酶制劑的特點(diǎn)、設(shè)備選型與新發(fā)展

鄒東恢，郭建華

（齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006）

酶制劑的特點(diǎn)、設(shè)備選型與新發(fā)展

鄒東恢，郭建華

（齊齊哈爾大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161006）

近幾年，隨著酶制劑加工業(yè)的發(fā)展，酶制劑加工設(shè)備也獲得了顯著的提高，酶制劑加工設(shè)備向著大型化、自動(dòng)化發(fā)展，新型酶制劑加工設(shè)備得以涌現(xiàn)和發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的變化。論述我國(guó)酶制劑特點(diǎn)及加工設(shè)備選型，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

酶制劑；特點(diǎn)；設(shè)備選型；新發(fā)展

全國(guó)酶制劑生產(chǎn)企業(yè)有100多家，2014年我國(guó)酶制劑總產(chǎn)量達(dá)1.17×106t，年產(chǎn)量增長(zhǎng)保持在10%左右[1-2]。品種繁多，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到重要作用，為其應(yīng)用行業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。如谷氨酸發(fā)酵原料采用雙酶法糖化代替酸法糖化，糖化得率提高10%。檸檬酸發(fā)酵使用高溫淀粉酶液化后，轉(zhuǎn)化率比原來(lái)提高了4.3%。酒精工業(yè)使用高溫淀粉酶和糖化酶代替曲法生產(chǎn)后，酒精產(chǎn)率大幅度提高。啤酒生產(chǎn)中采用外加酶制劑后，出酒率提高了2%以上。

工業(yè)上酶的生產(chǎn)方法可分為提取分離法、生物合成法和化學(xué)合成法等3種。提取分離法是最早采用而延用至今的，生物合成法是20世紀(jì)50年代以來(lái)酶生產(chǎn)的主要方法，化學(xué)合成法技術(shù)僅停留在實(shí)驗(yàn)階段，未能工業(yè)化生產(chǎn)。

盡管全球的工業(yè)酶制劑市場(chǎng)仍然被丹麥諾維信、美國(guó)杜邦和荷蘭帝斯曼等公司壟斷，我國(guó)酶制劑市場(chǎng)份額在全球所占比重較小，但隨著我國(guó)一些新建酶制劑項(xiàng)目相繼建成投產(chǎn)，我國(guó)酶制劑的產(chǎn)能和競(jìng)爭(zhēng)力有望得到進(jìn)一步提升。

1 酶制劑的特性

酶的工業(yè)化制劑稱(chēng)為酶制劑。根據(jù)國(guó)際生物化學(xué)聯(lián)合委員會(huì)針對(duì)酶的分類(lèi)，可以把酶分成六大類(lèi)，即氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、裂合酶類(lèi)、異構(gòu)酶類(lèi)、合成酶類(lèi)。

目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的酶有幾十種，工業(yè)中應(yīng)用的酶多數(shù)為水解酶類(lèi)，如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、果膠酶、核糖核酸酶及纖維素酶等[3]，酶的主要特性如下。

1.1 酶的化學(xué)特性

酶是一種生物催化劑，生物體內(nèi)各種生化反應(yīng)幾乎都是在酶的催化作用下進(jìn)行的。由于酶是由生物體產(chǎn)生的具有活性的蛋白質(zhì)，所以它可高效，專(zhuān)一地催化特定的化學(xué)反應(yīng)，并具有反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)產(chǎn)物容易純化等優(yōu)點(diǎn)。酶反應(yīng)耗能低、污染小、操作簡(jiǎn)單、易控制。

1.2 酶的催化特性

酶反應(yīng)具有專(zhuān)一性，一種酶僅能作用于某一種物質(zhì)或一類(lèi)結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，并催化某種類(lèi)型的反應(yīng)；酶催化的高效性、酶催化反應(yīng)比非酶反應(yīng)快，酶催化反應(yīng)具有廣泛性，酶催化反應(yīng)范圍很寬，比化學(xué)催化劑能催化的反應(yīng)多得多，同時(shí)，酶的催化反應(yīng)大都在條件溫和的pH值、溫度條件下進(jìn)行，強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫等能致使蛋白質(zhì)變性的因素都可使酶失去催化活性。

