工业酶的发展现状与展望

强新新，马雯雯，王 平，王 曼，梅晓丹



工业酶的发展现状与展望

强新新，马雯雯，王 平*，王 曼，梅晓丹

（大连百奥泰科技有限公司，辽宁 大连 116025）

工业酶是生物催化技术在的各个行业应用的关键，也是建立可持续发展社会，解决高消耗、高污染问题的工业基础。本文介绍了近年来工业酶在各行业的应用情况，概述了工业酶发展存在的问题及对策，并对工业酶的市场发展前景进行了展望。

工业酶； 工业酶应用； 酶固定化； 酶分子修饰

生物催化技术是工业可持续发展最有希望的技术，而工业酶是生物催化在工业生产应用过程中解决高消耗和高污染等问题的关键。《中国制造2025》中曾明确指出，截至2020年，中国将建成千家绿色示范工厂和百家绿色示范园区，重点行业主要污染物排放强度下降20%。毫无疑问，工业酶将在这一场绿色发展的技术革命中担当重要角色。

随着新的生物技术如定向进化、基因工程的出现，利用生物技术对工业酶进行有目的的改造优化将逐步实现。

1 简介

工业领域生物催化与生物转化的核心是生物催化剂——工业酶[1]。工业酶参与的酶催化工艺是发展第二代生物能源、开展生物修复、保障食品安全的关键技术[2]。

由于工业酶在生产过程中具有催化效率高、专一性强和污染少等特点，酶催化已经和化学工艺方法一样，大量应用于纺织、造纸、石油、食品、饲料、洗涤等生产过程中。酶可以催化反应位点、化学结构和立体构型选择性的反应，而这些对于传统的化学反应，非常具有挑战性。尽管不是每一个酶都能够在温和、使用相对无毒试剂的条件下进行，但这对工业生产来讲是十分有用的。

生物酶的工业应用前景是非常有吸引力的，不仅因为他们在底物到产物的转化过程是高效和高度选择性的，还因为应用工业酶容易生产纯度较高的产品，从而最大限度地减少废物的产生。工业酶制剂的应用能大大降低了工业生产中的资源消耗和环境污染，是工业技术转型升级的重要方向之一。

但到目前为止，已报道发现的酶有5 000多类，其中已实现大规模工业化生产的只有约200多种[3]。工业酶还存在热稳定性、pH稳定性和有机溶剂耐受性等问题，这些都限制了在工业化生产中的大规模应用。一种酶能否应用于工业生产中，需要从三个方面考虑，概括为转化效率，稳定性和可用性。这些是酶应用于工业生产时必须要克服的障碍。工业酶还必须在在合理的成本下满足工业生产的用量要求。

2 工业酶分类与选择标准

国际生物化学与分子生物学联合会（Interna- tional Union of Biochemistry and Molecular Biology，IUBMB）根据酶所催化的反应类型，将酶分成六个大类，如表 1所示。

每个酶都有一个分类号，称为“EC编号”，它由四个数字组成，这些数字代表逐步更细致地为酶进行分类，依次为大类、子类、作用的化学基团编码、酶自身编码。如EC编号：EC4.3.2.1，数字“4”表示酶的大类为裂解酶；编码“4.3”表示酶为作用与Ｃ－Ｎ键的裂解酶；编码“4.3.2”表示作用于酰胺类、脒类基团的裂解酶；编码“4.3.2.1”代表精氨琥珀酸裂解酶。

图1表示了更适合应用的生物酶的概念，在这里每个来自宏基因组的候选酶按照特定的标准从低（1分）到高（6分）排序，以产生一个多参数指纹图谱[4]。

表1 酶的分类

图1 用于酶筛选的表示酶性能指标的雷达图

工业酶应用性能的评价指标包括酶活性，效率，特异性和稳定性。这一决策矩阵显示了每一个候选酶的优势和劣势，因此，可以从不同的酶库，通过重新筛选、蛋白质工程或定向进化的方法进一步开发更有应用前景的工业酶。

