[高等教育]食品生物应用技术第三章-酶工程在食品工业中的应用ppt课件.ppt

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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（核酶（脱氧核酶）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。 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。 一百余年前，一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。结果。 1877年，年，Kuhne首次提出首次提出Enzyme一词。一词。 1897年，年，Buchner兄弟用不含细胞

2、的酵母提取液，实现兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。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首次发现首次发现RNA也具有酶的催化活性，提也具有酶的催化活性，提出出核酶核酶(ribozyme)的概念。的概念。 1995年，年，Jack W.Szostak研究室首先报道了具有研究室首先报道了具有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

3、体生理机能）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酶的组成和分布是生物进化与组织功能分化的酶的组成和分布是生物进化与组织功能分化的基础基础n在生物进化过程中形成了从酶的合成到酶的结在生物进化过程中形成了从酶的合成到酶的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。（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

4、单纯酶单纯酶（simple enzyme）。）。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（conjugated enzyme）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

5、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 (prosthetic group):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(essential group)酶分

6、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CysCys-SH-SHAspAsp、GluGlu-COOH-COOH或称活性部位或称活性部位(active site)，指必需基团指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间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转结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。化为产物。酶的活性中心酶的活性中心(active center)活性中心内的必需基团活

7、性中心内的必需基团结合基团结合基团binding group催化基团催化基团(catalytic group)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、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

8、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）催化可逆反应的酶对正反应、逆反应都有）催化可逆反应的酶对正反应、逆反应都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 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

9、（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CH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH2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CH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO3水解酶(Hydrolase) 脂肪酶、糖苷酶、肽酶等，水解酶一般不需辅酶H2OCOOC

10、H2CH3RRCOOHCH3CH2OH4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入某一基团。HOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOH5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

11、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类别占总酶比例占总酶比例% %利用率利用率% %水解酶水解酶 hydrolases2665氧化还原酶氧化还原酶oxidoreductases2725转移酶转移酶 transferases245裂合酶裂合酶 lyases125异构酶异构酶 isomerase

12、s51连接酶连接酶 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 + 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） 645587548498nm 561550nm（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，

13、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。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, ,借助借助工程技术手段进行物质转化工程技术手段进行物质转化, ,生产人们所需要产品的技生产人们所需要产品的技术。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、

14、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、固定化酶及化学人工酶指自然酶、化学修饰酶、固定化酶及化学人工酶的研究和应用。的研究和应用。 （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

15、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、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

16、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

17、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，

18、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这种调控机制。打破这种调控机制。 酶合成调节控制能保证机体最经济有效地将体内酶合成调节控制能保证机体最经济有效地将体内原料和能量用于合成生命活动最需要的物质，但是人原料和能量用于合成生命活动最需要的物质，但是人们为了需要使某些酶大量合成就必须打破这种调节机们为了需要使某些酶大量合成就必须打破这种调节机构。构。 1 1、通过条件控制提高酶产量、通过条件控制提高酶产量 (1)(1)添加诱导物添加诱导物 : 这种方法只适应于诱导酶的合成。这种方法只适应于诱导酶的合成。其关键在于选择适宜的诱导物及其浓度。其关键

19、在于选择适宜的诱导物及其浓度。诱导物：诱导物： 一是酶的作用底物，但有些底物并不一定是一是酶的作用底物，但有些底物并不一定是诱导物；诱导物；二是一些难以代谢的底物类似物。二是一些难以代谢的底物类似物。三是诱导物的前体物质。三是诱导物的前体物质。此外此外, ,对于参加分解代谢的胞外酶，它们的产对于参加分解代谢的胞外酶，它们的产物也往往行诱导作用，如纤维二糖诱导纤维素酶。物也往往行诱导作用，如纤维二糖诱导纤维素酶。 (2)降低阻遏物浓度降低阻遏物浓度:对于受分解代谢产物阻遏的酶，常采用直接限制碳源对于受分解代谢产物阻遏的酶，常采用直接限制碳源或相应的生长因子供应。或相应的生长因子供应。对于合成代谢

