淺談現(xiàn)代生物化工中酶技術(shù)的研究與應(yīng)用

王淑玲

（1.揚(yáng)子江藥業(yè)集團(tuán)南京海陵藥業(yè)有限公司，江蘇 南京 210000；2.南昌大學(xué)，江西 南昌 330000）

酶技術(shù)又稱酶工程，是將酶學(xué)理論與化工技術(shù)結(jié)合形成的新技術(shù)。酶工程是現(xiàn)代生物化工的重要組成部分，其中的工業(yè)生物催化技術(shù)被認(rèn)為是繼醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)之后的第3個(gè)浪潮。酶技術(shù)包括酶源開發(fā)、酶制劑生產(chǎn)、酶分離提純和固定化技術(shù)、酶反應(yīng)器與酶的作用。酶技術(shù)已廣泛用于食品、醫(yī)藥、輕工業(yè)、畜牧業(yè)、環(huán)保、刑偵等領(lǐng)域，一般用于其中的預(yù)防、工藝和甄別檢測(cè)等。

1 酶工程發(fā)展概況

早在四千多年前，先祖就已經(jīng)利用了酶的催化作用。17世紀(jì)，人們開始對(duì)酶有所認(rèn)識(shí)。1833年，Payen和Persoz發(fā)現(xiàn)了淀粉酶。19世紀(jì)中葉，人們發(fā)現(xiàn)了多種來源于動(dòng)植物的酶。19世紀(jì)末期到20世紀(jì)中期，屬于酶工程的起步階段，其內(nèi)容主要是酶的提取與分離、酶的應(yīng)用兩個(gè)方面。20世紀(jì)初期，人們開始對(duì)酶的化學(xué)本質(zhì)進(jìn)行研究。20世紀(jì)70年代以來，酶工程全面迅速發(fā)展，如固定化酶、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)酶、酶分子修飾、酶非水相催化和酶定向進(jìn)化技術(shù)等。20世紀(jì)80年代以來，動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、酶分子修飾技術(shù)發(fā)展很快。20世紀(jì)90年代以來，酶定向進(jìn)化技術(shù)發(fā)展成為改進(jìn)酶催化特性強(qiáng)有力的手段。

2 酶工程技術(shù)的研究

2.1 酶的提取與分離

酶的提取與分離純化是酶學(xué)研究者的一項(xiàng)基本功。作為當(dāng)代生物產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)，不僅影響酶的產(chǎn)率、活性，還直接影響到其他技術(shù)的發(fā)揮，如劉力[1]利用超聲輔助法提取大豆過氧化物酶（POD酶），對(duì)大豆不同部位的POD酶含量進(jìn)行了比較，采用硫酸銨-丙酮沉淀法對(duì)POD酶進(jìn)行了分離純化。唐澤群等[2]采用沉淀法中的有機(jī)溶劑法，結(jié)合有機(jī)溶劑的鹽法、單寧法以及超濾法提取生姜蛋白酶。

2.2 固定化酶技術(shù)

固定化酶技術(shù)指的是將游離酶通過某些方法限定在一定的空間內(nèi)或完全附著在一定的載體上，使之不能自由移動(dòng)，但是仍能保持酶的空間結(jié)構(gòu)和活性中心的完整性，是一種酶工程中應(yīng)用的主流酶催化技術(shù)。酶固定化的核心要求是：酶與載體結(jié)合穩(wěn)定不脫落；酶活不降低，不影響底物與酶分子活性位點(diǎn)的接觸。固定化材料和固定化方法的多樣性為酶的固定化及其應(yīng)用提供了多種可能性。

2.2.1 固定化材料

目前，最常見的傳統(tǒng)固定化材料分為無機(jī)載體材料和有機(jī)載體材料。在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上改進(jìn)和創(chuàng)新的載體材料不斷涌現(xiàn)，如林海蛟等[3]以硅藻土作為無機(jī)載體，吸附交聯(lián)固定化海洋脂肪酶。朱衡等[4]用甲殼素作為載體，固定化海洋假絲酵母脂肪酶。

新型固定化載體材料有復(fù)合載體材料、磁性納米材料、磁性介孔材料、以聚合物為基礎(chǔ)的復(fù)合材料等。程耕等[5]研究以金屬有機(jī)框架（MOFs）為載體的漆酶，Gupta等[6]將脂肪酶固定在磁性納米顆粒（MNP）上，進(jìn)行酯化反應(yīng)。

2.2.2 酶的固定化方法

酶的固定化方法分為傳統(tǒng)和新型兩種，傳統(tǒng)的酶固定化方法是指將游離酶固定在載體上，使其不能自由移動(dòng)，主要包括吸附法、包埋法、共價(jià)結(jié)合法、交聯(lián)法和熱處理法等。

實(shí)際上，選取單一方法對(duì)酶進(jìn)行固定化，有時(shí)難以滿足所有情況，復(fù)合方法彌補(bǔ)了不足。如錢明華等[7]以大孔樹脂為載體，通過吸附-交聯(lián)法固定脂肪酶。