2 酶制劑加工設(shè)備與選型

酶的生物合成法生產(chǎn)是目前工業(yè)化生產(chǎn)酶制劑的主要方法，利用微生物的生命活動(dòng)獲得所需的酶的技術(shù)過(guò)程，又稱(chēng)為酶的發(fā)酵生產(chǎn)。因?yàn)槲⑸锏难芯繗v史較長(zhǎng)，而且微生物具有種類(lèi)多，易培養(yǎng)，代謝能力強(qiáng)等特點(diǎn)；用于酶的生產(chǎn)原料來(lái)源主要有植物細(xì)胞、動(dòng)物細(xì)胞、微生物細(xì)胞；微生物發(fā)酵法生產(chǎn)酶制劑主要設(shè)備有粉碎設(shè)備、發(fā)酵設(shè)備、細(xì)胞破碎設(shè)備、分離設(shè)備、干燥設(shè)備等，下面以微生物發(fā)酵法生產(chǎn)酶制劑為例介紹主要設(shè)備的選用。

2.1 原料粉碎設(shè)備選用

酶制劑生產(chǎn)中物料的粉碎，多采用錘式粉碎和輥式粉碎機(jī)，錘式粉碎機(jī)是應(yīng)用范圍較廣泛的一種粉碎機(jī)械，在化工、食品、糧食、建材等很多領(lǐng)域都有所應(yīng)用，在發(fā)酵工業(yè)中原料的中碎與細(xì)碎作業(yè)大量采用這種粉碎機(jī)。

常見(jiàn)的錘片式粉碎機(jī)的規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)的錘片式粉碎機(jī)的規(guī)格參數(shù)Table 1 Common hammer type crusher specification parameters

2.2 發(fā)酵設(shè)備選用

酶制劑生產(chǎn)可采用固體發(fā)酵設(shè)備或液體發(fā)酵設(shè)備，發(fā)酵設(shè)備容積可根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模相應(yīng)選取。

根據(jù)酶催化劑類(lèi)型的不同，酶反應(yīng)器可分為游離酶反應(yīng)器和固定化酶反應(yīng)器。酶反應(yīng)器有多種，根據(jù)幾何形狀或結(jié)構(gòu)來(lái)劃分，大致可分為罐型、管型和膜型3類(lèi)。每一類(lèi)又有多種類(lèi)型，并且有些反應(yīng)器可互相組合成具有不同性能的酶反應(yīng)器系統(tǒng)。罐型反應(yīng)器內(nèi)一般裝配有攪拌裝置，也稱(chēng)“攪拌罐”或發(fā)酵罐，管型反應(yīng)器和膜型反應(yīng)器一般用于連續(xù)操作，相對(duì)直徑較大、縱向較短的管型反應(yīng)器也稱(chēng)為塔式反應(yīng)器[4]。

工業(yè)上應(yīng)用的大多數(shù)酶，都是價(jià)廉且不純的催化大分子化合物水解的酶類(lèi)。雖然在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上酶能被固定化，但目前大多應(yīng)用游離酶，這是因?yàn)檫@些水解酶類(lèi)的底物多數(shù)是帶有黏性（如淀粉）或不溶于水的顆粒，難以用固定化酶反應(yīng)器進(jìn)行處理，所以游離酶反應(yīng)器目前在工業(yè)生產(chǎn)上還占有極其重要的位置。

2.2.1 攪拌罐式酶反應(yīng)器選用

圖1 攪拌罐式酶反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Mixing tank enzyme reactor structure

攪拌罐式反應(yīng)器是傳統(tǒng)形式的反應(yīng)器，是目前較常使用的反應(yīng)器。攪拌罐式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，反應(yīng)器外形為圓柱形，為承受消毒時(shí)的蒸汽壓力，蓋和底封頭為橢圓形，中心軸向位置上裝有攪拌器。

攪拌罐式反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)包括：筒體，攪拌裝置，換熱裝置，擋板（通常為4塊），消泡裝置，電動(dòng)機(jī)與變速裝置，空氣分散裝置，在殼體的適當(dāng)部位設(shè)置溶氧電極、pH電極、CO2電極、熱電偶、壓力表等檢測(cè)裝置，備有排氣、取樣、放料和接種口以及酸、堿管道接口和人孔、視鏡等部件。

