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酶工程的发展


酶工程的发展
酶工程, 从定义上来说, 是酶制剂在工业上的大规模应用, 主要由酶的生产、 酶的分离纯化、酶的固定化和生物反应器四个部分组成。简而言之,酶工程就是 将酶或者微生物细胞,动植物细胞,细胞器等在一定的生物反应装置中,利用酶 所具有的生物催化功能, 借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社 会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备,酶的固定化,酶的修饰与

改造及 酶的反应器等方面内容。

酶工程的前景
酶因其反应的专一性,高效性和温和性的特点,已和生物工程,信息科学和 材料科学构成了当今的三大前沿科学。而作为生物工程的重要组成部分,将在未 来的发展中, 在世界科技和经济发展中起着主导和支柱作用。而工业用酶日益广 泛地应用于化学,医药,纺织,农业,日化,食品,能源,化妆品以及环保等行 业。据报道,到 2003 年,欧洲工业用酶的市场增加至 9 亿美元,年增长率达百 分之十;而 2000 年的中国,酶制剂总产量达 272 吨,同比增长 8.8%,可谓发展 迅速,前景十分广阔。

酶工程的发展
酶工程的发展,是一部科学的成长史。在二次世界大战后,酶工程发展成为新 的工业领域—酶工程工业。 酶工程的发展历史从那时算起, 至今已经三十多个年 头了。 六十年代以后, 由于固定化酶、固定化细胞及固定化活细胞的崛起, 使酶 制剂的应用技术面貌一新。七十年代以后,伴随着第二代酶——固定化酶及其相 关技术的产生, 酶工程才算真正登上了历史舞台。固定化酶正日益成为工业生产 的主力军,在化工医药、轻工食品、环境保护等领域发挥着巨大的作用。几十年 来酶制剂的品种和应用不断扩大。不仅如此,还产生了威力更大的第三代酶,它 是包括辅助因子再生系统在内的固定化多酶系统, 它正在成为酶工程应用的主角。 近年来, 国际上酶工程技术发展迅速, 硕果累累,主要有基因工程、蛋白质工程、
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人工合成酶、模拟酶、核酸酶、抗体酶、酶的定向固定化技术、酶化学技术、非 水酶学、 糖生物学、 糖基转移酶、 极端环境微生物和不可培养微生物的新品种等。 以下,将从酶制剂的制备,酶的固定化,酶的修饰与改造及酶反应器的内容展开 酶工程发展现状的描述:

酶制剂:
首先, 在生物界中发现的酶已近3000种, 而应用于酶工程等领域的约2500种。 小批量生产的商品酶有几百种, 大规模生产的有几十种。现已用于工业生产的主 要是:水解酶,凝乳酶,果胶酶,糖苷酶,氧化酶,转移级异构酶等。工业用酶 中60%为蛋白酶(其中洗涤剂用的碱性蛋白酶占 25%;中性蛋白酶占12%;凝乳 酶占10%;碱性蛋白酶占30%;为碳水化合物的水解酶(其中糖化酶占 13%;α 淀粉酶占5% ;葡萄糖异构酶占6%;果胶酶占3%) ;3%为脂肪酶;10%为医药与 分析研究用酶。 六十年代酶制剂的应用, 主要是利用碱性蛋白酶生产洗涤剂。到七十年代已开 始利用葡萄糖异构酶生产高果糖浆和利用淀粉酶生产酒精。 八十年代酶制剂则广 泛应用于食品工业,如淀粉加工, 高果糖浆。乳制品、啤酒、葡萄酒、酒精、糖 果, 果汁及调味品的生产, 果汁苦味的去除夕植物产品的抽提等。化学工业,如 造纸、皮革、洗涤剂、氨基酸和漆的生产, 以及纺织业中生丝、麻的脱胶, 棉布 退浆、废水处理等) ;医疗卫生领域 如治疗低血压、抗血栓形成、抗癌以及抗生 药物的生产,利用酶测定血糖, 尿素、胆固醇、尿留体激素等)和遗传工程 如利 用限制性内切酶、连接酶及“ 剪接酶” 开展基因工程研究。酶给人类创造了极 大的社会与经济效益。 国外酶制剂发展 在国外酶制剂发展中,酶剂发展较快的国家有丹麦、荷兰、美国、日本、西德 和法国等国家。据统计世界各发达国家酶制剂厂的总数约有100家。仅西欧和美 国就有25家, 占三分之一。在25家中, 有9家大公司的产值就占了世界市场的90%。 世界著明的酶制剂公司如丹麦的诺沃公司荷兰的吉斯特公司; 西德设在美国的迈 耳斯公司都是销售额很大的酶制剂公司。诺沃公司酶制剂销售额占世界市场的
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44%,吉斯特公司占12%, 迈耳斯公司占8%。 国内酶制剂发展 对于国内而言,我国酶制剂工业起步较晚, 但近几年来发展迅速。我国于60年 开始建立酶制剂工业。到目前为止, 全国已有大小200余家酶制剂厂和车间。年 产千吨以上的有3家年产百吨以上的约有20家;其余均为年产数十吨的小厂。生 产的酶制剂总计有13种, 主要是糖化酶、 淀粉酶和蛋白酶,还有少量的脂肪酶和葡 萄糖异构酶。1985年全国酶制剂总产量约为2.5万吨, 总产值约1.35万元。其中糖 化酶约4800万吨), 占总产量的54.6%;蛋白酶约6700吨(其中碱性蛋白酶约为 4800吨, 占总产量的27.7%;α 淀粉酶4400吨, 占总产量的17.7%。

