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1、酶工程Enzyme Engineering海洋学院孙玉英61434680E-mail：主要参考书n基本教材：n郭勇主编.酶工程.北京：科学出版社，2009n主要参考书：n1施巧琴酶工程.北京：科学出版社，2008n2 郭勇.酶学.广州：华南理工大学出版社，2000n3 张树政.酶制剂工业（上、下册）.北京：科学出版社，1984n4 熊振平.酶工程.北京：化学工业出版社，1989n5 罗贵民.酶工程.北京：中国农业出版社，2002 3/19/2023Chapter 1 Introduction绪论杰能科杰能科:占中国纺织酶制剂市场的占中国纺织酶制剂市场的三分之一三分之一n美国杰能科公司是一家高科
2、技、多元化生物技术跨国公司，也美国杰能科公司是一家高科技、多元化生物技术跨国公司，也是纺织品酶制剂的专业公司。公司成立于是纺织品酶制剂的专业公司。公司成立于1989年，是全球第年，是全球第二大工业酶制剂生产厂商，有二大工业酶制剂生产厂商，有1500名员工，总部在美国，亚名员工，总部在美国，亚太总部在新加坡。太总部在新加坡。2003年杰能科公司的全球销售额为年杰能科公司的全球销售额为3.8亿亿美元，产品覆盖纺织加工，粮食加工和洗涤剂三大领域。用于美元，产品覆盖纺织加工，粮食加工和洗涤剂三大领域。用于纺织加工的产品包括：退浆酶，纺织加工的产品包括：退浆酶，Opti?size和和OptisizeHT
3、系列；系列；基因改性纤维素酶，基因改性纤维素酶，IndiAgeMax和和IndiAgeSuper系列；全系列；全纤维素酶，纤维素酶，Primifast系列，去双氧水酶，系列，去双氧水酶，CatalastT100和和OxygonePlus，蛋白酶，蛋白酶，ProtexOXG。1999年，杰能科公年，杰能科公司的酶制剂正式进入中国市场，酶制剂特别是各种不同品种的司的酶制剂正式进入中国市场，酶制剂特别是各种不同品种的纤维素酶的使用，改变了中国牛仔裤加工中单一的处理风格，纤维素酶的使用，改变了中国牛仔裤加工中单一的处理风格，大大提高了产品档次，无论是产品的高对比度，低背面沾色的大大提高了产品档次，无论
4、是产品的高对比度，低背面沾色的基因改性纤维素酶，还是起花速度快的全纤维素酶，都给使用基因改性纤维素酶，还是起花速度快的全纤维素酶，都给使用者提供了极大的灵活性，使纺织工程师变成了艺术家，不断整者提供了极大的灵活性，使纺织工程师变成了艺术家，不断整理出风格迥异的牛仔裤。理出风格迥异的牛仔裤。n在提倡环保的时代，杰能科公司适时推出了低温纤维素酶，在提倡环保的时代，杰能科公司适时推出了低温纤维素酶，使后整理的温度降低了约使后整理的温度降低了约15-20，特别是，特别是CATA?LASET100去双氧水酶工艺代替了传统的化学去双氧去双氧水酶工艺代替了传统的化学去双氧水法，使针织布染色过程的用水量减少了
5、水法，使针织布染色过程的用水量减少了1/3。2002年推出年推出的的Primifast系列产品大大降低了处理时间和成本，满足了大系列产品大大降低了处理时间和成本，满足了大众的需要。到众的需要。到2003年底，杰能科公司在中国纺织酶制剂的市年底，杰能科公司在中国纺织酶制剂的市场份额超过了场份额超过了30%，换句话来形容就是在每，换句话来形容就是在每3个人穿的牛仔个人穿的牛仔裤中，就有一条是用杰能科公司的产品整理的。这个数字背裤中，就有一条是用杰能科公司的产品整理的。这个数字背后蕴藏着杰能科公司在中国的艰辛历程以及对中国纺织业的后蕴藏着杰能科公司在中国的艰辛历程以及对中国纺织业的贡献。贡献。n目前
