酶在发酵工业生产的应用现状及发展趋势

酶在发酵工业生产中的应用现状和发展趋势

塔骥

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摘要：本文通过列举酶在发酵工业生产中的应用，及在这些应用中的应用现状，对酶法在这些工业生产中未来的发展进行了探讨。

关键词：酶；发酵；工业生产

一、前言

酶制剂行业是高技术产业，它的特点是用量少、催化效率高、专一性强，是为其他相关行业服务的工业。酶制剂产业经历了半个多世纪的起步和迅速成长之后，现已形成一个富有活力的高新技术产业，保持持续高速度发展。过去10年里，国际酶制剂产业的生产技术发生了根本性的变化，以基因工程和蛋白质工程为代表的分子生物学技术的不断进步和成熟，以及对各个应用行业的引入和实践，把酶制剂产业带入了一个全新的发展时期。我国酶制剂已广泛应用于食品、酿造、味精、制药、有机酸、淀粉糖、纺织、皮革、洗涤剂及保健品等很多领域，并且应用领域不断扩大，应用技术水平不断提高，然而与国外先进国家相比尚有差距。

二、酶在发酵工业中的应用

2.1酶法生产葡萄糖

利用酶水解淀粉生产葡萄糖是酶催化工业的一项重大成就，由日本在20世纪50年代末研究成功，现已在全世界普遍采用。酶法生产葡萄糖是以淀粉为原料，先经。一淀粉酶液化成糊精，再用糖化酶催化生成葡萄糖。如北京房山酶制剂总厂的产品耐高温a-淀粉酶采用地衣芽孢杆菌深层培养、提炼等工序精制而成；能随机水解淀粉、糖原及降解物内部的 a-1.4 葡

萄糖苷键使得胶状淀粉溶液的黏度迅速下降，产生可溶性糊精和寡聚糖，过度的水解则可产生葡萄糖和麦芽糖。低聚糖的制备：低聚糖是由3-9个单糖昔键连接而成的低度聚合糖。它之所以具有生理功效，是因为他能促进人体肠道内固有的有益细菌一双歧杆菌的增殖，从而抑制肠道内腐败菌的生长，减少有毒发酵产物的形成。目前，微生物糖昔水解酶在生产中应用较多，而且技术都比较成熟。如利用α-葡萄糖苷酶生产的低聚异麦芽糖，利用节杆菌产生的β一呋喃果糖苷酶合成的低聚乳果糖、低聚半乳果糖等，利用α-半乳糖昔酶生产的棉子糖和密二糖等。

2..2酶法生产蛋白氨基酸

酶催化在化学工业已经被沿用已久,用于生产精细化学品,现正大力开发其潜力。工业开发酶生产氨基酸开始于差不多40 年前,当时日本为了通过固定化酰化酶拆分N-乙酰DL-氨基酸。为了生产L-蛋氨酸,要求用于输液和特别的饮食,这要求继续选择生产方法,使用米曲霉酰化酶在酶膜反应器上酶法拆分可最小化的减少酶的消耗被证明是特别有用的。每年几百吨L-蛋氨酸和L-缬氨酸通过酶膜反应器生产。一个新的酶法生产蛋氨酸的途径近来被提出,该法借助于D 型氨基酸氧化酶和亮氨酸脱氢酶酶法转化DL-蛋氨酸生产L-蛋氨酸,这两种酶均可以通过重组大肠杆菌表达得到。

L-天冬氨酸是适宜酶法获得的又一种氨基酸,天冬氨酸酶催化添加的氨到富马酸上可直接得到L-天冬氨酸,L-天冬氨酸在甜味剂阿斯巴甜生产上大量需要,也是作为使用固定化天冬氨酸β-脱羧酶酶法生产L-丙氨酸的起始原料。随着菌株的开发将来有可能建立L-半胱氨酸生产的发酵技术。3酶法生产核苷酸

