第三章_生物催化剂与酶工程应用
第三章_生物催化剂与酶工程应用.ppt
酰基转化酶 盘尼西林的半合成
（四） 酶催化的发展
催化剂市场地域分布
美国 西欧 日本 其它
酶催化的发展
➢ 有机相酶催化 溶剂工程和蛋白质工程
➢ 极端酶
① 从生活在非常规条件下的微生物（细胞）中分 离得到的。
② 某些来源于常规微生物（细胞）中但也能在极 端条件下起催化作用的酶
③ 通过人工改良方法或借助人工全合成技术制造 出的具有新型催化活力的酶以及由新型材料构 成的酶：抗体酶
1 发酵：用活细胞将原材料(如糖、淀粉)转化成 更复杂的目标产物。 2 生物转化：是指外源化学物在机体内经多种酶 催化的代谢转化。 3 酶催化：提取粗酶或部分纯化的酶，将底物转 化成目标产物。
（1）生物转化是微生物将一种化合物转化为结构上
相关产物的过程。1864年，Pasteur发现醋酸杆菌
（Acetobacter）可氧化乙醇成为醋酸，首次以微生
用麦曲含有的淀粉酶
是细胞内酶作用的结果 将淀粉降解为麦芽糖
在霉菌蛋白酶作用下,豆类蛋白质水解 得豆酱和豆鼓,压榨后制得酱油
• 1878年,Kuhne第一次提出“酶”(Enzyme)的概 念,意为“在酵母中”(in yeast);
• 1894年,Emil Fischer发现了酶对底物(酶作用的物 质)的专一性现象,提出了“锁和钥匙”模型;
第三章 生物催化剂与 酶工程应用
3.1 概述 3.2 酶制剂 3.3 酶在食品和饲料工业中的应用 3.4 酶在轻化工领域中的应用 3.5 酶在医药工业中的应用
一 概述
（一）生物催化的基本概念
定义：是利用生物催化剂(主要是酶或微生物) 来改变(通常是加快)化学反应速度的作用。
生物催化转化的分类：
习惯名
酶工程应用.ppt
5 与 酶-生物催化 相关会议
❖ Gordon Research Conferences--enzyme ❖ Harden - Enzymes: Nature's molecular machines ❖ Southeast Enzyme Conference ❖ Texas Enzyme Mechanism Conference ❖ Midwest Enzyme Chemistry Conference ❖ Enzyme Engineering Conference ❖ Novel Enzymes ❖ New England Membrane Enzyme Group (NUTMEG) Conference ❖ Taiwan enzyme mechanism conference ❖ Biotechnology & Enzyme Catalysis ❖ European Symposium on Enzymes in Grain Processing
2.3 当前酶工程的研究热点：
• 研制分解纤维素和木质素的酶、低分子有机物聚合酶、 检测用酶、能分解有毒物质的酶及废物综合利用酶。
•利用基因工程技术开发新酶品种和提高酶产量。 •固定化酶和细胞、固定化多酶体系及辅因子再生体系，特定
生物反应的研究和应用。 •用微生物和动植物组织研究生物传感器。 •非水系统的反应技术，酶分子的修饰与改造以及酶型高效催
其中固定化酶技术是酶工程的核心。实际上有了 酶的固定化技术，酶在工业生产中的利用价值才真正 得以体现。
实例 1
酶工程产品益 生源，用于饲 料添加剂
实例 2
酶工程产品万寿胶囊 用于补充人体营养物质
实例 3 生态复合酶制剂，用于改善环境
生物学中的生物催化与酶工程
生物学中的生物催化与酶工程生物学是关于生命的科学，而生物催化和酶工程则是生物学中非常重要的分支领域。
本文将介绍生物催化和酶工程的基本概念、应用以及未来的发展方向。
一、生物催化的概念与应用生物催化是指利用活体催化剂（生物催化剂）提高化学反应速率的过程。
生物催化剂主要包括酶和酵母等，它们能够在温和的温度和压力条件下催化特定的化学反应。
生物催化在工业上有重要的应用，如在食品工业中用于酿造酒精、制作乳制品；在制药工业中用于合成医药中间体或活性成分；在能源领域中用于生物燃料电池等。
二、酶工程的概念与应用酶工程是利用化学、生物学和工程学相结合的方法对酶进行研究和改造的过程。
