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1、第第 三三 章章 酶工程及其在食品工业中酶工程及其在食品工业中的应用的应用酶的概念酶的概念目前将生物催化剂分为两类目前将生物催化剂分为两类酶酶 、核酶（脱氧核酶）核酶（脱氧核酶）n酶是一类由活细胞产生的，酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物对其特异底物具有高效催化作用的具有高效催化作用的蛋白质。蛋白质。酶学研究简史酶学研究简史公元前两千多年，我国已有酿酒记载。公元前两千多年，我国已有酿酒记载。一一百百余余年年前前，Pasteur认认为为发发酵酵是是酵酵母母细细胞胞生生命命活活动动的的结果。结果。1877年，年，Kuhne首次提出首次提出Enzyme一词。一词。1897年年，Buchner兄兄弟
2、弟用用不不含含细细胞胞的的酵酵母母提提取取液液，实实现现了发酵。了发酵。1926年，年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。1982年年，Cech首首次次发发现现RNA也也具具有有酶酶的的催催化化活活性性，提提出出核酶核酶(ribozyme)的概念。的概念。1995年年，JackW.Szostak研研究究室室首首先先报报道道了了具具有有DNA连连接酶活性接酶活性DNA片段，称为片段，称为脱氧核酶脱氧核酶(deoxyribozyme)。酶与生命活动密切相关酶与生命活动密切相关n所有生命活动或过程都需要酶的参与所有生命活动或过程都需要酶的参与（1 1）执行具体生理机
3、能）执行具体生理机能（2 2）降解大分子）降解大分子（3 3）协同激素起信号转化、传递、放大作用）协同激素起信号转化、传递、放大作用（4 4）催化代谢反应）催化代谢反应n酶酶的的组组成成和和分分布布是是生生物物进进化化与与组组织织功功能能分分化化的的基础基础n在在生生物物进进化化过过程程中中形形成成了了从从酶酶的的合合成成到到酶酶的的结结构和活性各种水平的调节机构。构和活性各种水平的调节机构。第一部分第一部分酶的分子结构与功能酶的分子结构与功能TheMolecularStructureandFunctionofEnzyme（一）结构组成（一）结构组成仅含氨基酸组分仅含氨基酸组分的酶称为的酶称为
4、单纯酶单纯酶有些酶其分子结构仅由氨基酸组成，没有辅有些酶其分子结构仅由氨基酸组成，没有辅助因子。这类酶称为助因子。这类酶称为单纯酶单纯酶（simpleenzyme）。）。如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖如脲酶、一些蛋白酶、淀粉酶、酯酶和核糖核酸酶等。核酸酶等。一、一、酶的分子组成酶的分子组成（二）结构组成中既含氨基酸组分又含非氨（二）结构组成中既含氨基酸组分又含非氨基酸组分的酶称为基酸组分的酶称为结合酶结合酶结合酶结合酶（conjugatedenzyme）是除了在其组）是除了在其组成中含有由氨基酸组成的蛋白质部分外，还含有成中含有由氨基酸组成的蛋白质部分外，还含有非蛋白质部分非蛋白质部分
5、 蛋白质部分：酶蛋白蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)辅助因子辅助因子(cofactor)金属离子金属离子小分子有机化合物小分子有机化合物全酶全酶(holoenzyme)决定反应的特异性及其催化机制决定反应的特异性及其催化机制 决定反应的性决定反应的性质和反应类型质和反应类型 辅助因子分类辅助因子分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）（按其与酶蛋白结合的紧密程度）辅酶辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合与酶蛋白结合疏松，可用疏松，可用透析或超滤的透析或超滤的方法除去。方法除去。辅基辅基(prostheticgroup):与酶蛋白结合与酶蛋白结合紧密，不能用紧密，不能用透析或超透析或超滤的方
