第九章酶反应器和酶传感器
第一节酶反应器
一、生物反应器概述
利用生物催化剂将原料转化成有用物质的生产过程,称为生物反应过程。
通常,生物反应过程包括四个组成部分:
(1原材料的预处理。
(2生物催化剂的制备。
(3生物反应器的选择及反应条件的调控。
(4产物的分离提纯。
在生物反应过程中,生物反应器(Biological Reactor是用于完成生物化学反应(酶促反应的核心装置。
利用生物工程技术进行生产的过程统称为生物反应过程,在这一过程中,生物反应器起着极其重要的作用,它是实现生物技术产品产业化的关键设备,是连接原料和产物的桥梁。
生物反应器设计的主要目标是,使产品的质量提高,生产成本降低。为了达到上述标准,对生物反应器提出下列要求:
(1.所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度。
(2.能用电脑自动检测和调控,从而获得最佳的反应条件。
(3.应具有良好的传质和混合性能。
(4.应具有最佳的无菌条件。
二、固定化酶反应器的类型及特点
固定化酶反应器和固定化细胞反应器,二者的构造、性能基本一致。
固定化酶反应器有下列各种类型:
1.间歇式酶反应器
特点是底物与酶一次性投入反应器内,产物一次性取出;酶回收后转入下一批反应。
2.连续搅拌釜式反应器
特点是达到平衡后以恒定的流速连续流入底物溶液,同时,以相同流速输出反应液(含产物。
3.填充床反应器
将固定化酶填充于反应器内,制成稳定的柱床,然后,通入底物溶液,在一定的条件下实现酶催化反应,以一定的流速,收集输出的转化液(含产物。
4.流化床反应器
特点是底物溶液以足够大的流速,从反应器的底部向上通过固定化柱床时,便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。
5.连续搅拌罐——超滤膜反应器
特点是在连续搅拌釜式反应器出口处设置一个超滤器。
6.其他类型反应器
三、对固定化酶反应器的选择
影响酶反应器选择的因素很多,但一般可以从以下几个方面考虑:
1.固定化酶的形状
2.底物的物理性质
3.酶反应动力学特征
4.固定化酶稳定性
5.操作要求及反应器费用
四、固定化酶反应器的操作
1.操作中存在的问题
搅拌的问题;使用高浓度的酶;游离酶的处理
2.酶反应器生产能力下降的原因及对策
在酶反应器操作过程中,其生产能力是逐渐下降的。其原因是多方面的。但是,主要原因是固定化酶活性的下降或损失。造成固定化酶活性的损失可能有下列原因:
(1酶本身的失活;
(2酶从载体上脱落;
(3载体的破碎或溶解。
常用的对策:
(1为了防止变性,操作温度不宜过高,搅拌速度不宜过快;
(2为了防止中毒,要求所用试剂和水不含毒物;
(3为了防止微生物污染,可以提高操作温度,并使反应液pH的尽量偏离中性。
第二节酶传感器
一、生物传感器概述
生物传感器是一种分离测试装置,用于测定混合物中某中物质的浓度。它具有专一、快速、简便、准确的优点。
生物传感器由感受器和换能器两部分组成。感受器又称为分子识别元件,是由生物活性物质与固相载体结合而成。换能器能将化学信号或物理信号转变为电信号。
根据生物活性物质的不同,可以将生物传感器分成下列几种类型:
1.酶传感器其感受器是固定化酶
2.微生物传感器其感受器是固定化微生物细胞
3.免疫传感器其感受器是固定化抗原或固定化抗体
4.组织传感器其感受器是固定化动物或植物的组织切片
5.亚细胞传感器其感受器是固定化细胞器
二、酶传感器的结构与工作原理
1.酶传感器以固定化酶作为感受器,以基础电极作为换能器的生物传感器。
根据感受器与基础电极结合方式的不同,将酶传感器分为电极密接型和液流系统型。
2.酶传感器的工作原理把酶电极插入待测溶液中,此时,固定化酶专一地催化混合物中目的物质发生化学反应,产生某种离子或气体等电极活性物质(生化信号,再由基础电极对其作出选择性响应,将生化信号转变成电信号,然后,经过放大、数据处理,由记录仪给出混合物溶液中目的物质的浓度数据。
三、酶传感器的制备及性能
(一酶传感器的制备
1.制备酶传感器的一般步骤
(1选择酶,选择能专一性催化目的物质发生化学反应的酶。
(2酶与固相载体结合成固定化酶。
(3选择基础电极。
(4将固定化酶与电极连接。
2.几种常见酶传感器的制备
(1透析膜包扎法
(2聚丙烯酰胺固定化酶涂层法
(3交联酶涂层法
(二酶传感器的性能
1.稳定性
酶电极的稳定性可以用使用时间和使用次数来表示。为了得到准确的测定数据,每次使用时都要重新做校正曲线,如果校正曲线的斜率保持不变,则酶电极可以使用。
2.响应特性
从酶电极插入被测试样到获得稳定测定值的电信号所需要的时间,称为响应时间。
3.恢复时间
酶电极在完成第一个样品测定之后,不能立即作第二个样品的测定,需要充分洗涤酶电极,洗涤的时间称为恢复时间。
4.测量范围
测量范围是指酶电极电位对目的物质浓度存在线性关系的底物浓度范围。5.测定中的干扰
酶电极在测量过程中常常受到干扰,从而影响测量的准确性。
四、酶传感器的应用
