酶工程的发展

酶工程的发展

酶工程，从定义上来说，是酶制剂在工业上的大规模应用，主要由酶的生产、酶的分离纯化、酶的固定化和生物反应器四个部分组成。简而言之，酶工程就是将酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备，酶的固定化，酶的修饰与改造及酶的反应器等方面内容。

酶工程的前景

酶因其反应的专一性，高效性和温和性的特点，已和生物工程，信息科学和材料科学构成了当今的三大前沿科学。而作为生物工程的重要组成部分，将在未来的发展中，在世界科技和经济发展中起着主导和支柱作用。而工业用酶日益广泛地应用于化学，医药，纺织，农业，日化，食品，能源，化妆品以及环保等行业。据报道，到2003年，欧洲工业用酶的市场增加至9亿美元，年增长率达百分之十；而2000年的中国，酶制剂总产量达272吨，同比增长8.8%，可谓发展迅速，前景十分广阔。

酶工程的发展

酶工程的发展，是一部科学的成长史。在二次世界大战后,酶工程发展成为新的工业领域—酶工程工业。酶工程的发展历史从那时算起, 至今已经三十多个年头了。六十年代以后, 由于固定化酶、固定化细胞及固定化活细胞的崛起, 使酶制剂的应用技术面貌一新。七十年代以后，伴随着第二代酶——固定化酶及其相关技术的产生，酶工程才算真正登上了历史舞台。固定化酶正日益成为工业生产的主力军，在化工医药、轻工食品、环境保护等领域发挥着巨大的作用。几十年来酶制剂的品种和应用不断扩大。不仅如此，还产生了威力更大的第三代酶，它是包括辅助因子再生系统在内的固定化多酶系统，它正在成为酶工程应用的主角。近年来, 国际上酶工程技术发展迅速, 硕果累累,主要有基因工程、蛋白质工程、

人工合成酶、模拟酶、核酸酶、抗体酶、酶的定向固定化技术、酶化学技术、非水酶学、糖生物学、糖基转移酶、极端环境微生物和不可培养微生物的新品种等。以下，将从酶制剂的制备，酶的固定化，酶的修饰与改造及酶反应器的内容展开酶工程发展现状的描述：

酶制剂：

首先，在生物界中发现的酶已近3000种，而应用于酶工程等领域的约2500种。小批量生产的商品酶有几百种，大规模生产的有几十种。现已用于工业生产的主要是：水解酶，凝乳酶，果胶酶，糖苷酶，氧化酶，转移级异构酶等。工业用酶中60%为蛋白酶（其中洗涤剂用的碱性蛋白酶占25%；中性蛋白酶占12%；凝乳酶占10%；碱性蛋白酶占30%；为碳水化合物的水解酶（其中糖化酶占13%；α

淀粉酶占5% ；葡萄糖异构酶占6%；果胶酶占3%）；3%为脂肪酶；10%为医药与分析研究用酶。

六十年代酶制剂的应用, 主要是利用碱性蛋白酶生产洗涤剂。到七十年代已开始利用葡萄糖异构酶生产高果糖浆和利用淀粉酶生产酒精。八十年代酶制剂则广泛应用于食品工业，如淀粉加工, 高果糖浆。乳制品、啤酒、葡萄酒、酒精、糖果, 果汁及调味品的生产, 果汁苦味的去除夕植物产品的抽提等。化学工业，如造纸、皮革、洗涤剂、氨基酸和漆的生产, 以及纺织业中生丝、麻的脱胶, 棉布退浆、废水处理等）；医疗卫生领域如治疗低血压、抗血栓形成、抗癌以及抗生药物的生产,利用酶测定血糖, 尿素、胆固醇、尿留体激素等）和遗传工程如利用限制性内切酶、连接酶及“剪接酶”开展基因工程研究。酶给人类创造了极大的社会与经济效益。

国外酶制剂发展

在国外酶制剂发展中，酶剂发展较快的国家有丹麦、荷兰、美国、日本、西德和法国等国家。据统计世界各发达国家酶制剂厂的总数约有100家。仅西欧和美国就有25家, 占三分之一。在25家中, 有9家大公司的产值就占了世界市场的90%。世界著明的酶制剂公司如丹麦的诺沃公司荷兰的吉斯特公司；西德设在美国的迈耳斯公司都是销售额很大的酶制剂公司。诺沃公司酶制剂销售额占世界市场的