6、法除去滤的方法除去。二、酶的活性中心二、酶的活性中心必需基团必需基团(essentialgroup)酶分子中氨基酸残酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关一些与酶活性密切相关的化学基团。的化学基团。常见的必需基团常见的必需基团 Ser-OHSer-OHHis-His-咪唑基咪唑基Cys-SHCys-SHAspAsp、Glu-COOHGlu-COOH 或称活性部位或称活性部位(activesite)，指指必需基必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物间结构的区域，能与底物特异结合
7、并将底物转化为产物。转化为产物。酶的活性中心酶的活性中心(activecenter)活性中心内的必需基团活性中心内的必需基团结合基团结合基团(bindinggroup)与底物相结合与底物相结合与底物相结合与底物相结合催化基团催化基团(catalyticgroup)催化底物转变成产物催化底物转变成产物 位于活性中心以外，维持酶活性中心应有位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。的空间构象所必需。活性中心外的必需基团活性中心外的必需基团底底物物活性中心以外活性中心以外的必需基团的必需基团结合基团结合基团催化基团催化基团活性中心活性中心酶的催化特性酶的催化特性1 1、与一般催化剂的共性
8、、与一般催化剂的共性2 2、作为生物催化剂的特性、作为生物催化剂的特性 1 1、与一般催化剂的共性、与一般催化剂的共性（1）用量少；效率高；反应前后质和量不变）用量少；效率高；反应前后质和量不变（2）加速化学反应的速度，不改变反应的平衡）加速化学反应的速度，不改变反应的平衡点点(3)(3)不不能够触发热力学上不能进行的反应。能够触发热力学上不能进行的反应。（4）催催化化可可逆逆反反应应的的酶酶对对正正反反应应、逆逆反反应应都都有有催化作用催化作用（5）降低反应的活化能。）降低反应的活化能。（一）（一）高度的催化效率高度的催化效率（二）高度的特异性（二）高度的特异性（三）（三）可调节性可调节性2
9、 2、作为生物催化剂的特性作为生物催化剂的特性二酶的分类：二酶的分类：1氧化还原酶2转移酶3水解酶4裂合酶5异构酶6连接酶（合成酶）7核酸酶（催化核酸）1氧化还原酶(Oxidoreductase)包括脱氢酶(Dehydrogenase)、氧化酶(Oxidase)、过氧化物酶、氧合酶、细胞色素氧化酶等2转移酶(Transferase)包括酮醛基转移酶、酰基转移酶、糖苷基转包括酮醛基转移酶、酰基转移酶、糖苷基转移酶、含氮基转移酶等移酶、含氮基转移酶等3水解酶(Hydrolase)脂肪酶、糖苷酶、肽酶等，水解酶一般不需辅酶4裂合酶(Lyase)这类酶可脱去底物上某一基团留下双键，或可相反地在双键处加
10、入某一基团。5异构酶(Isomerase)此类酶为生物代谢需要对某些物质进行分子异构化，分别进行外消旋、差向异构、顺反异构等6连接酶（合成酶）这类酶关系很多生命物质的合成，其特点是需要这类酶关系很多生命物质的合成，其特点是需要三磷酸腺苷等高能磷酸酯作为结合能源，有的还三磷酸腺苷等高能磷酸酯作为结合能源，有的还需金属离子辅助因子。分别形成需金属离子辅助因子。分别形成C-OC-O键（与蛋白键（与蛋白质合成有关）、质合成有关）、C-SC-S键（与脂肪酸合成有关）、键（与脂肪酸合成有关）、C-CC-C键和磷酸酯键。键和磷酸酯键。7.核酸酶（催化核酸）核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的核酸酶是唯一的
11、非蛋白酶。它是一类特殊的RNARNA，能够催化能够催化RNARNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。酶用于生物催化的概况类别占占总酶比例比例%利用率利用率%水解水解酶 hydrolases2665氧化氧化还原原酶oxidoreductases2725转移移酶 transferases245裂合裂合酶 lyases125异构异构酶 isomerases51连接接酶 ligases61酶与底物的结合模型a 锁和钥匙模型b 诱导锲合模型 2 关于酶与底物分子结合的假说（1）.中间络合物学说：底物先与酶结合成不稳定的中间络合物，然后再分解释放出酶与底物证实：H2O2+