攪拌罐式反應(yīng)器又有分批式和半分批式之分。分批式是先將酶和底物一次性裝入反應(yīng)器，在適當(dāng)溫度下開(kāi)始反應(yīng)，反應(yīng)達(dá)一定時(shí)間后，將全部反應(yīng)物取出。而半分批式是將底物緩慢地加入反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，到一定時(shí)間后，將全部反應(yīng)物取出。當(dāng)反應(yīng)出現(xiàn)底物抑制時(shí)，需采用半分批式操作。此類(lèi)反應(yīng)器不能進(jìn)行酶的回收使用，一般在反應(yīng)結(jié)束后通過(guò)加熱或其他方法使酶變性除去。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需特殊設(shè)備，適于小規(guī)模生產(chǎn)，發(fā)酵工業(yè)通常應(yīng)用這種形式的反應(yīng)器[5]。

2.2.2 噴射式酶反應(yīng)器選用

噴射式酶反應(yīng)器是利用高壓蒸汽的噴射作用，實(shí)現(xiàn)酶與底物的混合，是進(jìn)行高溫短時(shí)催化反應(yīng)的一種反應(yīng)器。噴射式酶反應(yīng)器如圖2所示。

圖2 噴射式酶反應(yīng)器Fig.2 Jet enzyme reactor

噴射式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，混合均勻，由于溫度高，催化反應(yīng)速度快，催化效率高，故可在短時(shí)間內(nèi)完成催化反應(yīng)。

盡管?chē)娚涫椒磻?yīng)器適用于游離酶的連續(xù)催化反應(yīng)，但其只適用于某些耐高溫酶的反應(yīng)。噴射式反應(yīng)器目前已在耐高溫淀粉酶的淀粉液化反應(yīng)中廣泛應(yīng)用。如生產(chǎn)α-淀粉酶，采用枯草桿菌發(fā)酵，種子培養(yǎng)在37 ℃，攪拌轉(zhuǎn)速 300 r/min，通氣量 1∶1.3～1.4（體積比）的條件下培養(yǎng)12 h～14 h，然后接種入發(fā)酵罐，采用機(jī)械通風(fēng)發(fā)酵罐，發(fā)酵溫度37℃，攪拌器轉(zhuǎn)速200 r/min，通氣量 0～12 h ，1∶0.67（體積比），周期 40 h～48 h，中間采用補(bǔ)料發(fā)酵方法[6-7]。

2.2.3 超濾膜酶反應(yīng)器選用

超濾酶膜反應(yīng)器（UFEMR）是當(dāng)今人們研究的焦點(diǎn)，在工業(yè)中得到了大規(guī)模的應(yīng)用。絕大多數(shù)商品超濾膜是不對(duì)稱(chēng)的，孔徑沿一個(gè)方向連續(xù)變化。超濾膜（UF）的孔徑尺寸為1 nm～100 nm，可截留的相對(duì)分子質(zhì)量范圍為500～10 000，它對(duì)游離酶和固定化酶（相對(duì)分子質(zhì)量10 000～100 000）都有較高的截流能力。因此，膜表面是一超薄層，位于一較多孔的次層上，這種結(jié)構(gòu)使膜不易堵塞，有較高的流動(dòng)透過(guò)率，容易清洗。膜材通常是合成聚合物和一些陶瓷材料。與聚合膜相比，陶瓷膜更耐熱，更耐化學(xué)腐蝕，機(jī)械抗壓性強(qiáng)。對(duì)具體的酶反應(yīng)，選用膜材時(shí)要考慮其對(duì)酶穩(wěn)定性的影響，以膜的形態(tài)、多孔結(jié)構(gòu)、孔徑分布，截留相對(duì)分子質(zhì)量、抗化學(xué)腐蝕、耐熱、耐pH值、耐壓和價(jià)格等參數(shù)為依據(jù)，進(jìn)行多次試驗(yàn)。

2.3 細(xì)胞破碎設(shè)備選用

細(xì)胞破碎方法較多，可用機(jī)械法、物理法、化學(xué)法等。高壓勻漿法是大規(guī)模細(xì)胞破碎的常用方法，所用設(shè)備是高壓勻漿器，它由高壓泵和勻漿閥組成。

高壓勻漿法是利用高壓使細(xì)胞懸浮液通過(guò)針形閥，由于突然減壓和高速?zèng)_擊撞擊致使細(xì)胞破裂，高壓室的壓力高達(dá)幾十個(gè)兆帕，細(xì)胞懸浮液自高壓室針形閥噴出時(shí)，每秒速度可達(dá)幾百米，常用的料液均質(zhì)壓力為25 MPa～40 MPa，高速?lài)姵龅臐{液又射到撞擊環(huán)上，改變流動(dòng)方向，細(xì)胞在這一系列高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中經(jīng)歷了剪切，碰撞及由高壓到常壓的變化，從而造成細(xì)胞破碎[8]。

