫度的控制枯草桿菌的最適生長溫度為34～37℃，黑曲霉的最適生長溫度為28～32℃。2.通氣和攪拌在發(fā)酵過程中必須不斷供給氧，一般通過供給無菌空氣來實現(xiàn)；第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)80第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)（二）發(fā)酵方法3.pH值的控制細菌和放線菌的生長最適pH值為6.5～8.0；霉菌和酵母的生長最適pH值為4～6；植物細胞的生長最適pH值為5～6。第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)81第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)（三）培養(yǎng)基1.碳源2.氮源3.無機鹽4.生長因子5.產(chǎn)酶促進劑第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)82第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)（四）提高酶產(chǎn)量的措施1.添加誘導(dǎo)物酶作用底物、酶反應(yīng)產(chǎn)物、酶底物類似物2.控制阻遏物濃度3.表面活性劑4.添加產(chǎn)酶促進劑第二節(jié)酶的發(fā)酵生產(chǎn)三、微生物酶的發(fā)酵生產(chǎn)83第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（一）細胞破碎第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程84第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（二）酶的提取酶的提取是指在一定條件下，用適當?shù)娜軇┗蛉芤禾幚砗冈?，使酶充分溶解到溶劑或溶液中的過程，又稱為酶的抽提。第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程85酶的提取方法酶的提取方法86第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（三）沉淀分離第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程87第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（四）離心分離（五）過濾與膜分離第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程88第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（六）層析分離第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程89第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（七）電泳分離帶電離子在電場中向著與其本身所帶電荷相反的電極移動的過程稱為電泳。電泳的方法很多。紙電泳、薄層電泳、薄膜電泳、凝膠電泳、自由電泳和等電聚焦電泳。第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程90第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（八）萃取分離萃取分離是利用物質(zhì)在兩相中的溶解度不同而使其分離的技術(shù)。萃取中的兩相一般為互不相溶的兩個液相或其他流體。按照兩相的組成不同，萃取可以分為有機溶劑萃取、雙水相萃取、超臨界萃取和反膠束萃取等。第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程91第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（九）結(jié)晶結(jié)晶是溶質(zhì)以晶體形式從溶液中析出的過程。酶的結(jié)晶是酶分離純化的一種手段。酶在結(jié)晶之前，酶液必須經(jīng)過純化達到一定純度和濃度。第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程92第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程（十）干燥干燥是將固體、半固體或濃縮液中的水分或其他溶劑除去一部分，以獲得含水分較少的固體物質(zhì)的過程。物質(zhì)經(jīng)過干燥后，可以提高酶的穩(wěn)定性，利于產(chǎn)品保存、運輸和使用。常用的干燥方法有真空干燥、冷凍干燥、噴霧干燥、氣流干燥和吸附干燥等。第三節(jié)酶的分離純化一、酶制劑生產(chǎn)的基本過程93第三節(jié)酶的分離純化二、酶的純度與酶活力酶活力是指在一定條件下，酶所催化的反應(yīng)初速度。1961年國際生物化學(xué)與分子生物學(xué)聯(lián)合會規(guī)定：在特定條件下（溫度可采用25℃，pH值等條件均采用最高條件），每1min催化1μmol的底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的酶量定義為1個酶活力單位，這個單位稱為國際單位(IU)。第三節(jié)酶的分離純化二、酶的純度與酶活力94第三節(jié)酶的分離純化三、酶制劑的保存（一）溫度（二）緩沖液（三）氧化/還原（四）蛋白質(zhì)的濃度及純度第三節(jié)酶的分離純化三、酶制劑的保存95第四節(jié)酶分子的改造一、酶分子修飾酶分子修飾是指通過各種方法使酶分子結(jié)構(gòu)發(fā)生某些改變，從而改變酶的某些特性和功能的技術(shù)。