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第三章酶工程
第一节概述
一、酶的定义和特性
酶(Enzyme)是生物体内所产生的具有特殊催化功能的一类蛋白质,也称为生物催化剂,生物体内一切化学反应几乎都是在酶的催化下完成的。
与一般化学催化剂相比,酶具有以下特性:1、酶是蛋白质;2、酶的催化效率非常高(比一般催化剂高出107-1013倍);3、酶具有高度的专一性;4、酶的反应条件温和(常温、常压);5、酶的催化活性受到调节和控制。
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然而,在酶转化反应中,天然酶存在着以下缺点:1、稳定性差,对热、强酸、强碱、有机溶剂及重金属离子等十分敏感;2、天然酶使用后通常不易回收,不能连续使用,使用效率低,产品成本高,产品质量受影响。
因此,尽管目前已发现了3000多种酶,但真正在工业生产上能够得到实际应用的还只有100种左右。
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三、酶工程研究范围
酶工程的研究范围主要包括:
(1)酶的研制与生产
(2)酶(细胞)的固定化技术
(3)酶反应器的设计与应用技术
(4)酶分子结构改造和修饰技术
(5)酶的分子定向进化技术
(6)抗体酶技术
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四、酶工程技术的发展
早期酶工程技术主要是指从动、植物,微生物材料中提取、分离纯化制造各种酶制剂,并将其应用于化工、食品和医药工业等领域。
然而,工业上直接利用酶制剂存在一些缺点,如稳定性差、使用效率低、不能在有机溶剂中反应等。为了克服这些缺点,延长酶的使用寿命,提高酶的催化活性,并使其能在生化反应器中反复连续使用,人们发展了固定化酶技术。
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1969年日本的千佃一郎等首先在工业生产上应用固定化氨基酰化酶生产L-氨基酸,至今已有多种固定化酶(细胞)获得工业规模的应用。例如,固定化葡萄糖异构酶生产高果糖浆,固定化青霉素酰化酶生产6-氨基青霉烷酸,固定化微生物细胞生产L-天冬氨酸和L-苹果酸等。
1971年,第一届国际酶工程学会议在美国新罕布夏州的亨尼克召开,会议提出的酶工程研究内容为①酶制剂的研制;②固定化酶(细胞)及其反应器的研究与应用。
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第二节固定化生物催化剂
固定化技术是现代酶工程技术的重要内容,它是克服一些天然酶在工业应用方面的不足之处而又发挥酶反应特点的突破性技术。可以说,没有固定化技术的开发,就没有现代酶工程。
一、固定化酶及其特征
固定化酶(Immobilizedenzyme)指通过物理和化学的方法将酶束缚在一定空间内且仍具有催化活性的酶制剂。它是近代酶工程技术的主要研究领域。广义的固定化酶包括固定化酶和固定化细胞两类。
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与天然酶相比,固定化酶具有以下优点:
(1)稳定性较天然酶高,如固定化氨基酰化酶用于拆分DL-氨基酸时,反应半衰期为65天;
(2)反应后,酶与底物易于分开,并可长期反复使用,因此,固定化酶又称为“常效酶”和“长寿酶”,如利用固定化黄色短杆菌的延胡索酸酶生产L-苹果酸,可以连续反应一年;
(3)反应液中无残留酶,产物易于纯化,产品质量高;
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(4)可实现转化反应连续化和自动化控制;
(5)酶的利用效率高,产品成本低。,较相同数量天然酶高20倍;
(6)转化反应基本无三废排出,因此称之为“无公害酶”
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固定化细胞的优点在于:
(1)无需进行酶的分离纯化、减少起始投资;
(2)细胞保持原初生命活动状态,固定化过程酶回收率高;
(3)细胞内酶较固定化酶稳定性更高;
(4)细胞内辅因子可以自动再生;
(5)细胞本身含多酶体系,可催化一系列反应;
(6)抗污染能力强。
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