現代生物技術中酶工程技術的研究與應用

鄭思瑜

東北農業大學 黑龍江 哈爾濱 150000

前言

酶是人類新陳代謝的催化劑。酶不僅可以維持人的健康，而且還可以在生命的不同階段發展起到重要作用。酶除能維持人體的各種功能外，也為人們生活提供各種方便條件[1]。

酶的應用價值不是單獨的，而是通過酶工程催化技術對不同的生物原料進行催化，并在不同工業領域之間得到廣泛應用。目前，酶工程在食品工業中的應用比例超過了市場所使用的50%，如果汁、奶品和淀粉加工等；酶工程在輕工業也有部分應用，如化妝品、毛皮等。此外，在醫學領域中，將其用于檢測體外的試劑，可檢測體內代謝物；在能源發展過程中，可以用來制造甲烷、纖維和木質素等；在環保工程中，可以應用于污水生物凈化等方面。因此，深入研究現代生物化學中酶工程的技術，對擴大酶應用范圍、了解更深層次酶的應用具有重要意義。

1 酶工程技術概述

1.1 生物酶的主要特點

大多數生物酶的基本成分是蛋白質，少部分是由RNA構成的，主要是活細胞產生并儲存在細胞內，還有催化生化反應的功能。生物酶的主要特征如下：①催化效率很高。與其他催化劑相比，生物酶的最高催化效率可以達到1013倍，高于其他催化劑。②專一性很強。生物酶通常具有很強的生化特性，它通常只能用來催化一種化合物或一個類別的化合物所反應引起的生化反應，而一般催化劑可以同時催化許多種化合物的生化反應。③無良好的穩定性，需要為其提供溫和的化學催化反應環境。作為活細胞中的一種蛋白質，生物酶很容易遭到受環境溫度和pH等其他環境因素的影響干擾，從而逐漸喪失其具有生物性的功能。

1.2 酶促反應的作用原理

在一種反應系統中，任何一個分子的化學反應都有可能發生，但并不是所有的反應分子都發生了反應。因為反應系統中不同的反應物分子含有不同高低能量。只有這些含能或超越某一限度的活化分子在碰撞過程中才會發生化學反應，活化分子越多，反應越快。活潑態和常態之間存在著能量的差異，即分子從常態變為活化狀態所需要的能量，稱為活化能。

使反應達到一定能閾的途徑有兩種：①通過加熱或加強光照，使產生反應分子體系中的反應分子活化能足以達到反應的起始。②加入催化劑，降低反應能閾，使反應通過活化閾較低的方式進行。酶和普通催化劑一樣，作用是降低底物分子必須具備的活化能力。酶過渡催化的本質就是通過產生氫鍵、離子鍵和中性疏水鍵等短程的非共價鍵應力，形成了過渡反應的中間催化產物，其催化結果也就是該酶使反應底體的價鍵的催化狀態發生形態變化或趨向極化，起到了直接激活這些底物分子并降低了在過渡反應狀態中活化能的重要作用。

1.3 酶工程技術的研究

生物工程是一個從70年代起提出的高新技術名詞，是指將生物工程與化學技術、工程結合起來，并在產業化中得到應用的一種技術。其中包括：基因工程，細胞工程，蛋白化學工程，酶技術和發酵。

酶工程是以生物工程為基礎提出的，是酶學研究和應用工程相結合而形成的新技術領域；是酶、微生物學的基本原理與化工技術相結合，形成了的一門邊緣性學科，包括上、下游兩個領域。前者包含酶以及酶制劑的產生制備。后者的主要包括是酶的固定、酶的修飾和生物反應器。

酶工程技術的基本流程：①酶的生產：以動物、植物或微生物為來源進行生產。②細胞的破碎：酶在活細胞中普遍存在，為了有效獲取這些存在細胞組織中的酶，首先必須要對細胞進行破壞性的處理。主要的破碎方法有：機械破碎、物理破碎、化學破碎和酶解破碎。③酶的提取：在破碎的特殊情況下，用適當的化學溶劑或有機溶液對包含酶的原料產物進行溶解處理，使其充分地完全溶解于有機溶劑或溶液中，主要的提取方法包括鹽溶液溶解提取、酸性溶液溶解提取，堿性溶液溶解提取和其他有機溶劑的溶解提取。④酶的分離：生物萃取方法主要包括：沉淀分離、離心分離、過濾與膜分離等。⑤酶的提純：可依據分子大小、分子電荷、分子極性以及親和力的不同設計提純方法。⑥酶的濃縮，干燥和固化結晶：在各種固體酶制劑研發生產使用過程中，為了有效保持酶的活性，便于儲存，一般要進行干燥。常用干燥的方法有：真空干燥、冷凍干燥、氣流干燥、吸附干燥等。⑦酶制劑的利用：用于疾病治療、生產加工一些產品、化驗診斷、水質臨界檢測以及生物工程其他分支領域。酶工程在現代生物技術中起著非常重要的作用，因此它在現代生物技術中得到了廣泛的研究。例如，我們使用的酶分離技術。酶可以用于基因工程，提高酶活性。一些重要生物酶可通過化學反應在微生物中得到應用，從而提高催化效率。基因工程能充分發揮它的優勢，從技術角度改變酶結構，生產氨基酸結構，從而生產質量高、功能好的產品。因此，酶工程的研究對社會發展有卓越貢獻。