酶电极具有测试专一、灵敏、快速、简便、准确的优点,并且稳定性较好,可以使用几十次到几百次。因此,它已广泛地应用于发酵过程、临床诊断、化学分析,以及环境检测等各个方面。不少酶电极已经商品化了,用于测定下列许多物质的含量:葡萄糖、尿素、尿酸、乳酸、乙酸、赖氨酸、乙醇、胆碱、乳糖、果糖、蔗糖、过氧化氢等物质。
在发酵过程中,已正式用酶电极监测发酵液中各种物质浓度的变化,可以及时获得预期的信息(一次参数,经过电子计算机处理,可获得二次参数,用以指导发酵生产,以便对发酵生产过程作出更精确的调控。
在临床诊断中,把固定化诊断酶制成酶电极,更加体现酶法诊断的精确性,易于进行数据处理和确定病因。
在环境监测中,酶电极用于野外检测,具有简便、快速、准确的优越性。(五酶电极
将酶固定在薄膜(如醋酸纤维素薄膜上,制成酶膜,然后将酶膜与离子选择性电极相结合,便制成了酶电极。
八、酶在食品保鲜中的应用
食品保鲜是食品加工、运输和保存过程中的一个重要课题,常见的保鲜技术主要有添加防腐剂或保鲜剂和冷冻、加热、干燥、密封、腌制、烟熏等。但在人们对食品安全问题呼声日益高涨的今天,对食品质量或人体健康产生不良影响的
传统方法正在受到人们的抵制,酶法保鲜也应运而生,作为一种崭新的食品保鲜技术正在崛起。
酶法保鲜的原理是利用酶的催化作用,防止或消除外界因素对食品的不良影响,在较长的时间内保持食品原有的品质和风味。
1.利用葡萄糖氧化酶保鲜
a.食品的除氧保鲜
葡萄糖氧化酶是一种氧化还原酶,它可催化葡萄糖与氧反应,生成葡萄糖酸和双氧水,有效地防止食品成分的氧化作用,起到保鲜的作用。
b.蛋类制品的脱糖保鲜
葡萄糖氧化酶可以在有氧条件下,将蛋类制品中的少量葡萄糖除去,而有效地防止蛋制品的褐变,提高产品的质量。
2.利用溶菌酶保鲜
用一定浓度的溶菌酶溶液对水产品进行喷洒即可起到防腐保鲜效果。这样既可节省冷冻保鲜的高昂的设备投资,又可防止盐腌、干制引起产品风味的改变,简单实用,易于推广。
在干酪、鲜奶或奶粉中,加入一定量的溶菌酶,可防止微生物污染,保证产品质量,延长贮藏时间。
在香肠、奶油、生面条等其他食品中,加入溶菌酶也可起到良好的保鲜作用。此外,黑豆通过酶处理制成的豆豉比黑豆的营养价值高。
第九章复习题 一、从培养基、培养方法、培养设备上比较分析植物细胞培养与微生物细胞培养的异同。 1、植物细胞与微生物细胞对比： ①细菌、真菌、植物细胞都有细胞壁。 ②细菌无成形的细胞核，真菌、植物细胞有成形的细胞核。 ③细菌只有核糖体一种细胞器。 ④植物细胞比微生物细胞大（Ф10~200微米，30-100倍）。 ⑤植物细胞很少以单一细胞形式悬浮生长，通常以一定细胞数的非均相细胞团 方式存在。 ⑥植物细胞具有纤维素细胞壁和大的液泡，很容易被剪切力损伤。 ⑦植物细胞生长速度慢，操作周期长（2-3周甚至2-3个月）。 ⑧植物细胞培养基成分丰富而复杂，适合微生物生长，因此防止污染更困难。 ⑨植物细胞培养一般需要光照。 2、培养基对比： 植物细胞培养的培养基主要由碳源、氮源、无机盐、维生素、植物生长激素、有机酸和一些复合物质组成。目前应用广泛的基础培养基有：MS、B5、N6等 无机盐：大量元素N/S/P/K/Ca/Mg等、微量元素 有机物：糖类、氨基酸、维生素等 调节物质：激素 与微生物培养基相比：需要大量无机盐，多种维生素和激素，一般采用无机氮源，一般以蔗糖为碳源。 3、培养方法对比： 植物细胞：经酶解法或愈伤组织法得单细胞再进行培养；方法有看护培养、饲养层培养、固体培养、细胞悬液培养 微生物细胞：固体斜面培养、液体培养 4、培养设备： 植物细胞：细胞培养生物反应器，一般都有三部分组成：反应罐、控制系统、检测分析系统。 微生物细胞：传统微生物发酵罐 二、请分析限制植物细胞培养大规模生产有价值次级代谢产物的影响因素。 次级代谢产物（Secondary metabolites）是通过次级代谢合成的产物，大多是分子结构比较复杂的小分子化合物，例如抗生素、激素、生物碱、毒素等。影响因素： 1、生物因素 ①细胞株：稳定、高产、生长速度快的细胞株是细胞大规模培养生产代谢产物的前提。在进行植物细胞培养生产有价值的代谢产物时必须弄清楚产物的合成部位，也就是应该考虑到不同部位来源细胞的特性。 ②细胞凋亡：是植物细胞培养过程中不可避免的现象，保证充足的营养供给以及避免有害代谢产物的积累，可以减少细胞凋亡。 ③细胞团：细胞团的形成影响稳定的悬浮体系的维持，同时造成了培养物的显著异质性，细胞团表面与内部的细胞存在营养吸收和代谢产物分泌的差异。此外，
