第十章酶的應(yīng)用

第八章酶的應(yīng)用2/6/20231隨著酶工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，酶已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保及科研等領(lǐng)域。酶的應(yīng)用包括各種游離酶、固定化酶及修飾酶等在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。內(nèi)容十分廣泛。2/6/20232酶在醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用酶在食品、輕工方面的應(yīng)用酶在生物工程中的應(yīng)用酶在其它領(lǐng)域的應(yīng)用Contents2/6/202338.1酶在食品、輕工方面的應(yīng)用國內(nèi)外最廣泛使用酶的領(lǐng)域是在食品和輕工業(yè)部門。輕工、食品行業(yè)與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)。酶的廣泛應(yīng)用，促進了新產(chǎn)品、新工藝和新技術(shù)的發(fā)展；而且可增加產(chǎn)品產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低原材料消耗、改善勞動條件、減輕勞動強度等。顯示出良好的經(jīng)濟與社會效益。2/6/20234工業(yè)用酶制劑的市場和發(fā)展歷史自20世紀(jì)中葉以來，工業(yè)用酶制劑的市場得到了蓬勃發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：1981年工業(yè)酶制劑生產(chǎn)量約65000t，產(chǎn)值4億美元；1985年工業(yè)酶制劑約生產(chǎn)75000t，產(chǎn)值約6億美元。進入20世紀(jì)90年代后，市場對酶制劑的需求增強，以世界上最大的酶制劑生產(chǎn)商丹麥的NovoNordisk公司為例：1993年酶制劑銷售為9億美元；1998年產(chǎn)業(yè)用酶的銷售額為15.18億美元。自２０００年１１月１４日起諾和諾德分立為三家獨立的公司，諾維信Novozymes公司正式宣告成立。原諾和諾德生物制藥業(yè)務(wù)繼續(xù)沿用諾和諾德的名稱。諾維信與諾和諾德同為丹麥諾和集團成員。2/6/202352/6/202362/6/20237目前在世界上最有影響的酶制劑廠主要有：丹麥的Novozymes公司(在全世界50個國家有13000個從業(yè)人員，在140個國家銷售其產(chǎn)品)荷蘭的DSM（原Gist—Brocades）公司美國的Genencor公司

2/6/202382/6/202392/6/202310下列的幾個圖表分別表示歐洲、日本酶制劑市場發(fā)展情況及酶制劑在各行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀。2/6/2023112/6/2023128.1.1酶在食品工業(yè)方面的應(yīng)用2/6/202313制糖工業(yè)酶法生產(chǎn)葡萄糖過去國內(nèi)外葡萄糖生產(chǎn)通常采用酸法水解，現(xiàn)在大都采用酶法。原料：淀粉。酶：-淀粉酶和糖化酶。都要求達到一定純度。通常使用游離酶分批方式，也可采用固定化糖化酶進行連續(xù)生產(chǎn)。工藝流程：

2/6/20231420世紀(jì)5O年代末，日本成功地應(yīng)用酶法水解淀粉制葡萄糖，從此，在國內(nèi)外大都采用酶法生產(chǎn)葡萄糖。該法生產(chǎn)葡萄糖與酸水解法相比，具有許多優(yōu)點。酶法生產(chǎn)葡萄糖是以淀粉為原材料，先經(jīng)a一淀粉酶液化成糊精，再用糖化酶催化生成葡萄糖。淀粉酶是最早實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的酶，也是迄今為止用途最廣的酶。糖化酶在食品和釀造工業(yè)上有著廣泛用途，是酶制劑工業(yè)的重要品種。糖化酶的產(chǎn)生菌幾乎全部是霉菌，目前，國內(nèi)生產(chǎn)糖化酶的菌種主要是黑曲霉和根霉。2/6/202315以下是淀粉糖化生產(chǎn)葡萄糖的工藝流程:

