1、食品与酶工程,第一部分 酶工程相关概念,酶：活细胞产生的具有高度催化活力和高度专一性的生物催化剂。 酶工程：酶的生产及其在生物反应器中进行催化应用技术的过程。酶的制备与发酵生产：,生物细胞内生物合成或直接提取分离,微生物发酵生产制取,酶,动、植物细胞培养和微生物细胞培养比较,动、植物细胞培养目的 动物细胞 ：疫苗、激素、多肽药物、单克隆抗体、酶、皮肤等人体组织、器官等功能性蛋白质。 植物细胞 ：色素、药物、香精、酶等次级代谢物。,酶的制备植物细胞,酶的制备植物细胞 一、植物细胞培养产酶的工艺流程1.外植体的选择与处理外植体：是指从植株取出，经过预处理后，用于植物组 织和细胞培养的植物的组织片段
2、或小块。,外植体,细胞获取,细胞培养,分离纯化,产物,2.植物细胞的获取获取细胞的方法有：直接分离法、愈伤组织诱导法和原生质体再生法。直接分离法直接从外植体中获得细胞，包括机械捣碎法和酶解法愈伤组织诱导法愈伤组织：一种能迅速增殖的、无特定结构和功能的薄壁细胞团原生质体再生法原生质体：除去细胞壁的微球体 植物原生质体的分离方法一般有机械分离法和酶解法,酶的制备植物细胞,酶的制备植物细胞,3.细胞悬浮培养4.分离纯化二、植物细胞培养的培养基 1.植物细胞培养基的特点生长和发酵需要大量的无机盐需要多种维生素和植物激素氮源一般为无机氮以蔗糖为碳源,酶的制备植物细胞,2.几种常见的植物细胞培养基MS、B
3、5、White、KM-8P培养基 三、温度和pH植物细胞培养温度一般在25左右pH一般控制在微酸性范围，5.5左右 四、通风和搅拌耗氧速率较慢，细胞比较大，较脆弱，对剪切敏感，所以，通气和搅拌不能太强烈。,酶的制备植物细胞,五、光照对一些植物酶有诱导作用或抑制作用。 六、前体和刺激的添加前体：指处于目标代谢物代谢途径上游的物质。添加剂：指可以促进植物细胞的物质代谢朝所需次级代谢物生成的方向发展的物质（常用的刺激剂有微生物细胞壁碎片和果胶酶、纤维素酶等胞外酶）。,酶的制备动物细胞,酶的制备动物细胞 动物细胞的特性：细胞生长速度慢（需加抗生素）细胞体积大，无细胞壁保护，对剪切力敏感反应过程成本高，
4、产品价格贵细胞具有群体效应，锚地依赖性、接触抑制性以及功能 全能性,酶的制备动物细胞,动物细胞培养特点： （1）主要用于功能蛋白质和多肽的生产 （2）生长较慢，15-100h （3）需要添加抗生素以防染菌 （4）无细胞壁，体积较大，对剪切力敏感，要求严格控制培养条件如pH、渗透压、溶解氧等 （5）大部分动物细胞有锚地依赖性，需要贴壁培养 （6）培养基成分复杂，分离纯化复杂，成本较高，多用于高价值药物的生产 （7）原代细胞培养50代之后即会退化死亡，需要重新分离细胞,酶的制备动物细胞,动物细胞培养方式： 悬浮培养血液、淋巴组织的细胞 贴壁培养成纤维细胞型（fibroblast）上皮细胞型(epi
5、thilium cell type)游走细胞型(wondering cell type)多形性细胞型 (polymorphic cell type) 固定化细胞培养,酶的制备动物细胞,动物细胞培养过程：动物细胞培养基的组成成分： 氨基酸、维生素、无机盐、葡萄糖、激素、生长因子,种质细胞,悬浮细胞,细胞培养,分离纯化,产物,酶的制备动物细胞,动物细胞培养条件： （1）温度：一般控制在36.5，允许温度波动范围在0.25之内。 （2）pH值：一般控制在pH7.0-7.6微碱性范围内，通常在pH7.4的条件下生长最好。 （3）渗透压：培养液中渗透压应当与细胞内的渗透压处于等渗状态，一般控制在700-
6、850kPa范围内。 （4）溶解氧：至关重要，供氧不足时，细胞生长受到抑制，供氧过量时，也会对细胞产生毒害。,第二部分 酶工程在食品工业中的应用,酶法降解纤维素及其应用,1、纤维素酶的概念 2、纤维素酶的分类 3、影响纤维素酶作用的因素 4、纤维素酶在食品加工中的应用 5、纤维素酶在发酵工业中的应用,纤维素酶的概念,纤维素酶是指能水解纤维素-1,4-葡聚糖-4-葡聚糖苷键，使纤维素变成纤维二糖和葡萄糖的一组酶的总称，它是一种起协同作用的多组分酶系。,纤维素酶的分类,葡萄糖内切酶：随机水解-1,4糖苷键，切断长链纤维素分子，产生大量非还原性末端的小分子纤维素。 葡萄糖外切酶（纤维二糖水解酶）：作
