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1、酶的产生和在生活中的重要用途Enzyme production and important purpose in life 食品系 Department of Food Science 生物工程（一）班 Bioengineering (a) classes 姓名Name：黄伟Huang Wei 学号 Student ID：15 指导老师Guidance teacher 王娣 【摘要】Abstract：酶的生产和应用的技术过程称为酶工程。其主要任务是通过预先设计,经人工操作而获得大量所需的酶,并利用各种方法使酶发挥其最大的催化功能。本文意在阐述近年来酶工程在分子水平的研究进展,展示酶工程在医药、
2、农业、食品、环境保护等领域的应用进展,并对其未来前景进行了展望。(Enzyme production and application of the process is called enzyme engineering. Its main task is to get a large number of enzymes required for the pre-designed manual and the enzyme using a variety of methods to maximize its catalytic function. This article is intende
3、d to elaborate enzyme engineering in recent years, the research progress in the molecular level, to show the progress of the enzyme works in the fields of medicine, agriculture, food, environmental protection, and its future prospects.)【关键词】Keyword: 生物催化剂Biocatalyst、固定化酶 immobilized enzyme、酶促反应the e
4、nzymatic reaction、酶反应器、enzyme reaction底物the substrate、酶的应用the application of the enzyme、能源开发energy development目录： 1.1 酶的简介 1.2 酶的固定 1.2.1 固定化 1.2.2 固定化酶的定义 1.3 固定化酶的特点及不足 1.4 固定化的方法 1.5 固定化酶的作用 2.1 固定化酶反应器 2.1.1 酶反应器 2.1.2 酶反应器的分类 2.1.3 酶反应器的选择 3.1 酶工程的应用 3.1.1 酶工程在食品、化工、医药、检测 的应用 3.1.2 酶工程在科研领域的用途
5、4.1 酶工程的前景1.1 酶的简介酶（enzyme）, 早期是指in yeast 在酵母中的意思, 指由生物体内活细胞产生的一种生物催化剂。大多数由蛋白质组成（少数为RNA）。能在机体中十分温和的条件下，高效率地催化各种生物化学反应，促进生物体的新陈代谢。生命活动中的消化、吸收、呼吸、运动和生殖都是酶促反应过程。 酶是细胞赖以生存的基础。细胞新陈代谢包括的所有化学反应几乎都是在酶的催化下进行的。如哺乳动物的细胞就含有几千种酶。它们或是溶解于细胞液中，或是与各种膜结构结合在一起，或是位于细胞内其他结构的特定位置上。这些酶统称胞内酶；另外，还有一些在细胞内合成后再分泌至细胞外的酶胞外酶。 1.2
6、 酶的固定化(immobilized enzyme) 1.2.1 固定化 固定化:英文名immobilized; immobilization; 所谓固定化是指用物理或化学方法使酶成为不溶性衍生物或使细胞成为不易从载体上流失的形式制成生物反应器用以催化生化反应、细胞数量的增殖等。 它包括固定化酶技术和固定化细胞技术。固定化细胞载体主要可分为两大类, 一类是无机载体, 如硅藻土、活性炭等;另一类是有机载体, 又可分为两种, 一种为天然高分子凝胶载体, 如琼脂、角叉莱胶和海藻酸钙等, 它们无生物毒性, 传质性好, 但强度低, 在厌氧条件下易被生物分解。另一种是有机合成高分子凝胶载体, 如聚丙烯酰铵
7、(ACRM) 凝胶、聚乙烯醇( PVA) 凝胶等, 一般强度较好, 但传质性能较差, 包埋后对细胞活性有影响。1.2.2 固定化酶的定义 水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水的但仍具有酶活性的一种酶的衍生物。在催化反应中以固相状态作用于物。 酶本身还是溶于水的，只是是用物理的或化学的方法使酶与水不溶性大分子载体结合或把酶包埋在其中，使得酶在水中溶性 凝胶或半透膜的微囊体从而导致流动性降低。酶固定化后一般稳定性增加，易从反应系统中分离，且易于控制，能反复多次使用。便于运输和贮存，有利于自动化生产，但是活性降低，使用范围减小，技术还有发展空间。固定化酶是近十余年发展起来的酶应用技术，在工业
