現(xiàn)代生物化工中酶工程技術(shù)研究與應用

段濤

摘要：酶是人體新陳代謝中不可或缺的催化劑，在加快新陳代謝速度、促進化學反應等方面發(fā)揮著巨大的作用，隨著現(xiàn)代生物化工技術(shù)的進步發(fā)展，以及人們對基因工程和細胞工程的研究不斷深入，酶工業(yè)化量產(chǎn)不斷取得突破進展，并為生物工程的應用提供了更大的發(fā)展空間。在酶工程的實施過程中，其主要是通過使用蛋白質(zhì)工程技術(shù)或化學修飾法改變酶分子，繼而改變酶的性質(zhì)，從而使酶產(chǎn)生不同的作用，并在環(huán)境、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用?；诖耍疚木同F(xiàn)代生物化工中酶工程技術(shù)研究與應用進行了分析。

關(guān)鍵詞：生物化工;酶工程技術(shù);應用

酶在各行各業(yè)中的應用是通過酶工程技術(shù)對原料進行生物催化，通過生物催化制備使酶在不同的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮不同的作用。目前，酶工程技術(shù)在在現(xiàn)代生物化工中研究不斷深入，酶工程的主要任務已經(jīng)從最開始的單純提高酶產(chǎn)量過渡到對酶的生物學性質(zhì)進行特征性研究與改變，其在提升各行業(yè)經(jīng)濟效益上具有十分重要的現(xiàn)實意義。

一、酶工程技術(shù)概述

（一）生物酶

（1）生物酶特點。生物酶其本質(zhì)屬于蛋白質(zhì)，主要成分為DNA。生物酶的酶分子結(jié)構(gòu)由氨基酸長鏈組成，與蛋白質(zhì)類似，并且具有極強的催化功能。生物酶具體的特點主要有以下幾點：一是能夠隨時調(diào)節(jié)酶的活力，由于存活的蛋白酶具有較好的特性，因此類型不同的蛋白酶可以利用一定的機制來達到個體之間的彼此結(jié)合，從而提高其催化活力的效果;二是生物酶具有專一性，只是對于一種化合物將自身的催化作用作用于此;三是生物酶的催化效率較高，酶的催化效率比其高1013倍，是一般催化劑不可達到的效率;四是酶的穩(wěn)定性能較差，其正常的催化作用中交易受到一些因素的影響而導致蛋白質(zhì)問題，造成酶活性消失。

（2）生物酶作用。生物酶的主要作用是催化，它包括分解系酶、合成系酶兩大類，每類又包含不同種的生物酶。不同的生物酶有著不同的催化作用。比如溶解酶可以起到抗菌消炎的作用;果膠酶可以起到水解聚半糖醛酸酯的作用;脂肪酶可以起到水解脂肪酸和甘油的作用;蛋白酶可以起到水解酪蛋白、明膠的作用等等。

（二）酶工程技術(shù)原理

酶工程技術(shù)在實施過程中主要就是通過生物酶的催化反應使置于同一生物反應容器中的動植物細胞、微生物細胞、酶等原料與催化酶發(fā)生性質(zhì)上的變化，從而使其產(chǎn)生不同的作用。在其反應過程中，由于生物酶的化學反應速率會受到生物酶的分子活性影響，因此對生物酶制劑采用分離提純技術(shù)可以有效提高純度、收率、活性。

（三）酶工程技術(shù)的研究

人們對酶的應用最先就是在食品行業(yè)中，借助微生物中酶的作用來生產(chǎn)咸菜、腐乳和泡菜等，還有1857年法國微生物學家巴斯德與德國化學家李比希發(fā)現(xiàn)釀葡萄酒的過程中正是因為酵母細胞的發(fā)酵，在此之后的100年時間里，人們完成了從酶是什么的探討到酶工程成為一門獨立學科的質(zhì)的飛躍。直至20世紀70年代固定化酶及其相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)生擴大了其應用范圍，在我國針對酶工程的研究已經(jīng)逐漸深入，此技術(shù)在實際應用中包含著許多豐富的內(nèi)容，如酶分離提純技術(shù)、酶源開發(fā)技術(shù)等。基因工程的技術(shù)優(yōu)勢可改變酶的結(jié)構(gòu)，增強酶的穩(wěn)定性，形成具有特定順序序列的氨基酸結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)出具有良好功能特性的生化產(chǎn)品。在現(xiàn)代生物化工發(fā)展過程中，酶的存在發(fā)揮著重要的作用。

