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1、酶工程概述酶工程概述1酶的生产与分离纯化酶的生产与分离纯化2 酶反应器和酶传感器酶反应器和酶传感器5第五章 酶工程 化学修饰酶与化学人工酶化学修饰酶与化学人工酶3固定化酶固定化酶4第1页/共106页第一节 酶工程的概述酶工程（enzyme engineering)又称酶技术，是指利用酶催化的作用，在一定的生物反应器中，将相应的原料转化又称酶技术，是指利用酶催化的作用，在一定的生物反应器中，将相应的原料转化成所需要的产品的过程，它是酶学理论与化学技术相结合而形成的一门新技术。成所需要的产品的过程，它是酶学理论与化学技术相结合而形成的一门新技术。酶工程是生物工程的重要组成部分，它与基因工程、细胞工
2、程、发酵工程相互依存、酶工程是生物工程的重要组成部分，它与基因工程、细胞工程、发酵工程相互依存、相互促进，它们在生物工程的研究、开发和产业化过程中要靠彼此合作来实现。相互促进，它们在生物工程的研究、开发和产业化过程中要靠彼此合作来实现。第2页/共106页酶工程与发酵工程、基因工程、细胞工程的关系酶工程与发酵工程、基因工程、细胞工程的关系基因工程基因工程菌发酵工程酶酶工程细胞工程酶转基因动物转基因植物菌体细胞固定化菌体细胞细胞第3页/共106页 一、酶工程的内容 1.1.酶工程的分类：酶工程的分类：（1 1）化学酶工程化学酶工程：自然酶、化学修饰酶、固定化酶、化学人工酶的研究和应用。：自然酶、化
3、学修饰酶、固定化酶、化学人工酶的研究和应用。（2 2）生物工程酶生物工程酶：用基因工程技术大量生产酶（克隆酶）；用基因工程技术大量生产酶（克隆酶）；修饰酶基因产生遗传修饰酶（突变酶）；修饰酶基因产生遗传修饰酶（突变酶）；设计新酶基因，合成自然界不曾有的酶（新酶）。设计新酶基因，合成自然界不曾有的酶（新酶）。第4页/共106页2.酶工程的内容（1）酶的产生 酶制剂的来源，有微生物、动物和植物，但是，主要的来源是微生物。由于微生物酶制剂的来源，有微生物、动物和植物，但是，主要的来源是微生物。由于微生物比动植物具有更多的优点，因此，一般选用优良的产酶菌株，通过发酵来产生酶。比动植物具有更多的优点，因
4、此，一般选用优良的产酶菌株，通过发酵来产生酶。为了提高发酵液中的酶浓度，选育优良菌株、研制基因工程菌、优化发酵条件。工为了提高发酵液中的酶浓度，选育优良菌株、研制基因工程菌、优化发酵条件。工业生产需要特殊性能的新型酶，如耐高温的业生产需要特殊性能的新型酶，如耐高温的淀粉酶、耐碱性的蛋白酶和脂肪酶淀粉酶、耐碱性的蛋白酶和脂肪酶等，因此，需要研究、开发生产特殊性能新型酶的菌株。等，因此，需要研究、开发生产特殊性能新型酶的菌株。第5页/共106页（2）酶的制备 u 酶的分离提纯技术是当前生物技术酶的分离提纯技术是当前生物技术“后处理工艺后处理工艺”的核心。采用各种分离提纯技术，从微生物细胞及其发的核
5、心。采用各种分离提纯技术，从微生物细胞及其发酵液，或动、植物细胞及其培养液中分离提纯酶，制成高活性的不同纯度的酶制剂，为了使酶制剂更广泛酵液，或动、植物细胞及其培养液中分离提纯酶，制成高活性的不同纯度的酶制剂，为了使酶制剂更广泛地应用于国民经济各个方面，必须提高酶制剂的活性、纯度和收率，需要研究新的分离提纯技术。地应用于国民经济各个方面，必须提高酶制剂的活性、纯度和收率，需要研究新的分离提纯技术。第6页/共106页（3）酶和细胞固定化 u酶和细胞固定化研究是酶工程的中心任务。为了提高酶的稳定酶和细胞固定化研究是酶工程的中心任务。为了提高酶的稳定性，重复使用酶制剂，扩大酶制剂的应用范围，采用各种
6、固定性，重复使用酶制剂，扩大酶制剂的应用范围，采用各种固定化方法对酶进行固定化，制备了固定化酶，如固定化葡萄糖异化方法对酶进行固定化，制备了固定化酶，如固定化葡萄糖异构酶、固定化氨基酰化酶等，测定固定化酶的各种性质，并对构酶、固定化氨基酰化酶等，测定固定化酶的各种性质，并对固定化酶作各方面的应用与开发研究。目前固定化酶仍具有强固定化酶作各方面的应用与开发研究。目前固定化酶仍具有强大的生命力。它受到生物化学、化学工程、微生物、高分子、大的生命力。它受到生物化学、化学工程、微生物、高分子、医学等各领域的高度重视。医学等各领域的高度重视。第7页/共106页（3）酶和细胞固定化固定化细胞是在固定化酶的