6、杰能科公司在中国有员工约目前杰能科公司在中国有员工约200名，有北京、上海、名，有北京、上海、广州三个办事处及无锡工厂。广州三个办事处及无锡工厂。2005年年1月，杰能科公司在中月，杰能科公司在中国无锡的新工厂奠基了，这是杰能科公司迄今为止在海外的国无锡的新工厂奠基了，这是杰能科公司迄今为止在海外的最大的一笔投资，新厂建成后，产品不仅满足国内市场的需最大的一笔投资，新厂建成后，产品不仅满足国内市场的需求，而且将出口到全球市场。求，而且将出口到全球市场。世界最大酶制剂企业诺维信在中世界最大酶制剂企业诺维信在中国的首个中试工厂投入使用国的首个中试工厂投入使用 n世界最大酶制剂企业世界最大酶制剂企业
7、丹麦诺维信公司在中国的首丹麦诺维信公司在中国的首个中试工厂，日在天津经济技术开发区正式投入个中试工厂，日在天津经济技术开发区正式投入使用。该工厂的建成将加速诺维信新产品从实验室阶使用。该工厂的建成将加速诺维信新产品从实验室阶段投入到工业化生产的进度。年进入中国的段投入到工业化生产的进度。年进入中国的诺维信在中国的天津、苏州、沈阳拥有多家生产工厂，诺维信在中国的天津、苏州、沈阳拥有多家生产工厂，但一直没有中试工厂，极大影响其产品在中国规模化但一直没有中试工厂，极大影响其产品在中国规模化生产的进度。生产的进度。日在天津开发区投入使用的这个中日在天津开发区投入使用的这个中试工厂，借鉴了诺维信在丹麦和
8、美国的中试工厂的成试工厂，借鉴了诺维信在丹麦和美国的中试工厂的成功运作经验，因此也是目前诺维信全球最好的中试工功运作经验，因此也是目前诺维信全球最好的中试工厂。该工厂投资万。厂。该工厂投资万。n世界最大酶制剂企业世界最大酶制剂企业丹麦诺维信公司在中国的首个中试工厂，日丹麦诺维信公司在中国的首个中试工厂，日在天津经济技术开发区正式投入使用。该工厂的建成将加速诺维信新产品在天津经济技术开发区正式投入使用。该工厂的建成将加速诺维信新产品从实验室阶段投入到工业化生产的进度。年进入中国的诺维信在从实验室阶段投入到工业化生产的进度。年进入中国的诺维信在中国的天津、苏州、沈阳拥有多家生产工厂，但一直没有中试
9、工厂，极大中国的天津、苏州、沈阳拥有多家生产工厂，但一直没有中试工厂，极大影响其产品在中国规模化生产的进度。影响其产品在中国规模化生产的进度。日在天津开发区投入使用的这日在天津开发区投入使用的这个中试工厂，借鉴了诺维信在丹麦和美国的中试工厂的成功运作经验，因个中试工厂，借鉴了诺维信在丹麦和美国的中试工厂的成功运作经验，因此也是目前诺维信全球最好的中试工厂。该工厂投资万丹麦克朗，此也是目前诺维信全球最好的中试工厂。该工厂投资万丹麦克朗，配备了套容积为的世界上最先进的全自动发酵罐和在线测量监配备了套容积为的世界上最先进的全自动发酵罐和在线测量监控系统，还拥有先进的样品分析仪器。诺维信全球副总裁皮埃
10、尔控系统，还拥有先进的样品分析仪器。诺维信全球副总裁皮埃尔欧里森欧里森说，中试工厂是小试的扩大，是工业生产的缩影，是新产品研发和工业化说，中试工厂是小试的扩大，是工业生产的缩影，是新产品研发和工业化生产及工艺优化之间不可缺少的桥梁。他表示，这家中试工厂将使诺维信生产及工艺优化之间不可缺少的桥梁。他表示，这家中试工厂将使诺维信最新研发的产品加速在中国生产，同时也为现有产品的进一步工艺优化提最新研发的产品加速在中国生产，同时也为现有产品的进一步工艺优化提供很大的支持。诺维信是世界酶制剂和微生物领域的先导，在全球个供很大的支持。诺维信是世界酶制剂和微生物领域的先导，在全球个国家和地区设立了分支机构，