二、酶工程相關(guān)技術(shù)

（一）酶分子修飾技術(shù)

酶在進行催化反應的時候?qū)ψ匀唤绲沫h(huán)境要求較高，因此并不適應與工廠環(huán)境，通過使用酶分子修飾技術(shù)能夠降低酶對條件的依賴，其主要是利用傳統(tǒng)突變技術(shù)和分子生物學技術(shù)將蛋白質(zhì)上一個或一些氨基酸修飾替換掉，以此來達到目的。

（二）酶的固定化技術(shù)

酶一般是可溶于水的，因此其在與反應物充分結(jié)合催化反應后會出現(xiàn)無法與產(chǎn)物進行分離的情況，這就導致酶無法重復被利用，而且產(chǎn)物也因此受到污染，純度不夠，質(zhì)量不高，而通過酶的固定化技術(shù)能夠?qū)⒚甘`在某些難溶的固體或膠體材料中使其與反應物充分接觸并催化反應的同時防止被水溶解，主要的方法有包埋法、物理吸附法等，其中包埋法適用于包埋細胞，其主要是利用櫻花細胞，成本較低，但是催化效率較低和專一性較差;物理吸附法效果較好，其會利用活性炭、氧化鋁、硅藻土等多孔材料將酶吸附而不引起酶變性或失活。

（三）非水相反應

酶工程技術(shù)在使用過程中也逐漸暴露出一些問題，比如活力不高，穩(wěn)定性較差等，但是人們經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)酶在非水介質(zhì)中催化的一些優(yōu)勢遠大于在水溶液中的催化，即非水相催化，因此當?shù)孜锘虍a(chǎn)物其中之一具有疏水性的情況下可以在非水介質(zhì)中催化，從而大大提高其溶解度，解決難以在水中實現(xiàn)的合成反應。

三、現(xiàn)代生物化工中酶工程技術(shù)的應用

（一）醫(yī)學領(lǐng)域

酶工程在醫(yī)學領(lǐng)域方面的應用時間較早，一是在遺傳病的治療上，比如白化病患者皮膚和毛發(fā)異常的問題，這主要是原因先天性原因造成酶代謝失常，這時候就可以使用生物酶來提高代謝;二是可以利用生物酶診斷疾病，主要是因為酶在人體各項組織中存在并且具有一定的活性，因此檢測酶的活性就可以診斷相應的疾病;三是酶工程在疾病防治中也發(fā)揮著重要的作用，比如可以用于消化不良輔助藥物中，包括多酶片、蛋白酶等藥物，還可以用于外傷輔助治療，應用于胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶，能夠清理外傷化膿傷口以及胸、腹腔黏膜粘連，除此以外，生物酶彈性蛋白的作用可以用于蛋白血癥的治療，治療效果優(yōu)異。

（二）人體領(lǐng)域

利用生物酶催化養(yǎng)分，可以顯著提升細胞的活性，能夠起到消炎、抵抗惡性腫瘤發(fā)展、凈化血液等作用。與此同時，生物酶還可以有效補充人體免疫物質(zhì)，提升營養(yǎng)物質(zhì)的利用和吸收效果，在保健方面也發(fā)揮著重要的作用。

（三）畜牧業(yè)

畜牧業(yè)領(lǐng)域中生物酶的應用可以追溯到19世紀，其主要就是應用在多種畜牧飼料中，常使用的生物酶有微生物復合酶、淀粉酶等，其在促進動物成長、提升飼料使用效率、增強動物免疫力等方面發(fā)揮著重要的作用。除此以外，在一些存活率較低的幼小動物中使用生物酶飼料可以提升動物存活率，盡可能地減少獸藥的使用，為畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實的基礎。而且酶工程技術(shù)還能夠?qū)⑷祟惿睢⑸a(chǎn)中含有大量蛋白質(zhì)廢棄物經(jīng)過處理后用于畜牧業(yè)生產(chǎn)中，從而降低畜牧業(yè)的生產(chǎn)成本，而如何降低酶工程施工過程中的處理問題也是當前的主要研究方向。

