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1、第八章酶的应用 随着酶的工业化发展，酶已广泛地应用于工业、农业、医药、环保及科研等领域。酶分子修饰，酶和细胞固定化等酶工程技本的发展，使酶的应用显示出更加广阔美好的前景。,第一节 酶在轻工、食品方面的应用,目的国内外最广泛使用的领域是在食品和轻工业部门。国内外大规模工业主产的淀粉酶、糖化酶、蛋白酶、葡萄糖异构酶、果胶酶、脂肪酶、纤维素酶、葡萄糖氧化酶等大部分都在轻工和食品方面应用。,食品工业是最早和最广泛应用酶的部门之一。目前已有几十种酶成功地用于食品工业。例如：葡萄糖、饴糖、果葡糖浆等的生产，蛋白质品加工，果蔬加工，食品保鲜以及改善食品的品质与风味等。（1）酶法生产葡萄糖酶法生产葡萄糖是以淀
2、粉为原材料，先经-淀粉酶液化成糊精，再用糖化酶催化生成葡萄糖。淀粉酶是最早实现工业生产的酶，也是迄今为止用途最广的酶。,一、酶在食品工业方面的应用,制造葡萄糖时酸糖化法与酶糖化法的比较,(2).果葡糖浆的生产由于果糖的甜度是葡萄糖的1.7倍，而且甜味纯正，所以进行生产。果葡糖浆是由葡萄糖异构酶催化葡萄糖异构化生成部分果糖而得到的葡萄糖与果糖的混合糖浆。(3).饴糖的生产(4).酶在蛋白质品加工方面的应用(5).酶在果蔬加工方面的应用(6).用酶改善食品的品质和风味,二、酶在轻工方面的应用酶在轻工业方面的应用,概括起来主要有以下(一).原料处理 许多轻工原料在应用或加工之前都需要经过原料处理。用
3、酶处理原料可以缩短原料处理时间，提高处理效果，提高产品质量等。,（1）发酵原料的处理 酵母或细菌等微生物进行酒精、酒类、甘油、乳酸、氨基酸核苷酸等生产时，大多数以淀粉、纤维素为主要原料。由于有些微生物本身缺乏淀粉酶和纤维素酶系，因而无法直接利用这些原料。因此必须经过原料处理，将原料转化为微生物可利用的小分子物质。（2）纺织原料的处理 在纺织工业中，为了增强纤维的强度和光滑性，便于纺织，需要先行上浆。将淀粉用-淀粉酶处理一段时间，使粘度达到一定程度就可用作上浆的浆料。纺织品在漂白、印染之前，还须将附着在其上的浆料除去，利用-淀粉酶使浆料水解，就可使浆料褪尽，这称为退浆。有些纺织品上浆使用的是动物
4、胶作胶浆，可用蛋白酶使之退浆。,(3).造纸原料的制浆 造纸原料的纤维中含有大量木质素，它容易使纸变为褐色，强度降低。通常使用碱性硫酸盐和二氯化盐处理以除去木质素，这些化学药品的致癌性已被证实，因而造成严重的环境污染。用木质素酶可以使木质素水解，这样不但可以提高纸的质量，而且使环境污染的程度大为减轻。(4).生丝的脱胶处理 天然蚕丝的主要成分是不溶于水的有光泽的丝蛋白。丝蛋白的表面有一层丝胶包裹着，在高级丝绸的制作过程中，必须进行脱胶处理，即将表面上的丝胶除去，以提高丝的质量。采用胰蛋白酶、木瓜蛋白酶或微生物蛋白酶处理，可在比较温和的条件下催化丝胶蛋白水解，进行生丝脱胶。,(5).羊毛的除垢
5、羊毛表面有鳞状物质，即一些蛋白质聚合体。目前应用枯草杆菌蛋白酶处理后，可以消除鳞状物质，而且还使毛料具有防缩水性，防止羊毛起球，形成毛毡。处理后的毛料很柔软，易于染色。,（二）.轻工产品制造方面的应用,(1)酶法生产L-氨基酸（拆分法）L-型氨基酸是人体内蛋白质合成的原料，因而L-型氨基酸在医学和食品工业上有很重要的意义。,氨基酸酰化酶1969 年，该酶被固定在DEAE-葡聚糖载体上，是世界上第一个固定化酶。,(2)酶法生产核苷酸 核苷酸在食品和医药等方面有重要用途，可利用多种酶进行生产。例如：用桔青酶或产黄青酶产生的5-磷酸二酯酶水解核糖核酸（RNA），生产各种5-核苷酸。用腺苷酸脱氨酶水解
