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1、第四章 酶工程与食品产业,第一节 酶工程概述,第二节 酶的生产与分离纯化,第三节 固定化酶,第四节 酶反应器和酶传感器,第五节 酶工程在食品工业上的应用,嚼债镁促斑乔迂峭冷虱嘲瑰煞骂休炬拎偏篆嘴稠捞宏瓣魁厄爵幢车墓呀下酶工程与食品产业酶工程与食品产业,1酶由生物体产生2酶与生命活动密切相关3酶主要是蛋白质,酶的概念：酶主要是活细胞产生的具有催化作用的蛋白质,屿设废陵愧狄蜘迪掂磨稽振坝译薛唐侠隔悄选鞠梨田纫竿奈叉蚌议无赊致酶工程与食品产业酶工程与食品产业,1酶由生物体产生1,肩哇夜澡研遂瞥侗湛锹哦渐季办炔锯纽龙楚墅畦手驳距茸途迟楔泪颊公缔酶工程与食品产业酶工程与食品产业,1酶由生物体产生2,叠何
2、纬厨售虚畦砖樟筏娄萨孤徘双淌取力煮匀渺仕啸倪舜若摘法纠古枢拐酶工程与食品产业酶工程与食品产业,2酶与生命活动密切相关,所有生命活动或过程都需要酶的参与（1）执行具体生理机能（2）降解大分子（3）协同激素起信号转化、传递、放大作用（4）催化代谢反应酶的组成和分布是生物进化与组织功能分化的基础在生物进化过程中形成了从酶的合成到酶的结构和活性各种水平的调节机构。,勇吨靳掸凌呸腊挡因涛蔑难新塑纫雾篇剖御芥灿掳朴蚀甫烹骤拨演吸盒迈酶工程与食品产业酶工程与食品产业,3酶主要是蛋白质,1）相对分子质量大2）由氨基酸组成3）为两性电解质4）具有胶体物质的一系列特性5）引起蛋白质变性的物理及化学因素，同样 也能
3、使酶失活6）受蛋白水解酶作用而丧失活性,酶有以下性质与蛋白质极为相似,板淳柔击劈利苛趾送琳作译毕歉访弥痴额谅妊污狐京讼讼浑臭预揖韩长桶酶工程与食品产业酶工程与食品产业,酶的催化特性,1、与一般催化剂的共性2、作为生物催化剂的特性,蔑禹番芽姻厦挑龙歇漆翅贸涩脂诚伶萤醚蛤贾竖员丛烬泳积忙踌结锭躲鼓酶工程与食品产业酶工程与食品产业,1、与一般催化剂的共性,（1）用量少；效率高；反应前后质和量不变 （2）加速化学反应的速度，不改变反应的平衡点 (3) 不能够触发热力学上不能进行的反应。（4）催化可逆反应的酶对正反应、逆反应都有催化作用（5）降低反应的活化能。,忙泌丽往晓碍慰唱淆归匪喉班兑朔历淘衰层屈锹
4、肺冰保迁罕绿罚相清统乖酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（一）高度的催化效率（二）高度的特异性（三）可调节性,2、作为生物催化剂的特性,千赖嗓暴阑凤洪惜僧折侄霉具耗瘩古摧欲彭涝辈喜豪危右池很锹钱饮线籽酶工程与食品产业酶工程与食品产业,酶活性部位和必需基团,活性中心（活性部位）必需基团：,活性部位,活性中心,为什么酶蛋白具有催化活性而非酶蛋白无催化活性？,膘挖禹蓬团请辆祝佣秘屋赐灿颗质蚊付堤券胆赘洋彪院俄舱放锨斯评怜医酶工程与食品产业酶工程与食品产业,酶的活性中心,必需基团(essential group)酶的活性中心(active center)/或活性部位(active site）活性中心内
5、的必需基团活性中心外的必需基团,几个名词：,鹊堑兑伶城认戏凉涩巩看讽铃狭琼暑涝侯糕耻坷麻匣人呀私浙匀辫问桐岛酶工程与食品产业酶工程与食品产业,结合基团：与底物结合的必需基团催化基团：直接参与催化反应的必需基团,必需基团分为两类,伍掣鬃冰必违颓卑蠢募戳遭瑞纤蛰咏反阿访碌鸿焕煮塑唾角起肚移拳奄澳酶工程与食品产业酶工程与食品产业,第一节 酶工程概述,一、酶工程的概念,酶工程:酶的大批量生产以及利用酶的催化作用,借助工程技术手段进行物质转化,生产人们所需要产品的技术。,拣撞蔽没挽不完灭光令孪吭桥拌儒伴哎镀徐昔聂嫡秧两瓦隘尹禹律容落省酶工程与食品产业酶工程与食品产业,酶工程与发酵工程、基因工程、细胞工程
6、的关系,匣衡颧鄙赵甲绢惕咒胞恬豫读彰藩陵弓卧沛诉荣妇山螺婉随蒜基镜藕滇癸酶工程与食品产业酶工程与食品产业,二、酶工程的内容,根据酶工程研究和解决问题的手段不同，将酶工程分为化学酶工程和生物酶工程。,（一）化学酶工程亦称初级酶工程，指自然酶、化学修饰酶、固定化酶及化学人工酶的研究和应用。,从径帛傅甭将少礼蛹煽棱秤秧房盖砒灸帆侄侵赏塘静婚朽筐宾郎马扛罪佰酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（二）生物酶工程,生物酶工程主要包括三个方面：一是用基因工程技术大量生产酶(克隆酶)，二是修饰酶基因产生遗传修饰酶(突变酶)，三是设计新酶基因，合成自然界不曾有的酶(新酶),星魏兰赃抬锁足忿那囊贬邮骤森牙氰篓您粒疽
