酶工程的应用及发展前景.doc

酶工程的应用及发展前景 生物技术一班 41208220 杨青青 酶工程的应用及发展前景杨青青 （陕西师范大学生命科学学院 生物技术专业1201班 ） 摘要：酶工程是现代生物技术的重要组成部分，它作为一项高新技术将为各工业的发展起重要推动作用。本文概要介绍了酶工程的概念，酶工程在农产品加工、医药工业、食品工业、污染治理工业、蛋白质高值化加工等方面的应用以及探讨了在各个工业中的发展前景。 关键词：酶工程、应用、发展前景1、 酶工程的概念 酶是由生物体产生的具有催化活性的蛋白质，它能特定的促成某个化学反应而本身却不参加反应，且具有反应率高、反应条件温和、反应产物污染小、能耗低、反应容易控制等特点。这些特点比传统的化学反应具有较大的优越性。酶的应用不仅可以增强产量，提高质量，降低原材料和能源消耗，改善劳动条件，降低成本，而且可以生产出用其他方法难得到的产品，促进新产品、新技术和新工艺迅速发展。随着现代生物技术的兴起，酶工程技术应运而生，并在制药、食品工业和农产品加工显示出强大的生命力。酶工程就是利用酶催化作用，通过适当的反应器工业化的生产人类所需的产品或是达到某一目的，它是酶学理论与化工技术相结合而形成的一种新技术。酶工程包括自然酶的开发和利用、固定化酶、固定化细胞、多酶反应器（生物反应器）、酶传感器等。二、酶工程的应用以及发展前景 1、酶工程在农产品加工上的应用与前景以前，人们认为氨基酸是人体吸收蛋白质的主要途径。随着研究的发现，蛋白质经消化道中的酶水解后，主要以小肽的形式被吸收，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。生物活性肽是蛋白质中20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。主要是通过酶法降解蛋白质而制得。目前已经从大豆蛋白、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。因为各类蛋白质存在的差异性，所以在生产活性肽方面有略微的不同。不论哪种方法，都会用到一定的酶类水解蛋白质。比如：文献报道采用中性蛋白酶、木瓜蛋白酶水解大豆蛋白，配合活性炭的吸附处理、超滤、真空浓缩和喷雾干燥等工艺可以消除由于疏水性肽带来的苦味；在玉米蛋白生产或形态的过程中，通过选择不同的酶和控制不同酶解条件可以释放出具有不同活性的多肽。同时，科研人员发现碱性蛋白酶单一水解玉米蛋白效果比复合酶好；近年来，许多科学家利用酶工程技术从海洋动物中分离活性肽，并且取得了很大的进展，这些活性肽参与生物体的重要生命活动，具有重要的基础研究和应用价值。在酿酒过程中，酶工程与传统生产工艺结合，在保证啤酒质量的同时，又降低了成本，具有显著的经济效益。在此过程中，酶的作用不可小觑。目前，糖化酶和液化酶是白酒黄酒酿造中的主要用酶，而通过酶的固定化技术将他们固定在载体上，效果更好。以淀粉为原料生产低聚糖类产品大部分采用酶工程来制备。除此之外，酶工程也大量用来生产多种氨基酸。如：L-异亮氨酸、L-苯丙氨酸。中国有大量丰富的蛋白质资源，但是利用率不高，不仅造成了资源浪费，也造成了环境污染。生物界已经发现的上千种酶中百余种用于工业生产，但农产品加工中的应用仅有几十种，所以，利用酶工程技术进行农产品原材料的加工，开发新产品，探索新工艺中，具有巨大的潜力。2、酶工程技术在医药工业中的应用及展望现代酶工程具有技术先进、投资小、工艺简单、能耗量低、产品效率高、收率高、污染小等优点。以往采用传统技术生产的药品，皆可通过现代酶工程生产，甚至获得传统技术不可能得到的昂贵药品。如：胰岛素、McAb等。应用酶工程制备生物代谢产物，如：生产抗菌素、色素、生物碱、性引诱剂、信息素等生物次级代谢产物；应用酶工程技术转化甾体，利用微生物酶工程技术不仅研究提高某一步转化反应的专一性和收率或寻找某一转化反应替代某一个用化学合成法难以进行的反应，而且进一步综合应用了酶抑制剂、生化阻断突变株和细胞通透性的改变等生物技术从而得到了一些关键的中间体，容易合成相应的所需产品；应用酶工程生产抗生素，氨基酸和有机酸，以及维生素；应用酶工程生产核苷酸类药物。酶工程在医疗中也有很好的应用。由于外源性酶在体内易产生免疫反应，稳定性差，难以达到稳定部位，因此固定化酶、人工细胞、脂质体及红细胞膜包埋酶工程技术在临床治疗中的应用日趋活跃。将固定化酶应用与体内作为治疗药物；将固定化酶组装成体外生物反应器，通过体外循环作为临床治疗剂。如：用脲酶和尿酸酶治疗肾衰竭和痛风症，用固定化胆红素氧化酶清除血液中过多的胆红素。酶工程作为生物工程的重要组成部分，其作用之重要、研究成果之显著已为世人所公认。21世纪酶工程的发展主题是 来芸 酶工程的发展热点 生物传感器J科技前沿:新酶的研究与开发、酶的优化生产和酶的高效应用，除采用常用技术外，还要借助基因组学和蛋白质组学的最新知识，借助DNA重排和细胞、噬菌体表面展示技术进行新酶的研究与开发。目前最令人瞩目的新酶有核酸类酶、抗体酶和端粒酶等。