6、AMP生成肌苷酸（IMP）。用核苷磷酸化酶，可催化肌苷进行磷酸化生成5-肌苷酸，催化鸟苷生成5-鸟苷酸等。用核苷酸磷酸化酶，催化AMP生成ADP和ATP等。(3)酶法生产有机酸 酶法合成有机酸也是结合有机化学合成与生化合成的长处而构成的生产工艺，已经用于工业生产的有苹果酸，酒石酸和长链脂肪酸等。此外乳酸等也可用于酶法合成。,如：苹果酸的酶法合成L-苹果酸在食品工业为一优良的酸味剂，在化工，印染，医药品生产上也有不少用途，可用发酵法和酶法生产，工业上以富马酸为原料，通过微生物富马酸酶合成的。,(4)酶法合成丙烯酰胺合成,1)传统的丙烯酰胺合成生产及其缺点传统丙烯酰胺合成合成：丙烯 腈与丙酮在催化
7、剂浓硫酸 缺点：反应物浓度低，转化率低，反应物中残留金属铜合丙烯腈，影响产品质量2)酶法合成丙稀酰胺腈水合酶催化条件温和、产率高，没有副产物,在某些轻工产品中添加一定量的酶，可以显著地增加产品的使用效果。（1）加酶洗涤剂：洗涤用的酶制剂需要满足下列条件：1）碱性条件（pH 9-10）下能够有效洗涤；2）表面活性剂（LAS,AOS）存在下，很少失活；3）在荧光染料、漂白剂、香料等洗涤剂辅助成分存在下不失活；4）在洗涤温度下能有效地发挥作用。衣服上有机污垢15-40%以蛋白质与纤维结合的方式存在，如果将酶加入洗衣粉中,用酶来分解污物上的蛋白质、油脂及淀粉类物质,能有效地除去污垢，大大缩短洗涤时间，
8、防止衣物发黄变色,提高洗涤效果。,（三）.加酶增加产品的使用效果,（2）加酶牙膏，牙粉和漱口水：将适当的酶添加到牙膏，牙粉或漱口水中，可以利用酶的催化作用，增加洁齿效果，减少牙垢并防止龋齿的发生。可添加到洁齿用品中的酶有蛋白酶，淀粉酶，脂肪酶和右旋糖酐酶等。其中右旋糖酐酶对预防龋齿有显著效果。（3）加酶饲料：酶应用于饲料，其作用一为补充畜禽内源酶的不足，有助于提高畜禽健康水平和生产性能。另一作用为解除饲料中抗营养因子。所谓抗营养因子，是指饲料中对养分起拮抗作用的一些成分。,（4）加酶护肤品 在各种护肤品及化妆品中添加超氧化物歧化酶（SOD）、碱性磷酸酶、尿酸酶和弹性蛋白酶等，可有效地提高护肤效
9、果。因溶菌酶可以水解细菌的细胞膜，除治疗以外，还可以做润肤霜、洗发膏和洗面奶等。NovoNordisk 公司生产与化妆品相关的制品，含有可以清除皮肤表面死亡的细胞的蛋白酶。另外为了清除皮肤表面的自由基，使用抗衰老的超氧化物歧化酶也在计划之中。,随着对疾病发生的分子机制的深入了解，医药用酶的应用范围越来越广泛。酶在医药领域的应用主要是用于疾病的诊断、治疗和制造药物。一、疾病诊断方面的应用 疾病治疗效果的好坏，在很大程度上决定于诊断的准确性。疾病诊断的方法很多，其中酶学诊断发展迅速。由于酶催化的高效性和特异性，酶学诊断方法具有可靠、简便又快捷的特点，在临床诊断中已被广泛应用。酶学诊断方法包括两个方
10、面，一是根据体内原有酶活力的变化来诊断某些疾病，二是利用酶来测定体内某些物质的含量，从而诊断某些疾病。,第二节 酶在医药方面的应用,一般健康人体液内所含有的某些酶的量是恒定在某一范围的。若出现某些疾病，则体液内的某种或某些酶的活力将会发生相应的变化。故此，可以根据体液内某些酶的活力变化情况，而诊断出某些疾病。,1.根据体液内酶活力的变化诊断疾病,酶具有专一性强、催化效率高等特点，可以利用酶来测定体液中某些物质的含量从而诊断某些疾病。例如：利用葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的联合作用，检测血液或尿液中葡萄糖的含量，从而作为糖尿病临床诊断的依据，这两种酶都可以固定化后制成酶试纸或酶电极，可十分方便的用于