通过酶工程，可以改变酶的特性，使其适应不同的工业生产需求。
常见的酶工程方法包括基因工程、蛋白质工程以及进化工程等。
酶工程在制药、食品、能源等方面有广泛的应用，例如通过改造酶的催化活性和稳定性，提高工业反应的效率和产率。
三、生物催化与酶工程的发展随着分子生物学和蛋白质研究的进步，生物催化和酶工程正处于快速发展的阶段。
近年来，大规模测序技术的发展为发现和筛选新的生物催化剂提供了更多的可能性。
同时，酶的催化机制和结构也得到了更深入的研究，为酶的改造和优化提供了更多的理论基础。
未来，生物催化与酶工程有望在以下几个方面取得突破和进展：1. 多功能酶的设计与合成：通过理性设计和合成，开发具有多种催化能力的酶，实现复合反应的高效催化。
2. 酶的固定化与稳定性提升：提高酶的稳定性和抗脱活性，降低生物催化反应的成本和能耗。
3. 酶的高效发酵与生产过程优化：通过工程菌株优化、发酵工艺改进等手段，提高生物催化反应的产率和效率。
4. 酶与纳米技术的结合：利用纳米材料的特殊性质，对酶进行修饰和包覆，提高酶的稳定性和催化活性。
综上所述，生物催化与酶工程是生物学中一门重要的分支领域。
随着科学技术的不断进步，生物催化和酶工程在工业应用和基础研究领域将发挥更为重要的作用，为人类带来更多的福祉和发展。
生物催化与酶工程
生物催化与酶工程生物催化，即利用生物催化剂（酶）对底物进行特异性催化转化的过程，是一种绿色环保、高效可持续的化学合成方法。
酶工程作为生物催化的关键领域，研究了酶的选择和设计，以提高催化效率和底物特异性。
本文将重点讨论生物催化与酶工程的原理、应用和发展前景。
一、生物催化的原理生物催化是利用酶的特异性催化底物的化学反应。
酶是一种生物大分子，由氨基酸组成，具有复杂的三维结构。
其活性位点与底物结构互补配对，通过形成酶底物复合物，使底物发生催化反应，生成产物。
生物催化具有高效选择性、温和条件、可逆性和不产生污染等优点。
二、酶工程的应用1. 医药工业：酶工程在药物的合成、转化和纯化过程中发挥着重要作用。
通过对酶的改造和优化，可以生产出具有更好活性和稳定性的药物。
例如，利用酶催化合成酶抑制剂，可以有效治疗多种疾病。
2. 食品工业：酶工程在食品加工中广泛应用。
例如，利用改造的淀粉酶可以提高面包的质量和口感，利用改造的蛋白酶可以提高奶酪的风味和质量。
3. 生物燃料工业：酶工程在生物质转化为生物燃料的过程中发挥着重要作用。
通过改造酶的底物特异性和催化活性，可以提高生物质的转化率和产物选择性。
4. 环境保护工业：酶工程在废水处理、废弃物降解等环保领域有广泛应用。
通过利用酶的催化特性，可以高效降解废水中的有机污染物，实现废水的净化和资源化利用。
三、酶工程的发展前景酶工程作为一门新兴的交叉学科，具有广阔的发展前景。
随着基因工程和蛋白工程等技术的不断进步，酶工程的研究和应用将会得到进一步的提升和拓展。
未来，可以通过对酶的高通量筛选和智能设计，开发出更高效、更稳定的酶催化剂。
同时，酶工程还可以与其他领域相结合，如纳米技术、材料科学等，开创出更多新的研究和应用领域。
总结：生物催化与酶工程作为一种绿色可持续的催化方法，在医药工业、食品工业、能源工业和环境保护等领域有广泛的应用前景。
随着酶工程技术的不断发展和创新，我们可以更好地利用酶的催化特性，解决许多现实中面临的难题，并推动工业生产和科学研究的发展。
酶工程技术在化学工业中的应用
酶工程技术在化学工业中的应用随着全球经济的发展和人们对于健康和环保的重视，化学工业对于高效、绿色、可持续的生产技术有着越来越高的要求。
在这样的背景下，酶工程技术作为一种高效、可控制的生产工艺逐渐受到关注，被广泛应用在化学工业中。
本文将探讨酶工程技术在化学工业中的应用，以及它的优势和发展前景。
一、酶工程技术概述酶是一种生物催化剂，是生物体内重要的功能蛋白质之一。
酶能够将化学反应的能垒降低，从而提高反应速率。
酶工程技术是利用遗传工程和生物化学原理对酶进行改良和优化，以适应特定的生产需求。
酶工程技术的主要应用领域包括制药、食品、化工等，并逐渐扩展到纺织、环保等领域。
酶能够在低温、低压、水溶液条件下发挥作用，因此能够实现绿色、清洁的生产。
二、酶在化学工业中的应用1. 活性炭生产活性炭是一种广泛应用于工业和生活中的吸附材料。