44%,吉斯特公司占12%, 迈耳斯公司占8%。

国内酶制剂发展

对于国内而言，我国酶制剂工业起步较晚, 但近几年来发展迅速。我国于60年开始建立酶制剂工业。到目前为止, 全国已有大小200余家酶制剂厂和车间。年产千吨以上的有3家年产百吨以上的约有20家；其余均为年产数十吨的小厂。生产的酶制剂总计有13种, 主要是糖化酶、淀粉酶和蛋白酶,还有少量的脂肪酶和葡萄糖异构酶。1985年全国酶制剂总产量约为2.5万吨, 总产值约1.35万元。其中糖化酶约4800万吨）, 占总产量的54.6%；蛋白酶约6700吨（其中碱性蛋白酶约为4800吨, 占总产量的27.7%；α淀粉酶4400吨, 占总产量的17.7%。

酶的固定化

酶固定化的现状

近来, 国外在探索酶蛋白的固定化技术方面, 已经找到几条途径, 使酶蛋白能够以有序方式附着在载体的表面, 实现酶的定向固定化, 而使酶活性的损失降低到最小程度。目前采用的方法有借助化学方法的位点专一性固定化、磷蛋白的位点专一性固定化、抗体免疫球蛋白的位点专一性固定化、糖蛋白的位点专一性固定化、利用基因工程的位点专一性固定化。这种有序的、定向固定化技术已经应用于生物芯片、生物传感器、临床诊断、药物设计、亲和层析以及蛋白质结构和功能的研究上。

而细胞固定化技术、固定化多酶技术及反应器、固定化微生物多酶反应系统、固定化酶-微生物复合物等技术相继发展起来，酶的固定化是这一发展的基础。自从固定化酶技术问世以来, 已在很大程度上改变了酶工程的面貌, 固定化微生物细胞又因其制备简单, 成本低廉以及有一套现成可用的多酶系统, 在许多情况下显示了比固定化酶有更大的优越性。近年随着分子生物学及生物工程的发展,该技术又向动物细胞、植物细胞、杂交瘤细胞以及其他工程细胞扩展, 同时也对该技术的发展提出许多新的要求。

以往报道酶的固定化方法有几百种。切实可行的主要吸附法、包埋法、交联法、微胶囊法等。其中包埋法是最成功、应用最广泛的方法, 其优点如下：方法简便,把细胞悬浮物与多聚体或其单体混合, 成胶后即可；固定化条件温和, 因此经常可以获得高活力的固定化细胞；细胞不漏出；对机械破坏有保护作用；固定化容量大。

酶固定化的进展

主要体现在以下几个方面：

( 1 ) 新载体

新载体的研制异常活跃如纤维素、淀粉、黄原胶、几丁质、海藻酸盐、壳聚糖、虾青素、琼脂糖、戊二醛、血纤维原、磁性高分子聚合物、离子交换树脂、水合氧化钛和膜等。

（2）新方法

随着天然酶的开发和工程菌的改造, 传统固定化方法不断被应用到新酶的固定化研究上, 同时酶固定化技术也不断取得进展, 一些新技术如磁性技术、分子沉淀技术及辐射技术等不断运用于固定化酶载体的制备。例如内蒙古师范大学邱光亮等采用共价结合与磁性技术相结合的方法固定化了中性蛋白酶, 华南理工大学黄惠华等利用氧化低价铁盐制成磁响应微球固定化了菠萝蛋白酶等, 葛玉斌等利用分子沉淀技术固定化了双层葡萄糖异构酶, 江苏省农科院王延春等利用低温辐射技术制得一种性能优良的高分子聚合物载体, 固定化了酵母细胞。

（3）新机理

酶的固定化技术经过几十年的研究已经发展成为酶定向固定化技术, 研究表明已经有几条途径使酶蛋白能够以有序的方式附着在载体表面, 从而避免了酶蛋白的多点附着引起的无序定向和结构变形, 实现了酶的定向固定化, 使酶活性损失降低到最小程度。目前采用的方法主要有借助化学、磷蛋白、抗体、糖蛋白