第四节 酶工程
一个科学家应该考虑到后世的评论，不必考虑当时的辱骂或称赞。
——巴斯德（法国）
20世纪60年代末期，固定化酶技术得到完善，并被应用到合成青霉素和玉米淀粉、果糖浆等工业生产中。如今，酶制剂已广泛应用在食品、医药、造纸、纺织、清洁等生产和生活领域。
（一）什么是酶和酶工程
酶是由细胞所产生的具有催化功能的蛋白质。它们可特定地促使某个化学反应而它们本身却不参与反应，且具有反应效率高、反应条件温和、反应产物污染小、能耗低、反应容易控制等特点。
酶是生命活动的代谢产物，又是生命活动必不可少的催化剂，没有酶，生命活动就无法进行。例如，我们每天吃的食物都必须在胃分泌的胃蛋白酶和胰脏分泌的淀粉酶、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，才能透过小肠壁，被组织吸收和利用；而人体生长的时候，体内又会进行各种蛋白质、脂肪等的合成反应，这些合成反应也需要在酶的催化下完成。这些由活细胞产生的特殊蛋白质不仅是生物自身的催化剂，脱离了活细胞后在一定的条件下也还能保留催化活性。工业上可以把酶制成合适的制剂来使用，通常把源于生物的具有催化活性的含酶制剂统称为生物催化剂。生物催化剂主要来自微生物，这些纯天然来源的催化剂加工出来的产品也具有纯天然的本色。
酶是个大家族，至今已知的酶近3000种。各种酶催化的反应性质不相同，人们在了解酶的优点和特性以后，就设法有目的地利用酶，并制成适用于不同场合的酶制剂。引入液体深层通气发酵生产法以后，近代酶制剂工业才得以迅速发展，至今上市的工业酶制剂几乎全都由微生物发酵生产的。由于所用的原料是易得到的大宗产品，来源广，价格便宜，微生物种类多，通过选育增产容易，增幅大，产酶量甚至可增加1000倍。
所谓酶工程，就是在一定的装置中，利用酶的特异催化功能，快速、高效地将相应的原料转化成有用物质的技术。酶工程的范围大致包括酶生产、酶的固相化技术、酶的化学修饰、酶反应器的设计、酶在工农业和医疗中的应用等。近年来，随着酶技术研究的深入发展，酶工程又增加了不少新的内容，如模拟酶、抗体酶、核酸酶、酶标免疫分析和酶传感器等。
（二）酶工程的应用
（1）食品工业
图9-12 木瓜酶
图9-13 食品级脂肪酶
图9-14 蛋白酶
食品工业与日常生活息息相关，也是最早、最广泛使用生物催化剂的领域，已经应用的酶有几十种。国内外大规模生产的α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、葡萄糖异构酶、葡萄糖氧化酶、果胶酶、脂肪酶、纤维素酶等酶制剂的主要用户也是食品行业。由于酶催化剂具高效性、强专一性和温和性，尤其适用于食品加工。
（2）医药工业
在医药工业上，治疗疾病、制造药物都可以利用酶。直接作为治疗剂的酶中，从动植物提取的占了相当大的比例，如从猪胰脏中提取的具有淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶活性的口服助消化剂多酶片，清除创伤、烧伤、溃疡等坏死组织的菠萝酶和木瓜蛋白酶消炎剂，从鸡蛋清提取的抗菌消炎的溶菌酶，以及从人尿和蚯蚓中提取的溶血栓药物尿激酶和溶纤酶等。从用发酵法培养的微生物菌中获得的作治疗用的酶，种类多，具有用基因工程技术大幅度提高产量和使微生物产生动植物中的酶的优势。
治疗白血病的天门冬酶目前从大肠杆菌菌体中提取；临床诊断用酶是在体外通过检测酶与血和尿液中的糖、脂肪、胆固醇、尿酸等物质反应产生的量作为诊断指标的，常配备测定用试剂和器具，组装成试剂盒上市。
（3）日用化学
