酶制剂的生产及在食品工业中的应用谢玉锋生物工程学院学号：12909002摘要：酶制剂由于其高效专一性的特点应用越来越广泛，微生物酶制剂的发酵生产也越来越引起了人们的关注。

本文主要从酶制剂的发酵、纯化、稳定性进行了分析，并且对微生物酶制剂在食品工业生产中的主要应用做了论述。

关键词：酶制剂；发酵；纯化；应用酶是一种生物催化剂，催化效率高、反应条件温和和专一性强等特点，已经日益受到人们的重视，应用也越来越广泛。

生物界中已发现有多种生物酶，在生产中广泛应用的仅有淀粉酶、蛋白酶、果胶酶、脂肪酶、纤维素酶、葡萄糖异构酶、葡萄糖氧化酶等十几种。

利用微生物生产生物酶制剂要比从植物瓜果、种子、动物组织中获得更容易。

因为动、植物来源有限，且受季节、气候和地域的限制，而微生物不仅不受这些因素的影响，而且种类繁多、生长速度快、加工提纯容易、加工成本相对比较低，充分显示了微生物生产酶制剂的优越性。

现在除少数几种酶仍从动、植物中提取外，绝大部分是用微生物来生产的。

1 主要酶制剂及产酶微生物酶制剂可以由细菌、酵母菌、霉菌、放线菌等微生物生产。

微生物产生的各种酶以及它们在食品工业中的应用见下表微生物酶制剂及其在食品工业中的应用酶用途来源淀粉酶普鲁兰酶蛋白酶脂肪酶纤维素酶果胶酶葡萄糖氧化酶乳糖酶凝乳酶水解淀粉制造葡萄糖、麦芽糖、糊精水解淀粉成直链低聚糖软化肌肉纤维、啤酒果酒澄清、动植物蛋白质水解营养液用于制作干酪和奶油，大米、大豆、淀粉制造用于大米、大豆、玉米脱皮，提高果汁澄清度等用于柑桔脱囊衣，饮料、果酒澄清、防止食品褐变制造转化糖，防止高浓度糖浆中蔗糖析出，防止糖乳糖酶缺乏的乳品制造，防止乳制品中乳糖析出细菌、霉菌细菌、霉菌细菌、霉菌酵母、霉菌霉菌霉菌霉菌、细菌霉菌霉菌1.1微生物酶制剂生产1.1.1菌种选择任何生物都能在一定的条件下合成某些酶。

