生物催化剂——酶
(一)历史悠久
自从我们的星球上出现生物以来，酶就已经存在了。 可以毫不夸张地说，我们的生活无时无刻都离不开酶，我们的生活也与酶的应用息息相关。 早在四千年前，中国人就开始利用大麦芽中的酶制造麦芽糖，用发酵的方法酿酒，制醋、酱。 但当时，人们并没有刻意使用酶。 这是一种只知道结果而不知道原理的自然行为。 人们在这种状态下使用酶已有数千年的历史。 100多年前，1857年，法国微生物学家巴斯德在研究酒精发酵时发现，将活酵母和糖放在一起，在能产生条件的情况下，会发生发酵，产生酒精。 又过了40年，即1897年，德国的布希纳进行了进一步的研究，发现如果将能引起酒精发酵的活酵母磨碎，然后与糖混合，糖仍然可以发酵形成酒精。 这说明，即使酵母细胞不再存在，细胞内的物质仍然可以将糖发酵成酒精，这种发酵物质称为酶。 到 20 世纪初，人们发现了更多的酶，对它们催化的反应进行了广泛研究，并从细胞中分离和纯化了它们。 1926年，首先获得了可以分解尿素的脲酶晶体。 研究证明它是一种蛋白质，具有蛋白质的所有特性。 为此他于1947年获得了诺贝尔奖。后来酶的研究得到发展并成为一门独立的学科。 20世纪60年代以后，随着物理、化学的发展，为酶学研究和应用提供了强大的技术手段，酶学研究和应用真正进入了快速发展时期。 淀粉酶和葡糖淀粉酶首先在工业上用于生产葡萄糖酶。 20世纪70年代初，日本的仙津田一郎将固定化氨基酸酰化酶用于L-氨基酸的工业化生产，开创了固定化酶应用的新纪元。 随着酶应用领域的不断扩大和生物技术的发展，人们将酶的开发、研究、制备、加工和应用统称为酶工程。 20世纪80年代初，人们发现酶在有机溶剂中也能催化反应，改变了酶不能在有机溶剂中使用的传统观念，开创了酶学、酶工程和酶应用的新世纪。
2）什么是酶？
酶是存在于生物体中的生物催化剂。 与普通化学催化剂一样，它可以提高化学反应的速度，但不能改变反应方向和反应平衡。 与化学催化剂不同，它本身就是蛋白质。 我们知道，蛋白质是由各种氨基酸按一定顺序排列而成的蛋白质肽链。 它就像一条很长的线，弯曲折叠，形成一个相对松散的“簇”。 每个酶蛋白形成的“基团并不是杂乱的，它是按照一定的规则形成的。因此，每个酶蛋白都具有相同的结构和固定的形态。正是由于这种独特的结构，某些氨基酸的侧链使得肽链向上形成固定的空间排列，形成具有催化能力的活性中心，蛋白质与肽链的相互作用固定了“线”中“线段”的位置和方向，也固定了活性中心。
酶的“螺旋”结构仅在正常条件下稳定。 一旦周围的环境条件发生变化或者受到其他因素的影响，“线圈”就可能被破坏，从而破坏酶蛋白。 催化能力也丧失，这种现象称为变性。 一般来说，高温、强酸、强碱、有机溶剂等都会使酶蛋白变性，失去活性。
3）酶在生物体中的作用是什么？
一切生物的生命过程，从小到大，繁殖、出生、老病死、新陈代谢，都与酶有关。 如果没有酶的催化，最基本的生命攸关的食物消化和氧气呼吸都是不可能的，更不用说其他问题了。 事实上，生物体中发生的几乎所有反应都是由酶催化的。 可以说，没有酶就没有生命。
酶在生命中之所以如此重要，是因为酶催化的反应速度很快，比化学催化剂催化的反应快大约数千到数亿倍。 例如，食物中的葡萄糖与氧气发生反应，变成二氧化碳和水，释放出能量，是维持体温和一切活动的能量来源。 如果没有催化剂，在常温常压条件下需要几年甚至更长时间。 如果要加速反应，必须在300度以上的温度下进行，燃烧氧化释放能量。 这在生物体中是绝对不可能的。 在生命体内，在一系列酶的催化下，在常温常压下即可瞬间完成，速度之快难以想象。
另一个原因是，酶只催化一种物质的一种反应，或化学性质相似的物质的相同反应，对其他物质和反应完全没有催化作用； 大多数酶只催化一种物质的一种反应。 ，即使结构非常相似的物质也不会发生反应。 这种性质称为酶的催化特异性。 例如，葡萄糖氧化酶仅催化葡萄糖的醛基氧化为葡萄糖酸。 它绝不会催化其他葡萄糖基团的反应，更不会催化其他物质的氧化反应。 为了完成生物体中数千种物质的变化和反应，需要相应的酶。 有人估计，生物体内大约有1023种酶。 它们确保生命过程的正常进行。 一旦某种酶因某种原因缺失或催化活性低下，机体的代谢就会出现异常，导致疾病甚至死亡。
4）酶催化反应的特点
酶生存的环境非常温和。 由于细胞内有大量的水，酶基本上处于水溶液中，pH值近似中性，盐浓度低，温度适中，接近室温，压力较低，接近大气压。 这是大多数酶催化反应所需要的。
