現(xiàn)代生物技術(shù)中酶工程技術(shù)的研究與應(yīng)用

鄭思瑜

東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 黑龍江 哈爾濱 150000

前言

酶是人類(lèi)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(fā)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(yīng)用價(jià)值不是單獨(dú)的，而是通過(guò)酶工程催化技術(shù)對(duì)不同的生物原料進(jìn)行催化，并在不同工業(yè)領(lǐng)域之間得到廣泛應(yīng)用。目前，酶工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用比例超過(guò)了市場(chǎng)所使用的50%，如果汁、奶品和淀粉加工等；酶工程在輕工業(yè)也有部分應(yīng)用，如化妝品、毛皮等。此外，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，將其用于檢測(cè)體外的試劑，可檢測(cè)體內(nèi)代謝物；在能源發(fā)展過(guò)程中，可以用來(lái)制造甲烷、纖維和木質(zhì)素等；在環(huán)保工程中，可以應(yīng)用于污水生物凈化等方面。因此，深入研究現(xiàn)代生物化學(xué)中酶工程的技術(shù)，對(duì)擴(kuò)大酶應(yīng)用范圍、了解更深層次酶的應(yīng)用具有重要意義。

1 酶工程技術(shù)概述

1.1 生物酶的主要特點(diǎn)

大多數(shù)生物酶的基本成分是蛋白質(zhì)，少部分是由RNA構(gòu)成的，主要是活細(xì)胞產(chǎn)生并儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)，還有催化生化反應(yīng)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(dá)到1013倍，高于其他催化劑。②專(zhuān)一性很強(qiáng)。生物酶通常具有很強(qiáng)的生化特性，它通常只能用來(lái)催化一種化合物或一個(gè)類(lèi)別的化合物所反應(yīng)引起的生化反應(yīng)，而一般催化劑可以同時(shí)催化許多種化合物的生化反應(yīng)。③無(wú)良好的穩(wěn)定性，需要為其提供溫和的化學(xué)催化反應(yīng)環(huán)境。作為活細(xì)胞中的一種蛋白質(zhì)，生物酶很容易遭到受環(huán)境溫度和pH等其他環(huán)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(yīng)的作用原理

在一種反應(yīng)系統(tǒng)中，任何一個(gè)分子的化學(xué)反應(yīng)都有可能發(fā)生，但并不是所有的反應(yīng)分子都發(fā)生了反應(yīng)。因?yàn)榉磻?yīng)系統(tǒng)中不同的反應(yīng)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(guò)程中才會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，活化分子越多，反應(yīng)越快?；顫姂B(tài)和常態(tài)之間存在著能量的差異，即分子從常態(tài)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)所需要的能量，稱(chēng)為活化能。

使反應(yīng)達(dá)到一定能閾的途徑有兩種：①通過(guò)加熱或加強(qiáng)光照，使產(chǎn)生反應(yīng)分子體系中的反應(yīng)分子活化能足以達(dá)到反應(yīng)的起始。②加入催化劑，降低反應(yīng)能閾，使反應(yīng)通過(guò)活化閾較低的方式進(jìn)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(guò)渡催化的本質(zhì)就是通過(guò)產(chǎn)生氫鍵、離子鍵和中性疏水鍵等短程的非共價(jià)鍵應(yīng)力，形成了過(guò)渡反應(yīng)的中間催化產(chǎn)物，其催化結(jié)果也就是該酶使反應(yīng)底體的價(jià)鍵的催化狀態(tài)發(fā)生形態(tài)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(guò)渡反應(yīng)狀態(tài)中活化能的重要作用。

1.3 酶工程技術(shù)的研究

生物工程是一個(gè)從70年代起提出的高新技術(shù)名詞，是指將生物工程與化學(xué)技術(shù)、工程結(jié)合起來(lái)，并在產(chǎn)業(yè)化中得到應(yīng)用的一種技術(shù)。其中包括：基因工程，細(xì)胞工程，蛋白化學(xué)工程，酶技術(shù)和發(fā)酵。