5'-核苷酸是一种重要核酸类物质，在食品及医药工业等方面都有着广泛的用途。目前仅有酶法可用来工业化生产四种5'-核苷酸，它是用核酸酶P_1水解酵母RNA的磷酸二酯键以得到5'-核苷酸的。日本早在上世纪70年代就用此方法实现了5'-核苷酸的工业化生产。但是，目前在国内有能力生产核苷酸的厂家比较少，且都存在技术和成本上的严重缺陷，生产的产品很难与国外，特别是与日本的公司抗衡。为了改变这一不利状况，我们开展了酶法生产5'-核苷酸项目的研究。目前项目进展良好，已基本完成了前期的小试研究，即将进入中试扩大化研究阶段。本论文的主要研究内容集中在该项目上游工艺部分，包括核酸酶P_1的发酵以及利用核酸酶P_1催化RNA的水解生产5'-核苷酸（即酶解部分）两部分。目前，国内在上游部分同国外的差距主要是核酸酶P_1的发酵水平低和酶解转化率低等。这些技术上的不足不仅增大了整个项目所需的成本，而且为下游的分离纯化等工作带来了极大的压力。

2.3酶法生产生物柴油

目前，生物柴油的工业化生产方法主要是碱催化法。碱法生产生物柴油速度快且转化率高，但此法在生产过程中产生废碱液，对环境造成污染，且不能处理废油脂。酸催化法适用于游离脂肪酸和水分含量高的反应体系，产率高，但甲醇用量大，反应时间长，需要较高的反应温度。

2001年，Saka S和Kusdiana D提出了超临界法。用超临界法生产生物柴油无需催化剂，反应速率快、转化率高，反应分离可同时进行，但反应需在高温高压的条件下进行，对设备要求相当高且能耗巨大。

生物酶法是以脂肪酶为催化剂，催化油脂与短链醇进行酯交换反应。

与上述方法相比，生物酶法具有多方面的优势)。相对于酸碱化学法，生物酶法酯交换反应醇消耗量较少，产品回收过程简单，无污染排放，适用范围广。跟超临界法相比，生物酶法具有条件温和、醇用量小、产品易于收集、无污染排放等优点，是一种很有潜力的绿色生产方法。但生产中酶的成本过高、甲醇和甘油对酶的毒害作用这两大问题还未能得到根本性地解决，使得生物酶法一直不能在工业生产上得到推广应用。因此，开发价廉高效的酶催化剂以及优化生物柴油的生产工艺对生物柴油的酶法生产尤为迫切。

2.4酶法生产抗生素

β-内酰胺抗生素经过多年的发展，己成为抗生素中的最主要类型之一。由于具有良好的抗菌效力，较低的毒副作用，在临床上广泛应用，其发展非常迅速。现全世界耗用量已过万吨，预计今后还会增长。其中青霉素和头孢菌素为最重要的两大类β-内酰胺抗生素。酶法合成技术始于20世纪60年代末70年代初，经过 30多年的发展，现在酶缩合反应技术、产品分离以及固定化酶技术等方面取得很大的发展，配套技术日益完善，具备了大规模工业化生产的条件，全球著名的β- 内酰胺抗生素生产厂家如荷兰DSM公司已有酶法合成的商品头孢氨苄、阿莫西林等产品面世。由于酶法应用于β-内酰胺抗生素合成，不仅可减少反应步骤，而且还可减少废弃物的产生，有利于保护环境，降低生产成本，产品质量优异，所含杂质极少。因此,21世纪β-内酰胺抗生素的酶法合成将是发展的必然趋势。我国酶法合成研究起步并不晚，但至今仍未形成大规模工业化生产，与国外先进厂家差距较大。随着我国经济快速发展，人们对自身居住环境

的要求，政府对环保的重视，政府和越来越多的企业加大“绿色化学制药”的研究开发，特别是加快工业化生产的推进进程。现将近年来β-内酰胺抗生素合成研究、产品的分离纯化、酶反应器研究进行概述。