11、临床检测。此外，酶标免疫测定在疾病诊断方面的应用也越来越广泛。所谓酶标免疫测定，是先把酶与某种抗体或抗原结合，制成酶标记的抗体或抗原。然后利用酶标抗体（或酶标抗原）与待测定的抗原（或抗体）结合，再借助于酶的催化特性进行定量测定，测出酶-抗体-抗原结合物中的酶的含量，就可以计算出欲测定的抗体或抗原的含量。通过抗体或抗原的量就可诊断某种疾病。,2.用酶测定体液中某些物质的量诊断疾病,由于酶具有专一性和高效率的特点，所以在医药方面使用的酶具有种类多，用量少，纯度高的特点。1.蛋白酶目前临床上使用的蛋白酶大部分来自于动物和植物，如胰蛋白酶、胃蛋白酶和菠萝蛋白酶等。蛋白酶在医药领域的应用最初是在消化药上
12、，用于治疗消化不良和食欲不振。2.溶菌酶 溶菌酶也是一种应用广泛的药用酶，具有抗菌、消炎、镇痛等作用。用于治疗手术性出血、咯血、鼻出血，分解脓液，消炎镇痛，治疗外伤性浮肿，增强放射线治疗的效果等。,二、疾病治疗方面的应用,3.超氧化物歧化酶 超氧化物歧化酶（SOD）催化超氧负离子（O2）进行氧化还原反应，使机体免遭O2的损害。因此SOD具有抗辐射作用，并对红斑狼疮、皮炎、结肠炎及氧中毒等疾病有显著疗效。4.L-天门冬酰胺酶 L-天门冬酰胺酶是第一种用于治疗白血病的酶。因为癌细胞生长时需要天冬酰氨。L-天门冬酰胺酶可以切断天冬酰胺的供给，因此对癌症，特别是白血病的治疗有显著疗效。,三、在药物生产
13、方面的应用 酶在药物制造方面的应用是利用酶的催化作用将前体物质转变为药物。这方面的应用日益增多。现已有不少药物包括一些贵重药物都是由酶法生产的1.青霉素酰化酶,酶法的好处：发酵法存在一些缺点：抗菌谱窄、副作用大等。而酶法则可生产抑制耐药性和新型广谱抗生素,-内酰胺环是青霉素的有效成分，若对青霉素分子进行改造，可通过三种途径，即更换侧链、改造羧基和改造母核，一般第一种较多。,-酪氨酸酶可催化L-酪氨酸或邻苯二酚生成二羟苯丙氨酸（DOPA,多巴）。反应如下。多巴(Dopa)是治疗帕金森氏(Parkinson)综合症的一种重要药物。所谓帕金森氏综合症是1817年英国医师Parkinson所描述的一种
14、大脑中枢神经系统发生病变的老年性疾病。其主要症状为手指颤抖，肌肉僵直，行动不便。病因是由于遗传原因或人体代谢失调，不能由酪氨酸生成多巴或多巴胺（一种神经传递介质）。,2.-酪氨酸酶,核苷中的核糖被阿拉伯糖取代可以形成阿糖苷。阿糖苷具有抗癌和抗病毒的作用，是令人注目的药物。其中阿糖腺苷疗效显著。阿糖腺苷（腺嘌呤阿拉伯糖苷）可由嘌呤核苷磷酸化酶催化阿糖尿苷（尿嘧啶阿拉伯糖苷）转化而成。由阿糖尿苷生成阿糖腺苷的反应分两步完成。首先阿糖尿苷在尿苷磷酸化酶的作用下生成阿拉伯糖-1-磷酸：,3.核苷磷酸化酶,然后阿糖-1-磷酸再在嘌呤核苷磷酸化酶的作用下生成阿糖腺苷。,利用酶催化作用的高度专一性对物质进行
15、检测，已成为物质分析检测的重要手段。用酶进行物质分析检测的方法统称为酶法检测或酶法分析。酶法检测是以酶的专一性为基础、以酶作用后物质的变化为依据来进行的。故此，要进行酶法检测必须具备两个基本条件：一是要有专一性高的酶，二是对酶作用后的物质变化要有可靠的检测方法。酶法检测一般包括两个步骤。第一步是酶反应。将酶与样品接触，在适宜的条件下（包括温度、pH值、抑制剂和激活剂浓度等）进行催化反应。第二步是测定反应前后物质的变化情况，即测定底物的减少，产物的增加或辅酶的变化等。根据酶反应的不同，酶法检测可以分成单酶反应，多酶偶连反应和酶标免疫反应等三类,第三节 在分析检测方面的应用,利用单一种酶与底物反应