7、基础发发展起来的。固定化细胞是在固定化酶的基础发发展起来的。用各种固定化方法对微生物细胞、动物细胞和植用各种固定化方法对微生物细胞、动物细胞和植物细胞进行固定化，制成各种固定化生物细胞物细胞进行固定化，制成各种固定化生物细胞.研研究固定化细胞的酶学性质，特别是动力学性质，究固定化细胞的酶学性质，特别是动力学性质，研究与开发固定化细胞在各方面的应用，是当今研究与开发固定化细胞在各方面的应用，是当今酶工程的一个热门课题。酶工程的一个热门课题。固定化技术是酶技术现代化的一个重要里程碑，固定化技术是酶技术现代化的一个重要里程碑，是克服天然酶在工业应用方面的不足之处，而又是克服天然酶在工业应用方面的不足
8、之处，而又发挥酶反应特点的突破性技术。可以说没有固定发挥酶反应特点的突破性技术。可以说没有固定化技术的开发，就没有现代的酶技术。化技术的开发，就没有现代的酶技术。第8页/共106页（4）酶分子改造 又称为酶分子修饰。为了提高酶的稳定性，降低抗原性，延长药用菌在机体内的半衰期，采用各种修饰方又称为酶分子修饰。为了提高酶的稳定性，降低抗原性，延长药用菌在机体内的半衰期，采用各种修饰方法对酶分子结构进行改造，以便创造出天然酶所不具备的某些优良特性法对酶分子结构进行改造，以便创造出天然酶所不具备的某些优良特性(如较高的稳定性、无抗原性、抗蛋如较高的稳定性、无抗原性、抗蛋白酶水解等白酶水解等)，甚至于创
9、造出新的酶活性，扩大酶的应用，从而提高酶的应用价值，达到较大的经济效益和，甚至于创造出新的酶活性，扩大酶的应用，从而提高酶的应用价值，达到较大的经济效益和社会效益。社会效益。第9页/共106页（4）酶分子改造 酶分子改造可以从两个方面进行：酶分子改造可以从两个方面进行：(1)(1)用蛋白质工程技术对酶分子结构基因进行改造，期望获得一级结构和空间结构较用蛋白质工程技术对酶分子结构基因进行改造，期望获得一级结构和空间结构较为合理的具有优良特性、高活性的新酶为合理的具有优良特性、高活性的新酶(突变酶突变酶)。(2)(2)用化学法或酶法改造酶蛋白的一级结构，或者用化学修饰法对酶分子中侧链基团用化学法或
10、酶法改造酶蛋白的一级结构，或者用化学修饰法对酶分子中侧链基团进行化学修饰以便改变酶学性质。这类酶在酶学基础研究上和医药上特别有用。进行化学修饰以便改变酶学性质。这类酶在酶学基础研究上和医药上特别有用。第10页/共106页（5）有机介质中的酶反应 由于酶在有机介质中的催化反应具有许多优点。因此，近年来，酶在有机介质中催化反应的研究，已受到由于酶在有机介质中的催化反应具有许多优点。因此，近年来，酶在有机介质中催化反应的研究，已受到不少人的重视，成为酶工程中一个新的发展方向。酶在有机介质中要呈现很高的活性，必须具备哪些条件不少人的重视，成为酶工程中一个新的发展方向。酶在有机介质中要呈现很高的活性，必
11、须具备哪些条件?有机介质对酶的性质有哪些影响有机介质对酶的性质有哪些影响?如何影响如何影响?近年来，对这些问题的研究，已取得重要进展。近年来，对这些问题的研究，已取得重要进展。第11页/共106页（6）酶传感器 又称为酶电极。酶电极是由感受器又称为酶电极。酶电极是由感受器(如固定化酶如固定化酶)和换能器和换能器(如离子选择性电极如离子选择性电极)所组成的一种分析装置，用所组成的一种分析装置，用于测定混合物溶液中某种物质的浓度，其研究内容包括：酶电极的种类、结构与原理；酶电极的制备、性于测定混合物溶液中某种物质的浓度，其研究内容包括：酶电极的种类、结构与原理；酶电极的制备、性质及应用。质及应用。
12、第12页/共106页（7）酶反应器酶反应器是完成酶促反应的装置。其研究内容包括：酶反应器的类型及特性；酶反酶反应器是完成酶促反应的装置。其研究内容包括：酶反应器的类型及特性；酶反应器的设计、制造及选择等。应器的设计、制造及选择等。第13页/共106页（8）抗体酶、人工酶和模拟酶 抗体酶抗体酶是一类具有催化活性的抗体。是抗体的高度专一性与酶的高效催化是一类具有催化活性的抗体。是抗体的高度专一性与酶的高效催化能力二者巧妙结合的产物。其研究内容是：抗体酶的制备、结构、特性、能力二者巧妙结合的产物。其研究内容是：抗体酶的制备、结构、特性、作用机理、催化反应类型、应用等。作用机理、催化反应类型、应用等。