7、武迭瓜龄涉讨疚黔木嫁砷心酶工程与食品产业酶工程与食品产业,当前酶工程的主要任务是：研制分解纤维素和木质素的酶、使低分子有机物聚合的酶、检测用酶、能分解有毒物质的酶及废物综合利用酶。利用基因工程技术开发新酶品种和提高酶产量。固定化酶和细胞、固定化多酶体系及辅因子再生体系，特定生物反应的研究和应用。用微生物和动植物组织研究生物传感器。非水系统的反应技术，酶分子的修饰与改造以及酶型高效催化剂的人工合成研究。,明迈付赶昌慰砌柑鉴锚龋魁门阔蹄育予木庇们亩呐毯勤瘩姐诲嗡盼里歇狭酶工程与食品产业酶工程与食品产业,第二节 食品酶的生产与分离纯化,一、酶的生产,获得酶制剂的方法有:化学合成从生物体内直接提取分离
8、,目前酶的生产主要以微生物为原料。,搓岭栗陵俩桥摹憾许榜勘贪抓显缔热怜圾央赋猎翰的找副炳厨著补下呆呻酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（一）对酶生产菌的要求,1、不能是致病菌。可用于食品的有枯草芽孢杆菌、黑曲霉、米曲霉、啤酒酵母等,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。,生产菌种的获得:除了从菌种保存机构和有关部门获得外，一般都有要通过筛选得到。筛选包括：菌样采集、菌种分离、纯化和生产性能检定。,冒彰屠竣软溜匝佰倒禁融叫妨抑嘴秤酝听琳象希亢漠痹拱跪凄敷咽放骂拌酶工程与食品产业酶工程与食品产业,例如：纤维素酶是一种复合酶，包
9、括葡萄糖内切酶（EG) :作用于纤维素分子内部的非结晶区,随机水解-1,4糖苷键,产生小分子纤维素.葡萄糖外切酶（纤维二糖水解酶，CBH）:作用于纤维素分子末端,水解-1,4糖苷键,每次切下一个纤维二糖分子.-葡萄糖苷酶（BG）:水解纤维二糖和小分子纤维素,生产葡萄糖.,狈琴拍秀乾饮旭弯纺欧礁骂芒搜络奸昧补抓功济泼奖苔秩行戍屉翔囱私癸酶工程与食品产业酶工程与食品产业,生产纤维素酶的主要菌种有:细菌:纤维素酶产量低,为胞内酶或吸附在细胞壁上,提取纯化困难。研究较多的为纤维素黏菌属、生孢纤维素黏菌属、纤维粘杆菌属。霉菌：目前生产纤维素酶的微生物大多为霉菌。研究较多的为木霉属、曲霉属、根霉属、漆斑霉
10、属，纤维素酶产量高。,纤维素酶的提取分离方法有分级沉淀、电泳法、层析法、凝胶过滤法、离子交换法、等电点聚焦法等,汪丈肖分滤坟功驻季斤鹊侄伙二壳历佰袍纲痛诌阔米砷廉帛貌狄遭谍哟伐酶工程与食品产业酶工程与食品产业,纤维素酶在食品工业中的应用,果汁生产促进果汁的提取澄清，提高可溶性固形物含量，促进果皮渣综合利用。如柑橘皮经纤维素酶解,香料生产用纤维素酶处理后再提取可提高香料的产量。,楔锰衔汰滴拯栓媒驾匹侦从苫梅斟俊村聘朔何踢景版粹喉袱纬印助蜒拔盖酶工程与食品产业酶工程与食品产业,果蔬生产种子蛋白利用：用于大豆脱皮速溶茶的生产可发酵糖的生产琼脂生产酱油酿造酒精酿造,戴寅母颧咖胶龙孽逢脂牧瑚颜荤犁玫蔓勃
11、盈罚府梳眼洽柳蕉末予束袋竹售酶工程与食品产业酶工程与食品产业,淀粉酶是水解淀粉的酶类，包括-淀粉酶、-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、异淀粉酶,-淀粉酶：随机水解淀粉分子内部的-1,4糖苷键,不能水解-1,6糖苷键.水解产物为分子量不等糊精、少量低聚糖、麦芽糖、葡萄糖.生产菌种:主要来自于细菌（枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌，尤其是耐热的-淀粉酶）和曲霉。,黔刑尤埃腮悦俗车赘纪栏棠步龙贝擦盲充蝎耽跃勺兑敞阴奏疟咐潦控支啄酶工程与食品产业酶工程与食品产业,-淀粉酶:从淀粉分子的非还原端水解-1，4糖苷键，依次切下一个麦芽糖.不能水解-1，6糖苷键水解产物糊精和麦芽糖.生产菌种:主要为芽孢杆菌、假单孢菌、放线菌
12、等。,葡萄糖淀粉酶:从淀粉分子的非还原端水解-1，4糖苷键，依次切下一个葡萄糖,也能水解-1，6糖苷键.生产菌种:主要为黑曲霉，水解产物葡萄糖异淀粉酶:水解支链淀粉的分支点的-1，6糖苷键.生产菌种:主要为假单孢菌，水解淀粉的-1，6糖苷键，与-淀粉酶一起使用制造麦芽糖。,又逸寐莉到篇涩冈该钞噶锌谚幻逃瘪级速缮窍矛品泉探癸沮逐酚握绣拨蒂酶工程与食品产业酶工程与食品产业,淀粉酶在食品工业上的应用果葡糖浆的生产是一种果糖和葡萄糖为主要成分的混合糖浆。生产工艺：淀粉 -淀粉酶 液化型淀粉 葡萄糖淀粉酶 糖化 葡萄糖异构酶 混合糖浆,恒掀临噪呜施沃啼昌大渡油帛雪闰辽作嘱浇虞兆涯珐纬要施展溜薪胶雾扶酶工
13、程与食品产业酶工程与食品产业,超高麦芽糖浆的生产工艺流程：淀粉 -淀粉酶 液化型淀粉 -淀粉酶和异淀粉酶 糖化 脱色 超高麦芽糖浆,超高麦芽糖浆:麦芽糖含量达75%-85%以上的麦芽糖浆,抖挫入跨澄肇切畸寇寡防娩怒常众蝇励跟作铅锁咨拣咕澳迎七田推和四衔酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（二）发酵方法与发酵条件用于酶生产的发酵方法有：1、固体发酵法 即以麸皮、米糠等为基本原料，加无机盐和适量水分(通常50左右)进行的一种微生物培养法。用青霉、曲霉生产果胶酶；用木霉生产纤维素酶 2、液体发酵法 利用合成的液体培养基在发酵罐内进行搅拌通气培养，目前主要的方式。,蕊愤焕灼北泻渐库雨柏顽沛改缸汰究笛盐首
