Ch7 酶制剂的应用

Ch7酶制剂的应用据不完全统计，应用酶工程技术所产生的工业产值已达几百亿美元。目前已形成工业化规模的应用领域有：食品工业、轻工业和和制药业。第一代酶的工业酶制剂，仍在继续施展其效能；第二代酶(固定化酶)正日益成为工业应用的主力军；第三代酶包括辅助因子再生系统在内的固定多酶系统，正在成为酶工程领域的主角。生物酶工程，已克隆的酶基因超过100种。基因诱变技术日新月异，不仅在酶分子结构与功能关系的研究中大显身手，而且已推出一些商业上生产的基因工程酶，可以认为是第四代酶制剂。下表所列是其中的一部分。酶生产菌用途公司枯草杆菌蛋白酶脂酶α-淀粉酶凝乳酶凝乳酶凝乳酶B.subtilisAspergillusspB.subtilisE.coliKluyveromycesmarxianusA.nigervaz.awamori洗涤剂洗涤剂淀粉加工奶酪生产奶酪生产奶酪生产GenencorNovoEnzymeBio-SystemsPfizerGist-BrocadesGenencor自第一个极端环境酶（嗜热DNA聚合酶，Taq）发现，并成功地应用于PCR技术以后，极大地激发了人们开发极端环境酶的研究兴趣，到目前已经有部分极端环境酶得到产业化应用。微生物极端酶应用领域嗜热菌淀粉酶生产淀粉糖、果糖糖浆（50～100℃）木糖酶纸张漂白蛋白酶氨基酸生产、食品加工DNA聚合酶遗传工程嗜冷菌中性蛋白酶洗涤剂（5～20℃）淀粉酶洗涤剂脂肪酶洗涤剂嗜酸菌pH2.0↓硫氢化酶原煤脱硫嗜碱菌pH9.0↑蛋白酶洗涤剂淀粉酶洗涤剂脂肪酶洗涤剂纤维素酶洗涤剂嗜盐菌3％～20％/NaCl过氧化物酶卤化物合成CH7-1国内外酶制剂工业的现状和发展趋势目前已经发现和鉴定的酶，约有3000多种，小批量生产的商品酶约有800多种，大规模生产和应用的酶制剂约30多种；自然酶的来源主要是微生物、动物和植物，其中以微生物为主，动植物来源的酶次之，工业酶制剂更是以微生物来源为主。目前工业上应用的酶制剂，以食品工业为主食品工业。例如淀粉加工、酿造、乳品制造业、焙烤业合计约占酶制剂销售量的60％；洗涤剂用酶约占35％，其它5％。酶制剂所属种类，以水解酶为主，其中各种蛋白酶约占总量的60％，糖酶(如，淀粉酶等)占30％。近年来脂肪酶和酯酶的开发利用，正日益受到重视；异构酶中的葡萄糖异构酶是最大量的工业酶之一，其生产和应用，发展很快。近年来，随着酶工程研究的快速进展，酶工程产业的发展也非常迅速，成为21世纪大有发展前途的新兴产业之一。据90年代初统计，世界上较大的酶制剂生产厂商有70多家，其中最大的8家酶制剂生产厂商是：(1)NovoNordisk(诺和诺德公司，丹麦)(2)Gist-rocades(荷兰)(3)Cultor(科特公司，芬兰)(4)GenencorInternational(杰能科公司，美国)(5)Solvay(苏尔威公司，比利时)(6)Chr.Hansen(汉森公司，丹麦)(7)RhonePonlenc(罗兰·普朗克公司，法国)(8)Quest(荷兰)随着国际酶制剂市场竞争日趋激烈，国际上一些大型酶制剂生产厂商，为了扩大生存空间和寻求持续发展，不断进行收购、兼并和扩建。•1995年6月Genencor公司收购了荷兰GistBrocades公司的工业酶的研究、开发、生产和市场。•1996年Genencor公司又收购了比利时Solvay公司全部酶制剂的研究、生产和市场。•1996年10月NovoNordisk公司收买ShovaDenbom公司工业酶制剂的专利，ShovaDenbom公司退出工业酶制剂市场。•1998年NovoNordisk公司在天津的酶制剂工厂第一期工程建成投产。该公司在全世界建成3大市场基地，即丹麦、美国和中国。从而可以就近生产、销售，进而能够达到降低成本和扩大市场。目前，NovoNordisk公司和Genencor公司成为世界上最大的酶制剂生产商和供应商。