食品与酶工程复习课件

? 第一节 酶工程概述 ? 一、概念

? 酶(enzyme)：活细胞产生的具有高度催化活力和高度专一性的生物催化剂

? 具有催化功能的蛋白质：高效、专一、温和。

? 酶工程(enzyme engineering)：又称酶技术，指酶的生产，以及利用酶催化的作用，

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

? 它是将酶学理论与化工技术相结合而形成的一种新技术 ? 酶学：是酶工程的基础，主要探讨酶的特性与本质问题

? 酶工程：研究酶的发酵生产与分离纯化、酶分子修饰、酶固定化技术、酶非

水相催化以及酶应用等。

? 酶是由活细胞产生的具有生物催化功能的生物大分子（蛋白质或RNA）。

? 主要由蛋白质组成——蛋白类酶（P酶） ? 主要由核糖核酸组成——核酸类酶（R酶）

? 五、酶工程的分类和内容 ? 1.化学酶工程

? 自然酶：由生物材料中分离出来的酶制成的酶制剂。

? 化学修饰酶：通过酶分子的化学修饰达到改性变构的目的。

? 固定化酶：酶分子通过吸附、交联、包埋及共价结合等方法束缚于某种特定支持物

上发挥酶的作用。

? 人工合成酶：化学合成具有与天然酶相似功能的催化物质，可以是蛋白质，也可以

是简单的大分子物质。 ? 2.生物酶工程

? 是酶学和以基因重组技术为主的现代分子生物技术结合的产物，亦称高级酶

工程。

? 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）

? 设计新酶基因，合成自然界不曾有的酶（新酶）

? 3.酶技术的应用 ?

? 第二节 酶的生产与分离纯化 ? 一、动植物细胞培养产酶 ? 二、微生物发酵产酶（*） ? 三、酶的分离纯化（*） ? 获得酶制剂的途径

? 从生物细胞内生物合成或直接提取分离获得 ? 从微生物发酵生产制取特定的酶（*）

（3）植物细胞培养产酶的工艺条件控制

? 培养基：大量无机盐；多种维生素和植物激素；无机氮源；碳源（蔗糖） ? 温度和pH: 20-30℃（温高利生长，温低利次级代谢产物积累）；pH5-6 ? 溶氧量：通风/搅拌（分散细胞，避免剪切损伤）

? 光照：多数植物细胞的生长和次级代谢产物的产生要求一定波长的光照，但光照强

度和时间不同

? 前体和刺激物的添加：目标物代谢上游物质；促进细胞向目标刺激代谢物方向发展 （3）动物细胞培养产酶的工艺条件的控制

? 培养基：氨基酸、血清、无机盐、葡萄糖、激素、生长因子 ? 温度：哺乳动物37℃，耐低温

? pH：7.0-7.6，加入缓冲液防止pH变化 ? 渗透压：胞内外等渗状态，700-850kPa

? 溶氧量：供氧不足生长受抑，过量产生毒害

? 二、微生物发酵产酶

? 微生物发酵产酶是工业产酶的最主要方法

? 酶的品种齐全

? 微生物种类繁多

? 酶的产量高

? 繁殖快，发酵周期短

? 生产成本低

? 培养原料相对比较低廉

? 便于提高酶制品获得率

? 微生物适应性强，可通过适应、诱变等方法培育高产菌株，结合基

因工程、细胞融合等现代生物技术可是微生物按意愿产出目的酶

1.常用的产酶微生物

? 作为酶制剂的生产菌

? 不能是致病菌。在系统发育上与病原体无关，不产生毒素，不影响环境，也

不对酶的应用产生其他不良影响 ? 不易退化，不易感染噬菌体 ? 产酶量高，且最好产胞外酶

? 能利用廉价的原料，发酵周期短，易培养

菌样采集→菌种分离→纯化→生产性能鉴定

? 3.发酵产酶工艺条件及控制 （1）培养基

? 碳源：营养要求、代谢调节、价格、来源

? 淀粉或其水解物

? 链霉菌生产木糖异构酶需要D-木糖或木聚糖 ? 淀粉诱导α-淀粉酶合成，果糖抑制 ? 氮源：自养型-无机氮；异养型-有机氮

? 较低C/N前期利于蛋白酶合成，后期pH高抑制其积累

（1）培养基

? 无机盐：提供无机元素，调节pH、氧化还原电位和渗透压

? 参与细胞构成：S、P

? 酶分子组成： S、P、Ca、Zn ? 酶激活剂：K、Mg、Zn、Fe

? 生长因子：生长繁殖必须的微量有机化合物，包括氨基酸、嘌呤、嘧啶、维

生素等

? 调节微生物代谢，提高产酶量 ? 作为辅酶的构成成分

（2）pH

? 不同细胞的生长繁殖最适pH不同

? 细菌和放线菌为中性-碱性；霉菌和酵母偏酸

? 发酵产酶的最适pH和生长最适pH有所不同

? 产酶最适pH通常接近与该酶催化反应的最适pH

? 控制培养基pH可调节产不同酶的产量比例

? 细胞生长繁殖和代谢产物积累导致培养基pH变化，抑制菌体甚至致死

?