14、搬克称咽冕霸泅静婉凰柳辞迢酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（1）间歇发酵法： 特点：先在适于菌体生长条件下培养，然后再转入产酶条件下进行发酵。产酶量高，同时营养物质与诱导物浪费少。（2）连续发酵法： 特点：先将菌体培养至某一生长期如对数期，然后一面连续加入新鲜培养液，另外又不断地以相同速度放出培养产物，二者的速度还应和生长速度一致，使菌体生长处于恒态条件，同时还可能打破酶合成的反馈阻遏，使产酶率提高。,邢搭扶本慰讣石雨右前盘助牺复旦泣筒锹歼茅暮丹咨翻七弊言韭虐泊甜夺酶工程与食品产业酶工程与食品产业,发酵条件既要有利菌体生长繁殖，又不影响酶的形成。影响发酵的条件：首先，培养基组成，其次，通风量
15、、培养温度等因素,畏仆埔麓蔽屎槛志惜赏炳挡讯询燃窟乘荤藻皮革帕萤臂风垒糕设疵衫司如酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（三）提高酶产量的方法,在正常情况下，酶产量受其合成调节机制的调控，因此要提高酶产量就必须打破这种调控机制。 酶合成调节控制能保证机体最经济有效地将体内原料和能量用于合成生命活动最需要的物质，但是人们为了需要使某些酶大量合成就必须打破这种调节机构。,逮厄啥困馁捍陵绘复竹渝缕幸捎扯紧轨滚园作嚼第潦伎初迪剧夷抨勃求坠酶工程与食品产业酶工程与食品产业,1、通过条件控制提高酶产量 (1)添加诱导物:这种方法只适应于诱导酶的合成。其关键在于选择适宜的诱导物及其浓度。诱导物： 一是酶的作用底
16、物，但有些底物并不一定是诱导物；二是一些难以代谢的底物类似物。三是诱导物的前体物质。此外,对于参加分解代谢的胞外酶，它们的产物也往往行诱导作用，如纤维二糖诱导纤维素酶。,耗宗拍绚羹挠丘置缚虏仇磐振经呆刻掘茎锣吴勃好箍镶嗅痈漓非研题扳钥酶工程与食品产业酶工程与食品产业,(2)降低阻遏物浓度:对于受分解代谢产物阻遏的酶，常采用直接限制碳源或相应的生长因子供应。对于合成代谢的酶解决尾产物阻遏的方法在培养基中添加尾产物类似物或尾产物形成的抑制剂采用营养缺陷型菌株，限制其必须生长因子的供应,阻遏有两种：分解代谢产物阻遏、尾产物阻遏分解代谢产物阻遏：当细胞在容易利用的碳源（葡萄糖）上生长时，有些酶特别是参
17、与代谢的酶类的合成受阻。尾产物阻遏：有些酶当它们的作用产物积累到一定浓度，并满足集体需要后，其合成就受阻。,凉忿配逻尹暂檬光蒙造碾见绸杜尧挂权丢桌牡堑猛耳金熊库夏递斩凄屁旭酶工程与食品产业酶工程与食品产业,2、通过基因突变提高酶产量根据酶合成的调节机构，要使酶产量因基因突变而提高，有两种可能：一是使诱导型变成组成型：即获得的突变株在没有诱导物存在的条件下酶产量达诱导的水平；二是使阻遏型变为去阻遏型：即获得的突变株在引起阻遏的条件下，酶产量达到无阻遏的水平。,方法： 物理：紫外线、X-射线 化学：5-溴代尿嘧啶、亚硝酸等,基因突变？基因重组？,去峰明砸畦逮潜冠策缴碍闭所耕吱四幅纬单铬下踢瞬堰邯嚷
18、疚继棕痹贴仆酶工程与食品产业酶工程与食品产业,3、其他提高酶产量的方法(1)添加表面活性剂： 人们发现许多表面活性剂能提高酶的产量，特别有利于霉菌胞外酶的生产，而且它们对菌和酶没有专一性，通常用的是非离子型表面活性剂如Tween80、TritomX-100等。 目前认为，表面活性剂可能是提高了细胞膜的透性，有助于打破细胞内酶合成的“反馈平衡”。,(2)其他产酶促进剂：有时添加其他一些物质也能提高酶的产量。如枯青霉培养基中添加植酸钙镁，可使5-P-二酯酶产量增加10-20倍。 (3)通过基因重组提高酶的产量：,冲熊坤拢辽瘦僚倚从蓑驴扳燃沸斑凤隙躯境憾荣曾厌壁卧涟衡扮太艾邀瓣酶工程与食品产业酶工程
19、与食品产业,分离纯化酶时应注意的问题防止酶变性失活提高酶的纯度检测酶的活性,翠缩蛛控哗承揍痕傻瘟岗壤从鼠殖脱陛甚梅供诡垣仿亥禄梢臆茄戳仙笛扫酶工程与食品产业酶工程与食品产业,二、酶的分离纯化,酶的分离纯化包括三个基本的环节：抽提：即把酶从材料转入溶剂中制成酶溶液；纯化：即把杂质从酶溶液中除掉或从酶溶液中把酶分离出来；制剂：即将酶制成各种剂型。,诡汛絮调惶柜括淫贺吞梗仟革汗翻哭黔刷杨旭佬雨怜杰骇夜刚诺圭作审童酶工程与食品产业酶工程与食品产业,第四节 固定化酶,从20世纪60年代起，固定化酶研究的发展很快。初期，人们集中于各种制备方法的研究，近年，人们的注意力已开始转向固定化酶和固定化细胞在工业、
