現代酶工程技術的應用及發展

王艷菊

（上海拜朗生物科技有限公司，上海 201401）

酶是一種由生物體產生的、有催化作用的蛋白質，具有顯著的高效性和專一性，特異性地促進某些生化反應速度而本身并不參與生化反應，具備催化效果好、反應條件溫和、環境污染少、基本不消耗、反應過程易于控制等優勢。酶的使用不但有助于調高生產效率、改善產品品質，降低原料和能量的耗費，從而改善勞動環境、降低成本，并且還有助于制造出用其他方式難以獲得的產品，促進了新產業、新科技和新工藝的快速發展[1]。酶工程是將酶學理論和現代化學技術相結合所產生的一門新興科學技術，在醫藥行業、食品工業、環保及能源開發等領域中顯示出強大的生命力[2]。如今，在基因工程的迅猛發展以及細胞工程學的日益完善之下，酶工業化量產技術不斷獲得突破進展，酶工程在食品行業、藥物開發、工業生產等領域的應用日漸深入。

1 酶工程相關技術

由于酶技術在各行業發揮著不可忽視的關鍵作用，現代生物科學技術不斷地對酶工程進行深入的研究開發，越來越多的先進技術得到應用[3]。

1.1 定向酶進化技術

分子酶工程設計人員可通過定點突變和對體外分子的定向進化兩種方法對天然酶分子結構進行改良。體外定向進化是近年來興起的一個蛋白質結構改變策略，可以在人們尚未了解蛋白質的基本結構，甚至依靠對已有的蛋白質基本構造了解尚無法實現有效的定點突變之時，借助實驗室技術手段在體外模擬生物自我進化的基本程序，對基因進行突變，選擇指定的性狀或功能，使之前需要耗費幾百萬年的自然進化程序在短期內完成[4]。

1.2 酶的固定化技術

在通常情況下酶可溶于水中，造成酶在催化化學反應物生成產物之后不易與產物分開，酶無法反復使用，產品純度和品質較差。為了解決以上問題開發了酶的固定化技術，該技術在保證催化活性的前提下使酶能夠重復利用，提高了酶的利用率[5]。當前，已研制開發出多種不同的途徑來達到酶的定向固定化，如包埋法、物理吸附法、化學連接法。目前這類新型的有序定向固定技術已經廣泛應用于生物芯片、傳感器及反應器中，指導臨床診斷、新藥設計等。

1.3 酶的修飾技術

自然狀態下的酶對外界環境的要求比較高，往往具有化學穩定性較差、生物活性不理想和具有高抗原性等缺陷，使酶的使用范圍受到一定的限制，由于不適合某些生產環境而無法大規模應用[6]。因此可運用傳統的突變技術和現代的分子生物學技術手段對其進行適當的改造，對蛋白質的某些氨基酸進行修飾、置換等，在不改變催化效應的前提下降低酶對環境條件的依賴性，提高酶的應用性能。

1.4 雜交酶技術

雜交酶為酶工程技術的研發與使用開辟了一條嶄新的道路。（1）利用高度同源的酶之間的雜交，可將某個酶的耐熱性、穩定性等非催化特性“轉接”給其他酶。（2）創造具有新活力的雜交酶，最便捷的方式是調整當前酶的專一性及催化活性，有時改變某個氨基酸殘基便可以影響酶的催化活性。當前，雜交酶的發展十分快速，以此技術為基礎獲得數百種改良酶，且大多已申請專利保護，可以預見，雜交酶技術將為酶工程的研發與使用產生更大的影響[7]。

2 酶工程的應用現狀

最大程度發揮酶的催化功效、拓展酶的使用范圍、提升酶的使用效果，是目前酶工程應用研究的重點目標。

2.1 酶工程在食品領域的應用

在食品領域中，酶主要應用于食品的加工和食品添加劑的制造生產中。應用酶工程制劑可改良肉類的口感，使質地更加鮮嫩；作為風味增強劑的米糠蛋白，能強化食品中的營養物質[8]。在食品的加工、運輸及儲存中，由于受到各種因素影響，可能會改變食物的口感乃至變質不可食用，許多生產商通過加入防腐、保鮮劑或高熱殺菌等方式達到保鮮效果，然而人工合成的防腐劑、保鮮劑安全性存疑，大部分有致癌風險；高溫滅菌過程則會導致營養流失，因此開發應用于食品保鮮、防腐的酶制劑可以滿足行業的迫切需求。酶制劑可為食品創造出有利的環境，不同的食品條件選擇不同的生物酶，抑制不利于食品保質的相關生物活動，達到保鮮的目的。如在瓶裝飲料中添加一定量的葡萄糖氧化酶，通過消耗瓶中氧氣保護易氧化成分、延長保鮮期；溶菌酶對革蘭氏陽性菌有較強的溶菌作用，可用于肉制品、干酪、水產品等的保鮮；細胞壁溶解酶可抑制某些微生物的繁殖，可用于食品的保鮮儲藏[9]。

