动物来源的工业用酶
来源 肝 胰腺 胰腺 皱胃 胰腺 酶 过氧化氢酶 胰凝乳蛋白酶 脂肪酶 凝乳酶 胰蛋白酶 工业用途 食品 制革 食品 制酪 皮革
微生物来源的工业用酶
Enzyme Bacterial enzymes a-Amylase b-Amylase Asparaginase Glucose isomerase Penicillin amidase Protease Pullulanase Fungal enzymes a-Amylase Aminoacylase Glucoamylase Catalase Cellulase Dextranase Glucose oxidase Lactase Lipase Rennet Pectinase Pectin lyase Protease Raffinase Yeast enzymes Invertase 3.2.1.26 Saccharomyces I/E Confectionery 3.2.1.1 3.5.1.14 3.2.1.3 1.11.1.6 3.2.1.4 3.2.1.11 1.1.3.4 3.2.1.23 3.1.1.3 3.4.23.6 3.2.1.15 4.2.2.10 3.4.23.6 3.2.1.22 Aspergillus Aspergillus Aspergillus Aspergillus Trichoderma Penicillium Aspergillus Aspergillus Rhizopus Mucor miehei Aspergillus Aspergillus Aspergillus Mortierella E I E I E E I E E E E E E I ++ +++ ++ ++ + Baking Pharmaceutical Starch Food Waste Food Food Dairy Food Cheese Drinks Drinks Baking Food 3.2.1.1 3.2.1.2 3.5.1.1 5.3.1.5 3.5.1.11 3.4.21.14 3.2.1.41 Bacillus Bacillus Escherichia coli Bacillus Bacillus Bacillus Klebsiella E E I I I E E +++ + ++ +++ Starch Starch Health Fructose syrup Pharmaceutical Detergent Starch EC number Source Intra/extra-cellular Scale of production Industrial use
固定化酶
操纵子学说酶生物合成机制
19 53
19 60 19 69 固定化氨基酰化酶生产L-氨基酸 19 73 基因工程技术
19 78 定点突变技术
19 84 TyrRS的蛋白质工程 19 86 重组酶生产 19 93 定向进化 19 94 DNA shuffling
酶的生产
植物来源
来源 刀豆 木瓜 无花果 菠萝 辣根 柠檬 小麦 大麦 大豆 酶 脲酶 木瓜蛋白酶 无花果蛋白酶 菠萝蛋白酶 辣根过氧化物酶 β-糖苷酶 酯酶 β-淀粉酶 β-淀粉酶 应用 诊断 烘焙，制酪，制革， 嫩肉粉，啤酒澄清 嫩肉粉 烘焙 诊断 科研 酯水解与合成 烘焙，麦芽糖浆 烘焙，麦芽糖浆

固定化酶优点


便于从反应体系中分离
从而易于控制反应时间，减少酶失活
可反复使用
降低用酶成本
提高酶稳定性
缺点
传质限制 动力学性质发生变化 固定化增加额外成本
酶的固定化方法
a. 吸附 b. 共价连接 c. 包埋 d. 膜限制
多点作用使酶稳定化
固定化载体
Eupergit C®
Sepabeads® series
Well-buried state
氨基酸残基分布差异
完全暴露
ALA VAL ILE 高
暴露
低 极显著 低
部分包埋/部分暴露
包埋
完全包埋
高 极显著
ARG
GLU LYS TRP TYR 低
高
高
高
高 极显著
高 高
ASN
SER MET PRO
（低）
低
低
低
（低）
低 极显著 低 高
对于热稳定性改造的具体指导
微生物酶生产率提高的手段
菌种选育 －－诱变育种 发酵工艺优化－－发酵工程 重组表达 －－基因工程