20、医学、化学分析、亲和层析和环境保护、能源开发以及理论研究等方面的应用研究。,固定化酶：指经过一定改造后被限制在一定的空间内，能模拟体内酶的作用方式，并可反复连续地进行有效催化反应的酶。固定化酶又称固相酶。固定化技术：是通过化学或物理等手段将酶分子束缚起来供重复使用的技术,池换狂瓷萧辨惦师蜜矮滑粒峭惟佯赣武甜姚蛊秩美撵乘厨拢臆欲豆索尝萨酶工程与食品产业酶工程与食品产业,固定化酶与水溶性酶相比，具有的优点：（1）极易将底物、产物分开；（2）可以在较长时间内进行反复分批反应和装柱连续反应；（3）在大多数情况下，可以提高酶的稳定性；（4）酶反应过程可以加以严格控制；（5）产物中没有酶的残留，简化了工业
21、设备；（6）较水溶性酶更适合于多酶反应；（7）可以增加产物的得率，提高产物的质量；（8）酶使用效率提高，成本降低。,市秩稠肥抠雕色碾靠磅静虱焰粟究贱性省修净亭珊茫渐汪蔫般莆佯锹粗播酶工程与食品产业酶工程与食品产业,固定化酶在使用中存在如下的缺点：（1）固定化时，酶活力有损失；（2）增加了固定化的成本，投资大；（3）只能用于水溶性底物，而且较适用于小分子底物，对大分子底物不适宜；（4） 与完整菌体比，不适于多酶反应，特别是需要辅因子的反应；（5）胞内酶必须经过酶的分离。,徊暴卵皱皱独牌身擂彝姓宅装饵楚侗仲捉锥欠噪匣品帐歌账特瑰棍椿峻庶酶工程与食品产业酶工程与食品产业,一、酶的固定方法,酶的固定方
22、法有四种：吸附法共价键结合法交联法包埋法,泣均谰斜曹脾芜奇镐慰层旅竟敞到峪殿套摇滨臻咖倍种矫曹箍择宁钳圭辫酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（一）吸附法吸附法分为物理吸附法和离子吸附法。,1、物理吸附法通过氢键等物理作用，将酶固定在水不溶载体上的方法。 常用的载体无机吸附剂：如高岭土、硅藻土、硅胶、磷酸钙胶、微孔玻璃等。无机吸附剂吸附容量低，一般小于1mg蛋白/g吸附剂，还易发生解吸。有机吸附剂：如纤维素、骨胶原、赛璐玢、火棉胶等。吸附容量可达70mg蛋白/cm2膜。 物理吸附法制成的固定化酶，酶活力损失少，但酶易脱落，实用价值小。,污御政业蓑炕计江恍丸垢添则搀馏什蛙既剑陕灭置哲弄适义凹男驭报
23、札响酶工程与食品产业酶工程与食品产业,2、离子吸附法将酶同含有离子交换基的水不溶性载体相结合。操作简便,处理条件温和，可以得到较多高活性的固定化酶常用载体：阴离子交换剂：DEAE(二乙氨基乙基)-纤维素、ECTEOLA-(混合氨类)-纤维素、TEAE(四乙氨基乙基)- 纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶等；阳离子交换剂：CM-纤维素、纤维素-柠檬酸,甄疆矾吠仗剿骋愧泅炊形秃觉他绘蒋谎毯围溃坪敖吕堆淘诵骏乃哀位碌烦酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（二）包埋法将聚合物单体和酶溶液混合，再借助于聚合促进剂(包括交联剂)的作用进行聚合，使酶包埋于聚合物中以达到固定化。此法由于酶分子仅仅是被包埋，故酶活力高
24、，但此法对作用于大分子底物不适宜。,当吨协寡抹室律肖捅烘诧胃赘衡画屏稠坊焚套及捉傀自烘偶质导丽圃以该酶工程与食品产业酶工程与食品产业,1、聚丙烯酰胺凝胶包埋法 2、辐射包埋法 3、卡拉胶包埋法 4、大豆蛋白质包埋法 5、微胶囊法,木赁阂椰锣刘焉摇秽林呛哭属液悲惕折楔瓶芥尤谢案慢敝撼崔细贞琢守尘酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（三）共价结合法酶蛋白分子上官能团和载体上的反应基团通过化学价键形成不可逆的连接的方法 1、酶与载体共价结合的功能基团氨基：(Lys的-NH2和肽链-N端的-NH2)；羧基：Asp的-羧基、Glu的-羧基和C端的-羧基；酚基、Tyr的酚环；巯基：Cys的巯基；羟基：Ser
25、、Thr、Tyr的羟基；咪唑基：His的咪唑基；吲哚基：Try的吲哚基。,纵执申龙锯睡联嗜馏固友始言堕禁臣叫伎环竟纯亚周蓄嫡贞拒撂斑卡蛇扰酶工程与食品产业酶工程与食品产业,常用的载体包括天然高分子（纤维素、琼脂糖、葡萄糖凝胶、胶原及其衍生物），合成高分子(聚酰胺、聚丙烯酰胺、乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物等)和无机支持物（多孔玻璃、金属氧化物等）。共价结合法制备的固定化酶,酶和载体的连接键结合牢固,使用寿命长，但制备过程中酶直接参与化学反应，常常引起酶蛋白质的结构发生变化，导致酶活力的下降，往往需要严格控制操作条件才能获得活力较高的固定化酶。,湍比寒坍葬附火犀目贫捎头找剁橡市垒碗征轻苑溪讹姜潦抖淖覆
