酶工程 绪论1

酶工程原理与技术

主要参考书目

孙君社主编. 酶与酶工程及其应用. 北京：化学工业出版社，2006

郭勇主编．酶工程．第三版．北京：科学出版社，2009

袁勤生，赵健主编．酶与酶工程．上海：华东理工大学出版社，2005

魏东芝主编．生物催化剂与酶工程．北京：科学出版社，2008

什么是生物技术？

为什么选择生物技术专业？

生物技术

医药生物技术

农业生物技术

工业生物技术

环境生物技术

材料生物技术

.

.

.

工业生物技术

含义：在工业规模的生产过程中使用或部分使用生物技术来实现产品的制造，这种技术是应用微生物和生物催化剂来提供产品和服务。

核心目标：大规模利用生物体系（如细胞或酶）作为催化剂实现物质转化。

生物催化（Biocatalysis)

利用酶或有机体（细胞或细胞器等）作为催化剂实现化学转化的过程 。

生物催化技术的核心工具

生物催化剂——酶

酶：具有生物催化功能的生物大分子。

酶，你在哪儿？

动物

植物

微生物

微生物是酶制剂的基础

自然界存在的微生物是最常见的酶制剂产品的基础。从花园土壤到极端环境，细菌和真菌

有效的筛选方法。大海捞针，需要一整套的技术来完成，包括微生物筛选、分子筛选、基因文库、蛋白质分离纯化及性质研究、酶的应用实验、生产菌株的研发等。

现代分子生物学技术。可以使我们改善酶的特性以满足客户的任何要求。

基因工程菌株。用于酶的工业生产帮助我们生产出成本低、质量好的产品。

工业酶制剂产品的生产

工业酶制剂是由一般是由深层发酵的工艺生产出来的。

现在发酵罐的容积最大可达1000立方米(酒精发酵罐3000-6000吨)。 从发酵液中收获酶的第一步是除去不溶物，主要是细胞。多数酶在发酵液中通过薄膜真空蒸发，膜过滤或结晶等方法得到浓缩。根据产品的最终用途，酶可被进一步加工成液体、粉末、颗粒或固定化酶等一系列制剂。

绿色健康，“酶”力无限

衣、食、住、行、健康、美容

医药、洗涤剂、纺织、淀粉制糖、发酵、酒精、食品（包括果蔬汁、啤酒酿造、谷物食品、蛋白水解、和功能食品以及食用油脂）、饲料、皮革、造纸和化工等工业领域。

纺织品整理用酶

 从棉花到面料，在纺织厂要经过纺织退浆、煮练、漂白、印染等一系列工序。淀粉酶用于退浆。碱性果胶酶代替氢氧化钠进行“生物煮练”对织物低损伤和更环保。过氧化氢酶可除去漂白残留液。

服装工业中风格各异的牛仔服饰、免烫整理的纯棉织品，生物抛光为设计者提供独具特色的面料品质；悬垂飘逸的天然纤维，古朴质感的麻制品无一不需纤维素酶的处理；羊毛的生物丝光防缩，蚕丝的酶法脱胶等。

制革工业用酶

第一种商品化皮革酶制剂产生于1908年。如今，从皮革/毛皮加工的浸水、脱毛/浸灰、脱脂、软化、浸酸，到蓝湿皮处理及中和等制革工序中，蛋白酶和脂肪酶均大显神通。协同使用效果更加明显。

酶不仅简化了制革工艺，同时在环保方面发挥了无可比拟的优势。全世界一年因制革产生含铬废物60万吨。用酶处理含铬废物不仅回收了铬，还能通过不同工艺得到动物饲料或工业明胶，解决了人们对废物填埋的燃眉之急。

洗涤剂

 洗涤剂是工业用酶最大的应用领域。在洗衣、洗碗、公共清洗及隐形眼睛等的清洗中，酶无处不在。碱性蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶可除去衣领、袖口处的污渍及血渍、菜渍、油渍等一系列生活污垢；而碱性纤维素的参与则通过对棉组织纤维的修复作用而达到“织物复新”的效果。