第21卷第9期 2005年9月农业工程学报 Tr ansactions of the CSAE V ol.21 N o.9Sep. 2005 红茶在超微-酶解反应器中的萃取特性研究 高彦祥,杨文雄,方 政,李绍振 (中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京100083) 摘 要:本文通过研究红茶在超微-酶解反应器(超微粉碎与酶解反应耦合)中作用所得茶汤的品质变化情况,探讨超微-酶解反应器在红茶萃取方面的优越性,并寻求一条生产茶汤的新途径。结果表明:经过超微-酶解反应器后的茶汤的可溶性固形物含量和茶多酚含量,随着剪切温度、剪切频率、剪切时间、加酶量的增大呈增大的趋势;较过胶体磨后的茶汤,二者含量分别提高了6.7%～12.6%和1.5%～8.0%;较直接热水萃取,二者含量分别提高了16.0%～20.1%和6.2%～24.4%。红茶加酶后在反应器中反应较不加酶所得茶汤茶多酚含量显著提高23.3%～35.6%。关键词:红茶;超微粉碎;酶解反应器;茶多酚;可溶性固形物中图分类号:T S273 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2005)09-0167-05高彦祥,杨文雄,方 政,等.红茶在超微-酶解反应器中的萃取特性研究[J ].农业工程学报,2005,21(9):167-171.Gao Y anx ia ng ,Yang W enxiong ,Fang Zheng ,et al.Ex t ractio n cha racteristics of black tea in supe rmicr o-co mminuted enzy matic reacto r [J ].T ransactio ns o f the CSA E ,2005,21(9):167-171.(in Chinese with English abstract ) 收稿日期:2005-01-25 修订日期:2005-05-01 作者简介:高彦祥(1961-),男,教授,博士生导师,研究方向为添加剂和功能饮料。北京 中国农业大学食品科学与营养工程学院,100083。Email :drgyx @sina .com 0 引 言 目前工业化生产茶汤的方法仍是传统的高温水萃取,其缺点是萃取时间长、能耗大、所得茶汤可溶性固形物含量和茶多酚含量低[1-4]。有研究者在萃取过程中加入单宁酶、纤维素酶、果胶酶或复合酶能适当提高茶汤 得率[5-8] ,但由于目前用于茶叶萃取的酶活力较低,并不能达到预期效果。本文采用中国农业大学食品学院和河北廊坊通用机械厂共同在国内首创开发的超微-酶解反应器,对超微动态条件下,酶对茶叶萃取的影响因素:料液比、酶用量、剪切温度、剪切频率和剪切时间进行了研究,旨在找出一条提高酶作用效率,缩短萃取时间,减少能耗,提高茶汤品质的新途径。 1 材料与方法 1.1 材料与设备 红茶Υd = 1.00～ 2.00mm (Υd 为红茶固体颗粒过筛时测定的平均粒径),北京宝德瑞食品科技有限公司;茶叶萃取酶Visco zym e L (包括果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶、阿拉伯聚糖酶),最适pH 值为5.0左右,酶活力相当于700FBG /g (FBG —真菌β-葡聚糖酶),novo zym es 公司提供。 数字折射计(LR-01型,M ISU RE S.P.A);低速台式大容量离心机(TDL-5型,上海安亭科学仪器厂);分光光度计(6405UV /V IS 型,上海精密仪器有限公司);高浊度仪(W ZS-185型,上海精密仪器有限公司);全自动测色色差计(DC -P 3型,北京市兴光测色仪器公司);JM S -60变速胶体磨(曲齿,可用于茶叶等大颗粒物的破 碎);超微-酶解反应器(图1)(河北廊坊通用机械厂)。 图1 超微-酶解反应器 Fig .1 Super -micro -Co mminuted Enzymatic Reacto r (SCER )超微-酶解反应器(图1)作用原理简介:物料从物 料进口15进入,通过酶解反应罐13进入剪切池11进行超微粉碎,通过剪切装置的动力输送,沿循环管道再进入酶解反应罐进行酶解。物料可在整个系统中反复循环进行超微粉碎和酶解反应,最终产品从物料出口12流出。该设备可无极调频(0～100Hz )、调温(0～100℃),在国内尚属首创。1.2 工艺流程茶叶加水 粗磨→胶体磨加酶 超微-酶解反应器→粗滤→灭酶→冷却→离心→上清液→检测1.3 试验方法1.3.1 红茶不加酶在超微-酶解反应器中作用的方法 取红茶0.5kg (干重),按比例加一定温度的水,浸泡15min 软化茶叶,粗磨,再过胶体磨两次,将茶汤混浊液置于超微-酶解反应器中作用一段时间,用200目纱布粗过滤,离心(3000r /min ,10min ),取上清液即得茶汤,简称S ;在胶体磨前后均取样以作对照,所得茶汤分别简称P 和J ,对样品进行可溶性固形物含量和茶多酚含量测定。重复三次试验,取平均值。 167