如果将酶从生物体中分离出来，并给予相应的反应条件，它也可以在体外催化反应，人们可以用它来生产所需的产物。 与化学方法相比，它不需要高温、高压、强酸、强碱、大量的有机溶剂和贵重的化学催化剂进行化学反应。 只需在常温、常压下在近中性的水溶液中反应即可； 要求使用的反应容器不需要采用耐压、耐腐蚀的材料制成； 生产过程中消耗的能源大大减少，生产成本也较低。
由于酶催化的反应具有极强的专一性，它只能催化一种物质的一种反应，只产生一种产物。 反应条件温和，反应过程副反应少，生产效率高。 这也是化学反应无法比拟的。 由于酶催化反应很少需要使用较多的化学试剂和有机溶剂，因此反应产生的废物和副产物较少，基本上不会对环境造成重大污染。
由于酶的上述优点，其应用已成为人们十分关注的问题。 然而，在应用过程中，人们也非常关心酶本身的缺点及其催化的反应。 这是因为酶非常脆弱且不稳定。 反应过程中受到各种因素的影响会发生变性并逐渐失去催化活性。 如果条件控制不好，反应就很难进行到底。 此外，酶是水溶性的。 反应后，酶与产物混合。 即使酶在反应过程中没有失活，也可以再次使用。 然而，从反应混合物中回收它是非常困难的。 一般情况下，只使用一次。 反应后使用酶。 它被遗弃了。 这样，酶反应只能像做饭一样“一锅一锅”地间歇式进行，很难实现连续化生产； 因为酶的生产比较复杂，而且酶的价格也比较贵，所以用完之后就会被丢弃。 这也是一种浪费，会增加生产成本。
能否改变酶的这一缺点，使其稳定、不溶于水、易于与反应物分离重复使用，实现连续化生产？ 目前的答案是：是的。 酶的固定化可以解决这个问题。
5）什么是固定？
酶的固定化是指将酶或含酶细胞与固体物质（这里称为载体）结合，形成不溶于水的颗粒、纤维或膜，用于催化反应。 随着固定化技术的发展，利用半透膜将酶或含酶细胞包装在特定的空间，如微胶囊或超滤器，也称为固定化； 即使酶结合在水溶性非固定化大分子上，反应时也处于溶解状态。 它催化的反应与未固定化的游离酶非常相似。 反应后，通过改变条件使结合的酶沉淀。 这种形式也是一种很好的固定方法。 化方法。
6) 固定化方法
经过近三十年的发展，固定化技术已经比较成熟，大致可分为五种类型。 但无论采用哪种方法，都需要使用附着有酶的载体。 虽然不同的固定化方法对所用载体的要求不同，但根据其化学性质可分为有机材料载体和无机材料载体。 按来源还可分为天然载体和合成载体。 无论如何分类，最常用、最合适的载体主要有纤维素、明胶、从蟹壳中提取的壳聚糖、从海藻中提取的琼脂、卡拉胶等天然有机载体； 合成有机载体主要是含有聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙二醇（PEG）、聚乙烯醇（PVA）以及异硫氰酸酯基、环氧基、氨基、硫醇基、重氮基等各种反应基团的聚合物。 各种离子交换树脂； 无机天然载体可以是天然砂、石英、膨润土以及加工后的膨润土、硅藻土、粘土等； 无机合成载体有多孔玻璃、硅胶以及以其为基础的有机材料。 聚合物涂层或活化载体。 载体的选择主要根据固定化方法和目的。
常用的固定方法是通过化学反应将酶化学结合到支持物上。 酶蛋白分子中含有氨基、羧基、羟基、巯基等化学基团，可以与许多活泼的活性基团发生化学反应，形成化学键。 使用该方法时，首先必须对载体进行化学活化，使载体带有能与酶蛋白的化学基团发生反应的活性基团。 然后，通过酶蛋白与活化后的载体在一定条件下反应，即可达到酶与载体结合制备固定化酶的目的。
该方法一般只适用于酶的固定化，很少用于细胞的固定化。 因为载体与细胞之间很难形成化学键。 该方法形成的化学键很强，酶不易从载体上脱落，制备的固定化酶比较稳定。 但由于化学反应剧烈，酶在固定化过程中容易发生变性和失活。 如果固定化条件控制不好，制备的固定化酶的活性就会较低。
另一种常用的固定化方法是将酶或细胞与形成凝胶的物质混合，如明胶、琼脂、卡拉胶、PVA或乙基纤维素溶液，然后用冷却或凝固剂处理使其固化形成凝胶，或直接制成凝胶。将其制成颗粒，即可得到实用的固定化酶或固定化细胞。 由于凝胶中的聚合物形成三维网络结构，酶分子或细胞在凝胶晶格中呈网络状，就像棉花中困住的沙子一样，因此这种方法称为包封法。