青霉素中如氨苄西林、阿莫西林等，头孢菌素中如头孢氨苄、头孢羟氨苄、头孢克罗、头孢丙烯、头孢唑林等，这些产品有化学半合成法（简称化学法）和酶半合成法（简称酶法）。化学法是将母核与侧链以化学法缩合，现在世界上绝大多数生产这些产品的企业使用的是化学法，常用的方法有酰氯法、混合酸酐法、 Vilsmeier法及活性醋法。酶法则是将母核与侧链通过酶催化缩合。化学法需要较多的有机化学原料（如溶剂二氯甲烷、吡啶、二甲苯胺），反应条件苛刻，如需无水条件，反应温度低（有的需低至零下90℃），反应步骤多，产生大量的三废需处理。

些产品酶法合成技术自1969年开始报道，但由于当时酶的性能较差，分离纯化技术也一直未能很好的解决，因此多年来酶法合成技术仍处于研究和试生产阶段。近年来，随着生物工程技术和固定化酶技术的快速发展，酶法制备β-内酰胺抗生素的技术也不断得到提高。

在酶法制备β-内酰胺抗生素的技术中，产品的分离及纯化是一项关键性技术，由于所用原料侧链、母核和产品的理化性质相近，采用普通方法难以达到分离提纯的目的，因此该问题一直是酶法合成β-内酰胺抗生素生产的一大障碍。目前使用的回收纯化方法有多种，如：酸碱结晶法、浓缩结晶法、化学法（如萘复合物法）、柱色谱法、纳米滤膜法、两相萃取法等。这些方法各有优缺点，还需进一步的改进和完善。采用酸碱结晶法分离产品，可以不用有机溶剂，避免了对环境的污染。但是此法不能把产品一次

分离干净，母液中残留的产品仍需浓缩结晶或其他方法加以回收处理，而且产品纯度也不够理想。

利用头孢菌素与萘类化合物形成复合物的方法比较简单可行，反应体系中的产品几乎可以定量地与萘类化合物形成复合物，从而得到完全分离。此法非常适合有酶存在的反应体系。如能解决回收蔡类化合物的问题，这将是一个非常好的分离纯化工艺。

用两相萃取法分离提纯产品，是一个较好方法。 Hernandez Justiz 等报道由动力学控制的酶法（自大肠杆菌的青霉素酰化酶）缩合头孢氨苄，通过连续萃取水溶性产品（周围是酶），从而使收率提高，这样，可避免酶快速水解。将酶以共价键固定于多孔载体上，反应开始前，孔状结构载体可以洗涤，用其中一相填充，这样，当事先平衡好的生物催化剂与第二相混合（那里反应产物将被萃取），固相酶保留于开始选择的第一相中。首次评估了在不同二相体系中头孢氨苄分配系数。在剧烈条件下，可获得高的分配系数。在100％聚二乙醇600-3mol/L,硫酸铵体系中，头孢氨苄被萃取到聚乙二醇体系中，可获最佳分配系数。固定化青霉素酰化酶在硫酸铵中，然后进一步悬浮于100％聚乙醇600 中，这样，可得到90％头孢氨苄合成收率，这里苯甘氨酸甲酯浓度150mmol/L，7-ADCA浓度l00mmo1/L。在这个反应体系中，固相酶留在硫酸铵水相中，由于将产品连续萃取到聚乙二醇相中，使头孢氨苄的水解得到抑制。相反，在单相体系中，由于头孢氨苄的快速水解，综合收率低于55%。

随着人们对β-内酰胺抗生素的酶法合成深人研究，相关的工业技术快速发展，人类对自身生存环境状况日益重视，β-内酰胺抗生素的酶法合成

将是21世纪β-内酰胺抗生素发展的必然趋势之一。

2.5酶法生产有机酸

以先进的发酵法和酶法生产取代传统的合成工艺，也是目前十分热门的课题。比如乙醛酸，是一种重要的精细化工原料，是制造高档化妆品的重要添加剂尿囊素的原料，也是合成香兰素、乙基香兰素等合成香料的主要原料，还可以制成多种医药中间体。据中国香料香精化妆品工业协会报道，随着我国对乙醛酸应用的开发及相关衍生物产品市场需求的持续上升，乙醛酸市场被业内人士普遍看好。目前我国乙醛酸生产能力尚不能满足国内市场需求，供需缺口主要由日本等国进口。据称，目前世界乙醛酸年需求量达20万吨以上，我国乙醛酸年需求量为5000吨。乙醛酸目前主要采用化学法生产。化学法工艺的主要问题是反应条件苛刻，乙醛酸转化率低，污染环境。1995年日本天野公司申请了第一个双酶法生产乙醛酸的工艺专利。1995年底，美国杜邦公司申请了基因工程菌方法生产乙醛酸的专利，乙醛酸转化率达到 100％。可是我国至今还未见以酶法生产乙醛酸的报道。