《酶工程》复习大纲 一、考试基本要求 通过学习本课程，使学生掌握酶工程的基本原理、酶的生产方法、酶的提取与分离纯化、酶的改造方法、非水相酶催化、酶反应器以及酶的应用，根据需要通过人工操作，掌握酶的生产与应用的技术过程。通过课堂授课教案、结合专题内容评述。使学生对酶的的生产与应用一定的了解，并为以后的研究应用打下基础。 二、考试方式和考试时间 闭卷考试，总分，考试时间为小时。 三、参考书目（仅供参考） 1．郭勇编著，酶工程（第四版），，北京：科学出版社 2．袁勤生主编，酶与酶工程（第二版），，上海：华东理工大学出版社 3．罗贵民主编，酶工程（第版），，北京：化学工业出版社 四、试卷类型： 主要包括选择题、填空题、简答题、论述题等类型，并根据每年的考试要求做相应调整。 五、考试内容及要求 第一章绪论 酶的基本概念与发展史 酶催化作用特点 影响酶催化作用的因素 酶的分类与命名 酶活力的测定 酶的生产方法 酶工程发展简况 基本要求：掌握酶催化作用的特点、酶活力的测定方法和酶的分类命名方法；重点：酶的生产方法 第二章微生物发酵产酶
酶生物合成的基本理论 常用的产酶微生物 发酵工艺条件及其控制 产酶发酵动力学 固定化微生物细胞发酵产酶 固定化原生质体发酵产酶 基本要求：掌握酶生物合成的基本理论、微生物和固定化微生物发酵产酶的工艺流程 重点：微生物发酵产酶的发酵条件控制和产酶动力学 难点：酶生物合成的调节机制 第三章动植物细胞培养产酶 植物细胞培养产酶 动物细胞培养产酶 基本要求：掌握动植物细胞培养产酶的基本方法和工艺过程 重点：动植物细胞的特性及其培养特点 第四章酶的提取与分离纯化 酶的特性与分离提取方法的选择 酶分离提取的一般方法 酶分离提取的重点方法概述 典型酶的分离提取工艺流程 基本要求：掌握酶分离提取的种类与方法 重点：层析和电泳方法在酶分离提取中的应用 难点：不同分离提取方法的选择 第五章酶分子修饰 金属离子置换修饰 大分子结合修饰
酶膜反应器 摘要：酶膜反应器是一种新型的生物催化反应设备，它是反应与分离相耦合的装置，集产品分离、纯化和酶回收利用于一体，具有其它方法不可比拟的优势。在强调资源节约，环境友好和清洁化生产技术的今天，显示一些特别的优点，近年来已成为热门的研究领域。本文主要介绍了酶膜反应器的基本原理、特征及其分类，并根据分类对近年来酶膜反应器应用研究进行了概述，讨论了酶膜反应器目前存在的一些瓶颈问题及其解决办法。 关键词：酶膜反应器；优缺点；分类；催化；应用 EnzymeMembrane Reactor Abstract:Enzyme membrane reactor that contains an enzyme and a membrane with the appropriate pore size and physicochemical properties is a new type of bioreactor, in which continuous reaction occurs simultaneously with separation of the product from the reaction mixture. Membrane bioreactor has some advantages in the field of resource saving, environmental protection and clean production in biocatalysis, and has already become one of the hottest research fields these years. The basic concept , feature and classification of enzyme membrane reactor were generally described, and some applications in some fields and examples were reviewed. The current problems and the future tendency were discussed.The current bottleneckproblems and the corresponding solution approaches were discussed. Key words:Enzyme membrane reactor; Feature; Classification; catalyse reactions; Application 1.酶膜反应器简介 膜反应器是基于利用选择性的半透膜来分离酶及产物(或者底物)，利用膜两侧的推动力(化学势、压差、电势差等),将可渗透的溶质从反应体系中分离出来的原理[1]。 酶膜反应器是膜和生物化学反应相结合的系统或操作单元，依靠酶的专一性、催化性及膜特有的功能，集生物反应与反应产物的原位分离、浓缩和酶的回收利用于一体，能够改变反应过程、控制反应进程,从而实现减少副产物的生成、提高产品收率等目的[2]。 在近年来的研究工作中，半透膜不仅起到分离的作用，而且还用于作为界面催化剂的支撑体[3]。对于成功的连续操作酶膜反应器而言,最基本且最重要的要求是将反应体系中的酶完全截留。在酶膜反应器中，酶以两种形态存在：（1）溶于或不溶于膜表面；（2）存在于膜相的微孔或膜基质中。利用包埋、静电作用等技术，或者物理的、化学的方法，将酶固定于某种媒介上( 如惰性蛋白质、凝胶、脂质体等)，酶处于膜的一侧，这样，酶以自由的形