20、的酶解决尾产物阻遏的方法对于合成代谢的酶解决尾产物阻遏的方法l在培养基中添加尾产物类似物或尾产物形成的抑制在培养基中添加尾产物类似物或尾产物形成的抑制剂剂l采用营养缺陷型菌株，限制其必须生长因子的供应采用营养缺陷型菌株，限制其必须生长因子的供应u阻遏有两种：分解代谢产物阻遏、尾产物阻遏阻遏有两种：分解代谢产物阻遏、尾产物阻遏u分解代谢产物阻遏：当细胞在容易利用的碳源（葡萄糖）上生分解代谢产物阻遏：当细胞在容易利用的碳源（葡萄糖）上生长时，有些酶特别是参与代谢的酶类的合成受阻。长时，有些酶特别是参与代谢的酶类的合成受阻。u尾产物阻遏：有些酶当它们的作用产物积累到一定浓度，并满尾产物阻遏：有些酶当

21、它们的作用产物积累到一定浓度，并满足集体需要后，其合成就受阻。足集体需要后，其合成就受阻。2 2、通过基因突变提高酶产量、通过基因突变提高酶产量 根据酶合成的调节机构，要使酶产量因基因突变而提高，根据酶合成的调节机构，要使酶产量因基因突变而提高，有两种可能：有两种可能：一是使诱导型变成组成型：即获得的突变株在没有诱一是使诱导型变成组成型：即获得的突变株在没有诱导物存在的条件下酶产量达诱导的水平；导物存在的条件下酶产量达诱导的水平；二是使阻遏型变为去阻遏型：即获得的突变株在引起二是使阻遏型变为去阻遏型：即获得的突变株在引起阻遏的条件下，酶产量达到无阻遏的水平。阻遏的条件下，酶产量达到无阻遏的水平

22、。 方法方法： 物理：紫外线、物理：紫外线、X-射线射线化学：化学：5-溴代尿嘧啶、亚硝酸等溴代尿嘧啶、亚硝酸等基因突变基因突变？基因重组？基因重组？3 3、其他提高酶产量的方法、其他提高酶产量的方法(1)(1)添加表面活性剂：添加表面活性剂： 人们发现许多表面活性剂能提高酶的产量，特别人们发现许多表面活性剂能提高酶的产量，特别有利于霉菌胞外酶的生产，而且它们对菌和酶没有专有利于霉菌胞外酶的生产，而且它们对菌和酶没有专一性，通常用的是非离子型表面活性剂如一性，通常用的是非离子型表面活性剂如Tween80Tween80、TritomX-100TritomX-100等。等。 目前认为，表面活性剂可

23、能是提高了细胞膜的透目前认为，表面活性剂可能是提高了细胞膜的透性，有助于打破细胞内酶合成的性，有助于打破细胞内酶合成的“反馈平衡反馈平衡”。 (2)(2)其他产酶促进剂：其他产酶促进剂： 有时添加其他一些物质也能提有时添加其他一些物质也能提高酶的产量。如枯青霉培养基中添加植酸钙镁，可使高酶的产量。如枯青霉培养基中添加植酸钙镁，可使5-P-5-P-二酯酶产量增加二酯酶产量增加10-2010-20倍。倍。 (3)(3)通过基因重组提高酶的产量通过基因重组提高酶的产量： 二、酶的分离纯化（二、酶的分离纯化（P37） 酶的分离纯化包括三个基本的环节：酶的分离纯化包括三个基本的环节：抽提：即把酶从材料转