嵌入法的优点是简单实用。 然而，包埋法更适合细胞固定，因为细胞比酶分子大得多。 包埋材料形成的凝胶网格较大，较大的细胞更容易保留。 然而，酶较小，很容易从凝胶网格中逸出。 从网格中泄漏出来。 另外，由于酶和细胞被凝胶材料包裹，因此对酶催化的物质和产物的进出有很大的阻断作用。 如果酶是催化淀粉、蛋白质、核酸等大分子水解的酶，则包埋法制备的固定化酶或细胞活性很低。
如果使用的载体是离子交换树脂，由于其具有离子交换基团，可以与酶和细胞表面的酸性基团如羧基、酚基、碱性氨基、亚氨基等进行离子交换，形成离子键。 酶被固定在离子交换树脂的表面。 另外，硅藻土、膨润土、粘土、沙子等材料的表面对酶和细胞有较强的吸附能力，也可用于制备固定化酶和固定化细胞。 这种固定化方法非常简单，但由于离子键和简单的物理吸附很容易受到环境中盐浓度、pH值和温度变化的影响而发生解离。 因此，该方法制备的固定化酶很不稳定。 但它也有其优点。 固定化酶使用一定时间后，酶脱落损失，固定化酶活性下降。 可以加入新的酶并吸附，使固定化酶恢复活性，即载体可以重复使用。
此外，双功能试剂可用于连接酶或细胞以形成更大的颗粒。 双功能试剂就像两只手，将细胞或酶拉在一起。 这样制备的固定化酶和固定化细胞更接近自然界中原始的酶和细胞，但用作工业催化剂仍存在困难。 而用双功能试剂处理吸附包埋法制备的固定化酶或细胞，可以使酶或细胞交联，可以防止酶和细胞从固体颗粒和包埋材料上脱落，使其稳定。
这种交联固定化方法的最大用途是制备固定化酶膜和固定化细胞膜。 将此酶或细胞膜与各种电极和场效应管结合，制备用于测量和分析各种物质的酶电极。 例如，固定化葡萄糖氧化酶膜结合pH电极可以直接测量葡萄糖，临床上用于测量血糖和尿糖，作为诊断疾病的工具。
酶也可以包裹在微胶囊中，其尺寸只有几微米甚至更小。 形成微胶囊的膜是半透膜，孔径只允许小分子通过，而大分子不行，它保证了酶保留在胶囊内，而其他小分子可以自由进出。 制备微囊半透膜的材料大多为合成高分子材料，如尼龙、聚砜、聚酯等。微囊酶具有广泛的应用领域。 例如，微囊脲酶可以分解尿素，用于制造人工肾。 可治疗体外循环血液，治疗尿毒症。 优点是脲酶属于非人类蛋白质，在处理血液时不与血液直接接触，不产生免疫反应，可用于长期的血液处理。
7）固定化酶和细胞的特性
固定化后酶和细胞的稳定性一般都会大大增加，包括耐热性、耐酸碱性、耐机械搅拌引起的剪切力等。 这种变化对于酶的应用很重要，使得酶可以在很长一段时间内重复使用。 克服天然酶的固有缺点。
固定化酶和细胞可以制备成不溶于水的颗粒、纤维或薄膜，克服了酶的水溶性和细胞颗粒小、无定形的缺点。 催化反应完成后，通过简单过滤即可回收固定化酶和细胞，再次加入反应物即可继续反应，解决了酶和细胞回收困难的问题。 还可以将固定化酶或固定化细胞安装在圆柱形柱式反应器中，使反应物从一端连续流入，通过控制流速等反应条件，在柱式反应器中连续反应，生成产物可以从塔反应器中排出。 另一端流出，使反应连续进行，产品连续生产，实现了酶催化反应的连续性，为自动化生产创造了条件。 因此，可以说固定化技术是实现酶加工工业现代化的基础。
酶和细胞固定化技术也为扩大酶的应用奠定了基础。 例如，在上面提到的生物传感器和人造器官的构建中，如果使用天然酶和细胞，则很难在这些方面应用。
酶固定化后，其催化反应的性质也会发生一定程度的改变。 例如催化淀粉、蛋白质、核酸等大分子水解的淀粉酶、蛋白酶、核酸酶的活性大大降低。 最初，催化活性是由大分子链进行的。 从末端开始水解能力降低，而从大分子链中间开始水解能力增加。 此更改对于某些应用程序有其优点和缺点。 这也说明一切事物都具有二元性。
8) 抗生素的酶法修饰
青霉素类和头孢菌素类由于抗菌谱广、毒性低，已成为临床广泛使用的抗生素。 但由于长期不合理使用，许多病原菌对抗生素产生了耐药性，大大降低了其临床应用效果。 研究表明，利用酶催化反应进行结构修饰，得到新型高效半合成青霉素和头孢菌素，可以解决上述问题。
青霉素和头孢菌素由两部分组成：母核和侧链。 母核是产生抗菌活性的核心，侧链关系到抗菌谱及其稳定性。 改变侧链可以提高抗菌活性和稳定性，也可以部分解决耐药和过敏问题。 因此，结构修饰成为开发新型半合成抗生素的关键。
所谓结构改造是指以发酵生产的天然青霉素为原料，通过可水解侧链的青霉素酰化酶的作用，将其水解成母核和侧链两部分。 然后回收母芯。 利用化学方法或青霉素酰化酶催化的合成反应与新的侧链反应，合成新的半合成青霉素类药物，如氨苄西林、氨苄西林等，目前临床上广泛应用。