酶的固定化
酶固定化的现状 近来, 国外在探索酶蛋白的固定化技术方面, 已经找到几条途径, 使酶蛋白能 够以有序方式附着在载体的表面, 实现酶的定向固定化, 而使酶活性的损失降低 到最小程度。 目前采用的方法有借助化学方法的位点专一性固定化、磷蛋白的位 点专一性固定化、 抗体免疫球蛋白的位点专一性固定化、糖蛋白的位点专一性固 定化、利用基因工程的位点专一性固定化。这种有序的、定向固定化技术已经应 用于生物芯片、生物传感器、临床诊断、药物设计、亲和层析以及蛋白质结构和 功能的研究上。 而细胞固定化技术、固定化多酶技术及反应器、固定化微生物多酶反应系统、 固定化酶-微生物复合物等技术相继发展起来,酶的固定化是这一发展的基础。 自从固定化酶技术问世以来, 已在很大程度上改变了酶工程的面貌, 固定化微生 物细胞又因其制备简单, 成本低廉以及有一套现成可用的多酶系统, 在许多情况 下显示了比固定化酶有更大的优越性。近年随着分子生物学及生物工程的发展, 该技术又向动物细胞、植物细胞、杂交瘤细胞以及其他工程细胞扩展, 同时也对 该技术的发展提出许多新的要求。
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以往报道酶的固定化方法有几百种。 切实可行的主要吸附法、 包埋法、 交联法、 微胶囊法等。其中包埋法是最成功、应用最广泛的方法, 其优点如下:方法简便, 把细胞悬浮物与多聚体或其单体混合, 成胶后即可;固定化条件温和, 因此经常 可以获得高活力的固定化细胞;细胞不漏出;对机械破坏有保护作用;固定化容 量大。 酶固定化的进展 主要体现在以下几个方面: ( 1 ) 新载体 新载体的研制异常活跃如纤维素、 淀粉、 黄原胶、 几丁质、 海藻酸盐、 壳聚糖、 虾青素、琼脂糖、戊二醛、血纤维原、磁性高分子聚合物、离子交换树脂、水合 氧化钛和膜等。 (2)新方法 随着天然酶的开发和工程菌的改造 , 传统固定化方法不断被应用到新酶的固 定化研究上, 同时酶固定化技术也不断取得进展, 一些新技术如磁性技术、分子 沉淀技术及辐射技术等不断运用于固定化酶载体的制备。 例如内蒙古师范大学邱 光亮等采用共价结合与磁性技术相结合的方法固定化了中性蛋白酶 , 华南理工 大学黄惠华等利用氧化低价铁盐制成磁响应微球固定化了菠萝蛋白酶等 , 葛玉 斌等利用分子沉淀技术固定化了双层葡萄糖异构酶 , 江苏省农科院王延春等利 用低温辐射技术制得一种性能优良的高分子聚合物载体, 固定化了酵母细胞。 (3) 新机理 酶的固定化技术经过几十年的研究已经发展成为酶定向固定化技术 , 研究表 明已经有几条途径使酶蛋白能够以有序的方式附着在载体表面 , 从而避免了酶 蛋白的多点附着引起的无序定向和结构变形, 实现了酶的定向固定化, 使酶活性 损失降低到最小程度。目前采用的方法主要有借助化学、磷蛋白、抗体、糖蛋白
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和基因工程的位点专一性固定化等。 这种有序的定向固定化技术已广泛用于生物 芯片、生物传感器、生物反应器、临床诊断、药物设计、亲和层析以及蛋白质结 构和功能的研究。 综上所述, 由于固定化技术向动物细胞、植物细胞、杂交瘤细胞及工程细胞的 延伸, 不但大大扩展了固定化技术的应用范围 , 同时也促进了固定化技术本身 的变革与提高。