第九章酶反应器和酶传感器 第一节酶反应器 一、生物反应器概述 利用生物催化剂将原料转化成有用物质的生产过程,称为生物反应过程。 通常,生物反应过程包括四个组成部分: (1原材料的预处理。 (2生物催化剂的制备。 (3生物反应器的选择及反应条件的调控。 (4产物的分离提纯。 在生物反应过程中,生物反应器(Biological Reactor是用于完成生物化学反应(酶促反应的核心装置。 利用生物工程技术进行生产的过程统称为生物反应过程,在这一过程中,生物反应器起着极其重要的作用,它是实现生物技术产品产业化的关键设备,是连接原料和产物的桥梁。 生物反应器设计的主要目标是,使产品的质量提高,生产成本降低。为了达到上述标准,对生物反应器提出下列要求: (1.所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度。 (2.能用电脑自动检测和调控,从而获得最佳的反应条件。 (3.应具有良好的传质和混合性能。 (4.应具有最佳的无菌条件。
二、固定化酶反应器的类型及特点 固定化酶反应器和固定化细胞反应器,二者的构造、性能基本一致。 固定化酶反应器有下列各种类型: 1.间歇式酶反应器 特点是底物与酶一次性投入反应器内,产物一次性取出;酶回收后转入下一批反应。 2.连续搅拌釜式反应器 特点是达到平衡后以恒定的流速连续流入底物溶液,同时,以相同流速输出反应液(含产物。 3.填充床反应器 将固定化酶填充于反应器内,制成稳定的柱床,然后,通入底物溶液,在一定的条件下实现酶催化反应,以一定的流速,收集输出的转化液(含产物。 4.流化床反应器 特点是底物溶液以足够大的流速,从反应器的底部向上通过固定化柱床时,便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。 5.连续搅拌罐——超滤膜反应器 特点是在连续搅拌釜式反应器出口处设置一个超滤器。 6.其他类型反应器 三、对固定化酶反应器的选择 影响酶反应器选择的因素很多,但一般可以从以下几个方面考虑:
第七章酶反应器的类型与选择 ◆用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。 ◆按照结构的不同分为: 搅拌罐式反应器（Stirred T ank Reactor, STR）、鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR )、填充床式反应器(packed column reactor, PCR )、流化床式反应器( Fluidized Bed Reactor, FBR)、膜反应器(Membrane Reactor, MR)等； ◆酶反应器的操作方式可以分为分批式反应(batch )、连续式反应(continuous )和流加分批式反应(feeding batch ); ◆将反应器的结构和操作方式结合一起，对酶反应器进行分类， 连续搅拌罐反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）、分批搅拌罐反应器（Batch Stirred Tank Reactor, BSTR）等。 1.酶反应器的类型 ◆常用的酶反应器类型
1.1搅拌罐式反应器： ◆搅拌罐式反应器(stirred tank reactor, STR)是有搅拌装置的一种反应器(图8-1，8-2所示)。◆在酶催化反应中是最常用的反应器。它由反应罐，搅拌器和保温装置组成。 ◆搅拌式反应器的操作方式可以根据需要采用分批式（batch）、流加分批式(feeding batch)和连续式(continuous)三种。与之对应的有分批搅拌罐式反应器和连续搅拌罐式反应器之分。 (1)分批搅拌罐式反应器： 图8-1 分批搅拌罐式反应器(2)搅拌罐式反应器： 连续搅拌罐式反应器（continuous stirred tank reactor ,CSTR）的结构示意图如图8-2
一、酶的定义 酶是一种由活细胞产生的生物催化剂。它是一种蛋白质,在生物体的新陈代谢中起着非常重要的作用。它参与生物体大部分的化学反应,使新陈代谢有控制地有秩序地进行下去,从而使生命得以延续。 尽管历史上很早就存在着人们不自觉地应用酶学原理,利用粮食原料制酒的事例,但酶学作为一门科学还只起始于19世纪。随后,无论是新酶的发现,酶作用性质的研究,酶的研究方法和实验技术的改进,都有重要的进展。尤其是最近50年中取得了飞速的发展,近年来基因工程的突破性成果应用于酶生产菌种的改良工作后,更使酶制剂工业跨上了新的台阶。 2.1洗涤剂酶的定义 前面已经介绍过,酶按所催化的反应类型分为6大类。洗涤剂中使用酶的作用对象主要是各种污垢物质,使之水解转变为水溶性的物质,因而很容易 清洗。例如,蛋白酶使蛋白质污垢水解成为肽和氨基酸; 淀粉酶使淀粉类污垢 水解成为分子质量较低的糖类;脂肪酶使油脂类污垢水解成为单甘油酯、二 甘油酯、脂肪酸和甘油。还有一种重要的洗涤剂酶——纤维素酶,它的作用 对象虽然并不是污垢而是纤维素本身,但它的主要作用还是使纤维素所产生 的微短毛因水解而弱化,再经洗涤过程中的机械作用被脱除。上述各种作用 都将在本书的后面部分详细叙述,此处不加展开。但是从上述4种类型的洗 涤剂酶的作用来看,就可以得出结论: 洗涤剂酶是属于水解酶这一大类的酶。 洗涤剂中加酶主要是为了提高洗涤剂的去污性能;在某些场合,还可以改善抗 再沉积、增白(显色)、织物保护和柔软等性能。 - 来源：洗涤剂酶应用手册 3 酶
