第九章酶的应用(自)

第九章酶的应用•随着酶工业化生产的发展，酶已广泛应用于工业、农业、医药、环保及科研等领域。•酶的应用包括各种游离酶、固定化酶及修饰酶等在各个领域的应用。内容十分广泛。一、酶在医药方面的应用•酶在医药方面的应用可归纳为：–用酶进行疾病的诊断；–用酶治疗各种疾病；–用酶制造各种药物。•由于酶具有专一性强和效率高的特点，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。（一）酶在疾病诊断方面的应用•根据体液内酶活力的变化诊断疾病–酸性磷酸酶•前列腺癌患者及出现肝炎、甲状旁腺机能亢进、红血球病变等疾病时，血清中酸性磷酸酶的活力会升高。–碱性磷酸酶•佝偻病、骨骼软化症、骨瘤、骨骼广泛性转移癌、甲状旁腺机能亢进、黄疸性肝脏疾病等，患者血清中碱性磷酸酶活力升高；而软骨发育不全等疾病，引起该酶活力下降。–转氨酶•血清中GPT和GOT的活力测定，已在肝脏疾病和心肌梗塞等疾病的诊断中得到广泛应用。–-葡萄糖醛缩酶、胃蛋白酶、乳酸脱氢酶、醛缩酶、磷酸葡萄糖变位酶等的活力测定，有助于对某些癌症作出诊断。（二）酶在疾病治疗方面的应用•酶作为药物可治疗多种疾病，且具有疗效显著，副作用小的特点。•蛋白酶–可用于治疗多种疾病，是临床上使用最早、用途最广的药用酶之一。–可作为消化剂，治疗消化不良和食欲不振；–可作为消炎剂，治疗各种炎症；–经静脉注射，可治疗高血压。•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。–可作用于细菌的细胞壁，使病原菌、腐败性细菌等溶解死灭，疗效显著而副作用很小。与抗生素联合使用，可显著提高抗生素的疗效。•SOD–可使机体免遭超氧负离子的损害；–具有抗辐射作用并对红斑狼疮、皮肌炎、结肠炎及氧中毒等疾病有显著疗效。•L-天门冬酰胺酶–是一种用于治疗癌症的酶。特别是对治疗白血病有显著疗效。（三）酶在药物制造方面的应用•青霉素酰化酶–在半合成抗生素的生产上有重要作用的一种酶。它催化青霉素或头孢菌素水解生成6-APA和7-ACA，又可催化酰基化反应，合成新型青霉素和头孢菌素。–不同来源的该酶对温度和pH的要求不同。同一来源的该酶在催化水解反应和催化合成反应时所要求的条件各不相同，尤其是pH条件相差很大，操作时要控制好。–催化合成反应时，除了要控制好pH、温度和酶浓度外，还要注意反应液中6-APA与侧链羧酸衍生物的比例。反应液中适当加入一些表面活性剂或异丁醇等，有利于提高转化率。•-酪氨酸酶–可催化L-酪氨酸或邻苯二酚生成多巴。已经制成固定化酶使用。–多巴是治疗帕金森氏综合症的一种重要药物。–该酶作用pH为3.5~6.0，温度为30~55℃，为控制氧化进程，应添加维生素C或硫酸肼等抗氧化剂。•核苷磷酸化酶–可催化阿糖尿苷生成阿糖腺苷；而阿糖尿苷由尿苷通过化学方法转化而成；–阿糖腺苷具有显著的抗癌和抗病毒作用。•无色杆菌蛋白酶–可以特异性催化胰岛素B链羧基末端上的氨基酸置换反应，由猪胰岛素转变为人胰岛素，以增加疗效。二、酶在食品、轻工方面的应用•国内外最广泛使用酶的领域是在食品和轻工业部门。•轻工、食品行业与人们日常生活息息相关。酶的广泛应用，促进了新产品、新工艺和新技术的发展；而且可增加产品产量、提高产品质量、降低原材料消耗、改善劳动条件、减轻劳动强度等。显示出良好的经济与社会效益。（一）酶在食品工业方面的应用•制糖工业–酶法生产葡萄糖•过去国内外葡萄糖生产通常采用酸法水解，现在大都采用酶法。•原料：淀粉。•酶：-淀粉酶和糖化酶。都要求达到一定纯度，尤其是糖化酶中应不含葡萄糖苷转移酶。通常使用游离酶分批方式，也可采用固定化糖化酶进行连续生产。•工艺流程：晶体或粉状葡萄糖葡萄糖液糊精淀粉浆或喷雾干燥结晶离子交换脱色糖化酶淀粉酶–果葡糖浆的生产•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混合糖浆。由于甜度的提高，可减少用量，而且摄取果糖后血糖不易升高，有一定保健功能。