（四）遺傳育種

在遺傳學規(guī)律的基礎上，可以將生物酶作為標記物來確定植物在種群中的親緣系統(tǒng)，因此在農(nóng)業(yè)上生產(chǎn)中就可以根據(jù)此技術(shù)來培育良種提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量。除此以外，其遺傳標記的作用還能夠應用在親子關(guān)系鑒定中，進一步提高了親子鑒定的準確性和效率。隨著基因工程、細胞工程等的不斷深入發(fā)展，酶工程技術(shù)在應用過程中其遺傳標記流程和方式也發(fā)生了變化，其發(fā)展空間不斷擴大，在遺傳育種方面方具有十分重要的現(xiàn)實意義。

（五）釀酒工業(yè)

麥芽是啤酒生產(chǎn)的主要原料，在生產(chǎn)過程中如果存在麥芽質(zhì)量欠佳或大米等輔助原料使用量較大的情況時就會造成淀粉酶、β一葡聚糖酶、纖維素酶的活力不足的問題，因此啤酒釀造過程中會出現(xiàn)不能充分糖化、蛋白質(zhì)降解不足情況，使啤酒的風味和吸收率受到一定的影響，在酶工程技術(shù)的支持下，越來越多的企業(yè)生產(chǎn)廠家開始使用微生物淀粉酶、蛋白酶、β一葡聚酶等制劑，將其加入到釀酒的生產(chǎn)過程中能夠避免麥芽中酶活力不足的缺陷出現(xiàn)，從而提高啤酒的風味與吸收率。

（六）洗滌工業(yè)

在洗滌工業(yè)中，主要是進行加酶洗衣粉的生產(chǎn)，經(jīng)常使用的有蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等幾種，其去污能力強，能夠應對多種污漬。比如蛋白酶可以將蛋白質(zhì)水解后變成可溶性的氨基酸，因此加入蛋白酶的洗衣粉可以輕易去除衣物上沾上的果汁、奶制品、咖啡等;脂肪酶可以在低溫狀態(tài)下去除脂肪，由于脂肪酶具有累積效果，因此其去污能力和洗滌次數(shù)呈正比;淀粉酶可以水解淀粉，沾上面條、土豆泥、巧克力等污漬的衣物可以使用加入淀粉酶的洗衣粉，從而大大提高去污效果。

四、酶工程的未來發(fā)展

酶作為一種高效的生物催化劑在各行業(yè)領(lǐng)域得到普及應用的同時也出現(xiàn)了一系列的問題，比如國產(chǎn)酶種類相對單一、復合酶技術(shù)不甚成熟等，而且酶產(chǎn)品精度并不夠，一些產(chǎn)品還是粗加工產(chǎn)物，同時酶工程技術(shù)應用過程中也會產(chǎn)生廢物，因此這些問題都需一步步進行解決。除此以外，我們現(xiàn)在所使用的酶幾乎全部都要靠自然界中已有的酶提供，石油工業(yè)等有機化工領(lǐng)域大多還采用無機催化劑，因此還需要加強研究，以便可以人工制備并大量生產(chǎn)最符合人類需求的酶。新酶的設計與制作，將會使得酶工程豐富性得到巨大的提升，使得目前很難進行或者很難量產(chǎn)的酶促反應實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。酶的優(yōu)化生產(chǎn)將進一步提高現(xiàn)階段反應的效率和產(chǎn)量，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量與數(shù)量，可以說，酶工程在未來將會發(fā)揮越來越重要的作用，對提高現(xiàn)代社會的生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率發(fā)揮著十分重要的現(xiàn)實意義。

五、結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代生物化工的發(fā)展有效地提高了各行業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)效率，其中酶工程技術(shù)的研究與應用更是豐富了酶業(yè)和酶化學工業(yè)，其應用范圍也在不斷的擴展當中，在醫(yī)學領(lǐng)域、人體領(lǐng)域、畜牧業(yè)等各方面都發(fā)揮著重要的作用，面對當前酶工程應用中存在的問題，還需要相關(guān)技術(shù)人員能夠加強研究，不斷擴大其應用范圍，從而提現(xiàn)代生物化工的發(fā)展水平。

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