酶的遗传修饰与化学修饰:
遗传修饰 酶的遗传修饰是指人为地将酶基因中个别核苷酸加以修饰或置换, 改变酶分 子中某个或几个氨基酸, 使酶变得更有利于人类利用。 酶的遗传修饰有自然和选 择之分: 前者是指用理化诱变因子作用于活细胞使其基因突变 , 然后从突变体 中筛选有用的个体; 后者是利用基因非定点和定点突变技术 , 进行有目的和有 预见的遗传修饰技术, 它是在体外进行基因操作, 按照预定的目标, 通过核苷 酸的置换、 插入或删除获得突变酶基因, 将其移入表达载体获得遗传修饰酶。其 中非定点突变是指那些不能预见确定突变位点的技术, 常用方法有错误渗入与 修复、 化学诱变和寡核苷酸置换等; 定点突变是对已知序列的基因中任意指定位 置进行突变的技术,常用方法有寡核苷酸引物介导的定点突变、 PCR介导的定点突 变及盒式突变等。 酶遗传修饰的新进展主要体现在两个方面: ( 1) 多位点定点突变技术 定点突变是蛋白质工程中采用的重要技术之一, 但以往一般每次只能引入单 点突变, 突变效率较低, 所以对多点突变技术的研究成为当前的研究热点。 例如, 复旦大学谢毅等人在寡核苷酸引物介导的定点突变基础上建立了基因的多位点 定点突变法。

