酶工程

酶作為一種生物催化劑，已廣泛地應用於輕工業的各個生產領域。近幾十年來，隨著酶工程不斷的技術性突破，在工業、農業、醫藥衛生、能源開發及環境工程等方面的應用越來越廣泛。

食品加工中的應用

酶在食品工業中最大的用途是澱粉加工，其次是乳品加工、果汁加工、

烘烤食品及啤酒發酵。與之有關的各種酶如澱粉酶、葡萄糖異構酶、乳糖酶、凝乳酶、蛋白酶等占酶製劑市場的一半以上。

幫助和促進食物消化的酶成為食品市場發展的主要方向，包括促進蛋白質消化的酶（菠蘿蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等），促進纖維素消化的酶（纖維素酶、聚糖酶等），促進乳糖消化的酶（乳糖酶）和促進脂肪消化的酶（脂肪酶、酯酶）等。

輕化工業中的應用

酶工程在輕化工業中的用途主要包括：洗滌劑製造（增強去垢能力）、毛皮工業、明膠製造、膠原纖維製造（粘接劑）牙膏和化妝品的生產、造紙、感光材料生產、廢水廢物處理和飼料加工等。

醫藥上的應用

重組DNA技術促進了各種有醫療價值的酶的大規模生產。用於臨床的各類酶品種逐漸增加。酶除了用作常規治療外，還可作為醫學工程的某些組成部分而發揮醫療作用。如在體外循環裝置中，利用酶清除血液廢物，防止血栓形成和體內酶控藥物釋放系統等。另外，酶作為臨床體外檢測試劑，可以快速、靈敏、準確地測定體內某些代謝產物，也將是酶在醫療上一個重要的應用。

能源開發

在全世界開發新型能源的大趨勢下，利用微生物或酶工程技術從生物體中生產燃料也是人們正在探尋的一條新路。例如，利用植物、農作物、林業產物廢物中的纖維素、半纖維素、木質素、澱粉等原料，製造氫、甲烷等氣體燃料以及乙醇和甲醇等液體燃料。另外，在石油資源的開發中，課題。

環境工程

在科學技術高度發展的同時，環境凈化尤其是工業廢水和生活污水的凈化，作為保護自然的一項措施，具有十分重要的意義。

在現有的廢水凈化方法中，生物凈化常常是成本最低而最可行的。

微生物的新陳代謝過程，可以利用廢水中的某些有機物質作為所需的營養來源。因此利用微生物體中酶的作用，可以將廢水中的有機物質轉變成可利用的小分子物質，同時達到凈化廢水的目的。人們利用基因工程技術創造高效菌種，並利用固定化活微生物細胞等方法，在廢水處理及環境保護工作中取得了顯著的成效。

另外，生物感測器的出現為環境監測的連續化和自動化提供了可能，降低了環境監測的成本，加強了環境監督的力度。

基因製取

在生物體內找到了某種有用的酶，即使含量再低，應用基因重組技術，通過基因擴增與增強表達，就可能建立高效表達特定酶製劑的基因工程菌或基因工程細胞了。把基因工程菌或基因工程細胞固定起來，就可構建成新一代的生物催化劑——固定化工程菌或固定化工程細胞了。人們也把這種新型的生物催化劑稱為基因工程酶製劑。

新一代基因工程酶製劑的開發研製，無疑是使酶工程如虎添翼。固定化基因工程菌、基因工程細胞技術將使酶的威力發揮得更出色，科學家們預言，如果把相關的技術與連續生物反應器巧妙結合起來，將導致整個發酵工業和化學合成工業的根本性變革。

對酶進行改造和修飾也是酶工程的一項重要內容。

酶的作用力雖然很強，尤其是被固定起來之後，力量就更大了，但並不是所有的酶製劑都適合固定化的，即使是用於固定化的天然酶，其活性也往往不能滿足人們的要求，需要改變其某些性質、提高其活性，以便更好地發揮其催化功能。

於是，酶分子修飾和改造的任務就被提出來了。

一般來說，科學家們是通過對酶蛋白分子的主鏈進行“切割”、“剪切”以及在側鏈上進行化學修飾來達到改造酶分子的目的的。被修飾、改造的酶分子，無論是物化性質，還是生物活性都得到了改善，甚至被賦予了新的功能。