13、人工酶人工酶是用人工合成的具有催化活性的多肽或蛋白质。据是用人工合成的具有催化活性的多肽或蛋白质。据1977年年Dhar等等人报道，人工合成的人报道，人工合成的GluPheAlaGluGluAlaSerPhe八八肽具有溶菌酶的活性。其活性为天然溶菌酶的肽具有溶菌酶的活性。其活性为天然溶菌酶的50%。利用有机化学合成的方法合成了利用有机化学合成的方法合成了 些比酶结构简单得多的具有催化功能些比酶结构简单得多的具有催化功能的非蛋白质分子。这些物质分子可以模拟酶对底物的结合和催化过程。既的非蛋白质分子。这些物质分子可以模拟酶对底物的结合和催化过程。既可以达到酶催化的高效率，又能够克服酶的不稳定性。这
14、样的物质称为可以达到酶催化的高效率，又能够克服酶的不稳定性。这样的物质称为模模拟酶拟酶。用环糊精已成功地模拟了胰凝乳蛋白酶等多种酶。用环糊精已成功地模拟了胰凝乳蛋白酶等多种酶。第14页/共106页（9）酶技术的应用u在医学、食品、发酵、纺织、制革、化学分析、氨基酸合成、在医学、食品、发酵、纺织、制革、化学分析、氨基酸合成、有机酸合成、半合成抗生素合成、能源开发以及环境工程等方有机酸合成、半合成抗生素合成、能源开发以及环境工程等方面的应用都很广泛。面的应用都很广泛。运用酶技术生产有重要价值的产品。运用酶技术生产有重要价值的产品。利用酶制剂改进生产工艺，提高产品质量和产率，降低生产利用酶制剂改进生
15、产工艺，提高产品质量和产率，降低生产成本。成本。第15页/共106页二、酶工程的意义、发展及展望1.酶工程的研究意义一切生物的生命活动都是由新陈代谢的正常运转来维持的，一切生物的生命活动都是由新陈代谢的正常运转来维持的，而代谢中的各种化学反应是由各种酶的催化来实现的。没而代谢中的各种化学反应是由各种酶的催化来实现的。没有酶，代谢就会停止，生命亦就停止。个别酶的缺乏或者有酶，代谢就会停止，生命亦就停止。个别酶的缺乏或者酶活性受到抑制酶活性受到抑制 就会使代谢受阻或紊乱，从而引起疾病。就会使代谢受阻或紊乱，从而引起疾病。因此，研究酶的结构与功能以及动力学，对于阐明生命的因此，研究酶的结构与功能以及
16、动力学，对于阐明生命的本质和活动规律，对于阐明发病机理以及诊断治疗，具有本质和活动规律，对于阐明发病机理以及诊断治疗，具有极其重要的作用。极其重要的作用。由于酶是生物催化剂，与化学催化剂相比既有共性，又由于酶是生物催化剂，与化学催化剂相比既有共性，又有个性。因此，对酶的研究成果必然能充实，发展催化剂有个性。因此，对酶的研究成果必然能充实，发展催化剂理论，而且，还能为催化剂设计、药物设计、疾病的诊断理论，而且，还能为催化剂设计、药物设计、疾病的诊断治疗，提供重要的依据和新思想、新概念。治疗，提供重要的依据和新思想、新概念。第16页/共106页1.酶工程的研究意义有些酶是蛋白质和核酸一级结构测定和
17、基因工程有些酶是蛋白质和核酸一级结构测定和基因工程研究的重要工具。例如：胰蛋白酶羧肽酶，脂肪研究的重要工具。例如：胰蛋白酶羧肽酶，脂肪酶等作为测定蛋白质一级结构的工具酶；限制性酶等作为测定蛋白质一级结构的工具酶；限制性内切酶、内切酶、T7DNAT7DNA聚合酶、核糖核酸酶、核酸酶等作聚合酶、核糖核酸酶、核酸酶等作为测定核酸一圾结构的工具酶：限制性内切酶、为测定核酸一圾结构的工具酶：限制性内切酶、DNADNA连接酶，连接酶，TaqDNATaqDNA聚合酶等作为基因工程的工具聚合酶等作为基因工程的工具酶。由此可见，工具酶是研究分子生物学的重要酶。由此可见，工具酶是研究分子生物学的重要手段之一。它在
18、一定程度上推动了分子生物学的手段之一。它在一定程度上推动了分子生物学的发展。发展。酶技术在工农业生产上已有日益广泛的应用，产酶技术在工农业生产上已有日益广泛的应用，产生了较大的经济效益和社会效益。生了较大的经济效益和社会效益。第17页/共106页2.酶工程的研究进展 两个方向：酶的应用研究、酶技术研究；酶的理论研究。（1 1）酶的应用研究进展）酶的应用研究进展19261926年，索姆奈年，索姆奈(Sumner)(Sumner)首次从刀豆中制备出脲酶结晶，首次从刀豆中制备出脲酶结晶，并提出，酶是具有催化能力的蛋白质。从此以后人们开并提出，酶是具有催化能力的蛋白质。从此以后人们开展了各种酶的分离提
19、纯的研究，制备了各种不同规格的酶展了各种酶的分离提纯的研究，制备了各种不同规格的酶制剂。从制剂。从2020世纪世纪“5050年代起，大规模工业生产的酶制剂品年代起，大规模工业生产的酶制剂品种愈来愈多。现在，种愈来愈多。现在，淀粉酶、糖化酶、葡萄搪异构酶、淀粉酶、糖化酶、葡萄搪异构酶、果胶酶、凝乳酶、乳糖酶、脂肪酶、各种蛋白酶等，已经果胶酶、凝乳酶、乳糖酶、脂肪酶、各种蛋白酶等，已经实用化、商品化。上述酶制剂在食品加工，发酵上业，制实用化、商品化。上述酶制剂在食品加工，发酵上业，制革工业，纺织工业，氨基酸、有机酸和半合成抗生素的合革工业，纺织工业，氨基酸、有机酸和半合成抗生素的合成工业，医疗卫生
