製作糖化酶的廢水怎麼處理

㈠ 酶工程 郭勇

酶工程
酶工程是指在一定的生物反應器中，利用酶的生物催化作用，生產出人類所需產品的一門科學技術。作為生物技術重要支柱之一的酶工程真可以說是造福人類，成果喜人。

蔗糖幾乎全部是通過加工甘蔗或甜萊得到的。但是，甘蔗和甜菜的種植范圍都比較有限，因此，蔗糖的產量也就受到了影響。能不能利用澱粉來生產類似蔗糖的物質呢？科學家通過 -澱粉酶、糖化酶和固定化葡萄糖異構化酶，將澱粉轉化成和蔗糖具有同樣甜度的甜味劑——高果糖漿。現在，一些發達國家高果糖漿的年產量已達到幾百萬噸，高果糖漿在許多飲料的製造中已經逐漸替代了蔗糖。

胰島素是胰臟中胰島細胞分泌的一種激素，是由兩條肽鏈組成的一種蛋白質：一條由21個氨基酸組成，稱為A鏈；另一條由30個氨基酸組成，稱為B鏈。胰島素是治療糖尿病的一種常用葯物。由於糖尿病患者很多，胰島素的需要量很大，所以許多糖尿病患者使用的曾是豬的胰島素。但是，豬胰島素與人胰島素在化學結構上有一處差別：豬胰島素B鏈上最後一個氨基酸是丙氨酸，人胰島素B鏈上最後一個氨基酸是蘇氨酸。因此，用豬胰島素治療人的糖尿病，容易使一些患者產生免疫反應。近些年來，科學家們採用酶工程的方法，利用一種專一性極高的酶，切下並移去豬胰島素B鏈上的那個丙氨酸，然後接上一個蘇氨酸。這樣豬的胰島素就魔術般地變成人的胰島素了。

現在，科學家正在研究如何修飾酶的化學結構，以便改善酶的性能；用DNA重組技術大量地生產酶，甚至設計酶的基因，以便人工合成出自然界中沒有的酶來。

酶工程的應用
酶作為一種生物催化劑，已廣泛地應用於輕工業的各個生產領域。近幾十年來，隨著酶工程不斷的技術性突破，在工業、農業、醫葯衛生、能源開發及環境工程等方面的應用越來越廣泛。

—、食品加工中的應用

酶在食品工業中最大的用途是澱粉加工，其次是乳品加工、果汁加工、烘烤食品及啤酒發酵。與之有關的各種酶如澱粉酶、葡萄糖異構酶、乳糖酶、凝乳酶、蛋白酶等占酶制劑市場的一半以上。

目前，幫助和促進食物消化的酶成為食品市場發展的主要方向，包括促進蛋白質消化的酶（菠蘿蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等），促進纖維素消化的酶（纖維素酶、聚糖酶等），促進乳糖消化的酶（乳糖酶）和促進脂肪消化的酶（脂肪酶、酯酶）等。

二、輕化工業中的應用

酶工程在輕化工業中的用途主要包括：洗滌劑製造（增強去垢能力）、毛皮工業、明膠製造、膠原纖維製造（粘接劑）牙膏和化妝品的生產、造紙、感光材料生產、廢水廢物處理和飼料加工等。

三、醫葯上的應用

重組DNA技術促進了各種有醫療價值的酶的大規模生產。用於臨床的各類酶品種逐漸增加。酶除了用作常規治療外，還可作為醫學工程的某些組成部分而發揮醫療作用。如在體外循環裝置中，利用酶清除血液廢物，防止血栓形成和體內酶控葯物釋放系統等。另外，酶作為臨床體外檢測試劑，可以快速、靈敏、准確地測定體內某些代謝產物，也將是酶在醫療上一個重要的應用。

四、能源開發上趵應用

在全世界開發新型能源的大趨勢下，利用微生物或酶工程技術從生物體中生產燃料也是人們正在探尋的一條新路。例如，利用植物、農作物、林業產物廢物中的纖維素、半纖維素、木質素、澱粉等原料，製造氫、甲烷等氣體燃料以及乙醇和甲醇等液體燃料。另外，在石油資源的開發中，利用微生物作為石油勘探、二次採油、石油精煉等手段也是近年來國內外普遍關注的課題。