酶制剂
使用添加剂
共价修饰
固定化
小结
酶的来源很多，但主要来源于微生物发酵 酶的工业化应用取决于他们的效果，成本和 安全性 离心一般用于收集含酶固体 过滤更多用于液体酶回收 双水相体系将会在酶回收操作中得到更多应 用 制备工业用酶需尽量压缩分离提取步骤 酶制剂必须稳定，使用安全
酶的固定化技术
酶反应器
酶的历史
在麦芽中发现淀粉酶
在胃中发现消化酶--胃蛋白酶 Enzyme定名--意为"在酵母中" 钥匙-锁理论提出 中间产物学说米氏方程 获得脲酶结晶酶是蛋白质
酶工程的历史
18 33
18 36 18 73 从小牛胃提取凝乳酶用于制酪 18 78 18 94 以米曲霉生产淀粉酶作为消化酶 19 13 19 26 19 49 液体深层发酵生产细菌α-淀粉酶

•化学 •物理 - 转化天然底物 - 耐受差 •环境不同 •要求不同
•生物
- 代谢调控和高转换数
生物催化剂应用依赖于天然酶改造或重新设计方法
改造目的
•高专一性
只催化所需反应 减少甚至没有副产物
•高活性
高生产率 不易受抑制
•高稳定性
存放时间长 操作稳定性高
酶的改造
化学修饰 固定化
基因工程，结构生物学和生物信息学
固定化酶小结
酶的固定化使得他们能高效和连续使用 酶的固定化形式有4种
酶的固定化影响动力学性质
酶的固定化一般可提高其使用的经济性
酶的固定化新技术－－无载体固定化
酶反应器图解
小结
重组微生物是酶的最重要来源 工业用酶的分离提取对成本敏感 固定化酶是工业用酶制剂的重要形式 酶反应器对于发挥酶的催化作用也很重要
“酶工程”的定义 运用酶学知识结合数学和/或其他系统性知识 设计有实用价值的新酶 (生物催化剂，固定化生物催化剂，生物催化 反应体系, 生物催化反应器。。。)
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一门研究如何发挥酶的催化功能的技术科学
酶学知识
酶是什么？
融合蛋白质－－广义的有理设计
•组氨酸标签(Histidine-tag, his-tag) •谷胱甘肽合成酶 (glutathione synthetase, GST) •麦芽糖结合蛋白质 (maltose binding protein, MBP) •内含肽(Intein) •各种信号肽
改善重组蛋白可溶性，便于亲和层析纯化。。。
极端微生物的特殊生长环境及代谢产物，使
酶在“恶劣”环境下能够发挥高效催化作用。
目前已经有158种微生物的基因组被全测序
Distribution for penicillin G acylase
PGA precursor structure
S
α
I
β
天然酶
自然进化中 天然酶的结构功能对应于其活细 胞的生理功能而进化的 天然酶往往不适用于生物技术应用
O C C O
O C C O
O C C O
O C C O
O C C O
0<OSP<0.15 Fully exposed state
0.15<OSP<0.30
0.30<OSP<0.45
0.45<OSP<0.60
0.60<OSP<0.75
Exposed state
Boundary state
Buried state
第五章 酶工程
酶工程定义


定义: 将酶所具有的生物催化功能,借助工程手段应用于社会生活 的一门科学技术； 利用酶催化的作用,在一定的生物反应器中,将相应的原料 转化为所需要的产品； 利用酶、细胞器或细胞的特异催化功能，通过适当的反应 器工业化生产人类所需产品或达到某种特殊目的的一门技 术科学。(大唐搜索) 领域:酶学理论与工程技术相结合而形成的新技术
新型固定化方法—无载体固定化
The different approaches to the production of carrier-free immobilised enzymes: (a) crystallization; (b) aggregation; (c) spray-drying; (d) direct cross-linking. AGG, aggregates; CRY, crystals; SDE, spray-dried enzyme.

酶的改造
获得新酶的途径
自然界中获取 有理设计新酶 随机方法筛选新酶
生物多样性与新酶的发现
嗜热菌（Thermophiles)
嗜冷菌（Phyphophiles) 嗜酸菌（Acidophiles)
嗜碱菌（Alkaliphiles)
嗜盐菌（Halophiles) 嗜压菌（Barophiles)
引入二硫键和/或盐桥
提高热稳定性的重要全局性因素
•环区长度减少以及随之而来的二级结构增加 •表面电荷相互作用 •敏感氨基酸残基减少 (如半胱氨酸，天冬酰胺和谷氨酰胺) •芳香环堆积增加 •疏水作用增加 •金属离子结合能力提高 •寡聚增加