20、，能源开发以及环境工程中、有日益广成工业，医疗卫生，能源开发以及环境工程中、有日益广泛的应用，发挥了重要的作用。泛的应用，发挥了重要的作用。第18页/共106页u酶工程是在人类原始的应用酶的催化作用的基础上逐酶工程是在人类原始的应用酶的催化作用的基础上逐渐发展起来的。二十世纪以来，特别是二十世纪五十年渐发展起来的。二十世纪以来，特别是二十世纪五十年代以来，酶的应用技术有了很大的进步。五十年代酶制代以来，酶的应用技术有了很大的进步。五十年代酶制剂的生产有了迅速发展，这一时期主要是溶液酶的应用；剂的生产有了迅速发展，这一时期主要是溶液酶的应用；六十年代出现了固定化酶技术，六十年代来已应用于工六十年
21、代出现了固定化酶技术，六十年代来已应用于工业生产；七十年代出现了固定化细胞的技术，至目前又业生产；七十年代出现了固定化细胞的技术，至目前又发展了固定化增增细胞的研究，亦发展了包括辅助因子发展了固定化增增细胞的研究，亦发展了包括辅助因子再生的固定化多酶反应体系的研究。再生的固定化多酶反应体系的研究。u人类原始应用酶的催化作用可谓源远流长。我国劳动人类原始应用酶的催化作用可谓源远流长。我国劳动人民在四千年前已掌握了酿酒技术，商朝的酿酒业已相人民在四千年前已掌握了酿酒技术，商朝的酿酒业已相当发达，秦汉前已将麦芽用于制造饴糖等等。但是直到当发达，秦汉前已将麦芽用于制造饴糖等等。但是直到十九世纪人们才逐
22、渐建立起十九世纪人们才逐渐建立起“酶酶”的概念。的概念。19081908年罗门年罗门等利用胰酶鞣制皮革，等利用胰酶鞣制皮革，19171917年法国人博伊丁和埃芬特用年法国人博伊丁和埃芬特用枯草杆菌产生的淀粉酶用作纺织工业上的退浆剂。此后枯草杆菌产生的淀粉酶用作纺织工业上的退浆剂。此后酶在工业上应用的研究逐渐深入到很多工业部门。到了酶在工业上应用的研究逐渐深入到很多工业部门。到了19491949年，由于日本采用深层培养法生产细菌年，由于日本采用深层培养法生产细菌淀粉酶淀粉酶获得成功，才使酶制剂的生产和应用进入工业化的阶段。获得成功，才使酶制剂的生产和应用进入工业化的阶段。第19页/共106页u从
23、此，蛋白酶、果胶酶、转化酶等相继投入市场。从此，蛋白酶、果胶酶、转化酶等相继投入市场。19591959年由于采用葡萄糖淀粉酶催化淀粉生产葡聚糖的新年由于采用葡萄糖淀粉酶催化淀粉生产葡聚糖的新工艺研究成功彻底革除了原来葡萄糖生产中需要高温工艺研究成功彻底革除了原来葡萄糖生产中需要高温高压的酸水解工艺，使淀粉得糖率由高压的酸水解工艺，使淀粉得糖率由80%80%提高到提高到l00l00，致使日本致使日本19601960年的精制葡萄糖产量猛增年的精制葡萄糖产量猛增1010倍。由于这倍。由于这项改革的成功，大大促进了酶在工业上应用的发展，先项改革的成功，大大促进了酶在工业上应用的发展，先后出现了不少成功
24、的应用实例。如后出现了不少成功的应用实例。如5 5-磷酸二酯酶用于磷酸二酯酶用于5 5-核苷酸的生产，用青霉素酰胺酶制备核苷酸的生产，用青霉素酰胺酶制备6-6-氨基青霉烷氨基青霉烷酸酸(6-APA)(6-APA)，氨基酰化酶拆分，氨基酰化酶拆分DL-DL-氨基酸，氨基酸，9-9-酪氨酸酶酪氨酸酶催化生产催化生产L-L-多巴等等。五十年代，尽管酶的应用有很大多巴等等。五十年代，尽管酶的应用有很大发展，但与酶学研究的进展相比，其发展还是缓慢的，发展，但与酶学研究的进展相比，其发展还是缓慢的，主要原因是酶的生产和应用技术落后。由于酶的分离纯主要原因是酶的生产和应用技术落后。由于酶的分离纯化比较复杂，
25、分离的酶稳定性显著下降，并且采用在水化比较复杂，分离的酶稳定性显著下降，并且采用在水溶液中分批反应，反应后的酶很难回收，致使成本很高，溶液中分批反应，反应后的酶很难回收，致使成本很高，阻得了酶应用的进一步发展。阻得了酶应用的进一步发展。第20页/共106页u从应用的目的出发，从应用的目的出发，CrubhoferCrubhofer和和SchleithSchleith从从19531953年开年开始研究酶的固定化。他们将胃蛋白酶、淀粉酶、羧肽酶和始研究酶的固定化。他们将胃蛋白酶、淀粉酶、羧肽酶和核糖核酸酶等结合在重氮化的树脂上，实现了酶的固定化。核糖核酸酶等结合在重氮化的树脂上，实现了酶的固定化。1