12、过氧化物酶过氧化物酶（H2O2过氧化物过氧化物酶）酶）（褐色）褐色）（红色）红色）645587548498nm561550nm（H2O2过氧化物酶）过氧化物酶）+AH2过氧化物酶过氧化物酶+A+2H2O（红色）红色）（褐褐色）色）（2）锁钥匙学说：）锁钥匙学说：1890年年Fisher提出。提出。该学说认为酶的天然构象是刚性的，如果底物分子结构上存在着微小的差别，就不能契入酶分子中，从而不能被酶催化。（3）诱导契合假说）诱导契合假说:Koshland提出提出 当酶分子与底物接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，其构象发生了有利于底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补楔合，进行反应。第二部分第二部分
13、酶工程概述酶工程概述一、酶工程的概念一、酶工程的概念 酶工程酶工程:酶的大批量生产以及利用酶的催化作用酶的大批量生产以及利用酶的催化作用,借助工借助工程技术手段进行物质转化程技术手段进行物质转化,生产人们所需要产品的技术。生产人们所需要产品的技术。酶工程与发酵工程、基因工程、细胞工程的关系酶工程与发酵工程、基因工程、细胞工程的关系 二、酶工程的内容二、酶工程的内容 根据酶工程研究和解决问题的手段不同，将酶工程分根据酶工程研究和解决问题的手段不同，将酶工程分为为化学酶工程和生物酶工程化学酶工程和生物酶工程。（一）（一）化学酶工程化学酶工程亦称初级酶工程，亦称初级酶工程，指自然酶、化学修饰酶、固定
14、化酶及化学人工酶的指自然酶、化学修饰酶、固定化酶及化学人工酶的研究和应用。研究和应用。（二）生物酶工程（二）生物酶工程 生物酶工程主要包括三个方面：生物酶工程主要包括三个方面：一是用基因工程技术大量生产酶是用基因工程技术大量生产酶(克隆酶克隆酶)，二是修饰酶基因产生遗传修饰酶二是修饰酶基因产生遗传修饰酶(突变酶突变酶)，三是设计新酶基因，合成自然界不曾有的酶三是设计新酶基因，合成自然界不曾有的酶(新酶新酶)当前酶工程的主要任务是：当前酶工程的主要任务是：研制分解纤维素和木质素的酶、使低分子有机物聚研制分解纤维素和木质素的酶、使低分子有机物聚合的酶、检测用酶、能分解有毒物质的酶及废物综合合的酶、
15、检测用酶、能分解有毒物质的酶及废物综合利用酶。利用酶。利用基因工程技术开发新酶品种和提高酶产量。利用基因工程技术开发新酶品种和提高酶产量。固定化酶和细胞、固定化多酶体系及辅因子再生体固定化酶和细胞、固定化多酶体系及辅因子再生体系，特定生物反应的研究和应用。系，特定生物反应的研究和应用。用微生物和动植物组织研究生物传感器。用微生物和动植物组织研究生物传感器。非水系统的反应技术，酶分子的修饰与改造以及酶非水系统的反应技术，酶分子的修饰与改造以及酶型高效催化剂的人工合成研究。型高效催化剂的人工合成研究。第三部分第三部分 食品酶的生产与分离纯化食品酶的生产与分离纯化 一、酶的生产一、酶的生产 获得酶制
16、剂的方法有获得酶制剂的方法有:化学合成化学合成从生物体内直接提取分离从生物体内直接提取分离 目前酶的生产主要以微生物为原料。目前酶的生产主要以微生物为原料。（一）对酶生产菌的要求（一）对酶生产菌的要求 1 1、不能是致病菌。、不能是致病菌。可用于食品的有枯草芽孢杆菌、黑曲霉、米曲霉、啤酒酵可用于食品的有枯草芽孢杆菌、黑曲霉、米曲霉、啤酒酵母等母等 2 2、不易退化，不易感染噬菌体。、不易退化，不易感染噬菌体。3 3、产酶量高，而且最好产生胞外酶。、产酶量高，而且最好产生胞外酶。4 4、能利用廉价的原料，发酵周期短，易培养。、能利用廉价的原料，发酵周期短，易培养。生产菌种的获得生产菌种的获得:除了从菌种保存机构和有关部门获得除了从菌种保存机构和有关部门获得外，一般都有要通过筛选得到。外，一般都有要通过筛选得到。筛选包括：菌样采集、筛选包括：菌样采集、菌种分离、纯化和生产性能检定。菌种分离、纯化和生产性能检定。（三）（三）提高酶产量的方法提高酶产量的方法 在正常情况下，酶产量受其合成调节机制的调控，在正常情况下，酶产量受其合成调节机制的调控，因此要提高酶产量就必须因此要提高酶产量就必须打破