传统的活性炭生产工艺需要高温、高压、耗能大，而且会产生有害气体。
利用酶工程技术可以生产出新型的天然活性炭材料，具有高效、低能耗、环保等特点。
2. 生物医药制品生产利用酶工程技术可以制备出高质量、高纯度、低成本的生物医药制品。
比如，酶可以用于生产人类重组生长激素、肝素等药物。
这些药物能够提高生产效率，缩短生产周期，同时减少废弃物的生成，降低环境污染。
3. 生物燃料生产生物燃料是一种可再生能源，有着广泛的应用前景。
目前生物燃料的生产主要采用微生物发酵技术，但微生物的生长和代谢速率较慢，生产效率低。
采用酶工程技术可以加快生物燃料的生产速率，提高生产效率。
4. 化学合成反应酶可以代替传统的催化剂，参与化学反应，形成新型的化学反应体系。
比如，酶可以用于合成异戊酚、己烷二酸酯等有机物，这些有机物在生产粘合剂、塑料、药品等方面有着广泛的应用。
三、酶技术的优势酶工程技术相比传统生产工艺具有以下优势：1. 生产过程绿色环保：酶工程生产过程中不需要使用有害化学物质和重金属，不会产生大量有害污染物，符合可持续发展的要求。
生物酶的催化反应和应用
生物酶的催化反应和应用生物酶是天然催化剂，能够加速生物学反应而不改变反应本身。
酶分子本身不与化学反应中参加的物质结合，而且不会改变生化反应的热力学平衡，它们仅仅加速反应速率，使反应在较低的温度下和较短的时间内完成。
酶这种高效、低成本的催化剂，被广泛应用于各个生化过程和其他工业领域。
在生物过程中，酶能快速、准确地催化生物学反应。
例如，细胞内DNA聚合酶能够将单链DNA复制成双链DNA，维生素C合成酶催化将葡萄糖转化为抗坏血酸，并与肿瘤相关基因相互作用的酶等，都给我们展示了这种催化剂的显著优势。
此外，酶也可以在其他领域中发挥作用，例如制药和食品工业等。
制药行业中，酶被广泛用于生产药物。
通过利用微生物和细胞进行变异和重组，可以制造出新型酶，这些酶能够生产出一些我们之前无法获得的特殊化学品。
工业酶也被应用于制造抗生素、酒精、果汁和啤酒等，因为它们的催化机能非常强大，生产出来的产物质量很高。
酶还能够作为一种生物传感器，在环境监测和检测血糖等方面发挥作用。
在糖尿病诊治中，可以利用酶的催化反应建立血糖检测系统。
这种系统能够检测血液中的葡萄糖含量，并根据结果来治疗糖尿病。
在环境监测方面，酶能够检测污染物，并测定环境污染程度，因为部分酶具有对环境特定物质高度选择性的催化活性，可以将环境中的污染物转换为化学成分。
在生物酶工程中，可以使用人工合成和人工扩增等方法制造出定制的酶。
例如，工业合成的酶可以通过改变氨基酸序列和结构，获得更高的催化效率和选择性。
我们还可以通过插入特定的氨基酸序列，来赋予酶新的功能和可控性。
由于这种方法可以有效地控制生化反应过程，因此在制药和化学工业中使用率越来越高。
总体而言，生物酶的催化反应和应用范围相当广泛，并具有潜在的巨大价值。
随着生物技术的不断发展和深入研究，相信会有更多的生物酶将被开发出来，并应用于更广泛的领域。
生物化学I 第三章 酶学
根据国际生化协会酶命名委员会的规定，每一个酶都用 四个打点隔开的数字编号，编号前冠以EC（酶学委员会缩 写），四个数字依次表示该酶应属的大类、亚类、亚亚类 及酶的顺序号，这种编码一种酶的四个数字即是酶的标码。
例如：EC1.1.1.27（乳酸脱氢酶） 酶
乳酸：NAD＋氧化还原
u u u u
第一大类 氧化还原酶 第一亚类 —CHOH被氧化 第一亚亚类 氢受体为NAD+ 排序 顺序号为27
4. 1878年， Kü hne赋予酶统一的名称 “Enzyme”， 其意思为“在酵母中”。
Enzyme 酶
德国生物化学家
5. 1930~1936年，Northrop和Kunitz先后得到了胃蛋 白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶，并用相应方法 证ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ酶是蛋白质。
为此， Northrop和Kunitz于1949年共同 获得诺贝尔奖。
（1）旋光异构专一性：
（2）顺反异构专一性：