青霉素酰化酶是由微生物产生的。 产酶的大肠杆菌细胞可以直接用作酶，也可以使用分离的酶来催化反应。 但如果不固定，使用起来很不方便，而且不能一次使用。 回收并必须丢弃。 花费大量精力和金钱生产的酶被浪费了。 而且，从催化反应物中去除酶也很困难，这往往会污染产品并影响生产核心的质量。 如今，大多数行业使用固定化青霉素酰化酶或固定化细胞来生产母核。
采用包埋法制备产生青霉素酰化酶的固定化大肠杆菌细胞，或采用化学结合方法将分离的青霉素酰化酶结合在适当的载体上制备固定化酶。 它们都可用于青霉素类产品。 生产母核6-APA（化学名称为6-氨基青霉烷酸）。 首先将固定化青霉素酰化酶或固定化细胞的颗粒或纤维填充到柱式反应器中，利用如图所示的简单设备，在循环泵的作用下连续快速地循环10%青霉素溶液。 经过固定化酶反应器后，由于青霉素水解生成苯乙酸和6-APA，反应液的pH会不断降低。 当反应液的pH低于6时，青霉素水解反应停止。 为了保证反应继续进行，需要调节反应液的pH，维持在8-8.5，使水解反应能够快速完成，青霉素的水解率可以达到98℃以上。 将完成水解反应的反应液从反应体系中除去，并对母核进行处理。 回收并纯化产物。 适当清洗塔反应器并重新添加新的反应溶液用于下一批反应。 固定化酶反应器可长期使用。 通常一公斤固定化青霉素酰化酶可生产一吨青霉素核心6-APA。 由此可见，固定化酶具有较高的生产效率。
此外，还可以将母核6-APA与苯基甘氨酸甲酯等新侧链的混合溶液在pH 4.5下通过固定化青霉素酰化酶柱反应器来催化合成氨苄西林。 因此，固定化青霉素酰化酶不仅可以生产半合成抗生素的母核，还可以催化半合成青霉素的合成。 这样的生产方法大大提高了半合成抗生素的生产水平，解决了工业化生产的问题。 该生产技术的产业化极大地改变了半合成抗生素的生产。
9）高果糖浆的生产
高果糖浆是食品和饮料行业中使用的重要甜味剂。 其甜度与蔗糖相当。 它是目前利用固定化酶生产的最大产品，也是利用固定化酶技术的高新技术产业的代表之一。
高果糖浆的生产以淀粉为原料，经过高温酸解制备葡萄糖。 但酸水解会产生大量有色、苦味物质，使葡萄糖的纯化变得复杂。 目前，大多利用淀粉酶和糖化酶的联合作用，从淀粉中制备葡萄糖。 不存在高温酸解问题，生产的葡萄糖收率高，质量好。 然后，通过葡萄糖异构酶的催化，葡萄糖转化为果糖。 该反应只能将42葡萄糖转化为果糖。 反应达到平衡，因此制备的糖浆含有55％葡萄糖、42％果糖和3％低聚糖。 糖。
在葡萄糖异构酶固定化技术成功之前，用上述方法生产高果糖浆比较困难。 由于使用从微生物细胞中分离出来的葡萄糖异构酶需要大规模重复生产，成本较高，但仅使用一次后就被丢弃； 因为酶制剂中含有大量杂质，这些杂质带入产品中，影响产品质量。 20世纪80年代以来，葡萄糖异构酶的固定化技术日趋成熟，利用固定化葡萄糖异构酶大规模生产高果糖浆已实现工业化。 目前，利用固定化葡萄糖异构酶生产高果糖浆的大型企业已具备万吨生产能力。
工业上一般采用合适的包埋载体将酶与产酶细胞包埋在一起，制成珠状固定化酶； 还可以采用适当的吸附载体，通过吸附法制备固定化酶。 将固定化葡萄糖异构酶或含酶细胞装入柱反应器中，使纯化精制后的10-30'¡葡萄糖溶液以一定的流速流过固定化酶柱反应器。 在反应温度60-80℃下，控制其他条件以完成葡萄糖异构化。 从反应器流出的反应液经过脱盐、脱色、浓缩得到高果糖。 糖浆。 目前，一般固定化葡萄糖异构酶的生产能力可达1公斤固定化酶生产3吨高果糖浆，高活性固定化酶可生产6-8吨高果糖浆。
采用这种固定化酶工艺大量生产高果糖浆，以满足国内外市场的需求。 该技术为将淀粉转化为与蔗糖具有相似甜度和性质的糖，开辟新的糖源，推动食品工业的发展做出了重要贡献。
从上面的简单介绍我们可以看出，酶与细胞的固定化是酶工程的重要组成部分。 它的发展为酶的广泛应用开辟了新的应用领域，实现了连续、连续的酶催化反应过程。 自动化奠定了基础。
10）为什么酶具有催化活性？
要回答这个问题，我们首先要回答什么是酶。 说起来很简单。 酶是一种具有加速化学反应能力的蛋白质，即催化剂。 我们知道，蛋白质是由多种氨基酸按一定顺序排列而成。 它就像一条很长的线，弯曲折叠形成一条相对松散的“线”。 这条线索并不凌乱。 每种酶蛋白的“线球”都是按照一定的规则形成的。 因此，同一种酶蛋白具有相同的结构和固定的形式。 正是由于这种独特的结构，构成蛋白质链的某些氨基酸被固定在“线圈”的“间隙”中特定的空间位置，形成具有催化能力的活性中心。 蛋白质链与大量水分子的相互作用结合在“线”周围，固定了“线”中“线段”的位置和方向，也固定了活性中心。