2/6/202316注意：

α—淀粉酶和糖化酶都要求達到一定的純度。尤其是糖化酶中應(yīng)不含或盡量少含葡萄糖苷轉(zhuǎn)移酶．因為葡萄糖苷轉(zhuǎn)移酶會催化葡萄糖生成異麥芽糖等雜質(zhì)，嚴重影響葡萄糖的收率。若糖化酶中含有葡萄糖苷轉(zhuǎn)移酶，則要在使用前進行適當(dāng)?shù)奶幚恚猿?。去除葡萄糖轉(zhuǎn)苷酶的最簡單的方法之一是將糖化酶配成酶液后，加酸調(diào)節(jié)pH值至2.0～2.5，室溫下靜置一段時間，可以選擇性地破壞葡萄糖苷轉(zhuǎn)移酶。葡萄糖的生產(chǎn)除了使用游離酶分批進行液化和糖化以外，可采用固定化糖化酶，將糊精連續(xù)水解成葡萄糖。

2/6/202317啤酒的釀制在啤酒的釀造過程中，運用到酶的兩個階段是：制漿和調(diào)理。在煎漿過程中溫度逐漸升高，有利于使蛋白酶、a-淀粉酶和β-葡萄糖酶發(fā)揮作用，使麥芽中的多糖及蛋白質(zhì)類降解為酵母可利用的合適的營養(yǎng)物質(zhì)。在啤酒加酒花前，應(yīng)煮沸麥芽汁使上述酶失活。在發(fā)酵完畢后，啤酒需要加一些酶處理，以使其口味和外觀更容易于為消費者所接受。木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶或酸性蛋白酶都可以降解使啤酒渾濁的蛋白組分，應(yīng)用糖化酶能夠降解啤酒中的殘留糊精，一方面保證了啤酒中最高的乙醇含量，防止啤酒的冷渾濁，延長啤酒的貯存期；另一方面不必添加濃糖液來增加啤酒的糖度。2/6/202318

2/6/202319果葡糖漿的生產(chǎn)果葡糖漿是由葡萄糖異構(gòu)酶催化葡萄糖異構(gòu)化生成部分果糖而得到的混合糖漿。由于甜度的提高，可減少用量，而且攝取果糖后血糖不易升高，有一定保健功能。原料：葡萄糖，一般由淀粉通過酶法水解制得。但需經(jīng)過層析等方法精制后使用。酶：葡萄糖異構(gòu)酶。最適pH可由于來源不同而有所差別；溫度不宜超過70℃。高果糖漿：通常果葡糖漿含果糖42%左右，若將其中的葡萄糖與果糖分離，將分離出的葡萄糖再進行異構(gòu)化，如此反復(fù)，可得到果糖含量達70%、90%甚至更高的糖漿，稱為高果糖漿。2/6/202320注意：①鈣離子對淀粉酶有保護作用，在淀粉液化時需要添加，但它對葡萄糖異構(gòu)酶卻有抑制作用，所以葡萄糖溶液需用層析等方法精制，以除去其中所含的鈣離子。②鈷鎂離子是葡萄糖異構(gòu)酶的激活劑，所以葡萄糖液中需加入0.01mol／L左右的硫酸鎂。而Co2+的需要量極微量，一般自來水中已含有，故不必另外添加。若水中完全沒有Co2+的，則可加進微量的氯化鈷。2/6/202321③葡萄糖異構(gòu)酶的最適pH值，根據(jù)其來源不同而有所差別。一般放線菌產(chǎn)生的葡萄糖異構(gòu)酶，其最適pH值在6.5～8.5的范圍內(nèi)。但在堿性范圍內(nèi)，葡萄糖容易分解而使糖漿的色澤加深，為此，生產(chǎn)時pH值一般控制在6.5～7.0。④葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖的異構(gòu)化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。隨著反應(yīng)溫度的升高，有利于果糖的生成?？紤]到酶的穩(wěn)定性，一般控制反應(yīng)溫度在60~70℃。2/6/202322飴糖的生產(chǎn)飴糖是我國傳統(tǒng)的淀粉糖制品。是以大米或糯米為原料，加進大麥芽，利用麥芽中的-淀粉酶和-淀粉酶，將淀粉糖化而成的麥芽糖漿。其中含麥芽糖30%~40%，糊精60%-70%。飴糖也可用酶法生產(chǎn)。原料也是大米或糯米，所用酶為-淀粉酶和-淀粉酶，此法生產(chǎn)的飴糖，麥芽糖含量可達60%-70%。2/6/202323蛋白制品加工乳制品加工：凝乳蛋白酶用于制造奶酪；用乳糖酶生產(chǎn)低乳糖奶；蛋白酶用于生產(chǎn)乳蛋白水解物等。蛋制品加工：葡萄糖氧化酶用于除去蛋制品中存在的少量葡萄糖，以防止褐變，提高產(chǎn)品質(zhì)量。魚制品加工：利用蛋白酶生產(chǎn)可溶性的魚蛋白粉；用三甲基胺氧化酶脫腥等。肉制品加工：蛋白酶用于制造肉類水解蛋白；用木瓜蛋白酶制成嫩肉粉；蛋白酶用于生產(chǎn)明膠；溶菌酶用于肉類制品的保鮮防腐等。2/6/202324木瓜蛋白酶的應(yīng)用實例豬血水解：