例如：不同的酶有不同的活性中心，故对底物有严格的特异性。例如乳 酸脱氢酶是具有立体异构特异性的酶，它能催化乳酸脱氢生成丙酮酸 的可逆反应：
A、B、C分别为LDH活性中心的三个功能基团
消化道内几种蛋白酶的专一性
氨肽酶
（芳香） （硷性）
羧肽酶 羧肽酶
（丙）
Ser
His 活性中心重要基团: His57 , Asp102 , Ser195
Asp
（4）酶的活性中心与底物形状不是正好互补的。
（5）酶的活性中心是位于酶分子表面的一个裂 缝（Crevice)内。
（6）底物通过次级键较弱的作用力与酶分子结 合，这些次级键为：氢键、离子键（盐键）、 范德华力和疏水相互作用。 （7）酶的活性中心具有柔性或可运动性。
简述酶工程的主要应用
简述酶工程的主要应用
酶工程是利用生物技术和分子生物学的手段对酶进行基因工程和蛋白工程的研究，目的是改良酶的性质和功能，以满足特定的工业生产需求。
酶工程的主要应用如下：
1. 生物催化剂：酶工程可以通过改变酶的结构和活性，将其应用于各种化学反应中，提高反应的速度和选择性，减少副产物的生成，从而降低生产成本。
2. 食品工业：酶工程可以应用于食品加工中，比如利用蛋白酶降解蛋白质以改善食品质量，或者利用淀粉酶和糖化酶来提高糖化效率和改善食品口感。
3. 制药工业：酶工程可以用于制药行业的药物合成、分解和修饰等方面。
通过改变酶的特性，可以提高药物的生物利用度和活性，改变药物代谢途径和降低不良反应的发生。
4. 生物燃料工业：酶工程可以用于生物质能源的转化和生物燃料的合成，通过改变酶的特性和效率，提高生物质能源的利用效率和生物燃料的产量。
5. 环境工程：酶工程可以用于环境治理和资源回收方面。
比如利用酶降解有机废弃物、去除水污染物，或者利用酶提取珍贵金属和重要化合物等。
综上所述，酶工程的主要应用领域包括生物催化剂、食品工业、制药工业、生物燃料工业和环境工程等。
通过改变酶的性质和
功能，可以提高生产效率、降低成本、改善产品质量，同时也能为环境保护和可持续发展做出贡献。
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生物催化技术的应用领域
石油馏分生物脱硫
• Poly(Butylene-Succinate) PBS 聚丁二酸丁二醇酯 Poly(butylene succinate-co-butylene adipate) PBSA丁 二酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯共聚物 poly(butylene succinate-co-terephthalate)s PBST聚丁 二酸/对苯二甲酸丁二醇酯 Soft biodegradable material technology 软性生分解材 料技术
Photodegradable Plastics光降解性塑胶 Disintegradable Plastics 崩解性塑胶 Biodegradable Materials生物可分解材料 Bio-Polymer生物高分子聚合物 Green Plastics绿色塑胶 酯)
L-赖氨酸的生产
氨基酸是食品、药物、化妆品的重要原料, 用化学方法合成的氨基酸皆为D，L -氨基酸的 消旋混合物。作为药用的氨基酸只有L 一异构 体具有生理活性, 为了得到纯的异构体, 就必 须对消旋的混合物进行光学拆分, 以前用化学 方法拆分成本高效率低, 现在可以用固定酶的 方法拆分, 将氨基酸混合通过固定化的酞化氨 基酸水解酶柱式反应器, 可将混合物转化为L异构体, 收率可达80 %
用麦曲含有的淀粉酶
是细胞内酶作用的结果 将淀粉降解为麦芽糖
在霉菌蛋白酶作用下,豆类蛋白质水解 得豆酱和豆鼓,压榨后制得酱油
• 1878年,Kuhne第一次提出“酶”(Enzyme)的概 念,意为“在酵母中”(in yeast);
• 1894年,l Fischer发现了酶对底物(酶作用的物 质)的专一性现象,提出了“锁和钥匙”模型;
成一些化学合成难以进行的反应。
基于绿色化学的十二条准则，生物催化成为当前 国际公认最绿色的化学转化技术之一。
• 生物催化材料有酶、微生物菌体、动植物的组织 及细胞。在手性合成中应用较多的是水解酶、氧 化-还原酶以及面包酵母等微生物。
