第四節(jié)　酶工程

一個(gè)科學(xué)家應(yīng)該考慮到后世的評(píng)論，不必考慮當(dāng)時(shí)的辱罵或稱贊。

——巴斯德（法國）

20世紀(jì)60年代末期，固定化酶技術(shù)得到完善，并被應(yīng)用到合成青霉素和玉米淀粉、果糖漿等工業(yè)生產(chǎn)中。如今，酶制劑已廣泛應(yīng)用在食品、醫(yī)藥、造紙、紡織、清潔等生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。

（一）什么是酶和酶工程

酶是由細(xì)胞所產(chǎn)生的具有催化功能的蛋白質(zhì)。它們可特定地促使某個(gè)化學(xué)反應(yīng)而它們本身卻不參與反應(yīng)，且具有反應(yīng)效率高、反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)產(chǎn)物污染小、能耗低、反應(yīng)容易控制等特點(diǎn)。

酶是生命活動(dòng)的代謝產(chǎn)物，又是生命活動(dòng)必不可少的催化劑，沒有酶，生命活動(dòng)就無法進(jìn)行。例如，我們每天吃的食物都必須在胃分泌的胃蛋白酶和胰臟分泌的淀粉酶、胰蛋白酶和脂肪酶等的作用下，分解成葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和甘油等小分子，才能透過小腸壁，被組織吸收和利用；而人體生長(zhǎng)的時(shí)候，體內(nèi)又會(huì)進(jìn)行各種蛋白質(zhì)、脂肪等的合成反應(yīng)，這些合成反應(yīng)也需要在酶的催化下完成。這些由活細(xì)胞產(chǎn)生的特殊蛋白質(zhì)不僅是生物自身的催化劑，脫離了活細(xì)胞后在一定的條件下也還能保留催化活性。工業(yè)上可以把酶制成合適的制劑來使用，通常把源于生物的具有催化活性的含酶制劑統(tǒng)稱為生物催化劑。生物催化劑主要來自微生物，這些純天然來源的催化劑加工出來的產(chǎn)品也具有純天然的本色。

酶是個(gè)大家族，至今已知的酶近3000種。各種酶催化的反應(yīng)性質(zhì)不相同，人們?cè)诹私饷傅膬?yōu)點(diǎn)和特性以后，就設(shè)法有目的地利用酶，并制成適用于不同場(chǎng)合的酶制劑。引入液體深層通氣發(fā)酵生產(chǎn)法以后，近代酶制劑工業(yè)才得以迅速發(fā)展，至今上市的工業(yè)酶制劑幾乎全都由微生物發(fā)酵生產(chǎn)的。由于所用的原料是易得到的大宗產(chǎn)品，來源廣，價(jià)格便宜，微生物種類多，通過選育增產(chǎn)容易，增幅大，產(chǎn)酶量甚至可增加1000倍。

所謂酶工程，就是在一定的裝置中，利用酶的特異催化功能，快速、高效地將相應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)的技術(shù)。酶工程的范圍大致包括酶生產(chǎn)、酶的固相化技術(shù)、酶的化學(xué)修飾、酶反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、酶在工農(nóng)業(yè)和醫(yī)療中的應(yīng)用等。近年來，隨著酶技術(shù)研究的深入發(fā)展，酶工程又增加了不少新的內(nèi)容，如模擬酶、抗體酶、核酸酶、酶標(biāo)免疫分析和酶?jìng)鞲衅鞯取?/p>

（二）酶工程的應(yīng)用

（1）食品工業(yè)

圖9-12　木瓜酶

圖9-13　食品級(jí)脂肪酶

圖9-14　蛋白酶

食品工業(yè)與日常生活息息相關(guān)，也是最早、最廣泛使用生物催化劑的領(lǐng)域，已經(jīng)應(yīng)用的酶有幾十種。國內(nèi)外大規(guī)模生產(chǎn)的α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、葡萄糖異構(gòu)酶、葡萄糖氧化酶、果膠酶、脂肪酶、纖維素酶等酶制劑的主要用戶也是食品行業(yè)。由于酶催化劑具高效性、強(qiáng)專一性和溫和性，尤其適用于食品加工。

（2）醫(yī)藥工業(yè)

在醫(yī)藥工業(yè)上，治療疾病、制造藥物都可以利用酶。直接作為治療劑的酶中，從動(dòng)植物提取的占了相當(dāng)大的比例，如從豬胰臟中提取的具有淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶活性的口服助消化劑多酶片，清除創(chuàng)傷、燒傷、潰瘍等壞死組織的菠蘿酶和木瓜蛋白酶消炎劑，從雞蛋清提取的抗菌消炎的溶菌酶，以及從人尿和蚯蚓中提取的溶血栓藥物尿激酶和溶纖酶等。從用發(fā)酵法培養(yǎng)的微生物菌中獲得的作治療用的酶，種類多，具有用基因工程技術(shù)大幅度提高產(chǎn)量和使微生物產(chǎn)生動(dòng)植物中的酶的優(yōu)勢(shì)。

治療白血病的天門冬酶目前從大腸桿菌菌體中提取；臨床診斷用酶是在體外通過檢測(cè)酶與血和尿液中的糖、脂肪、膽固醇、尿酸等物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的量作為診斷指標(biāo)的，常配備測(cè)定用試劑和器具，組裝成試劑盒上市。

（3）日用化學(xué)

