淺談現代生物化工中酶技術的研究與應用

王淑玲

（1.揚子江藥業集團南京海陵藥業有限公司，江蘇 南京 210000；2.南昌大學，江西 南昌 330000）

酶技術又稱酶工程，是將酶學理論與化工技術結合形成的新技術。酶工程是現代生物化工的重要組成部分，其中的工業生物催化技術被認為是繼醫藥、農業之后的第3個浪潮。酶技術包括酶源開發、酶制劑生產、酶分離提純和固定化技術、酶反應器與酶的作用。酶技術已廣泛用于食品、醫藥、輕工業、畜牧業、環保、刑偵等領域，一般用于其中的預防、工藝和甄別檢測等。

1 酶工程發展概況

早在四千多年前，先祖就已經利用了酶的催化作用。17世紀，人們開始對酶有所認識。1833年，Payen和Persoz發現了淀粉酶。19世紀中葉，人們發現了多種來源于動植物的酶。19世紀末期到20世紀中期，屬于酶工程的起步階段，其內容主要是酶的提取與分離、酶的應用兩個方面。20世紀初期，人們開始對酶的化學本質進行研究。20世紀70年代以來，酶工程全面迅速發展，如固定化酶、動植物細胞培養產酶、酶分子修飾、酶非水相催化和酶定向進化技術等。20世紀80年代以來，動植物細胞培養技術、酶分子修飾技術發展很快。20世紀90年代以來，酶定向進化技術發展成為改進酶催化特性強有力的手段。

2 酶工程技術的研究

2.1 酶的提取與分離

酶的提取與分離純化是酶學研究者的一項基本功。作為當代生物產業的核心技術，不僅影響酶的產率、活性，還直接影響到其他技術的發揮，如劉力[1]利用超聲輔助法提取大豆過氧化物酶（POD酶），對大豆不同部位的POD酶含量進行了比較，采用硫酸銨-丙酮沉淀法對POD酶進行了分離純化。唐澤群等[2]采用沉淀法中的有機溶劑法，結合有機溶劑的鹽法、單寧法以及超濾法提取生姜蛋白酶。

2.2 固定化酶技術

固定化酶技術指的是將游離酶通過某些方法限定在一定的空間內或完全附著在一定的載體上，使之不能自由移動，但是仍能保持酶的空間結構和活性中心的完整性，是一種酶工程中應用的主流酶催化技術。酶固定化的核心要求是：酶與載體結合穩定不脫落；酶活不降低，不影響底物與酶分子活性位點的接觸。固定化材料和固定化方法的多樣性為酶的固定化及其應用提供了多種可能性。

2.2.1 固定化材料

目前，最常見的傳統固定化材料分為無機載體材料和有機載體材料。在傳統基礎上改進和創新的載體材料不斷涌現，如林海蛟等[3]以硅藻土作為無機載體，吸附交聯固定化海洋脂肪酶。朱衡等[4]用甲殼素作為載體，固定化海洋假絲酵母脂肪酶。

新型固定化載體材料有復合載體材料、磁性納米材料、磁性介孔材料、以聚合物為基礎的復合材料等。程耕等[5]研究以金屬有機框架（MOFs）為載體的漆酶，Gupta等[6]將脂肪酶固定在磁性納米顆粒（MNP）上，進行酯化反應。

2.2.2 酶的固定化方法

酶的固定化方法分為傳統和新型兩種，傳統的酶固定化方法是指將游離酶固定在載體上，使其不能自由移動，主要包括吸附法、包埋法、共價結合法、交聯法和熱處理法等。

實際上，選取單一方法對酶進行固定化，有時難以滿足所有情況，復合方法彌補了不足。如錢明華等[7]以大孔樹脂為載體，通過吸附-交聯法固定脂肪酶。

新型酶固定化方法突破了傳統的“酶-載體”單一模式，主要包括酶自固定化、酶定向固定化、多酶共固技術等。輔助處理方式有輻射處理、微波處理、磁場處理、超聲波處理等。

2.3 動植物細胞培養產酶

動植物細胞培養產酶指通過特定技術獲得優良的動植物細胞，然后在人工控制條件的反應器中進行細胞培養，以獲得所需的酶。一般由植物細胞產的酶有蛋白酶、淀粉酶、氧化酶和其他酶（如糖苷酶、漆酶、糖化酶等）。由動物細胞產的酶主要有胰蛋白酶、脂肪酶和用于奶制品生產的凝乳酶等。由于涉及技術上、經濟上以及倫理上的問題，從動物或植物組織中提取的酶，已遠遠不能適應現代社會對酶的需求。