11、产品销售多个国家和地区。诺维信也国家和地区设立了分支机构，产品销售多个国家和地区。诺维信也是丹麦在华最大投资企业之一，目前在中国累计投资超过亿美元。在天是丹麦在华最大投资企业之一，目前在中国累计投资超过亿美元。在天津的工厂是诺维信在欧美之外最大的战略生产基地，生产范围广泛的酶制津的工厂是诺维信在欧美之外最大的战略生产基地，生产范围广泛的酶制剂产品，包括技术级、食品级、饲料级酶制剂和最先进的洗涤剂工业用酶。剂产品，包括技术级、食品级、饲料级酶制剂和最先进的洗涤剂工业用酶。世界最大酶发酵基地落户太仓世界最大酶发酵基地落户太仓n11月月24日，全球最大的工业酶制剂生产商诺维信全球执行副日，全球最大的
12、工业酶制剂生产商诺维信全球执行副总裁总裁Peder.Holk.Nielsen宣布，全球最大的酶制剂工厂在江宣布，全球最大的酶制剂工厂在江苏太仓正式投产。苏太仓正式投产。n酶制剂大量应用于燃料乙醇行业。现今生物燃料是当前可再酶制剂大量应用于燃料乙醇行业。现今生物燃料是当前可再生能源领域的生能源领域的香饽饽香饽饽，但巴西以甘蔗为原料以及美国以玉，但巴西以甘蔗为原料以及美国以玉米为原料生产燃料乙醇的模式在中国都不可以复制。此前，米为原料生产燃料乙醇的模式在中国都不可以复制。此前，为了不在我国造成生物燃料与人为了不在我国造成生物燃料与人争口粮争口粮的局面，发改委紧的局面，发改委紧急叫停了玉米乙醇的生产
13、，提出重点推进急叫停了玉米乙醇的生产，提出重点推进非粮非粮原料的第二原料的第二代生物燃料乙醇的产业化发展，用秸秆等纤维素来生产乙醇代生物燃料乙醇的产业化发展，用秸秆等纤维素来生产乙醇燃料成为解决办法之一。燃料成为解决办法之一。一酶学1 酶的化学本质1 蛋白质由生物体产生的具有催化功能的蛋白质；1926,Sumner,脲酶的卡通三维结构http:/ RNARibozyme核酶：具有催化能力的RNA2.酶的现代概念n活细胞产生的生物催化剂n和生命现象密切相关n是具有催化功能的蛋白质，但也有例外n具有催化的特殊性n可以从多物质、多渠道获得3.酶的催化特性n3.1专一性n一种酶只能催化一种或一类结构相
14、似的底物，进行某种类型的反应。专一性绝对专一性相对专一性基团专一性键的专一性说明：酶的专一性还有立体异构专一性，如光学专一性、几何专一性、构象专一性等。3.1.1绝对专一性n一种酶只能催化一种底物进行一种反应。3.1.2相对专一性n 一种酶能够催化一类结构相似物质进行某种相同类型的反应。n（1）基团专一性n对底物的化学键及一端的基团专一的催化特性。n（2）键的专一性n对底物的化学键要求严格的催化特性。思考：酶为什么具有催化专一性？3.2作用条件温和n酶催化反应的一般范围：2060 左右，常压，近中性的pH值环境。n举例nn 人体内的各种酶催反应。n一般非酶催化反应：高温、高压和pH极端思考：酶
15、为什么要求作用条件温和？n多数酶是蛋白质。n酶的活性中心的催化功能在于其特异的构象。3.3高效性3.3.1与非酶促反应相比非酶促：100，3 1010/s在脲酶作用下：20.8 ，3 104/s3.3.1与其它催化剂相比此反应在双氧水酶的作用下，比在Fe2的作用下，反应速度常数将近快9个数量级。2H221mol过氧化氢酶过氧化氢酶 5106 molH2O21mol离子铁离子铁 610-4molH2O2思考：酶的催化为什么具有高效性？3.4酶的催化条件是可调节的n酶浓度调节n激素调节n共价修饰调节n限制性水解调节n抑制剂调节n反馈调节n金属离子和其它小分子化合物调节 酶的催化作用受到酶的催化作用