100公斤新鮮豬血加1公斤濃度為3％檸檬酸鈉溶液抗凝。在有攪拌下的100公斤水，加入200克酶，加熱至50℃－60℃，將豬血分批倒入水中，保溫酶解8－12小時。加入1公斤氫氧化鈉在90℃－100℃堿解1－3小時。用酪蛋白或HCL中和至PH5－6，濃縮，用2％硅藻土和活性碳過濾。烘干或噴霧干燥就可得到蛋白質(zhì)水解物。產(chǎn)物中氨基酸含量超過70mg/g。用于飼料添加劑則在酶解后加入98％濃硫酸20公斤100℃酸解10小時，冷卻后用石灰中和至PH5－6，用活性碳脫色脫臭，干燥。經(jīng)酶解的肉骨粉和羽毛粉是優(yōu)質(zhì)的飼料。2/6/202325果蔬加工果膠酶用于果汁和果酒的澄清；

1、水果中的膠狀及可溶性果膠經(jīng)果膠酶水解后，可降低果汁的粘度,有助于壓榨并提高出汁率；2、果膠酶能破壞果汁中懸浮物的穩(wěn)定性,使其凝聚沉淀,得到澄清果汁；3、用果膠酶處理超濾膜能提高果汁起濾的通量，縮短超濾時間；4、經(jīng)果膠酶處理的果汁比較穩(wěn)定,濃縮后不再發(fā)生混濁；5、在葡萄酒釀造中加入果膠酶能起到提高葡萄酒得率、澄清效果和過濾速度的作用,還可促使葡萄汁中的酒石酸發(fā)生沉淀。2/6/202326柚苷酶和橙皮苷酶可分別用于柑桔類果汁或罐頭制品脫除苦味和防止出現(xiàn)白色渾濁；葡萄糖氧化酶可去除果汁、飲料、罐頭食品和果蔬干制品中的氧氣，防止產(chǎn)品氧化變質(zhì)，防止微生物生長，延長食品保存期；溶菌酶可防止細菌污染，起保鮮作用等。2/6/202327改善食品的品質(zhì)和風(fēng)味風(fēng)味酶的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，在食品風(fēng)味的再現(xiàn)、強化和改變方面有廣闊應(yīng)用前景。例如：用洋蔥風(fēng)味酶處理甘藍等蔬菜；用奶油風(fēng)味酶作用于含乳脂的巧克力、冰淇淋、人造奶油等食品；風(fēng)味酶用于恢復(fù)甚至強化原來的天然風(fēng)味。在面包制造中，面團中添加適量的-淀粉酶和蛋白酶，可縮短面團發(fā)酵時間，面包的品質(zhì)也有所提高。2/6/2023288.1.2酶在輕工業(yè)方面的應(yīng)用原料處理發(fā)酵原料的處理淀粉原料的處理，一般采用-淀粉酶和糖化酶；含纖維素原料可用纖維素酶處理；含戊聚糖的植物原料可用各種戊聚糖酶處理。紡織原料的處理上漿：用-淀粉酶處理淀粉，可用作上漿的漿料；退漿：利用-淀粉酶使?jié){料水解；若上漿時用動物膠作膠漿，可用蛋白酶使之退漿。造紙原料的制漿酶法制漿：木質(zhì)素酶可水解除去木質(zhì)素，提高紙的質(zhì)量，而且環(huán)保。2/6/202329生絲的脫膠處理胰蛋白酶、木瓜蛋白酶或微生物蛋白酶可在溫和條件下催化絲膠蛋白水解。