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( 2) 酶定向进化技术 定点突变和非定点突变技术只能对酶蛋白中某些氨基酸残基进行改造, 酶蛋 白的高级结构基本维持不变, 对酶功能的改造非常有限。 不过如果通过多代遗传 将突变积累起来,就可以较好地拓展酶的功能, 这就是酶定向进化技术。由于微 生物代间期非常短, 所以酶的定向进化技术目前备受关注, 例如Arnold 利用此 技术, 在试管中模拟达尔文进化论的关键过程 , 先进行无序突变和重组, 继而 进行筛选, 再通过多代遗传, 就可以筛选到功能大大改进的酶。 酶或蛋白质的定 向进化技术是在蛋白质定点突变技术和蛋白质分子的三维立体结构的计算机辅 助分析技术相互结合和发展下诞生的, 这一技术适用于对那些结构已被解析的 蛋白质家族的蛋白质或酶。 其利用的主要原理有基因嵌合酶、易错PCR 及DNA 体 外随机拼接技术。 利用酶的定向进化技术对酶基因进行遗传修饰可能获得具有特殊性能的突变 酶, 例如用基因嵌合酶技术获得的儿茶酚2, 3- 双氧酶不但具有与原酶相同的 催化活性和特异性, 而且在高温下更稳定; 用易错PCR 技术筛选到的一个枯草 芽孢杆菌蛋白酶突变体 , 催化活性提高了150 倍;Stemmer 等利用DNA 体外随机 拼接技术改造β -内酰胺酶, 获得了一个宿主细胞对头孢霉素抗性提高1600倍的 突变株。 多位点定点突变技术和酶定向进化技术是当今酶工程最集中的研究领域, 可以相信将会得到许多性能优异的突变酶菌株。 化学修饰 酶的化学修饰是指利用化学手段将某些化学物质或基团结合到酶分子上, 或 将酶分子的某部分删除或置换, 改变酶的理化性质, 最终达到改变酶的催化性 质的目的。 目前修饰剂的选用和修饰方法上有较大进展: ( 1) 修饰酶的功能基团, 如氨基、羟基、咪唑基等可离解基团; 有酰化法、烷 基化法、 丹磺酰氯法等, 如抗白血病药物天冬酰胺酶, 经修饰后可使其在血浆中 的稳定性提高数倍。 ( 2) 进行酶分子内或分子间交联, 应用某些双功能试剂分子两端的功能基团如 醛基等可使酶分子内或分子间肽链的两个游离氨基分别发生交联, 主要有右旋
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糖苷溴化氰法、羰二亚胺法、戊二醛法等。例如交联后的人α - 半糖苷酶A, 其 热稳定性和抗蛋白酶的性能都有明显增加。 ( 3) 酶与高分子化合物结合, 主要有聚乙烯醇法、聚顺丁烯二酸酐法等。酶与 高分子化合物结合后, 可以增加酶的稳定性和活力。 例如抗白血病药物天冬酰的 游离氨作用、 酰化反应进行修饰后, 该酶在血浆中的稳定性有很大提高; 胰凝乳 蛋白酶与水溶性大分子化合物右旋糖苷结合后, 其催化活力提高4倍。常用修饰 剂主要有乙酸酐、氮芥类、磷氧酰氯、环氧丙烷、重氮盐类、羟胺等。

酶生物反应器
生物反应工程学科是随着生物技术的发展逐步形成的, 生物反应工程是一门以 生物学, 工程学, 计算机与信息技术等多学科为基础研究生物反应过程中带有共 性工程技术问题的交叉学科, 生物反应工程以生物反应动力学为基础,将传递过 程原理、 设备工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学方法与生物过程方 面的知识相结合,进行生物反应过程的分析与开发,以及生物反应器的设计、操 作和控制等。 而生物反应器指的是生物反应器是利用生物体所具有的生物功能,在体外 或体内通过生化反应或生物自身的代谢获得目标产物的装置系统、细胞、组 织器官等等。 随着生物技术的发展,利用数学、化学工程学、化学工程原理和计算机技术等 进行生物反应过程研究, 使培养操作过程控制更为合理,新的生物反应器不断出 现。