酶在功能和活性上是非常独特的。当反应体系中不需要酶时，可以通过简单的方法对酶去活化。这种不需要过多危险化学品或能源，并能进行复杂、特异化学反应的能力，使工业酶在工业领域的应用具有强大的吸引力和广阔前景。

3 工业酶的生产和应用

3.1 工业酶的生产

酶可以从植物，动物和微生物中获得。然而，在工业生产中，来自真菌和细菌的酶占主导地位，并且，绝大多数酶来自数量非常有限的微生物物种，其中以曲霉、木霉、芽孢杆菌和酵母菌为主。工业酶的主要品种是淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、连接酶、植酸酶、纤维素酶和木聚糖酶等[5]。

生产工业酶的专业性很强，对产品品质的要求也很高，因而需要菌种、生产技术等技术方面的长期积累和不断优化。进行工业酶的开发的专业研究机构或公司通常需要具有以下技能[6]：

（1）酶和生产菌株的选择。

（2）利用基因工程技术构建高产菌株。

（3）培养基和生产条件的优化。

（4）酶回收工艺的优化。

（5）稳定酶制剂的配方工艺。

工业酶的生产需要对相关的科学和技术问题有清晰的理解。这些问题包括酶的生物来源鉴定，酶过度表达的遗传操作，细胞发酵培养及条件优化，酶产物的分离、纯化和酶制剂的稳定策略等。

3.2 工业酶的应用

工业酶是现代工业生物技术中相对成型而又潜力巨大的核心产业，应用领域遍及化学品生产、医药、轻工、食品、能源及环境保护等[7]。

酶可以通过消除或部分替代在生产中的化学处理过程，提供更为安全的工作条件。因此，在淀粉、造纸和纺织品加工中，使用酶时，有害化学品的用量会大大减少[6]。例如，在纺织工业中，酶可以替代织物退浆过程中使用的碱或氧化剂，减少环境污染的同时，还可提高织物的感官和纤维断裂强度[8]；在制革工业中，酶可以减少加脂剂、鞣剂、脱毛剂等助剂的使用，降低污染物的排放[9]；在饲料中添加酶制剂，让动物更完全地消化吸收饲料中的营养成分，并减少粪便的产生[10]；在洗涤剂中加入酶制剂，可以代替漂白剂，去除衣物上的顽固污渍；并在较低的温度下实现衣物的洗涤，从而节省能源[11]。

在食品生产领域[12]，如果汁类产品的生产中，是无法离开酶的作用的。果汁的混浊主要是由果胶和淀粉等多糖引起的。酶处理是降低果汁的混浊的有效途径，还可以降解植物细胞壁使植物细胞中营养成分释放出来。果汁处理工艺中主要使用果胶酶和其它酶如淀粉酶、纤维素酶、葡萄糖氧化酶等。

在其它领域工业酶也有广泛及重要的应用。一些具有的立体选择性、区域选择性等特点的工业酶在有机合成工业中得到了越来越多的应用。如酶催化的Aldol缩合反应、Mannich反应、Michael加成反应等高级反应已经能够应用于有机合成工业[3]。在能源领域，也有关于酶的深入研究和应用。除了在木质纤维素降解制燃料乙醇的生产中应用外[13]，在石油生产中的应用如生物酶在油井、气井压裂施工中作为破胶剂，相比传统氧化破胶剂，具有温度范围可调（20~150 ℃），返排率高，地层伤害小等优点[14-16]。

酶在各行业中的应用举例如表2。应用与各个行业中的工业酶品种主要是淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶、蛋白酶等主要品种。

表2 各行业中工业酶的使用情况

通过以酶为催化剂的生物催化工艺来改造传统工业，发展和完善基于工业酶的绿色生物工艺产业链，特别是纺织、造纸、皮革等高污染、高能耗行业，是工业酶行业最有价值的发展方向之一。