24、入溶剂中制成酶溶液；抽提：即把酶从材料转入溶剂中制成酶溶液；纯化：即把杂质从酶溶液中除掉或从酶溶液中把酶纯化：即把杂质从酶溶液中除掉或从酶溶液中把酶分离出来；分离出来；制剂：即将酶制成各种剂型。制剂：即将酶制成各种剂型。 三、酶与细胞固定化三、酶与细胞固定化从从2020世纪世纪6060年代起，固定化酶研究的发展很年代起，固定化酶研究的发展很快。初期，人们集中于各种制备方法的研究，快。初期，人们集中于各种制备方法的研究，近年，人们的注意力已开始转向固定化酶和近年，人们的注意力已开始转向固定化酶和固定化细胞在工业、医学、化学分析、亲和固定化细胞在工业、医学、化学分析、亲和层析和环境保护、能源开发以

25、及理论研究等层析和环境保护、能源开发以及理论研究等方面的应用研究。方面的应用研究。 固定化酶：固定化酶：指经过一定改造后被限制在一定指经过一定改造后被限制在一定的空间内，能模拟体内酶的作用方式，并可反的空间内，能模拟体内酶的作用方式，并可反复连续地进行有效催化反应的酶。固定化酶又复连续地进行有效催化反应的酶。固定化酶又称固相酶。称固相酶。固定化技术：固定化技术：是通过化学或物理等手段将酶是通过化学或物理等手段将酶分子束缚起来供重复使用的技术分子束缚起来供重复使用的技术 （一）为什么要固定化酶（一）为什么要固定化酶（二）酶固定化的优缺点（二）酶固定化的优缺点（三）酶的固定化方法（三）酶的固定化方

26、法（四）固定化酶反应器（四）固定化酶反应器（一）为什么要固定化酶传统酶（自由酶）催化反应存在如下缺点 传统酶催化反应几乎都在水溶液中进行，只能一次性使用，难以回收 酶与产物混合，增加产物分离和纯化难度 溶液中酶的稳定性差，容易变形和失活。 而将酶固定化能够克服这些缺点。 相对于酶直接加入至溶液中，通常将固定化酶的制备过程称为酶的固定化。该项技术于20世纪60年代发展起来的，1971年第一届国际酶工程会议正式建议采用固定化酶的名称。（二）酶固定化的优缺点1、酶固定化的优点：固定化酶最大的特点就是既有生物催化剂的功能，又有固相催化剂的特点： 可以重复使用，在大多数情况下，稳定性明显提高 催化后，酶

27、与底物容易分开，产物易于分离纯化，质量提高 反应条件易于控制，可实现反应的连续化和自动控制 酶的利用效率高了，单位酶量催化的底物浓度增加，而酶量减少 更适合于多酶催化反应2、固定化酶的缺点 存在着酶失活现象，尤其是共价法固定 消耗固定化材料，增加成本 酶被固定到载体后将增加底物和产物的传质阻力 以此，考虑固定化酶的优缺点，在工业采用固定化还是液态的，应该根据具体情况分析而定。1、酶的固定方法酶的固定方法 酶酶的固定方法有的固定方法有四种：四种：吸附法吸附法共价键结合法共价键结合法交联法交联法包埋法包埋法 （一）（一）吸附法吸附法吸附法分为吸附法分为物理吸附法物理吸附法和和离子吸附法离子吸附法。

28、 1、物理吸附法、物理吸附法通过氢键等物理作用，将酶固定在通过氢键等物理作用，将酶固定在水不溶载体上水不溶载体上的方法。的方法。 常用的载体常用的载体无机吸附剂：如高岭土、硅藻土、硅胶、磷酸钙胶、无机吸附剂：如高岭土、硅藻土、硅胶、磷酸钙胶、微孔玻璃等。无机吸附剂吸附容量低，一般小于微孔玻璃等。无机吸附剂吸附容量低，一般小于1mg1mg蛋蛋白白/g/g吸附剂，还易发生解吸。吸附剂，还易发生解吸。有机吸附剂：如纤维素、骨胶原、赛璐玢、火棉胶等。有机吸附剂：如纤维素、骨胶原、赛璐玢、火棉胶等。吸附容量可达吸附容量可达70mg70mg蛋白蛋白/cm/cm2 2膜。膜。 物理吸附法制成的固定化酶，酶活