16、受到底物浓度、酶浓度、温度、底物浓度、酶浓度、温度、pHpH值、激活剂浓度、抑制剂浓度值、激活剂浓度、抑制剂浓度等诸多因素的影响。在等诸多因素的影响。在酶的应用过程中，必须控制好各种环境条件，以充分酶的应用过程中，必须控制好各种环境条件，以充分发挥酶的催化功能。发挥酶的催化功能。3.5 影响酶催化的各种因素影响酶催化的各种因素4.酶的命名和分类n4.1推荐名（习惯命名）n通式n底物的名称催化反应的类型“酶”字n说明：对于水解酶类，在命名时可省去说明反应类型的“水解”字样。4.2系统命名n通式n酶作用底物酶作用基团催化反应类型“酶”字n举例nD葡萄糖:氧1氧化还原酶4.3酶的类型及编号n国际系统
17、分类法1.氧化还原酶类 Oxidoreductases2.转移酶类 Transgerases3.水解酶类Hydrolases4.裂合酶类Lyases5.异构酶类Isomerases6.合成酶类Synthetases 7.Synthases注意；顺序不要搞错！5.酶的活力测定n5.1有关酶活力的几个概念酶活力主要用来确定酶量的多少及变化。n酶活力enzyme activityn在一定条件下，酶所催化的反应初速度。d S d P d S d Pu=-=-u=-=-d t d td t d t活力单位active unitn19611961年国际生化学会（年国际生化学会（IUBIUB）酶学委员会建议
18、使用统）酶学委员会建议使用统一的国际单位。一的国际单位。酶的国际单位酶的国际单位定义：在实验室定义：在实验室规定规定的条件的条件下，每分钟催化下，每分钟催化lumollumol底物变化所需要的酶量底物变化所需要的酶量为一个酶活力国际单位为一个酶活力国际单位(用用“IU”“IU”表示，简写为表示，简写为U)U)。1.从习惯单位换算成国际单位比较麻烦。2.很多底物分子量不明（如淀粉酶），难以执行。3.各国的测定温度不同，结果也不尽相同。因因此，目前国内外仍多用习惯单位此，目前国内外仍多用习惯单位。习惯单位：比活力n酶的比活力：指在特定的条件下，每1mg酶蛋白（或RNA）所具有的酶活力单位数。n酶比
19、活力酶活力（单位）/mg酶蛋白（或RNA），有时也采用1（m）L或每g酶制剂的活力单位数表示酶的比活力。同种酶制剂，比活力可以反酶的纯度和活力的高低。5.2酶活力的测定方法n5.2.1两个阶段n在一定条件下，酶与某作用底物反应一段时间；n用各种方法检测反应液中底物或产物的变化量。5.2.2一般步骤P17nA：根据酶的专一性，选择适宜的底物，并配成一定浓度的底物溶液。nB：确定反应的温度、pH值等条件。nC：在一定条件下，将酶液与底物混匀，选择适宜的反应时间，使底物转化率 10，保证为初速度反应。nD：终止反应nE：采用光学检测法、化学检测法等生化监测技术，测定反应液中物质的变化量。5.3固定化
20、酶的活力测定n5.3.1固定化酶n与水不溶性载体结合，在一定的空间范围内起催化作用的酶。5.3.2振荡测定n在特定条件下，一边振荡或搅拌，一边进行催化反应。n注意：振荡或搅拌速度对反应速度有影响！5.3.3柱法测定n将一定量的固定化酶装进具有恒温装置的反应柱中，让条件适宜的底物溶液，以一定的速率流过酶柱，收集流出的反应液。n注意：反应液经酶柱的流速对反应速度有很大影响；此外，酶柱的性状、径高比对反应速度也有明显影响。5.3.4连续测定n测定时，将振荡反应器中的反应液用泵连续引到连续测定液流动比色杯中进行连续分光测定。n优点：准确了解某一时刻的酶活力变化情况。5.4固定化酶比活力的测定n每1mg