2.2 酶工程在醫學領域的應用

酶工程在醫學領域的應用主要有診斷、治療和預防3個方面。（1）通過生物酶來診斷疾病。由于酶有一定的活性，存在于人體各組織、器官及體液中，通過檢測特異酶的活性可以診斷相應的疾病。（2）治療某些遺傳病。如白化病是遺傳原因引起的酶代謝失常，造成皮膚和毛發色素異常，可通過生物酶提高代謝能力。（3）用于疾病防治。如用于治療消化不良的輔助藥物可使用水解酶；胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶可用于外傷輔助治療，分解粘連的胸、腹腔黏膜；研究表明，天冬酰胺酶可對抗癌癥,效果顯著[10]；合理利用酶能夠減少人體中過多的脂肪，增強細胞的活性，提高對營養物質的吸收能力，增強抵抗力，達到凈化血液的目的。

2.3 酶工程在畜牧業領域的應用

從19世紀開始，生物酶技術就在畜牧養殖領域中靈活運用，酶工程的發展對促進畜牧業發展具有重要的現實意義。不同生長發育時期的動物對養分的要求有所不同，必須結合實際情況有針對性地調整飼料營養成分，提高飼料的使用效果，最大程度地避免使用獸藥，保障動物的健康生長[11]。酶工程技術可以將人們生活、生產過程中產生的含有大量蛋白質的垃圾處理后再次應用到畜牧業產品中，在節約能源的同時提高資源循環效率，減少環境污染，降低生產成本，改善畜牧養殖環境。另外，借助核酸探針法、酶分析法、PCR技術還能有效提高禽畜疾病診斷的速度和準確性，縮短疾病防控響應時間的同時提高患病禽畜的治愈率，提高畜牧業生產效益。

2.4 酶工程在洗滌工業的應用

酶工程在洗滌工業中的主要應用方向是加酶洗滌劑的制造生產，主要添加蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等，可顯著提高洗滌劑的去污能力。蛋白酶可水解蛋白質，將其變成可溶性的氨基酸，洗滌劑添加蛋白酶后可輕易清潔咖啡、果汁、奶等污漬；低溫環境下脂肪酶可分解脂肪，脂肪酶具有堆積效應，故去污能力隨清洗次數增加而變強；淀粉酶可水解淀粉，主要用于去除面條、土豆泥等污漬。

2.5 酶工程在環境保護中的應用

在自然條件下，生活垃圾的降解需要漫長的時間，對周圍環境產生極大的影響，充分利用酶的催化特性可以加快解決環境污染問題。（1）墨西哥科研人員從蘿卜中提取了一種能夠去除工業廢水中多酚混合物的蛋白酶，經蘿卜素蛋白酶處理過的工業廢水可以循環再使用[8]。（2）食品行業中產生的垃圾可通過淀粉酶、蛋白酶等解決。淀粉酶可以將多糖轉化成單糖，同時可以實現垃圾發酵，既能將加工產生的廢水中的淀粉等轉變為酒精，還顯著減少處理所需時間；固定化蛋白酶具有高穩定性、可重復使用的特性，使工業廢水中的蛋白質大分子轉變為易于降解利用的小分子。（3）造紙業廢水中所含有的纖維素等糖類可以用纖維素蛋白酶、木聚糖蛋白酶等處理。（4）農業面源污染等也可以使用對有機物、有機磷農藥、重金屬等物質有特異性的酶進行降解、轉化。

3 結語

酶作為一種高效的催化劑已經得到大規模的應用，隨著對酶工程的深入研究，酶制劑的生產技術正在發生翻天覆地的變化，人工智能化大批量制造符合要求的生物酶正逐步走向現實。隨著我國經濟社會的快速發展和酶工程產品市場需求的快速增加，生物酶產業發展形勢大好，前景十分廣闊。應著力研究成本更低、能量損耗低、環保安全、性質穩定的新型工業用酶，提升我國酶制劑的數量及產品的質量。