活性中心通常由三个氨基酸残基组成，因为不同的氨基酸残基有氨基、亚氨基、羟基、巯基、羧基等，具有酸碱催化作用和氢离子或电子传递能力，所以它们具有催化能力。
酶的“螺旋”结构仅在正常条件下稳定。 一旦周围的环境条件发生变化或者受到其他因素的影响，“线圈”就可能被破坏，从而破坏酶蛋白。 活性中心的氨基酸位置发生改变，催化能力也丧失。 这种现象称为失活。 一般来说，高温、强酸、强碱、强烈搅拌以及有机溶剂等都会使酶蛋白变性，失去活性。
11）酶是如何产生的？
为了达到利用酶水解淀粉生产葡萄糖的目的，科学家们从土壤、水和空气中分离出各种微生物，并筛选出能够大量产生淀粉酶和糖化酶的微生物菌株。 通过大量的研究工作，只有了解菌株产酶的各种条件以及酶的性质，大规模的工业生产和应用才有可能。
在行业中，为了产生我们需要的酶，其中大多数是在适当条件下含有营养素的液体培养基中培养的，以使微生物菌株生长和生产我们需要的酶。 这是发酵。 。 用于微生物发酵的容器通常称为发酵罐。 在生产工业酶时，大多数使用了20-50立方米的发酵罐。
为了产生酶，不仅可以使用任何微生物，而且只能使用具有高产能力的微生物，并且可以使用长期进行了严格的选择和研究。 因此发酵必须使用“纯种”。 如果其他微生物在发酵过程中进入发酵罐，它们也将迅速生长，这在发酵行业中被称为“污染”。 在温和的情况下，酶的生产将大大减少，在严重的情况下，将无法获得，导致产量失败。 一旦发生污染，损失将是巨大的。 因此，发酵行业的无污染控制非常非常重要。
为了确保不污染，在发酵之前需要对整个设备和发酵培养基进行蒸汽加热和消毒，以杀死所有现有的微生物。 用于发酵的空气还必须通过严格的过滤和灭菌系统，以确保进入发酵罐的空气不含微生物。 为了确保微生物生长和酶产生所需的条件，例如温度，氧，中等pH和营养素，发酵罐配备了各种附着的管道，阀，搅拌，搅拌，传感器和控制成分，用于测量温度，溶解氧，溶解的氧气，溶解的氧气，，，溶解的氧气pH值等，现代发酵罐可以通过计算机控制发酵过程的各种参数和条件。 为了使发酵均匀，增加培养基中引入的无菌空气的溶解速率，并增加培养基中的氧气浓度，需要搅拌。 发酵罐通常是双层的，并且水箱内有一个螺旋管，用于引入蒸汽用于加热和对设备和培养基进行消毒； 或引入热水进行加热和绝缘以保持发酵温度； 另外，发酵在强度时会产生热量，从而导致温度升高。 也可以将冷水传递给冷却和控制温度。 各种传感器可以随时检测温度，pH，溶解的氧气，输入的空气流量和压力，储罐中的压力，搅拌速度等。科学家的预研究。 某个控制程序控制发酵过程的各种参数，以使发酵过程保持最佳状态并获得高收率。
在工业中，用于产生淀粉酶的微生物称为枯草芽孢杆菌，这是一种细菌。 用于产生葡萄糖酰基酶的微生物称为尼日尔曲霉，这是一种真菌。 它们产生的酶不在细胞内，而是在发酵汤中释放。 因此，在发酵完成后，可以通过过滤或其他方法去除微生物细胞，以获得含有酶的发酵汤。 由于发酵汤中的酶浓度非常低，因此需要浓缩。 对于一般酶，由于它们非常细腻，因此当温度较高时，酶会失去活性，因此无法使用加热，蒸发和浓度的方法。 但是，由于淀粉酶和葡萄糖酰基酶具有良好的耐热性，因此在高真空条件下可以通过薄膜蒸发来浓缩它们。 由于酶液体在蒸发剂表面形成快速流动膜，因此酶液体仅在蒸发器中停留一两秒钟，并且由于真空的高度，水的沸点可以还原至50 -60°C不会导致大量酶失活。 现在，使用超滤技术将其集中在行业中已经越来越普遍。 超滤是一种膜分离技术。 膜有微小的毛孔。 孔的大小可以使小水分子通过，但是大的酶分子无法通过。 。 利用超滤膜的这种特性，稀酶溶液迅速流过超滤膜的表面，水流过膜孔，并截取酶，因此可以轻松浓缩酶溶液。 该方法不会引起明显的温度变化，不会引起酶灭活，并且浓缩酶产量很高。 浓缩酶溶液可直接使用或制成干粉。 最常用的方法是将硫酸铵或酒精添加到浓缩酶溶液中。 由于溶解度降低，该酶将从酶溶液中沉淀。 通过过滤获得沉淀物并干燥以获得固体酶制剂。 您还可以使用喷雾方法将酶溶液喷射到高速流动的热空气中以形成雾液。 由于液滴很小，因此水在热空气中迅速蒸发，将固体酶留在后面以进行干燥。 由于热空气的高速流动，热空气中的雾气液滴的停留时间非常短，并且酶在短时间内加热，并且通常不会失去活性。