1997年两公司的销售额达到11亿美元，占全世界酶制剂销售额的70％以上。由于收购、兼并和扩建，使得国际上大的酶制剂公司结构精简，人才集中，技术优化，使新产品的开发周期显著缩短，数量大大增加，应用领域迅速扩大。从1991年到1998年，酶制剂的年销售额，平均增长率为12.84％，最高为21.74％，最低为1.38％。近年来，增长速度趋缓。据预测，今后10年世界上工业用酶的销售额将按6％～8％的速度增长。而NovoNordisk公司将以10％～15％的速度增长。CH7-1国内外酶制剂工业的现状和发展趋势010002000300040005000600019971998199920002001Novo公司1997－2001年营业额变化情况饲料级酶制剂食品级酶制剂技术级酶制剂2001年Novo公司各类酶制剂产值比例27%65%8%食品级酶制剂技术级酶制剂饲料级酶制剂CH7-1国内外酶制剂工业的现状和发展趋势2001年Novo销往各地比例19%30%42%9%亚太北美欧洲、中东和非洲拉美CH7-1国内外酶制剂工业的现状和发展趋势酶制剂在各行业的比例30201010553215洗涤剂淀粉加工制酒乳品加工纤维纺织乙醇工业酿造业面包业其它CH7-1国内外酶制剂工业的现状和发展趋势关于酶制剂的安全问题酶制剂生产企业主要根据市场需要情况而调整生产结构，一般酶制剂包括工业级、食品级、医药级和饲料级等。工业级的酶制剂对安全因素的要求相对不高，其余3类对安全问题有严格的要求。FAO、WHO、食品添加剂专家联合委员会对酶制剂安全问题提出3点建议：⑴从动植物可食用部分组织器官或食品制造用的微生物发酵生产的酶制剂，不必进行毒性实验；⑵由非致病性一般常见食品污染微生物发酵生产的酶制剂，必须经过短期的急性毒性实验⑶由非常见微生物生产的酶制剂需要进行急性毒性实验，验证无毒后还要进行慢性毒性实验目前酶制剂发展的重点领域⑴食品工业用酶：葡萄糖转苷酶……生产异麦芽低聚糖；β－果糖基果糖转移酶……生产乳果糖；β－葡萄糖苷酶……环糊精转移酶……生产环状糊精⑵饲料工业酶制剂：目前的研究开发的热点是植酸酶⑶纺织工业：原果胶酶……纤维柔软蓬松剂⑷洗涤剂工业：重要集中在4种酶碱性丝氨酸蛋白酶、碱性脂肪酶、碱性纤维素酶和淀粉酶⑸医药领域：诊断用酶制剂、治疗用酶制剂酶制剂名称来源主要用途α-淀粉酶枯草杆菌、黑曲霉淀粉液化、制造葡萄糖、纺织品退浆β-淀粉酶麦芽、芽孢杆菌麦芽糖、啤酒酿造，调节烘烤体积糖化酶黑曲霉、根霉糊精降解为葡萄糖蛋白酶胰、木瓜、枯草杆菌肉嫩化、奶酪、鱼胴、制备蛋白胴等右旋糖酐酶霉菌牙膏、漱口水、牙膏粉等添加剂生产纤维素酶木霉、氢霉发酵、饲料加工果胶酶霉菌果汁、果酒的澄清葡萄糖异构酶放线菌、细菌生产果葡糖浆葡萄糖氧化酶黑曲霉、根霉食品保鲜、啤酒、饮料添加清除O2柚苷酶黑曲霉水果加工、去除柚苦味脂氧化酶大豆烘烤食品的漂白剂橙皮苷酶黑曲霉在桔子罐头和桔子汁中使用防止混浊氨基酰化酶霉菌转化DL－氨基酸为生产L－氨基酸磷酸二酯酶米曲霉橘青霉降解RNA生产单核苷酸乳糖酶霉菌、酵母水解乳清中的乳糖脂肪酶霉菌奶酪后熟、改善牛乳的风味溶菌酶蛋清食品抗菌物质CH7-2食品工业酶制剂及其应用CH7-2食品工业酶制剂及其应用一、酶法制糖工业①酶法生产葡萄糖淀粉浆（30%～50%）↓α－淀粉酶液化液化糖液↓葡萄糖淀粉酶（糖化酶）糖化液↓活性炭或离子交换树脂↓↓结晶浓缩、固化或喷雾干燥↓↓结晶葡萄糖粉状葡萄糖②生产果葡糖浆目前用于工业化生产果葡糖浆的葡萄糖异构酶固定化公司生产固定化酶的方法Gist-Brocades戊二醛交联、然后造粒ClintonCornProcessing戊二醛交联、然后造粒MilesLabs吸附到离子交换树脂CPCInt戊二醛交联、然后造粒Sanmatsu吸附到粒状陶瓷载体SnamProgetti包埋到乙酰纤维素CH7-2食品工业酶制剂及其应用二、啤酒发酵发芽大麦↓大麦芽磨碎↓制备麦芽浆←蛋白酶、α-淀粉酶、β-葡聚糖酶、糖化酶↓加啤酒花，煮麦芽汁↓冷却，去酒花残渣↓发酵←酵母↓调理啤酒←蛋白酶、糖化酶，β-葡聚糖酶↓啤酒巴氏消毒→成品三、蛋白制品加工⑴用木瓜蛋白酶水解蛋白制备肉粉、肉松，或在烹调时加木瓜粉嫩化瘦肉，使肉制品嫩化、可口！