2 酶工程技術在不同領域中的應用

2.1 遺傳育種中的應用

技術人員可以把某些酶當作動物的遺傳標志，在一定程度上對遺傳規律做出歸納，從而界定了血緣關系。這種技術也同樣適用于人類，酶工程技術可以為親子鑒定提供重要依據。這種效率高的功能特征也將在畜牧行業中得到應用，有助于研究者調查有關工作，為他們提供更方便、科學合理的研究方式和策略。這也在某種程度上降低了技術工作的復雜度，使他們可以更高效率、更迅速地完成這些工作。

2.2 醫學中的應用

有些疾病的產生，與酶的特性有著一定的關聯。比如遺傳性疾病，與酶有著一定的聯系。有些物質的結合是不合理的，它們的存在會降低酶的活性，導致神經傳遞物質沒有辦法在特定的時間到達相應的位置，由此引發了某些疾病。在診斷疾病的時候，因為正常人體內的酶是比較穩定的，所以能夠對疾病的產生原因進行合理的診治。所以，酶工程技術在未來某些疾病的治療中提供更加重要的訊息，能夠加強預防疾病的手段。

有些病因與酶特性之間存在著關聯。例如遺傳病，與酶之間存在著一定的關系。有些物質結合不合理，它們的存在降低了酶的功能，導致神經傳遞物質無法在一定時間達到相應位置，從而引起某些疾病的發生。在診斷病情時，由于正常的人體中酶比較穩定，因此能夠診斷病情的產生原因。因此，酶工程技術將在未來的某些病情治療中提供更重要的信息，從而增強預防病情的手段。

酶與疾病存在兩種聯系：

（1）預防遺傳病。這是先天免疫因素所致引起的酶功能缺陷，對新陳代謝不利。例如患有白化癥疾病患者，這類白化病人體內可能缺少一種酪氨酸酶，而且體內缺乏這類酶可能會導致使這些患者全身皮膚和面部毛發都會變白，因為他們缺乏活性黑色素。

（2）對疾病進行酶的診斷。酶分布于機體組織中，有其的定位。對正常的人來說，他體內酶含量比較穩定，因為有一個酶活性的空間。但是，當某些疾病發生時，血液中和其他體液的酶活性就會有很大的變化。因此，在測量體液時，注意酶的活力高低可以防止疾病發生。有助于醫護人員對此進行診斷。因此，酶在醫療領域的作用是相當強的，應該使其在這一領域發揮最大的作用，使其得到更好的應用，為我國醫療事業進一步發展提供更好的服務和研究質量。

2.3 釀酒工業中的應用

啤酒主要以麥芽為原料。如果麥芽質量差，或者因為大米、麥類等輔助材料的使用過多，就會造成淀粉酶和纖維素酶活力過低。糖分不足，進而對啤酒口味產生影響。如果采用微生物淀粉酶和蛋白酶，可以彌補由于麥芽酶活力不夠而引起的問題，從而獲得很好的利益。釀造酒配料中，液態淀粉酶容易被添加到配料中的淀粉酶吸收，從而阻礙了淀粉酶的液化作用，直接影響啤酒生產。因此，酶在酒業中也有較廣的應用，能夠極大地節約相關成本，同時也對提高生產量有一定的作用。

2.4 在畜牧業上的應用

酶在畜牧行業的應用已有很長的時間。目前，我國畜牧養料中淀粉酶、微生物復合酶等大量存在。一方面，生物酶的應用可以對動物生長產生一定作用，幫助它更快地生長；另一方面，生物酶可用于提高飼料質量，生產出優良的品牌。好的飼料可以提高病情的預防，從某種意義上說，也可以提高動物的生存率，降低相關醫療費用和養殖費用，從而提高效益。

3 結束語

在現代生物技術發展過程中，酶工程的研究和開發極大提高了社會有關產業的生產效率。不同的工程技術對酶也有很大的依賴性，其重點在于催化效率較高，反應快。在節省企業生產成本的同時，從而大大提高企業的經濟。因此酶工程技術將在以后的許多領域得到應用，總體而言，是由于科技水平不斷提高，在更多行業中，運用酶固有的特性，實現效益更大，對社會的發展做出了更大貢獻。