7、用于纤维素线状分子末端，水解-1,4糖苷键，每次切下一个纤维二糖分子。 一葡萄糖苷酶（纤维二糖酶）：水解纤维二糖和短链的纤维寡糖生成葡萄糖。,影响纤维素酶作用的因素,底物的结构和浓度：底物是纤维素，木质结构的障碍和纤维素本身的结晶度和聚合度的阻碍，使酶解效率下降。 酶的组成及浓度：选择相应的纤维素酶 pH：最适pH一般在4.56.5。 温度：最适温度一般在4060C 重金属离子：如铜和汞离子能抑制纤维素酶， 中性盐类：使纤维素酶活化。,纤维素酶在食品加工中的应用,1、饮料生产：促进果汁的提取与澄清、 提高可溶性固形物含量、并可 将皮渣综合利用。2、蔬菜生产 使细胞壁膨胀、软化，提高可消化性和改
8、进口感。在制备脱水蔬菜，可改进脱水蔬菜的烧煮性和复原性。,纤维素酶在食品加工中的应用,3、种子蛋白利用促进脱皮，增加大豆提取优质水溶性蛋白质的得率，也可用于回收豆渣中的蛋白质和油渣。4、速溶茶用纤维素低温提取，既可提高 得率，又可保持茶叶的色、香、味。,纤维素酶在发酵工业中的应用,1、酱油酿造改善酱油质量、缩短生产周期、提高产量。2、酿酒工业提高酒精和白酒的出酒率。3、纤维素渣的转化应用提供新能源和变为废为宝。,酶法降解甲壳素及其应用,1、甲壳素的概念 2、酶在壳聚糖制备的应用,甲壳素的概念,甲壳素又称几丁质。 甲壳素具有抗癌抑制癌、瘤细胞转移，提高人体免疫力及护肝解毒作用。 甲壳素的脱乙酰基
9、衍生物壳聚糖。这种壳聚糖由于它的大分子结构中存在大量氨基，从而大大改善了甲壳素的溶解性和化学活性，因此使它在医疗、营养和保健等方面具有广泛的应用价值。,酶在壳聚糖制备的应用,（一）酶法脱蛋白多用于多糖的提取。 优点：化学试剂用量少，蛋白质易回收，可有效降低加工成本。 缺点：虾蟹壳很难与酶反应，脱蛋白效果不好；有些酶在降解蛋白质的同时也会引起甲壳素的降解，不适用于大分子壳聚糖的制备。 方法：1、直接用酶水解脱蛋白2、利用微生物发酵脱蛋白,酶在壳聚糖制备的应用,（二）酶法脱乙酰酶法制备壳聚糖最重要的应用是以专一性酶对甲壳素进行脱乙酰反应。但是水不溶于甲壳素，酶法脱乙酰效果并不明显。 在加酶前对甲壳
10、素进行处理，可提高酶催化的脱乙酰的速度和产率。,酶在壳聚糖制备的应用,（三）酶法制备低聚壳聚糖 与壳聚糖相比，低聚壳聚糖功能特性更好： 具有物理性能稳定、良好的溶解性、亲水吸湿性、抑菌防腐、生物降解性等理化性能。 由于壳聚糖的纯天然活性及无毒副作用，对人体有良好的亲和性，能促进机体合成分泌大量免疫球蛋白抗体，调节提高人体免疫力； 吸附体内毒素、有害色素和辐射素； 螯合体内有害的重金属离子，随代谢物排出体外； 调节人体pH值，增强免疫活性细胞的质量和数量，活化正常体细胞； 延缓衰老；抑制癌细胞转移等功效。,酶在壳聚糖制备的应用,低聚糖一般通过降解壳聚糖的方法制备：1、化学法：分为酸解和氧化降解。
11、缺点：反应条件剧烈，不好控制；化学试剂较多，不容易分离提纯；废物排放多，易造成环境污染。,酶在壳聚糖制备的应用,2、酶法：分为非专一性酶水解法和专一性酶水解法。 非专一性酶水解目前已发现多种非专一性酶可以水解壳聚糖，但很难得到高度水解的产物，需要专一性水解酶。 专一性水解酶包括溶菌酶、甲壳素酶、壳聚糖酶等。,第三部分 纤维素酶在食品中应用实例,一、纤维素酶在茶叶提取加工中的应用,一、纤维素酶在茶叶提取加工中的应用,茶叶的主要成分有茶多酚、碳水化合物、蛋白质、氨基酸、咖啡碱、茶多糖和芳香性物质等。,一、纤维素酶在茶叶提取加工中的应用,酶法提取的原理是利用纤维素酶、果胶酶、半纤维素酶等水解酶分解茶