五、環境工程上的應用

在科學技術高度發展的同時，環境凈化尤其是工業廢水和生活污水的凈化，作為保護自然的一項措施，具有十分重要的意義。

在現有的廢水凈化方法中，生物凈化常常是成本最低而最可行的。微生物的新陳代謝過程，可以利用廢水中的某些有機物質作為所需的營養來源。因此利用微生物體中酶的作用，可以將廢水中的有機物質轉變成可利用的小分子物質，同時達到凈化廢水的目的。人們利用基因工程技術創造高效菌種，並利用固定化活微生物細胞等方法，在廢水處理及環境保護工作中取得了顯著的成效。

另外，生物感測器的出現為環境監測的連續化和自動化提供了可能，降低了環境監測的成本，加強了環境監督的力度。

分子酶工程學與分析生物技術
分子酶工程學在分析生物技術領域有廣闊的技術發展空間。酶法分析是分析生物技術中的主要內容之一，包括酶試劑盒、酶聯免疫（ELISA）、酶標基因探針、酶感測器等等，已經在臨床診斷、生物工藝過程分析與監控、環境監測、檢疫、生命科學研究等方面逐漸取代傳統的化學分析法。
分析用酶之所以被青睞，歸功於酶分子高度特異性和高催化效率，使微觀生物學反應過程得以放大。然而，天然酶蛋白分子並非完美無缺，它們或太「嬌嫩」，熱穩定性差，容易受抑制，受蛋白酶水解而失活，或催化性能不理想，固定化回收活力低下等等，導致許多分析用酶還未能實際發揮作用。特別具有很多優點的固定化酶分析法和各類酶感測器，並沒有獲得廣泛應用。

如何能夠對酶蛋白實施分子改造，使它們的性能得到改善，是具有挑戰性的課題。化學修飾法曾經是主要的手段，但盲目性比較大，效果常常不理想。分子酶工程學是近年發展起來的新的學科領域，其基礎是結構生物學和生物信息學，尤其是利用蛋白質超分子結構知識，採用基因工程和蛋白質工程手段，對天然酶實施定向改造和體外分子進化，在開發新型、高質量分析酶試劑方面意義重大。

近期在作者實驗室的研究進展，包括：（1）大腸桿菌鹼性磷酸酶的定向改造與分子體外進行；（2）固定化酶空間取向控制的「錨鏈」（anchor―chain）模型；（3）順序酶反應融合蛋白分子系統的構建；（4）免疫酶光開關；（5）增強電子傳遞速率的融合酶分子系統等等。這些研究成果不僅在生物感測、蛋白質晶元和酶標等分析生物技術中有重要應用價值，而且為發展其它的分析酶系統提供了一些新的技術思路和模式方法。

分子酶工程學的研究進展得益於蛋白質結構知識的增長。如今，越來越多的酶的三維結構被解析出來，成為重塑蛋白質分子的依據。然而，在現階段，我們還不具有「設計」蛋白質的能力，這需要更加完備的結構生物學知識。

相對於其它各種功能蛋白質，酶的結構與功能研究還處於幼年期，在分析生物技術中的應用更是較晚，但已經展示出廣闊的發展前景。另外兩個值得關注的方向是抗體工程和抗體酶或催化抗體，它們在分析生物技術中具有潛在的貢獻