人工設計和合成具有生物活性的非天然大分子物質，是科學家們共同努力的目標。

圖為胰蛋白酶和一個特異性搞體被切去而現露出蛋白制主鏈（藍色）

書名：教育部高職高專規劃教材--酶工程

出版社：化學工業出版社

定價:16

ISBN:ISBN 7-5025-7872-2

作者：梁傳偉，張蘇勤

印刷日期:2006-1-1

出版日期:2006-1-1

精裝平裝_開本_頁數：平裝16開,128頁

出版社: 化學工業出版社; 第1版 (2002年5月1日)

叢書名: 現代生物技術叢書

平裝: 388頁

語種：簡體中文

開本: 16

ISBN: 9787502537043, 750253704X

條形碼: 9787502537043

品牌: 化學工業出版社

ASIN: B0011AF1YS

前言

本教材是在全國高職高專生物技術類專業教學指導委員會的指導下，根據教育部有關高職高專教材建設的精神，以高職高專生物技術專業學生的培養目標為依據編寫的。編寫過程中廣泛徵求了有關職業院校、生物技術企業專家的意見，具有較強的實用性。

教材在編寫過程中堅持以應用為目的，以必須、夠用為度，以講清概念、強化應用為教學重點。充分體現"高等教育"和"職業教育"的雙重性；教材建設不僅要奠定專業理論基礎，更應重視專業的實踐性，注重生產實踐能力和技術應用能力的培養。本書內容安排合理，力爭做到實用性、前沿性，突出高等職業教育以能力為本的特色。

本書共八章，由梁傳偉、張蘇勤任主編。第一、二、八章由漯河職業技術學院任平國編寫；第三章由淄博職業學院梁傳偉編寫；第四、五、六章由南京化工職業技術學院李冰峰編寫；第七章由呂梁高等專科學校張蘇勤編寫。全書由梁傳偉統稿。

全書由淄博職業學院教授胡本高擔任主審，並提出許多寶貴建議。編寫人員又於2005年9月在青島對初稿進行了進一步審閱，根據審稿意見再次做了修改。由於作者水平有限，書中不妥之處在所難免，懇請專家、讀者批評指正。