酶是生物催化剂。生物体内的各种化学反应都是在酶的催化下进行的,所以没有酶生物体就无法进行新陈代谢,生命也就停止了。 酶有着巨大的催化能力,它在体内极其温和的条件下发生作用,效率却比无机催化剂高107～1013倍,酶对反应作用物,亦称底物,有着很高的专一性,一种酶只能催化一种或一类底物分子反应。 虽然人们最近发现有些核糖核酸也具有催化活性,但迄今所知的大部分酶,其化学本质是蛋白质。许多酶除蛋白质外还结合有小分子或金属离子的辅助因子。那些与酶蛋白结合紧密的辅助因子叫辅基,而与酶蛋白结合松驰,容易分离的辅肋因子称为辅酶。全酶就是酶蛋白和辅酶(基)结合形成的复合物。酶催化的专一性和高效性取决于酶蛋白本身和辅酶(基)直接对电子、原子或化学基团的传递作用。 酶作为生物大分子物质,它的分子比大多数底物要大得多,在催化反应中,酶与底物的接触只局限于少数基团或较小部位。酶分子中直接和底物结合,并和酶的催化作用直接有关的部位,叫做酶的活性部位。它常常是由辅酶(基)以及酶分子中在空间结构上比较靠近的几个氨基酸基团形成的一种特殊结构,在分子表面常可出现裂缝或凹陷,使底物能进入这个部位和酶结合并被催化。 有些酶在最初合成时没有催化活性,这种无活性的酶的前体称为酶原。酶原在小分子物质或酶的激活下能转变成有活性的酶。这种激活是使酶原去除了抑制性的肽段或切除了某些多余的肽段后结构重新调整建立了酶的活性部位的缘故。 酶催化反应的动力学是研究酶催化反应的重要部分。根据酶促动力学的研究提出的反映底物浓度〔S〕,最大反应速度Vmax和当酶催化反应的速度达到最大反应速度一半时的底物浓度Km之间关系的公式称为米氏(Michaelis)公式:酶催化反应的速度v=V max·〔S〕/Km+ 〔S〕。Km叫做米氏常数,是酶的一个特征性常数,只和酶的性质有关。 影响酶反应速度的主要因素有底物浓度、pH、温度、酶浓底、激活剂及抑制剂等,因此测定酶活力都是选用在最适pH、最适温度、底物极大过量的条件下进行的。一般酶活力单位定义为在一定条件下,每分钟转变1μmol底物的酶量。酶比活定义为每毫克酶蛋白所具有的酶活力单位数。 酶具有高催化效率的原因除了酶能降低反应的活化能外,还被认为是酶与底物结合时,两者的构象都能发生相应的改变,使它们容易互相吻合,形成短暂的过渡性复合物,这叫酶与底物作用的诱导楔合学说(如图)。此外,酶与底物之间还可发生接近、定向,底物可被拉紧、扭曲,易于断裂,酶可以和底物之间有质子的得失,对底物进行酸碱催化等,从而使酶对底物高速度地进行反应。
第八章酶催化 章节分配 一、酶的结构和分类 二、酶的分离与纯化 三、酶活力测定 四、酶作用动力学 五、酶的抑制作用 六、pH值和温度对酶作用的影响 七、酶的作用机制 八、应用酶学 九、酶法制备L-氨基酸 十、生物催化反应器 十一、生物有机化学与生物催化 生物催化的定义：是利用生物催化剂(主要是酶或微生物)来改变(通常是加快)化学反应速度的作用。 生物催化转化的分类： (1)发酵：用活细胞将原材料(如糖、淀粉或甲醇)转化成更复杂的目标产物。 (2)前体发酵：发酵过程中添加前体物质，并由活细胞将其转化成目标产物。 (3)生物转化：用酶或静息细胞经过一系列步骤，将前体转化成目标产物。 (4)酶催化：提取粗酶或部分纯化的酶，将底物转化成目标产物。 生物催化的产生与发展： 远古时代—— 酒的酿造：酵母发酵的产物，是细胞内酶作用的结果； 饴糖的制作：用麦曲含有的淀粉酶将淀粉讲解为麦芽糖； 豆类做酱：在霉菌蛋白酶作用下，豆类蛋白质水解得豆酱和豆鼓，压榨后制得酱
油。 1878年，Kuhne第一次提出“酶”(Enzyme)的概念,意为“在酵母中”(in yeast)；1894年，Emil Fischer发现了酶对底物(酶作用的物质)的专一性现象,提出了“锁和钥匙”模型；酶晶体的获得，才认识到酶是蛋白质，是由酰胺键连接的氨基酸组成；1926年，Sumner从刀豆中得到脲酶结晶，催化尿素水解,产生CO2和NH3；1967年，丝氨酸蛋白酶的发现，它专门用于洗涤剂；1992年，用于生产酶的克隆技术的诞生；最近发现除了“经典”酶以外，某些生物分子也具有催化活性。1982年Cech小组发现，四膜虫的rRNA(核糖体核糖核酸)前体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，催化得到成熟的rRNA产物。这就是说，RNA本身就是生物催化剂。20世纪80年代以来，基因工程技术用于酶学研究得到高度重视。应用DNA重组技术可以生产出高效能、高质量的酶产品，用定点突变法在指定位点突变，可以改变酶的催化活性与专一性。 