酶技术

酶工程发展概况及应用前景

生工090419

张祎伟

【前言】

回顾21世纪，生物科学与生物工程在全球崛起并迅速发展，已经从整体水平发展到细胞水平和分子水平，在基础与应用研究领域取得了举世瞩目的成果"酶工程作为生物工程的重要组成部分，其作用之重要、研究成果之显著已为世人所公认。展望21世纪，生物科学与生物工程将以更快的速度发展，在世界科技与经济的发展中起支柱和骨干作用。

一、酶工程在食品工业中的应用

在我国古代就开始将产酶的微生物运用于食品的制作中。在现代食品工业中，酶的应用渗透到各个领域。随着固定化酶、修饰酶、基因工程酶等技术的突破性发展，酶工程在食品工业中的应用将更加广泛和深入。

酶工程在食品分析与检测

由于酶具有特异性,因此,它适合于植物和动物材料的化合物的定性和定量分析。例如,采用乙醇脱氢酶测定食品中的乙醇含量;采用柠檬酸裂解酶测定柠檬酸的含量等。另外,在食品中加入一种或几种酶,根据它们作用于食品中某些组分的结果,可以评价食品的质量,这是一种十分简便的方法。

酶工程在食品保鲜方面的应用

生物酶用于食品保鲜主要就是制造一种有利食品保质的环境,它主要根据不同食品所含的酶和种类,而选用不同的生物酶,使食品所含的不利食品保质的酶受到抑制或降低其反应速度,从而达到保鲜的目的。例如葡萄糖氧化酶加在瓶装饮料中,吸去瓶颈空隙中氧而延长保鲜期;溶菌酶对革兰氏阳性菌有较强的溶菌作用,用于肉制品、干酪、水产品等的保鲜;细胞壁溶解酶可消除某些微生物的繁殖,已被用作代替有害人体健康的化学防腐剂,对食品进行保鲜储藏。

1、利用葡萄糖氧化酶保鲜

葡萄糖氧化酶是一种氧化还原酶，它可催化葡萄糖与氧反应，生成葡萄糖酸和双氧水。有效地防止食品成分的氧化作用，起到食品保鲜作用。葡萄糖氧化酶可以在有氧条件下，将蛋类制品中的少量葡萄糖除去，而有效地防止蛋制品的褐变，提高产品的质量。葡萄糖氧化酶以黄素腺嘌呤二核苷酸为辅基，相对分子质量约为150000。葡萄糖氧化酶在pH值3.5~6.5的条件下，具有很好的稳定性，最适pH值5.6，当pH值大于8.0或小于2.0时，会导致酶的失活。底物葡萄糖对酶活性有保护作用。

2、利用溶菌酶保鲜利

用一定浓度的溶菌酶溶液进行喷洒，即可对水产品起到防腐保鲜效果。既可

节省冷冻保鲜的高昂的设备投资，又可防止盐腌、干制引起产品风味的改变，简单实用，易于推广。在干酪、鲜奶或奶粉中，加入一定量的溶菌酶，可防止微生物污染，保证产品质量，延长贮藏时间。

酶工程在甜味剂生产中的应用

应用海藻糖是一种新型的多功能食品添加剂。从中国土样中筛选分离得到能产生淀粉转化为海藻糖的酶菌柱,并利用该菌柱生产的酶进行淀粉合成海藻糖。产物海藻糖在反应混合物中的含量可达48%。研究了在不易破壁取得胞内海藻糖合酶的情况下,采用渗透处理细胞技术生产透性化细胞酶,并获得了较高的酶活力。海藻糖还可由海藻糖合酶将麦芽糖直接转化为海藻糖,在海藻糖的工业生产中有着良好的应用前景。

酶工程在调味剂生产中的应用

在日本和美国利用酶水解蛋白制取的营养型调味剂和氨基酸复配调味品占调味剂市场很大的比重。其销售量已超过传统调味剂的数倍。用酶法提取的米糠蛋白的溶解性、起泡性、乳化特性和营养性等蛋白功能特性上表现出良好性能,不仅可以作为食品中的营养强化剂,还可以作为食品中的风味增强剂。

二、酶工程技术在医药工业中的应用

现代酶工程具有技术先进、投资小、工艺简单、能耗粮耗低、产品收率高、效率高、效益大和污染小等优点,成为化学、医药工业应用方面的主力军。以往采用化学合成、微生物发酵及生物材料提取等传统技术生产的药品,皆可通过现代酶工程生产,甚至可获得传统技术不可能得到的昂贵药品,如人胰岛素、McAb、IFN、6一APA、7一ACA及7一ADCA等。固定化基因工程菌、工程细胞以及固定化技术与连续生物反应器的巧妙结合,将导致整个发酵工业和化学合成工业的根本性变革。

1、应用酶工程生产抗生素

应用酶工程可以制备青霉素酞化酶、头抱菌素酞化酶、头抱菌素、头抱菌素酞化酶、青霉素酞化酶、脱乙酸头抱菌素、头抱菌素乙酸醋酶,近年来还进行固定化产黄青霉青霉素合成酶系细胞生产青霉素的研究,合成青霉索和头抱菌素前体物的最新工艺也采用酶工程的方法。