•原料：葡萄糖，一般由淀粉通过酶法水解制得。但需经过层析等方法精制后使用。•酶：葡萄糖异构酶。最适pH可由于来源不同而有所差别；温度不宜超过70℃。•高果糖浆：通常果葡糖浆含果糖42%左右，若将其中的葡萄糖与果糖分离，将分离出的葡萄糖再进行异构化，如此反复，可得到果糖含量达70%、90%甚至更高的糖浆，称为高果糖浆。–饴糖的生产•饴糖是我国传统的淀粉糖制品。是以大米或糯米为原料，加进大麦芽，利用麦芽中的-淀粉酶和-淀粉酶，将淀粉糖化而成的麦芽糖浆。其中含麦芽糖30%~40%，糊精60%-70%。•饴糖也可用酶法生产。原料也是大米或糯米，所用酶为-淀粉酶和-淀粉酶，此法生产的饴糖，麦芽糖含量可达60%-70%。•蛋白制品加工–乳制品加工：凝乳蛋白酶用于制造奶酪；用乳糖酶生产低乳糖奶；蛋白酶用于生产乳蛋白水解物等。–蛋制品加工：葡萄糖氧化酶用于除去蛋制品中存在的少量葡萄糖，以防止褐变，提高产品质量。–鱼制品加工：利用蛋白酶生产可溶性的鱼蛋白粉；用三甲基胺氧化酶脱腥等。–肉制品加工：蛋白酶用于制造肉类水解蛋白；用木瓜蛋白酶制成嫩肉粉；蛋白酶用于生产明胶；溶菌酶用于肉类制品的保鲜防腐等。•果蔬加工–果胶酶用于果汁和果酒的澄清；–柚苷酶和橙皮苷酶可分别用于柑桔类果汁或罐头制品脱除苦味和防止出现白色浑浊；–葡萄糖氧化酶可去除果汁、饮料、罐头食品和果蔬干制品中的氧气，防止产品氧化变质，防止微生物生长，延长食品保存期；–溶菌酶可防止细菌污染，起保鲜作用等。•改善食品的品质和风味–风味酶的发现和应用，在食品风味的再现、强化和改变方面有广阔应用前景。例如：•用洋葱风味酶处理甘蓝等蔬菜；•用奶油风味酶作用于含乳脂的巧克力、冰淇淋、人造奶油等食品；•风味酶用于恢复甚至强化原来的天然风味。–在面包制造中，面团中添加适量的-淀粉酶和蛋白酶，可缩短面团发酵时间，面包的品质也有所提高。（二）酶在轻工业方面的应用•原料处理–发酵原料的处理•淀粉原料的处理，一般采用-淀粉酶和糖化酶；•含纤维素原料可用纤维素酶处理；•含戊聚糖的植物原料可用各种戊聚糖酶处理。–纺织原料的处理•上浆：用-淀粉酶处理淀粉，可用作上浆的浆料；•退浆：利用-淀粉酶使浆料水解；若上浆时用动物胶作胶浆，可用蛋白酶使之退浆。–造纸原料的制浆•酶法制浆：木质素酶可水解除去木质素，提高纸的质量，而且环保。–生丝的脱胶处理•胰蛋白酶、木瓜蛋白酶或微生物蛋白酶可在温和条件下催化丝胶蛋白水解。–羊毛的除垢•羊毛在染色前需除垢，可利用蛋白酶来实现，提高羊毛的着色率，并保持羊毛的特点，提高羊毛制品的质量。•轻工产品制造–酶法生产L-氨基酸•L-氨基酰化酶用于DL-酰基氨基酸的光学拆分，工业上已采用固定化酶的方式连续生产L-苯丙氨酸和L-色氨酸等；•工业上已将固定化菌体形式的天门冬氨酸酶和天门冬氨酸--脱羧酶分别用于L-天门冬氨酸和L-丙氨酸的连续生产；•已内酰胺水解酶用于L-赖氨酸的生产；•噻唑啉羧酸水解酶用于合成L-半胱氨酸。–酶法生产核苷酸•5’-磷酸二酯酶水解RNA生产各种5’-核苷酸；•腺苷酸脱氨酶水解AMP生产IMP；•核苷磷酸化酶催化肌苷生成5’-IMP，催化鸟苷生成5’-鸟苷酸，催化AMP生成ADP和ATP等。–酶法生产有机酸•工业上采用固定化延胡索酸酶连续生产L-苹果酸；•环氧琥珀酸水解酶用于生产L-酒石酸。–酶法制酱•酱油或豆酱生产中，利用蛋白酶催化大豆蛋白质水解，可缩短生产周期，提高蛋白质利用率；•酱油酿造中，添加纤维素酶可提高原料利用率。–酶法制革•蛋白酶可用于原料皮脱毛；•酸性蛋白酶和少量脂肪酶可用于皮革软化。•增强产品的使用效果–加酶洗涤剂•目前洗涤剂中最广泛最大量使用的是碱性蛋白酶；•酶也可加到肥皂中制成加酶肥皂等；•淀粉酶、脂肪酶、果胶酶和纤维素酶等也可添加于固体和液体洗涤剂中。–加酶牙膏、牙粉和嗽口水•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。•可利用酶的催化作用，增加洁齿效果，减少牙垢并可防止龋齿的发生。