12、叶细胞壁,使细胞结构破坏,从而促进茶叶中有效成分的扩散和浸出,有利于固形物的溶出和浸提率的提高。同时酶法提取一般在较低温度下进行,对茶汤香气也有积极的作用。 酶解过程还具有一般酶促反应的优点,例如反应条件温和,对环境无污染和催化效率高等。,一、纤维素酶在茶叶提取加工中的应用,在速溶茶加工的萃取过程中添加纤维素酶,在酶解参数为酶添加量2.4 U/g,底物浓度6.5%,酶解温度50 C,酶解时间8 h,酶解pH值5.0。纤维素酶可以有效提高茶汤的可溶性固形物含量,茶多盼含量和速溶茶的提取率,经酶处理的茶饮料在短期内可以提高其稳定性。纤维素酶酶法提取茶叶时,由于细胞壁多糖的水解茶叶水浸出物率和还原糖
13、含量显著增加。,二、纤维素酶在沼气发酵中的应用,二、纤维素酶在沼气发酵中的应用,沼气是一种是由微生物将有机物质在厌氧条件下分解代谢而产生的高热值可再生的洁净生物质能源。作物秸秆发酵生产沼气是利用秸秆中储存的丰富生物质能的简便途径，沼气的生产不仅使生物质资源得到深度开发和循环利用，对解决当今所面临的能源危机和环境污染问题具有重大的现实意义。,二、纤维素酶在沼气发酵中的应用,秸秆的主要成分为纤维素、半纤维素及木质素，利用化学或生物技术转化成可溶性糖，然后利用微生物发酵技术将可溶性糖转化为有机酸、醇、醋以及甲烷、二氧化碳、氢气等化工原料和能源。,二、纤维素酶在沼气发酵中的应用,秸秆经过纤维素酶预处理
14、后，破坏了包覆在纤维素分子表面的半纤维素和木质素分子，使纤维素半纤维素与木质素分离，并且发生部分分解，改善了秸秆的厌氧消化性质，为厌氧菌提供了易消化的营养物质，这是秸秆产气量提高的主要原因。,第四部分 酶法降解甲壳素的实例,一、利用甲壳素脱乙酰酶制备壳聚糖,甲壳素脱乙酰酶（CDA）： 甲壳素脱乙酰酶是一种催化甲壳素中N-乙酰基-D-葡糖胺的乙酰氨基水解的酶。 广泛存在于自然界，尤其是一些真菌中。,1、酶的制备： 菌种：蓝色犁头霉和构巢曲霉最适条件： 温度：培养的最适温度是2528,而最适的发酵温度是3133。 时间：最适的发酵时间为96小时。,一、利用甲壳素脱乙酰酶制备壳聚糖,培养,筛选,配制
15、培养基,接种,发酵,分离纯化酶,一、利用甲壳素脱乙酰酶制备壳聚糖,pH值：培养基初始pH值为6.5。 碳源：选择可溶性壳聚糖，可提高菌种产甲壳素脱乙酞酶的活力。 氮源：蛋白胨和酵母粉。 金属离子：Mg2+作为酶活性中心的组成部分,可以维持生物大分子和细胞结构的稳定性,调节并维持细胞的渗透压平衡、氢离子浓度和氧化还原电位。Co2+对菌种的产酶能力有明显的促进作用。,一、利用甲壳素脱乙酰酶制备壳聚糖,2.甲壳素脱乙酰酶对甲壳素的脱乙酰化 影响因素：温度、pH值、底物浓度、Mg2+浓度、酶液量、反应时间。 最适条件：温度50；pH值4. 55. 0；酶液量0. 40%；底物浓度0.75%；反应时间9
16、0 min。,一、利用甲壳素脱乙酰酶制备壳聚糖,酶法制备壳聚糖是一种生物的制备方法,此种方法不仅可以解决严重的环境污染问题,而且能降低能耗,弥补浓碱热处理所得产品的一些不足。随着生物技术的发展,脱乙酰酶生产成本的降低,未来这种不消耗氢氧化钠,能在常温下脱除乙酰基的清洁的生物制备壳聚糖方法,将有很大的前景。,二、酶法制备低聚壳聚糖,专一性酶（如壳聚糖酶） 水解率高，是壳聚糖水解的最适合酶。但得率低，价格高，难以获得大量而廉价的壳聚糖专一性酶，不适宜大规模生产和应用。非专一性酶 种类多，来源广，廉价易得。有的酶对壳聚糖的降解活性与壳聚糖酶相似，甚至超过了壳聚糖酶。,二、酶法制备低聚壳聚糖,纤维素酶
17、降解壳聚糖 壳聚糖和纤维素分别是壳聚糖酶和纤维素酶的底物，它们在结构上十分相似，都是D-葡糖单元由-1,4糖苷键连接，区别在于它们糖环上2位的基团分别为氨基(乙酰氨基)和羟基。,纤维素和壳聚糖的结构式,二、酶法制备低聚壳聚糖,影响因素： 温度：最适5060 pH值：最适pH值为5.05.5 金属离子：Cu2+、Hg2+等是酶的抑制剂 壳聚糖的脱乙酰度：对脱乙酰度为80%90%的壳聚糖的降解活性较好 酶浓度及底物浓度,二、酶法制备低聚壳聚糖,纤维素酶和壳聚糖酶降解壳聚糖的条件相似，且它们一般都以内切方式断裂-1,4糖苷键，以降低壳聚糖聚合度。纤维素酶易于制得，成本低廉，酶解反应容易操作，适合工业化生产。,Thanks！,
