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酶制剂

酶制剂是指酶经过提纯、加工后的具有催化功能的生物制品,主要用于催化生产过程中的各种化学反应,具有催化效率高、高度专一性、作用条件温和、降低能耗、减少化学污染等特点,其应用领域遍布食品(面包烘烤业、面粉深加工、果品加工业等)、纺织、饲料、洗剂剂、造纸、皮革、医药以及能源开发、环境保护等方面。酶制剂来源于生物,一般地说较为安全,可按生产需要适量使用。

酶,是生物体内各种物质化学变化的催化剂。酶制剂是应用物理或化学方法, 将生物体细胞或组织中产生的酶提取出来,并经加工后制成的仍具有催化活性的生物化学品,具有高效性,专一性,在适宜条件(pH和温度)下具有活性。

我国已批准的有木瓜蛋白酶、α淀粉酶制剂、精制果胶酶、β葡萄糖酶等54种。酶制剂来源于生物,一般地说较为安全 ,可按生产需要适量使用。

酶制剂的用途极为广泛, 主要用作医药中间体、食品加工用添加剂及家畜家禽养殖的生长促进剂。此外, 在纺织、轻工、皮革、造纸、采油、建筑、环保、军工等行业中也都有应用。酶制剂的应用种类有淀粉酶、蛋白酶、糖酶、过氧化氢酶和纤维素酶等, 用量最大的是淀粉酶和蛋白酶, 约占酶制剂消费总量的7 0 % 8 0 %。淀粉酶主要用于面包生产中的面团改良、婴幼儿食品中的谷类原料的预处理、啤酒制造中用于糖化和分解淀粉、果汁加工中的淀粉分解和提高过滤速度, 以及用于蔬菜、糖浆、怡糖、葡萄糖、粉状糊精等食品的加工制造。蛋白酶主要用于水解蛋白生产、肉类软化、啤酒抗寒、烘烤制品、干酪制造等。近年来, 酶制剂开发应用的领域还在不断拓展之中。

在6 0 年代初期, 世界酶制剂生产发展较为迟缓。进入70 年代, 研究开发极为迅速, 尤其是对其提取方法、作用机理和生长代谢等重大理论研究不断取得新进展。目前为止,已报道发现的酶类有3000多种,但其中已实现大规模工业化生产的只有60多种 [1] 。据报道,全世界酶制剂市场正以平均11%的速度逐年增长 [2] 。酶制剂产业的发展前景相当广阔。中国酶制剂产业经过50多年的长足发展,已进入世界酶制剂生产的大国行列,目前已实现规模化生产的酶制剂达到30种左右 [3]

现在中国酶制剂产品已经更新换代,主要包括以下9大类:糖化酶、淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶、植酸酶、半纤维素酶、果胶酶、饲用复合酶、啤酒复合酶等 [3] 。其中,糖化酶、淀粉酶、植酸酶产量过万吨;纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶所占比例较小,但增长较快。中国酶制剂的主要应用领域包括:淀粉糖工业、啤酒工业、燃料酒精工业、酒与饮料工业、饲料工业、纺织工业、制药工业、造纸工业、精细化工工业、洗涤剂工业、皮革工业、焙烤工业、乳制品工业、石油工业等。酶制剂产业在中国正逐步成为独立行业,促进了国民经济发展。

酶制剂行业是高技术产业,它的特点是用量少、催化效率高、专一性强,是为其他相关行业服务的工业。其应用领域遍及轻工、食品、化工、医药、农业以及能源、环境保护等方面。

食品领域

中国食品酶制剂种类较多,其中,碳水化合物用酶、蛋白质用酶、乳品用酶占食品酶制剂的比重较大,所占比例为81.7% [3] 。在食品加工过程中常用的酶制剂主要有以下几种:木瓜蛋白酶、谷氨酰胺转胺酶、弹性蛋白酶、溶菌酶、脂肪酶、葡萄糖氧化酶、异淀粉酶、纤维素酶、超氧化物歧化酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶、生姜蛋白酶等。