工业酶应用于工业生产中，需要满足工艺条件的要求。举例来说，根据工艺条件的不同，不同行业对酶的作用温度有不同的要求，如表3所示。

工业酶在生物催化工艺中的应用是需要满足一定条件的。上表中的例子是一些工艺条件对工业酶耐受温度性能的要求。工业酶是一类以蛋白质为主体的催化剂，其催化活性易受温度及pH的影响。随着温度的上升，反应速度加快，但达到某一温度以上（一般45～50 ℃），蛋白质就会变性失活，其催化活性就会急速降低；同样生物酶也只在有限的pH值范围内起反应，故每种酶都有其最佳温度和pH值。而有些工业生产过程需在一定的温度、压力、pH值或有机溶剂条件下进行，因此要求所用生物催化剂具有较高的耐受力，以适应工业化生产需要。目前生物催化技术的应用主要局限于无合适的生物酶催化剂。

表3 不同行业对酶温度范围的要求

4 工业酶的技术改进

当前工业生物催化发展的制约因素之一就是商品化的工业酶种类不够多、适用的反应类型有限、底物耐受浓度、反应速度、转化率、对有机溶剂耐受性等性质难以十全十美。

自然环境中产生的酶在性能上往往不能满足工业的需要，所以酶的性能需要靠生物技术加以改进。应用现代筛选技术可获得理想的生物催化剂。传统的方法包括常规的物化诱变技术、原生质体融合技术等。随着现代生物技术的不断发展，又出现了基因工程技术、基因组改组技术及最近发展起来的分子标签插入突变技术等，已成功用于工业酶的性能改良。

通过对天然酶进行分子改造，能够为工业生产提供具有稳定性更高、活性更高、选择性更高、极端环境耐受性更高的新酶。酶的改造可以通过固定化、理性设计或者定向进化技术来实现。

4.1 酶的分子改造

除了从自然选择外，随着分子生物学、蛋白质工程、基因工程和计算技术等相关学科的迅速发展，高通量筛选技术和装置的发展与成熟，定向进化与理性设计相结合的半理性分子设计方法陆续出现。大量计算方法如Pro SAR、SCHEMA、Rosseta等的应用，大大提高了突变体设计分析的效率和准确性。同时，在突变体文库的构建方面也出现了迭代饱和突变、简化密码子表、基于简并密码子的限制性文库方法等。这些技术使得直接进化和合理设计生物酶催化剂的效率大大提高，可能在更短的时间内创造出越来越多新的高效而经济的工业酶制剂。

目前酶改造和设计大多通过定点突变、片段优化替换等各种传统蛋白质工程手段，或者涉及常规生物信息学的分子改造等而获得新型酶。但有些酶由于蛋白质骨架性质不够好，很难通过这些小修小补的手段，获得性能的巨大提升。近年来，酶学理论得到了迅速的发展，在改造和设计新型酶，特别是自然界不存在的全新酶的过程中，出现了把酶的折叠模式与酶活中心分别加以研究的设计思路。将某种酶功能关键结构安装在性能达到工业生产要求的蛋白质骨架上，实现可工业应用的新型酶的改造和设计[31]。

在酶的分子改造中最具代表性的案例之一，是糖尿病药物西他列汀（Stagliptin）合成用酶的分子改造[32,33]。基于蛋白质结构，通过分子模拟和点饱和突变对节杆菌转氨酶进行重新设计，最终通过多轮特定环境下的定向进化所获得的突变酶有27个突变位点，具有较广的底物适应范围、较高的活性和很强的环境耐受能力（反应温度45～50℃、50% DMSO、底物浓度200 g/L），而传统的定向进化方法几乎不可能得到具备如此多性能优势的酶。该酶的生物催化活性提高了2 500倍，替代了原有工艺中昂贵的金属钌催化剂，并且没有副产物左旋对映体的生成。酶法工艺解决了高压生产过程的危险性和高成本等问题，反应产率提高10%～13%，废物的产生量降低了19%，还增产56%。Merck和Codexis公司也因此获得了2010年美国总统绿色化学挑战奖。

