酶工程發(fā)展概況及應(yīng)用前景

課程：酶工程題目：酶工程發(fā)展概況及應(yīng)用前景學(xué)院：釀酒與食品工程學(xué)院專業(yè)：生物工程年級(jí)：102班學(xué)生姓名：安生軍指導(dǎo)教師：王明力學(xué)號(hào)：10081103382013年12月22日酶工程發(fā)展概況及應(yīng)用前景摘要:酶的生產(chǎn)和應(yīng)用的技術(shù)過程稱為酶工程。其主要任務(wù)是通過預(yù)先設(shè)計(jì),經(jīng)人工操作而獲得大量所需的酶,并利用各種方法使酶發(fā)揮其最大的催化功能。本文意在闡述近年來酶工程在分子水平的研究進(jìn)展,展示酶工程在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展,并對(duì)其未來前景進(jìn)行了展望。英文摘要：Biotechnology,includinggeneticengineering,cellengineering,fermentationandenzymeengineering,anyoneoftheareashasanimportantcontributiontomodernagriculture,.Transgenictechnologyinapplicationofcropsincludeimprovecropvarietiesingeneticengineeringandimproveyield。二、關(guān)鍵詞:酶工程；概況；應(yīng)用；前景三、前言早在幾千年我們的祖先就曾有釀酒、制醋、做醬的記載,所有這些,實(shí)際上都是酶知識(shí)的應(yīng)用。但是,有關(guān)酶知識(shí)的自覺應(yīng)用和深入研究,是從19世紀(jì)末期開始的。此后，隨著酶生產(chǎn)的不斷發(fā)展，酶的應(yīng)用越來越廣泛?，F(xiàn)在，酶工程已在醫(yī)藥、食品、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、飼料、環(huán)保、能源、科研等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。成為基因工程、細(xì)胞工程、蛋白質(zhì)工程等新技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)中不可取代的工具。四、發(fā)展現(xiàn)狀1、酶工程技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)代酶工程具有技術(shù)先進(jìn)、投資小、工藝簡單、能耗糧耗低、產(chǎn)品收率高、效率高、效益大和污染小等優(yōu)點(diǎn),成為化學(xué)、醫(yī)藥工業(yè)應(yīng)用方面的主力軍。以往采用化學(xué)合成、微生物發(fā)酵及生物材料提取等傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的藥品,皆可通過現(xiàn)代酶工程生產(chǎn),甚至可獲得傳統(tǒng)技術(shù)不可能得到的昂貴藥品,如人胰島素、McAb、IFN、6一APA、7一ACA及7一ADCA等。固定化基因工程菌、工程細(xì)胞以及固定化技術(shù)與連續(xù)生物反應(yīng)器的巧妙結(jié)合,將導(dǎo)致整個(gè)發(fā)酵工業(yè)和化學(xué)合成工業(yè)的根本性變革

a.應(yīng)用酶工程生產(chǎn)抗生素應(yīng)用酶工程可以制備青霉素酞化酶、頭抱菌素酞化酶、頭抱菌素、頭抱菌素酞化酶、青霉素酞化酶、脫乙酸頭抱菌素、頭抱菌素乙酸醋酶,近年來還進(jìn)行固定化產(chǎn)黃青霉青霉素合成酶系細(xì)胞生產(chǎn)青霉素的研究,合成青霉索和頭抱菌素前體物的最新工藝也采用酶工程的方法。

b.應(yīng)用酶工程生產(chǎn)維生素制造2一酮基一L—古龍?zhí)撬?山梨糖脫氫酶及L一山梨糖醛氧化酶)、肌醇(肌醇合成酶)、L—肉毒堿(膽堿脂酶)、CoA(CoA合成酶系)等。由山梨醇和葡萄糖生產(chǎn)維生素及丙烯酸胺的生產(chǎn)也采用酶工程的方法。2、酶工程技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用由于酶制劑主要作為催化劑與添加劑使用，從而帶動(dòng)了許多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。應(yīng)用酶工程對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行深加工，是人們努力的一個(gè)方向。乳制品加工則需要用凝乳酶和乳糖酶。此外，酶工程在飼料加工領(lǐng)域也有重大應(yīng)用。

a、酶工程應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的深加工利用α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖異構(gòu)酶的催化功能，以玉米淀粉等為原料生產(chǎn)高果糖漿等。乳制品加工則需要用凝乳酶和乳糖酶。農(nóng)副產(chǎn)品的加工和綜合利用需要用纖維素酶、果膠酶和木質(zhì)素酶。此外，從木瓜中提取的木瓜蛋白酶，提高活性和固定化以后，可以被用來釀制啤酒和制造果汁。