但并不是所有的细胞都能用于酶的发酵生产。

一般说来，能用于酶发酵生产的细胞必须具备如下几个条件：酶的产量高。

优良的产酶细胞首先具有高产的特性，才有较好的开发应用价值。

高产细胞可以通过筛选、诱变、或采用基因工程、细胞工程等技术而获得；容易培养和管理，要求产酶细胞容易生长繁殖，并且适应性较强，易于控制，便于管理；产酶稳定性好。

在通常的生产条件下，能够稳定地用于生产，不易退化。

一旦细胞退化，要经过复壮处理，使其恢复产酶性能；利于酶的分离纯化。

发酵完成后，需经分离纯化过程，才能得到所需的酶，这就要求产酶细胞本身及其它杂质易于和酶分离；安全可靠。

要使用的细胞及其代谢物安全无毒，不会影响生产人员和环境，也不会对酶的应用产生其它不良的影响。

1.1.2产酶培养酶的发酵生产是以获得大量所需的酶为目的。

为此，除了选择性能优良的产酶细胞以外，还必须满足细胞生长、繁殖和发酵产酶的各种工艺条件，并要根据发酵过程的变化进行优化控制。

1) 固体培养法固体培养是以皮麸或米糠为主要原料，另外添加谷糠、豆饼等为辅助原料。

经过对原料发酵前处理，在一定的培养条件下微生物进行生长繁殖代谢产酶。

固体培养法比液体培养法产酶量高。

同时还具有原料简单、不易污染、操作简便、酶提取容易、节省能源等优点。

缺点是不便自动化和连续化作业，占地多、劳动强度大、生产周期长。

2) 液体培养法液体培养法的优点是：占地少、生产量大、适合机械化作业、发酵条件容易控制、不易污染，还可大大减轻劳动强度。

其培养方法有分批培养、流加培养和连续培养三种，其中前两种培养法广为应用，后者因污染和变异等关键性技术问题尚未解决，应用受到限制。

在深层液体培养中，pH值、通气量、温度、基质组成、生长速率、生长期及代谢产物等都对酶的形成和产量有影响，要严加控制。

深层培养的时间通过监测培养过程的酶活来确定，一般较固体培养周期(1~7d)短，仅需1~5d。

与固体培养法相比，3) 产酶条件的控制提高微生物酶活性和产率的途径是多方面的，其中控制营养和培养条件是最基本也是最重要的途径。

改变培养基成分，常常能提高酶活性，改变培养基的氢离子浓度和通气等条件，可以调节酶系的比例，改变代谢调节或遗传型，可以使酶的微生物合成产生成千倍的变化。

上述的这些措施，对于微生物产酶的影响并非孤立的，而是相互联系、相互制约的。

所谓最佳培养条件与培养基的最佳组成，都是保证酶合成达到最高产率的控制条件。

通常，菌种的生长与产酶未必是同步的，产酶量也并不是完全与微生物生长旺盛程度成正比。

为了使菌体最大限度地产酶，除了根据菌种特性或生产条件选择恰当的产酶培养基外，还应当为菌种在各个生理时期创造不同的培养条件。

①培养基a 碳源碳水化合物是微生物细胞的重要组成材料、能源和酶的组成部分，也是多种诱导酶的诱导物。

不同微生物要求的碳源不同，是由菌种自身的酶系（组成酶或诱导酶）所决定。

综合起来有如下几点值得注意：葡萄糖、蔗糖等易利用的碳水化合物，对促进细胞的呼吸与生长有利。

高浓度下，对产酶有抑制作用，如蛋白酶和α-淀粉酶等就是如此，也有与此相反的情况；有些微生物不能利用复杂的碳水化合物，必须使用葡萄糖等简单的碳水化合物时，可采用流加法等避免出现"葡萄糖效应"现象；有时近似的碳源，也会因某些原因，出现不同的产酶情况，如黄青霉（葡萄糖氧化酶产生菌）在甜菜糖蜜作碳源时不产酶，以甘蔗糖蜜作碳源时产酶量显著增高。

此外，碳源类型除了影响产酶外，还能影响微生物胞内酶与胞外酶的比例。

b 氮源氮源是蛋白质的组成成分，它能起到诱导和阻遏酶形成的作用。

在蛋白酶生产中，蛋白质能诱导酶的形成，而它的水解物就不及它本身好。

氨基酸的作用变化很大，有的有利，有的抑制。

氮源对于微生物生长与产酶有几方面影响：既促进微生物生长，又促进产酶；只促进微生物生长，不促进产酶；只促进产酶，不促进微生物生长；既不促进微生物生长，又不促进产酶。

