酶工程原理及其在食品工业中的应用

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1、酶工程原理及其在食品工业中的应用第一节酶工程原理和方法（一）酶工程的定义利用酶、菌体细胞具有的特异催化功能，或对酶结构进行修饰改造，并借助于生物反应器和工艺优化过程，有效地发挥酶的催化特性来生产人类所需产品的技术。它包括酶、细胞固定化技术、酶化学修饰技术和酶反应器设计等。一、酶工程概述酶工程是现代生物技术的重要组成部分。以微生物或酶为催化剂进行物质转化的工业生物技术，大规模生产人类所需的化学品、医药、能源和材料等，是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段。酶工程一般工艺流程示意图胞外酶胞内酶菌种→基因改造→发酵→发酵酶液（→预处理→细胞

2、分离→细胞破壁→碎片分离→）提取→精制→酶制剂及其改造酶制剂↓原料→前处理→杀菌→酶反应器→反应液→产品提取→成品（二）酶工程的发展历程1.20世纪50～60年代早期的酶工程技术，主要是从动物、植物和微生物原料中提取、分离、纯化制造各种酶制剂，并将其应用于化工、食品和医药等工业领域。1949大规模工业化阶段（液体深层发酵）细菌淀粉酶2.20世纪70年代后期，酶的固定化技术取得了突破，使固定化酶、固定化细胞、生物反应器与生物传感器等酶工程技术迅速获得应用。1969日本固定化氨基酰化酶，第一次将固定化酶成功地应用于工业生产。——酶工程诞生3.目前，各

3、种酶工程技术已用于制造多种精细化工产品和医药产品，并且在食品工业、化学检测和环境保护等各个领域中得到了有效的应用。酶的非水相催化新酶的开发（三）酶的分类：按酶催化反应的类型分类1．氧化还原酶2．转移酶3．水解酶4．裂合酶5．异构酶6．连接酶（合成酶）1．氧化还原酶(Oxidoreductase)催化氧化-还原反应，转移氢或加氧。主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)、过氧化氢酶、氧合酶、细胞色素氧化酶。如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。2．转移酶(Transferase)转移酶催化基团转移反应，

4、即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。参与生物物质的代谢例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。3．水解酶(Hydrolase)水解酶催化底物的加水分解反应（或逆反应）。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：4．裂合酶(Lyase)裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如，延胡索酸水合酶催化的反应。5．异构酶(Isomerase)此类酶为生物代谢需要对某些物质进行分子异构化，分别进行外消旋、差向异构、顺反异构等，分为差相

5、异构酶、消旋酶、顺反异构酶等6．连接酶（合成酶）(LigaseorSynthetase)合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N以及C-S键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H===AB+ADP+Pi例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸+CO2草酰乙酸酶用于生物催化的概况类别占总酶比例%利用率%水解酶hydrolases2665氧化还原酶oxidoreductases2725转移酶transferases245裂合酶lyases12~5异构酶isomerases5~1连接酶ligases6~

6、1国际系统命名法系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶（-ase）字。酶的系统编号：EC1.1.1.1例如：习惯名称:谷丙转氨酶系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶酶催化的反应:谷氨酸+丙酮酸-酮戊二酸+丙氨酸工业酶制剂的命名和分类分类：碳水化合物酶、蛋白质酶、酯酶和其他酶如α－淀粉酶高转化率糖化酶（葡萄糖淀粉酶）一些习惯归类：1、动物酶、植物酶、微生物酶2、胞内酶和胞外酶3、溶液酶和固定化酶二、酶制剂的生产1.包括菌种的来源、产酶菌种的分离、筛选、育种和酶的发酵生产等。2.酶生产菌的要求（1）不能是致病菌，特别是对食品用酶

7、和医药用酶。目前认为可用于食品工业和医药工业的生产菌种有：枯草杆菌、黑曲霉、米曲霉、啤酒酵母和脆壁克鲁维酵母。（2）不易退化，不易感染噬菌体。（3）产酶量高，而且最好产生胞外酶。（4）能利用廉价的原料，发酵周期短，易培养。3.酶的发酵方法1、固体培养发酵培养基以麸皮、米糠等为主要原料加入其它营养成分，经灭菌、接产酶菌株，在一定条件下发酵，目的获得淀粉酶和蛋白酶，如酒曲生产。2、液体深层发酵液体培养基，在发酵容器中，经灭菌、冷却接入产酶细胞，在一定条件下发酵，是目前酶生产的主要方法。3、固定化细胞发酵三、微生物细胞的破碎胞外酶：能分泌透过细胞壁到细

8、胞外部的酶。胞内酶：存在于细胞内部的酶。对于胞内酶的提取，需要破碎技术，胞外酶则无需破碎。破碎的目的是将细胞壁和细胞膜破坏掉，使胞内物质