29、力损失少，但酶物理吸附法制成的固定化酶，酶活力损失少，但酶易脱落，实用价值小。易脱落，实用价值小。 2、离子吸附法离子吸附法将酶同含有将酶同含有离子交换基的水不溶性载体离子交换基的水不溶性载体相结合。相结合。操作简便操作简便, ,处理条件温和，可以得到较多高活性的处理条件温和，可以得到较多高活性的固定化酶固定化酶常用载体：常用载体：阴离子交换剂：阴离子交换剂：DEAE(DEAE(二乙氨基乙基二乙氨基乙基)-)-纤维素、纤维素、ECTEOLA-(ECTEOLA-(混合氨类混合氨类)-)-纤维素、纤维素、TEAE(TEAE(四乙氨基乙基四乙氨基乙基)- )- 纤维素、纤维素、DEAE-DEAE-葡

30、聚糖凝胶等；葡聚糖凝胶等；阳离子交换剂：阳离子交换剂：CM-CM-纤维素、纤维素纤维素、纤维素- -柠檬酸柠檬酸 （二）（二）包埋法包埋法将将聚合物单体聚合物单体和和酶溶液酶溶液混合，再借助于聚合促进剂混合，再借助于聚合促进剂( (包括交联剂包括交联剂) )的作用进行聚合，使酶包埋于聚合物中的作用进行聚合，使酶包埋于聚合物中以达到固定化。以达到固定化。此法由于酶分子仅仅是被包埋，故酶活力高，但此此法由于酶分子仅仅是被包埋，故酶活力高，但此法对作用于大分子底物不适宜。法对作用于大分子底物不适宜。 （三）共价结合法（三）共价结合法酶蛋白分子上官能团和载体上的反应基团通过酶蛋白分子上官能团和载体上的

31、反应基团通过化学价键化学价键形成不可逆的连接的方法形成不可逆的连接的方法 常用的载体包括天然高分子（纤维素、琼脂糖、常用的载体包括天然高分子（纤维素、琼脂糖、葡萄糖凝胶、胶原及其衍生物），合成高分子葡萄糖凝胶、胶原及其衍生物），合成高分子( (聚酰聚酰胺、聚丙烯酰胺、乙烯胺、聚丙烯酰胺、乙烯- -顺丁烯二酸酐共聚物等顺丁烯二酸酐共聚物等) )和和无机支持物（多孔玻璃、金属氧化物等）。无机支持物（多孔玻璃、金属氧化物等）。共价结合法制备的固定化酶共价结合法制备的固定化酶, ,酶和载体的连接键结酶和载体的连接键结合牢固合牢固, ,使用寿命长，但制备过程中酶直接参与化学使用寿命长，但制备过程中酶直接

32、参与化学反应，常常引起酶蛋白质的结构发生变化，导致酶反应，常常引起酶蛋白质的结构发生变化，导致酶活力的下降，活力的下降，往往需要严格控制操作条件才能获得往往需要严格控制操作条件才能获得活力较高的固定化酶。活力较高的固定化酶。 （四）交联法（四）交联法利用利用双双/ /多功能试剂多功能试剂在酶分子间或酶与载体间，或酶在酶分子间或酶与载体间，或酶与惰性蛋白间进行交联反应，以制备固定化酶。与惰性蛋白间进行交联反应，以制备固定化酶。交联剂：戊二醛、苯基二异硫氰酸酯、双重交联剂：戊二醛、苯基二异硫氰酸酯、双重N N联苯胺联苯胺-2-2，2 2，- -二磺酸；甲异氰二磺酸；甲异氰-4-4-异硫氰等异硫氰等