26、9691969年，日本千佃一郎首次应用固定化氨基酰化酶大规模年，日本千佃一郎首次应用固定化氨基酰化酶大规模生产生产L-L-氨基酸。从此以后固定化酶研究十分活跃，进展氨基酸。从此以后固定化酶研究十分活跃，进展很快。现在、已有十多种固定化酶用于工业生产。例如：很快。现在、已有十多种固定化酶用于工业生产。例如：利用固定化葡萄糖异构酶生产高果葡萄浆；利用固定化青利用固定化葡萄糖异构酶生产高果葡萄浆；利用固定化青霉素酰化酶生产霉素酰化酶生产6-6-氨基青霉烷酸；利用固定化乳糖酶生产氨基青霉烷酸；利用固定化乳糖酶生产低乳糖牛奶等。但是，大多数固定化酶的应用研究，仍处低乳糖牛奶等。但是，大多数固定化酶的应用
27、研究，仍处于实验室研究阶段或中试生产阶段，要用于工业生产上有于实验室研究阶段或中试生产阶段，要用于工业生产上有待进一步研究。待进一步研究。u为了减少从微生物细胞中分离提纯酶的麻烦，或者有目为了减少从微生物细胞中分离提纯酶的麻烦，或者有目的地利用微生物细胞内的复合酶系统，从的地利用微生物细胞内的复合酶系统，从7070年代初起，人年代初起，人们直接对微生物细胞进行固定化研究们直接对微生物细胞进行固定化研究.1973.1973年，干佃一郎年，干佃一郎首次利用固定化大肠杆菌细胞生产首次利用固定化大肠杆菌细胞生产L-L-天冬氨酸。从此以后，天冬氨酸。从此以后，微生物细胞固定化研究十分活跃，进展很快。现在
28、，已有微生物细胞固定化研究十分活跃，进展很快。现在，已有愈来愈多的固定化微生物细胞用于工业生产。例如：固定愈来愈多的固定化微生物细胞用于工业生产。例如：固定化大肠杆菌细胞生产化大肠杆菌细胞生产6-6-氨基青霉烷酸；固定化产氨短杆菌氨基青霉烷酸；固定化产氨短杆菌细胞生产细胞生产L L苹果酸；固定化假单孢菌细胞生产苹果酸；固定化假单孢菌细胞生产L-L-丙氨酸；丙氨酸；固定化链霉菌细胞生产果葡糖浆；固定化酿酒酵母细胞生固定化链霉菌细胞生产果葡糖浆；固定化酿酒酵母细胞生产酒精等。但是，大多数固定化微生物细胞的应用研究，产酒精等。但是，大多数固定化微生物细胞的应用研究，尚处于实验室研究阶段或小试生产阶段
29、，向待进一少研究。尚处于实验室研究阶段或小试生产阶段，向待进一少研究。第21页/共106页因为固定化细胞对结构复杂、化学合成困难的化合物的生产特别有用，所因为固定化细胞对结构复杂、化学合成困难的化合物的生产特别有用，所以近年来已成为酶工程研究中引人注目的领域。并且用固定化细胞己进行以近年来已成为酶工程研究中引人注目的领域。并且用固定化细胞己进行了不少有用化合物的试生产，包括有机酸、氨基酸、抗生素和辅酶等。例了不少有用化合物的试生产，包括有机酸、氨基酸、抗生素和辅酶等。例如固定化产氨短杆菌可以通过五步酶反应连续合成辅酶如固定化产氨短杆菌可以通过五步酶反应连续合成辅酶A A。19831983年在英
30、国年在英国伦敦召开的生物工程会议上，日本人小田等介绍了用海藻酸钙和光交联树伦敦召开的生物工程会议上，日本人小田等介绍了用海藻酸钙和光交联树脂两种方法固定化酵母的增殖细胞连续生产酒精的研究报告，他们在试验脂两种方法固定化酵母的增殖细胞连续生产酒精的研究报告，他们在试验工厂中用工厂中用4 4千升的流动柱床反应器，以甘蔗糖蜜生产酒精，在柱反应器流千升的流动柱床反应器，以甘蔗糖蜜生产酒精，在柱反应器流出液中酒精浓度可达到出液中酒精浓度可达到8.58.59.09.0，每千升的反应器每天能生产纯酒精，每千升的反应器每天能生产纯酒精600600升酒精的转化率达到理论值的升酒精的转化率达到理论值的9595，生
31、产能力超过常规分批式发酵，生产能力超过常规分批式发酵工艺的工艺的2020倍。用海藻酸钙包埋的酵母工作稳定性达倍。用海藻酸钙包埋的酵母工作稳定性达4 4个月以上，用光交联个月以上，用光交联树脂固定的酵母细胞工作稳定性达树脂固定的酵母细胞工作稳定性达2 2年以上。固定化增殖酵母细胞用于连年以上。固定化增殖酵母细胞用于连续化生产酒精的工艺目前己由实验室转到实验工厂，看来实现工业化生产续化生产酒精的工艺目前己由实验室转到实验工厂，看来实现工业化生产是很有希望的。固定化增殖细胞用于处理废水现在已经达到工业应用的水是很有希望的。固定化增殖细胞用于处理废水现在已经达到工业应用的水平。平。第22页/共106页
