现代酶工程技术的应用及发展

王艳菊

（上海拜朗生物科技有限公司，上海 201401）

酶是一种由生物体产生的、有催化作用的蛋白质，具有显著的高效性和专一性，特异性地促进某些生化反应速度而本身并不参与生化反应，具备催化效果好、反应条件温和、环境污染少、基本不消耗、反应过程易于控制等优势。酶的使用不但有助于调高生产效率、改善产品品质，降低原料和能量的耗费，从而改善劳动环境、降低成本，并且还有助于制造出用其他方式难以获得的产品，促进了新产业、新科技和新工艺的快速发展[1]。酶工程是将酶学理论和现代化学技术相结合所产生的一门新兴科学技术，在医药行业、食品工业、环保及能源开发等领域中显示出强大的生命力[2]。如今，在基因工程的迅猛发展以及细胞工程学的日益完善之下，酶工业化量产技术不断获得突破进展，酶工程在食品行业、药物开发、工业生产等领域的应用日渐深入。

1 酶工程相关技术

由于酶技术在各行业发挥着不可忽视的关键作用，现代生物科学技术不断地对酶工程进行深入的研究开发，越来越多的先进技术得到应用[3]。

1.1 定向酶进化技术

分子酶工程设计人员可通过定点突变和对体外分子的定向进化两种方法对天然酶分子结构进行改良。体外定向进化是近年来兴起的一个蛋白质结构改变策略，可以在人们尚未了解蛋白质的基本结构，甚至依靠对已有的蛋白质基本构造了解尚无法实现有效的定点突变之时，借助实验室技术手段在体外模拟生物自我进化的基本程序，对基因进行突变，选择指定的性状或功能，使之前需要耗费几百万年的自然进化程序在短期内完成[4]。

1.2 酶的固定化技术

在通常情况下酶可溶于水中，造成酶在催化化学反应物生成产物之后不易与产物分开，酶无法反复使用，产品纯度和品质较差。为了解决以上问题开发了酶的固定化技术，该技术在保证催化活性的前提下使酶能够重复利用，提高了酶的利用率[5]。当前，已研制开发出多种不同的途径来达到酶的定向固定化，如包埋法、物理吸附法、化学连接法。目前这类新型的有序定向固定技术已经广泛应用于生物芯片、传感器及反应器中，指导临床诊断、新药设计等。

1.3 酶的修饰技术

自然状态下的酶对外界环境的要求比较高，往往具有化学稳定性较差、生物活性不理想和具有高抗原性等缺陷，使酶的使用范围受到一定的限制，由于不适合某些生产环境而无法大规模应用[6]。因此可运用传统的突变技术和现代的分子生物学技术手段对其进行适当的改造，对蛋白质的某些氨基酸进行修饰、置换等，在不改变催化效应的前提下降低酶对环境条件的依赖性，提高酶的应用性能。

1.4 杂交酶技术

杂交酶为酶工程技术的研发与使用开辟了一条崭新的道路。（1）利用高度同源的酶之间的杂交，可将某个酶的耐热性、稳定性等非催化特性“转接”给其他酶。（2）创造具有新活力的杂交酶，最便捷的方式是调整当前酶的专一性及催化活性，有时改变某个氨基酸残基便可以影响酶的催化活性。当前，杂交酶的发展十分快速，以此技术为基础获得数百种改良酶，且大多已申请专利保护，可以预见，杂交酶技术将为酶工程的研发与使用产生更大的影响[7]。

2 酶工程的应用现状

最大程度发挥酶的催化功效、拓展酶的使用范围、提升酶的使用效果，是目前酶工程应用研究的重点目标。

2.1 酶工程在食品领域的应用

在食品领域中，酶主要应用于食品的加工和食品添加剂的制造生产中。应用酶工程制剂可改良肉类的口感，使质地更加鲜嫩；作为风味增强剂的米糠蛋白，能强化食品中的营养物质[8]。在食品的加工、运输及储存中，由于受到各种因素影响，可能会改变食物的口感乃至变质不可食用，许多生产商通过加入防腐、保鲜剂或高热杀菌等方式达到保鲜效果，然而人工合成的防腐剂、保鲜剂安全性存疑，大部分有致癌风险；高温灭菌过程则会导致营养流失，因此开发应用于食品保鲜、防腐的酶制剂可以满足行业的迫切需求。酶制剂可为食品创造出有利的环境，不同的食品条件选择不同的生物酶，抑制不利于食品保质的相关生物活动，达到保鲜的目的。如在瓶装饮料中添加一定量的葡萄糖氧化酶，通过消耗瓶中氧气保护易氧化成分、延长保鲜期；溶菌酶对革兰氏阳性菌有较强的溶菌作用，可用于肉制品、干酪、水产品等的保鲜；细胞壁溶解酶可抑制某些微生物的繁殖，可用于食品的保鲜储藏[9]。

