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山东省生物传感器重点实验室

山东省生物传感器重点实验室

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  山东省科学院生物研究所是国内首家生物传感器研究开发实用化取得成功的单位。研制的SBA-系列生物传感器得到了较广泛的应用,包括:在中国体育界普遍用于监控运动员有氧呼吸能力的乳酸传感器,列入中国国家标准:"食品中葡萄糖分析"的葡萄糖传感器,在中国的谷氨酸行业已成龙配套普及用于监控生产过程的谷氨酸、乳酸和葡萄糖传感器,和酒精、蔗糖、尿素、次黄嘌呤、肌苷、糖化酶、乳糖等生物传感器。这些传感器结合样品处理手段,可以衍生出数十种物质的生物化学测定分析方法。

  * 在运动科学中的应用

  用化学法测定乳酸,测试步骤多,技术上较复杂,测定20-30个血样需2-2.5小时,而用乳酸生物传感器测定血乳酸的响应时间只需要20秒,整个操作周期只需2分钟,方法非常简单,因此得到广大体育科研人员的欢迎。目前中国体育界共约有200多台乳酸生物传感分析仪在运行中,其中三分之二是国产的SBA系列生物传感器。此外,乳酸传感器还用在谷氨酸发酵控制和保健功能食品的检定中。

  * 在工业控制中的应用

  1、 淀粉糖生产过程中葡萄糖的生物传感器检测

  近年来双酶法生产葡萄糖的技术在中国得到了长足的进步和发展,其表现是: ①高活力的α-淀粉酶和糖化酶的采纳,使水解糖中外源性蛋白质能够成倍地减少;②酶工艺特性的改善,耐高温α-淀粉酶和低糖苷酶活性的糖化酶的应用,大大改少了糖化中出现的副产物:③蒸气喷射液化技术的普及化,使不溶性淀粉料浆处理的难度得到克服,糖液的浓度提高,同时充分发挥了耐高温α-淀粉酶的效能;④生产厂家认识到淀粉原料固有的质量对糖液质量的影响。

  尽管在双酶法制糖技术上有了上述有利条件和发展,制糖过程控制技术却仍然处在沿用几十年一直使用的老方法:使用费林法滴定还原糖的浓度,其结果得到的是糖化过程中葡萄糖变化不完全正确的信息。制糖过程的检测和控制的手段和方法问题成为糖化工艺中的"瓶颈"部位,有待我们化大力气去解决它。

  SBA系列葡萄糖传感器的普及应用和国家标准GB/T16285-1996的发布实施为葡萄糖的科学分析提供了新的快速而以简便的方法。双酶法制糖过程中新的控制手段的研究提到了日程。葡萄糖传感器在制糖中的应用包括:淀粉含量的测定、液化工艺过程的控制、糖化过程检测、糖化酶活力的快速测定等。

  2.、离子交换过程

  离交过程中生化成分变化的在线检测离交回收工序是提高味精工厂谷氨酸总提取率的重要途径。我国95年十家味精企业的谷氨酸提取率为91.76-87.90%,这就是说谷氨酸离交工序的提取率还很低,约为43.9-55.9%,其中浪费损失还不少;用SBA-谷氨酸传感器监控离交过程,可以方便地杜绝谷氨酸在离子交换过程中的流失。

  3.、用乳酸传感器检测发酵中微生物的供氧状况

  由于乳酸传感器在发酵控制上有特殊重要的用途,在相当一部分味精厂已经普及,仅周口莲花企业集团、济宁菱花企业集团二个单位应用的30多台SBA-40型生物传感分析仪中有三分之一是用于乳酸分析的。

  济宁味精厂寇天平、周口味精厂张灿丽、曹北斗都证明了乳酸含量和谷氨酸产量的关系。根据乳酸含量调节和选择发酵罐最佳通气量,对尽快稳定生产工艺条件起到积极作用。

  在发酵过程中,中期乳酸升高然后下降,是正常的现象;各种各样的原因都会造成发酵后期乳酸含量的增高,对造成发酵液中乳酸值变高原因的分析,常常成为发酵过程工艺分析的焦点,对车间的稳产高产起举足轻重的影响。实践表明:由于现发酵罐溶解氧测定技术的限制,通过乳酸检测来判断和控制微生物的需氧状况,是目前发酵控制最省钱最有效而又可靠的方法。

  4.、生物传感器为发酵生产过程提供了离线和在线控制的新途径

  八十年代开始,电子计算机在生物技术领域的应用越来越广泛,目前一些较先进的商品发酵罐都可以用电子计算机进行(温度、罐压、搅拌速度、空气流量、pH、溶解氧、消泡、氧化还原电位等)参数测量和控制。但是一些对控制发酵过程至关重要的参数,如底物、产物、中间产物、细胞浓度、发酵液的粘度、气液界面面积等,却还不能顺利地进行联机(在线)测量和控制。这主要是由于缺乏可以发挥电子计算机潜在全部优点的、适合自动监控发酵过程中某些参数的传感器。生物传感器、自动化分析方法以及电子计算机与生物技术之间接口技术的发展,将扩大计算机技术在微生物工程方面的应用范围,使发酵生产过程实现高度自动化。由计算机控制的发酵罐谷氨酸、葡萄糖、乳酸成分的在线分析联罐分析已实验运行了3年。

  5、 新型食品添加剂L-乳酸发酵生产中的应用:市场上习惯称呼的乳酸实质上是D-、L-二种异构体混旋的,D-乳酸是人体不能吸收的。对D-L-乳酸的区分是乳酸生物传感器的特点。SBA-提供的是L-乳酸传感器,它是L-乳酸研究、生产过程控制的必需工具。

  6.、其它SBA-系列生物传感酶膜品种,包括:酒精(酒度快速测定)、血尿素(疲劳恢复程度的测定)次黄嘌呤(动物体腐败的指标)、蔗糖(食糖分析)、胆碱(胆碱脂酶测定)、甘油(甘油分析)等,可根据用户的特殊要求,提供有关底物的专用酶膜、配套的标准液和分析测定样品的方法。例如在酒类分析中,可以方便地用于酒精蒸馏中废水的跑酒量分析,黄酒和葡萄酒中的葡萄糖含量分析,和用作干(红、白)葡萄酒残余糖份的质量控制,使产品不致过度发酵。

  * 食品分析:许多食品分析项目可以用SBA生物传感器来测定,如淀粉、糊精、蔗糖、乳糖、乳酸、酒类(葡萄酒、黄酒、啤酒、白酒、果酒)、饮料、农产品,应用范围极广。用户可以在已有传感器基础上自行开发其用途。