表2列出高壓均質(zhì)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)，可參考。

表2 RJGY01型系列高壓均質(zhì)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 2 RJGY01 Type series high pressure homogenizer main technical parameters

2.4 分離設(shè)備選用

酶制劑的分離通常可采用過(guò)濾、離心分離及膜分離等形式，其中離心分離操作簡(jiǎn)便，常為采用。根據(jù)離心機(jī)最大轉(zhuǎn)速的差異可分為常速離心機(jī)、高速離心機(jī)和超速離心機(jī)。在酶制劑生產(chǎn)中，前兩種使用較多，常速離心機(jī)最大轉(zhuǎn)速8 000 r/min以?xún)?nèi)，相對(duì)離心力在1×104×g以下，可用于細(xì)胞、細(xì)胞碎片等固形物分離，也可用于酶的結(jié)晶物等較大顆粒的分離；高速離心機(jī)最大轉(zhuǎn)速（2.5～12）×104r/min，相對(duì)離心力可達(dá) 5×105×g[9-11]。在酶制劑分離中主要用于沉淀物、細(xì)胞碎片和細(xì)胞器的分離，為防止分離中溫度升高，酶失活，可采用冷凍裝置，稱(chēng)為高速冷凍離心機(jī)。常見(jiàn)碟片分離機(jī)的型號(hào)和技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表3。

2.5 干燥設(shè)備選用

分離后酶制劑可制成液體酶和固體酶制劑。制備粉劑酶制劑可在低溫下濃縮干燥，但收率較低為70%左右，若采用直接噴霧干燥，收率可達(dá)95%以上，但排出廢氣含有氣味，對(duì)環(huán)境有影響。

酶制劑生產(chǎn)的離心噴霧干燥，將含有8%～10%的固形物發(fā)酵液進(jìn)入干燥塔前先用塔頂上的小罐加溫至50℃再進(jìn)塔，小罐內(nèi)液面控制一定，以保持進(jìn)料均勻，加熱后的發(fā)酵液由罐底的管路流入高速旋轉(zhuǎn)的離心噴霧盤(pán)，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min～7 000 r/min。液體通過(guò)6個(gè)噴咀甩成霧狀，與從頂部進(jìn)風(fēng)口以旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)入的熱空氣進(jìn)行充分接觸（熱空氣）溫度淀粉酶干燥為150℃，蛋白酶為140℃，使物料干燥后借自身重力落下，通過(guò)放料閘門(mén)定期卸料（間歇卸料）。連續(xù)卸料主要是利用氣力輸送進(jìn)行的，以干燥室排出的成品連續(xù)進(jìn)入振動(dòng)供料器，通過(guò)旋轉(zhuǎn)閥或是采用渦流氣封閥進(jìn)行連續(xù)卸料[12-13]。見(jiàn)表4，離心噴霧干燥器的性能參數(shù)，供參考。

氣流干燥設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，但用于酶制劑干燥時(shí)，酶活力損失較大。為減少酶變性失活，提高干燥質(zhì)量，主要控制好氣流溫度，溫度不能太高，同時(shí)要經(jīng)常翻動(dòng)酶制劑，使干燥均勻。

表3 碟片分離機(jī)的型號(hào)和技術(shù)規(guī)格Table 3 The disc separator's type and technical specifications

表4 離心噴霧干燥器的性能參數(shù)Table 4 The performance parameters of the centrifugal spray dryer

3 酶制劑加工設(shè)備新發(fā)展

由于中國(guó)酶制劑產(chǎn)業(yè)起步晚，受到國(guó)外同行業(yè)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的較大壓力。從世界范圍來(lái)看，我國(guó)酶制劑企業(yè)技術(shù)裝備、規(guī)模與國(guó)外同行有較大差距。雖然在提取工藝和裝備上進(jìn)行了一定改進(jìn)，但總體來(lái)說(shuō)提取手段及裝備還是較為落后，需要在科研投入、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、企業(yè)規(guī)模等方面進(jìn)行改造，未來(lái)行業(yè)發(fā)展將出現(xiàn)以下幾個(gè)方面的變化趨勢(shì)。