焙烤工业用酶

早在十九世纪，人们就用麦芽做为酶的来源添加在面团中，以降低面团粘度，提高发酵率。目前，工业化的焙烤用酶被制备成可自由流动的与面粉颗粒大小相同的制剂，使用也很安全。它可改善面团的韧性、体积结构，并延长货架期。

真菌α-淀粉酶和糖化酶

蛋白酶及木聚糖酶

脂肪氧合酶

葡萄糖氧化酶

脂肪氧合酶

脂肪氧合酶是一种氧化还原酶，在氧气的参与下，将顺、顺-1，4-戊二烯单元的不饱和脂肪酸（如亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸）及酯氧化，反应产生具有氧化能力的H2O2，它能作用于食品中各种不同的组分。

在面条制作中添加脂肪氧合酶，能将面筋蛋白中的-SH氧化为-S-S-，增强面团的筋力，同时消除面粉中蛋白酶的激活因子-SH，防止面筋蛋白水解。另外，通过偶合反应破坏胡萝卜素的双键结构，从而使面粉增白。

葡萄糖氧化酶

葡萄糖氧化酶能消耗氧气催化葡萄糖氧化生成葡萄糖酸内酯，并释放出H2O2。可将面筋蛋白中的-SH氧化为-S-S-，有助于面筋蛋白之间形成较好的蛋白质网络结构。另外，它广泛应用于蛋白脱糖、食品除氧及葡萄糖定量分析等，也是迄今为止生物传感器领域最主要的工具酶。在食品工业上有去葡萄糖、脱氧、杀菌和测定葡萄糖含量等用途。

乳品工业用酶

酶在牛奶加工中的应用已有很长历史。古时代人们用小牛精制凝乳酶促进奶酪生产时牛奶蛋白凝集。今天，DNA重组技术使得小牛凝乳酶的基因克隆到微生物中，生产出价廉物美的粗制凝乳酶，只需对奶酪生产工艺作少许改动。

婴儿配方奶粉中加入蛋白酶，减少对牛乳的过敏反应。

啤酒生产流程

啤酒复合酶

啤酒复合酶：包括β-葡聚糖酶、

戊聚糖酶、中性蛋白酶和淀粉分解酶类

α-乙酰乳酸脱羧酶

作用与功效：

提高高浓糖化麦汁的过滤性能；

降低高浓糖化洗糟残糖，提高糖化室高浓糖化收得率；

对高浓稀释工艺有良好的辅助作用。

功能食品与酶

 化学反应条件苛刻，易产生不良副产物，且反应进程不易控制。酶的应用为食品加工提供了天然的解决方法。用酶水解蛋白质可提高食用蛋白质的功能性和营养性，并使一些食品加工，如去掉鱼卵表皮及肉类软化等工艺更加方便。

 肽和氨基酸是鲜味的来源，它们还可与食品中的其它成分如糖和脂肪相互作用形成特殊的口味。蛋白酶还可应用于乳制品，鱼肉产品、酵母及植物原料如大豆和小麦麸皮等蛋白原料的处理。