生物反应器的发展
1 、以代谢流分析为核心的生物反应器 长期来发酵过程优化与放大所依据的基本思想和方法是采用经典动力 学为基础的最佳工艺控制点为依据的静态操作方法,实质上这只是化学工 程宏观动力学概念在发酵工程上的延伸。随着过程传感技术和计算机技术
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的发展,国家生化工程技术研究中心设计了一种用于生物过程多尺度研究 的新概念发酵装置,该装置以生物反应器中物料流检测的观点,具有十四 个以上在线参数检测或控制,并集中力量开发了一个适应多种反应器特点, 融合多种过程理论和控制理论,便于发酵过程工艺分析和优化操作的软件 包。在鸟苷发酵过程中,从反应器测量参数上发现了细胞代谢流迁移, 由 此实现了过程优化。该产品先后成功地在青霉素、红霉素、饲料金霉素、 链霉素、黄霉素、泰乐霉素、棒酸、鸟苷、肌苷、基因工程白蛋白、基因 工程疟疾疫苗、基因工程植酸酶、胰岛素原( PIP )、基因工程必特螺旋霉 素等多种产品上发酵优化应用取得了大幅提高发酵单位能力,其优化结果 一般可由几十升发酵罐直接放大到上百立方的工业生产发酵罐。 2 、动物细胞大规模培养生物反应器 研制由于细菌等原核细胞表达系统在转录及修饰方面的缺陷,许多重 要价值的蛋白质,特别是基因工程药物、疫苗、抗体等糖基化的需要,使 哺乳类动物细胞表达系统成了一个更合适的工具,因此,哺乳类动物细胞 表达系统引起了大家重视。以哺乳动物大规模培养技术为基础的生物制药 产业在美国等西方国家得到了迅速发展,数十种产品已进入市场,取得了 巨大的经济和社会效益。国外用于生产的动物细胞生物反应器已趋于大型 化(最大到吨级规模)、多参数与高度自动化的计算机控制系统、以及适 应动物细胞对大型环境因子高敏感性的反应器精巧设计制造,并形成商品 化供应用户。中国自“七五”至“八五”攻关期间立题开展有关动物细胞 生物反应器研究,取得了较大进展,但哺乳类细胞培养技术要求高,技术 壁垒大, 有关公司在未能掌握核心技术的情况下, 单凭模拟很难开展工作。 抗体等其他细胞表达产品,装药量大,中国科研单位已经掌握的早期生物 药开发技术很难应用到新型药物生产工艺上,需要重新摸索;由于细胞株 等上游配套技术的落后、反应器研制技术的差距、以及有关缺乏生化工程 的研究等原因,因而缺乏必要的条件去掌握高表达细胞株构建和大规模细 胞培养技术,难以突破技术瓶颈,中国有关动物细胞生物反应器产业仍近 乎空白。
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3 、带 pH 测量与补料控制的摇床──摇床应用技术的发展 20 世纪三十年代摇床问世以来,摇床就作为生物反应过程中必备的一 种专用设备,用于微生物、动植物细胞菌种筛选、种子扩大培养等。由于 摇床设备的特点,不能实时测量培养过程中的有关参数以及过程补料控制, 因此长期以来一直以摇床的放瓶结果作为实验数据。当用来作为诸如菌种 生理特性变化、培养基成分的作用以及温度、 pH 等环境条件变化等研究的 依据时 , 实际上是一种缺乏过程研究的静态分析方法。这种方法的局限性是 很显然的,例如以这种方法作为菌种选育后技术时,传统摇瓶筛选方法往 往缺乏补料或供氧不足,并不一定处于代谢流分配最合理的状态,由此将 出现严重的高产菌株漏筛现象。因此,国内外有关公司己注意开发带 pH 测 量的摇床,并形成产品。 4 、生物反应器中试系统设计 对于生产量大的传统生物技术产品,为了对已经通过前期研究(实验 室研究和市场分析)的产品进行过程优化研究,在中试规模上达到高生产 水平或质量,并进而为车间生产提供工艺放大依据和设备设计依据,必要 时还可进行小批量生产,提供应用试验样品、或供市场销售的部分产品。 为此,近年来许多有关发酵产品生产的企业迫切需要建立一个多功能的中 试发酵车间。 5 、大型生物反应器设计与制造技术研究 几十年来随着发酵工业的快速发展,发酵工程趋向设备大型化、高效 和自动化。以传统生物技术产品来说,一些氨基酸、抗生素或发酵轻化工 产品都在几十到几百 M3 以上发展,一些原来是小规模发酵罐的老厂搬迁新 厂区,发酵罐的规模也普遍要求放大。基因工程产品一般附加值高,不需 要大型生物反应器,但近年来随着基因工程酶生产技术的发展,如基因工 程植酸酶的研究成功,又由于饲料添加剂的需求量大,用于基因工程高密 度高表达的大型生物反应器研制已势在必行。
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酶的应用现状

