微生物酶资源的开发和利用

缪晓平 邓开野

摘要:简述了开发酶制剂新品种的重要性和有利条件,以及微生物酶资源的开发和应用进展,展望了微生物酶资源开发的发展前景。

关键词:微生物;酶工程;工业酶制剂

中图分类号:Q814.9文献标识码:ADOI编码:10.3969/j.issn.1006-6500.2009.06.003

Development and Application of Microbial Enzyme Resource

MIAO Xiao-ping, DENG Kai-ye

(College of Light Industry and Food Technology, Zhongkai University of Agricultural and Engineering, Guangzhou 510225, China)

Abstract:In this article, the importance and practical conditions of novel enzyme production, and development and application of microbial enzyme resource were reviewed. The future of microbial enzyme resource was finally prospected.

Key words:microorganisms;enzyme engineering;industrial enzyme production

近年来,酶工程的研究开发和推广利用已成为生物技术中的重要领域。作为生物技术的一个重要组成部分,它可以广泛应用于工业、医药、农业、环境保护、化学分析、新能源开发以及生命科学理论研究等许多方面。随着酶工程研究的快速发展,与之相对应的酶工程产业的发展也非常迅速,成为21世纪最具有发展前途的产业之一[1]。自然界中酶的来源广泛,它可以来自动物、植物和微生物。迄今已发现的酶有5 000余种,其中已经利用的有150种左右,工业化生产的酶约60余种,仅占已知酶的1.2%,而大规模生产的只有20多种,主要是利用微生物通过发酵法生产的。微生物繁育速度快、品种繁多、易培养、产量高,并且一般由动植物生产的酶大部分可以由微生物制备,或将动植物的酶基因克隆后,在微生物细胞中表达,故可以在短时间内生产大量酶制剂。所以,微生物是生产酶的重要来源,对微生物酶资源的开发和应用也就显得越来越重要[2-5]。

1开发酶制剂新品种的重要性和有利条件

目前,作为生物技术重要组成部分的酶工程已在国民社会经济中发挥了巨大作用,酶制剂工业得到了迅速发展,广泛地应用在食品、酿造、纺织、制革、造纸、医学、畜牧、日化和环境保护等诸多行业中。纵览当今世界的酶制剂工业研究和发展动向,主要表现在国外酶制剂公司的兼并重组,酶制剂工业的发展具有垄断化趋势,加以大量资源投入,大力开发、研制新酶种和新用途,并应用高新技术生产酶制剂。而中国的酶制剂行业与发达国家相比,还存在着很大差距,在技术方面表现为:酶的品种少,菌种选育和发酵水平低以及新技术、新产品、新应用领域研究开发滞后等。为使中国酶制剂工业得以健康、持续、快速的发展,尽快适应国民经济发展的需要,必须加大科技和生产投入,积极推广新技术、新工艺,提高酶的质量,扩大酶的品种范围,加大微生物产酶新菌种的开发,以期对酶产品结构进行调整。同时,新的酶品种开发和应用大多属于自我创新,拥有自主知识产权,有利于推动中国酶制剂行业的高速发展。

中国具有微生物酶新品种开发得天独厚的有利条件。中国微生物资源丰富,从陆生、海洋到极端环境中都可以获得大量产酶微生物菌种,从而发现、研制和开发新酶种。此外,还拥有历史悠久的固态发酵技术,这为酶的生产打下了良好基础,再加上新科学、新技术的推广应用,如基因工程、蛋白质工程和定向进化(directed evolution)技术以及其他各种高新技术等均可在新酶种开发中应用。

自然界中蕴藏着巨大的微生物资源,它们散布于整个地球的各个角落,而且在不同的环境下生存的微生物都有其完全不同的代谢方式,能分解利用不同的底物。这一特征就为微生物酶品种的多样性提供了物质基础。特别是当基因工程介入时,动植物细胞中存在的酶,几乎都能够利用微生物细胞获得。因此,有计划和仔细地筛选微生物菌种,通常可以获得能够生产几乎任何一种酶的适当菌株[8]。

土壤和海水这两大类资源宝库的开发具有重要意义。我们可以从土壤、腐木筛选相应的产酶微生物,从污水中筛选各种能够产生分解糖类、脂类、蛋白质、纤维素、木质素、环烃、芳香物质、有机磷农药、氰化物及某些人工合成的聚合物酶的微生物。在极端环境可筛选嗜热微生物、嗜碱微生物、嗜盐微生物、嗜酸微生物、耐高压微生物等,并开发极端微生物酶品种。此外,还应加大海洋微生物分离鉴定工作,建立微生物培养体系和相关酶活力测定手段和方法,探索新的酶种[6,7]。

2微生物酶的开发

2.1微生物酶开发的一般程序

微生物酶开发的流程程序如下所示。

2.2最佳产酶条件的初步确定

2.2.1培养方法的选择培养方法的选择从未来生产的成本、原料来源、生产工艺等一些因素出发,初定一个适合的培养方式。

2.2.2最佳培养条件的选择在确定了培养方式之后,还必须确定最佳的培养条件。培养条件包括培养基中关键成分的用量、碳氮比、培养温度、pH等,最佳培养条件的确定可以通过单因素考查,正交试验或响应曲面分析等手段进行。

2.2.3微生物酶收集的时间选择酶的产生和积累发生在菌体生活周期中的某一个阶段,随着各菌种和酶的不同有很大变化。除了延迟期外,在生长周期的任何一个阶段,都可以大量出现所需要的酶。在某些情况下,胞外酶在对数生长期的早期就开始出现了,并且在以后的几个阶段中继续增加数量。胞内酶可能主要产生于对数生长期。但是,只有在衰亡期,当细胞被溶解时才释放到培养基中,因此,通常在对数生长期的末期收集细胞以回收胞内酶最为合适。

