微生物酶資源的開發和利用

繆曉平 鄧開野

摘要:簡述了開發酶制劑新品種的重要性和有利條件,以及微生物酶資源的開發和應用進展,展望了微生物酶資源開發的發展前景。

關鍵詞:微生物;酶工程;工業酶制劑

中圖分類號:Q814.9文獻標識碼:ADOI編碼: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

近年來,酶工程的研究開發和推廣利用已成為生物技術中的重要領域。作為生物技術的一個重要組成部分,它可以廣泛應用于工業、醫藥、農業、環境保護、化學分析、新能源開發以及生命科學理論研究等許多方面。隨著酶工程研究的快速發展,與之相對應的酶工程產業的發展也非常迅速,成為21世紀最具有發展前途的產業之一[1]。自然界中酶的來源廣泛,它可以來自動物、植物和微生物。迄今已發現的酶有5 000余種,其中已經利用的有150種左右,工業化生產的酶約60余種,僅占已知酶的1.2%,而大規模生產的只有20多種,主要是利用微生物通過發酵法生產的。微生物繁育速度快、品種繁多、易培養、產量高,并且一般由動植物生產的酶大部分可以由微生物制備,或將動植物的酶基因克隆后,在微生物細胞中表達,故可以在短時間內生產大量酶制劑。所以,微生物是生產酶的重要來源,對微生物酶資源的開發和應用也就顯得越來越重要[2-5]。

1開發酶制劑新品種的重要性和有利條件

目前,作為生物技術重要組成部分的酶工程已在國民社會經濟中發揮了巨大作用,酶制劑工業得到了迅速發展,廣泛地應用在食品、釀造、紡織、制革、造紙、醫學、畜牧、日化和環境保護等諸多行業中。縱覽當今世界的酶制劑工業研究和發展動向,主要表現在國外酶制劑公司的兼并重組,酶制劑工業的發展具有壟斷化趨勢,加以大量資源投入,大力開發、研制新酶種和新用途,并應用高新技術生產酶制劑。而中國的酶制劑行業與發達國家相比,還存在著很大差距,在技術方面表現為:酶的品種少,菌種選育和發酵水平低以及新技術、新產品、新應用領域研究開發滯后等。為使中國酶制劑工業得以健康、持續、快速的發展,盡快適應國民經濟發展的需要,必須加大科技和生產投入,積極推廣新技術、新工藝,提高酶的質量,擴大酶的品種范圍,加大微生物產酶新菌種的開發,以期對酶產品結構進行調整。同時,新的酶品種開發和應用大多屬于自我創新,擁有自主知識產權,有利于推動中國酶制劑行業的高速發展。

中國具有微生物酶新品種開發得天獨厚的有利條件。中國微生物資源豐富,從陸生、海洋到極端環境中都可以獲得大量產酶微生物菌種,從而發現、研制和開發新酶種。此外,還擁有歷史悠久的固態發酵技術,這為酶的生產打下了良好基礎,再加上新科學、新技術的推廣應用,如基因工程、蛋白質工程和定向進化(directed evolution)技術以及其他各種高新技術等均可在新酶種開發中應用。

自然界中蘊藏著巨大的微生物資源,它們散布于整個地球的各個角落,而且在不同的環境下生存的微生物都有其完全不同的代謝方式,能分解利用不同的底物。這一特征就為微生物酶品種的多樣性提供了物質基礎。特別是當基因工程介入時,動植物細胞中存在的酶,幾乎都能夠利用微生物細胞獲得。因此,有計劃和仔細地篩選微生物菌種,通常可以獲得能夠生產幾乎任何一種酶的適當菌株[8]。

土壤和海水這兩大類資源寶庫的開發具有重要意義。我們可以從土壤、腐木篩選相應的產酶微生物,從污水中篩選各種能夠產生分解糖類、脂類、蛋白質、纖維素、木質素、環烴、芳香物質、有機磷農藥、氰化物及某些人工合成的聚合物酶的微生物。在極端環境可篩選嗜熱微生物、嗜堿微生物、嗜鹽微生物、嗜酸微生物、耐高壓微生物等,并開發極端微生物酶品種。此外,還應加大海洋微生物分離鑒定工作,建立微生物培養體系和相關酶活力測定手段和方法,探索新的酶種[6,7]。

2微生物酶的開發

2.1微生物酶開發的一般程序

微生物酶開發的流程程序如下所示。

2.2最佳產酶條件的初步確定

2.2.1培養方法的選擇培養方法的選擇從未來生產的成本、原料來源、生產工藝等一些因素出發,初定一個適合的培養方式。

2.2.2最佳培養條件的選擇在確定了培養方式之后,還必須確定最佳的培養條件。培養條件包括培養基中關鍵成分的用量、碳氮比、培養溫度、pH等,最佳培養條件的確定可以通過單因素考查,正交試驗或響應曲面分析等手段進行。

2.2.3微生物酶收集的時間選擇酶的產生和積累發生在菌體生活周期中的某一個階段,隨著各菌種和酶的不同有很大變化。除了延遲期外,在生長周期的任何一個階段,都可以大量出現所需要的酶。在某些情況下,胞外酶在對數生長期的早期就開始出現了,并且在以后的幾個階段中繼續增加數量。胞內酶可能主要產生于對數生長期。但是,只有在衰亡期,當細胞被溶解時才釋放到培養基中,因此,通常在對數生長期的末期收集細胞以回收胞內酶最為合適。