中国已批准使用于食品工业的酶制剂有α-淀粉酶、糖化酶、固定化葡萄糖异构酶、木瓜蛋白酶、果胶酶、β-葡聚糖酶、葡萄氧化酶、α-乙酰乳酸脱氨酶 [4] 等,主要应用于果蔬加工、焙烤、乳制品加工等方面。

淀粉酶行业发展快速,产量成倍增长,品种逐渐增多,至2006年产量已超过500万吨 [3] 。酶法湿磨工艺中的淀粉残留蛋白含量以及淀粉的糊化特性均好于传统的湿磨工艺。由于添加蛋白酶,不仅缩短了浸泡时间,同时蛋白的得率非但没有减少反而得到提高。新型酶制剂正应用于针剂葡萄糖、液体葡萄糖浆、高麦芽糖浆、果葡糖浆以及各种低聚糖的生产中。淀粉糖替代蔗糖已应用于食品加工、糖果、啤酒及饮料生产中。

纺织工业

20世纪80年代,以淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶等为代表的纺织酶制剂,主要用于织物退浆、牛仔布整理和真丝脱胶等,在工业上得到了广泛应用,也代表着纺织生物技术开始兴起。进入21世纪以后,中国酶制剂在纺织工业中的应用领域逐步扩大,包括纤维改性、原麻脱胶、印染前处理、印染废水处理、服装成衣加工等领域 [3] 。目前,纺织用酶制剂加工工艺已涉及到几乎所有的纺织湿加工领域,市场规模呈稳定递增趋势。

饲料工业

饲料酶制剂是近年来伴随饲料工业和酶制剂工业不断发展而出现的一种新型饲料添加剂,具有提高养分消化率、提高配合饲料质量稳定性、降低环境污染等作用。作为一类高效、无毒、无副作用和环保性的绿色饲料添加剂,饲料酶制剂已成为世界工业酶产业中增长速度最快、势头最强劲的一部分,其应用效果已在世界范围内得到公认。中国饲料酶制剂自20世纪80年代开始在饲料中添加应用。

目前中国饲料酶种类有20多种,主要包括:淀粉酶、蛋白酶、木聚糖酶、β-甘露聚糖酶、纤维素酶、β-葡聚糖酶、植酸酶和复合酶等。这些酶制剂可分为两大类:1)以降解多糖和生物大分子物质为主,包括蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、糖化酶、纤维素酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶。主要功能是破坏植物细胞壁,使细胞内容物充分释放出来;2)以降解植酸、β-葡聚糖、果胶等抗营养因子为主,主要包括植酸酶、β-葡聚糖酶和果胶酶,其主要功能是降解细胞壁木聚糖和细胞间质的果胶成分,提高饲料的利用率 [5]

生产酶制剂的微生物有丝状真菌、酵母、细菌3大类群,主要是用好气菌。几种主要工业酶的菌种和使用情况如下:

淀粉酶类

淀粉酶水解淀粉生成糊状麦芽低聚糖和麦芽糖。以芽孢杆菌属的枯草芽孢杆菌和地衣形芽孢杆菌深层发酵生产为主,后者产生耐高温酶。另外也用曲霉属和根霉属的菌株深层和半固体发酵生产,适用于食品加工 [6] 。-淀粉酶主要用于制糖、纺织品退浆、发酵原料处理和食品加工等。葡糖淀粉酶能将淀粉水解成葡萄糖,现在几乎全由黑曲霉深层发酵生产,用于制糖、酒精生产、发酵原料处理等。

蛋白酶

使用菌种和生产品种最多。用地衣形芽孢杆菌、短小芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌以深层发酵生产细菌蛋白酶;用链霉菌、曲霉深层发酵生产中性蛋白酶和曲霉酸性蛋白酶,用于皮革脱毛、毛皮软化、制药、食品工业;用毛霉属的一些菌进行半固体发酵生产凝乳酶,在制造干酪中取代原来从牛犊胃提取的凝乳酶。