8、生产、化学分析和医药等方面有诱人的应用前景。1.3 固定化酶的特点及不足固定化酶的特点固定化酶的最大特点是既有生物催化剂的特点，又具有固定催化剂的特性。与天然酶相比，固定化酶具有以下优点：（1）同一批固定化酶能在工艺流程中重复多次地使用； （2）固定化后，和反应物分开，有利于控制生产过程，同时也省去了热处 理使酶失活的步骤； （3）稳定性显著提高； （4）可长期使用，并可预测衰变的速度； （5）提供了研究酶动力学的良好模型。 固定化酶的不足但是，固定化酶也带来了一些问题和缺点，具体如下：1、固定化酶所用载体与试剂较贵、成本高、工厂投资大，加上固定化过程中酶活力有损失，即酶活力回收率低，更增加了
9、工业化生产的投资困难。如果用胞内酶进行固定化，还要增加酶的分离成本。固定化酶在长期使用后，因染杂菌，酶的渗漏，载体降解以及其它错误操作，也会致使酶失活。 2、固定化酶一般只适用于水溶性的小分子底物；大分子底物常受载体阻拦，不易接触酶，致使催化活力难以发挥。 3、目前固定化酶尚限于单级反应，多酶反应，特别是需要辅因子的固定化酶技术，还有待开发。1.4 固定化的方法自20世纪60年代以来，人们就一直对酶的固定化技术进行研究和改进，开发和应用了上百种固定化方法进行酶的固定化，但迄今为止，还没有一种固定化方法可以普遍地使用于各种各样固定化方法，但按所用载体和操作方法的差异，主要有以下四类： 1 吸附法
10、 :利用各种吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面上而使酶固定的方法。 常用吸附剂有活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃等。 采用吸附法固定酶，其操作简便、条件温和，不会引起酶边形或失活，且载体廉价易得，可反复使用。 2包埋法 :酶被裹在凝胶的细格子中或被半透性的聚合物膜包围而成为格子型和微胶囊型两种。优点酶包埋在聚合物中不易漏出;操作条件温和、对外界环境的缓冲作用大，可防止酶体的机械损伤,易于再生,产物分离提取容易。 3共价结合法 (属化学法中的结合法)即酶蛋白的非必需基团通过共价键和载体形成不可逆的连接。共价结合法酶与载体之间结合紧密，不易脱落，稳定性好，但反应条件激烈，操作复杂，控制条件
11、苛刻，活力损失较大 4交联法 依靠双功能团试剂使酶分子之间发生交联凝集成网状结构，使之不溶于水从而形成固定化酶，此法制备的细胞与载体结合紧密，但制备麻烦，活力损失较大。【1】四种固定化酶制备方法的特点小结: 制法 特性物理吸附包埋法共价结合法共价交联法制备易易难难结合力弱强强强酶活力高高中中底物专一性无变化无变化有变化有变化再生可能不可能不可能不可能固定化费用低中高中1.5 固定化酶的作用固定化酶的研究始于1910年,正式研究于20世纪60年代,70年代已在全世界普遍开展。酶的固定化(Immobilization of enzymes)是用固体材料将酶束缚或限制于一定区域内,仍能进行其特有的催
12、化反应、并可回收及重复利用的一类技术。与游离酶相比,固定化酶在保持其高效专一及温和的酶催化反应特性的同时,又克服了游离酶的不足之处,呈现贮存稳定性高、分离回收容易、可多次重复使用、操作连续可控、工艺简便等一系列优点。固定化酶不仅在化学、生物学及生物工程、医学及生命科学等学科领域的研究异常活跃,得到迅速发展和广泛的应用,而且因为具有节省资源与能源、减少或防治污染的生态环境效应而符合可持续发展的战略要求。2.1 固定化酶反应器2.1.1 酶反应器由于固定化技术的发展，使酶可以和一般催化剂一样反复作用。同时，固定化细胞可以代替某些发酵过程。这样，酶反应器技术应运而生。酶反应器是根据酶的催化特性而设计
13、的反应设备。其设计的目标就是生产效率高、成本低、耗能少、污染少，以获得最好的经济效益和社会效益。 2.1.2 酶反应器的分类酶反应器有两种类型：一类是直接应用游离酶进行反应，即均相酶反应器；另一类是应用固定化酶进行的非均相酶反应器。酶反应器的种类很多，大致可根据催化剂的形状来选用。粒状催化剂可采用搅拌罐、固定化床和鼓泡塔式反应器，而细小颗粒的催化剂则宜选用流化床。对于膜状催化剂，则可考虑采用螺旋式、转盘式、平板式、空心管人膜反应器。 2.1.3 酶反应器的选择 (一) 酶的应用形式1 游离酶：回收困难，除了BSTR外，其他反应器不适用。连续搅拌罐式反应器超滤反应器2. 固定化酶颗粒状或片状CSTR、PBR膜状和纤维状PBR小颗粒状FBR(二) 底物的物理性质底物 1. 溶解性物质任何类型反应器 2. 胶粒物质和颗粒物质CSTR、PBR和RCR（三） 反应操作要求 1若酶受高浓度底物抑制、需要不断调整pH搅拌罐型反应器 2. 反应耗氧鼓泡塔型反
