现代生物技术中酶工程技术的研究与应用

郑思瑜

东北农业大学 黑龙江 哈尔滨 150000

前言

酶是人类新陈代谢的催化剂。酶不仅可以维持人的健康，而且还可以在生命的不同阶段发展起到重要作用。酶除能维持人体的各种功能外，也为人们生活提供各种方便条件[1]。

酶的应用价值不是单独的，而是通过酶工程催化技术对不同的生物原料进行催化，并在不同工业领域之间得到广泛应用。目前，酶工程在食品工业中的应用比例超过了市场所使用的50%，如果汁、奶品和淀粉加工等；酶工程在轻工业也有部分应用，如化妆品、毛皮等。此外，在医学领域中，将其用于检测体外的试剂，可检测体内代谢物；在能源发展过程中，可以用来制造甲烷、纤维和木质素等；在环保工程中，可以应用于污水生物净化等方面。因此，深入研究现代生物化学中酶工程的技术，对扩大酶应用范围、了解更深层次酶的应用具有重要意义。

1 酶工程技术概述

1.1 生物酶的主要特点

大多数生物酶的基本成分是蛋白质，少部分是由RNA构成的，主要是活细胞产生并储存在细胞内，还有催化生化反应的功能。生物酶的主要特征如下：①催化效率很高。与其他催化剂相比，生物酶的最高催化效率可以达到1013倍，高于其他催化剂。②专一性很强。生物酶通常具有很强的生化特性，它通常只能用来催化一种化合物或一个类别的化合物所反应引起的生化反应，而一般催化剂可以同时催化许多种化合物的生化反应。③无良好的稳定性，需要为其提供温和的化学催化反应环境。作为活细胞中的一种蛋白质，生物酶很容易遭到受环境温度和pH等其他环境因素的影响干扰，从而逐渐丧失其具有生物性的功能。

1.2 酶促反应的作用原理

在一种反应系统中，任何一个分子的化学反应都有可能发生，但并不是所有的反应分子都发生了反应。因为反应系统中不同的反应物分子含有不同高低能量。只有这些含能或超越某一限度的活化分子在碰撞过程中才会发生化学反应，活化分子越多，反应越快。活泼态和常态之间存在着能量的差异，即分子从常态变为活化状态所需要的能量，称为活化能。

使反应达到一定能阈的途径有两种：①通过加热或加强光照，使产生反应分子体系中的反应分子活化能足以达到反应的起始。②加入催化剂，降低反应能阈，使反应通过活化阈较低的方式进行。酶和普通催化剂一样，作用是降低底物分子必须具备的活化能力。酶过渡催化的本质就是通过产生氢键、离子键和中性疏水键等短程的非共价键应力，形成了过渡反应的中间催化产物，其催化结果也就是该酶使反应底体的价键的催化状态发生形态变化或趋向极化，起到了直接激活这些底物分子并降低了在过渡反应状态中活化能的重要作用。

1.3 酶工程技术的研究

生物工程是一个从70年代起提出的高新技术名词，是指将生物工程与化学技术、工程结合起来，并在产业化中得到应用的一种技术。其中包括：基因工程，细胞工程，蛋白化学工程，酶技术和发酵。

酶工程是以生物工程为基础提出的，是酶学研究和应用工程相结合而形成的新技术领域；是酶、微生物学的基本原理与化工技术相结合，形成了的一门边缘性学科，包括上、下游两个领域。前者包含酶以及酶制剂的产生制备。后者的主要包括是酶的固定、酶的修饰和生物反应器。

酶工程技术的基本流程：①酶的生产：以动物、植物或微生物为来源进行生产。②细胞的破碎：酶在活细胞中普遍存在，为了有效获取这些存在细胞组织中的酶，首先必须要对细胞进行破坏性的处理。主要的破碎方法有：机械破碎、物理破碎、化学破碎和酶解破碎。③酶的提取：在破碎的特殊情况下，用适当的化学溶剂或有机溶液对包含酶的原料产物进行溶解处理，使其充分地完全溶解于有机溶剂或溶液中，主要的提取方法包括盐溶液溶解提取、酸性溶液溶解提取，碱性溶液溶解提取和其他有机溶剂的溶解提取。④酶的分离：生物萃取方法主要包括：沉淀分离、离心分离、过滤与膜分离等。⑤酶的提纯：可依据分子大小、分子电荷、分子极性以及亲和力的不同设计提纯方法。⑥酶的浓缩，干燥和固化结晶：在各种固体酶制剂研发生产使用过程中，为了有效保持酶的活性，便于储存，一般要进行干燥。常用干燥的方法有：真空干燥、冷冻干燥、气流干燥、吸附干燥等。⑦酶制剂的利用：用于疾病治疗、生产加工一些产品、化验诊断、水质临界检测以及生物工程其他分支领域。酶工程在现代生物技术中起着非常重要的作用，因此它在现代生物技术中得到了广泛的研究。例如，我们使用的酶分离技术。酶可以用于基因工程，提高酶活性。一些重要生物酶可通过化学反应在微生物中得到应用，从而提高催化效率。基因工程能充分发挥它的优势，从技术角度改变酶结构，生产氨基酸结构，从而生产质量高、功能好的产品。因此，酶工程的研究对社会发展有卓越贡献。