在严格选定氮源类型之后，还应当注意碳源浓度，即碳氮比、无机氮与有机氮的浓度比例、无机氮的种类等。

在曲霉淀粉酶的生产过程中，如果碳源不足，不能得到充分的能源，菌丝体对于氮源的消耗显著降低，影响淀粉酶的合成。

c 无机盐有些金属离子本身就是酶的组成部分。

盐对产酶的效应比较复杂，现分述如下：磷：多数情况对产酶有促进作用，在蛋白酶中比较明显；钙：Ca2+对蛋白酶有明显的保护和稳定作用。

Ca2+对α-淀粉酶的作用更为明显，纯化的α-淀粉酶在50℃以上容易失活，但有大Ca2+存在时，酶的热稳性增加。

不同的菌种热稳性提高到65℃至90℃。

pH的稳定范围也从5~7扩展至5~11。

Na+、Cl-对提高枯草杆菌液化型α-淀粉酶的耐热性的作用尤为显著。

添加适量的Mg2+，Zn2+，Mn2+，Co2+，Fe2+等能提高蛋白酶和α-淀粉酶等的产酶量。

在一种情况下，一种离子可能是活化剂，在另一种情况下却成了抑制剂。

不同的酶往往需要不同的离子作它的活化剂。

d 生长因子多种氨基酸维生素是微生物生长与产酶的必要成分，有些维生素甚至就是酶的组成部分。

麦芽根、酵母膏、玉米浆、米糠、曲汁、麦芽汁、玉米废醪中均含有不同程度的微量生长因素，对促进产酶有显著效应。

磷酸酰环己六醇也是微生物的重要生长因素之一。

②培养条件a pH值同一菌种产酶的类型与酶系组成可以随pH值的改变而产生不同程度的变化。

如用黑曲霉使腺苷酸氧化脱氨转变为肌苷酸时，培养在pH值6.0以上的环境中，果胶酶活性受到抑制，pH值改变到6.0以下就形成果胶酶。

pH值还决定酶系的组成，泡盛曲霉突变株在pH 值6.0培养时，以产生α-淀粉酶为主，糖化型淀粉酶与麦穿糖酶产生极少。

在pH值2.4条件下培养，转向糖化型淀粉酶与麦穿糖酶的合成，α-淀粉酶的合成受到抑制。

在蛋白酶生产中，pH低有利于酸性蛋白酶生成，pH高有利于中性和碱性蛋白酶生成，这是相一致的。

产酶pH值常同酶反应最适pH值接近，但酶反应的最适pH也许对某些酶最不稳定，在这种场合下只能选择尽量靠近的pH值。

在有些情况下，由于pH不同，出现胞内和胞外酶的产量比例不同，如α-半乳糖苷酶在PH4.8至6.0范围内，其胞内酶占74%。

当pH升高时胞外酶的比例就升高。

b温度温度对产酶的影响有以下几种情况：产酶温度低于生长温度。

酱油曲霉蛋白酶合成的适宜温度在28℃，比生长温度40℃条件下产酶量高出2~4倍。

在异淀粉酶生产中也有这种情况；产酶温度与生长温度一致。

如链霉菌合成葡萄糖异构酶约在30℃；产酶温度高于生长温度。

例如产生糖化型淀粉酶的适宜温度在35℃，而它生长的最适温度为30℃。

链霉菌产生淀粉酶的温度以35℃合适，而生长温度则以28℃最好；此外，温度还能影响酶系组成及酶的特性。

例如，用米曲霉制曲时，温度控制在低限，有利于蛋白酶合成，而α-淀粉酶活性受到抑制。

c通气和搅拌以枯草杆菌产生α-淀粉酶为例。

将细菌的生理时期划分为三个阶段：菌体繁殖期，接种后5~13h；芽胞产生期；产酶期。

这三个阶段对于供氧要求是不同的。

如果第二时期维持缺氧状态，有助于抑制芽胞形成，第一和第三生理时期充分供氧，可以促进菌体繁殖并提高产酶量，证明不同时期，对通气量要求不同。

d种龄过老或过嫩，不但延长发酵周期，而且会降低产酶量。

一般种龄在30至45h的酶活性最高。

1.2 分离提纯微生物酶的提取方法，因酶的结合状态与稳定性的不同，对产品的纯度要求不同，而有一定的区别。

如果提取到的酶是一种可溶于水的复杂混合物，则需要进一步加以纯化。

适用于大生产的提纯方法总是以降低成本、提高效能而同时又提高产品纯度和质量为前提，事先应当经小试验规模充分对比，从中加以选择。

理想的提纯方法应满足二个条件，即比活性的提高与总活性的回收高，但实际上往往难以兼得。

1.2.1 盐析法盐析剂中性盐的选择：MgS04，(NH4)2S04，Na2SO4，NaH2P04是常用的盐析用中性盐。

其盐析蛋白质的能力随蛋白质的种类而不同，但一般说来这种能力按上述顺序依次增大。

一般可以说含有多价阴离子的中性盐其盐析效果好。

但实际上(NH4)2S04是最多用的盐析剂，这是因为它的溶解度在较低温度下也是相当高的。

有的酶只有在低温下稳定，而低温下Na2S04，NaH2P04的溶解度很低，常常不能达到使这种酶盐析的浓度。

盐析剂用量的决定：不同的酶使之盐析沉淀的盐析剂用量是不同的，随共存的杂质的种类和数量而有所差异。

因此适当的使用量只能根据实践决定，并根据数据可以绘制出盐析曲线。

pH和温度的影响：蛋白质的溶解度在无盐存在下，以在等电点时为最小，在稀盐状态时大致也是这样。

但在高浓度的中性盐溶液中，原有蛋臼质溶液pH的影响不大。

实际上溶液最终的pH为盐析剂所决定。

在无盐或稀盐溶液中，温度低，蛋白质的溶解度也低，但在高浓度盐溶液中，温度高则蛋白质的溶解度反而低。

因此一般说来盐析时不要降低温度，除非这种酶不耐热。