33、交联反应可以发生在酶分子之间，也可以发生在酶交联反应可以发生在酶分子之间，也可以发生在酶分子内部。分子内部。酶浓度低发生在酶分子内部，酶浓度高时分子间交酶浓度低发生在酶分子内部，酶浓度高时分子间交联比例上升形成固定化酶后往往为不溶态。联比例上升形成固定化酶后往往为不溶态。 二、固定化酶的性质二、固定化酶的性质 （一）固定化对酶反应系统的影响（一）固定化对酶反应系统的影响 构象改变和立体屏蔽效应构象改变和立体屏蔽效应 构象改变：构象改变：指酶在固定化过程中，酶与载体的相互指酶在固定化过程中，酶与载体的相互作用引起酶活性中心的作用引起酶活性中心的构象发生变化构象发生变化，从而导致酶活从而导致酶活性

34、下降性下降。这种效应，通常出现于。这种效应，通常出现于吸附法和共价偶联法吸附法和共价偶联法。立体屏蔽效应：立体屏蔽效应：由于载体的空间大小，或是由于固由于载体的空间大小，或是由于固定方法与位置的不同，对酶的活性中心造成空间障碍，定方法与位置的不同，对酶的活性中心造成空间障碍，底物与酶无法接触，从而影响酶活性底物与酶无法接触，从而影响酶活性。（二）（二）固定化对酶稳定性的影响固定化对酶稳定性的影响大多数酶在固定化以后，有大多数酶在固定化以后，有较高的稳定性和较长的有较高的稳定性和较长的有效寿命。效寿命。其原因是：其原因是：固定化增加了酶结构的牢固性程度；固定化增加了酶结构的牢固性程度；阻挡了不利

35、因素对酶的侵袭；阻挡了不利因素对酶的侵袭；限制了酶分子的相互作用。限制了酶分子的相互作用。 1 1、增加热稳定性、增加热稳定性2 2、增强对变剂性、抑制剂的抵抗能力、增强对变剂性、抑制剂的抵抗能力3 3、固定化减轻蛋白酶的破坏作用、固定化减轻蛋白酶的破坏作用4 4、半衰期延长、半衰期延长 第四部分第四部分 酶反应器酶反应器一、酶反应器一、酶反应器酶反应器：利用游离酶、或固定化酶将底物转酶反应器：利用游离酶、或固定化酶将底物转化成产物化成产物的装置的装置。酶反应器类型：酶反应器类型：根据使用对象的不同，可以分为根据使用对象的不同，可以分为l游离酶反应器游离酶反应器l固定化酶反应器固定化酶反应器

36、（一）固定化酶反应器的类型（一）固定化酶反应器的类型 1 1、 间歇式搅拌罐间歇式搅拌罐 2 2、 连续式搅拌罐连续式搅拌罐 33 、固定床反应器、固定床反应器 （填充床反应器）（填充床反应器）4 4、 流化床反应器流化床反应器 5 5、 膜型反应器膜型反应器 连续式搅拌罐连续式搅拌罐间歇式搅拌罐间歇式搅拌罐固定床反应器固定床反应器固定床反应器固定床反应器流化床反应器流化床反应器特点：特点：酶的底物一次性加入反应器，而产物一次性酶的底物一次性加入反应器，而产物一次性取出，反应完成，将固定化酶滤出，再转入下一批取出，反应完成，将固定化酶滤出，再转入下一批反应。反应。优点优点：反应器结构简单，造价

37、较低；由于搅拌使内：反应器结构简单，造价较低；由于搅拌使内容物混合均匀；反应温度和容物混合均匀；反应温度和pHpH值易于控制；传质阻值易于控制；传质阻力小，反应能迅速达到稳态；能处理难溶底物或胶力小，反应能迅速达到稳态；能处理难溶底物或胶状底物，适用于受底物抑制的酶反应。状底物，适用于受底物抑制的酶反应。缺点：缺点：反应效率较低，容易造成酶失活，游离酶不反应效率较低，容易造成酶失活，游离酶不能回收，操作麻烦，不适用于大规模工业生产。能回收，操作麻烦，不适用于大规模工业生产。 1、间歇式搅拌罐间歇式搅拌罐 2 2、连续式搅拌罐、连续式搅拌罐特点：特点：向反应器投入固化酶和底物溶液，不断搅向反应器