本書在編寫過程中得到淄博職業學院、呂梁高等專科學校等單位的大力支持，編寫過程中參考了大量的書籍、資料，在此表示衷心的感謝。

編者

2005年9月

第一章 緒論1

第一節 酶的基本概念與發展史1

一、酶是一種生物催化劑l

二、酶學研究簡史2

三、酶工程發展概況3

第二節 酶催化作用的特點4

一、高效性4

二、專一性4

三、反應條件溫和4

四、酶的活性受調節控制5

第三節 酶的組成、分類與命名5

一、酶的組成5

二、酶的命名5

三、國際系統分類法及編號6

複習思考題8

第二章 酶動力學9

第一節 酶促反應動力學9

一、單底物動力學9

二、多底物動力學11

第二節 影響酶促反應的因素11

一、底物濃度對酶促反應的影響12

二、酶的濃度對酶促反應的影響12

三、溫度對酶促反應的影響12

四、pH對酶促反應的影響 13

五、其他因素的影響14

複習思考題16

第三章 酶的發酵生產17

第一節 酶生物合成的基本理論18

一、RNA的生物合成--轉錄18

二、蛋白質的生物合成--翻譯19

三、酶生物合成的調節21

第二節 酶發酵生產常用的微生物23

一、枯草芽孢桿菌24

二、大腸桿菌24

三、黑麴黴24

四、米麴黴24

五、青黴25

六、木霉25

七、根霉25

八、毛霉25

九、鏈黴菌25

十、啤酒酵母26

十一、假絲酵母26

第三節 發酵工藝條件及控制26

一、細胞活化與擴大培養26

二、培養基的配製27

三、pH調節 28

四、溫度的調節控制29

五、溶解氧的調節控制29

六、提高酶產量的措施31

第四節 固定化細胞發酵產酶33

一、固定化細胞生長33

二、固定化細胞發酵產酶的工藝條件控制34

第五節 動、植物細胞發酵產酶35

一、動植物細胞的特性35

二、植物細胞發酵的特點35

三、植物細胞發酵產酶的工藝條件控制36

四、動物細胞發酵38

複習思考題39

第四章 酶的分離純化40

第一節 細胞破碎40

一、機械破碎法40

二、超聲波法40

三、滲透壓法40

四、化學破碎法40

五、生物破碎法41

第二節 酶的提取42

一、酶提取的主要方法42

二、酶提取過程的注意事項42

第三節 酶的提純43

一、酶提純的主要方法43

二、調整酶溶解度的方法43

三、根據酶分子大小、形狀不同的方法45

四、根據酶分子電荷性質的方法47

五、根據酶分子專一性結合的方法50

六、其他分離方法53

七、酶純化方法的選擇56

八、酶純度的評價56

第四節 工業生產中酶純化過程的生物安全措施59

複習思考題60

第五章 酶分子修飾6l

第一節 金屬離子置換修飾6l

第二節 大分子結合修飾62

一、通過修飾提高酶活力63

二、通過修飾增加酶的穩定性63

三、通過修飾降低或消除抗原性64

第三節 肽鏈有限水解修飾64

第四節 酶蛋白側鏈基團修飾65

一、氨基修飾劑65

二、羧基修飾劑65

三、胍基修飾劑66

四、巰基修飾劑66

五、酚基修飾劑66

六、分子內交聯劑66

第五節 氨基酸置換修飾67

第六節 物理修飾68

複習思考題68

第六章 酶與細胞固定化69

第一節 酶固定化69

第二節 酶和菌體固定化?0

一、酶和菌體固定化的方法70

二、固定化酶的性質75

三、固定化酶的應用76

第三節 微生物、植物和動物細胞固定化78

一、細胞固定化的方法78

二、固定化微生物細胞的應用80

三、固定化植物細胞81

四、動物細胞固定化81

第四節 原生質體固定化83

一、原生質體的製備84

二、原生質體固定化84

三、固定化原生質體的應用85

第五節 酶反應器選型與設計86

一、酶反應器類型86

二、酶反應器選擇86

複習思考題87

第七章 酶的應用88

第一節 酶在醫藥方面的應用 88

一、酶在疾病診斷方面的應用 88

二、酶在疾病治療方面的應用 91

三、酶在藥物製造方面的應用 95

第二節 酶在食品工業中的應用 98

一、酶在澱粉類食品工業中的應用 99

二、酶在乳品工業中的應用101

三、酶在釀酒工業中的應用101

四、酶在果蔬類食品加工中的應用102

五、酶在肉類食品和魚類食品加工中的應用103

六、酶在焙烤食品中的應用103

七、酶在食品添加劑生產中的應用103

第三節 酶在輕工、化工方面的應用106

一、酶在飼料工業中的應用106

二、酶在洗滌劑工業中的應用109

三、酶在有機酸工業中的應用111

四、酶在紡織、皮革、造紙工業中的應用113

第四節 酶在環境保護方面的應用114

一、酶在環境監測方面的應用115

二、酶在廢水處理方面的應用115

三、酶在可生物降解材料開發方面的應用116

第五節 酶在生物技術領域的應用116

一、酶在除去細胞壁方面的應用116

二、酶在大分子切割方面的應用117

三、酶在分子拼接方面的應用118

複習思考題119

第八章 實驗120

實驗一 酶活力的測定120

實驗二 澱粉酶在酒精生產中的應用122

實驗三 影響酶活性的因素比較124

實驗四 酶的固定化126

參考文獻129

書目二

本書為2003年度教育部研究生辦公室推薦的研究生教學用書，它以酶學為基礎，全面、系統地介紹了酶工程（化學酶工程和生物酶工程）的研究現狀及酶工程技術在工業應用上的最新進展。本書概括了介紹了酶學的基本知識、酶學與酶工程的關係，進而講述了固定化酶和固定化細胞技術、酶的化學修飾和穩定化技術，酶工程技術不僅可以改善現有酶的性質，而且可以創造新酶，而有關酶在有機溶劑——非水介質的催化作用、酶的人工模擬技術（包括合成酶、分子印跡酶、進化酶、雜合酶、抗體酶等）、核酶的研究應用、酶的定向進化策略的介紹更是擴展了酶工程的研究和綜合應用範圍。酶工程的發展促進了交叉學科的進步，它給醫學、醫藥工業、化學工業、輕工業、環境保護、能源工業等帶來了新活力，從本書中還可以了解到酶工程技術在各個工業領域中的情況和應用前景。本書可作為生物技術和酶的應用等相關專業的教材，也可作為研究人員和相關領域技術人員參考用書。考慮到教學的要求，本書內容要點突出、層次分明，書中附有特別提示的學習目的、思考題和主題詞解釋，會對課程的理解很有幫助。