• 生物催化的方式有添加前体发酵法、游离酶法、 静息细胞法、固定化酶法、固定化细胞法。可在 水相、有机相和水-有机溶剂双相等系统中进行。
生物催化几乎能应用于所有化学反应，例如氧 化反应、羟基化反应、脱氢反应、还原反应、水 解反应、酰基化反应等。
（3）生物催化的特点
A 专一性强，具有独特、高效的底物选择性； B 环境友好，通常用水作为反应媒介(水是最绿色的溶
剂)； C 通常在室温和常压下进行，减少了能源的使用，降
低了反应的不可控性； D 减少了保护、脱保护步骤，原子经济性好，并能完
精细化工、制药、食品等领域，正在开发 非水相介质中利用酶催化的生物催化方法
酶在有机相中进行催化反应，具有下列优点： ① 可进行酶水解的逆反应，如合成酯 R C O O C H 2 C H 3H 2 O R C O O HC H 3 C H 2 O H
② 可增加非极性底物的溶解度 ③ 有利于酶和产物的分离和酶的再利用 ④ 可减少反应的副产物(水解、消旋化，聚合、分解
第三章 生物催化剂与 酶工程应用
生物催化转化的分类：
1 发酵：用活细胞将原材料(如糖、淀粉)转化成 更复杂的目标产物。 2 生物转化：是指外源化学物在机体内经多种酶 催化的代谢转化。 3 酶催化：提取粗酶或部分纯化的酶，将底物转 化成目标产物。
（1）生物转化是微生物将一种化合物转化为结构上
相关产物的过程。1864年，Pasteur发现醋酸杆菌（
L-赖氨酸是一种生物体必须的氨基酸, 目前 利用固定酶, 已可以从合成的化工原料环已烷 开始生产L-赖氨酸方法是：首先将环已烷转化 成D.L-a 氨基-已内酞胺。将L-a 氨基-已内酞 胺水解酶和a -氨基-已内酞胺消旋酶以离子键 方式固定在纤维素上。将这两种固定酶同时作 用于D，L-a-氨基-已内酰胺。L-a-氨基-已内酞 胺水解成L -赖氨酸, 剩下的D -a -氨基-已内 酸胺又消旋为D , L 一消旋体, 再水解为赖氨 酸, 这种方法收率儿乎达100%
• 20世纪80年代以来，基因工程技术用于酶学 研究得到高度重视。应用DNA重组技术可以 生产出高效能、高质量的酶产品，用定点突变 法在指定位点突变，可以改变酶的催化活性与 专一性。
（三）酶催化剂的应用
• 应用领域：化工、饲料、皮革、造纸、纺 织、酿造。
• 酶催化剂具有手性结构，是不对称合成的 最佳催化剂组分，在药物合成领域有非常 广阔的应用前景。
• 酶晶体的获得,才认识到酶是蛋白质,是由酰胺键连 接的氨基酸组成;
• 1926年,Sumner从刀豆中得到脲酶结晶,催化尿素 水解,产生CO2和NH3.
1967年,丝氨酸蛋白酶,它专门用于洗涤剂.
1992年,用于生产酶的克隆技术
1982年 Cech小组发现，四膜虫的rRNA(核糖 体核糖核酸)前体能在完全没有蛋白质的情况 下进行自我加工，催化得到成熟的rRNA产物 。这就是说，RNA本身就是生物催化剂（生物 分子也具有催化活性）。
Acetobacter）可氧化乙醇成为醋酸，首次以微生物
转化进行有机反应 例如:
CH3CH20H
醋酸细菌
CH3COOH
（2）生物转化与发酵的区别
发酵的含义
利用微生物，在适宜的条件下，将原料经 过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的 过程
区别：
发酵过程常常是有多步反应过程构成。 生物转化仅仅由一个或少数几个酶促反应 组成。 生物转化的产物是微生物细胞对底物的特定 部位的化学反应。
） ⑤ 可减少底物或产物对酶的抑制 ⑥ 增加酶的热稳定性
生物催化一旦进入传统的化工领域，就给原 料来源、能源消耗、经济效益、环境保护等 方面带来了根本性的变化。 化学生产中酶的新用途的开发也是工业用酶 需求增长的一个重要因素。
手性农药中间体：S-生物丙烯菊酯（特异性脂肪酶 ）
2
S-生物丙烯菊酯生物活性是普通丙烯菊酯的245 倍，不仅用量3大大减少，而且残留极少，产品的质 量好于国外同类产品，已形成2亿元的年产值，取得 了很好的经济效益。
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(二）生物催化的产生与发展
远古时代：酒的酿造,饴糖的制作,豆类做酱
酵母发酵的产物,