2 酶工程技术在不同领域中的应用

2.1 遗传育种中的应用

技术人员可以把某些酶当作动物的遗传标志，在一定程度上对遗传规律做出归纳，从而界定了血缘关系。这种技术也同样适用于人类，酶工程技术可以为亲子鉴定提供重要依据。这种效率高的功能特征也将在畜牧行业中得到应用，有助于研究者调查有关工作，为他们提供更方便、科学合理的研究方式和策略。这也在某种程度上降低了技术工作的复杂度，使他们可以更高效率、更迅速地完成这些工作。

2.2 医学中的应用

有些疾病的产生，与酶的特性有着一定的关联。比如遗传性疾病，与酶有着一定的联系。有些物质的结合是不合理的，它们的存在会降低酶的活性，导致神经传递物质没有办法在特定的时间到达相应的位置，由此引发了某些疾病。在诊断疾病的时候，因为正常人体内的酶是比较稳定的，所以能够对疾病的产生原因进行合理的诊治。所以，酶工程技术在未来某些疾病的治疗中提供更加重要的讯息，能够加强预防疾病的手段。

有些病因与酶特性之间存在着关联。例如遗传病，与酶之间存在着一定的关系。有些物质结合不合理，它们的存在降低了酶的功能，导致神经传递物质无法在一定时间达到相应位置，从而引起某些疾病的发生。在诊断病情时，由于正常的人体中酶比较稳定，因此能够诊断病情的产生原因。因此，酶工程技术将在未来的某些病情治疗中提供更重要的信息，从而增强预防病情的手段。

酶与疾病存在两种联系：

（1）预防遗传病。这是先天免疫因素所致引起的酶功能缺陷，对新陈代谢不利。例如患有白化症疾病患者，这类白化病人体内可能缺少一种酪氨酸酶，而且体内缺乏这类酶可能会导致使这些患者全身皮肤和面部毛发都会变白，因为他们缺乏活性黑色素。

（2）对疾病进行酶的诊断。酶分布于机体组织中，有其的定位。对正常的人来说，他体内酶含量比较稳定，因为有一个酶活性的空间。但是，当某些疾病发生时，血液中和其他体液的酶活性就会有很大的变化。因此，在测量体液时，注意酶的活力高低可以防止疾病发生。有助于医护人员对此进行诊断。因此，酶在医疗领域的作用是相当强的，应该使其在这一领域发挥最大的作用，使其得到更好的应用，为我国医疗事业进一步发展提供更好的服务和研究质量。

2.3 酿酒工业中的应用

啤酒主要以麦芽为原料。如果麦芽质量差，或者因为大米、麦类等辅助材料的使用过多，就会造成淀粉酶和纤维素酶活力过低。糖分不足，进而对啤酒口味产生影响。如果采用微生物淀粉酶和蛋白酶，可以弥补由于麦芽酶活力不够而引起的问题，从而获得很好的利益。酿造酒配料中，液态淀粉酶容易被添加到配料中的淀粉酶吸收，从而阻碍了淀粉酶的液化作用，直接影响啤酒生产。因此，酶在酒业中也有较广的应用，能够极大地节约相关成本，同时也对提高生产量有一定的作用。

2.4 在畜牧业上的应用

酶在畜牧行业的应用已有很长的时间。目前，我国畜牧养料中淀粉酶、微生物复合酶等大量存在。一方面，生物酶的应用可以对动物生长产生一定作用，帮助它更快地生长；另一方面，生物酶可用于提高饲料质量，生产出优良的品牌。好的饲料可以提高病情的预防，从某种意义上说，也可以提高动物的生存率，降低相关医疗费用和养殖费用，从而提高效益。

3 结束语

在现代生物技术发展过程中，酶工程的研究和开发极大提高了社会有关产业的生产效率。不同的工程技术对酶也有很大的依赖性，其重点在于催化效率较高，反应快。在节省企业生产成本的同时，从而大大提高企业的经济。因此酶工程技术将在以后的许多领域得到应用，总体而言，是由于科技水平不断提高，在更多行业中，运用酶固有的特性，实现效益更大，对社会的发展做出了更大贡献。