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酶工程发展概况及应用前景


酶工程发展概况及应用前景
酶工程发展概况及应用前景

【前言】 早在几千年我们的祖先就曾有酿酒、制醋、做酱的记载,所有这些,实际上都是酶 知识的应用。 但是,有关酶知识的自觉应用和深入研究,是从 19 世纪末期开始的。 此后,随着酶生产的不断发展,酶的应用越来越广泛。 现在,酶工程已在医药、食品、工业、农业、饲料、环保、能源、科研等领域广 泛应用。成

为基因工程、细胞工程、蛋白质工程等新技术领域的科学研究和技术 开发中不可取代的工具。 【发展现状】 一、酶工程技术在医药工业中的应用 现代酶工程具有技术先进、投资小、工艺简单、能耗粮耗低、产品收率高、效率 高、效益大和污染小等优点,成为化学、医药工业应用方面的主力军。以往采用 化学合成、微生物发酵及生物材料提取等传统技术生产的药品,皆可通过现代酶 工程生产,甚至可获得传统技术不可能得到的昂贵药品,如人胰岛素、McAb、IFN、 6 一 APA、7 一 ACA 及 7 一 ADCA 等【1】。固定化基因工程菌、工程细胞以及固 定化技术与连续生物反应器的巧妙结合,将导致整个发酵工业和化学合成工业的 根本性变革 1、应用酶工程生产抗生素 应用酶工程可以制备青霉素酞化酶、头抱菌素酞化酶、头抱菌素、头抱菌素酞化 酶、青霉素酞化酶、脱乙酸头抱菌素、头抱菌素乙酸醋酶,近年来还进行固定化 产黄青霉青霉素合成酶系细胞生产青霉素的研究,合成青霉索和头抱菌素前体物 的最新工艺也采用酶工程的方法。

2、应用酶工程生产维生素 制造 2 一酮基一 L—古龙糖酸 【山梨糖脱氢酶及 L 一山梨糖醛氧化酶】 肌醇 、 【肌 醇合成酶】、L—肉毒碱【胆碱脂酶】、CoA【CoA 合成酶系】等。由山梨醇和葡 萄糖生产维生素及丙烯酸胺的生产也采用酶工程的方法四。

二、酶工程技术在农业中的应用 由于酶制剂主要作为催化剂与添加剂使用,从而带动了许多产业的发展。应用酶 工程对农产品进行深加工,是人们努力的一个方向。乳制品加工则需要用凝乳酶 和乳糖酶。此外,酶工程在饲料加工领域也有重大应用。

1、酶工程应用于农产品的深加工 利用 α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶的催化功能,以玉米淀粉等为原 料生产高果糖浆等。乳制品加工则需要用凝乳酶和乳糖酶。农副产品的加工和综 合利用需要用纤维素酶、 果胶酶和木质素酶。 此外, 从木瓜中提取的木瓜蛋白酶, 提高活性和固定化以后,可以被用来酿制啤酒和制造果汁。

2、酶工程在用农产品开发生物活性肽方面的应用 以前,人们认为氨基酸是人体吸收蛋白质的主要途径,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。这一发现,启发了科研工作者采用酶工程技术用蛋白质生产生物活性肽的新 思路。【2】 生物活性肽是蛋白质中 2 0 种天然氨基酸以不同排列组合方式构成的从二肽到复 杂的线性或环形结构的不同肽类的总称,是源于蛋白质的多功能化合物。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。目前已从大豆蛋白、玉米蛋白、牛奶蛋白、水产蛋白的酶解 物中制得一系列功能各异的生物活性肽。

3、酶工程在饲料工业中的应用 动物体由于不能分泌分解纤维素、半纤维素、木质素、果胶等植物细胞壁物质的 酶系,因此动物自身不能消化利用这些物质,只能通过瘤胃和大肠微生物利用上 述部分物质。植物细胞壁非淀粉多糖降解酶可降解畜禽消化道内的非淀粉多糖, 降低肠道内容物的粘性,促进营养物质的消化吸收,减少畜禽下痢,从而促进畜 禽生长和提高饲料利用率。据赵长友【3】报道,利用纤维素复合酶作为半干贮 添加剂可提高半干贮饲料的营养成分。蛋白质含量提高,粗纤维含量下降,半干 贮品质得到改善, 获得了色、 味、 嗅、 质地及完好率均为上乘的优质半干贮饲料, 并可抑制霉菌生长、防止腐败和延缓二次发酵,提高了半干贮饲料的完好率和利 用率【4】。

三、酶工程技术在食品工业中的应用 酶工程技术广泛应用于食品添加剂生产,不断开发新酶源,研制新产品,固定化酶 反 应器使生产连续化,设备小型化,生产成本降低,产品易纯化,收率提高。 酶工程技 术在这个生产 领域显示了很大的使用价值和应用潜力。