洗衣粉的配方中通常会含有40%左右的聚磷酸钠，还含有表面活性剂和氧化剂等主要成分。由于洗衣后排放的废水中的磷酸盐会造成富营养化水体，导致相当严重的环境问题，所以低磷和最终使用无磷洗衣粉是发展的必然趋势。添加洗涤用酶可增强洗涤效果，并可弥补低磷和无磷配方洗衣粉去污力下降的缺陷。加酶后的洗衣粉在较低的温度下（20～40℃）洗涤效果非常优越，而不必在60℃的条件下洗涤，这大大节约了洗涤所耗费的电能。添加的洗涤用酶约占洗衣粉重量的1%。生产酶所耗的能量不大，所耗能源不到洗涤过程能耗的1%。经比较，用全自动洗衣机洗涤3千克衣服，洗涤温度从60℃降到40℃可使耗电量从1.2千瓦·时降到0.8千瓦·时，而生产所添加的酶只耗电0.0068千瓦·时，节能效果非常明显。
（4）精细化工和有机化工
生物催化剂通常用于制备高附加值的精细化工产品，如氨基酸、核苷酸、糖脂及其衍生物。现在，用酶转化大规模生产大宗有机化工产品也已成为一个新兴的领域。
用酶催化或用酶合成二聚体、三聚体后再用化学法连接的化学酶法以及酶法修饰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应用会不断增加。这些新型材料可用于加工成吸水剂、水凝胶、生物可降解材料等多种产品。酶法合成的简便和高度选择性必将在高分子化学工业这一庞大且品种多样的工业领域中发挥越来越明显的作用。
（5）饲料工业
酶制剂可以大大增加饲料的质量，与其他添加剂不同的是它能消除饲料中的有害物质并使不能利用的成分转变为可吸收利用的成分。饲料中有选择地添加一些酶，不但有利于动物的生长、增重及充分利用饲料，而且能减少粪便量，减轻臭味和磷对环境的污染。
（6）纺织工业
在纺织工业中，酶法工艺不但效率高，能耗低，而且加工过的织物损伤少，毛细管效应增加，染色均匀鲜亮。如用中性蛋白酶脱除桑蚕和柞蚕丝条织物上的丝胶，只需要在中性条件下，45℃浸泡0.5～1小时即可完成，相对于传统工艺，不但节省了蒸汽及化学品，还可使出丝率提高近20%，丝纤维强度、手感、光泽等质量指标都有提高。
（7）造纸工业
在造纸的制浆阶段使用的酶种——帮助漂白的木聚糖酶以及分解松木纸浆中松脂脂肪的脂肪酶和脱除废纸油墨的纤维素酶，有利于对环境造成的污染。如美国和加拿大的一些公司试验把已商品化的工业酶用于制浆，仅在纸浆漂白前增加稀木聚糖酶液处理30分钟，就增加了纸浆的孔隙，有利于漂白阶段的木质素去除和减小化学品的用量。不但增加了纸的白度，而且降低了废液中有机氯的含量，节省了用氯量、化学品量，并使纸浆的强度提高，浆产量增加10%。
（8）环境保护
生物催化剂用于工业生产，节能降耗，减少污染物的排放，而且在环境监测和处理污染物方面也有用武之地。活性污泥带有多种可降解水中污染物的微生物，把这些微生物和它们的酶制成固定化生物催化剂，能用于处理工业污水。处理化学毒物是生物催化剂应用的新领域，生物催化剂将不少化学毒物转化成无毒的生物可降解物质。另外，在基因工程中，酶是最重要的工具，利用酶的种类多、专一性强、催化效率高的优点，可以进行临床诊断，并用于微量检测，并监控环境中有毒、有害物质的含量。
综上所述，现代生物技术上具有其他技术无法比拟的优越性。面对人口膨胀、资源枯竭、环境污染等威胁人类生存的严重环境问题，生物技术以其生产效率高，原料具有再生性，产生的污染少，基因重组的微生物甚至还可以消除环境中的污染物等优点，在近20年的发展中受到了极大的关注，有人把21世纪称为生命科学的世纪，将现代生物技术称为21世纪的朝阳产业。
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【思考题】
1.什么是酶和酶工程？
2.酶工程的应用主要表现在哪些方面？
【注释】
[1]转引自刘啸霆主编《现代科学技术概论》，北京：高等教育出版社，1999年版，第216页。
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