b、酶工程在用農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)生物活性肽方面的應(yīng)用以前，人們認(rèn)為氨基酸是人體吸收蛋白質(zhì)的主要途徑，隨著研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)經(jīng)消化道中的酶水解后，主要以小肽的形式吸收，比完全游離的氨基酸更易吸收利用。這一發(fā)現(xiàn)，啟發(fā)了科研工作者采用酶工程技術(shù)用蛋白質(zhì)生產(chǎn)生物活性肽的新思路。生物活性肽是蛋白質(zhì)中20種天然氨基酸以不同排列組合方式構(gòu)成的從二肽到復(fù)雜的線性或環(huán)形結(jié)構(gòu)的不同肽類的總稱，是源于蛋白質(zhì)的多功能化合物?；钚噪木哂卸喾N人體代謝和生理調(diào)節(jié)功能，易消化吸收，有促進(jìn)免疫、激素調(diào)節(jié)、抗菌、抗病毒、降血壓、降血脂等作用，且食用安全性高。生物活性肽主要是通過酶法降解蛋白質(zhì)而制得。目前已從大豆蛋白、玉米蛋白、牛奶蛋白、水產(chǎn)蛋白的酶解物中制得一系列功能各異的生物活性肽。

c、酶工程在飼料工業(yè)中的應(yīng)用動(dòng)物體由于不能分泌分解纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠等植物細(xì)胞壁物質(zhì)的酶系，因此動(dòng)物自身不能消化利用這些物質(zhì)，只能通過瘤胃和大腸微生物利用上述部分物質(zhì)。植物細(xì)胞壁非淀粉多糖降解酶可降解畜禽消化道內(nèi)的非淀粉多糖，降低腸道內(nèi)容物的粘性，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收，減少畜禽下痢，從而促進(jìn)畜禽生長和提高飼料利用率。據(jù)趙長友報(bào)道，利用纖維素復(fù)合酶作為半干貯添加劑可提高半干貯飼料的營養(yǎng)成分。蛋白質(zhì)含量提高，粗纖維含量下降，半干貯品質(zhì)得到改善，獲得了色、味、嗅、質(zhì)地及完好率均為上乘的優(yōu)質(zhì)半干貯飼料，并可抑制霉菌生長、防止腐敗和延緩二次發(fā)酵，提高了半干貯飼料的完好率和利用率。3、酶工程技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用酶工程技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品添加劑生產(chǎn),不斷開發(fā)新酶源,研制新產(chǎn)品,固定化酶反應(yīng)器使生產(chǎn)連續(xù)化,設(shè)備小型化,生產(chǎn)成本降低,產(chǎn)品易純化,收率提高。酶工程技術(shù)在這個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域顯示了很大的使用價(jià)值和應(yīng)用潛力。

a、酶工程在甜味劑生產(chǎn)中的應(yīng)用應(yīng)用海藻糖是一種新型的多功能食品添加劑。張海平和楊靜從中國土樣中篩選分離得到能產(chǎn)生淀粉轉(zhuǎn)化為海藻糖的酶菌柱,并利用該菌柱生產(chǎn)的酶進(jìn)行淀粉合成海藻糖。產(chǎn)物海藻糖在反應(yīng)混合物中的含量可達(dá)48%。薛璐和馬鶯研究了在不易破壁取得胞內(nèi)海藻糖合酶的情況下,采用滲透處理細(xì)胞技術(shù)生產(chǎn)透性化細(xì)胞酶,并獲得了較高的酶活力。海藻糖還可由海藻糖合酶將麥芽糖直接轉(zhuǎn)化為海藻糖,在海藻糖的工業(yè)生產(chǎn)中有著良好的應(yīng)用前景。

b、酶工程在調(diào)味劑生產(chǎn)中的應(yīng)用在日本和美國利用酶水解蛋白制取的營養(yǎng)型調(diào)味劑和氨基酸復(fù)配調(diào)味品占調(diào)味劑市場(chǎng)很大的比重。其銷售量已超過傳統(tǒng)調(diào)味劑的數(shù)倍。用酶法提取的米糠蛋白的溶解性、起泡性、乳化特性和營養(yǎng)性等蛋白功能特性上表現(xiàn)出良好性能,不僅可以作為食品中的營養(yǎng)強(qiáng)化劑,還可以作為食品中的風(fēng)味增強(qiáng)劑。

c、酶工程在食品抗氧劑生產(chǎn)中的應(yīng)用采用低濃度的乙醇、氨基酸和溶菌酶復(fù)酶添加入食品的殺菌防腐的方法越來越受到人們的重視,并在食品加工業(yè)中廣泛推廣。隨著近年來酒精需求量的上升,固定化細(xì)胞技術(shù)應(yīng)用于酒精工業(yè)生產(chǎn)方面的研究也變得非?；钴S。日本協(xié)和發(fā)酵公司的固定化酵母連續(xù)發(fā)酵系統(tǒng),半衰期可長達(dá)3個(gè)月,酒精產(chǎn)值接近理論值,已進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)階段。酶還可以直接作為食品抗氧防腐劑使用。在食品貯藏中,利用葡萄糖氧化酶、過氧化氫酶加配葡萄糖、瓊脂制成凝膠,封入聚乙烯膜小袋,放入食品的容器,可以除去殘留氧,防止褐變。