1、酶工程在甜味剂生产中的应用 应用海藻糖是一种新型的多功能食品添加剂。张海平和杨静【5】从中国土样中 筛选分离得到能产生淀粉转化为海藻糖的酶菌柱,并利用该菌柱生产的酶进行淀 粉合成海藻糖。产物海藻糖在反应混合物中的含量可达 48%。薛璐和马莺【6】 研究了在不易破壁取得胞内海藻糖合酶的情况下,采用渗透处理细胞技术生产透 性化细胞酶,并获得了较高的酶活力。海藻糖还可由海藻糖合酶将麦芽糖直接转 化为海藻糖,在海藻糖的工业生产中有着良好的应用前景。

2、酶工程在调味剂生产中的应用 在日本和美国利用酶水解蛋白制取的营养型调味剂和氨基酸复配调味品占调味 剂市场很大的比重。其销售量已超过传统调味剂的数倍。用酶法提取的米糠蛋白 的溶解性、起泡性、乳化特性和营养性等蛋白功能特性上表现出良好性能,不仅 可以作为食品中的营养强化剂,还可以作为食品中的风味增强剂【7】。 3、酶工程在食品抗氧剂生产中的应用 采用低浓度的乙醇、 氨基酸和溶菌酶复酶添加入食品的杀菌防腐的方法越来越受 到人们的重视,并在食品加工业中广泛推广。 随着近年来酒精需求量的上升,固定 化细胞技术应用于酒精工业生产方面的研究也变得非常活跃。 日本协和发酵公司 的固定化酵母连续发酵系统,半衰期可长达 3 个月,酒精产值接近理论值,已进入 工业生产阶段。 酶还可以直接作为食品抗氧防腐剂使用。在食品贮藏中,利用葡萄糖氧化酶、过 氧化氢酶加配葡萄糖、琼脂制成凝胶,封入聚乙烯膜小袋,放入食品的容器,可以 除去残留氧,防止褐变。

四、酶工程技术环境治理中的应用【8】 酶工程技术环境治理中的应用【 随着人类社会的不断发展,工业越来越发达,环境问题随之而来,并变得日 益严峻, 目前, 工业三废对人们日常生活的影响越来越大, 环境问题以不容忽视, 而传统的化学方法显现出了弊端与不足,利用酶工程治理环境得到了人们的青 睐。 1、辣根过氧化物酶 辣根过氧化物酶是酶处理废水领域中应用最多的一种酶。 有过氧化氢存在时, 它能催化氧化多种有毒的芳香族化合物,其中包括酚、苯胺、联苯胺及其相关的 异构体,反应产物是不溶于水的沉淀物。HRP 特别适合于废水处理还在于它能在 一个较宽的 pH 值和温度范围内保持活性。HRP 的很多应用都集中在含酚污染物 的处理方面,使用 HRP 处理的污染物包括苯胺、羟基喹啉、致癌芳香族化合物等。 而且,HRP 可以与一些难以去除的污染物一起沉淀,去除物形成多聚物而使难处 理物质的去除率增大。这个现象在处理含多种污染物的废水时有重要的实际应 用。例如,多氯联苯可以与酚一起从溶液中沉淀下来。

2、微生物脂酶的应用 微生物脂酶(甘油脂水解酶)能催化一系列反应,包括水解、醇解、酸解、酯 化和氨解等。大量的微生物可以用来生产脂酶,其中以假丝酵母、假单胞菌和根 霉为其重要的酶源。 脂酶应用于被污染环境的生物修复以及废物处理是一个新兴 的领域。石油开采和炼制过程中产生的油泄漏,脂加工过程中产生的含脂废物, 都可以用不同来源的脂酶进行有效处理。脂酶被广泛地用于废水处理。Dauberhe 和 Boehnke 研究出一种技术,利用酶的混合物,包括脂酶,将脱水污泥转化为沼 气。 【发展前景】 现在已知的酶的酶有几千种,但是还远远不能满足人们对酶日益增长的需要。随 着科技的发展,人们正在发现更多、更好的酶。其中,令人瞩目的有核酸酶和抗 体酶、端粒酶、糖生物学和糖基转移酶和极端环境微生物和不可培养微生物的新 酶种,此外,新的固定化、分子修饰和非水相催化等技术越来越受到人们关注。 伴随着人类基因组计划取得的巨大成果,基因组学和蛋白质组学的诞生,生物信 息学的兴起,以及 DNA 重排技术的发展,预期在不久的将来,众多新酶的出现将 使酶的应用达到前所未有的广度和深度。 可以预计,随着各种高新技术的广泛应用及酶工程研究工作的不断深入,酶工程 研究和酶制剂工业必将取得更快、更大的发展【9】。可以相信,将来人们可以用 化学的方法随心所欲地构造出各种性能优异的人工合成酶和模拟酶,而且还可以 采用生物学方法在生物体外构造出性能优良的产酶工程菌为生产和生活服务,酶

工程技术必将在工业、医药、农业、化学分析、环境保护、能源开发和生命科学 理论研究等各个方面发挥越来越大的作用。


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