酶工程是以生物工程為基礎(chǔ)提出的，是酶學(xué)研究和應(yīng)用工程相結(jié)合而形成的新技術(shù)領(lǐng)域；是酶、微生物學(xué)的基本原理與化工技術(shù)相結(jié)合，形成了的一門(mén)邊緣性學(xué)科，包括上、下游兩個(gè)領(lǐng)域。前者包含酶以及酶制劑的產(chǎn)生制備。后者的主要包括是酶的固定、酶的修飾和生物反應(yīng)器。

酶工程技術(shù)的基本流程：①酶的生產(chǎn)：以動(dòng)物、植物或微生物為來(lái)源進(jìn)行生產(chǎn)。②細(xì)胞的破碎：酶在活細(xì)胞中普遍存在，為了有效獲取這些存在細(xì)胞組織中的酶，首先必須要對(duì)細(xì)胞進(jìn)行破壞性的處理。主要的破碎方法有：機(jī)械破碎、物理破碎、化學(xué)破碎和酶解破碎。③酶的提?。涸谄扑榈奶厥馇闆r下，用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)溶劑或有機(jī)溶液對(duì)包含酶的原料產(chǎn)物進(jìn)行溶解處理，使其充分地完全溶解于有機(jī)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(jī)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(guò)濾與膜分離等。⑤酶的提純：可依據(jù)分子大小、分子電荷、分子極性以及親和力的不同設(shè)計(jì)提純方法。⑥酶的濃縮，干燥和固化結(jié)晶：在各種固體酶制劑研發(fā)生產(chǎn)使用過(guò)程中，為了有效保持酶的活性，便于儲(chǔ)存，一般要進(jìn)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(chǎn)加工一些產(chǎn)品、化驗(yàn)診斷、水質(zhì)臨界檢測(cè)以及生物工程其他分支領(lǐng)域。酶工程在現(xiàn)代生物技術(shù)中起著非常重要的作用，因此它在現(xiàn)代生物技術(shù)中得到了廣泛的研究。例如，我們使用的酶分離技術(shù)。酶可以用于基因工程，提高酶活性。一些重要生物酶可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在微生物中得到應(yīng)用，從而提高催化效率?；蚬こ棠艹浞职l(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，從技術(shù)角度改變酶結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)氨基酸結(jié)構(gòu)，從而生產(chǎn)質(zhì)量高、功能好的產(chǎn)品。因此，酶工程的研究對(duì)社會(huì)發(fā)展有卓越貢獻(xiàn)。

2 酶工程技術(shù)在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 遺傳育種中的應(yīng)用

技術(shù)人員可以把某些酶當(dāng)作動(dòng)物的遺傳標(biāo)志，在一定程度上對(duì)遺傳規(guī)律做出歸納，從而界定了血緣關(guān)系。這種技術(shù)也同樣適用于人類(lèi)，酶工程技術(shù)可以為親子鑒定提供重要依據(jù)。這種效率高的功能特征也將在畜牧行業(yè)中得到應(yīng)用，有助于研究者調(diào)查有關(guān)工作，為他們提供更方便、科學(xué)合理的研究方式和策略。這也在某種程度上降低了技術(shù)工作的復(fù)雜度，使他們可以更高效率、更迅速地完成這些工作。

2.2 醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

有些疾病的產(chǎn)生，與酶的特性有著一定的關(guān)聯(lián)。比如遺傳性疾病，與酶有著一定的聯(lián)系。有些物質(zhì)的結(jié)合是不合理的，它們的存在會(huì)降低酶的活性，導(dǎo)致神經(jīng)傳遞物質(zhì)沒(méi)有辦法在特定的時(shí)間到達(dá)相應(yīng)的位置，由此引發(fā)了某些疾病。在診斷疾病的時(shí)候，因?yàn)檎Ｈ梭w內(nèi)的酶是比較穩(wěn)定的，所以能夠?qū)膊〉漠a(chǎn)生原因進(jìn)行合理的診治。所以，酶工程技術(shù)在未來(lái)某些疾病的治療中提供更加重要的訊息，能夠加強(qiáng)預(yù)防疾病的手段。