葡糖异构酶

70年代迅速发展起来的一个品种。先用深层发酵取得链霉菌细胞,待固定

化后,将葡萄糖液转化成约含果糖50%的糖浆,这种糖浆可代替蔗糖用于食品工业。用淀粉酶、葡糖淀粉酶和葡糖异构酶等将玉米淀粉制成果糖浆已成为新兴的制糖工业之一。

1、酶制剂应纳入配方成本计算

生物工程生产的微生物植酸酶,可以降解植酸盐,释放可利用的磷、钙、能量和蛋白质等,释放的磷、钙和其他养分的数量,在推荐水平下呈线性增加。植酸酶添加水平超过500FTU/kg的添加量时,养分的释放会持续提高,但单位植酸盐的释放量趋于下降。因此超推荐水平添加植酸酶,在经济上是不合算的。β-葡聚糖酶和戊聚糖酶能有效地降解饲料中某些原料所含有的β-葡聚糖和戊聚糖。这2种水溶性非淀粉多糖是抗营养因子。这些抗营养因子能结合大量的水分,使消化道流体的粘度增加。降低营养底物与消化道内源酶的作用,致使营养成分的有效性下降。β-葡聚糖酶和戊聚糖酶添加在玉米-豆粕型含抗营养因子较少的日粮中,对动物的生产性能改善作用不明显;添加在黑麦、大麦、小麦为主的日粮中和含非常规饲料原料较多的日粮中,对动物的生产性能改善作用较大。同一添加量随日粮中非常规饲料含量的增加,改善作用更趋明显;同一日粮随酶的添加量的增加,改善作用也更趋明显,但单位酶的改善作用效果下降。无论何种饲料原料,超量添加β-葡聚糖酶和戊聚糖酶经济上也都是不合算的。总之,配制最低成本日粮和计算效益时,应将酶制剂纳入配方成本计算。

2、应考虑影响酶制剂活性的因素

酶制剂本身是一类蛋白质,影响蛋白质的任何因素都会影响酶制剂的活性。酶制剂的活性随温度的升高而增加,但当温度高到一定程度时,又使酶变性而丧失活性。一般酶活性的最适温度为30~45℃,超过60℃时酶会变性,丧失活性。pH对酶活性也有影响,在其他条件不变时,酶在一定的pH范围内活性最高。一般酶活性的最适pH接近于中性(6.5~8.0)。但也有例外,如胃蛋白酶的最适pH为1.5 [7] 。一碘醋酸、高铁氰化物和重金属离子等可与酶的必需基团结合或发生反应,从而使酶丧失活性。因此在饲料生产过程中一定要注意温度、酸碱性、重金属离子等因素对酶制剂的影响,以求达到酶制剂的最佳使用效果。

3、购买酶制剂应考虑有效含量及价格

市场上酶制剂的种类很多,用户在购买酶制剂时,一定要选择既能保证有效含量,又较便宜的酶制剂,不应只考虑价格便宜,不考虑有效含量。

4、使用酶制剂应考虑饲喂对象

单胃动物应用酶制剂效果明显,草食动物效果不明显。因此草食动物饲料中可不考虑添加酶制剂。

5、应重视酶制剂的质量检验

现在很多饲料检测部门都可检验酶制剂的有效含量。用户在选购时,可把样品送到有关部门检验,以确保购买的酶制剂质量可靠。

近年来,中国酶制剂产业发展速度迅猛,取得了明显进步。但从世界酶制剂工业来看,高新技术在世界酶制剂产业的应用进一步拉大了中国酶制剂产业和世界先进水平的差距。整个行业生产规模小,技术研发力量薄弱,产品相对单一,结构不合理等问题突出 [3]

1)研发投入和研发创新能力不足。

2)生产工艺及设备水平相对落后。

3)酶制剂产品结构不合理、应用深度不够。中国酶制剂仍以传统酶制剂种类(糖化酶、淀粉酶、蛋白酶等)为主,缺少高端酶制剂产品,结构不合理。


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