4.2 酶的固定化

酶在工业过程中的应用被以下几个因素限制，主要包括酶的成本高，酶的不稳定性，以及酶规模化的可用性。另外，由于酶溶于水介质中，催化过程结束后从反应液中回收酶，再次利用的成本很高，并且这在技术上是非常困难的，这造成了酶的使用成本居高不下。并且，使用可溶性酶的生产过程，由于需要进行含酶溶液处理，使生产过程被限制为间歇式的生产方式，这也限制了酶法工艺的生产效率的提高。此外，酶在外界条件的影响下，活性很容易受到影响，且不稳定。

为解决上述问题，固定化酶技术被提了出来[34]。酶的固定化是指采用有机或无机材料作为载体，将酶包埋起来或束缚、限制于载体的表面和微孔中，使其仍具有催化活性，并可回收重复使用的方法与技术。酶的固定化技术将酶与不溶性基质保留在反应器中，便于酶的再利用以降低成本。酶的固定化有助于连续生产工艺过程的发展，使生产以更少的成本、更高的产量、自动化地进行生产运作。固定化酶还可使产品具有更高的纯度，以满足医药、食品等行业对产品纯度更苛刻的要求。

现有的固定化方法包括包埋法、吸附法、共价法等[35,36]。包埋酶可以制备成珠状、纤维状、薄膜状等。由于包埋为物理过程，不涉及酶的修饰，不需要氨基酸残基参与反应，因而基本不改变酶的活性中心及高级结构，酶活损失较少。但缺点在于：酶包埋在载体中，由于扩散限制影响酶的催化效率。此方法较适用于以小分子物质作为底物的酶，底物容易扩散进入固定化酶的活性部位。包埋法常用的包埋材料有多糖、胶束、脂质体等。

共价法是指酶分子和载体之间以共价键相互连接。共价法的优点在于酶与载体间连接牢固，酶与载体很难分离，因此具有良好的稳定性及重复使用性。但由于共价法需要酶分子与载体的共价结合，反应通常是复杂、剧烈、非特异性的，使酶活中心受到一定程度的破坏，因而会影响酶的活性。

吸附法[37]是通过氢键、疏水键、静电作用等分子作用力完成酶的固定。如以硅胶吸附固定脂肪酶，提高脂肪酶的催化活性；或以氧化铝为载体吸附淀粉酶，使淀粉酶具有更高的pH稳定性等。吸附法具有工艺简单、酶残余活力高、载体材料多样的特点。其缺点在于酶与载体的结合力小，外界因素的改变容易导致酶与载体分离，导致酶的损失。

近年来，酶的固定化方法及应用研究得到了长足进展，开发新型固定化技术、研究其在工业生产中的应用是酶固定化研究的主要趋势。

5 工业酶的市场前景展望

中国酶制剂产业经过50多年的长足发展，已进入世界酶制剂生产的大国行列。在引进国外先进设备、优良菌种、新型酶制剂的基础上，中国酶制剂工业得到迅猛发展，中国本土酶制剂企业也得到较快发展。目前，中国本土竞争实力相对较强的酶制剂生产企业不断涌现。

2015年7月，美通社在线发布《2014年全球工业酶行业研究报告及未来三年预测》。近年来，全球工业酶制剂市场规模逐年增加，年产值增长率为5%，2014年已达42.2亿美元的规模。目前，全球工业酶市场基本上是寡头垄断。在2014年，诺维信作为工业用酶巨头，占据了44%的市场份额，是全球工业酶制剂和微生物制剂市场的绝对领导者；而杜邦公司和DSM分别占有为20%和6%的市场份额。全球各地区需求呈现较大差异，欧洲和北美地区对工业酶的需求量最大，占据80%；而中国仅占9.4%。