38、投入固化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速补充新鲜拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速补充新鲜底物溶液，以相同流速输出反应液。底物溶液，以相同流速输出反应液。优点：该反应器具有与优点：该反应器具有与间歇式搅拌罐间歇式搅拌罐同样的优点。同样的优点。此外，不需要将固定化酶滤出，因而操作较简便。此外，不需要将固定化酶滤出，因而操作较简便。缺点：反应效率较低，缺点：反应效率较低，容易造成酶失活容易造成酶失活33 、固定床反应器、固定床反应器特点：将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的固特点：将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的固定床。底物溶液以一定的方向和流速不断地流进固定定床。底

39、物溶液以一定的方向和流速不断地流进固定床，产物从固定床出口不断地流出来。床，产物从固定床出口不断地流出来。优点：反应效率较高；可以减少产物对酶的抑制作优点：反应效率较高；可以减少产物对酶的抑制作用；结构简单，容易操作，适用于大规模工业生产。用；结构简单，容易操作，适用于大规模工业生产。缺点：传质系数和传热系数较低；缺点：传质系数和传热系数较低；柱床不易堵塞；柱床不易堵塞；底物溶液必须在加压下才能流入柱床内；更换固定化底物溶液必须在加压下才能流入柱床内；更换固定化酶较麻烦。酶较麻烦。4 4、流化床反应器、流化床反应器特点：底物溶液以较大的流速，从反应器底部向上特点：底物溶液以较大的流速，从反应器

40、底部向上流过固定化酶柱床，从而使固定化酶颗粒始终处于流流过固定化酶柱床，从而使固定化酶颗粒始终处于流化化( (浮动浮动) )状态。状态。优点：使反应液混合比较充分，进而使传质、传热优点：使反应液混合比较充分，进而使传质、传热情况良好；对温度和情况良好；对温度和pHpH值的调控及气体的供给都比较值的调控及气体的供给都比较容易；柱床不易堵塞容易；柱床不易堵塞缺点：需要保持较大的流速，运转成本较高；固定缺点：需要保持较大的流速，运转成本较高；固定化酶处于流动状态，易使酶颗粒磨损；流化床的空隙化酶处于流动状态，易使酶颗粒磨损；流化床的空隙体积大，使酶浓度不高；底物溶液高速流动，使固定体积大，使酶浓度不

41、高；底物溶液高速流动，使固定化酶冲出反应器外，从而降低了产物转化率。化酶冲出反应器外，从而降低了产物转化率。 5 5、膜型反应器、膜型反应器特点：由膜状或板状的固定化酶所组装的反应器，特点：由膜状或板状的固定化酶所组装的反应器，均称膜型反应器。均称膜型反应器。类型：类型：螺旋卷膜式反应器；螺旋卷膜式反应器；中空纤维膜式反应器；超滤膜酶中空纤维膜式反应器；超滤膜酶反应器反应器酶反应器设计的主要目标：产品的质量和产酶反应器设计的主要目标：产品的质量和产量最高，生产成本最低量最高，生产成本最低评价酶反应器优劣的条件：生产能力大小；评价酶反应器优劣的条件：生产能力大小；产品质量高低产品质量高低 酶工程

42、在食品工业中酶工程在食品工业中的应用的应用 一、一、改进果酒、果汁饮料的生产工艺改进果酒、果汁饮料的生产工艺 橘苷酶可用于分解柑橘类果肉和果汁中的柚皮苷以橘苷酶可用于分解柑橘类果肉和果汁中的柚皮苷以除去苦味，橙皮苷酶可分解橙皮苷，有效防止柑橘类除去苦味，橙皮苷酶可分解橙皮苷，有效防止柑橘类罐头食品出现白色浑浊，果胶酶可用于果酒、果汁的罐头食品出现白色浑浊，果胶酶可用于果酒、果汁的澄清，纤维素酶可将传统工艺中的果皮渣进行综合利澄清，纤维素酶可将传统工艺中的果皮渣进行综合利用，促进果汁的提取与澄清，提高可溶性固形物含量。用，促进果汁的提取与澄清，提高可溶性固形物含量。目前已成功地将柑橘果皮渣酶解制