功能食品与酶

酶法生产低聚糖（低聚异麦芽糖、低聚果糖、低聚木糖等）、稀有糖

酶法生产生物活性肽

A、植物活性肽（玉米肽、大豆肽、大米肽、豌豆肽、花生肽）

B、动物活性肽（胶原肽、蛋清肽、畜血肽、酪蛋白磷酸肽、阿片肽，脑活素）

C、海洋生物活性肽

果汁加工

果胶酶用于果汁加工已有70多年历史，

用于果汁和果酒的澄清方面效果极佳。

（果胶酶包括果胶酯酶、聚甲基半乳糖醛酸/半乳糖醛酸水解酶，聚半乳糖醛酸/半乳糖醛酸裂解酶。）

果胶酶、纤维素酶等可以使皮渣几乎全部溶解，提高果汁产量。果胶酶、阿拉伯聚糖酶可防止浓缩汁的浑浊。

柚苷酶：用于分解柑桔类果肉和果汁中的柚皮苷，以脱除苦味；

橙皮苷酶：可使橙皮苷分解，能有效地防止柑桔类罐头制品出现白色浑浊；

葡萄酒酿造

葡萄果实中的酶活性很弱，不足以分解果胶类物质。酶制剂在果酒和葡萄汁的生产中可起到软化果皮、提取颜色、澄清果汁和帮助过滤等作用。酶还可以防止滤膜阻塞。

萜烯是酒香的重要组份，β-葡萄糖苷酶可用于水解萜类糖苷从而提高酒的香气。

含有淀粉葡萄糖酶和葡萄糖氧化酶的牙膏及漱口液可防止牙菌斑的形成，减少口臭。

添加溶菌酶、蛋白酶(FE 生物酶牙膏，雪豹日化)

超氧化物歧化酶SOD（蓝天六必治生物酶牙膏）

染发剂

漆酶是一种多酚氧化酶(p-diphenol oxidase EC 1.10.3.2)，在合适的介质中可完成生物染发的工作。这将使爱美人士不必再担心为美丽而付出受化学品毒害（对苯二胺）的代价。

利用N－乙酰基半胱氨酸作为还原剂和漆酶作为氧化剂的氧化染色方法（申请专利号：00804102.4）

用漆酶催化对苯二酚聚合形成的聚合物用来作染发剂是一种不使用过氧化氢的安全的染发方式，效果很好。

溶菌酶除去空调隐患

空调机的热交换管、过滤材料上往往积存大量的灰尘和水分，成为微生物滋生的温床，而装有中央空调系统的建筑物通常都是密闭不通风的，从而造成室内空气的恶化。

酶杀菌技术就是将从生物体中提取的溶菌酶固定在空调过滤器的材料上，溶菌酶通过溶解细菌的细胞壁，使之死亡。

目前日本许多医院、制药厂、食品厂的手术室、无菌室等都采用了这项技术。

造纸和制浆工业用酶

 减少污染 半纤维素酶的处理可洗去半纤维素类物质，有效地对木质素进行漂白。木聚糖酶是这种有助于减少氯及无氯的漂白工艺的主要手段。

分解树脂 粘在抄纸机的滚轴上，引起造纸机械方面的问题。轻则形成纸张瑕疵，重则造成停机。如在匀浆机中加入脂肪酶搅动纸浆，则可有效减少此类问题。

再生纸利用 在回收的办公室混合废纸脱墨工艺中使用纤维素酶，可生产出颜色浅亮的高清洁度纸浆，并改善白水循环的操作。

改善纸质 用α-淀粉酶处理所得到的低粘度淀粉可用于纸张涂层，改善纸的光泽、滑度及印刷特性。

改善环境问题

环境监测——乳酸脱氢酶的同工酶监测重金属污染、利用β-葡聚糖苷酸酶监测大肠杆菌污染

废水处理——淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、酚氧化酶等

污染物的降解——各种专一性酶

饲料工业用酶

β-葡聚糖酶、木聚糖酶，能消除饲料中的β-葡聚糖、戊聚糖等抗营养因子，提高饲料的利用率。

蛋白酶、淀粉酶，用于补充动物内源酶的不足。

以纤维素酶、果胶酶主要作用是破坏植物细胞壁，使细胞中的营养物质释放出来，增加饲料的营养价值，并能降低胃肠道内容物的黏稠度，促进动物消化吸收。

以纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶、糖化酶、葡聚糖酶、果胶酶为主的饲用复合酶，它综合以上各酶系的共同作用，具有更强的助消化作用。

甘露聚糖是豆科植物细胞壁的主要组成成分，也存在于许多种子的胚乳细胞壁中。β-甘露聚糖酶可较有效的提高玉米-豆粕型日粮的饲用价值，促进动物的生长性能。

饲料工业用重要酶种——植酸酶