现代生物化工中酶工程技术研究与应用

段涛

摘要：酶是人体新陈代谢中不可或缺的催化剂，在加快新陈代谢速度、促进化学反应等方面发挥着巨大的作用，随着现代生物化工技术的进步发展，以及人们对基因工程和细胞工程的研究不断深入，酶工业化量产不断取得突破进展，并为生物工程的应用提供了更大的发展空间。在酶工程的实施过程中，其主要是通过使用蛋白质工程技术或化学修饰法改变酶分子，继而改变酶的性质，从而使酶产生不同的作用，并在环境、医药、农业、工业等领域发挥着重要的作用。基于此，本文就现代生物化工中酶工程技术研究与应用进行了分析。

关键词：生物化工;酶工程技术;应用

酶在各行各业中的应用是通过酶工程技术对原料进行生物催化，通过生物催化制备使酶在不同的产业领域发挥不同的作用。目前，酶工程技术在在现代生物化工中研究不断深入，酶工程的主要任务已经从最开始的单纯提高酶产量过渡到对酶的生物学性质进行特征性研究与改变，其在提升各行业经济效益上具有十分重要的现实意义。

一、酶工程技术概述

（一）生物酶

（1）生物酶特点。生物酶其本质属于蛋白质，主要成分为DNA。生物酶的酶分子结构由氨基酸长链组成，与蛋白质类似，并且具有极强的催化功能。生物酶具体的特点主要有以下几点：一是能够随时调节酶的活力，由于存活的蛋白酶具有较好的特性，因此类型不同的蛋白酶可以利用一定的机制来达到个体之间的彼此结合，从而提高其催化活力的效果;二是生物酶具有专一性，只是对于一种化合物将自身的催化作用作用于此;三是生物酶的催化效率较高，酶的催化效率比其高1013倍，是一般催化剂不可达到的效率;四是酶的稳定性能较差，其正常的催化作用中交易受到一些因素的影响而导致蛋白质问题，造成酶活性消失。

（2）生物酶作用。生物酶的主要作用是催化，它包括分解系酶、合成系酶两大类，每类又包含不同种的生物酶。不同的生物酶有着不同的催化作用。比如溶解酶可以起到抗菌消炎的作用;果胶酶可以起到水解聚半糖醛酸酯的作用;脂肪酶可以起到水解脂肪酸和甘油的作用;蛋白酶可以起到水解酪蛋白、明胶的作用等等。

（二）酶工程技术原理

酶工程技术在实施过程中主要就是通过生物酶的催化反应使置于同一生物反应容器中的动植物细胞、微生物细胞、酶等原料与催化酶发生性质上的变化，从而使其产生不同的作用。在其反应过程中，由于生物酶的化学反应速率会受到生物酶的分子活性影响，因此对生物酶制剂采用分离提纯技术可以有效提高纯度、收率、活性。

（三）酶工程技术的研究

人们对酶的应用最先就是在食品行业中，借助微生物中酶的作用来生产咸菜、腐乳和泡菜等，还有1857年法国微生物学家巴斯德与德国化学家李比希发现酿葡萄酒的过程中正是因为酵母细胞的发酵，在此之后的100年时间里，人们完成了从酶是什么的探讨到酶工程成为一门独立学科的质的飞跃。直至20世纪70年代固定化酶及其相关技术的产生扩大了其应用范围，在我国针对酶工程的研究已经逐渐深入，此技术在实际应用中包含着许多丰富的内容，如酶分离提纯技术、酶源开发技术等。基因工程的技术优势可改变酶的结构，增强酶的稳定性，形成具有特定顺序序列的氨基酸结构，生产出具有良好功能特性的生化产品。在现代生物化工发展过程中，酶的存在发挥着重要的作用。

二、酶工程相关技术

（一）酶分子修饰技术

酶在进行催化反应的时候对自然界的环境要求较高，因此并不适应与工厂环境，通过使用酶分子修饰技术能够降低酶对条件的依赖，其主要是利用传统突变技术和分子生物学技术将蛋白质上一个或一些氨基酸修饰替换掉，以此来达到目的。

（二）酶的固定化技术

酶一般是可溶于水的，因此其在与反应物充分结合催化反应后会出现无法与产物进行分离的情况，这就导致酶无法重复被利用，而且产物也因此受到污染，纯度不够，质量不高，而通过酶的固定化技术能够将酶束缚在某些难溶的固体或胶体材料中使其与反应物充分接触并催化反应的同时防止被水溶解，主要的方法有包埋法、物理吸附法等，其中包埋法适用于包埋细胞，其主要是利用樱花细胞，成本较低，但是催化效率较低和专一性较差;物理吸附法效果较好，其会利用活性炭、氧化铝、硅藻土等多孔材料将酶吸附而不引起酶变性或失活。

（三）非水相反应

酶工程技术在使用过程中也逐渐暴露出一些问题，比如活力不高，稳定性较差等，但是人们经过试验发现酶在非水介质中催化的一些优势远大于在水溶液中的催化，即非水相催化，因此当底物或产物其中之一具有疏水性的情況下可以在非水介质中催化，从而大大提高其溶解度，解决难以在水中实现的合成反应。