通过酸方法产生葡萄糖的成本远低于酸方法，并且在行业中广泛使用。
12）如果将酶变成不溶的水会发生什么？
由于酶是蛋白质，因此它们很容易溶于水中。 它们也非常脆弱且不稳定，并且在正常条件下会逐渐失去活动。 使用时，因为它溶解在水中，即使反应完成后，大部分也不会停用。 因为它与反应产品混合，所以很难分离并且不能再利用以重复使用，并且很容易污染该产品。 当使用酶催化反应生产产品时，只能以“一锅，一锅”的方式进行。 生产一次使用然后扔掉的酶需要大量精力，这是非常浪费的。 以这种方式实现连续和自动化的生产也很困难。
尽管各种生物生物的细胞中有70％以上是水，但酶并不总是溶于细胞内的水，而是与细胞内的特定部分结合。 它们以“固定的”形式存在，可以以高效率催化各种反应。 因此，人们认为使用人工方法将酶“固定”酶在水不溶的固体材料上制备固定酶。 这样，在反应完成后，可以轻松地从反应溶液中取出酶并用于下一个反应。 固定的酶也可以安装在圆柱形柱状容器中，以使固定酶反应器使底物（反应剂）溶液从一端流入并在柱中反应，以控制一定的流速，从反应器足够长，可以进行全面反应，并且所得的产物从色谱柱的另一端流出。 这样，可以连续进行生产，并且可以轻松实现自动控制以达到更高的生产水平。
所谓的固定化是使用化学方法或吸附方法来含有酶或酶的细胞。 您还可以使用诸如棉花与沙子（技术称为嵌入方法）之类的方法，也可以将其安装在微渗透的膜中。 形成胶囊的方法使它们具有水不溶的颗粒。 固定后，可以大大改善酶的稳定性，能够承受周围环境变化的能力得到改善，并且可以保持其催化性能，从而使其易于使用，并为工业应用带来许多好处。
13）咀嚼慢慢带给人们的启蒙运动
我们每天都得吃饭。 吃蒸的面包和米饭时会感到甜蜜吗？ 如果您在吃饭时欣喜若狂，那您就不会感觉到。 只有在慢慢慢慢咀嚼时，您会感觉到它。 您咀嚼的时间越长，食物就会越甜。 这是为什么？ 实际上，蒸的面包和大米含有很多淀粉。 尽管它由葡萄糖组成，但由于分子太大而没有甜度。 在吃饭时咀嚼时，它与大量唾液融合在一起。 唾液中有一个淀粉酶，可以将一部分淀粉分解成由两个葡萄糖组成的甜麦芽糖，这是我们经常吃的关东糖的主要成分。 因此，仔细咀嚼大米不仅会使您感到甜蜜，而且有助于消化。 实际上，食物的消化始于咀嚼口中并与唾液混合。 食物进入胃后，在唾液淀粉酶和胃中其他可能分解淀粉的酶的联合作用下，淀粉最终被分解为葡萄糖，然后可以被人体使用。 吸收。
在自然界中，我们人类不仅具有分泌淀粉分解的酶，而且其他动物，植物和微生物也可以分泌这些酶。 因为这些生物还需要将淀粉中的淀粉分解成葡萄糖，以满足其生活活动的需求； 微生物可以分泌多种淀粉分解的酶。 一种是从中间分解淀粉分子链，形成由几个葡萄糖组成的寡核苷酸。 糖淀粉酶，另一种是葡萄糖淀粉酶，从寡糖的一端分解葡萄糖。 当他们分解淀粉时，他们就像两个有密切合作的人。 一个首先将长链淀粉切成短，另一个将短链分解为葡萄糖。 微生物依赖于周围环境中分泌的这两种酶，并且环境中的淀粉被分解为葡萄糖以提供微生物本身。 我们人类使用微生物的两种酶在大型行业中产生葡萄糖。
我们知道，葡萄糖不仅在食品和饮料中广泛使用，而且还营救了医院的患者，以增加患者的营养并改善身体健康。 葡萄糖的较大应用是在抗生素，谷氨酸单钠，氨基酸，维生素C，有机酸，乙醇，丙酮等的工业生产中作为原料。 世界每年都需要数千万的葡萄糖。 因此，葡萄糖的生产是许多行业的基础。
14）有两种产生葡萄糖的方法。 你觉得什么好？
在1960年代之前，通过在100°C以上的温度下使用盐酸生产大型葡萄糖的工业生产，因为所需的温度超过100°C，因此需要密封酸水解的反应器，以使压力达到压力。大气压并使温度超过100°C。盐酸是一种非常酸性的酸性，具有强腐蚀作用，这需要生产中用于抵抗高压和酸腐蚀的容器。 此外，当酸水解淀粉会产生大量的深色杂质，以获取白色和合格的葡萄糖时，您必须多次使用活性碳才能在生产中多次进行多次生产。 醉酒，通过离子交换的盐交换，将在脱色和撒生的过程中消除一些葡萄糖，从而造成产品损失。 这些缺点促使人们找到新的葡萄糖生产方法。
1960年代后，使用淀粉酶和葡萄糖淀粉酶水解淀粉来产生葡萄糖以实现工业化。 首先，必须将淀粉制成30š„淀粉糊，将少量的淀粉酶溶液与淀粉酱混合，并且反应在约90℃时反应。 ，将淀粉分子链切成带有短链的先锋或寡糖。 此步骤称为“液化”。 将温度降低至60°C，添加葡萄糖淀粉酶溶液葡萄糖。 水解反应完成后，加热会导致酶丢失，然后添加活性碳吸附少量产生的非有产质物质并去除颜色。 加热糖液并蒸发水分。 产品。