2.4 酶的其他方面研究

在酶分子修飾、酶的非水相催化、酶定向進化技術等酶工程領域的研究中，杜偉等[8-10]也取得了很大進展，在此不再一一介紹。

3 酶工程的應用

3.1 酶技術在食品行業中的應用

酶工程技術是最早應用于食品行業中的，而且越來越廣泛地被應用于食品加工、檢測、保鮮等領域。

3.1.1 在工業加工中的應用

酶技術在含甜味劑、調味劑、營養強化劑、香味劑等食品加工中起著非常重要的作用，例如在乳酸飲料、果品罐頭、蛋糕等食品中均添加了甜味劑高果糖漿，占美國可口可樂公司所用甜味劑的50%。

酶制劑可以使果蔬汁得到澄清，且營養豐富，口感清爽。在果蔬加工過程中，常用到果膠酶、纖維素酶、β-葡萄糖苷酶等。

3.1.2 在檢測領域的應用

酶工程技術檢測方法就是利用酶來測定通過一般的化學方法難以檢測的食品成分含量，或是借助某一已知酶的種類來測量食品中某些特殊酶的活性和含量，主要包括食品組分的酶法測定、食品質量的酶法評價以及食品衛生與安全等幾個方面的內容。主要有酶聯免疫分析法（ELISA）、膠體金法等。如尚淑娜等[11]利用間接競爭ELISA檢測食品中的鄰苯二甲酸二丁酯。劉正才等[12]利用膠體金免疫層析法測定牛羊肉中是否摻雜雞肉。

3.1.3 在食品保鮮中的應用

酶制劑在食品加工、運輸、貯藏中起到保鮮作用，目前有溶菌酶、葡萄糖氧化酶、過氧化氫酶等，如將過氧化氫酶與GOD一起加入葡萄酒中，可降低酒精含量。

3.2 酶技術在醫藥領域中的應用

3.2.1 酶技術在制藥工業及醫療中的應用

酶的固定化技術、酶催化技術、酶的化學修飾、脫氧核酶、抗體酶和酶學診斷等技術，在醫藥行業中的使用越來越廣泛。目前，已知能利用微生物和酶進行的轉化反應有多種，應用于抗生素、氨基酸、有機酸類、維生素類藥物、鑿體類、核苷酸類等藥物。

固定化酶在臨床心血管、腫瘤及遺傳病等眾多疑難病癥的治療中也有很好的應用前景。

3.2.2 酶技術在診斷及檢測中的應用

各種病毒的檢測離不開酶技術，包括酶聯免疫法、熒光PCR法、膠體金法等。在新冠疫情下，酶技術顯得尤為重要。陶然等[13]利用膠體金法檢測新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）總抗體診斷新型冠狀病毒（COVID-19）肺炎，方便快捷，且有助于對疑似人群中的感染者快速定位，有利于疫情控制。

3.3 酶技術在輕工業領域中的應用

酸性纖維素酶可光潔紡織品，中性纖維素酶可制作石磨牛仔褲，胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等蛋白酶可用于絲綢脫膠和羊毛除垢，堿性脂肪酶、堿性磷酸酶、堿性纖維素酶、堿性蛋白酶和淀粉酶等目前單一或聯合使用于洗滌劑中，提高了清潔率。

3.4 酶技術在畜牧業領域中的應用

纖維素酶、葡萄糖氧化酶、溶菌酶等作為飼料添加劑應用較為頻繁，可提升飼料的使用效率、增強動物免疫力、提高動物幼崽的成活率。

3.5 酶技術在環保領域中的應用

白色污染、廢水、害蟲防治二次污染、其他污染物等環境問題，是可持續發展中值得關心的問題。酶技術在這方面的應用緩解了不少壓力，昆蟲或微生物對塑料的利用均是通過酶對塑料的催化降解實現的，可以通過酶工程的技術，對酶基因進行定點突變，并重組至質粒。然后，轉入宿主菌進行過量表達、分離純化。利用極端酶如嗜熱酶、嗜堿酶和耐有機溶劑酶等，對洗滌工業、印染工業和造紙工業等極端環境的廢水進行生物處理。利用產幾丁質酶的微生物對許多植物致病菌進行防治，減少農藥的使用。利用木質素過氧化物酶、漆酶、乙二醛氧化酶等用來治理含重油、多環芳香烴、四氯苯酚等污染物，用辣根過氧化物酶治理含酚污染物。此外，漆酶還可處理工業“三廢”、化學農藥中的有毒物。

3.6 酶技術在刑偵領域中的應用

隨著酶技術的成熟和創新，刑偵專家將酶工程技術引入案發現場及案件診斷、判斷等過程，如血指印顯現、文書制成時間檢驗、精液（精斑）檢驗、死亡時間推斷、腐敗生物檢材中的毒品與毒物解離、乙醇檢測等工作[14]。

4 結語

隨著生物化工技術的不斷發展，人們對酶技術的研究不斷深入，酶的應用越來越廣泛，尤其是為了滿足各行業和環境可持續發展的要求，新酶和新酶體系的開發越來越有必要。