生物催化研究的重要意义： (1)生物催化与生物转化是与生命活动及人类发展关系最为密切的自然规律之一； (2)基于生物催化与生物转化的物质加工新模式是人类发展的必然趋势； (3)生物催化的独特优势可以促进传统产业的升级改造； (4)生物催化对于我国的经济发展和安全具有战略意义。 生物催化的主要方式： 生物催化几乎能应用于所有化学反应，例如氧化反应、羟基化反应、脱氢反应、还原反应、水解反应、酰基化反应等。 生物催化材料有酶、微生物菌体、动植物的组织及细胞。在手性合成中应用较多的是水解酶、氧化-还原酶以及面包酵母等微生物。 生物催化的方式有添加前体发酵法、游离酶法、静息细胞法、固定化酶法、固定化细胞法。可在水相、有机相和水-有机溶剂双相等系统中进行。 生物催化反应的特点： (1)高催化效率 (2)高专一性 (3)酶活性受一些化合物调控
教学基本内容： 介绍常见的酶反应器及其分类，提出理想型酶反应器的概念，连续全混流酶反应器（CSTR）的特点和操作方程的建立；连续活塞流酶反应器（BCFR）的特点和操作方程的建立；分批式全混流酶反应器（BSTR）的特点和操作方程的建立。CSTR型酶反应器和CPFR型酶反应器性能的比较。固定化酶反应器的选择。 3.1 酶反应器的分类 3.2 理想型酶反应器 3.3 酶反应器操作方程 3.4 酶反应器设计和操作参数 3.5 PFR和CSTR型酶反应器性能比较 3.6 固定化酶反应器的选择 授课重点： 1. 理想型酶反应器的概念。CSTR型酶反应器、CPFR型酶反应器、BSTR型酶反应器的特点。 2. CSTR型酶反应器、CPFR型酶反应器、BSTR型酶反应器的操作方程。 难点： 1.理想的酶反应器的概念。 2.CSTR型酶反应器和CPFR型酶反应器的操作方程。 3.返混的概念。 本章主要教学要求： 1. 了解常见的酶反应器，熟悉酶反应器的分类。 2. 掌握理想型酶反应器的概念。 3. 理解CSTR、CPFR和BSTR型酶反应器操作方程的推导过程。能够熟练运用操作方程进行酶反应器的设计。 4. 熟悉CSTR、CPFR和BSTR型酶反应器的性能，能够合理选择酶反应器。
生物反应器的概念提出： 20世纪70年代，Arkinson 提出生化反应器（biochemical reactor）一词。 同时，0llis提出另一术语—生物反应器（biological reactor）。 80年代，生物反应器（bioreactor）一词在专业期刊和书籍中大量出现。 生物反应器（bioreactor）是指有效利用生物反应机能的系统（场所）。既包括传统的发酵罐、酶反应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反应器、动植物细胞培养用生物反应器和光合生物反应器。 3.1 酶反应器的分类： 典型的酶反应器有连续搅拌式反应器、多级搅拌床、流化床、填充床、管式反应器。如图所示。 搅拌罐多级搅拌床管式反应器 流化床填充床 与化学反应一样，酶反应器也是根据其型式和操作方式来分类的。 溶液酶反应器 （1）根据所使用的酶，分为 固定化酶反应器
复习题选择题（每小题2分，共16分） 1．一简单酶催化反应，若初始酶浓度CE0=0.01mmol/L, 酶催化最大反应速率是 0.197mmol/L.h,则产物生成速率常数是多少？( A ) A 19.7h-1 B 9.5h-1 C 2.7h-1 D 18.2h-1 2．有一均相酶反应，当底物的初始浓度CE0=1χ10-5mmol/L，若反应进行一段时间后，此时的底物浓度为0.9χ10-5mmol/L,则底物转化率为多少？( D ) A.20% B.12% C.15% D. 10% 3．某酶的Km值为2.0χ10-5mol/L，如果rmax值为4.0χ10-5mol/(L.min)，在底物浓度为1χ10-4mol/L和在竞争性抑制剂浓度为2χ10-4mol/L情况下，假定KI为2χ10-4mol/L，其反应速率为多少？（2.86×10的-5次方） A．2.0χ10-5mol/(L.min)B．1.43χ10-5mol/(L.min) C．1.43χ10-4mol/(L.min) D．2.0χ10-4mol/(L.min) 4．一简单酶催化反应的反应速率为6.0χ10-5m ol/(L.min)，当有抑制剂时的反应速率变为1.5χ10-5m ol/(L.min)，问其抑制程度有多大？（0.75 ） A．2.0 B．0.2 C．0.25 D．0.5 5.某酶催化的反应速率为1.5χ10-5mol/(L.min)，当此酶固定于无微孔的球形载体上进行同类反应时，反应速率变为1.2χ10-5mol/(L.min)，该固定化酶的扩散有效因子是多少？（A ）A0.8 B 1.0C0.75D0.5 6．固定于无微孔的球形载体上的酶促反应,假定其外扩散传质速率为1.0χ10-6m ol/(L.min),则在定态条件下的反应速率为（B） A．2.0χ10-5mol/(L.min)B．1.0χ10-6mol/(L.min) C．