主要包括金屬離子置換修飾、大分子結(jié)合修飾、側(cè)鏈基團修飾、肽鏈有限水解修飾、核苷酸鏈有限水解修飾、氨基酸置換修飾和酶分子物理修飾等。第四節(jié)酶分子的改造一、酶分子修飾96第四節(jié)酶分子的改造一、酶分子修飾酶分子修飾是指通過各種方法使酶分子結(jié)構(gòu)發(fā)生某些改變，從而改變酶的某些特性和功能的技術(shù)。主要包括金屬離子置換修飾、大分子結(jié)合修飾、側(cè)鏈基團修飾、肽鏈有限水解修飾、核苷酸鏈有限水解修飾、氨基酸置換修飾和酶分子物理修飾等。第四節(jié)酶分子的改造一、酶分子修飾97第四節(jié)酶分子的改造一、酶分子修飾（一）金屬離子置換修飾（二）大分子結(jié)合修飾（三）側(cè)鏈基團修飾（四）側(cè)鏈水解修飾第四節(jié)酶分子的改造一、酶分子修飾98第四節(jié)酶分子的改造二、酶的蛋白質(zhì)工程酶的蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，酶的蛋白質(zhì)工程致力于天然蛋白質(zhì)的改造，制備各種定做的蛋白質(zhì)。第四節(jié)酶分子的改造二、酶的蛋白質(zhì)工程99第四節(jié)酶分子的改造三、生物酶的人工模擬人工合成酶：在結(jié)構(gòu)上具有兩個特殊部位：底物結(jié)合位點、催化位點。固氮酶的模擬、過氧化氫酶、生物印跡技術(shù)抗體酶：本質(zhì)上是免疫球蛋白，在其易變區(qū)域賦予了酶的活性。抗體酶具有較高的活性，其催化效率遠比模擬酶高。第四節(jié)酶分子的改造三、生物酶的人工模擬100第五節(jié)酶與細胞的固定化一、酶的固定化固定化酶是指在一定空間內(nèi)以閉鎖狀態(tài)存在的酶。第五節(jié)酶與細胞的固定化一、酶的固定化101第五節(jié)酶與細胞的固定化一、酶的固定化（一）載體結(jié)合法1.物理吸附法2.離子吸附法3.共價結(jié)合法4.螯合法第五節(jié)酶與細胞的固定化一、酶的固定化102第五節(jié)酶與細胞的固定化一、酶的固定化（二）包埋法（三）供價交聯(lián)法第五節(jié)酶與細胞的固定化一、酶的固定化103第五節(jié)酶與細胞的固定化二、細胞的固定化（一）吸附法（二）包埋法將細胞包埋在多孔載體內(nèi)部而制成固定化細胞的方法稱為包埋法。包埋法可分為凝膠包埋法、纖維包埋法和微膠囊法。其中凝膠包埋法應(yīng)用最廣泛第五節(jié)酶與細胞的固定化二、細胞的固定化104第五節(jié)酶與細胞的固定化三、固定化酶的性質(zhì)（一）酶的活性變化（二）酶穩(wěn)定性提高（三）最適pH的變化（四）最適溫度提高（五）反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)變化第五節(jié)酶與細胞的固定化三、固定化酶的性質(zhì)105第五節(jié)酶與細胞的固定化四、固定化酶的指標（一）相對酶活力（二）酶的活力回收率（三）固定化酶的半衰期第五節(jié)酶與細胞的固定化四、固定化酶的指標106第六節(jié)酶反應(yīng)器一、酶反應(yīng)器的基本類型（一）攪拌罐型反應(yīng)器（二）固定床型反應(yīng)器（三）流化床型反應(yīng)器（四）膜式反應(yīng)器第六節(jié)酶反應(yīng)器一、酶反應(yīng)器的基本類型107間歇式酶反應(yīng)器間歇式酶反應(yīng)器108第六節(jié)酶反應(yīng)器二、酶反應(yīng)器的設(shè)計原則底物的酶促反應(yīng)動力學(xué)以及溫度、壓力和pH等操作參數(shù)對反應(yīng)器的影響，反應(yīng)器的類型和反應(yīng)器內(nèi)流體的流動狀態(tài)及傳熱特性，生產(chǎn)工藝流程和生產(chǎn)量的需求等。在設(shè)計酶反應(yīng)器時，還應(yīng)在經(jīng)濟、社會、時間和空間上實現(xiàn)最優(yōu)化。第六節(jié)酶反應(yīng)器二、酶反應(yīng)器的設(shè)計原則109第六節(jié)酶反應(yīng)器三、酶反應(yīng)器的性能評價（一）空時（二）轉(zhuǎn)化率（三）生產(chǎn)強度第六節(jié)酶反應(yīng)器三、酶反應(yīng)器的性能評價110第六節(jié)酶反應(yīng)器四、酶反應(yīng)器的操作（一）酶反應(yīng)器中微生物污染的控制（二）酶反應(yīng)器中流動狀態(tài)的控制（三）反應(yīng)器中恒定生產(chǎn)能力的控制第六節(jié)酶反應(yīng)器四、酶反應(yīng)器的操作111第七節(jié)生物傳感器生物傳感器是一種由生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、電化學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)及電子技術(shù)等多學(xué)科相互滲透而發(fā)展起來的分析檢測裝置，具有選擇性高、分析速度快、操作簡單和價格低廉等特點，而且能進行連續(xù)測定和在線分析，甚至可以活體分析。生物傳感器的誕生是酶技術(shù)與信息技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。第七節(jié)生物傳感器生物傳感器是一種由生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、電化學(xué)、光112第七節(jié)生物傳感器一、生物傳感器的原理生物傳感器是使用固定化的生物分子結(jié)合換能器，用來偵測生物體內(nèi)或生物體外的環(huán)境化學(xué)物質(zhì)或與之起特異性交互作用后產(chǎn)生響應(yīng)的一種裝置。第七節(jié)生物傳感器一、生物傳感器的原理113第七節(jié)生物傳感器一、生物傳感器的原理工作原理：待測物質(zhì)經(jīng)擴散作用進入固定化生物敏感層，經(jīng)分子識別，發(fā)生