43、取全果饮料，其中目前已成功地将柑橘果皮渣酶解制取全果饮料，其中的纤维素经纤维素酶水解后，可转化为可溶性糖和低的纤维素经纤维素酶水解后，可转化为可溶性糖和低聚糖，构成全果饮料中的膳食纤维，具有一定的医疗聚糖，构成全果饮料中的膳食纤维，具有一定的医疗保健价值。保健价值。 果胶酶的应用果胶酶的应用 （一）（一）果汁提取果汁提取 苹果汁要先用机械压榨，然后离心获得果汁，但果汁中苹果汁要先用机械压榨，然后离心获得果汁，但果汁中仍然含较多的不溶性果胶而呈浑浊状，通过外加酶制剂，仍然含较多的不溶性果胶而呈浑浊状，通过外加酶制剂，即可澄清果汁。具体做法是在浑浊果汁内加入果胶酶即可澄清果汁。具体做法是在浑浊果汁

44、内加入果胶酶(PL)(PL)并轻轻搅拌，在酶作用下，不溶性果胶渐渐凝聚并轻轻搅拌，在酶作用下，不溶性果胶渐渐凝聚成絮状物析出，从而可以获得清澈的琥珀色苹果汁。有成絮状物析出，从而可以获得清澈的琥珀色苹果汁。有的苹果因果肉柔软难以压出果汁，但添加果胶酶（的苹果因果肉柔软难以压出果汁，但添加果胶酶（PLPL）能大大促进果汁的提取。可以在把果肉搅拌能大大促进果汁的提取。可以在把果肉搅拌151530min30min后，直接添加后，直接添加0.040.04果胶酶，并于果胶酶，并于4545下处理下处理10min10min；即可多产果汁即可多产果汁12122424。还可以把纤维素酶与果胶。还可以把纤维素酶与

45、果胶酶结合使用，使果肉全部液化，用于生产苹果汁、胡萝酶结合使用，使果肉全部液化，用于生产苹果汁、胡萝卜汁和杏仁乳，产率高达卜汁和杏仁乳，产率高达8585，而且简化了生产工艺，而且简化了生产工艺. . （二）（二）果汁澄清果汁澄清 新压榨出来的果汁不仅黏度大，而且浑浊。加果胶酶新压榨出来的果汁不仅黏度大，而且浑浊。加果胶酶澄清处理后，黏度迅速下降，浑浊颗粒迅速凝聚，使澄清处理后，黏度迅速下降，浑浊颗粒迅速凝聚，使果汁得以快速澄清、易于过滤。但对于橘汁，由于要果汁得以快速澄清、易于过滤。但对于橘汁，由于要求保持雾状浑浊，所以应使用不含果胶酶的内切多聚求保持雾状浑浊，所以应使用不含果胶酶的内切多聚半

46、乳糖醛酸酶制剂进行澄清处理。利用半乳糖醛酸酶制剂进行澄清处理。利用0.10.1的果胶的果胶酶处理苹果果汁、果浆，可明显地提高出汁率、可溶酶处理苹果果汁、果浆，可明显地提高出汁率、可溶性固形物含量和透光率，降低性固形物含量和透光率，降低pHpH值和相对黏度，处理值和相对黏度，处理时间越长，效果越好。时间越长，效果越好。0.10.1的果胶酶与的果胶酶与0.10.1的纤维的纤维素酶结合使用，效果更好。素酶结合使用，效果更好。 （三）果酒澄清、过滤（三）果酒澄清、过滤果胶的存在会降低果酒的透光率，并极易产生浑浊和果胶的存在会降低果酒的透光率，并极易产生浑浊和沉淀。经果胶酶澄清处理能除去果酒中的果胶，提

