工业酶制剂使用技术

酶制剂的应用生工081 郝建雄080302132 酶制剂是指从生物中提取的具有酶特性的一类物质，主要作用是催化食品加工过程中各种化学反应，改进食品加工方法。

中国已批准的有木瓜蛋白酶、α—淀粉酶制剂、精制果胶酶、β—葡萄糖酶等6种。

酶制剂来源于生物，一般地说较为安全，可按生产需要适量使用。

其应用领域遍及轻工、食品、化工、医药、农业以及能源、环境保护等方面。

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。

中国酶制剂自1965年建立的第一个专业酶制剂生产厂——无锡市酶制剂厂至今已有45个年头。

目前全国共有100余家生产企业，年生产能力超过40万吨，产量达到32万吨，产品品种达到20余种，近20年间年产量的平均增长率超过20%。

据有关部门统计，2001年各种酶制剂产品的出口量为4812吨，出口额为2807万美元。

但整体而言与国外发达国家先进水平相比仍存在很大的差距和问题，主要表现在产品品种少，结构不合理；生产规模小，生产水平低，产品质量差；开发能力差，精细化程度低。

在今后的发展中需要注重“生产集中，应用广泛”，要多品种，规模化生产。

生产的微生物。

将酶加工成不同纯度和剂型（包括固定化酶和固定化细胞）的生物制剂是酶制剂。

动、植物和微生物产生的许多酶都能制成酶制剂。

植物由于生长地域、季节、气候等的影响，生产酶制剂的产、质量都不稳定。

动物产生的酶主要从屠宰牲畜的腺体中提取，来源有限；只有微生物生产的酶，可满足任何规模的需求，产率高、质量稳定。

微生物酶制剂既可取代性能相同的动、植物主要酶制剂种类，又能生产出在100℃起催化作用的高温-淀粉酶和在pH10～12起作用的洗涤剂蛋白酶等品种。

20世纪40年代，微生物酶制剂工业迅速发展起来。

现在酶制剂的生产是以深层发酵为主，以半固体发酵为辅，菌株产酶的能力也有很大的提高。

60～70年代发展起来的固定化酶和固定化细胞技术使酶可反复使用和连续反应进行，其应用的范围也更加扩大。

目前，除食品、轻纺工业外，微生物酶制剂还用于日用化学、化工、制药、饲料、造纸、建材、生物化学、临床分析等方面，成为发酵工业的重要部门。

几种主要工业酶的菌种和使用情况如下：淀粉酶类-淀粉酶水解淀粉生成糊状麦芽低聚糖和麦芽糖。

以芽孢杆菌属的枯草芽孢杆菌和地衣形芽孢杆菌深层发酵生产为主，后者产生耐高温酶。

另外也用曲霉属和根霉属的菌株深层和半固体发酵生产，适用于食品加工。

-淀粉酶主要用于制糖、纺织品退浆、发酵原料处理和食品加工等。

葡糖淀粉酶能将淀粉水解成葡萄糖，现在几乎全由黑曲霉深层发酵生产，用于制糖、酒精生产、发酵原料处理等。

蛋白酶使用菌种和生产品种最多。

用地衣形芽孢杆菌、短小芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌以深层发酵生产细菌蛋白酶；用链霉菌、曲霉深层发酵生产中性蛋白酶和曲霉酸性蛋白酶，用于皮革脱毛、毛皮软化、制药、食品工业；用毛霉属的一些菌进行半固体发酵生产凝乳酶，在制造干酪中取代原来从牛犊胃提取的凝乳酶。

葡糖异构酶70年代迅速发展起来的一个品种。

先用深层发酵取得链霉菌细胞，待固定化后，将葡萄糖液转化成约含果糖50％的糖浆，这种糖浆可代替蔗糖用于食品工业。

用淀粉酶、葡糖淀粉酶和葡糖异构酶等将玉米淀粉制成果糖浆已成为新兴的制糖工业之一。

其他重要工业用酶还有：用曲霉、木霉半固体发酵生产的纤维素酶;用曲霉生产的果胶酶、半纤维素酶;曲霉和青霉深层发酵生产的葡糖氧化酶和过氧化氢酶；用假丝酵母、曲霉深层发酵生产的脂肪酶等；用黑曲霉深层或半固体发酵生产的葡糖淀粉酶、葡糖氧化酶、过氧化氢酶、脂肪酶、乳糖酶等；用米曲霉生产的淀粉酶、蛋白酶、核糖核酸酶；用芽孢杆菌生产的蛋白酶、-淀粉酶。