4、酶工程在技術(shù)環(huán)境治理中的應(yīng)用

隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，工業(yè)越來越發(fā)達(dá)，環(huán)境問題隨之而來，并變得日益嚴(yán)峻，目前，工業(yè)三廢對(duì)人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊懺絹碓酱?，環(huán)境問題以不容忽視，而傳統(tǒng)的化學(xué)方法顯現(xiàn)出了弊端與不足，利用酶工程治理環(huán)境得到了人們的青睞。a、辣根過氧化物酶辣根過氧化物酶是酶處理廢水領(lǐng)域中應(yīng)用最多的一種酶。有過氧化氫存在時(shí),它能催化氧化多種有毒的芳香族化合物,其中包括酚、苯胺、聯(lián)苯胺及其相關(guān)的異構(gòu)體,反應(yīng)產(chǎn)物是不溶于水的沉淀物。HRP特別適合于廢水處理還在于它能在一個(gè)較寬的pH值和溫度范圍內(nèi)保持活性。HRP的很多應(yīng)用都集中在含酚污染物的處理方面,使用HRP處理的污染物包括苯胺、羥基喹啉、致癌芳香族化合物等。而且,HRP可以與一些難以去除的污染物一起沉淀,去除物形成多聚物而使難處理物質(zhì)的去除率增大。這個(gè)現(xiàn)象在處理含多種污染物的廢水時(shí)有重要的實(shí)際應(yīng)用。例如,多氯聯(lián)苯可以與酚一起從溶液中沉淀下來。b、微生物脂酶的應(yīng)用微生物脂酶(甘油脂水解酶)能催化一系列反應(yīng),包括水解、醇解、酸解、酯化和氨解等。大量的微生物可以用來生產(chǎn)脂酶,其中以假絲酵母、假單胞菌和根霉為其重要的酶源。脂酶應(yīng)用于被污染環(huán)境的生物修復(fù)以及廢物處理是一個(gè)新興的領(lǐng)域。石油開采和煉制過程中產(chǎn)生的油泄漏,脂加工過程中產(chǎn)生的含脂廢物,都可以用不同來源的脂酶進(jìn)行有效處理。脂酶被廣泛地用于廢水處理。Dauberhe和Boehnke研究出一種技術(shù),利用酶的混合物,包括脂酶,將脫水污泥轉(zhuǎn)化為沼氣。能源開發(fā)在全世界開發(fā)新型能源的大趨勢(shì)下，利用微生物或酶工程技術(shù)從生物體中生產(chǎn)燃料也是人們正在探尋的一條新路。例如，利用植物、農(nóng)作物、林業(yè)產(chǎn)物廢物中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、淀粉等原料，制造氫、甲烷等氣體燃料以及乙醇和甲醇等液體燃料。另外，在石油資源的開發(fā)中，也發(fā)揮著重要的作用。環(huán)境工程在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的同時(shí)，環(huán)境凈化尤其是工業(yè)廢水和生活污水的凈化，作為保護(hù)自然的一項(xiàng)措施，具有十分重要的意義。在現(xiàn)有的廢水凈化方法中，生物凈化常常是成本最低而最可行的。微生物的新陳代謝過程，可以利用廢水中的某些有機(jī)物質(zhì)作為所需的營養(yǎng)來源。因此利用微生物體中酶的作用，可以將廢水中的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成可利用的小分子物質(zhì)，同時(shí)達(dá)到凈化廢水的目的。人們利用基因工程技術(shù)創(chuàng)造高效菌種，并利用固定化活微生物細(xì)胞等方法，在廢水處理及環(huán)境保護(hù)工作中取得了顯著的成效。另外，生物傳感器的出現(xiàn)為環(huán)境監(jiān)測(cè)的連續(xù)化和自動(dòng)化提供了可能，降低了環(huán)境監(jiān)測(cè)的成本，加強(qiáng)了環(huán)境監(jiān)督的力度。酶的發(fā)展歷史及基因制取1.發(fā)展歷史在七十年代以后，伴隨著第二代酶——固定化酶及其相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)生，酶工程才算真正登上了歷史舞臺(tái)。固定化酶正日益成為工業(yè)生產(chǎn)的主力軍，在化工醫(yī)藥、輕工食品、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。