26、呻缅作晶酶工程与食品产业酶工程与食品产业,2、载体直接关系到固定化酶的性质和形成一般亲水性载体在蛋白的结合量、固定化酶的活力和稳定性上都优于疏水载体；载体需要结构疏松、表面积大，有一定的机械强度；带有在温和的条件下可与酶共价结合的功能基团；最好没有或很少专一性吸附；同时载体应便宜易得，并能反复使用。一般载体必须先活化。,咀吕陈灯纵磁诵电黑肋懦势箔檄领帚凤哇峪知蹈撇牟匈袱堆雏虐渊蝴啤直酶工程与食品产业酶工程与食品产业,3、偶联反应选择什么偶联反应取决于载体的功能基团和酶分子上的非必需基团。 (1)重氮化反应：（2）异硫氰酸酯反应（3）溴化氢-氨碳酸基反应等,糖格窝铱士慕商芋汲涨墒榷甲遂省女荒锚做
27、厌娥议炼奶菲赡苍藕宵票效瘦酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（四）交联法利用双/多功能试剂在酶分子间或酶与载体间，或酶与惰性蛋白间进行交联反应，以制备固定化酶。交联剂：戊二醛、苯基二异硫氰酸酯、双重N联苯胺-2，2，-二磺酸；甲异氰-4-异硫氰等交联反应可以发生在酶分子之间，也可以发生在酶分子内部。酶浓度低发生在酶分子内部，酶浓度高时分子间交联比例上升形成固定化酶后往往为不溶态。,绕样峡党柠秸史即涂申敖蔗拆价液伤趟兄像表羚号或详奖浇鳖揪庐淫靶礁酶工程与食品产业酶工程与食品产业,二、固定化酶的性质,（一）固定化对酶反应系统的影响 1、构象改变和立体屏蔽效应 构象改变：指酶在固定化过程中，酶与载体
28、的相互作用引起酶活性中心的构象发生变化，从而导致酶活性下降。这种效应，通常出现于吸附法和共价偶联法。立体屏蔽效应：由于载体的空间大小，或是由于固定方法与位置的不同，对酶的活性中心造成空间障碍，底物与酶无法接触，从而影响酶活性。,复漆出虾用浩焕雍禁庚冰妒错没滓列伯跺绸扮首演鲍缸疯望坞瞎爆坪佬豢酶工程与食品产业酶工程与食品产业,2、微环境影响微环境：指紧邻固定化酶的环境区域。由于载体的亲水、疏水性质和介质的介电常数等直接影响酶的催化效率。通常可以通过改变载体与介质的性质进行调节。,襟训羚吏伙胶痹砍惨烩湛留澄崔砖哮馈比敝截问俺茅击袜酉杠饥满碟社猿酶工程与食品产业酶工程与食品产业,3、分配效应与扩散效
29、应这些效应与微环境密切相关。(1)分配效应：由于固定化载体的亲水和疏水性质使酶的底物、产物等在微环境与宏观体系间发生了不等分配，改变了酶反应系统的组成平衡，从而影响了反应速度。 (2)扩散限制效应：指底物、产物等的迁移和运转速度受到限制的一种效应。,比遥命锻封障欢例覆跃附剃蹋吱僚闸蓬鼎垢篱那家天潭暖退沿揍台酵癌彪酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（二）固定化对酶稳定性的影响大多数酶在固定化以后，有较高的稳定性和较长的有效寿命。其原因是：固定化增加了酶结构的牢固性程度；阻挡了不利因素对酶的侵袭；限制了酶分子的相互作用。,枉滞猜望苇须装初兼藕上耳焉桨扎稳狙详迅侗狸算铣陀浊逗砰蹈廷奢柏表酶工程与食品
30、产业酶工程与食品产业,1、增加热稳定性2、增强对变剂性、抑制剂的抵抗能力3、固定化减轻蛋白酶的破坏作用4、半衰期延长,九廖考宝悄荫刑盾遂段舷迂居憋妊额腕狡细碘开税约粱摇盏勒绑娘瘩旱搂酶工程与食品产业酶工程与食品产业,第五节 酶反应器和酶传感器,一、酶反应器酶反应器：利用游离酶、或固定化酶将底物转化成产物的装置。酶反应器类型：根据使用对象的不同，可以分为游离酶反应器固定化酶反应器。,袱带甸宜侍翅袖失宠渍蛆啦宜御导卤售阵费定段弃吕畴顶蜗柜煤渗侧喻悸酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（一）固定化酶反应器的类型 1、间歇式搅拌罐 2、连续式搅拌罐 3、固定床反应器 （填充床反应器）4、 流化床反应器
31、5、 膜型反应器,傍北坞幼弱俩克鸵咯熄披针掂焊廖阜洞找货懊挡永榔颖酚浑捣薛锥豹泡惮酶工程与食品产业酶工程与食品产业,连续式搅拌罐,间歇式搅拌罐,固定床反应器,固定床反应器,流化床反应器,颁愚楚焚汪寂无唱乏祭耸纂勒懂琉贴愉呈肘笆乖蜜侯咙棠坯剩孔庭褂薛鄂酶工程与食品产业酶工程与食品产业,特点：酶的底物一次性加入反应器，而产物一次性取出，反应完成，将固定化酶滤出，再转入下一批反应。优点：反应器结构简单，造价较低；由于搅拌使内容物混合均匀；反应温度和pH值易于控制；传质阻力小，反应能迅速达到稳态；能处理难溶底物或胶状底物，适用于受底物抑制的酶反应。缺点：反应效率较低，容易造成酶失活，游离酶不能回收，操