2、应用酶工程生产维生素

制造2一酮基一L—古龙糖酸【山梨糖脱氢酶及L一山梨糖醛氧化酶】、肌醇【肌醇合成酶】、L—肉毒碱【胆碱脂酶】、CoA【CoA合成酶系】等。由山梨醇和葡萄糖生产维生素及丙烯酸胺的生产也采用酶工程的方法。

三、酶工程技术在农业中的应用

由于酶制剂主要作为催化剂与添加剂使用，从而带动了许多产业的发展。应用酶工程对农产品进行深加工，是人们努力的一个方向。乳制品加工则需要用凝乳酶和乳糖酶。此外，酶工程在饲料加工领域也有重大应用。

1、酶工程应用于农产品的深加工

利用α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶的催化功能，以玉米淀粉等为原料生产高果糖浆等。乳制品加工则需要用凝乳酶和乳糖酶。农副产品的加工和综合利用需要用纤维素酶、果胶酶和木质素酶。此外，从木瓜中提取的木瓜蛋白酶，提高活性和固定化以后，可以被用来酿制啤酒和制造果汁。

2、酶工程在饲料工业中的应用

动物体由于不能分泌分解纤维素、半纤维素、木质素、果胶等植物细胞壁物质的酶系，因此动物自身不能消化利用这些物质，只能通过瘤胃和大肠微生物利用上述部分物质。植物细胞壁非淀粉多糖降解酶可降解畜禽消化道内的非淀粉多糖，降低肠道内容物的粘性，促进营养物质的消化吸收，减少畜禽下痢，从而促进畜禽生长和提高饲料利用率。据报道，利用纤维素复合酶作为半干贮添加剂可提高半干贮饲料的营养成分。蛋白质含量提高，粗纤维含量下降，半干贮品质得到改善，获得了色、味、嗅、质地及完好率均为上乘的优质半干贮饲料，并可抑制霉菌生长、防止腐败和延缓二次发酵，提高了半干贮饲料的完好率和利用率。

四、酶工程技术环境治理中的应用

随着人类社会的不断发展，工业越来越发达，环境问题随之而来，并变得日益严峻，目前，工业三废对人们日常生活的影响越来越大，环境问题以不容忽视，而传统的化学方法显现出了弊端与不足，利用酶工程治理环境得到了人们的青睐。

1、辣根过氧化物酶

辣根过氧化物酶是酶处理废水领域中应用最多的一种酶。有过氧化氢存在时,它能催化氧化多种有毒的芳香族化合物,其中包括酚、苯胺、联苯胺及其相关的异构体,反应产物是不溶于水的沉淀物。HRP特别适合于废水处理还在于它能在一个较宽的pH值和温度范围内保持活性。HRP的很多应用都集中在含酚污染物的处理方面,使用HRP处理的污染物包括苯胺、羟基喹啉、致癌芳香族化合物等。而且,HRP可以与一些难以去除的污染物一起沉淀,去除物形成多聚物而使难处理物质的去除率增大。这个现象在处理含多种污染物的废水时有重要的实际应用。例如,多氯联苯可以与酚一起从溶液中沉淀下来。

2、微生物脂酶的应用

微生物脂酶(甘油脂水解酶)能催化一系列反应,包括水解、醇解、酸解、酯化和氨解等。大量的微生物可以用来生产脂酶,其中以假丝酵母、假单胞菌和根霉为其重要的酶源。脂酶应用于被污染环境的生物修复以及废物处理是一个新兴的领域。石油开采和炼制过程中产生的油泄漏,脂加工过程中产生的含脂废物,都可以用不同来源的脂酶进行有效处理。脂酶被广泛地用于废水处理。Dauberhe和Boehnke研究出一种技术,利用酶的混合物,包括脂酶,将脱水污泥转化为沼气。

【发展前景】

在酶学发展史上，早在80年前，科学家们已发现酶被吸附在骨炭粉上仍具有活性的现象，但真正开展大量的固定化酶是从50年代初开始的。1953年，Grubohofer等人将羧肽酶、淀粉酶、胃蛋白酶和RNA酶等结合固定在聚氨苯乙烯树脂重氮化载体上，在实验室实现了实验室酶的固定化；1969年，日本千一郎成功地把固定化氨基酰化酶瓜应用于D、L－氨基酸的光学拆分上，这是国际上固定化酶应用于连续化工业生产的开端。

从20世纪60年代末开始，酶工程步入新的发展阶段。自然界已发现2800多种酶，但真正转入工业化生产及应用的酶也仅八九十种，说明酶工程发展潜力巨大。虽然，至目前为止，酶工程仍未有确切定义，但根据其研究开发内容，可分为“上游工程”和“下游工程”。菌种选育及原料的改良（包括采用基因克隆及细胞融合技术等）、发酵罐设计选型、放大、发酵条件的优化控制，以达到高产、高质的酶制剂产品等内容属上游工程；而采用现代分离技术、固定化技术以及酶的应用技术等属下游工程。酶工程同样是一种系统工程，只有建立在现代科学技术和科学管理的基础上，才能得到完善和发展。我国酶制剂在增加品种的同时，技术水平也有了较大的提高，菌种的发酵水平成倍提高。在发酵条件和工艺水平上进行大量改进和优化，如空气过滤系统的改造、培养基配方的优化、反应器的选择、提取工艺采