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1、第四章酶工程原理及其在食品工業(yè)中的應用第一節(jié)酶工程原理和方法（一）酶工程的定義利用酶、菌體細胞具有的特異催化功能，或?qū)γ附Y(jié)構(gòu)進行修飾改造，并借助于生物反應器和工藝優(yōu)化過程，有效地發(fā)揮酶的催化特性來生產(chǎn)人類所需產(chǎn)品的技術。它包括酶、細胞固定化技術、酶化學修飾技術和酶反應器設計等。一、酶工程概述酶工程一般工藝流程示意圖胞外酶胞內(nèi)酶菌種→基因改造→發(fā)酵→發(fā)酵酶液→預處理→細胞分離→細胞破壁→碎片分離→提取→精制→酶制劑及其改造酶制劑↓原料→前處理→殺菌→酶反應器→反應液→產(chǎn)品提取→成品（二）酶工程的發(fā)展歷程1.20世紀50～60年代早期的酶工程技術
2、，主要是從動物、植物和微生物原料中提取、分離、純化制造各種酶制劑，并將其應用于化工、食品和醫(yī)藥等工業(yè)領域。2.20世紀70年代后期，酶的固定化技術取得了突破，使固定化酶、固定化細胞、生物反應器與生物傳感器等酶工程技術迅速獲得應用。3.目前，各種酶工程技術已用于制造多種精細化工產(chǎn)品和醫(yī)藥產(chǎn)品，并且在食品工業(yè)、化學檢測和環(huán)境保護等各個領域中得到了有效的應用。二、酶制劑的生產(chǎn)1.包括菌種的來源、產(chǎn)酶菌種的分離、篩選、育種和酶的發(fā)酵生產(chǎn)等。2.酶生產(chǎn)菌的要求（1）不能是致病菌，特別是對食品用酶和醫(yī)藥用酶。目前認為可用于食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)的生產(chǎn)菌種有：
3、枯草桿菌、黑曲霉、米曲霉、啤酒酵母和脆壁酵母。（2）不易退化，不易感染噬菌體。（3）產(chǎn)酶量高，而且最好產(chǎn)生胞外酶。（4）能利用廉價的原料，發(fā)酵周期短，易培養(yǎng)。三、微生物細胞的破碎胞外酶：能分泌透過細胞壁到細胞外部的酶。胞內(nèi)酶：存在于細胞內(nèi)部的酶。對于胞內(nèi)酶的提取，需要破碎技術，胞外酶則無需破碎。破碎的目的是將細胞壁和細胞膜破壞掉，使胞內(nèi)物質(zhì)釋放出來，包括機械破碎法和非機械破碎法。（一）機械破碎法1.高壓勻漿法適合于細菌和酵母的破碎，不適合于絲狀真菌及某些基因工程菌。2.珠磨法適合于各種微生物細胞的破碎。3.超聲破碎法對桿菌的破碎較容易，對酵母
4、菌的破碎效果較差。（二）非機械破碎法1.酶溶法加酶法:常用的有溶菌酶、蛋白酶、糖苷酶等，它們對細胞壁或細胞膜進行酶解，使細胞破碎。自溶法：在微生物生長代謝過程中，控制一定條件，誘發(fā)微生物產(chǎn)生少量的溶胞酶或激發(fā)自身溶胞酶的活力，以達到細胞自溶的目的。2.化學滲透法用有機溶劑、變性劑、表面活性劑、抗生素或金屬螯合物等處理，使細胞壁或膜的通透性（滲透性）改變，從而使胞內(nèi)物質(zhì)有選擇地滲透出來。四、酶的提取與純化酶的提取:在一定條件下，用適當?shù)娜軇┨幚砗冈希姑赋浞秩芙獾饺軇┲械倪^程，也稱作酶的抽提，即初步純化。常用的方法：鹽溶液提取、酸溶液提取、
5、堿溶液提取、有機溶劑提取。酶的精制:即高度純化。常用的方法：沉淀法、超濾法、色譜分離法、結(jié)晶法等。其中沉淀法和超濾法既可用于初步純化，也可用于精制。（一）根據(jù)酶分子溶解度不同的方法通過改變某些條件，使溶液中某種物質(zhì)的溶解度降低，從溶液中沉淀析出，達到與其他物質(zhì)分離的目的。1.鹽析沉淀法通常采用的鹽有硫酸銨、硫酸鈉、磷酸鉀、硫酸鎂、氯化鈉和磷酸鈉等。其中以硫酸銨最為常用，因為它在水中的溶解度大而溫度系數(shù)小，不影響酶的活性，分離效果好，而且價廉易得。鹽析沉淀所得到的產(chǎn)品常含有大量鹽分，一般可用超濾或?qū)游龅确椒擕}，使酶進一步純化。2.等電點沉淀法
6、在酶的沉淀分離中，等電點沉淀法經(jīng)常與鹽析沉淀、有機溶劑沉淀和復合沉淀等方法一起使用，使其沉淀完全。3.有機溶劑沉淀法利用酶等物質(zhì)在有機溶劑中的溶解度不同而使其分離。常用的有機溶劑有乙醇、丙酮、異丙酮、甲醇等。4.復合沉淀法在酶液中加入某些高分子聚合物，例如，單寧，使它與酶形成復合物而沉淀下來，分離出沉淀后，再用適當方法將酶從復合物中重新析出。（二）根據(jù)酶分子大小和形狀不同的方法1.離心分離法在酶的提取分離純化過程中，細胞的收集、細胞碎片和沉淀的分離以及酶的純化等往往要使用離心分離。2.體積排阻法利用具有一定大小網(wǎng)狀的凝膠顆粒（固定相）填充柱的
7、分子篩作用，利用溶液中各組分的相對分子質(zhì)量不同來進行層析分離的一種方法。常用的凝膠有瓊脂糖凝膠（Sepharose）、聚丙烯酰胺凝膠（Biogel）和葡聚糖凝膠（Sephadex）等。3.透析透析膜可用動物膜、羊皮紙、火棉膠或塞璐玢等制成。使用時可做成透析管、透析袋或透析槽等形式。優(yōu)點：設備簡單，操作簡便。缺點：時間長，若不更換水或緩沖液時，只擴散到膜內(nèi)外平衡為止。透析結(jié)束時，透析袋內(nèi)的保留液體積較大，濃度較低。透析主要用于酶、蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的分離純化，從中除去小分子物質(zhì)。透析在酶純化過程中極為常用，通過透析可以除去酶液中的鹽類、有
8、機溶劑、低相對分子質(zhì)量的抑制劑等。4.超濾借助于超濾膜將不同相對分子質(zhì)量的物質(zhì)分離的技術，是在一定的正壓力或負壓力驅(qū)動下，將料液強制通過一定孔徑的超濾膜，部分小分子