有些病因與酶特性之間存在著關(guān)聯(lián)。例如遺傳病，與酶之間存在著一定的關(guān)系。有些物質(zhì)結(jié)合不合理，它們的存在降低了酶的功能，導(dǎo)致神經(jīng)傳遞物質(zhì)無(wú)法在一定時(shí)間達(dá)到相應(yīng)位置，從而引起某些疾病的發(fā)生。在診斷病情時(shí)，由于正常的人體中酶比較穩(wěn)定，因此能夠診斷病情的產(chǎn)生原因。因此，酶工程技術(shù)將在未來(lái)的某些病情治療中提供更重要的信息，從而增強(qiáng)預(yù)防病情的手段。

酶與疾病存在兩種聯(lián)系：

（1）預(yù)防遺傳病。這是先天免疫因素所致引起的酶功能缺陷，對(duì)新陳代謝不利。例如患有白化癥疾病患者，這類(lèi)白化病人體內(nèi)可能缺少一種酪氨酸酶，而且體內(nèi)缺乏這類(lèi)酶可能會(huì)導(dǎo)致使這些患者全身皮膚和面部毛發(fā)都會(huì)變白，因?yàn)樗麄內(nèi)狈钚院谏亍?/p>

（2）對(duì)疾病進(jìn)行酶的診斷。酶分布于機(jī)體組織中，有其的定位。對(duì)正常的人來(lái)說(shuō)，他體內(nèi)酶含量比較穩(wěn)定，因?yàn)橛幸粋€(gè)酶活性的空間。但是，當(dāng)某些疾病發(fā)生時(shí)，血液中和其他體液的酶活性就會(huì)有很大的變化。因此，在測(cè)量體液時(shí)，注意酶的活力高低可以防止疾病發(fā)生。有助于醫(yī)護(hù)人員對(duì)此進(jìn)行診斷。因此，酶在醫(yī)療領(lǐng)域的作用是相當(dāng)強(qiáng)的，應(yīng)該使其在這一領(lǐng)域發(fā)揮最大的作用，使其得到更好的應(yīng)用，為我國(guó)醫(yī)療事業(yè)進(jìn)一步發(fā)展提供更好的服務(wù)和研究質(zhì)量。

2.3 釀酒工業(yè)中的應(yīng)用

啤酒主要以麥芽為原料。如果麥芽質(zhì)量差，或者因?yàn)榇竺?、麥?lèi)等輔助材料的使用過(guò)多，就會(huì)造成淀粉酶和纖維素酶活力過(guò)低。糖分不足，進(jìn)而對(duì)啤酒口味產(chǎn)生影響。如果采用微生物淀粉酶和蛋白酶，可以彌補(bǔ)由于麥芽酶活力不夠而引起的問(wèn)題，從而獲得很好的利益。釀造酒配料中，液態(tài)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(chǎn)。因此，酶在酒業(yè)中也有較廣的應(yīng)用，能夠極大地節(jié)約相關(guān)成本，同時(shí)也對(duì)提高生產(chǎn)量有一定的作用。

2.4 在畜牧業(yè)上的應(yīng)用

酶在畜牧行業(yè)的應(yīng)用已有很長(zhǎng)的時(shí)間。目前，我國(guó)畜牧養(yǎng)料中淀粉酶、微生物復(fù)合酶等大量存在。一方面，生物酶的應(yīng)用可以對(duì)動(dòng)物生長(zhǎng)產(chǎn)生一定作用，幫助它更快地生長(zhǎng)；另一方面，生物酶可用于提高飼料質(zhì)量，生產(chǎn)出優(yōu)良的品牌。好的飼料可以提高病情的預(yù)防，從某種意義上說(shuō)，也可以提高動(dòng)物的生存率，降低相關(guān)醫(yī)療費(fèi)用和養(yǎng)殖費(fèi)用，從而提高效益。

3 結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，酶工程的研究和開(kāi)發(fā)極大提高了社會(huì)有關(guān)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率。不同的工程技術(shù)對(duì)酶也有很大的依賴(lài)性，其重點(diǎn)在于催化效率較高，反應(yīng)快。在節(jié)省企業(yè)生產(chǎn)成本的同時(shí)，從而大大提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)。因此酶工程技術(shù)將在以后的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，總體而言，是由于科技水平不斷提高，在更多行業(yè)中，運(yùn)用酶固有的特性，實(shí)現(xiàn)效益更大，對(duì)社會(huì)的發(fā)展做出了更大貢獻(xiàn)。