酶工程的发展日新月异,现举几个例子更加形象地说明酶工程地应用: 酶工程在污染处理中的作用: 可利用过氧化物酶和聚酚氧化酶处理含酚废水和造纸废水,如辣根过氧 化物酶,木质素过氧化物酶,植物来源的过氧化物酶;酪氨酸酶,漆酶等; 可利用氰化物酶和氰化物水合酶处理含氰废水;利用蛋白酶,淀粉酶处理 食品加工废水;并且,可以通过设计复合代谢途径,拓宽氧化酶的专一性 等基因工程的运用,提高微生物的降解速率 ; 拓宽底物的专一性 ; 维持低浓 度下的代谢活性 ; 改善有机污染物降解过程中的生物催化稳定性等。酶在废 物处理及资源化过程中正在发挥重要作用 , 利用基因工程和蛋白质工程扩 展酶的代谢途经 , 是治理难降解有毒污染物的重要方法。 酶工程在农产品加工上的应用: 随着研究发现,蛋白质经消化道中的酶水解后,主要以小肽的形式吸收,比完 全游离的氨基酸更易吸收利用, 于是采用酶工程技术用蛋白质生产生物活性肽成 了一种新思路。活性肽具有多种人体代谢和生理调节功能,易消化吸收,有促进 免疫、激素调节、抗菌、抗病毒、降血压、降血脂等作用,且食用安全性高。生 物活性肽主要是通过酶法降解蛋白质而制得。 用大豆生产大豆多肽;大豆多肽具有降低胆固醇、降血压和促进脂肪代谢、活 化双歧杆菌等生理功能以及无豆腥味、易溶于水、流动性好等良好的加工性能, 可作为优良的保健食品素材。目前酶水解法是生产大豆蛋白肽的主要方法。 用玉米生产玉米多肽。 玉米多肽主要来自玉米蛋白的水解产物,是由分子量很 小但活性很高的短肽分子组成。玉米多肽易消化、吸收,具有消除疲劳、抗高血 压和醒酒的功能, 可用于功能食品的开发。制备玉米多肽通常采用的方法有酸碱 降解法、微生物降解法和酶解法。 用水产蛋白生产降血压肽。 利用酶工程技术从鱼、虾蛋白中酶解制取了降血压 肽,可抑制血管紧张素转移酶活性,从而起到降低血压作用。如用金枪鱼蛋白制
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取的C8 肽,用沙丁鱼蛋白制取的C11 肽,用南极磷虾蛋白制取的C3 肽。另外, 人们利用谷蛋白酶解制取了类吗啡肽,该肽具有镇痛和促进胰岛素分泌等功能; 利用卵蛋白酶解制取了具有提高免疫调节功能的卵白肽等。 酶工程在饲料工业中的应用 运用酶技术可以获得大批量的饲用酶;利用酶的催化作用,可以将相应的原料 转化为有用的饲料添加剂。 饲用酶的作用主要有三个方面:一是补充动物自身消 化酶分泌的不足, 防止生产性能下降;二是添加动物体内缺乏的植物细胞壁物质 分解酶和植酸酶等, 扩大动物对饲料养分的利用范围,提高对非常规饲料的利用 率; 三是提高营养物质特别是氮和磷的消化利用,可以有效地减少饲料成分大量 排放造成的养殖业环境污染。 应用于饲料中的酶有淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、脂肪 酶及植酸酶等。由于酶的有效生物性,它在饲料工业中的应用越来越多,国内外 已有专业生产饲料酶的企业, 饲料酶在饲料添加剂中所占的份额越来越大。随着 科技的发展,基因工程酶、固定化酶等将以量大、成本低、活性高等优势,越来 越被饲料厂和养殖户所应用,在饲料工业中将发挥更大的作用。