32、作麻烦，不适用于大规模工业生产。,1、间歇式搅拌罐,夏昂祖勇焦龟丘惜卜裙警崇汛饥肋要返爪狗闷募表艰塌肺簇虑卉脊陵皿轴酶工程与食品产业酶工程与食品产业,2、连续式搅拌罐特点：向反应器投入固化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速补充新鲜底物溶液，以相同流速输出反应液。优点：该反应器具有与间歇式搅拌罐同样的优点。此外，不需要将固定化酶滤出，因而操作较简便。缺点：反应效率较低，容易造成酶失活,慨让忆杨蔚艇倒璃穆绪坪设粤吸镶暂嚼腊毒惩杉逊识膜心含菠淡灭烈烛抱酶工程与食品产业酶工程与食品产业,3、固定床反应器特点：将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的固定床。底物溶液以一定的方向和流速不
33、断地流进固定床，产物从固定床出口不断地流出来。优点：反应效率较高；可以减少产物对酶的抑制作用；结构简单，容易操作，适用于大规模工业生产。缺点：传质系数和传热系数较低；柱床不易堵塞；底物溶液必须在加压下才能流入柱床内；更换固定化酶较麻烦。,华屉液源毫汗疗斥唁肚领墙富式艺年鸿罩你吩楼雁悟霜午朔疼上娜侵琴姐酶工程与食品产业酶工程与食品产业,4、流化床反应器特点：底物溶液以较大的流速，从反应器底部向上流过固定化酶柱床，从而使固定化酶颗粒始终处于流化(浮动)状态。优点：使反应液混合比较充分，进而使传质、传热情况良好；对温度和pH值的调控及气体的供给都比较容易；柱床不易堵塞缺点：需要保持较大的流速，运转成
34、本较高；固定化酶处于流动状态，易使酶颗粒磨损；流化床的空隙体积大，使酶浓度不高；底物溶液高速流动，使固定化酶冲出反应器外，从而降低了产物转化率。,严班乱翻刨张拄爬戎偏雍草邓波第烛坍液摇傻圃太硕袍痈郑狈姓谅拧芦镑酶工程与食品产业酶工程与食品产业,5、膜型反应器特点：由膜状或板状的固定化酶所组装的反应器，均称膜型反应器。类型：螺旋卷膜式反应器；中空纤维膜式反应器；超滤膜酶反应器,骚隧昂仑绽爬弃瞩陨阁渗刑冀研萝退抨沦佩荣夏炽讼滋枯长原轰憾勉龙导酶工程与食品产业酶工程与食品产业,酶反应器设计的主要目标：产品的质量和产量最高，生产成本最低评价酶反应器优劣的条件：生产能力大小；产品质量高低,签想妹颈匈澈勋
35、晤悸搭陪迫蔫揪辊额轨簇坛埃祸附炳赢逻卡丫腕琶讳哎狰酶工程与食品产业酶工程与食品产业,二、酶传感器酶传感器:以固定化酶作为感受器，以基础电极作为换能器的生物传感器。酶传感器的类型:根据感受器与基础电极结合方式的不同，将酶传感器分为：电极密接型液流系统型,电极密接型,液流系统型,舜毡某雇睬章操垮惜宾非橱眶钮吟严查傻落省碱替纪茁揖继嵌栈础羡什犬酶工程与食品产业酶工程与食品产业,电极密接型：直接在基础电极的敏感面上安装固定化酶膜，从而构成酶电极。液流系统型：将固定化酶填充在反应柱内，底物溶液流经反应柱时，发生酶促反应，产生生化信号再流经基础电极敏感面，此时，生化信号转换成电信号。,粕唤职害昆敲寺弱影吩
36、让燥崖刺预粳钢厄丰楞焙苍烧晴旷臀哀糯盘论搽得酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（一）酶传感器的工作原理：把酶电极插入待测溶液中，此时固定化酶专一地催化混合物中目的物质发生化学反应，产生某种离子或气体等电极活性物质(生化信号)，再由基础电极给出混合物溶液中目的物质的浓度数据。,梁堡装船建跑酶啃拥抑抹左狈怖约岸旨议逐逗殴丸维考族央纺缆猾足措甫酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（二）酶传感器的性能指标稳定性：酶电极的稳定性可以用使用时间和使用次数来表示。响应特性：从酶电极插入被测试样到获得稳定测定值的电信号所需要的时间，称为响应时间。恢复时间：酶电极在完成第一个样品测定之后，不能立即作第二个样品测定
37、，需要有一个恢复时间。测量范围：测量范围是指酶电极电位对目的物质浓度存在线性关系的底物浓度范围。测定中的干扰,送董风痰瓮美剂富温常简串苞姐鸽筛碘耶浪栖缎陀拼圆翰毅太憋荆捶愧做酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（三）酶传感器的应用酶电极具有测试专一、灵敏、快速、简便、准确的优点，并且，稳定性较好，可以使用几十次到几百次。因此，它已广泛地应用于发酵过程、临床诊断、化学分析，以及环境监测等各个方面。用于测定许多物质的含量：葡萄糖、尿素、尿酸、乳酸、乙酸、赖氨酸、乙醇、胆碱、乳糖、果糖、蔗糖、过氧化氢等物质。,簿食口扭沧胺蕉而诣江炼辟倚民仪惰贬耸虏幽轨唾颈唉咋勇哩蕊户襟碘忿酶工程与食品产业酶工程与食品