酶學與酶工程

第一節 酶工程概述

一、酶與酶工程研究的重要意義

二、酶學研究簡史

三、酶工程簡介

第二節 酶的分類、組成、結構特點和作用機制

一、酶的分類

二、酶的組成和結構特點

三、酶的作用機制

第三節 酶作為催化劑的顯著特點

一、催化能力

二、專一性

三、調節 性

第四節 影響酶活力的因素

一、酶的測定

二、酶聯測定法

三、酶速度

四、底物濃度

五、酶濃度

六、溫度

七、pH

第五節 酶動力學和抑制作用

一、米-曼氏模式

二、Lineweaver-Burk作圖

三、酶的抑制作用

四、不可逆抑制作用

五、可逆的競爭性抑制

六、可逆的非競爭性抑制

第六節 蛋白質、酶和重組蛋白質的分離純化

一、蛋白質純化的一般考慮

二、蛋白質的粗分離

三、蛋白質的大規模分離純化

參考文獻

固定化酶與固定化細胞

第一節 引言

第二節 酶的固定化

一、固定化酶的定義

二、固定化酶的製備原則

三、酶的固定化方法

四、固定化酶的性質

五、影響固定化酶性能的因素

第三節 輔酶的固定化

一、輔酶的定義及分類

二、輔酶的固定化方法

三、輔酶的再生

第四節 細胞的固定化

一、固定化細胞分類、形態特徵和生理狀態

二、固定化細胞的製備

三、固定化細胞的性質

四、總結與展望

第五節 固定化酶和固定化細胞的表徵

一、評價固定化酶（細胞）的指標

二、載體活化程度和固定化配基密度的測定

三、親和技術中固定化配基的容量和活性的測量

第六節 固定化酶與固定化細胞的應用

一、生物化學及分子生物學基礎研究

二、親和分離系統

三、藥物控釋載體

四、生物感測器

五、其他

參考文獻

酶蛋白的化學修飾

第一節 化學修飾的原理

一、影響酶蛋白功能基反應性的因素

二、酶蛋白功能基的超反應性

三、修飾劑反應性的決定因素

第二節 化學修飾的方法學

一、修飾反應專一性的控制

二、修飾程度和修飾部位的測定

三、化學修飾結果的解釋

第三節 酶蛋白側鏈的修飾

一、羧基的化學修飾

二、氨基的化學修飾

三、精氨酸胍基的修飾

四、巰基的化學修飾

五、組氨酸咪唑基的修飾

六、色氨酸吲哚基的修飾

七、酪氨酸殘基和脂肪族羥基的修飾

八、甲硫氨酸甲硫基的修飾

第四節 酶的親和修飾

一、親和標記

二、外生親和試劑與光親和標記

第五節 酶的化學交聯

第六節 酶化學修飾的應用

一、化學修飾在酶的結構與功能研究中的應用

二、化學修飾酶在醫藥和生物技術中的應用

三、蛋白質化學修飾的局限性

參考文獻

蛋白質的穩定性和穩定化

第一節 蛋白質的穩定性

一、蛋白質穩定性的分子原因

二、測定蛋白質穩定性的方法

第二節 蛋白質不可逆失活的原因和機理

一、蛋白水解酶和自溶作用

二、聚合作用

三、極端pH

四、氧化作用

五、表面活性劑和去污劑

六、變性劑

七、重金屬離子和巰基試劑

八、熱

九、機械力

十、冷凍和脫水

十一、輻射作用

第三節 蛋白質的穩定化

一、固定化

二、非共價修飾

三、化學修飾

四、蛋白質工程

五、酶的失活和再活化

第四節 各種酶穩定化方法的比較

參考文獻

有機溶劑中的酶催化作用

第一節 非水介質中酶學基礎

一、非水介質中酶的結構與性質

二、水

三、有機溶劑

四、有機溶劑中酶催化活性和選擇性的調控

五、動力學

第二節 酶在非水介質中的催化反應及應用

一、酶催化反應的類型

二、光學活性化合物的製備

三、糖和類固醇的選擇性醯化

四、功能高分子的合成

五、用於生產精細化工產品的酶——生物催化劑