2.0χ10-6mol/(L.min)D．1.2χ10-6mol/(L.min) 7．某微生物反应的动力学方程为，则KS为（B） A 1.2 B 2 C 1.8 D 2.5 8. 在甘露醇中培养大肠杆菌,当甘露醇溶液以1.5L/min的流量进入体积为5L的CSTR中进行反应时,稀释率为（D ）. A．0.4min-1 B．1.4min-1 C．5min-1 D．0.3min-1 填空题（每小题2分，共20分） 1、假定CSTR中进行等温均相反应，反应器有效体积恒定不变，其基本设计方程为流入速率=流出速率+反应消耗速率+累积量，则对底物S的物料衡算表达式为 dCs Vr————=F（Cso-Cs）-VrTs dt 2、酶或细胞的固定化方法有载体结合法、自聚焦法、包埋法。 3、影响固定化酶动力学的因素有：空间效应、扩散效应、分配效应。 4、生物反应器如按操作方式分类可分为分批操作、连续操作、补料分批操作，若根据反应器内物系的相态分可分为均相反应器、非均相反应器； 5、固定化酶催化反应外扩散效应影响的判断依据主要有两个：Da和ηE ηE＝1时，不存在外扩散影响，为动力学控制；当ηE<1时，存在外扩散影响,宏观反应速率变慢；ηE<<1时，完全为外扩散控制。 6、发酵产物的生成速率与菌体生长速率之间大致存在三种不同类型的关联，它们是生长偶联型、生长部分偶联、非生长偶联。 7．生物反应器是整个生化反应过程的关键设备。它的结构、操作方式和操作条件与产品的质量、收率（转化率）和能耗有着密切关系。
适用范围： 宇砚酶解罐为全封闭立式三层结构，具有加热、冷却和保温、搅拌、灭酶/灭活功能。广泛用于食品、乳品、生物工程、饮料、果酒等行业的搅拌、蛋白的酶解转化、生物降解、酶解反应（如酶解胶原蛋白、大豆蛋白、海藻类蛋白等等） 产品介绍： 酶解罐又称酶解反应器、生物酶解反应器设备具有加热、冷却、保温、搅拌功能。罐体设计有物料进口、纯水口、出料口、取样口等工艺管口，能够提供酶解过程的条件，酶解结束后可以开启夹套直通蒸汽达到灭酶功能，灭酶完成后可进行降温冷却后开户放料阀出料，酶解罐可设计自动的控制系统，包括进料、蒸汽加热系统、循环冷却系统、搅拌系统、PH调节系统、加料系统、清洗系统、出料、控温等过程控制，降低劳动强度，使酶解过程实现全自动控制。 设备参数： 1. 容积：50L-2T（可根据实际需要定做） 2. 内罐体：内表面镜面抛光处理粗糙度Ra<0.6μm； 3. 夹套形式：全夹套、半圆盘管夹套、蜂窝夹套（供选）； 4. 保温材料：填充珍珠棉、岩棉或聚氨酯浇注发泡； 5. 外壳体表面处理方式：内罐体镜面抛光，卫生无死角，外罐体2B，拉丝处理。 6. 搅拌转速：12～155r/min定速或配置无级调速及变频调速； 7. 液位计形式：玻璃管液位计、静压传感器式液位计、超声波液位计、射频电容式液位计； 8. 设备配置：快开式人孔、视镜、温度计（数显式或指针式）、采样口、pH计口、空气吸器、CIP清洗器、料液进出口、备用口、蒸汽进出口及冷却水进出口等； 9. 材质：内罐体：不锈钢SUS304或SUS316L；夹套和外保护壳体：不锈钢SUS304 10. 各进出管口、视镜、人孔等工艺开孔与内罐体焊接处均采用翻边工艺圆弧过渡，光滑易清洗无死角，外表美观；并可按要求外壳体做滴水边设计。
第9章微生物的生 态
第9章微生物的生态 重点、难点剖析 1．微生物在生态系统中的作用是本章重点之一，却并非难点。理解这个问题首先要抓住生态系统，从生态系统的组成、结构和功能出发来理解微生物在生态系统中所扮演的重要角色(表11—1)，微生物主要作为分解者，但也是生产者，以及其他方面的重要角色。 等同于生产者。但从对贮存于碎屑中能量的利用角度也可以认为是消费者。 2，微生物与生物地球化学循环是本章重点之一，但并非难点。生物地球化学循环主要有两个基本过程，光合生物对无机营养物的同化和异养生物对有机物的矿化。微生物参与的生物地球化学循环主要在于对有机物的矿化，这体现了微生物作为物质循环重要成员的作用。 (1)微生物参与的碳循环。微生物推动的碳循环从以下4个方面加以理解： ①宏观的碳循环主要是CO2为绿色植物固定为有机碳，有机碳再为微生物分解矿化成可被利 用的CO2。 ②微观上微生物参与的碳循环是微生物在生境中分解生物多聚物，微观的生物降解是宏观碳循环的基础。 ③微生物在好氧和厌氧两种条件下进行有机物的分解作用。 ④微生物推动碳循环中的中心化合物是CO2，此外还有CO、烃类物质等。 (2)微生物参与的氮循环。微生物参与的氮循环复杂多样，大多实际上是氧化还原反应。各种循环反应的比较如表11—2。 3，生态环境中微生物的生态分布是微生物生态学的基础，也是重点之一。特别要认识到微生物分布的广泛性和微生物无处不在的特点。 (1)微生物在土壤、水体、大气等自然生境中的分布。 ①土壤是微生物的合适生境，是微生物最大的贮库，土壤微生物的数量和活性主要取决于有机物的含量。 ②水环境中的微生物主要来源于土壤，以悬浮和附着两种方式存在，水体中微生物的数量和分布主要受到营养物水平、温度、光照、溶解氧及盐分等因素的影响。