羊毛的除垢羊毛在染色前需除垢，可利用蛋白酶來實現(xiàn)，提高羊毛的著色率，并保持羊毛的特點，提高羊毛制品的質(zhì)量。2/6/202330輕工產(chǎn)品制造酶法生產(chǎn)L-氨基酸L-氨基?；赣糜贒L-?；被岬墓鈱W(xué)拆分，工業(yè)上已采用固定化酶的方式連續(xù)生產(chǎn)L-苯丙氨酸和L-色氨酸等；工業(yè)上已將固定化菌體形式的天門冬氨酸酶和天門冬氨酸--脫羧酶分別用于L-天門冬氨酸和L-丙氨酸的連續(xù)生產(chǎn)；已內(nèi)酰胺水解酶用于L-賴氨酸的生產(chǎn)；噻唑啉羧酸水解酶用于合成L-半胱氨酸。酶法生產(chǎn)核苷酸5’-磷酸二酯酶水解RNA生產(chǎn)各種5’-核苷酸；腺苷酸脫氨酶水解AMP生產(chǎn)IMP；核苷磷酸化酶催化肌苷生成5’-IMP，催化鳥苷生成5’-鳥苷酸，催化AMP生成ADP和ATP等。2/6/202331酶法生產(chǎn)有機酸工業(yè)上采用固定化延胡索酸酶連續(xù)生產(chǎn)L-蘋果酸；環(huán)氧琥珀酸水解酶用于生產(chǎn)L-酒石酸。酶法制醬醬油或豆醬生產(chǎn)中，利用蛋白酶催化大豆蛋白質(zhì)水解，可縮短生產(chǎn)周期，提高蛋白質(zhì)利用率；醬油釀造中，添加纖維素酶可提高原料利用率。酶法制革蛋白酶可用于原料皮脫毛；酸性蛋白酶和少量脂肪酶可用于皮革軟化。2/6/202332增強產(chǎn)品的使用效果加酶洗滌劑目前洗滌劑中最廣泛最大量使用的是堿性蛋白酶；酶也可加到肥皂中制成加酶肥皂等；淀粉酶、脂肪酶、果膠酶和纖維素酶等也可添加于固體和液體洗滌劑中。加酶牙膏、牙粉和嗽口水可添加到潔齒用品中的酶有蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和右旋糖酐酶等。可利用酶的催化作用，增加潔齒效果，減少牙垢并可防止齲齒的發(fā)生。加酶飼料淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶和半纖維素酶等在飼料中添加，可增加飼料的可消化性。加酶護膚用品SOD、堿性磷酸酶、尿酸酶、彈性蛋白酶等在護膚及化妝品中的添加，可有效提高護膚效果。2/6/2023332/6/202334酶在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用主要在疾病的診斷和治療這兩方面的應(yīng)用主要的醫(yī)用酶:酶來源用途淀粉酶、脂肪酶胰臟、麥芽、微生物消化不良、食欲不振溶菌酶蛋清、細菌止血、消炎、鎮(zhèn)痛尿激酶人尿治療心肌梗死、黃斑部出血青霉素酶臘狀芽孢桿菌治療青霉素引起的變態(tài)膠原酶細菌消炎、化膿、治療潰瘍?nèi)芾w酶蚯蚓溶血栓L-精氨酸酶、L-蛋氨酸酶微生物抗癌α-半乳糖苷酶牛肝、人胎盤治療遺傳缺陷病8.2酶在醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用2/6/202335酶在醫(yī)藥方面的應(yīng)用可歸納為：用酶進行疾病的診斷；用酶治療各種疾??