酶工程在食品领域的应用 酶是活细胞产生的具有高效催化功能、 高度专一性和高度受控性的一类特殊蛋 白质。 其催化作用的条件非常温和, 可在常温、常压下进行, 又有可调控性, 因 而食品工业是应用酶工程技术最早和最广泛的行业。 近年来, 由于固定化细胞技 术、 固定化酶反应器的推广应用, 促进了食品新产品的开发, 产品品种增加, 质 量提高, 成本下降, 为食品工业带来了巨大的社会经济效益。 固定化葡萄糖异构酶在高果糖浆生产中的应用;利用固定化酶用于水解牛奶 中的乳糖,从而促进人体对乳糖的分解吸收,防止腹泻以及腹痛的发生; 果蔬加工中的应用。随着人们对天然健康食品的不断需求, 近年来, 采用果 胶酶和其他的酶( 如纤维素酶等) 处理可以大大提高出汁率, 简化工艺步骤,并 且可制得透明澄清的蔬菜汁。
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焙烤食品中的应用。酶在烘烤食品方面, 可以增大面包体积, 改善面包表皮 色泽, 改良面粉质量, 延缓陈变, 提高柔软度,延长保存期限。脂肪氧化酶添加 于面粉中, 可以使面粉中的不饱和脂肪酸氧化, 同胡萝卜素发生共扼氧化作用 而将面粉漂白。 食品保鲜方面的应用。生物酶用于食品保鲜主要就是制造一种有利食品保质 的环境, 它主要根据不同食品所含的酶和种类, 而选用不同的生物酶, 使食品 所含的不利食品保质的酶受到抑制或降低其反应速度, 从而达到保鲜的目的。 例 如葡萄糖氧化酶加在瓶装饮料中, 吸去瓶颈空隙中氧而延长保鲜期 ; 溶菌酶对 革兰氏阳性菌有较强的溶菌作用, 用于肉制品、干酪、水产品等的保鲜; 细胞壁 溶解酶可消除某些微生物的繁殖 , 已被用作代替有害人体健康的化学防腐剂 , 对食品进行保鲜储藏。 酶工程在中药有效成分提取及转化中的应用 随着中药现代化的发展, 一些高新技术已应用于有效成分的提取与分离,并取 得了显著成效。尤其是酶工程技术,具有反应特异性高、条件温和且易于控制等 优点。中药中很多高活性成分属于痕量物质,而其生理活性与结构紧密相关。通 过酶催化反应, 也可能使一些较低或无生理活性的成分结构发生转变,成为高活 性分子,从而大幅提高提取物的生理活性及应用价值,促进工业化生产。 酶工程在中药提取中的应用; 用于中药有效成分的提取。 选用恰当的酶,无需高温即可将影响液体制剂的杂 质如淀粉、蛋白质、果胶等分解去除,较温和地分解植物组织,加速有效成分的 释放提取, 也可促使某些水溶性不好的成分转化为糖苷等易溶于水的成分,有利 于提取,生物催化活性专一。 用于提取液的精制; 例如针对中药水提液中所含的杂质类型,采用相应酶将其 降解为小分子物质或分解除去,可解决上述问题,并改善中药口服液、药酒等液 体制剂的澄清度,提高成品质量。

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酶工程在中药活性成分转化中的应用 高含量的中药成分转化成微量的有效活性成分, 例如采用皂苷酶处理人参中常 见组分Rb、Rc、Rd等二醇类皂苷生产Rh2等稀有皂苷。酶处理生产Rh2等的转化 率在60%以上, 比从红参中直接提取提高了500~700倍。对中药成分进行结构修 饰; 例如通过结构修饰可获得更有效的成分以提高治疗效果——利用曲霉属霉菌 产生的诱导酶水解淫羊藿苷可制得低糖基淫羊藿苷或淫羊藿苷元,转化率较高。 还有寻找新的天然活性先导化合物,作为药物代谢机制研究的辅助手段等等。

课程建议:

本课程优点: 1. 以生物工程为基础,深入浅出地探讨了生物技术在现今世界的前景与现状, 让人在学习知识的同时, 体会到具体实例模型的形象化和具体化, 收益匪浅。 2. 采用基础和提高,运用相结合的教学模式,同时兼顾了外院的非本专业学生 和本院的本专业学生,既浅显易懂,内容又丰富多彩,意义较大。 3. 采用分小组组织教学的模式,形成较为团结的学习氛围,提高学习的积极性 和团结能动性,提高了小组成员的协作和学习能力,共同进步。 4. 采用小组展示PPT的形式, 让各小组成员各自展示部分知识和生活实例,不仅 提高了展示小组的归纳和展示知识的能力;还增加了课堂的趣味性,提升了 同学们学习知识的积极性和效率性。

参考文献

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附注:详细文献请见附件《生物化工文献》文件夹,均在其中。

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酶的发展现状
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