2.3微生物酶的提取

2.3.1酶的粗提工业生产上用到的微生物酶一般用量都很大,纯度要求也不很高。如果待开发的酶是工业用途的话,则提取方法可以比较粗放。具体的提取流程如下:

2.3.2酶精制的一般流程粗提酶液→脱盐→浓缩→凝胶干燥→ 分离→ 纯化→ 酶的结晶

3微生物酶的应用

用微生物生产的商业化酶已有100余种,但产量大、应用广、经济效益高的酶品种主要是各种分解酶,基因工程工具酶日新月异的进步也从根本上改变了人们的生活。

3.1微生物酶在乳制品生产中的应用

乳制品的种类很多,这里主要谈一下微生物酶在干酪和低乳糖牛乳生产中的应用。

3.1.1干酪在干酪生产中需要大量的凝乳酶,凝乳酶本由犊牛第四胃中提取,现在犊牛数量减少,凝乳酶的供应发生了问题,因此,改用日本有马启教授的毛霉凝乳酶以代替牛凝乳酶者日益增多,毛霉凝乳酶的消费量约占凝乳酶总消费量的60%～70%。有马启教授的学生别府辉彦采用基因重组的方法构建凝乳酶产生菌已告成功。据悉,凝乳酶基因菌已获美国批准,可以用于干酪生产[9]。

3.1.2低乳糖牛奶牛奶中含有乳糖,其发热量占全乳的30%左右。在乳制品中加入乳糖酶之后,使乳糖分解,生成葡萄糖和半乳糖,既避免了乳糖在加工过程中的析出,又增加了甜度。如果给婴儿食用,既有利于消化,又可防止腹泻等牛奶过敏性反应。

3.2微生物酶在肉蛋制品生产中的应用

3.2.1肉类的嫩化肉类中存在着一定数量的胶原蛋白,胶原蛋白交联的数目和强度随着动物年龄的增加而提高,从而导致肉类质量下降,而利用蛋白水解酶类可以把胶原蛋白部分水解成氨基酸,从而使肉类嫩化。现在研究证明,不仅可以利用表面处理浸渍法处理宰后的肉体,而且可以在宰前向动物血管内注射霉菌蛋白酶,使蛋白酶随血液循环分布到肌肉中去,直接达到肉质嫩化的效果。

3.2.2蛋白片的制造新鲜的鸡蛋清中含有0.5%的葡萄糖,可使蛋白片成品在贮存过程中发生美拉德反应引起褐变,使产品色泽加深,蛋白溶解度降低,并有不愉快的气味。过去用自然发酵法除去葡萄糖,产品容易变臭,现在利用点青霉深层发酵制得的葡萄糖氧化酶脱糖,则生产周期缩短,产品质量也得到提高。在32 ℃下,每60 kg蛋白中加入50 g葡萄糖氧化酶,蛋白中的葡萄糖就可以完全被氧化成葡萄糖酸。由于葡萄糖化需要氧,工业利用过氧化氢酶分解双氧水供给所需氧气[10]。

4未来展望——极端环境微生物酶的开发

微生物酶的工业化生产虽不过半个世纪,却在众多产业部门创造了巨大的财富,而且也正因为有了微生物生产的廉价酶,才使得许多过去无法做得到的事情得以实现。可以说,微生物是当今酶工业的主角,酶产业是微生物资源开发成效卓著的产业之一。

但是,随着微生物酶工作的不断进步,如今要开发出好的酶产品,难度要比过去大多了。目前要面对两个基本任务:(1)继续从天然的微生物资源中去筛选,开发新的酶产品和产酶菌种;(2)要积极利用基因工程技术来提高、改造新的或现有的酶生产菌的生产性能。从这两点出发,我们可以看出,有一个很特别的微生物领域很值得我们去工作,这就是极端环境微生物酶的研究。在过去,这个领域由于技术手段的限制,不能对其进行深入的研究。而今,以日臻完善的科技技术为后盾,将会有越来越多的研究成果出自于这个领域。可以预料,未来的微生物酶研究和开发将会以此为一个突破口,极端环境微生物酶的研究必将成为酶学研究新酶资源开发的一个方向[11]。

参考文献:

[1] 张生方.食品加工业中酶的应用与开发[J].四川食品与发酵,2001(1):7-9.

[2] 姜锡瑞,黄新宇.酶制剂和食品工业[J].中国食品添加剂,1998(3):33-36.

[3] 胡学智.国内外酶制剂工业及其应用[J].工业微生物,2001,31(3):41-46.

[4] 尤新.积极开拓酶制剂的应用领域[J].中国食品添加剂,2001(2):1-5.

[5] 周秀琴.食品工业酶的应用现状[J].发酵科技通讯,2000(3):40-45.

[6] 潘仁瑞,吴克.微生物酶资源的开发和利用(上)[J].合肥学院学报,2005,15(1):7-10.

[7] 贺宏年,卢大新.农产食品生物技术应用前景初探[J].中国农学通报,2001,17(2):67-70.

[8] 刘慧.现代食品微生物学[M].北京:中国轻工业出版社,2006.

[9] 薛凡,田青.微生物酶在食品工业中的应用[J].杭州食品科技,I996(4):14-17.

[10] 邓紫筠.微生物在食品工业中的应用[J].农业与技术,2006,26(2):91-95.

[11] 江汉湖.食品微生物学[M].北京:中国农业出版社,2005.