在市场需求扩大和国家相关政策的双重刺激下，2014年中国的工业酶制剂产量已达116.57万吨并保持10%年产量增长趋势，预计2017年产量将达到150吨。通过引进国外先进的设备、优良的菌株以及新型酶制剂的开发，中国已开始进入酶制剂工业的快速发展期。但在酶制剂研发的原始创新方面尚有一定差距，多数企业的自主开发能力还十分有限。

6 结 语

酶催化过程比传统化学过程更清洁、环保，酶技术在工业生产过程中的广泛应用，是建设可持续发展社会的必要条件。尽管一些酶的性能还不能完全满足需求，但随着生物技术的发展，工业酶必将在工业生产中发挥更加强大的作用。

正如20世纪中期石油化工的飞速发展改变了人们的生产、生活方式一样，生物催化的广泛应用，将会给人们提供性能更佳的材料和能源以可再生的生物原料为基础的生物生产过程，将逐步取代化石原料生产过程，成为21世纪化工生产的主体，从而实现绿色化工、绿色生产的目标。

[1] 段钢．新型工业酶制剂的进步对生物化学品工业生产过程的影响[J]．生物工程学报，2009(12)．

[2] 丁陈君，陈云伟，陈方，等．工业酶领域国际专利态势分析[J]．科学观察，2014(04)．

[3] 于建荣，毛开云，陈大明．工业酶制剂新产品开发和产业化情况分析[J]．生物产业技术，2015(03)．

[4] Lorenz P，Eck J．Metagenomics and industrial applications．Nat Rev Microbiol 3:510-516[J]．Nature Reviews Microbiology，2005，3(6)：510-516．

[5] Eijsink V G H，Vaaje-Kolstad G，Vårum K M，et al．Towards new enzymes for biofuels: lessons from chitinase research[J]．Trends in Biotechnology，26(5): 228-235．

[6] Santos T M．Up-To-Date Insight on Industrial Enzymes Applications and Global Market[J]．Journal of Bioprocessing & Biotechniques，2012．

[7] 马延和．工业酶的现状与展望[J]．生物产业技术，2010(04)．

[8] 张洁，王强，范雪荣，等．棉织物的复合酶退浆工艺[J]．印染，2016(15)：1-5．

[9] 汤城岸，覃湫棉，柴曼思，等．清洁制革中酶制剂的研究现状和应用前景[J]．西部皮革，2015(12)：27-34．

[10] 徐俊宝．饲料酶的应用与发展[J]．饲料与畜牧:新饲料，2016(6)；23-25．

[11] 铃木阳一．洗涤剂用酶的作用及最新技术[J]．中国洗涤用品工业，2016(6)：44-49．

[12] Singh R．Role of Enzyme in Fruit Juices Clarification during Processing：A Review[J]．2015．

[13] Pollegioni L，Tonin F，Rosini E．Lignin-degrading enzymes: a review[J]．Febs Journal，2015，282(7)：1190-1213．