（3）温度

? 不同细胞的生长繁殖最适温度不同

? 枯草杆菌34-37℃；黑曲霉28-32℃

? 发酵产酶的最适温度和生长最适温度有所不同

? 生长最适温度往往较高

? 细胞生长和发酵产酶过程中培养基的温度是变化的

? 新陈代谢放热使温度升高 ? 热量扩散导致温度不断下降

（4）溶氧量

? 培养基中细胞一般只能吸收和利用溶解氧，溶解氧是好气发酵控制的重要参数之一

? 调节因素：通气量、氧分压、搅拌转速、气液接触时间和面积、培养液的性

质

（5）发酵时间

? 大多数胞外酶的合成和菌体的生长有关

? 生长停止时的酶产量往往达最大

? 继续培养，酶产量往往以不同速率逐渐下降

? 4.提高酶产量的措施

? 酶合成主要取决于转录的速度，调控环节为转录，原核细胞的调控目前接受的是操

纵子模型。

? 操纵子(Operon)是由结构基因、操纵基因和启动基因等组成的染色体上控制蛋白质

合成的功能单位。 ? ①添加诱导物

? 有些酶在通常情况下不合成或很少合成，加入诱导物后能大量合成的现象，

即诱导作用，合成的酶称诱导酶

? 酶的诱导：调节蛋白-阻遏物；诱导物-效应物

? 没有诱导物时，调节蛋白直接和操纵基因结合，阻遏酶的合成 ? 诱导物存在，结合调节蛋白产生变构效应，不能结合操纵基因，酶

得以合成

? ②控制阻遏物浓度

? 末端代谢产物阻遏：在生物的生长发育过程中，原以一定速率合成某些酶，

当这些酶催化生产的产物过量积累时，这些酶的合成受到阻遏，也称反馈阻遏

? 通过控制产物浓度消除

? 分解代谢产物阻遏：有些酶，特别是参与分解代谢的酶，当细胞在容易被利

用的碳源（葡萄糖）上生长时，其合成受到的阻遏，也称葡萄糖效应

? 采用难以利用到的碳源（淀粉），或分批加入碳源降低浓度消除影响

? ③添加表面活性剂

? 离子型：阳离子型、阴离子型和两型离子型

? 对细胞有毒害作用（季铵型），限制用于酶生产

? 非离子型：吐温（Tween），特里顿（Triton）

? 可聚积在细胞膜上，增加细胞通透性，有利于酶分泌提高产量 ? 控制最佳浓度范围

? ④添加产酶促进剂

? 系指可以促进产酶，但作用机理并未阐明清楚的物质

? 1.抽提

? 酶的提取过程是在一定条件下，用适当的溶剂处理细胞破壁后的含酶原料，使酶充

分地溶解到提取液中的过程。

? 盐溶液提取法 ? 碱溶液提取法 ? 有机溶剂提取法

? 控制温度和pH值，添加适量保护剂，提高提取率并防止酶失活

? 2.纯化

（1）根据酶分子溶解度不同的方法

? 通过改变某些条件，使溶液中某种物质的溶解度降低，从溶液中沉淀析出，达到与

其他物质分离的目的。

? 盐析沉淀法

? 2. 常用盐：硫酸铵、硫酸钠、氯化钠和磷酸钠等，其中以硫酸铵最

为常用；

? 盐析沉淀所得到的产品常含有大量盐分，可用超滤或层析等方法脱

盐，使酶进一步纯化。

? 等电点沉淀法

? 利用蛋白质在等电点时溶解度最低，以及不同的蛋白质具有不同的

等电点这一特性，对酶进行分离纯化的方法。经常与盐析沉淀、有机溶剂沉淀等方法一起使用，使其沉淀完全。

? 有机溶剂沉淀法

? 利用酶在有机溶剂中溶解度不同而使其分离。常用有机溶剂：乙醇、

丙酮、异丙酮等。

（2）根据酶分子大小和形状不同的方法

? 离心分离法

? 在酶的提取分离纯化过程中，细胞收集、细胞碎片和沉淀的分离以及酶纯化

等要使用离心分离。

? 体积排阻法

? 利用溶液中各组分相对分子质量不同来进行分离的一种方法。常用凝胶：葡

聚糖凝胶（Sephadex）、琼脂糖凝胶（Sepharose）和聚丙烯酰胺凝胶（Biogel）等。

? 超滤

? （1）在一定的正压力或负压力驱动下，将料液强制通过一定孔径的超滤膜，

部分小分子溶质和溶剂透过膜而成为超滤液，大分子酶和蛋白质等物质被截留，从而达到分离纯化目的，也可用于酶液的浓缩和脱色；

? SDS-PAGE

? （1）带电粒子在电场中向着与其自身所带电荷相反的电极移动的过程； ? （2）在外电场作用下，电泳迁移率主要依赖于酶的相对分子质量，与所带