32、微生物细胞固定化研究，已从利用微生物细胞固定化研究，已从利用种酶反应的固定化死种酶反应的固定化死菌体，发展到利用多酶反应的固定化活菌体，从固定化休菌体，发展到利用多酶反应的固定化活菌体，从固定化休眠菌体、饥饿菌体发展到固定化增殖茵体。最近，还发展眠菌体、饥饿菌体发展到固定化增殖茵体。最近，还发展到固定化基因工程菌。到固定化基因工程菌。从从8080年代起，人们开始把目光放到动物细胞和植物细胞固年代起，人们开始把目光放到动物细胞和植物细胞固定化上。动物和植物细胞固定化，虽然比微生物细胞固定化上。动物和植物细胞固定化，虽然比微生物细胞固d d定化难得多，但是，它们能产生微生物难以产生的贵重药定化难得
33、多，但是，它们能产生微生物难以产生的贵重药物，如：乙肝病毒表面抗原、单克隆抗体、人参皂苷等，物，如：乙肝病毒表面抗原、单克隆抗体、人参皂苷等，目前，动物细胞和植物细胞的固定化研究，尚处于实验室目前，动物细胞和植物细胞的固定化研究，尚处于实验室研究阶段或中试阶段，需要深入研究。研究阶段或中试阶段，需要深入研究。5050年代末到年代末到6060年代，人们致力于用小分子化合物修改酶分年代，人们致力于用小分子化合物修改酶分子中的氨基酸残基侧链基团，以研究一些酶活性基团的情子中的氨基酸残基侧链基团，以研究一些酶活性基团的情况，得到了很有价值的数据。况，得到了很有价值的数据。第23页/共106页较早用大分
34、子物质修饰酶的是较早用大分子物质修饰酶的是KatchalskoKatchalsko等人。他们用等人。他们用DEAEDEAE右旋糖酐、右旋糖酐、多肽等修饰了酶，使酶的性质得到了改善。从多肽等修饰了酶，使酶的性质得到了改善。从7070年代开始随着研究的普年代开始随着研究的普遍进展，在修饰剂的选用、修饰方法上，都有新的发展。现在，有一些酶遍进展，在修饰剂的选用、修饰方法上，都有新的发展。现在，有一些酶(如如L-L-天门冬酰胺酶等天门冬酰胺酶等)用大分子修饰剂修饰之后，其热稳定性提高，抗失用大分子修饰剂修饰之后，其热稳定性提高，抗失活因子能力加强，抗原性消除，体内半衰期延长。由此可见，酶化学修饰活因子
35、能力加强，抗原性消除，体内半衰期延长。由此可见，酶化学修饰在一定程度上可以克服天然酶的缺点，使其更适合于工业生产和医疗上的在一定程度上可以克服天然酶的缺点，使其更适合于工业生产和医疗上的需要。需要。近年来，人们对抗体酶、人工酶、模拟酶等；进行了研究，取得了一些进近年来，人们对抗体酶、人工酶、模拟酶等；进行了研究，取得了一些进展，今后将进一步研究。展，今后将进一步研究。随着固定化酶随着固定化酶(或细胞或细胞)的研究进展，人们研究、设计、制造了各种各样的的研究进展，人们研究、设计、制造了各种各样的固定化酶反应器固定化酶反应器.其中，有一些巳应用于工业生产。目前固定化酶反应其中，有一些巳应用于工业生
36、产。目前固定化酶反应器的应用，尚处于开发的早期阶段。其最终目标是实现全自动的最佳控制。器的应用，尚处于开发的早期阶段。其最终目标是实现全自动的最佳控制。第二代新型的固定化酶反应器，例如：能实现辅因子第二代新型的固定化酶反应器，例如：能实现辅因子(辅酶辅酶和和ATPATP等等)再再生的酶反应器、两相或多相酶反应器、组合酶反应器等，正在研制之中。生的酶反应器、两相或多相酶反应器、组合酶反应器等，正在研制之中。第24页/共106页自从自从19671967年酶电极问世以来，酶电极的研究引起了不少人的极大兴趣。现年酶电极问世以来，酶电极的研究引起了不少人的极大兴趣。现在，不少酶电极已经实用化、商品化，用
37、于测定混合物溶液中某种物质的在，不少酶电极已经实用化、商品化，用于测定混合物溶液中某种物质的浓度。例如：用葡萄糖氧化酶电极测定血液、尿、发酵液中的葡萄糖浓度；浓度。例如：用葡萄糖氧化酶电极测定血液、尿、发酵液中的葡萄糖浓度；用脲酶电极测定血液中的尿素浓度。酶电极在临床化验、发酵生产、环境用脲酶电极测定血液中的尿素浓度。酶电极在临床化验、发酵生产、环境监测以及其他化学分析等方面，展示了广阔的前景。近年来，人们正在研监测以及其他化学分析等方面，展示了广阔的前景。近年来，人们正在研制各种新型的酶电极，如多功能酶电极、微型酶电极、抗干扰酶电极等。制各种新型的酶电极，如多功能酶电极、微型酶电极、抗干扰酶