微生物产生的两种酶与盐酸盐水的水解完全不同。 酶方法是在中立，正常压力和相对较低温度的条件下进行的。 无需使用耐压和腐蚀设备，生产中消耗的煤炭和电力较少。 由于酶水解的条件是温和的，因此不会产生大量的非彩色物质，并且很容易获得高质量的葡萄糖产物。 由于这些原因，使用酶产生葡萄糖的成本远低于酸方法的成本，并且已在工业中广泛使用。
15）葡萄糖变甜
葡萄糖通常用作食物或饮料的甜味剂，因为它不够甜。 现在，您可以通过酶工程方法将葡萄糖变成高果糖葡萄糖糖浆。 它的甜度类似于我们经常吃的棉白糖。 不仅如此，因为它具有良好的吸水性，因此用它制成的糕点柔软，精致，味道好，甜和甜。 目前，我所在的国家每年生产成千上万吨的水果糖浆，主要用于糕点和饮料。
有一种称为插入细菌的微生物，可以产生葡萄糖酶。 它的能力是将葡萄糖变成果糖。 为了产生高果葡萄糖糖浆，需要先固定葡萄糖同工酶，并将即将包含在酶中的动员细菌细胞包裹在含水的胶粒中，或将固体颗粒混合在固定细胞中或固定中或固定酶，在圆柱型反应器中加载的葡萄糖溶液连续通过固定细胞或固定酶的酶反应器。 流动的反应器转化为果糖。 极度蔗糖。 这样，将其低甜度的甜葡萄糖转化为具有高甜度的产品，并扩大了应用的范围。 目前，该技术与葡萄糖生产技术相结合，淀粉的原材料与原材料一样。 重要的高科技行业。
16）现在，洗衣服与酶密不可分
您可能不相信这一点，让我告诉您。 穿着很长时间后，衣服将被盗。 被盗偷窃的原因可能是由于长时间出汗或接触身体。 灰尘落在空中； 可能是因为他们意外吃食物或水果，在衣服上撒上食物和果汁。 结束或其他原因。 这些被盗的东西主要是蛋白质，脂肪灰尘和果胶。 混合后，它们牢固地粘在衣服上。 如果您只使用单个洗衣粉，则不能完全洗净。 就像1960年代和1970年代的洗衣粉一样，使用量很大，衣服不能清洁。 白色的衣服变成了灰色，鲜艳的色彩变黑了。 如果您不相信，您可以询问父母或祖父母。
当前的洗衣粉不一样。 使用量不仅大大减少了，而且衣服也被清洁，颜色明亮。 这是因为将酶添加到洗衣粉中。 在洗衣粉中添加的酶主要是碱性蛋白酶，脂肪酶，甚至其中一些添加了纤维素，果胶酶等。它们的作用是将蛋白质，油腻，果汁等分解成偷来的货物中。水，使灰尘不能牢固地粘附在纤维上，洗涤时水从衣服上流出。 返回洗涤。
但是，如果将酶直接添加到洗衣粉中，则将不起作用。 由于洗衣粉是非常碱性的，因此洗涤粉的主要成分会迅速杀死酶，从而导致酶损失活性，并且无法实现分解被盗商品的目的。 因此，在研究和选择酶时，我们必须首先选择具有良好碱性耐受性和污水的酶，然后填充酶。
所谓的包装是将酶变成颗粒。 这个粒子不是一个简单的粒子。 它由6-7层组成。 颗粒的核心是中性盐，例如硫酸钠，带有氯化钠的小颗粒，并用多种保护剂，溶剂，稳定剂，酶，酶，稳定剂，溶剂，溶剂，保护剂，保护剂和其他多个水平使外部包裹在外部中密切保护的酶，防止酶直接与其他洗衣粉成分接触，从而导致酶失去工作。 它还起着稳定的作用，以确保酶在使用洗衣粉之前可以保持活性。 洗涤时，酶可以快速溶解，它们在洗涤过程中充分发挥作用。 这种多层颗粒的制造需要特殊的技术和设备来使用形成颗粒的各种组件的喷雾方法。 在热量的热量下，在颗粒的核心上逐层喷涂层，形成多层层颗粒的多层层。 以这种方式制备的颗粒酶可确保洗涤粉的高质量和洗涤效果。
17）酶也可以用于诊断疾病
糖尿病是一种危害人类健康的相对常见疾病。 在人群中，在某些地区的发生率为2-3¼ - 7欧元的发病率属于具有胰岛素依赖性的糖尿病患者。 由于胰腺或绝缘症的病变，体内的胰岛素水平会导致胰岛素水平低，因此食物中淀粉消化产生的葡萄糖无法及时转化为糖元，并储存在肝脏中。 肌肉和其他器官使用葡萄糖能力的能力将降低。 在血液中，通过肾脏时会排出尿液。 糖尿病患者的尿液中葡萄糖含量很高，渴了，尿液，严重的腿和脚浮肿，盲目的眼睛，肾衰竭和威胁生命。
从糖尿病的历史中，可以看到科学和技术进步对医学的影响。 在19世纪之前，无法诊断糖尿病。 它只能采用患者的尿液味道，因为糖尿病患者的尿液中含有大量葡萄糖，这很甜。 我们可以想象，这种方法是多么不卫生和不可接受。 后来，随着有机化学的发展，出现了硫酸铜和尿液的使用。 如果尿液含有葡萄糖，它将产生红色沉淀。 此方法只能测试是否患有糖尿病，而不是多种疾病。 将来，可以检测到葡萄糖量的化学定量方法，并在1960年代继续使用它。 尽管方法得到改善，但尿液中的其他物质有时会干扰确定结果，这影响了这些方法的正确性。