六、組合生物催化

參考文獻

第六章 酶的人工模擬

第一節 模擬酶的理論基礎和策略

一、模擬酶的概念

二、模擬酶的理論基礎

第二節 模擬酶的分類

一、主-客體酶模型

二、膠束模擬酶

三、肽酶

四、半合成酶

第三節 抗體酶

一、抗體酶概述

二、抗體酶的製備方法

三、抗體酶的結構

四、抗體酶的應用

五、抗體酶研究進展

第四節 印跡酶

一、分子印跡技術概述

二、分子印跡酶

三、生物印跡酶

第五節 模擬酶研究進展

參考文獻

核酶工程

第一節 天然核酶

一、鎚頭型核酶

二、髮夾型核酶

三、蛋白質-RNA複合酶

四、組Ⅰ內含子(group Ⅰ intron)和組Ⅱ內含子(group Ⅱ intron)

第二節 功能性核酸的體外選擇

一、技術和歷史

二、適體的選擇

三、核酶的體外選擇

第三節 脫氧核酶

一、切割RNA的脫氧核酶

二、切割DNA的脫氧核酶

三、具有激酶活力的脫氧核酶

四、連接酶功能的脫氧核酶

五、催化卟啉環金屬螯合反應

第四節 核酶/脫氧核酶的催化潛能和進化策略

一、引入其他催化基團

二、擴大篩選庫的容量

三、模擬自然進化的合理性設計

第五節 核酶/脫氧核酶的應用

一、基因治療

二、藥用核酶的特點

參考文獻

酶分子的定向進化

第一節 酶分子定向進化簡介

一、理論來源

二、基本原理

三、發展方向

四、定向進化的選擇策略

第二節 酶分子定向進化的歷史

一、萌芽階段

二、奠基階段

三、發展階段

第三節 定向進化的策略

一、易錯PCR技術為代表的無性進化

二、DNA改組技術為代表的有性進化

三、基因家族之間的同源重組

四、外顯子改組

五、雜合酶

六、計算機輔助設計

七、突變庫的構建及應用

第四節 定向進化的應用

一、提高酶分子的催化活力

二、提高酶分子穩定性的定向進化

三、適應人工環境中提高酶活力或穩定性的進化

四、提高底物的專一性和增加對新底物催化活力的進化

五、對映體選擇性的定向進化

六、變換催化反應專一性

第五節 總結與展望

參考文獻

第九章 雜合酶

第一節 雜合酶的構建策略

一、點突變及二級結構互換

二、功能域替換

三、融合蛋白

第二節 雜合酶的製備方法

第三節 雜合酶的應用

一、非催化特性的改變

二、創造新催化活性酶

三、用來產生雙功能或多功能蛋白質

四、確定蛋白質的結構與功能關係

第四節 展望

參考文獻

第十章 酶製劑的應用

第一節 概論

一、工業用酶製劑的市場和發展歷史

二、工業酶製劑的來源及特點

第二節 酶在食品加工方面的應用

一、製糖工業

二、啤酒發酵

三、在蛋白製品加工方面的應用

四、在水果、蔬菜加工方面的應用

五、酶改善食品的品質、風味和顏色

六、乳品工業

七、肉類和魚類加工

八、蛋品加工

九、麵包烤焙與食品製造

十、食品保藏

十一、其他

第三節 酶在輕工業方面的應用

一、原料處理

二、輕工產品方面的應用

三、加酶增加產品的使用效果

第四節 酶在醫學中的應用

一、在疾病診斷方面的應用

二、在疾病治療方面的應用

三、在藥物生產方面的應用

四、在分析檢測方面的應用

五、酶與生物醫學工程

第五節 酶在能源開發方面的應用

一、乙醇生產

二、氫氣

三、生物電池

第六節 酶在環境保護方面的應用

一、水凈化

二、石油和工業廢油

三、白色污染

四、環境監測

第七節 我國酶製劑應用方面的現狀和存在的問題

參考文獻

附錄各種修飾試劑對蛋白質側鏈基團的反應性

中西文名詞對照