38、电极等。酶标免疫分析是酶标免疫分析是6060年代发展起来的新的免疫测定技术。酶标免疫分析是以年代发展起来的新的免疫测定技术。酶标免疫分析是以待测抗原待测抗原(或抗体或抗体)与酶标抗体与酶标抗体(或抗原或抗原)的专一性反应为基础，然后通过酶的专一性反应为基础，然后通过酶活力测定，来确定抗原活力测定，来确定抗原(或抗体或抗体)含量的含量的类分析法。现在，已建立了各种类分析法。现在，已建立了各种酶标免疫分析法，用于测定血液中抗原或抗体的含量，有很高的灵敏度和酶标免疫分析法，用于测定血液中抗原或抗体的含量，有很高的灵敏度和准确度。准确度。第25页/共106页（2 2）酶的理论研究进展(1)(1)新酶的
39、发现和鉴定新酶的发现和鉴定 迄今为止迄今为止,已发现的酶有已发现的酶有2500025000多种，数千种酶被鉴定，并多种，数千种酶被鉴定，并达到不同的纯度，数百种酶得到了结晶，数百种酶的一级达到不同的纯度，数百种酶得到了结晶，数百种酶的一级结构被测出来。每年都有新酶被发现；每年都有不少酶的结构被测出来。每年都有新酶被发现；每年都有不少酶的一级结构被测出一级结构被测出 。(2)(2)酶一级结构与活力的关系酶一级结构与活力的关系 过去主要用化学修饰的方法研究酶一级结构与活力的关过去主要用化学修饰的方法研究酶一级结构与活力的关系，获得了不少的信息。近年来，除了继续用上述技术以系，获得了不少的信息。近年
40、来，除了继续用上述技术以外，还采用下列新技术对此问题作更深入的研究：外，还采用下列新技术对此问题作更深入的研究：过渡过渡态类似物技术态类似物技术自杀性底物技术。自杀性底物技术。基因定位突变技术基因定位突变技术计算机模拟技术等。计算机模拟技术等。(3)(3)酶分子高级结构的测定酶分子高级结构的测定一部分酶的高级结构已经被测出来，但是，还有大多数酶一部分酶的高级结构已经被测出来，但是，还有大多数酶的高级结构尚待测定。的高级结构尚待测定。第26页/共106页对酶分子高级结构的测定，对酶分子高级结构的测定，x-x-射线晶体结构分析法仍然是十分有效的方法。射线晶体结构分析法仍然是十分有效的方法。近年来，
41、二维核磁共振技术的应用愈来愈广。后者可以测定溶液中酶分子近年来，二维核磁共振技术的应用愈来愈广。后者可以测定溶液中酶分子构象及其变化过程。运用上述两种技术必将测出更多的酶分子构象。构象及其变化过程。运用上述两种技术必将测出更多的酶分子构象。(4)(4)酶活性部位结构及催化机理的研究酶活性部位结构及催化机理的研究 这是酶学研究的核心的问题。近年来，运用下列新技术研究酶活性部位这是酶学研究的核心的问题。近年来，运用下列新技术研究酶活性部位结构及催化机理，取得了重大的进展结构及催化机理，取得了重大的进展.应用应用x-x-射线晶体结构分析技术研究酶一底物射线晶体结构分析技术研究酶一底物(或底物类似物或
42、底物类似物)复合物复合物结构，可以确定酶活性部位结构以及酶分子与底物分子的结合情况。结构，可以确定酶活性部位结构以及酶分子与底物分子的结合情况。应用二维核磁共振技术可以确定酶活性部位上解离基团的应用二维核磁共振技术可以确定酶活性部位上解离基团的pKpK值以及值以及催化过程中的质子转移情况催化过程中的质子转移情况.关于酶促反应动力学研究，现在已用电子计算机编程序，对酶与底关于酶促反应动力学研究，现在已用电子计算机编程序，对酶与底物的作用方式以及底物反应过程中可能存在的酶分子形式，作出判断。物的作用方式以及底物反应过程中可能存在的酶分子形式，作出判断。应用隧道电镜技术可以观察到酶催化过程中质子转移
43、和电子转移的应用隧道电镜技术可以观察到酶催化过程中质子转移和电子转移的情况。情况。第27页/共106页（3）我国固定化酶技术的发展和取得的成绩我国从事固定化酶的研究开始于我国从事固定化酶的研究开始于19701970年。中国科学院上海年。中国科学院上海生物化学研究所及微生物研究所相继把染料工业中使用的生物化学研究所及微生物研究所相继把染料工业中使用的双功能试剂对双功能试剂对-硫酸酯乙砜基苯胺引入固定化酶领域，它硫酸酯乙砜基苯胺引入固定化酶领域，它与多糖如甘蔗渣纤维、交联琼脂、葡聚糖凝胶等反应，得与多糖如甘蔗渣纤维、交联琼脂、葡聚糖凝胶等反应，得到各种带有苯胺基的载体，然后在十分温和的条件下与酶到
44、各种带有苯胺基的载体，然后在十分温和的条件下与酶共价偶联。共价偶联。19721972年，上海生物化学研究所用这类载体年，上海生物化学研究所用这类载体ABSE(ABSE(对氨基苯磺酰乙基对氨基苯磺酰乙基)-)-葡聚糖凝胶共价结合红酵母的葡聚糖凝胶共价结合红酵母的3 3-核糖核酸酶，生产核糖核酸酶，生产3 3-核苷酸试剂。我国科研工作核苷酸试剂。我国科研工作者还用这类载体共价结合了多种酶。这些固定化酶都得到者还用这类载体共价结合了多种酶。这些固定化酶都得到满意的结果，发展成为颇具我国特点的固定化方法。满意的结果，发展成为颇具我国特点的固定化方法。19771977年底，上海生物化学研究所与江门甘蔗化