；用酶制造各種藥物。由于酶具有專一性強和效率高的特點，所以在醫(yī)藥方面使用的酶具有種類多、用量少、純度高的特點。2/6/2023368.2.1酶在疾病診斷方面的應(yīng)用根據(jù)體液內(nèi)酶活力的變化診斷疾病酸性磷酸酶前列腺癌患者及出現(xiàn)肝炎、甲狀旁腺機能亢進、紅血球病變等疾病時，血清中酸性磷酸酶的活力會升高。堿性磷酸酶佝僂病、骨骼軟化癥、骨瘤、骨骼廣泛性轉(zhuǎn)移癌、甲狀腺機能亢進、黃疸性肝臟疾病等，患者血清中堿性磷酸酶活力升高；而軟骨發(fā)育不全等疾病，引起該酶活力下降。轉(zhuǎn)氨酶血清中GPT(谷丙轉(zhuǎn)氨酶)和GOT(谷草轉(zhuǎn)氨酶)的活力測定，已在肝臟疾病和心肌梗塞等疾病的診斷中得到廣泛應(yīng)用。-葡萄糖醛縮酶、胃蛋白酶、乳酸脫氫酶、醛縮酶、磷酸葡萄糖變位酶等的活力測定，有助于對某些癌癥作出診斷。2/6/2023378.2.2酶在疾病治療方面的應(yīng)用酶作為藥物可治療多種疾病，且具有療效顯著，副作用小的特點。蛋白酶可用于治療多種疾病，是臨床上使用最早、用途最廣的藥用酶之一?？勺鳛橄瘎委熛涣己褪秤徽?；可作為消炎劑，治療各種炎癥；經(jīng)靜脈注射，可治療高血壓。2/6/202338溶菌酶是一種應(yīng)用廣泛的藥用酶。具有抗菌、消炎、鎮(zhèn)痛等作用?？勺饔糜诩毦募毎?，使病原菌、腐敗性細菌等溶解死滅，療效顯著而副作用很小。與抗生素聯(lián)合使用，可顯著提高抗生素的療效。溶菌酶作為一種存在于人體正常體液及組織中的非特異性免疫因素，具有多種藥理作用，它具有抗菌、抗病毒、抗腫瘤的功效，目前日本已生產(chǎn)出醫(yī)用溶菌酶，其適應(yīng)癥為出血、血尿、血痰和鼻炎等。2/6/202339溶菌酶具有破壞細菌細胞壁結(jié)構(gòu)的功能，以此酶處理G+細菌得到原生質(zhì)體，因此，溶菌酶是基因工程、細胞工程中細胞融合操作必不可少的工具酶。溶菌酶是一種無毒、無副作用的蛋白質(zhì)，又具有一定的溶菌作用，因此可用作食品防腐劑?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)品、肉食品、蛋糕、清酒、料酒及飲料中的防腐；還可以添入乳粉中，使牛乳人乳化，以抑制腸道中腐敗微生物的生存，同時直接或間接地促進腸道中雙歧桿菌的增殖。此外，還能利用溶菌酶生產(chǎn)酵母浸膏和核酸類調(diào)味料等。2/6/202340SOD可使機體免遭超氧負離子的損害；具有抗輻射作用并對紅斑狼瘡、皮肌炎、結(jié)腸炎及氧中毒等疾病有顯著療效。L-天門冬酰胺酶是一種用于治療癌癥的酶。特別是對治療白血病有顯著療效。2/6/202341L-天冬酰胺抗腫瘤作用