工程領域的展望與熱點
隨著人們對酶生物合成、結構與催化分子機理的深入了解和物理化學技術的長足進展，促進了分子酶學與酶工程學的迅猛崛起，使酶工程已成為生物工程的重要角色。事實上是人類認識酶，改造構建新酶和廣泛利用酶的劃時代飛躍，科學技術的發展已不存在純粹的酶工程學概念，此學科在研究內容、手段和目的上與基因工程、蛋白質工程、細胞工程、發酵工程等孿生學科是相互交融的整體生物工程部分，對21世紀酶工程發展的正確導向，進行哲理性的正確科學分析和判斷，探討此領域的研究方向和策劃是很有必要的。
一、微生物酶源是酶工程研究的主源流生物多樣性與人類生存密切相關已為人們所共識，由於微生物的多樣性、傳代生長速度快、培養可控性、生產成本低、易進行基因突變、克隆重組及高效表達等優點，使人類能很快獲得優良的基因工程菌，微生物酶源無疑將會發揮更大的作用和潛力，對動、植物中特殊用途酶轉入微生物和地球各大物種間基因的有效相互轉化、改良物種性能、整合小基因及基因異源性等問題是有待開發、探討的課題。
二、以基因工程和蛋白質工程改造和設計酶是革命性導向
酶結構與功能關系的研究仍然是酶工程研究的基礎和依託核心：改造或設計新酶的成敗基礎在於對天然酶靜態、動態結構與催化機理關系的精確認識，也有賴於對基因模版分子結構與蛋白質合成機制的大量情報，但這兩個問題並未深化，使酶的設計仍存在很大的盲目性、片面性和偶然性，只有對天然酶的功能基因組，酶催化的超分子和構象變化的關系，結構與立體專一性、穩定性、變態性的關系以及多酶體系的定位及高效催化機制有徹底的認識，才能自覺改造和設計出新酶。
基因工程與蛋白質工程構建酶是十分誘人的領域：在30億年生物進化中，只發現了1055種功能蛋白和酶，經計算300個氨基酸可組成不同序列的蛋白質有約10390種，因而在自然界，絕大多數新蛋白或酶仍未產生，有待人類去進行人工定向進化，創造開發新酶類，其中對大量天然蛋白質的DNA測序，建立大量蛋白質功能基因庫，為雜交提供重要信息，通過計算機模擬，從頭設計及合成全新的非天然有用酶已成為可能。此外，利用天然酶的多樣性，通過靶子基因的定點突變噬菌體展示技術，結合化學修飾技術，賦予酶的新結構，新特性，改進酶的催化功能，可使酶制劑工業進入一個嶄新的時代。
三、酶工程熱點———酶法轉化、折分合成手性葯物及精細化合物
酶法合成引入到有機合成領域中帶來了新的機遇和革命，酶法合成的專一性及選擇性較化工合成有明顯的優勢，利用微生物和酶區域、位點、立體的選擇性，如羥化、環氧化、異構化、水解、對映體折分，葯物中間體合成，其中一些反應是化學法難以實現的。進行酶催化的定向調控，可使生物轉化合成效率成倍增加，可改變反應平衡方向。酶法合成生物功能分子，非天然有用物質和功能性高分子材料，應用於化工材料生產，電子工業已成為可能。酶在有機合成中扮演的重要角色是不對稱合成或折分醇、醛、酮、酸、胺、醯胺、氨基酸、抗生素、糖苷酶抑制劑及抗病毒葯物等手性葯物。如：農葯、葯物、香料、殺蟲劑、除蟲劑、昆蟲激素、信息素等。只有特定的手性才具有生物活性，直接關繫到葯理作用，毒副作用，葯效時間及療效等，在有機材料中，如液晶，「靶」性化合物，半導體及導電性功能高分子材料，手性組分決定其物理性能。
水解酶類、氧化還原酶類、裂解酶類、連接合成酶類、異構酶類及轉移酶類均可用於有機合成及手性化合物合成。如脂肪酶可廣泛用於合成各種氨基酸、羧酸、手性醇等。利用酶在非水相中酯化或轉酯化可折分得到光學純的外消旋羧酸及醇手性葯物中間體。蛋白酶用於不可逆的大肽鏈合成。糖基化轉移酶可合成有醫用價值的糖基化蛋白質。大多數醇脫氫酶及羥類固醇脫氫酶催化羥—酮的氧化還原制備葯物、信息素、甾類、三羧酸鉻復合物及合成纖維等。酵母醇脫氫酶主要催化脂肪醇或醛酮氧化還原，馬肝醇脫氫酶對肪肪環烷醇或醛酮專一氧化還原，而甾醇脫氫酶主要催化稠環脂肪醇或醛酮的氧化還原，氧酶合成鏈烯化合物，環化酶合成甾體和萜烯類化合物。
在酶合成具有特色的功能性高分子材料方面，如過氧化物酶催化酚及芳香胺類的聚合反應，這類分子材料剛性增強且有明顯導電性，與金屬離子絡合性，場致發光性及制備為納米材料。酪氨酸酶聚合多巴胺合成有導電性能的聚吡咯薄膜材料用於生物感測器。脂肪酶和鹼性蛋白酶在非水介質中催化羥基羧酸酯自身縮合得到高分子聚酯或聚糖醇。大環內酯常用於合成抗生素中間體，香料添加劑，昆蟲性外激素及植物生長調節因子及液晶類化合物中間體，聚酯可被生物降解，用於控制葯物釋放，包裝材料，消除白色污染。
酶法聚合物在結構、性質和功能上與化學法相比較存在明顯差異，具有化學法無法聚合一些物質的優勢。手性生物合成仍處於探索階段，改進酶催化的選擇性及優化合成工藝路線，相信在近期會取得重大進展。
四、構建新酶———抗體酶、核酶及人工合成酶是一個前沿生長點
構建有別於天然功能酶的新酶類，是酶工程研究的又一前沿領地。
催化抗體（Catalyticantibody）並稱抗體酶（Abzyme）是人們賦予其催化功能的免疫球蛋白，抗體是目前最大的多樣性家族，與抗原有結合部位與酶相似，但無催化活性。酶促催化在於與底物結合產生過渡態，降低能障。人們設想以過渡態類似物作為半抗原用誘導法、拷貝法、插入法、化學修飾法和基因工程法，制備有催化功能的抗體酶，在哺乳動物中已制備了五十多種抗體酶，以及催化羧酸酯水解的分枝酸變位酶，有膽鹼酯酶及過氧化物酶活性的抗體酶，抗體酶的研究可為酶作用機理及過渡態理論提供依據，可以用來設計出專一性強的多肽水解酶去破壞病毒蛋白或清除血管凝血塊的抗體酶或用於吸毒、癌症葯物治療減輕化療副作用，以及制葯工業的對映體折分，但大多數抗體酶催化效率與天然酶仍相差很遠，急需建立抗體基因文庫，用基因克隆突變技術，催化輔因子引入技術，正確選擇過渡態類似物，探討酶結構與功能的分子關系，才能真正獲得有特殊用途的抗體酶。
分子剪接——核酶（Ribozyme）近年來發現RNA也是一種多功能催化劑，稱為核酶，可催化四種類型的RNA自我切割及斷裂反應，RNA還具有催化自身復制功能，這發現打破了只有蛋白質才有催化功能的概念，也提供了先有核酸，後有蛋白質的自然進化證據，是生命進化過程中有信使及催化自身復制功能的最簡單、經濟的RNA原始世界。
我們可設計各種用途的核酶，治療植物及人畜病毒病、遺傳病或癌症。最終目標是構建出一套核酶能在細胞質中高效表達的系統。
人工合成酶（Synzyme）是合成具有催化功能的高聚物分子，目前使用分子印跡和生物印跡技術制備人工酶，原理與抗體酶過渡態理論大致相同，已經初步制備了具有蛋白酶功能，氧化還原酶催化功能的人工酶，人工酶亦可用於手性葯物及化合物的分離純化及生物感測器的分子識別，目前人工酶的催化轉換數仍很低，需要多學科配合，對酶催化分子機理的深入了解，才會有可能在特殊反應中優於天然酶。
酶學與酶工程的研究領域還有固定化生物催化劑及酶反應器的工業應用，以及作為生物功能信息分子參與生命過程調控的糖葯物酶促合成的糖工程等，相信在電子信息技術，高物理、化學技術、生物高技術密切合作的時代，酶工程必然會走向深化境界，無論在理論上或在應用上將有更大的創新性成就。

