第五章 酶工程第五 酶工程.doc

第五章 酶工程技术 【典型案例】 图1 啤酒生产线 图2 石油泄漏污染海湾 案例1：酶制剂在啤酒生产中的应用 酶制剂在啤酒生产中的应用较为广泛，酶制剂的使用，能降低啤酒生产成本，在液化、糖化、啤酒澄清、防腐以及防止老化过程中应用效果明显。辅料淀粉的液化一般选用 a-淀粉酶，a-淀粉酶可将淀粉液化成可溶于水的糊精、低聚糖、麦芽糖以及葡萄糖。糖化过程中，辅料的糊化醪（液化）和麦芽中淀粉受到麦芽中水解酶及外加酶制剂作用，形成以麦芽糖为主的可发酵性糖。这一过程添加的酶有：β-淀粉酶、糖化酶、支链淀粉酶、半纤维素酶等。啤酒在贮存过程中，由于环境条件的作用，如光照、氧气、震动等，会产生浑浊、沉淀等现象。此类浑浊的形成，和啤酒中残留的蛋白质关系密切，严重影响啤酒的质量和在市场上的竞争力。添加蛋白酶可分解啤酒中的大分子蛋白质，有效去除啤酒中的沉淀物，澄清过程中主要用到的酶有木瓜蛋白酶、、生姜蛋白酶和中性蛋白酶。超氧化物歧化酶和葡萄糖氧化酶可防止啤酒中风味老化物质的前提被氧自由基氧化而造成啤酒老化。同时，为了啤酒防腐保鲜，可在啤酒生产的发酵期、包装过程中添加少量溶菌酶，溶菌酶可作用于革兰氏阳性菌细胞胞壁的 N-乙酰胞壁酸与N-脱氢基葡萄糖之间β-1,4糖苷键，从而破坏细菌细胞壁，使细菌溶解死死亡，但对啤酒酵母不起作用。 案例2：酶制剂在石油废水处理中的应用 石油是含有多种烃类（正烷烃、支链烷烃、芳烃、环烃）及少量其他有机物（硫化物、氮化物、酸类）的复杂混合物。2013年底发生的黄岛石油管道爆炸事件导致胶州湾近1万平方米海域受到石油污染，每年因油轮失事、油田漏油、喷井等事故流入海洋的石油污染物约有1千万吨。目前针对石油生物降解主要集中于具有较强降解能力的菌株的筛选上，然而这些微生物在海水中的繁殖受各种环境条件的影响，繁殖率很低。石油烃降解酶的分离纯化不仅是石油降解工程菌构建的基础，还可直接用于石油的生物降解，提高石油生物降解的效率。目前常用的石油烃降解酶包括甲烷单加氧酶、环羟基化双加氧酶、邻苯二酚双加氧酶、萘双加氧酶等。 以上是酶工程技术在食品生产技术和环境保护方面的二个案例。通过广泛学习和调研，我们还可以了解更多的酶工程技术在我们日常生活中发挥的重要作用。 第一节 概述 酶的概念及酶的研究意义 酶是具有生物催化功能的生物大分子，按照其化学组成，可以分为蛋白质类酶（P酶）和核酸类酶（R酶）。蛋白类酶主要由蛋白质组成，核酸类酶主要由核糖核酸（RNA）组成。 目前已发现的酶有7000种以上。它们分布于细胞的不同细胞器中，催化细胞生长代谢过程中的各种生物化学反应。在直径不足2μm的细菌细胞中，就有1000多种酶参与生物催化反应。细胞生命代谢中的化学反应都是在酶的催化作用之下进行的。没有酶的存在，生命就会停止。 酶与生物科学密切相关。酶既是分子生物学研究的重要对象，又是研究生物学的重要工具。酶作为基因的切割工具具有独到的作用，它能够用于基因分离与重组。在基因工程研究中，多种工具酶相继发现，使得基因体外操作成为现实。工具酶成为基因工程的三大重要支撑技术之一。 对酶的深入研究推动了多种学科的发展，产生了多个交叉新学科。20世纪以来，先后形成了生物化学、生物技术、生物有机化学、生物无机化学、以及仿生学等。其中生物技术占有核心地位，其研究与应用推动了工业、农业、食品环保、医药卫生甚至国防航天事业的快速发展，成为21世纪发展的主导学科之一。酶工程作为生物技术的分支，在上述领域的发展中起到了十分重要的作用。 酶的研究简史 据资料记载，4000多年前的夏禹时代已经出现酿酒技术，酒是酵母发酵的产物，是酵母细胞内酶作用的结果。公元10世纪，我国人民发明了通过霉菌发酵将豆类做成豆酱；3000年前使用麦曲制造饴糖和使用曲类治疗消化不良都是利用淀粉酶和水解酶的作用。 真正出现酶的概念是1878年。当时德国的Kuhne将从麦芽中分离出来的一种能够水解淀粉的物质称为“Enzyme”，后来被翻译为“酶”。1896年德国人Buchner兄弟发现酵母的破碎细胞分离液体与完整酵母一样具有将葡萄糖降解为乙醇和二氧化碳的作用，他们将该物质称为酒化酶。因此比较公认的看法是，酶学的研究是从1896年Buchner兄弟的实验开始的。 20世纪初，酶学得到了迅速发展。一是发现酶的种类越来越多，二是开展了对酶的作用机理研究，如酶反应的条件与反应机制等，同时发现了辅酶在酶催化反应中的重要意义。Michaelis Menton于1913年提出了酶促反应动力学原理——米氏学说。1926年，Summer从刀豆中得到脲酶结晶，经过反复实验证实，酶本身就是一种蛋白质。在后来获得多种酶的结晶后人们接受了Summer的结论。19