三、现代生物化工中酶工程技术的应用

（一）医学领域

酶工程在医学领域方面的应用时间较早，一是在遗传病的治疗上，比如白化病患者皮肤和毛发异常的问题，这主要是原因先天性原因造成酶代谢失常，这时候就可以使用生物酶来提高代谢;二是可以利用生物酶诊断疾病，主要是因为酶在人体各项组织中存在并且具有一定的活性，因此检测酶的活性就可以诊断相应的疾病;三是酶工程在疾病防治中也发挥着重要的作用，比如可以用于消化不良辅助药物中，包括多酶片、蛋白酶等药物，还可以用于外伤辅助治疗，应用于胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶，能够清理外伤化脓伤口以及胸、腹腔黏膜粘连，除此以外，生物酶弹性蛋白的作用可以用于蛋白血症的治疗，治疗效果优异。

（二）人体领域

利用生物酶催化养分，可以显著提升细胞的活性，能够起到消炎、抵抗恶性肿瘤发展、净化血液等作用。与此同时，生物酶还可以有效补充人体免疫物质，提升营养物质的利用和吸收效果，在保健方面也发挥着重要的作用。

（三）畜牧业

畜牧业领域中生物酶的应用可以追溯到19世纪，其主要就是应用在多种畜牧饲料中，常使用的生物酶有微生物复合酶、淀粉酶等，其在促进动物成长、提升饲料使用效率、增强动物免疫力等方面发挥着重要的作用。除此以外，在一些存活率较低的幼小动物中使用生物酶饲料可以提升动物存活率，尽可能地减少兽药的使用，为畜牧业的可持续发展奠定坚实的基础。而且酶工程技术还能够将人类生活、生产中含有大量蛋白质废弃物经过处理后用于畜牧业生产中，从而降低畜牧业的生产成本，而如何降低酶工程施工过程中的处理问题也是当前的主要研究方向。

（四）遗传育种

在遗传学规律的基础上，可以将生物酶作为标记物来确定植物在种群中的亲缘系统，因此在农业上生产中就可以根据此技术来培育良种提高农业生产质量。除此以外，其遗传标记的作用还能够应用在亲子关系鉴定中，进一步提高了亲子鉴定的准确性和效率。随着基因工程、细胞工程等的不断深入发展，酶工程技术在应用过程中其遗传标记流程和方式也发生了变化，其发展空间不断扩大，在遗传育种方面方具有十分重要的现实意义。

（五）酿酒工业

麦芽是啤酒生产的主要原料，在生产过程中如果存在麦芽质量欠佳或大米等辅助原料使用量较大的情况时就会造成淀粉酶、β一葡聚糖酶、纤维素酶的活力不足的问题，因此啤酒酿造过程中会出现不能充分糖化、蛋白质降解不足情况，使啤酒的风味和吸收率受到一定的影响，在酶工程技术的支持下，越来越多的企业生产厂家开始使用微生物淀粉酶、蛋白酶、β一葡聚酶等制剂，将其加入到酿酒的生产过程中能够避免麦芽中酶活力不足的缺陷出现，从而提高啤酒的风味与吸收率。

（六）洗涤工业

在洗涤工业中，主要是进行加酶洗衣粉的生产，经常使用的有蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等几种，其去污能力强，能够应对多种污渍。比如蛋白酶可以将蛋白质水解后变成可溶性的氨基酸，因此加入蛋白酶的洗衣粉可以轻易去除衣物上沾上的果汁、奶制品、咖啡等;脂肪酶可以在低温状态下去除脂肪，由于脂肪酶具有累积效果，因此其去污能力和洗涤次数呈正比;淀粉酶可以水解淀粉，沾上面条、土豆泥、巧克力等污渍的衣物可以使用加入淀粉酶的洗衣粉，从而大大提高去污效果。

四、酶工程的未来发展

酶作为一种高效的生物催化剂在各行业领域得到普及应用的同时也出现了一系列的问题，比如国产酶种类相对单一、复合酶技术不甚成熟等，而且酶产品精度并不够，一些产品还是粗加工产物，同时酶工程技术应用过程中也会产生废物，因此这些问题都需一步步进行解决。除此以外，我们现在所使用的酶几乎全部都要靠自然界中已有的酶提供，石油工业等有机化工领域大多还采用无机催化剂，因此还需要加强研究，以便可以人工制备并大量生产最符合人类需求的酶。新酶的设计与制作，将会使得酶工程丰富性得到巨大的提升，使得目前很难进行或者很难量产的酶促反应实现产业化。酶的优化生产将进一步提高现阶段反应的效率和产量，不断提高产品质量与数量，可以说，酶工程在未来将会发挥越来越重要的作用，对提高现代社会的生产质量与生产效率发挥着十分重要的现实意义。

五、结语

综上所述，现代生物化工的发展有效地提高了各行业领域的生产效率，其中酶工程技术的研究与应用更是丰富了酶业和酶化学工业，其应用范围也在不断的扩展当中，在医学领域、人体领域、畜牧业等各方面都发挥着重要的作用，面对当前酶工程应用中存在的问题，还需要相关技术人员能够加强研究，不断扩大其应用范围，从而提现代生物化工的发展水平。

参考文献：

[1]金城.微生物酶工程：绿色生物制造的基石[J].微生物学通报，2020（07）：2001-2002.

[2]周錦鹏.酶工程现代应用及未来发展[J].当代化工研究，2020（12）：169-170.

[3]林栋材.现代生物化工中酶工程技术研究与应用[J].化工管理，2020（17）：110-111.

[4]周香艳，张宁，王翠玲，王旺田，吴兵，司怀军.酶工程课程教学改革与实践[J].生物学杂志，2018（04）：119-211.