–加酶饲料•淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶和半纤维素酶等在饲料中不天加，可增加饲料的可消化性。–加酶护肤用品•SOD、碱性磷酸酶、尿酸酶、弹性蛋白酶等在护肤及化妆品中的添加，可有效提高护肤效果。三、酶在环境保护方面的应用人类赖以生存的环境质量，是目前举世瞩目的重大问题。随着科学技术的不断发展，人类开发利用自然资源的能力和范围不断扩大。与此同时，人类的生产、生活对环境的影响也逐渐增强，环境日益受到来自生产、生活废弃物的污染。因此环境保护问题越来越被人们所重视。一、水净化水与人类的生活息息相关，离开水的滋养，人类将不复存在，因此世界范围的水污染问题是目前人类最关心的环境主题。水源污染常常是由那些剧毒，而且抗生物降解的化学晶造成的，这些化合物很容易在体内组织中浓缩聚集，使人产生疾病。为了保护水资源及人类的健康，除去这些有毒的化合物以消除污染是至关重要的。实践证明，用酶处理这些污染物是行之有效的。早在20世纪七八十年代，固定化酶已被用于水和空气的净化。法国工业研究所积极开展利用固定化酶处理工业废水的研究，将能处理废水的酶制成固定化酶，其形式有酶布、酶片、酶粒或酶柱等。处理静止废水时，可以直接用酶布或酶片。处理流动废水时，可以根据废水所含的污物种类和数量，确定玻璃酶柱或塑料酶柱的高度和内径。根据所处理物质的不同，选用不同的固定化酶。也可以装成多酶酶柱，以弥补单一酶的局限性。例如，可以将分解氰化物的固定化酶和除去酚的固定化酶同时装入一个柱内，既能除去氰，又能除去酚。如果某些酶不能并存，就各自单独装柱。在造纸和纸浆工业的污染处理上，应用酶法也是有效的。①造纸厂废水中，含有大量的淀粉和白土混悬的胶态物，用固定化α—淀粉酶，可以连续水解这种废水中的胶态悬浮淀粉，使原先悬浮着的纤维很容易沉淀下来，分离除去。制得的固定化α—淀粉酶，可以用分批法或装柱法连续处理纸厂废水。用分批法处理时，同时添加100mg／L明矾，可以除去废水中悬浮物的80％。用装柱法处理时，将固定化α—淀粉酶置于有机玻璃反应器中，使废水至下而上流过反应器，可以除去废水中78％的悬浮物。②在纸张漂白过程中加入氯和氯化物，导致环境污染。芬兰技术研究中j心和芬兰木浆和纸研究中心共同研究用酶法处理纸浆，使排水管道中含氯的有机化合物数量减少。加拿大应用Trichodermalongibranchiatum中的木聚糖酶对纸张进行漂白，对芬兰造纸工厂每天排放的1000t废水进行检验，结果表明纸浆用酶处理后，氯的用量减少25％，废水中氯有机化合物的含量减少40％。德国MobiteGmbH公司和美国Agrecol公司利用固定化酶可以除去地下水中硝酸盐。将酶固定在多聚物基质上，催化硝酸盐还原为亚硝酸盐，在生物反应器中亚硝酸盐可变为无害的氮气。反应原理如下：固定化酶给与电流，待处理的水由活性的基质中通过，酶反应所需的电子由电流中供给。应用还原酶的基质使硝酸盐完全变为氮气。因此清除了有害的亚硝酸盐。欧美国家对硝酸盐产生的污染问题很重视，饮料中的硝酸盐的浓度每升不超过40mg。因而酶法处理地下水是非常有意义的。利用固定化热带假丝酵母的复合酶系能够分解酚，可以用来处理含酚废水。美国采用化学方法将高活力的酚氧化酶结合到玻璃珠上，用于处理冶金工业的含酚废水。利用固定化丁酸梭菌的酶系，分解乙醇产生氢，已被用来处理乙醇厂的生产废水，而氢又是重要的能源物质，这就起了变废为宝的作用。溶菌酶是一种能够催化裂解某些细菌细胞壁的酶，这一特性也可被应用于污水处理，日本学者采用固定化溶菌酶技术，成功地处理了废水中生物难降解的黑腐酸以及与黑腐酸结构类似的有机物质。农药的大量使用，迫切需要发展有效的处理农药污染的技术。德国用共价结合法将可以降解对硫磷等9种农药的酶，固定在多孔玻璃珠上，制得的固定化酶的活力可提高350倍。制成酶柱后用于处理含有对硫磷的废水，去除率可以达到90％以上。该酶柱能够连续工作70d，其酶活力无明显的损失。这一多酶系统不需要辅助因子或特殊盐类就能发挥作用，因此使用起来相当经济。在此基础