不僅如此，還產(chǎn)生了威力更大的第三代酶，它是包括輔助因子再生系統(tǒng)在內(nèi)的固定化多酶系統(tǒng)，它正在成為酶工程應(yīng)用的主角。我們知道，酶在生物體內(nèi)的含量是有限的，不管是哪種酶，在細(xì)胞中的濃度都不會(huì)是很高的，這也是出于生物機(jī)體生命活動(dòng)平衡調(diào)節(jié)的需要?？墒沁@樣一來，就限制了直接利用天然酶更有效地解決很多化學(xué)反應(yīng)的可能性2、基因制取只要在生物體內(nèi)找到了某種有用的酶，即使含量再低，只要應(yīng)用基因重組技術(shù)，通過基因擴(kuò)增與增強(qiáng)表達(dá)，就可能建立高效表達(dá)特定酶制劑的基因工程菌或基因工程細(xì)胞了。把基因工程菌或基因工程細(xì)胞固定起來，就可構(gòu)建成新一代的生物催化劑——固定化工程菌或固定化工程細(xì)胞了。人們也把這種新型的生物催化劑稱為基因工程酶制劑。新一代基因工程酶制劑的開發(fā)研制，無疑是使酶工程如虎添翼。固定化基因工程菌、基因工程細(xì)胞技術(shù)將使酶的威力發(fā)揮得更出色，科學(xué)家們預(yù)言，如果把相關(guān)的技術(shù)與連續(xù)生物反應(yīng)器巧妙結(jié)合起來，將導(dǎo)致整個(gè)發(fā)酵工業(yè)和化學(xué)合成工業(yè)的根本性變革。對(duì)酶進(jìn)行改造和修飾也是酶工程的一項(xiàng)重要內(nèi)容。酶的作用力雖然很強(qiáng)，尤其是被固定起來之后，力量就更大了，但并不是所有的酶制劑都適合固定化的，即使是用于固定化的天然酶，其活性也往往不能滿足人們的要求，需要改變其某些性質(zhì)、提高其活性，以便更好地發(fā)揮其催化功能。于是，酶分子修飾和改造的任務(wù)就被提出來了。一般來說，科學(xué)家們是通過對(duì)酶蛋白分子的主鏈進(jìn)行“切割”、“剪切”以及在側(cè)鏈上進(jìn)行化學(xué)修飾來達(dá)到改造酶分子的目的的。被修飾、改造的酶分子，無論是物化性質(zhì)，還是生物活性都得到了改善，甚至被賦予了新的功能。六、發(fā)展前景現(xiàn)在已知的酶的酶有幾千種，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)酶日益增長的需要。隨著科技的發(fā)展，人們正在發(fā)現(xiàn)更多、更好的酶。其中，令人矚目的有核酸酶和抗體酶、端粒酶、糖生物學(xué)和糖基轉(zhuǎn)移酶和極端環(huán)境微生物和不可培養(yǎng)微生物的新酶種，此外，新的固定化、分子修飾和非水相催化等技術(shù)越來越受到人們關(guān)注。伴隨著人類基因組計(jì)劃取得的巨大成果，基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的誕生，生物信息學(xué)的興起，以及DNA重排技術(shù)的發(fā)展，預(yù)期在不久的將來，眾多新酶的出現(xiàn)將使酶的應(yīng)用達(dá)到前所未有的廣度和深度?？梢灶A(yù)計(jì),隨著各種高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用及酶工程研究工作的不斷深入,酶工程研究和酶制劑工業(yè)必將取得更快、更大的發(fā)展?？梢韵嘈?將來人們可以用化學(xué)的方法隨心所欲地構(gòu)造出各種性能優(yōu)異的人工合成酶和模擬酶,而且還可以采用生物學(xué)方法在生物體外構(gòu)造出性能優(yōu)良的產(chǎn)酶工程菌為生產(chǎn)和生活服務(wù),酶工程技術(shù)必將在工業(yè)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化學(xué)分析、環(huán)境保護(hù)、能源開發(fā)和生命科學(xué)理論研究等各個(gè)方面發(fā)揮越來越大的作用。七、參考文獻(xiàn)（1）陳紅霞，酶工程與抗生素工業(yè)[J].國外醫(yī)藥抗生素分冊(cè)2005.11第26卷第6期.（2）楊淑芳,酶工程在農(nóng)產(chǎn)品加工上的應(yīng)用.農(nóng)業(yè)工程技術(shù)(