2.2 酶工程在医学领域的应用

酶工程在医学领域的应用主要有诊断、治疗和预防3个方面。（1）通过生物酶来诊断疾病。由于酶有一定的活性，存在于人体各组织、器官及体液中，通过检测特异酶的活性可以诊断相应的疾病。（2）治疗某些遗传病。如白化病是遗传原因引起的酶代谢失常，造成皮肤和毛发色素异常，可通过生物酶提高代谢能力。（3）用于疾病防治。如用于治疗消化不良的辅助药物可使用水解酶；胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶可用于外伤辅助治疗，分解粘连的胸、腹腔黏膜；研究表明，天冬酰胺酶可对抗癌症,效果显著[10]；合理利用酶能够减少人体中过多的脂肪，增强细胞的活性，提高对营养物质的吸收能力，增强抵抗力，达到净化血液的目的。

2.3 酶工程在畜牧业领域的应用

从19世纪开始，生物酶技术就在畜牧养殖领域中灵活运用，酶工程的发展对促进畜牧业发展具有重要的现实意义。不同生长发育时期的动物对养分的要求有所不同，必须结合实际情况有针对性地调整饲料营养成分，提高饲料的使用效果，最大程度地避免使用兽药，保障动物的健康生长[11]。酶工程技术可以将人们生活、生产过程中产生的含有大量蛋白质的垃圾处理后再次应用到畜牧业产品中，在节约能源的同时提高资源循环效率，减少环境污染，降低生产成本，改善畜牧养殖环境。另外，借助核酸探针法、酶分析法、PCR技术还能有效提高禽畜疾病诊断的速度和准确性，缩短疾病防控响应时间的同时提高患病禽畜的治愈率，提高畜牧业生产效益。

2.4 酶工程在洗涤工业的应用

酶工程在洗涤工业中的主要应用方向是加酶洗涤剂的制造生产，主要添加蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等，可显著提高洗涤剂的去污能力。蛋白酶可水解蛋白质，将其变成可溶性的氨基酸，洗涤剂添加蛋白酶后可轻易清洁咖啡、果汁、奶等污渍；低温环境下脂肪酶可分解脂肪，脂肪酶具有堆积效应，故去污能力随清洗次数增加而变强；淀粉酶可水解淀粉，主要用于去除面条、土豆泥等污渍。

2.5 酶工程在环境保护中的应用

在自然条件下，生活垃圾的降解需要漫长的时间，对周围环境产生极大的影响，充分利用酶的催化特性可以加快解决环境污染问题。（1）墨西哥科研人员从萝卜中提取了一种能够去除工业废水中多酚混合物的蛋白酶，经萝卜素蛋白酶处理过的工业废水可以循环再使用[8]。（2）食品行业中产生的垃圾可通过淀粉酶、蛋白酶等解决。淀粉酶可以将多糖转化成单糖，同时可以实现垃圾发酵，既能将加工产生的废水中的淀粉等转变为酒精，还显著减少处理所需时间；固定化蛋白酶具有高稳定性、可重复使用的特性，使工业废水中的蛋白质大分子转变为易于降解利用的小分子。（3）造纸业废水中所含有的纤维素等糖类可以用纤维素蛋白酶、木聚糖蛋白酶等处理。（4）农业面源污染等也可以使用对有机物、有机磷农药、重金属等物质有特异性的酶进行降解、转化。

3 结语

酶作为一种高效的催化剂已经得到大规模的应用，随着对酶工程的深入研究，酶制剂的生产技术正在发生翻天覆地的变化，人工智能化大批量制造符合要求的生物酶正逐步走向现实。随着我国经济社会的快速发展和酶工程产品市场需求的快速增加，生物酶产业发展形势大好，前景十分广阔。应着力研究成本更低、能量损耗低、环保安全、性质稳定的新型工业用酶，提升我国酶制剂的数量及产品的质量。