16、，然后用各种方法测出反应前后物质的变化情况，从而确定底物的量。这是最简单的酶法检测技术。使用的酶可以是游离酶，也可以是固定化酶或单酶电极等。现举例说明如下：（1）L-谷氨酸脱羧酶L-谷氨酸脱羧酶专一地催化 L-谷氨酸脱羧生成-氨基丁酸和二氧化碳，生成的二氧化碳可以用华勃氏呼吸仪或二氧化碳电极等测定。该酶已经广泛地用于L-谷氨酸的定量分析。可使用的酶形式有游离酶和酶电极。（2）脲酶 脲酶能专一地催化尿素水解生成氨和二氧化碳。通过气体检测或者使用氨电极、二氧化碳电极等，测出氨或二氧化碳的量，从而确定尿素的含量。,1.单酶反应检测,（3）葡萄糖氧化酶根据葡萄糖氧化酶能专一地氧化葡萄糖这一特点，可利用
17、它进行葡萄糖的检测。葡萄糖氧化酶能够催化葡萄糖的氧化反应生成葡萄糖酸和双氧水，反应中所消耗氧的量或生成的葡萄糖酸的量都与葡萄糖有定量的关系。用pH电极、氧电极和Pt（H2O2）电极等可以测定酸的生成或氧的减少来确定葡萄糖的量。该酶已广泛地用于食品、发酵工业和临床诊断等方面。（4）胆固醇氧化酶该酶催化胆固醇与氧反应生成胆固醇（胆甾烯酮）。通过气体检测技术或者使用氧电极来测出氧的减少量，就可以确定胆固醇的含量。,多酶偶联反应检测是利用两种或两种以上酶的联合作用，使底物通过两步或多步反应，转化为易于检测的产物，从而测定被测物质的量。有些物质经过单酶催化反应后，对物质变化情况进行检测时会受到其他物质的
18、干扰，表现为检测的灵敏度不高等现象，使检测难于进行或检测结果的精确度不够。为此可采用两种或两种以上的酶进行连续式或平行式的偶连反应，使酶法检测易于进行并达到较理想的结果。利用多酶偶联反应检测已有不少成功的例子。萄糖氧化酶与过氧化物酶偶联-半乳糖苷酶与葡萄糖氧化酶偶联己糖激酶与葡萄糖氧化酶偶联,2.酶偶联反应检测,酶标记免疫反应检测首先是将适宜的酶与抗原或抗体结合在一起。若要测定样品中抗原含量，就将酶与欲测定的对应抗体结合，制成酶标抗体，反之，若要测定抗体，则需先制成酶标抗原。然后将酶标抗体（或酶标抗原）与样品液中待测抗原（或抗体），通过免疫反应（或抗体）结合在一起，形成酶-抗体-抗原复合物。通
19、过测定复合物中酶的含量就可得出欲测定的抗原或抗体的量。常用于酶标免疫测定的酶有碱性磷酸酶和过氧化氢酶等。,3.酶标记免疫反应检测,生物工程主要包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等四个方面内容。一、酶在除去细胞壁方面的应用 微生物细胞和植物细胞的表层部有细胞壁。细胞壁对微生物和植物维持其细胞的形状和结构起着重要作用，可保护细胞遭外界因素的破坏。但在生物工程方面，很多时候都需要除去细胞壁。例如：(1)胞内物质的提取,第四节 酶在生物工程中的应用,(2)原生质体的制备：根据不同纳脑的结构和细胞壁组分的不同，除去细胞壁时所采用的酶也有所区别。现分述如下除去细菌细胞壁除去酵母细胞壁除去霉菌细胞壁植
20、物细胞壁的破除,生物工程经常与生物大分子打交道。在许多情况下需要把大分子切割成较小的分子或片断，以便在生物工程的有关领域使用。在生物大分子的切割过程中往往要求在特定的位点上进行，这就只能借助于具有专一性的各种水解酶或其他酶类才能做到限制性核酸内切酶DNA外切核酸酶碱性磷酸酶核酸酶S1,二、酶在大分子切割方面的应用,许多酶都具有分子拼接能力，能将两个或多个分子连接在一起而合成较大的分子。这些酶类在生物体内是至关重要的，它们催化各种各样的生物合成反应。DNA连接酶DNA聚合酶DNA聚合酶的共同特点是：(1)需要模板或引物。(2)不能起始新的DNA链的合成。(3)催化脱氧核苷三磷酸加到DNA链的3OH末端。(4)合成的方向是从5末端至3末端。末端脱氧核苷酸转移酶反转录酶,三、酶在分子拼接方面的应用,本章结束祝您学习愉快！,