2.3微生物酶的提取

2.3.1酶的粗提工業生產上用到的微生物酶一般用量都很大,純度要求也不很高。如果待開發的酶是工業用途的話,則提取方法可以比較粗放。具體的提取流程如下:

2.3.2酶精制的一般流程粗提酶液→脫鹽→濃縮→凝膠干燥→ 分離→ 純化→ 酶的結晶

3微生物酶的應用

用微生物生產的商業化酶已有100余種,但產量大、應用廣、經濟效益高的酶品種主要是各種分解酶,基因工程工具酶日新月異的進步也從根本上改變了人們的生活。

3.1微生物酶在乳制品生產中的應用

乳制品的種類很多,這里主要談一下微生物酶在干酪和低乳糖牛乳生產中的應用。

3.1.1干酪在干酪生產中需要大量的凝乳酶,凝乳酶本由犢牛第四胃中提取,現在犢牛數量減少,凝乳酶的供應發生了問題,因此,改用日本有馬啟教授的毛霉凝乳酶以代替牛凝乳酶者日益增多,毛霉凝乳酶的消費量約占凝乳酶總消費量的60%～70%。有馬啟教授的學生別府輝彥采用基因重組的方法構建凝乳酶產生菌已告成功。據悉,凝乳酶基因菌已獲美國批準,可以用于干酪生產[9]。

3.1.2低乳糖牛奶牛奶中含有乳糖,其發熱量占全乳的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過程中的析出,又增加了甜度。如果給嬰兒食用,既有利于消化,又可防止腹瀉等牛奶過敏性反應。

3.2微生物酶在肉蛋制品生產中的應用

3.2.1肉類的嫩化肉類中存在著一定數量的膠原蛋白,膠原蛋白交聯的數目和強度隨著動物年齡的增加而提高,從而導致肉類質量下降,而利用蛋白水解酶類可以把膠原蛋白部分水解成氨基酸,從而使肉類嫩化。現在研究證明,不僅可以利用表面處理浸漬法處理宰后的肉體,而且可以在宰前向動物血管內注射霉菌蛋白酶,使蛋白酶隨血液循環分布到肌肉中去,直接達到肉質嫩化的效果。

3.2.2蛋白片的制造新鮮的雞蛋清中含有0.5%的葡萄糖,可使蛋白片成品在貯存過程中發生美拉德反應引起褐變,使產品色澤加深,蛋白溶解度降低,并有不愉快的氣味。過去用自然發酵法除去葡萄糖,產品容易變臭,現在利用點青霉深層發酵制得的葡萄糖氧化酶脫糖,則生產周期縮短,產品質量也得到提高。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,工業利用過氧化氫酶分解雙氧水供給所需氧氣[10]。

4未來展望——極端環境微生物酶的開發

微生物酶的工業化生產雖不過半個世紀,卻在眾多產業部門創造了巨大的財富,而且也正因為有了微生物生產的廉價酶,才使得許多過去無法做得到的事情得以實現。可以說,微生物是當今酶工業的主角,酶產業是微生物資源開發成效卓著的產業之一。

但是,隨著微生物酶工作的不斷進步,如今要開發出好的酶產品,難度要比過去大多了。目前要面對兩個基本任務:(1)繼續從天然的微生物資源中去篩選,開發新的酶產品和產酶菌種;(2)要積極利用基因工程技術來提高、改造新的或現有的酶生產菌的生產性能。從這兩點出發,我們可以看出,有一個很特別的微生物領域很值得我們去工作,這就是極端環境微生物酶的研究。在過去,這個領域由于技術手段的限制,不能對其進行深入的研究。而今,以日臻完善的科技技術為后盾,將會有越來越多的研究成果出自于這個領域。可以預料,未來的微生物酶研究和開發將會以此為一個突破口,極端環境微生物酶的研究必將成為酶學研究新酶資源開發的一個方向[11]。

參考文獻:

[1] 張生方.食品加工業中酶的應用與開發[J].四川食品與發酵,2001(1):7-9.

[2] 姜錫瑞,黃新宇.酶制劑和食品工業[J].中國食品添加劑,1998(3):33-36.

[3] 胡學智.國內外酶制劑工業及其應用[J].工業微生物,2001,31(3):41-46.

[4] 尤新.積極開拓酶制劑的應用領域[J].中國食品添加劑,2001(2):1-5.

[5] 周秀琴.食品工業酶的應用現狀[J].發酵科技通訊,2000(3):40-45.

[6] 潘仁瑞,吳克.微生物酶資源的開發和利用(上)[J].合肥學院學報,2005,15(1):7-10.

[7] 賀宏年,盧大新.農產食品生物技術應用前景初探[J].中國農學通報,2001,17(2):67-70.

[8] 劉慧.現代食品微生物學[M].北京:中國輕工業出版社,2006.

[9] 薛凡,田青.微生物酶在食品工業中的應用[J].杭州食品科技,I996(4):14-17.

[10] 鄧紫筠.微生物在食品工業中的應用[J].農業與技術,2006,26(2):91-95.

[11] 江漢湖.食品微生物學[M].北京:中國農業出版社,2005.