㈡ 請教低聚糖廢水的處理

好氧池的作用是讓活性污泥進行有氧呼吸，進一步把有機物分解成無機物。去除污染物的功能。運行好是要控制好含氧量及微生物的其他各需條件的最佳，這樣才能是微生物具有最大效益的進行有氧呼吸。
厭氧處理是利用厭氧菌的作用，去除廢水中的有機物，通常需要時間較長。厭氧過程可分為水解階段、酸化階段和甲烷化階段。
水解酸化的產物主要是小分子有機物，使廢水中溶解性有機物顯著提高，而微生物對有機物的攝取只有溶解性的小分子物質才可直接進入細胞內，而不溶性大分子物質首先要通過胞外酶的分解才得以進入微生物體內代謝。例如天然膠聯劑（主要為澱粉類），首先被轉化為多糖，再水解為單糖。纖維素被纖維素酶水解成纖維二糖與葡萄糖。半纖維素被聚木糖酶等水解成低聚糖和單糖。
水解過程較緩慢，同時受多種因素的影響，是厭氧降解的限速階段。在酸化這一階段，上述第一階段形成的小分子化合物在發酵細菌即酸化菌的細胞內轉化為更簡單的化合物並分泌到細菌體外，主要包括揮發性有機酸（VFA）、乳醇、醇類等，接著進一步轉化為乙酸、氫氣、碳酸等。酸化過程是由大量發酵細菌和產乙酸菌完成的，他們絕大多數是嚴格厭氧菌，可分解糖、氨基酸和有機酸。

㈢ 如何處理甘薯澱粉生產中的廢水廢渣

甘薯澱粉生產過程中要產生大量的廢水，廢水消化處理可採取減排法，通過循環利用版，提高水的利用率，減少權排放量。通過設計科學合理的工藝流程，使不同潔度的水用於不同需要，精加工廢水用於粗加工的洗滌和分離，必要時增加過濾和沉降設施；土地吸納直接澆灌法，是將廢水直接排放到閑茬秋翻地，通過土壤吸納和微生物降解等過程，為下一茬作物提供土壤的肥力積累；蓄納降解法，是將廢水用水池蓄納起來，讓其自然降解後，再用於農田灌溉；建立污水處理系統，此法運轉成本高，對於小型企業和農戶難以採納。