三、酶在发酵工业中的应用发展趋势

3.1酶的固定化

3.1.1酶的固定化发展

酶是高效、专一性强的生物催化剂。生物体内的各种化学反应都是在酶催化下进行的，但是自由酶在水溶液中很不稳定，可溶性酶一般只能一次性地起催化作用，同时，酶是蛋白质对热、高离子浓度、强酸、强碱及部分有机溶剂等均不够稳定，容易失活而降低其催化能力，这些不足大大

限制了酶促反应的广泛应用。上世纪60 年代出现的固定化酶技术(Immobilized enzyme technology)克服了自由酶的上述不足，并且酶可以回收及重复使用，从而成为生物技术中最为活跃的研究领域之一。它作为一门交叉学科技术，在生命科学、生物医学、食品科学、化学化工及环境科学领域得到了广泛应用。

3.2酶的固定化应用

3.2.1 食品发酵

在饮品生产中，啤酒、果蔬汁等饮料在贮存期间往往出现浑浊或沉淀，这与其中含有酚或芳胺类物质有很大关系，蛋白质与酚类物质形成的蛋白质—酚类化合物的大分子聚合物更是目前产生果汁等二次混浊的最难控制的因素。利用漆酶氧化处理果汁可专一性去除酚类，改善果汁的色泽及防止发生混浊,有助于天然果汁的稳定。并且漆酶酶法稳定果汁具有澄清、色浅、稳定、污染少、方法简单、易于实现自动化等显著优点。果汁的去浊主要依靠果胶酶。另外，果胶酯酶还可以应用于果汁澄清、果粒固化、改善果酱黏度，使之符合人的饮用习惯。国外已有专家对其固定化进行了研究。罐装液态茶饮料自20 世纪80 年代开发成功以来已迅速发展成为当今国际饮料市场的主流产品之一。增香和除混是制约茶饮料发展的2 个重要因素。经共固定化酶处理后，绿茶、红茶、乌龙茶3类茶的香精油总量均有所增加；3类茶的非酯型儿茶素含量增加，而酯型儿茶素的含量下降。12固定化酶在食品工业还有其他应用。海藻糖不仅是一种能使动物组织免受物理和化学损伤的保护剂，也能保护生物膜的完整性，防止放射线引起的DNA 损伤，可用于食品添加剂。麦芽糖苷基海藻糖合成酶和麦芽糖苷基

海藻糖水解酶可将淀粉转化为海藻糖，范继业等将酶进行固定化，发现海藻糖转化率达45.47 %,与未固定化酶法制备相比有明显提高，符合工业化生产的需要。糖化酶作为淀粉糖化剂已成为国内工业生产中使用量最大的酶品种。

3.2.2 医药发酵

现代制药也大多采用化学方法，但化学法工艺复杂，原料浪费严重且易产生污染，因此人们渐渐转向生物酶法制药的研究，获得了很多可喜的成果。头孢菌素正渐渐代替青霉素成为临床应用上主要的抗生素。维生素及其衍生物已广泛的应用于临床。固定化酶应用于医学工业不仅仅限制于药物合成上。如Odaci 等将漆酶固定于生物传感器的氧极制成酶电极，用于检测药物扑热息痛。

四、结束语

综上所述，酶已经广泛的应用于发酵工业的各个领域，在未来的发酵工业中将起着重要的作用。对于未来酶在发酵工业中的发展趋势，我们暂且讨论了固定化的应用。

固定化技术作为一项新兴技术有着不可限量的活力，引起了酶工业极大的变化。固定化酶作为第二代酶制剂正日益成为酶应用方面的生力军。

相信在不久的将来，酶将在发酵工业中大放异彩！

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