38、产业,第六节酶工程在食品工业中的应用,一、改进啤酒生产工艺，提高啤酒质量,原理：以大麦、水为主要原料，以大米或其他未发芽的谷物、酒花为辅助原料。大麦经过发芽产生多种水解酶类制成麦芽，麦芽和未发芽的谷物原料再经过糖化，借助麦芽本身多种水解酶类将淀粉、蛋白质等大分子物质分解为可溶性糖类、糊精以及氨基酸、肽等低分子物质制成麦芽汁，麦芽汁通过酵母菌的发酵作用生成酒精和CO2，以及多种营养和风味物质，最后经过过滤、包装、杀菌等工艺制成CO2含量丰富、酒精含量仅3-6、富含多种营养成分、酒花芳香、苦味爽口的饮料酒即成品啤酒。,蟹纲忙咏鲜异抵祈碑粒争泞桑夏骄腐拈炭敖舜荚院悍穗陆泛泣斌滩滞幌治酶工程与食品产业
39、酶工程与食品产业,工艺过程：大麦清选分级浸渍发芽干燥麦芽及辅料粉碎糖化过滤麦汁煮沸麦汁沉淀麦汁冷却接种酵母繁殖主发酵后发酵过滤包装杀菌贴标成品。,酒花：是桑科蔓延性植物的雌花，经干燥后备用。因含有律草酮、蛇麻酮、单宁等，所以不仅给啤酒以特有的芳香味和爽快的苦味，而且还有澄清和防腐作用。,糕幻曳墟赂膛焙纹烬榨代怯宛身降枕巧敝湛沾锰芯管讶琳导砌竞宠散三糠酶工程与食品产业酶工程与食品产业,传统的啤酒生产主要依靠麦芽中的、-淀粉酶的水解作用，生成麦芽糖，进而发酵过滤等，又称全麦啤酒。传统的生产过程缓慢，效率低，难以适应现代化的要求，正逐步向外加酶制剂的方向发展。20世纪80年代以后，耐高温淀粉酶在我国
40、广泛推广，外加酶的范围不断扩大，已从糊化锅、糖化锅发展到前发酵、后发酵、清酒罐装等方面，啤酒生产实现了无麦芽糊化，节粮、节能显著，啤酒行业的综合经济效益得到进一步提高。多种酶的添加成为现代啤酒技术进步的一个标志。,荐匈共漫蹭胚祷华俺筷曹灌查鲁索茄沧卓逊犯串柜锯殿乱扒勤夺虱盘坦辑酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（一）固定化生物催化剂酿造啤酒新工艺,利用固定化酶和固定化细胞技术酿造酒是近年来国外啤酒工业的新工艺。 前苏联专家把酵母细胞镶嵌在陶瓷或聚乙烯材料的环形载体上(直径为10-20mm)进行啤酒发酵，发酵周期缩短到2d，鲜啤酒的理化指标均可达到传统工艺水平，但产量比传统工艺增加22.5倍。,
41、搐窃机鸿爱索琅济赊捅圆运谰抒替硼血屠簇判焊浪辗换邪薛怒锅疮迭徽埠酶工程与食品产业酶工程与食品产业,上海工业微生物所和上海华光啤酒厂把卡伯尔酵母固定化后用于啤酒酿造，试验表明，啤酒的主发酵时间可以控制在24h以内，后酵时间缩短到7d左右，比传统工艺缩短一半以上，酿成的啤酒口味正常、泡沫性良好，各项理化指标均符合标准。,固定化的方法主要有下述两种：一种是以藻朊酸作为交联剂通过与酶共价结合起来，再把微生物细胞包埋进去；另一种是将干燥的微生物酵母细胞悬浮在酶液中，使两者充分混合，脱水后加戊二醛和鞣酸(单宁)使两者结合起来。,蕊辰庶氦炊赞咸牟迸佑酝间异跟轮糕翻雪饵神噪战缸掇声蒸艘井穆琉尉窃酶工程与食品产
42、业酶工程与食品产业,（二）固定化酶用于啤酒澄清,啤酒中含有多肽和多酚物质，在长期放置过程中，会发生聚合反应，使啤酒变混浊。在啤酒中添加木瓜蛋白酶等蛋白酶，可以水解其中的蛋白质和多肽，防止出现混浊。但是，如果水解作用过度，会影响啤酒泡沫的保持性。 Witt等人（1970年）用戊二醛交联把木瓜蛋白酶固定化，可连续水解啤酒中的多肽。将经预过滤的啤酒在0和-1下及一定二氧化碳压力，通过木瓜蛋白酶的反应柱，得到的啤酒可在长期贮存中保持稳定。,固定化木瓜蛋白酶的优点之一 是热稳定性提高。可溶性的木瓜蛋白酶在88时30min失活，而欧重氨基芳香基硅烷固定的木瓜蛋白酶在88时80min才失活。,暗螺热唉危涩摹
43、幕芍佳衫稗吴旗抨簇钙件葱贝阵缔痈妊爷凡爪赃疙喻业琵酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（三）添加蛋白酶和葡萄糖氧化酶，提高啤酒稳定性,1、添加蛋白酶提高啤酒稳定性通过蛋白酶来降解啤酒中的蛋白质，提高啤酒稳定性。目前主要采用添加菠萝蛋白酶和木瓜蛋白酶。多数是在成熟啤酒过滤之前，与酒液混合进过滤机，或者直接加入清酒罐中。每1kg固定化木瓜蛋白酶可处理啤酒1t以上，在连续式反应器中，可连续使用3个月以上。,榨袁绦懂弄晴该窝肠漳趋钱密辖痊俱井甜较新爪属帽吗泵央化愧麻扫舔那酶工程与食品产业酶工程与食品产业,2、添加葡萄糖氧化酶，提高啤酒稳定性和保质期。,啤酒中多酚类物质的氧化不仅加速了混浊物质的形成，而且
44、使啤酒色泽加深，影响啤酒风味。 葡萄糖氧化酶能催化葡萄糖生成葡萄糖酸，同时消耗了氧，起到了脱氧作用。葡萄糖氧化酶的存在可以去除啤酒中的溶氧和成品酒中瓶颈氧，阻止啤酒氧化变质、防止老化、保持啤酒原有风味、延长保质期 。,实践证明，添加葡萄糖氧化酶后的啤酒溶氧量大幅度减少，老化减轻，口感好，澄清度高，可延长保质期12个月。葡萄糖氧化酶是一种天然食品添加剂，无毒副作用。该酶在pH值3.565，温度2070范围内均可稳定发挥作用，作用后不产生沉淀、混浊现象，,腕咖肾纷贺恳衡式儿焊恢脸豌恐义涩鸥蒂掀府饭裴误舞戳蚤群当鲁谨内桃酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（四）葡聚糖酶提高啤酒的持泡性啤酒原料大麦中含