甘薯在生產澱粉過程中同時產生大量的薯渣，由於薯渣里含有豐富的膳食纖維（一般含25%～30%），利用薯渣提取膳食纖維可以變廢為寶，提高甘薯資源的綜合利用率，增加農民收入，其工藝流程為：薯渣（乾粉）→粉碎→α-澱粉酶水解→鹼處理→酸處理→糖化酶水解→過濾→洗滌→烘乾→粉碎、過篩→成品。

㈣ 酶的應用

酶在生產和生活中的應用
自19世紀末德國生物學家畢希納（Edward
Buchner）證明酵母無細胞提取液能使糖發酵產生酒精，第一次提出酶的名稱以來，人類已經發現並鑒定出3000多酶。酶作為一種催化劑，已被廣泛地應用於輕工業的各個生產領域。近幾十年來，隨著酶工程的迅猛發展，酶在生物工程、生物感測器、環保、醫葯等方面的應用也日益擴大，可以說酶已成為國民經濟中不可缺少的一部分，現實生活中，人們的衣、食、住、行及其他方面的新技術幾乎都離不開酶。
常見的酶在生產和生活中的應用
洗滌劑工業：
（加酶洗衣粉等）鹼性蛋白酶類
易於洗去衣物上的血漬、奶漬等污漬，加酶洗衣粉不能用於絲、毛等天然蛋白質纖維類織品的洗滌。
澱粉酶類
餐廳洗碗機的洗滌劑，用於去除難溶的澱粉殘跡等
烘烤食品：
真菌產生的a一澱粉酶
催化澱粉降解成可被酵母利用的糖，麵包等食品製作等
蛋白酶類（餅干松化劑）
製作餅干過程中，水解麵粉中的蛋白質；乳製品生產中，水解乳清蛋白。有利於食品中蛋白類營養的消化吸收。
釀酒工業：
麥芽中的澱粉酶、蛋白酶、葡聚糖酶。
將釀酒原料澱粉和蛋白質降解成能被酵母利用的單糖、氨基酸和肽，從而提高乙醇的產量。
β一葡聚糖酶
分解β-葡聚糖，降低麥汁粘度，加快麥汁過濾速度，避免因β-葡聚糖引起的啤酒混濁。
木瓜蛋白酶
去除啤酒儲存過程中生成的混沌物
肉類烹飪：
木瓜蛋白酶（嫩肉粉）菠蘿蛋白酶
分解肉的膠原蛋白，使肉類嫩滑。木瓜蛋白酶的最適宜溫度為600C，適宜pH7-7．5，不要在高溫和酸性環境下使用。
乳製品工業：
凝乳酶
乳酪生產的凝結劑，並可用於分解蛋白質。
乳糖酶
降解乳糖為葡萄糖和半乳糖，獲得沒有乳糖的牛乳製品，有利於乳品的消化吸收：
果汁生產：
果膠酶、纖維素酶。
處理果肉，提高出汁率、縮短出汁時間、提高果汁質量。
製糖工業：
澱粉酶等
將澱粉轉化為葡萄糖及各類糖漿
葡萄糖異構酶
用於將葡萄糖轉化為甜度高的果糖，生產高果糖漿。
紡織工業：
澱粉酶
廣泛地應用於紡織品的褪漿，其中細菌澱粉酶能忍受100～110℃的高溫操作條件。
纖維素酶
代替沙石洗工藝處理製作牛仔服的棉布，提高牛仔服質量。
製革工業：
胰蛋白酶類
除去毛皮中特定蛋白質使皮革軟化，也可用於皮革脫毛。
醫療和葯品工業：
胰蛋白酶
用於促進傷口癒合和溶解血凝塊，還可用於去除壞死組織，抑制污染微生物的繁殖；
青黴素醯化酶
將易形成抗葯性的青黴素改造成殺菌力更強的氨苄青黴素
L一天冬醯胺酶
用於治療癌症，剝奪癌細胞生長所需的營養。
溶菌酶（黏多糖溶解酶）
破壞革蘭氏陽性菌細胞壁而殺死細菌。抗菌、止血消腫、加快傷口癒合，也用於治療鼻炎、咽喉炎、口腔潰瘍等。
酪氨酸酶
生產（神經遞質），多巴用於治療帕金森綜合症。
尿激酶、鏈激酶
溶血栓劑，治療血栓病。
蛋白酶等（多酶片）
治療消化不良，許多酶在醫療中還可作為診斷試劑。