3.1 改善工藝技術(shù)，裝備水平

中國(guó)酶制劑產(chǎn)業(yè)的各項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)、裝備水平與國(guó)外相比存在一定的差距，今后應(yīng)注重以基因工程、蛋白質(zhì)工程為主的高科技成果在酶制劑生產(chǎn)領(lǐng)域中產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，加強(qiáng)自主創(chuàng)新裝備的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

3.2 增加科研投入，不斷開(kāi)發(fā)新品種

酶制劑應(yīng)用前景廣闊，目前國(guó)際上生產(chǎn)的60多種酶種，國(guó)內(nèi)真正能夠產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的只有幾個(gè)品種，而且劑型單一[14]。因此，改變國(guó)內(nèi)酶制劑企業(yè)產(chǎn)品品種較少的局面，加強(qiáng)高端酶制劑產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)是酶制劑企業(yè)的發(fā)展方向。

3.3 調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促使企業(yè)向規(guī)模化、品牌化發(fā)展

自主創(chuàng)新的酶制劑應(yīng)用技術(shù)落后，成為中國(guó)國(guó)產(chǎn)酶制劑市場(chǎng)進(jìn)一步擴(kuò)大的主要限制性因素。企業(yè)應(yīng)加大技改力度，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，促使酶制劑產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展通過(guò)兼并整合逐漸走上集約化、規(guī)?；?jīng)營(yíng)發(fā)展之路，以期在世界酶制劑市場(chǎng)上占有一席之地。

[1]中國(guó)科學(xué)院.中國(guó)工業(yè)生物技術(shù)白皮書(shū)2015[R/OL].http：//www.clas.ac.cn/kxyj2016/yjbg2016/201605/t20160524_4607898.html(2016-05-24)

[2]Kornrgay E T,Qian H.Replacement of inorganic phosphorus by microbial phytase for young pigs fed on a maize-soyabean-meal diet[J].British Journal of Nutrition,1996,76：563-578

[3]郭玉華,李鈺金.食品用酶制劑及其在肉類(lèi)工業(yè)中的應(yīng)用[J].肉類(lèi)研究,2011,25(6)：41-46

[4]杜明松,張吟.酶制劑應(yīng)用分析與前景展望[J].食品安全導(dǎo)刊,2013(8)：60-61

[5]Paul W S H,Otilia M Y K.A study of the Physical Characteristics of icrocrystalline Cellulose on Performance in Extrusion Spheroniza-tion[J].Pharmaceutics Research,2001,18(4)：480-487

[6]鄒東恢.生物加工設(shè)備選型與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：157-167

[7]閔兆升,郭會(huì)明,張慶文.膜分離技術(shù)在酶液濃縮中的應(yīng)用[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2013,39(5)：138-141

[8]孫萬(wàn)儒.我國(guó)酶與酶工程及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的回顧[J].微生物學(xué)通報(bào),2014,41(3)：466-475

[9]熊吉敏,武晉嫻.酶工程的新研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].科技信息,2008(26)：45-47

[10]Rubino D P.Fluid-bed technology：Overview and criteria for process selection[J].Pharm Technol June,1999,23：104-113

[11]王永紅,夏建業(yè),唐寅,等.生物反應(yīng)器及其研究技術(shù)進(jìn)展[J].生物加工過(guò)程,2013,11(2)：14-18

[12]雄飛.飼用酶制劑應(yīng)用現(xiàn)狀與前景[J].畜牧與飼料科學(xué),2010,31(3)：22-23

[13]陳堅(jiān),劉龍,堵國(guó)成.中國(guó)酶制劑產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與未來(lái)展望[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào),2012,31(1)：2-5

[14]劉柏楠,劉立國(guó).酶制劑在食品工業(yè)中的發(fā)展及應(yīng)用[J].中國(guó)調(diào)味品,2011,36(1)：14-16

Characteristics and Equipment Type Selection of Enzyme and Its New Development

ZOU Dong-hui，GUO Jian-hua
（College of Food and Bio-engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，Heilongjiang，China）

In the last few years，with the developing of enzyme process industry，enzyme process equipment have significantly increased and enzyme process equipment trends large-scal，automation development，new type enzyme process equipment have emergence and development，some new changes have taken place.In this paper，it discussed enzyme characteristics,equipment type selection and provide a useful guidance for future studies to enzyme process equipment development.

enzyme；characteristics；equipment type selection；new development

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.17.047

2016-12-13

鄒東恢（1967—），男（漢），副教授，碩士，研究方向：酶制劑工程與技術(shù)。