⑵用蛋白酶生产明胶，⑶香肠加工中利用蛋白酶水解肉蛋白，增加香肠的弹性和口感⑷加工不宜食用的蛋白，制备蛋白水解物。四、果品、蔬菜加工在果品蔬菜加工中，用得最多的酶制剂是果胶酶，果胶酶的主要用途是，在果品蔬菜榨汁、果蔬汁过滤澄清工艺中，引用果胶酶，能够水解果蔬细胞间隙中、或果汁中的果胶成分，可以提高果汁的出汁率和加促果蔬汁的过滤，果胶酶的酶系构成比较复杂，催化果胶分解的作用方式各异，在应用中要根据具体情况选择使用：⑴果胶酯酶⑵聚半乳糖醛酸酶⑶果胶酸裂解酶⑷果胶裂解酶五、乳品加工在乳品加工中常用的酶制剂有：凝乳酶……制造奶酪过氧化氢酶……牛奶消毒溶菌酶……婴儿奶粉添加作防腐剂乳糖酶……分解牛奶中的乳糖，生产脱乳糖牛奶及其制品脂肪酶……用于奶油的增香全球统计数字表明，用于奶酪生产的牛奶占总量的25%，年消耗1亿吨，过去凝乳酶主要来自犊牛胃，而全球每年可供屠宰的犊牛尽4000万头，所以凝乳酶的来源远不能满足生产需要；微生物发酵生产凝乳酶为奶酪生产提供了发展空间，现有85%以上的凝乳酶来自微生物发酵。乳品行业用的第二大酶是乳糖酶，牛奶中含4.5％的乳糖，有些人有乳糖不耐受症，饮用牛奶后出现腹泻、腹痛；利用乳糖酶对牛奶脱乳糖后生产脱乳糖牛奶，在发达国家已经商业化。生产奶酪后的乳清是牛乳加工的主要副产品，年产乳清达90000吨，其中含有脂肪0.2%、蛋白质0.7%、乳糖4%～4.5%；经乳糖酶处理后，可作为酵母的发酵培养基。现有黑曲霉生产的乳糖酶，用多孔玻璃固定化乳糖酶已用于生产。六、水产品加工①酶法生产水解鱼蛋白粉低质鱼和小杂鱼在海洋捕捞中历来占较大的比例。随着人们生活水平的提高，低质鱼类直接食用的份额越来越低，应用酶法技术生产浓缩水解蛋白则是水产品综合利用的一条新途径。水解鱼蛋白优于整鱼肉或鱼蛋白浓缩物，其水溶性好、低脂、低灰分、高蛋白。当然不同品种的鱼和酶都将产生不同性质的水解鱼蛋白。早在70年代初，Hale等人，已注意到胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、胃蛋白酶比较适合鱼蛋白水解，为了得到较长的肽链，可使用木瓜蛋白酶。Venugopal和Lewis等人报道，使用胃蛋白酶的水解鱼蛋白有更好的溶解性。许多微生物产生的酶比植物性蛋白酶有更高的活性、而且可以固定化连续水解产生水解鱼蛋白。②酶法生产鱼露等调味品鱼露是一种享誉海内外的调味品。传统的鱼露加工主要靠食盐防腐，自然发酵。由于加盐量过多，抑制了酶的活性，发酵周期有的长达一年以上。随着酶工程技术的发展，生产周期缩短为24h，从而使鱼露的生产取得了突破性进展。③转谷氨酰胺酶改善鱼糜制品质构转谷氨酰胺酶是一种可以催化转酰基反应，从而导致蛋白质之间发生共价交联的酶。鱼肉蛋白质在低温下形成凝胶，是由于鱼肉本身所含有一定的转谷氨酰胺酶的活力（大约为0.1－2.4U／g，湿重）所致。因此当原料品质比较差时，可通过添加转谷氨酰胺酶提高产品凝胶强度，减少蒸煮损失，提高产品质量。Icllihara和Wakemeda报道了用转谷氨酰胺酶与蟹鱼肉、食盐、土豆粉碎混合，生产鱼肉饼的方法。Tani报道了将骨胶或明胶的pH7的水溶液加入转谷氨酰胺酶，挤出成型，形成凝胶，最后干燥制成仿鱼翅制品。Venugopal等则利用鱼肉蛋白经转谷氨酰胺酶处理后，生产可食性涂膜。④酶法脱腥、去异味Jeffereys和Krell注意到从曲霉中分离到的酶可去除鱼肉中大部分的异味和腥味。七、食品保鲜目前在食品保藏中，起主要作用的是葡萄糖氧化酶。一般食品在保藏过程中的变质，除污染的微生物外，主要有两个方面：①是中糖的醛基和蛋白质中的氨基酸发生美拉德反应，引起食品褐变；②氧化褐变。利用葡萄糖