()中国从1964年开始生产细菌－淀粉酶。

至今除有－淀粉酶（枯草芽孢杆菌）,蛋白酶（芽孢杆菌、曲霉、链霉菌），葡糖淀粉酶（黑曲霉）等主要酶制剂品种外，还有脂肪酶（假丝酵母）、葡糖氧化酶（青霉）、天冬酰氨酶（大肠杆菌）及用固定化技术生产的葡糖异构酶（链霉菌）、青霉素酰化酶、天冬氨酸酶、多核苷酸磷酸化酸化酶（大肠杆菌）、富马酸酶（假丝酵母）等多种酶制剂品种。

酶在工业中的新用途:功能性低聚糖的制造。

近20 年来,以双歧杆菌、乳酸菌为主的益生菌和以低聚果糖、异麦芽糖、低聚半乳糖为首的益生原作为新一代保健食品在世界各国广泛流行。

通过酶法转化的各种功能性低聚糖年销售量已超过10 万吨。

功能性低聚糖是指那些人体不消化或难消化吸收的低聚糖,摄取后直入大肠,选择性地被人体自身的有益菌(双歧杆菌等) 所优先利用。

使体内双歧杆菌成倍、上百倍地增殖而促进宿主的健康,故也称为双歧因子。

这些低聚糖也不被龋齿病源突变链球菌所利用,食之不会引起蛀牙。

每天摄取3～10 g 功能性低聚糖,可改善胃肠功能,防止便泌和轻度腹泻,减少肠内毒素生成和吸收,提高机体抗病免疫功能。

功能性低聚糖正在成为21 世纪流行的健康糖源。

(1) 异麦芽低聚糖:是难消化低聚糖,不被唾液、胰液所分解,但在小肠可部分被分解和吸收。

热值约为蔗糖和麦芽糖的70 %～80 %。

对肠道直接刺激性较小。

小鼠急性毒性试验LD50 为44g/ kg 以上,安全性不逊于蔗糖和麦芽糖。

人体最大无作用量1. 5 g/ kg (摄取后24 小时不发生腹泻之上限量) ,而其它难消化低聚糖或糖醇的最大无作用量只有0. 1～0. 4 g/ kg。

摄取异麦芽糖16g ,一周后肠道中双歧杆菌、乳酸菌等有益菌明显增加,而拟杆菌、梭状杆菌等有害菌受到抑制,便秘改善,粪便pH 下降,有机酸增加,腐败物减少。

小鼠试验表明,摄取异麦芽糖后免疫力增强,血脂改善。

异麦芽糖在高温、微酸性和酸性环境下稳定,可以添加于各种食品和饮料中。

异麦芽低聚糖是淀粉经α- 淀粉酶液化,β- 淀粉酶糖化和α- 葡萄糖苷酶转苷反应而生成的包括含α- 1 ,6 键的异麦芽糖,潘糖,异麦芽三糖等分枝低聚糖的糖浆。

市场上的异麦芽糖分含量50 %与90 %两种,后者是将含量50 %的异麦芽糖用离子交换法或酵母发酵法去除葡萄糖而成。

粉状糖是糖浆经喷雾干燥而成。

生产异麦芽糖的α- 葡萄糖苷酶是黑曲霉生产糖化酶之副产品,将糖化酶发酵液经离子交换吸附去除所含α- 葡萄糖苷酶经洗脱浓缩而成。

虽然发表过不少培养黑曲霉生产α- 葡萄糖苷酶的研究的报道,但未见用于商品生产。

用α- 葡萄糖苷酶转化麦芽糖生产异麦芽低聚糖,其生成量一般仅50 %左右,另外还含有20 %～40 %的麦芽糖与葡萄糖。

为了提高异麦芽低聚糖产量,曾有不少研究报导,例如使用臭曲霉α- 葡萄糖苷酶,产品中潘糖产量可达30 %葡萄糖量可降至20 %。

高崎发现脂肪嗜热芽孢杆菌所产普鲁兰酶在高浓度麦芽三糖存在下有转苷作用。

将其结构基因导入枯草杆菌NA - 1 ,生产的新普鲁兰酶,与枯草杆菌糖化型α- 淀粉酶(可产生麦芽三糖) 一起作用于淀粉,异麦芽低聚糖的产率可达60 % ,而葡萄糖含量由40 %降至20 %。

为了提高黑曲霉α- 葡萄糖苷酶的活力,东京大学生物工程系将α- 葡萄糖苷酶基因AGLA 导入黑曲霉GN - 3 ,得到转化子GIZ 155 - A3 - 4 ,产酶能力提高了11 倍。