要采用固定化、分子修饰和非水相催化等技术实现酶的高效利用，将固定化技术广泛用于生物芯片、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，使酶工程技术在医药工业中发挥更大的作用。3、酶工程在食品工业的应用与展望 食品行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应用化、固定化酶反应器的推广应用，促进了食品添加剂的新产品的开发、产品品种增加、质量提高、成本下降。还有些酶本身就是保健食品重要的功效成分，如超氧化歧化酶等，为食品工业带来了巨大的社会经济效益。酶工程在食品添加剂开发中的应用广泛。海藻糖是一种新型的多功能食品添加剂。从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; 刘雄、闽健全.米糠蛋白的功能特性和应用，粮食与饲料工业.2001，12 : 3537用酶法提取的米糠蛋白的溶解性、起泡性、乳化特征和营养特征等蛋白功能特性上表现出良好性能，不仅可以作为食品的营养添加剂，还可以作为食品中的风味增强剂;SOD具有抗氧化、抗辐射和抗衰老的功效，是一种颇受关注的酶，其主要从动物血液中分离纯化得到。 张毅、李弘剑.大蒜细胞培养及超氧化物歧化酶产生的研究，华南理工大学学报.1993,21（3）：9194实验结果表明果胶酶等生物刺激剂可明显提高SOD的生成率，这些为大蒜细胞SOD的工业化生产打下了基础; 张文启.现代生物技术在食品香料开发中的应用，中国食品添加剂，2001,1：3844据报道酶法奶类香精是以稀奶油或奶油为原料，通过脂肪酶或接入某种微生物，使乳脂肪分解，从而得到增强许多倍的乳香原料。广州百花香料股份有限公司采用酶法水解黄油，生产系列奶类或乳化牛奶香精，取得了良好的经济效益。 许剑秋.酶法生产米蛋白优良食品添加剂，25采用酶法生产工艺，以饴糖生产的下脚料为原料，酸性蛋白酶生产米蛋白，生产的米蛋白可以作为食品工业上幼优质的乳化剂。在功能成分上的应用酶工程也发挥着很大的作用。综上所述，酶工程技术在食品添加剂生产中已经取得广泛的应用，固定化酶和细胞技术走向成熟，并已获得显赫的经济效益和社会效益。开发新的酶源和酶的新用途的研究不断增添食品添加剂的新品种，固定化方法和固定化载体材料不断更新，为食品添加剂工业生产的连续化和自动化创造了条件，降低了生产成本。非水相酶催化反应的理论和应用研究为食品添加剂的品种增加、产品结构改变开辟了新渠道。可以预期，在以后食品工业中酶工程会取得更广泛的应用，促进食品工业的迅速发展。4、酶工程在污染治理上的应用及发展与传统的物理化学过程和生物处理过程相比，酶处理有机废水有以下几个优点：（1） 能处理难以降解的有化合物；（2） 高浓度和低浓度废水都是用；（3） 操作时的pH、温度和盐度的范围都很宽；（4） 不会因为生物物质的聚集而减慢处理速度，处理过程中的控制简便易行；（5） 不易被有生物毒性的物质所抑制；（6） 具有固定化酶的反应器抗冲击能力强。这些酶包括辣根过氧化物酶、木质素过氧化物酶、聚酚氧化酶和漆酶，它们可以处理含酚废水及含难降解的芳香族化合物废水，造纸废水。氰化物酶可以处理含氰废水等。与国外相比，我国酶工程在环境治理方面的研究与开发，仍有较大差异，特别是在高产菌柱的选育、酶制剂的制备工艺、产品质量等方面。在固定化酶和固定化细胞的研究与开发也要加强，并争取能较广泛的用于污染治理。利用酶制作的生物传感器在环境污染监测中应用越来越广泛，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径，是治理难降解有毒污染的重要放法。5、酶工程在蛋白质高值化加工中的应用及发展 酶工程技术在农牧业产品源加工方面应用越来越广泛，特别是在蛋白质高值化方面。利用酶工程技术，可以将廉价的蛋白质转化成具有生物功能的活性肽，提高其经济价值。蛋白质的高值化加工是利用现代生物技术将廉价的蛋白(如：玉米蛋白、乳清蛋白）及营养蛋白生产转化具有生物活性功能的多肽或寡肽，或改善蛋白质的营养特性和物理性状，提高其经济价值。在蛋白质高值化加工过程中，酶工程技术起着重要的作用。目前，在蛋白质高值化加工方面，主要采用酶工程技术，生产的产品主要是生活活性物质，此种方法不仅可以生产具有功能性的食品蛋白产物而且不会损坏其营养价值，可释放出各种为人类所需的生物活性肽之外，将事物降解为不同肽类还可以使其更加容易消化。目前市场已经销售的蛋白质高值化产物主要有降压肽、酪蛋白磷酸肽、二肽甜味剂。随着酶工程的发展，若鞥解决水解物不良风味、产品的安全性以及产品的稳定性问题，其在蛋白质高值化加工放面会有更广阔的前景。参考文献：1、刘雄、闽健全.米糠蛋白的功能特性和应用，粮食与饲料工业.2001，12 : 35372、张毅、李弘剑.大蒜细胞培养及超氧化物歧化酶产生的研究，华南理工大学学报.1993,21（3）：91943、张文启.现代生物技术在食品香料开发中的应用，中国食品添加剂，2001,1：38444、许剑秋.酶法生产米蛋白优良食品添加剂，255、杨淑芳、农业工程技术，酶工程在农产品加工上的应用6、胡志和、王昌路、食品科学，酶工程在蛋白质高值化上的应用7、范卫平、欧阳平，食品工业科技，酶工程技术在食品添加剂中的应用