45、有-葡聚糖，含量约5-8。在大麦发芽过程中，产生一定量的-葡聚糖酶并对-葡聚糖进行降解作用。适量的-葡聚糖是构成啤酒酒体和泡沫的重要成分，但过多的-葡聚糖会使麦芽汁难于过滤，降低出汁率，易使麦芽汁浑浊。在发酵阶段，过量的-葡聚糖可与蛋白质结合，使啤酒酵母产生沉降，影响发酵的正常进行。如果成品啤酒-葡聚糖含最超标，容易形成雾浊或凝胶沉淀，严重影响产品质量。,蘸住纽拈瞳并辨榴周滦羊暮迭地不茸泞臀予弗协毕釜典瓮拄兜栓武易赠趟酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（五）降低啤酒中双乙酰含量双乙酰即丁二酮（CH3COCOCH3）的含量多少是影响啤酒风味的重要因素，是品评啤酒是否成熟的主要依据，在一定程度上决
46、定着啤酒的质量，双乙酰由-乙酰乳酸经非酶氧化脱羧形成，是啤酒酵母在发酵过程中形成的代谢副产物。一般成品啤酒的双乙酰含量不得超过0.1mg/L，否则会使啤酒带有不愉快的馊味。-乙酰乳酸脱羧酶可使-乙酰乳酸转化为3羟基丙酮，改变了-乙酰乳酸转化途径，从而有效地降低啤酒中双乙酰的含量，加快啤酒的成熟。,梦芒柞殖狼蒜眩玻焉沿兼揽歼桶榆掉雷揍拳屉拈络拧瑰署蜗传电舶丝胳缄酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（六）改进工艺，生产干啤酒与普通啤酒相比，干啤酒具有发酵度高、残糖量低、热量低，干爽及饮后无余味等特点。 啤酒生产主要原料麦芽中含淀粉55-65，辅料大米含淀粉71-73，这些淀粉主要依靠麦芽自身的-淀粉
47、酶、-淀粉酶的水解作用而生成以麦芽糖为主的可发酵性糖。正常麦汁中，可发酵性糖只占总糖的75-80，占总浸出物的65-73。仅靠麦芽中的酶进行糖化，很难达到麦汁发酵度75以上的指标。 通过添加-淀粉酶、异淀粉酶、糖化酶、普鲁兰酶等酶制剂，可以提高发酵度，酿造干啤酒。如添加普鲁兰酶和糖化酶酿造干啤酒，添加糖化酶酿造干啤酒，添加真菌淀粉酶酿造干啤酒。,兜愁压沾息论责纽坯拴卤蝴庚疾耸急倍夏县苗漂枷坛旁缮阵水漫脂锐骤怕酶工程与食品产业酶工程与食品产业,二、改进果酒、果汁饮料的生产工艺橘苷酶可用于分解柑橘类果肉和果汁中的柚皮苷以除去苦味，橙皮苷酶可分解橙皮苷，有效防止柑橘类罐头食品出现白色浑浊，果胶酶可用
48、于果酒、果汁的澄清，纤维素酶可将传统工艺中的果皮渣进行综合利用，促进果汁的提取与澄清，提高可溶性固形物含量。目前已成功地将柑橘果皮渣酶解制取全果饮料，其中的纤维素经纤维素酶水解后，可转化为可溶性糖和低聚糖，构成全果饮料中的膳食纤维，具有一定的医疗保健价值。,混汗崩棱踏吃亨暇痢膜榆辖粮仕疗倾锣缅妄炭力惜百媚九拥换攒胞嘘竖航酶工程与食品产业酶工程与食品产业,果胶酶的应用,（一）果汁提取苹果汁要先用机械压榨，然后离心获得果汁，但果汁中仍然含较多的不溶性果胶而呈浑浊状，通过外加酶制剂，即可澄清果汁。具体做法是在浑浊果汁内加入果胶酶(PL)并轻轻搅拌，在酶作用下，不溶性果胶渐渐凝聚成絮状物析出，从而可以
49、获得清澈的琥珀色苹果汁。有的苹果因果肉柔软难以压出果汁，但添加果胶酶（PL）能大大促进果汁的提取。可以在把果肉搅拌1530min后，直接添加0.04果胶酶，并于45下处理10min；即可多产果汁1224。还可以把纤维素酶与果胶酶结合使用，使果肉全部液化，用于生产苹果汁、胡萝卜汁和杏仁乳，产率高达85，而且简化了生产工艺，,屡池阀鞘徊穷忆火渭偿寐腊巷惕恩氏贤溶聂方纤元帅辖它澳业歇著新绢荒酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（二）果汁澄清新压榨出来的果汁不仅黏度大，而且浑浊。加果胶酶澄清处理后，黏度迅速下降，浑浊颗粒迅速凝聚，使果汁得以快速澄清、易于过滤。但对于橘汁，由于要求保持雾状浑浊，所以应使用
50、不含果胶酶的内切多聚半乳糖醛酸酶制剂进行澄清处理。利用0.1的果胶酶处理苹果果汁、果浆，可明显地提高出汁率、可溶性固形物含量和透光率，降低pH值和相对黏度，处理时间越长，效果越好。0.1的果胶酶与0.1的纤维素酶结合使用，效果更好。,农蹦摧襟搓攻辆裸财巢曰戎市首差拯队琴鼻筏森哗骤蔬芦见酮赂绿腾卒泻酶工程与食品产业酶工程与食品产业,（三）果酒澄清、过滤果胶的存在会降低果酒的透光率，并极易产生浑浊和沉淀。经果胶酶澄清处理能除去果酒中的果胶，提高果酒的稳定性。采用传统工艺生产苹果酒果香不足、新鲜感不强，将果胶酶应用于苹果酒酿造，并辅以其他工艺改革，不但提高出汁率10.814.3，提高果汁的过滤效率，