21、干固定化酶所具有的酶活力单位数。n方法1：称取干固定化酶，充分溶胀后 测比活力。n方法2：对湿固定化酶测出酶活力之后干燥称重测比活力5.5固定化酶的酶结合效率和酶回收率的测定n酶结合效率（偶联效率）：一般由加入的总酶活力减去未结合的酶活力的产值与加入的总酶活力的百分比来表示。n酶回收率：指固定化酶的总活力与用于固定化的酶总活力的百分比。酶结合效率加入的总酶活力未结合酶活力加入的总酶活力100酶回收率固定化酶的总活力用于固定化的酶总活力1005.6固定化酶相对酶活力测定n具有相同酶蛋白量的固定化酶活力和游离酶活力的比值称为相对酶活力。相对酶活力的高低，表明了固定化酶应用价值的大小。6.酶的生产方
22、法n6.1提取法n用各种提取、分离技术从动物、植物、或微生物细胞或组织中将酶提取分离出来的方法。6.2发酵法n利用细胞，主要是利用微生物细胞的生命活动而获得人们所需要的酶。植物细胞发酵动物细胞发酵微生物细胞发酵固定化细胞发酵固定化原生质体发酵固体培养发酵液体深层发液体深层发酵酵发酵法6.3化学合成法n1965年，我国人工合成胰岛素，开辟了蛋白质化学合成的新纪元。n1969年。美国首次用化学合成法得到含124个氨基酸的核糖核酸酶。n目前，可用肽合成仪进行酶的化学合成。7酶工程的概念、内容和主要任务7.1酶工程的概念 酶的生产、改性与应用的技术过程称为酶工程。酶的生产：微生物发酵产酶、动植物培养产
23、酶、酶的提取和分离纯化酶的改性：酶分子修饰、酶固定化、酶非水相催化和酶的定向进化酶的应用：通过酶的催化作用获得人们所需的酶，并通过各种方法使酶的催化特性得以改进，充分发挥其催化功能。酶工程原理和基本过程：菌种 扩大培养 发酵 发酵酶液 酶的提取 酶成品 酶的固定化 原料 前处理 杀菌 酶反应器反应液产品提取 产品7.2酶工程的内容n微生物细胞发酵产酶，动植物细胞培养微生物细胞发酵产酶，动植物细胞培养产酶，酶的提取与分离纯化，酶分子的产酶，酶的提取与分离纯化，酶分子的修饰，酶、细胞、原生质体固定化，酶修饰，酶、细胞、原生质体固定化，酶非水相催化，酶定向进化，酶反应器和非水相催化，酶定向进化，酶反
24、应器和酶的应用等。酶的应用等。7.2酶工程的主要任务n经过经过预先设计预先设计，通过人工操作，通过人工操作获得人们所获得人们所需的酶需的酶，并通过各种方法使，并通过各种方法使酶的催化特性酶的催化特性得以改进得以改进，充分，充分发挥其催化功能发挥其催化功能。7.3酶工程的发展概况P22-257.4国内外生产概况n7.4.1国外n55左右是水解酶，主要用于焙烤、酿酒、淀粉加工、酒精和纺织工业；35是蛋白酶，主要用于洗涤、制革和乳品工业；其它药用酶、试剂酶、工具酶等。7.4.2国内n1965年在无锡建厂，生产糖化酶。n80年代迅猛发展，主要是糖化酶。n目前国内市场，糖化酶约70，蛋白酶16。7.4.
25、3国内外差别n国内资金和技术力量不足，产酶水平与国外差距很大。n酶的品种和品系存在差距。n生产设备落后，管理水平低。7.5发展前景n目前，已发现并命名的酶有5000多种，开发利用的只有150种，其中有价值的仅有60种左右，而大量生产的只有20种左右，只占已知酶种的0.4，其中80是水解酶。7.5.1酶的应用领域n食品工业n化学工业n医药工业n纺织工业n制革、毛皮工业n感光胶片工业n生物工程7.5.2展望n发展多酶系统n用酶工程技术来解决高分子有机废物的处理n双亲性质使酶催反应应用于化学工业n用基因工程等技术大幅度提高酶产量n酶法分析在食品安全、医学、农学等领域应用n寻找耐极端条件的酶7.6 本课程的主要内容n掌握n酶的基本理论知识、酶的合成机理、酶的发酵生产及分离纯化、酶分子修饰、酶与细胞的固定化、酶非水相催化、酶反应动力学；n熟悉n酶反应器以及酶的应用；n了解n现代酶工程技术应用的新发展。作业题nP25 复习思考题1、2、3、5 3 P5-9