腫瘤細胞無此功能，靠吸收血液中的天冬酰胺才能存活。給病人以天冬酰胺酶，分解天冬酰胺，血液中沒有天冬酰胺，癌細胞就會死亡。對治療白血病有顯著療效。L-天冬酰胺+水------------------L-天冬氨酸+NH3Asn合成酶

L-天冬氨酸+ATP+NH3------------------L-天冬酰胺+ADP+Pii正常細胞能催化如下反應(yīng)：

天冬酰胺酶2/6/2023428.2.3酶在藥物制造方面的應(yīng)用青霉素酰化酶在半合成抗生素的生產(chǎn)上有重要作用的一種酶。它催化青霉素或頭孢菌素水解，又可催化酰基化反應(yīng)，合成新型青霉素和頭孢菌素。不同來源的該酶對溫度和pH的要求不同。同一來源的該酶在催化水解反應(yīng)和催化合成反應(yīng)時所要求的條件各不相同，尤其是pH條件相差很大，操作時要控制好。催化合成反應(yīng)時，要控制好pH、溫度和酶濃度。反應(yīng)液中適當(dāng)加入一些表面活性劑或異丁醇等，有利于提高轉(zhuǎn)化率。2/6/202343-酪氨酸酶可催化L-酪氨酸或鄰苯二酚生成多巴。已經(jīng)制成固定化酶使用。多巴是治療帕金森氏綜合癥的一種重要藥物。該酶作用pH為3.5~6.0，溫度為30~55℃，為控制氧化進程，應(yīng)添加維生素C或硫酸肼等抗氧化劑。核苷磷酸化酶可催化阿糖尿苷生成阿糖腺苷；而阿糖尿苷由尿苷通過化學(xué)方法轉(zhuǎn)化而成；阿糖腺苷具有顯著的抗癌和抗病毒作用。無色桿菌蛋白酶可以特異性催化胰島素B鏈羧基末端上的氨基酸置換反應(yīng)，由豬胰島素轉(zhuǎn)變?yōu)槿艘葝u素，以增加療效。2/6/2023448.3.1酶在除去細胞壁方面的應(yīng)用生物工程研究與應(yīng)用中，有時需要除去細胞壁：提取胞內(nèi)物質(zhì)；原生質(zhì)體的制備。除去細胞壁的方法有多種，諸如機械研磨，物理、化學(xué)破碎法等。但在制備原生質(zhì)體或提取胞內(nèi)某些穩(wěn)定性較差的活性物質(zhì)時，只能利用各種專一性的酶。根據(jù)不同細胞的結(jié)構(gòu)和細胞壁組分的不同，除去細胞壁時所采用的酶也有所區(qū)別。此外，還必須控制好酶作用條件和時間。8.3酶在生物工程中的應(yīng)用2/6/2023458.3.2酶在大分子切割方面的應(yīng)用限制性核酸內(nèi)切酶一類在特定的位點上，催化雙鏈DNA水解的磷酸二酯酶。目前已成為基因工程中必不可少的常用工具酶。DNA外切核酸酶一類從DNA分子末端開始逐個除去末端核苷酸的酶。在基因工程中用于載體或基因片段的切割加工。還可用于由DNA生產(chǎn)脫氧核苷酸。2/6/202346堿性磷酸酶該酶可除去DNA或RNA鏈中的5’-磷酸。在基因工程中主要用于防止質(zhì)粒DNA的自我環(huán)化，或在用32P對DNA或RNA進行5’-末端標(biāo)記前除去5’-磷酸。核酸酶S1該酶作用于單鏈DNA或RNA。在基因工程中，用于從具有單鏈末端的DNA分子中除去單鏈部分的核苷酸，而變成齊平末端。在cDNA合成時，用于除去生成的“發(fā)夾狀環(huán)”。2/6/2023478.3.3酶在分子拼接方面的應(yīng)用DNA連接酶能使雙鏈DNA的缺口封閉。在基因工程中主要采用的是T4-DNA連接酶。DNA聚合酶一類催化DNA復(fù)制和修復(fù)DNA分子損傷的酶。主要包括大腸桿菌DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及T4-DNA聚合酶。在基因工程中，主要應(yīng)用于DNA的缺口修補。2/6/202348末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶該酶從小牛胸腺分離得到。在基因工程中利用該酶給DNA片段加上一段同聚物，形成附加末端?；蛘哂?2P標(biāo)記的脫氧核苷酸進行3’-末端標(biāo)記。反轉(zhuǎn)錄酶該酶又稱為依賴于RNA的DNA聚合酶。它以RNA為模板合成DNA。該酶在基因工程中用于