[14] 张天翔，潘竟军，杨平，等．高温生物酶破胶剂在克拉玛依油田压裂液中的应用[J]．新疆石油地质．2011(5)：547-549．

[15] 李建山，陆红军，王平，等．生物酶破胶剂在气井压裂中的研究与应用[J]．钻井液与完井液，2012，29(6)：71-73．

[16] 陈英，王亚南，陈绍宁，等．用于压裂液的生物酶破胶剂性能评价[J]．钻井液与完井液，2010，27(6)：68-71．

[17] 郭营，丁若垚，郁崇文．亚麻原麻及其粗纱生物酶处理工艺条件的优化[J]．纺织学报．2016，37(4)：70-74．

[18] 徐丽华．国内纺织酶的发展现状及趋势[J]．生物产业技术，2010(4)：52-56．

[19] 柴仙琦，冷向军，张民，等．酶制剂在水产饲料中的应用及研究进展[J]．饲料工业，2014(2)：33-36．

[20] 林影．生物酶在造纸工业绿色制造中的应用[J]．生物工程学报，2014，30(1)：83-89．

[21] 张伦，张无敌，尹芳，等．酶催化制备生物柴油的研究进展[J]．湖北农业科学，2010，49(5)：1229-1231．

[22] 李军，王潜，孙守国，等．百力士160生物酶在压裂液破胶中的适应性研究[J]．中外能源，2008，13(5)：67-69．

[23] 李建山，陆红军，王平，等．生物酶破胶剂在气井压裂中的研究与应用[J]．钻井液与完井液，2012，29(6)：71-73．

[24] 张天翔，潘竟军，杨平，等．高温生物酶破胶剂在克拉玛依油田压裂液中的应用[J]．新疆石油地质，2011(5)：547-549．

[25] 张应安．生物酶技术在火山岩气藏筛管水平井解堵应用[J]．科学技术与工程，2010，10(19)：4623-4627．

[26] 刘波，袁利鹏，刘旭光．复合酶法脱除生姜皮的新工艺研究[J]．食品研究与开发，2016，37(14)：90-94．

[27] 刘苏苏，吕长鑫，李萌萌，等．南果梨汁响应面复合酶法制取工艺优化[J]．食品工业科技，2016，37(3)．

[28] 张祥强．食品级啤酒酶制剂在啤酒酿造中的应用[J]．啤酒科技，2014(6)：33-34．

[29] 李美玲，蔡美萍，李珍丽，等．食品酶的生产及应用[J]．食品安全导刊，2015(18)：127．

[30] 夏文水，高沛，刘晓丽，等．酶技术在食品加工中应用研究进展[J]．食品安全质量检测学报，2015(2)：568-574．

[31] 孙伟峰，钟文娟，孙彬，等．生物信息学在蛋白质(酶)改造及设计中应用的新进展[J]．西华大学学报：自然科学版，2016，35(2)：67-71．

[32] 熊叶丹，叶君，熊犍．2010年美国总统绿色化学挑战奖[J]．化工进展，2010，29(9)：1796-1797．

[33] 郁惠蕾，张志钧，李春秀，等．大数据时代工业酶的发掘、改造和利用[J]．生物产业技术，2016(02)．

[34] 靳春鹏，彭海航，许慧娜，等．酶的固定化专利技术分析[J]．饲料研究，2016(4)：37-41．

[35] 汤玉兰，陈缵光，成志毅．多酶共固定化反应体系的研究进展[J]．中国生物工程杂志，2015，35(1)：82-87．

[36] 王金丹，张光亚．多酶共固定化的研究进展[J]．生物工程学报，2015，31(4)：469-480．

[37] 隋颖．生物酶固定化方法的研究新进展[J]．山东化工，2013，42(8)：71-72．

Development Status and Prospect of Industrial Enzymes

（Dalian BITeomics,Inc, Liaoning Dalian 116025, China）

Enzyme is the key to application of bio-catalysis technology in different industries, and it is also industrial base to establish a sustainable society and to solve the problem of high energy consumption and heavy pollution. In this paper, application of industrial enzymes in various industries in recent years was introduced, and the problems during development of industrial enzymes were summarized as well as the countermeasures.At last， themarket of industrial enzymes was prospected.

Industrial enzyme；application of industrial enzyme；immobilized enzyme；modification of enzyme molecular

TQ 814.9

A

1004-0935（2017）03-0243-06

2016-12-22

强新新（1983-），男，博士，2012年毕业于大连理工大学应用化学专业，研究方向：油田用剂研究开发。

王平（1978-），女，中级，博士，研究方向：主要从事油气田开发及提高采收率方法研究。邮箱：wangping@biteomics.com。