目前我国生产异麦芽糖的企业多达50～60 家,生产能力约 5 万吨以上,α- 葡萄糖苷酶的用量以0. 1 %计,需50 吨,消耗外汇甚巨(以每吨75 万元计,就需3750 万元人民币) 。

有必要立足自给。

(2) 海藻糖:是二分子葡萄糖以α.α-1. 1 键连结而成的非还原性低聚糖。

广泛存在于动植物和微生物(如菌覃、海藻、虾、啤酒酵母、面包酵母) 中,是昆虫主要血糖,作为飞翔时之能源来利用。

海藻糖能保护某些动植物适应干燥和冰冻的环境。

海藻糖是一种很好的糖源,因非还原性,故耐酸耐热性好,不易同蛋白质、氨基酸发生反应。

对淀粉老化,蛋白质变性,脂肪氧化有较强抑制作用。

此外还可消除某些食物之苦涩味、肉类之腥臭。

海藻糖不被龋齿突变链球菌利用,食之不会引起蛀牙。

活性干酵母的活存率全赖酵母细胞中海藻糖含量所决定。

过去海藻糖系从酵母中提取(最大含量也只有20 %) ,成本甚高,每公斤高达2～3 万日元。

现在可以用酶或发酵法生产,成本大大下降。

久保田等从节杆菌、小球菌、黄杆菌、硫化叶菌等土壤细菌中发现一组海藻糖生成酶(海藻糖合成酶MTSASE 与麦芽低聚糖海藻糖水解酶MTHASE) ,当将其同异淀粉酶、环糊精生成酶、α- 淀粉酶、糖化酶一起作用于液化淀粉时,可得到85 %收率的海藻糖。

(3) 帕拉金糖:以蔗糖为原料,经产朊杆菌或普利茅斯沙雷氏菌的α- 葡萄糖基转移酶的作用,蔗糖分子的葡萄糖和果糖由α- 1 ,2 键结合转变为α- 1 ,6 键结合而成。

由于结构的改变,其甜度减少到蔗糖之42 % ,吸湿性较低,对酸的稳定性增加,耐热性略为降低,生物学、生理学特性发生改变,不能为多数细菌、真菌所利用。

食后不被口腔、胃中的酶所分解,直到小肠才可被酶水解成为葡萄糖和果糖而进入代谢。

帕拉金糖不为口腔龋齿突变链球菌所利用,食之不易发生蛀牙,食后血糖也不会迅速升高,故可为糖尿病人使用。

帕拉金糖在低水份和低pH 下便会失水而缩合成为2～4 个分子的低聚帕拉金糖,甜度为蔗糖之30 % ,不为肠道消化酶所消化,食后可直达大肠而为双歧杆菌选择性利用,起到双歧因子的保健作用。

将帕拉金糖在高温高压下,用雷尼尔镍为催化剂氧化便生成帕拉金糖醇。

这种糖醇甜度为蔗糖的45～60 % ,热值为蔗糖的二分之一。

食后不易消化吸收,不会引起血糖和胰岛素升高,不会引起蛀牙,适合糖尿病人、老人、肥胖者作甜味剂。

因其物理性质酷似蔗糖,可用其制作低热值糖果,是国际上流行的新一代甜味剂。

上述三种糖在欧美、日本等已经大量生产,并被广泛利用;而在国内虽已研究成功,但在生产和应用上尚存在不少阻力。

(4) 低聚果糖:是以蔗糖为原料经黑曲霉β2果糖基转移酶的作用,将蔗糖分子的D2果糖以β22 ,1 链连接123 个果糖分子而成的蔗果三糖、蔗果四糖以及蔗果五糖与蔗糖、葡萄糖以及果糖的混合物,甜度为蔗糖的60 %。

用离子交换树脂将其中葡萄糖与果糖除去后,可得到含低聚果糖95 %以上的产品,甜度为蔗糖的30 %。

低聚果糖的主要成份蔗果三糖与蔗果四糖在人体中完全不被唾液、消化道、肝脏、肾脏中的α2葡萄糖苷酶水解,本身是一种膳食纤维,食后可直达大肠,为大肠中的有益细菌优先利用。

食低聚果糖不会引起血糖、胰岛素水平的升高,热值为1. 5kCal/ g ,通过双歧杆菌的增殖,肠道得以净化,肌体免疫力增强,营养改善,血脂降低。

以年龄50～90 岁老人进行试验,日食低聚果糖8g ,8 天后肠道双歧杆菌可由5 %增加到25 %。

便秘者食用低聚果糖每天5～6g ,4 天后80 %便秘者症状改善,粪便变为柔软,色泽转黄,臭味减少,肠道腐败得到控制。