47、高沉淀。经果胶酶澄清处理能除去果酒中的果胶，提高果酒的稳定性。采用传统工艺生产苹果酒果香不足、果酒的稳定性。采用传统工艺生产苹果酒果香不足、新鲜感不强，将果胶酶应用于苹果酒酿造，并辅以其新鲜感不强，将果胶酶应用于苹果酒酿造，并辅以其他工艺改革，不但提高出汁率他工艺改革，不但提高出汁率10.810.814.314.3，提高，提高果汁的过滤效率，缩短苹果酒的贮存期，提高设备利果汁的过滤效率，缩短苹果酒的贮存期，提高设备利用率，进而使苹果汁透光率由用率，进而使苹果汁透光率由30.130.1提高到提高到71.571.5，酿出的苹果酒果香清新、典型性好。酿出的苹果酒果香清新、典型性好。 二、食品保鲜二、

48、食品保鲜常见的保鲜技术主要有添加防腐剂或保鲜剂和冷冻、常见的保鲜技术主要有添加防腐剂或保鲜剂和冷冻、加热、干燥、密封、腌制、烟熏等。加热、干燥、密封、腌制、烟熏等。一种崭新的食品保鲜技术一种崭新的食品保鲜技术-酶法保鲜正在崛起。由酶法保鲜正在崛起。由于酶具有专一性强、催化效率高，作用条件温和等特于酶具有专一性强、催化效率高，作用条件温和等特点，可广泛地应用于各种食品的保鲜。点，可广泛地应用于各种食品的保鲜。酶法保鲜的原理酶法保鲜的原理: :利用酶的催化作用，防止或消除外利用酶的催化作用，防止或消除外界因素对食品的不良影响，在较长时间内保持食品原界因素对食品的不良影响，在较长时间内保持食品原有的

49、品质和风味。有的品质和风味。目前应用较多的是目前应用较多的是葡萄糖氧化酶和溶菌酶葡萄糖氧化酶和溶菌酶的酶法保的酶法保鲜。鲜。 （一）（一）利用葡萄糖氧化酶保鲜利用葡萄糖氧化酶保鲜葡萄糖氧化酶可催化葡萄糖与氧反应，生成葡萄糖葡萄糖氧化酶可催化葡萄糖与氧反应，生成葡萄糖酸，有效地防止食品成分的氧化作用酸，有效地防止食品成分的氧化作用葡萄糖氧化酶可以在有氧条件下，将蛋类制品中的葡萄糖氧化酶可以在有氧条件下，将蛋类制品中的少量葡萄糖除去，而有效地防止蛋制品的褐变少量葡萄糖除去，而有效地防止蛋制品的褐变1、食品的除氧保鲜、食品的除氧保鲜 食品在运输、储藏保存过程中，氧的存在容易引发食品在运输、储藏保存过

50、程中，氧的存在容易引发色、香、味的改变。色、香、味的改变。如花生、奶粉、饼干、冰淇淋、油炸食品等富含油如花生、奶粉、饼干、冰淇淋、油炸食品等富含油脂食品的氧化，导致油脂的酸败，降低营养价值，甚脂食品的氧化，导致油脂的酸败，降低营养价值，甚至产生有毒物质；使受伤的苹果、梨、马铃薯等水果至产生有毒物质；使受伤的苹果、梨、马铃薯等水果蔬菜及草莓酱、苹果酱、肉类等变色，影响商品质量。蔬菜及草莓酱、苹果酱、肉类等变色，影响商品质量。葡萄糖氧化酶可直接加入到啤酒及果汁、果酒和水葡萄糖氧化酶可直接加入到啤酒及果汁、果酒和水果罐头中，不仅起到防止食品氧化变质的作用，还可果罐头中，不仅起到防止食品氧化变质的作用