45、工厂、上海啤酒年底，上海生物化学研究所与江门甘蔗化工厂、上海啤酒厂协作将固定化厂协作将固定化5 5-磷酸二酯酶用于磷酸二酯酶用于5 5-核苷酸的生产，核苷酸的生产，这使世界上工业上实用的固定化酶又增添了新的一员。中这使世界上工业上实用的固定化酶又增添了新的一员。中国科学院微生物所用固定化多核苷酸磷酸化酶稳定地用于国科学院微生物所用固定化多核苷酸磷酸化酶稳定地用于制备多聚核苷酸，已在制备多聚核苷酸，已在19781978年下半年进行了鉴定。年下半年进行了鉴定。第28页/共106页u我国对固定化细胞的应用也进行了不少工作。上海生我国对固定化细胞的应用也进行了不少工作。上海生物化学研究所，上海第三制药
46、厂和上海医药工业研究院物化学研究所，上海第三制药厂和上海医药工业研究院用明胶戊二醛使具有青霉素酰胺酶活力的菌体固定化装用明胶戊二醛使具有青霉素酰胺酶活力的菌体固定化装柱连续生产柱连续生产6 6氨基青霉烷酸氨基青霉烷酸7 7个月，活力几乎不变，达个月，活力几乎不变，达到世界先进水平。中国科学院微生物研究所与太原制药到世界先进水平。中国科学院微生物研究所与太原制药厂协作也成功地用琼脂、戊二醛包埋大肠杆菌用于工业厂协作也成功地用琼脂、戊二醛包埋大肠杆菌用于工业生产生产6 6氨基青霉烷酸氨基青霉烷酸19781978年年1212月化工部医药局对这月化工部医药局对这二项工艺通过了鉴定。二项工艺通过了鉴定。
47、u中国科学院微生物所于中国科学院微生物所于19771977年和年和19791979年分别用固定化年分别用固定化菌体生产天门冬氨酸和苹果酸获得成功。近几年，不少菌体生产天门冬氨酸和苹果酸获得成功。近几年，不少单位采用固定化细胞和固定化酶生产高果糖浆的研究取单位采用固定化细胞和固定化酶生产高果糖浆的研究取得重要进展，得重要进展，准备工业生产。准备工业生产。u近年来，我国在辅酶的固定化、固定化酶在医疗和人近年来，我国在辅酶的固定化、固定化酶在医疗和人工器官上的应用做了不少探索。工器官上的应用做了不少探索。u固定化酶在分析及亲和层析方面的应用也取得了一些固定化酶在分析及亲和层析方面的应用也取得了一些进
48、展。如华北制药厂用固定化青霉素酶对青霉素效价的进展。如华北制药厂用固定化青霉素酶对青霉素效价的测定；上海生物化学研究所用固定化测定；上海生物化学研究所用固定化5 5磷酸二酯酶和磷酸二酯酶和固定化碱性磷酸单酯酶进行寡核苷酸序列分析；北京大固定化碱性磷酸单酯酶进行寡核苷酸序列分析；北京大学曾试用固定化酶提纯胰蛋白酶抑制剂等等。学曾试用固定化酶提纯胰蛋白酶抑制剂等等。第29页/共106页第二节 食品酶的生产与分离纯化第30页/共106页酶的生产酶的提取酶的分离纯化制成酶制剂后直接利用制成固定化酶（或固定化细胞）后利用用于治疗疾病用于加工和生产一些产品用于化验诊断和水质临界测定用于生物技术其他分支领域
49、酶制剂的利用酶制剂的生产第31页/共106页 一、酶的生产 酶的生产：酶的生产：经过预先设计，并且通过人工控制而获得所需要的酶的过程。经过预先设计，并且通过人工控制而获得所需要的酶的过程。3 3种方法种方法：提取法、微生物发酵法、化学合成法。：提取法、微生物发酵法、化学合成法。最常用的是微生物发酵法。最常用的是微生物发酵法。第32页/共106页1.微生物发酵生产法的优点 u微生物菌株种类繁多，酶的品种齐全。微生物菌株种类繁多，酶的品种齐全。u微生物生长繁殖快，生活周期短，酶的产量高。微生物生长繁殖快，生活周期短，酶的产量高。u微生物培养方法简单，生产原料来源丰富，价格低廉，机械化程度高，经济效
50、益微生物培养方法简单，生产原料来源丰富，价格低廉，机械化程度高，经济效益高。高。u微生物有较强的适应性和应变能力，可以通过适应、诱导、诱变及基因工程等方微生物有较强的适应性和应变能力，可以通过适应、诱导、诱变及基因工程等方法培育出新的产酶菌种。法培育出新的产酶菌种。第33页/共106页 2.微生物发酵法制酶对生产菌的要求 安全可靠，非致病菌，不会产生有毒物质。安全可靠，非致病菌，不会产生有毒物质。产酶性能稳定，不易退化，不易感染噬菌体。产酶性能稳定，不易退化，不易感染噬菌体。繁殖快，产酶量高，而且最好产生胞外酶。繁殖快，产酶量高，而且最好产生胞外酶。能利用廉价的原料，发酵周期短，易培养。能利用