由于发现了葡萄糖氧化酶和大量微生物生产技术的成熟度，因此尿液和血液中的葡萄糖方法已经发生了根本变化。 葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化，消耗氧，产生葡萄糖酸和过氧化氢（它是过氧化氢的主要成分）。 过氧化氢的氧化还原性能很强，可以使某些染料改变颜色。 使用此原理来开发葡萄糖氧化酶试剂盒可以直接确定血液和尿液中的葡萄糖量。 由于仅葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化，因此任何其他物质都不会影响和干扰测量。 该技术很快应用于糖尿病的临床检查，该检查快速准确。 之后，开发了该原理，并开发了快速测量的尿糖测试条。 只要测试条浸入尿液中，一分钟后测试带就会变色。 与带有不同颜色的标准颜色板相比，您可以知道尿液可以知道尿液。 液体中葡萄糖的粗糙含量。 这种直观而简单的方法为患者在家中检测而创造了条件。
在1980年代，由于酶工程技术的发展，尤其是生物传感器的开发，它为临床测试提供了更方便，更快的技术手段。 首先，将葡萄糖氧化酶固定在膜上，包裹固定的葡萄糖氧化酶膜在确定溶液的酸和碱的pH电极上，然后将其放入含有葡萄糖的溶液中。 pH电极表面的pH变化，可以快速确定pH电极。 由于产生的葡萄糖酸的量，葡萄糖浓度的量与葡萄糖的浓度有关。 该仪器可以快速计算溶液中的葡萄糖含量。 酶膜也可以覆盖在溶液中氧浓度的可溶性氧电极上，因为当葡萄糖氧化时应消耗溶液中的氧气，并且氧浓度的变化被氧电极快速测量。 由于氧的消耗与葡萄糖的浓度有关，因此该仪器可以轻松计算葡萄糖的浓度。 这种测量方法更快，更简单。 只要将酶电极放置在要测试的溶液中，就可以快速读取仪器中的葡萄糖浓度或含量。
由于酶电极微型化技术的发展，可以在注射针上使用酶电极。 随着电子线条和数字显示的微型化，注射器可以具有确定血糖的功能。 此时吸入注射器中的胰岛素后，将确定出血葡萄糖的量，以及应向患者注入多少胰岛素。 护士只需要根据注射器上显示的数量注入护士即可完成给患者的治疗。 诊断和治疗的整合确保了治疗的质量和节省的时间。
随着半导体制造技术和微型技术的发展，可以很快实现监测，诊断和治疗。 使用半导体制造技术，可以将酶电极放置在半导体的硅膜控制线上，并同时与微型注射和存储系统结合使用，以形成具有血糖测量和胰岛素注射和控制的微型系统。 它可以将其埋在糖尿病患者的皮肤下，以随时监测患者的血糖水平。 一旦血糖高于正常人的水平，它将自动在患者的血液中注入适当量的胰岛素，以使患者的胰岛素和血液中的葡萄糖量保持正常。 让糖尿病患者可以像普通人一样工作和生活。 这样的微型系统监测和治疗综合的系统可以长时间工作，并根据情况定期替换它，这不会给患者带来任何不便和痛苦。
18）从水上“攀登”的酶在“土地”上
从了解酶的开始到1980年代，在过去的一个世纪中，人们一直认为酶只能催化其在水中的反应，而有机溶剂只能引起酶的变性和损失。 因此，教师反复警告教科书和实验室的学生不要使酶接触有机溶剂。 研究证明，这种传统概念需要适当地改变。
在研究可以将脂肪（脂肪）催化为水解和脂肪酸的脂肪酶时，发现如果将酶放置在根本不能用水的有机溶剂中甘油和脂肪酸成脂肪。 也就是说，水中的脂肪酶可以催化脂肪的水解反应，并可以催化有机溶剂中脂肪的合成反应。 这一发现激起了人们的极大兴趣，呼唤酶从水“到“土地”）攀登。 因为这就像陆生动物在泥泞动物的泥盆中的生物进化中的意义一样，它具有时期的意义。 结果，它已成为酶工程的研究热点。
大量的研究证明，大多数水在干燥后损失，但是仍将保留酶分子结构的水。 它们被称为结构性水，是最小限量版的酶，具有最小的催化活性极限。 这样，干酶在有机溶剂中具有更好的稳定性，可以忍受更高的温度，有些人无法在90°C以下损失的情况下工作，并且它们的催化活性比水中的数十倍。 有机溶剂中酶的性能与水的情况完全不同。 这些特征是酶奠定基础的新应用。 现在，人们使用酶来催化有机溶剂中反应的特征，以合成各种有机化合物，并解决许多通过化学合成难以解决的问题。
这里介绍的只是酶工程的一小部分。 还可以看出，酶工程的范围涉及非常广泛的范围。 可以预期，随着深度研究的进一步，酶工程将具有更广泛，更好的前景。