洗衣粉的配方中通常會(huì)含有40%左右的聚磷酸鈉，還含有表面活性劑和氧化劑等主要成分。由于洗衣后排放的廢水中的磷酸鹽會(huì)造成富營養(yǎng)化水體，導(dǎo)致相當(dāng)嚴(yán)重的環(huán)境問題，所以低磷和最終使用無磷洗衣粉是發(fā)展的必然趨勢(shì)。添加洗滌用酶可增強(qiáng)洗滌效果，并可彌補(bǔ)低磷和無磷配方洗衣粉去污力下降的缺陷。加酶后的洗衣粉在較低的溫度下（20～40℃）洗滌效果非常優(yōu)越，而不必在60℃的條件下洗滌，這大大節(jié)約了洗滌所耗費(fèi)的電能。添加的洗滌用酶約占洗衣粉重量的1%。生產(chǎn)酶所耗的能量不大，所耗能源不到洗滌過程能耗的1%。經(jīng)比較，用全自動(dòng)洗衣機(jī)洗滌3千克衣服，洗滌溫度從60℃降到40℃可使耗電量從1.2千瓦·時(shí)降到0.8千瓦·時(shí)，而生產(chǎn)所添加的酶只耗電0.0068千瓦·時(shí)，節(jié)能效果非常明顯。

（4）精細(xì)化工和有機(jī)化工

生物催化劑通常用于制備高附加值的精細(xì)化工產(chǎn)品，如氨基酸、核苷酸、糖脂及其衍生物。現(xiàn)在，用酶轉(zhuǎn)化大規(guī)模生產(chǎn)大宗有機(jī)化工產(chǎn)品也已成為一個(gè)新興的領(lǐng)域。

用酶催化或用酶合成二聚體、三聚體后再用化學(xué)法連接的化學(xué)酶法以及酶法修飾高分子化合物等方法，在聚酯、聚酰胺、聚丙烯酸、聚酚等高分子化合物合成中的應(yīng)用會(huì)不斷增加。這些新型材料可用于加工成吸水劑、水凝膠、生物可降解材料等多種產(chǎn)品。酶法合成的簡(jiǎn)便和高度選擇性必將在高分子化學(xué)工業(yè)這一龐大且品種多樣的工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮越來越明顯的作用。

（5）飼料工業(yè)

酶制劑可以大大增加飼料的質(zhì)量，與其他添加劑不同的是它能消除飼料中的有害物質(zhì)并使不能利用的成分轉(zhuǎn)變?yōu)榭晌绽玫某煞?。飼料中有選擇地添加一些酶，不但有利于動(dòng)物的生長(zhǎng)、增重及充分利用飼料，而且能減少糞便量，減輕臭味和磷對(duì)環(huán)境的污染。

（6）紡織工業(yè)

在紡織工業(yè)中，酶法工藝不但效率高，能耗低，而且加工過的織物損傷少，毛細(xì)管效應(yīng)增加，染色均勻鮮亮。如用中性蛋白酶脫除桑蠶和柞蠶絲條織物上的絲膠，只需要在中性條件下，45℃浸泡0.5～1小時(shí)即可完成，相對(duì)于傳統(tǒng)工藝，不但節(jié)省了蒸汽及化學(xué)品，還可使出絲率提高近20%，絲纖維強(qiáng)度、手感、光澤等質(zhì)量指標(biāo)都有提高。

（7）造紙工業(yè)

在造紙的制漿階段使用的酶種——幫助漂白的木聚糖酶以及分解松木紙漿中松脂脂肪的脂肪酶和脫除廢紙油墨的纖維素酶，有利于對(duì)環(huán)境造成的污染。如美國和加拿大的一些公司試驗(yàn)把已商品化的工業(yè)酶用于制漿，僅在紙漿漂白前增加稀木聚糖酶液處理30分鐘，就增加了紙漿的孔隙，有利于漂白階段的木質(zhì)素去除和減小化學(xué)品的用量。不但增加了紙的白度，而且降低了廢液中有機(jī)氯的含量，節(jié)省了用氯量、化學(xué)品量，并使紙漿的強(qiáng)度提高，漿產(chǎn)量增加10%。

（8）環(huán)境保護(hù)

生物催化劑用于工業(yè)生產(chǎn)，節(jié)能降耗，減少污染物的排放，而且在環(huán)境監(jiān)測(cè)和處理污染物方面也有用武之地?；钚晕勰鄮в卸喾N可降解水中污染物的微生物，把這些微生物和它們的酶制成固定化生物催化劑，能用于處理工業(yè)污水。處理化學(xué)毒物是生物催化劑應(yīng)用的新領(lǐng)域，生物催化劑將不少化學(xué)毒物轉(zhuǎn)化成無毒的生物可降解物質(zhì)。另外，在基因工程中，酶是最重要的工具，利用酶的種類多、專一性強(qiáng)、催化效率高的優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)行臨床診斷，并用于微量檢測(cè)，并監(jiān)控環(huán)境中有毒、有害物質(zhì)的含量。

綜上所述，現(xiàn)代生物技術(shù)上具有其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)越性。面對(duì)人口膨脹、資源枯竭、環(huán)境污染等威脅人類生存的嚴(yán)重環(huán)境問題，生物技術(shù)以其生產(chǎn)效率高，原料具有再生性，產(chǎn)生的污染少，基因重組的微生物甚至還可以消除環(huán)境中的污染物等優(yōu)點(diǎn)，在近20年的發(fā)展中受到了極大的關(guān)注，有人把21世紀(jì)稱為生命科學(xué)的世紀(jì)，將現(xiàn)代生物技術(shù)稱為21世紀(jì)的朝陽產(chǎn)業(yè)。

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【思考題】

1.什么是酶和酶工程？

2.酶工程的應(yīng)用主要表現(xiàn)在哪些方面？

【注釋】

[1]轉(zhuǎn)引自劉嘯霆主編《現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)概論》，北京：高等教育出版社，1999年版，第216頁。