新型酶固定化方法突破了傳統(tǒng)的“酶-載體”單一模式，主要包括酶自固定化、酶定向固定化、多酶共固技術(shù)等。輔助處理方式有輻射處理、微波處理、磁場(chǎng)處理、超聲波處理等。

2.3 動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)酶

動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)酶指通過特定技術(shù)獲得優(yōu)良的動(dòng)植物細(xì)胞，然后在人工控制條件的反應(yīng)器中進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，以獲得所需的酶。一般由植物細(xì)胞產(chǎn)的酶有蛋白酶、淀粉酶、氧化酶和其他酶（如糖苷酶、漆酶、糖化酶等）。由動(dòng)物細(xì)胞產(chǎn)的酶主要有胰蛋白酶、脂肪酶和用于奶制品生產(chǎn)的凝乳酶等。由于涉及技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上以及倫理上的問題，從動(dòng)物或植物組織中提取的酶，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)酶的需求。

2.4 酶的其他方面研究

在酶分子修飾、酶的非水相催化、酶定向進(jìn)化技術(shù)等酶工程領(lǐng)域的研究中，杜偉等[8-10]也取得了很大進(jìn)展，在此不再一一介紹。

3 酶工程的應(yīng)用

3.1 酶技術(shù)在食品行業(yè)中的應(yīng)用

酶工程技術(shù)是最早應(yīng)用于食品行業(yè)中的，而且越來越廣泛地被應(yīng)用于食品加工、檢測(cè)、保鮮等領(lǐng)域。

3.1.1 在工業(yè)加工中的應(yīng)用

酶技術(shù)在含甜味劑、調(diào)味劑、營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑、香味劑等食品加工中起著非常重要的作用，例如在乳酸飲料、果品罐頭、蛋糕等食品中均添加了甜味劑高果糖漿，占美國可口可樂公司所用甜味劑的50%。

酶制劑可以使果蔬汁得到澄清，且營(yíng)養(yǎng)豐富，口感清爽。在果蔬加工過程中，常用到果膠酶、纖維素酶、β-葡萄糖苷酶等。

3.1.2 在檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

酶工程技術(shù)檢測(cè)方法就是利用酶來測(cè)定通過一般的化學(xué)方法難以檢測(cè)的食品成分含量，或是借助某一已知酶的種類來測(cè)量食品中某些特殊酶的活性和含量，主要包括食品組分的酶法測(cè)定、食品質(zhì)量的酶法評(píng)價(jià)以及食品衛(wèi)生與安全等幾個(gè)方面的內(nèi)容。主要有酶聯(lián)免疫分析法（ELISA）、膠體金法等。如尚淑娜等[11]利用間接競(jìng)爭(zhēng)ELISA檢測(cè)食品中的鄰苯二甲酸二丁酯。劉正才等[12]利用膠體金免疫層析法測(cè)定牛羊肉中是否摻雜雞肉。

3.1.3 在食品保鮮中的應(yīng)用

酶制劑在食品加工、運(yùn)輸、貯藏中起到保鮮作用，目前有溶菌酶、葡萄糖氧化酶、過氧化氫酶等，如將過氧化氫酶與GOD一起加入葡萄酒中，可降低酒精含量。

3.2 酶技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.2.1 酶技術(shù)在制藥工業(yè)及醫(yī)療中的應(yīng)用

酶的固定化技術(shù)、酶催化技術(shù)、酶的化學(xué)修飾、脫氧核酶、抗體酶和酶學(xué)診斷等技術(shù)，在醫(yī)藥行業(yè)中的使用越來越廣泛。目前，已知能利用微生物和酶進(jìn)行的轉(zhuǎn)化反應(yīng)有多種，應(yīng)用于抗生素、氨基酸、有機(jī)酸類、維生素類藥物、鑿體類、核苷酸類等藥物。

固定化酶在臨床心血管、腫瘤及遺傳病等眾多疑難病癥的治療中也有很好的應(yīng)用前景。

3.2.2 酶技術(shù)在診斷及檢測(cè)中的應(yīng)用

各種病毒的檢測(cè)離不開酶技術(shù)，包括酶聯(lián)免疫法、熒光PCR法、膠體金法等。在新冠疫情下，酶技術(shù)顯得尤為重要。陶然等[13]利用膠體金法檢測(cè)新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）總抗體診斷新型冠狀病毒（COVID-19）肺炎，方便快捷，且有助于對(duì)疑似人群中的感染者快速定位，有利于疫情控制。

3.3 酶技術(shù)在輕工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

酸性纖維素酶可光潔紡織品，中性纖維素酶可制作石磨牛仔褲，胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等蛋白酶可用于絲綢脫膠和羊毛除垢，堿性脂肪酶、堿性磷酸酶、堿性纖維素酶、堿性蛋白酶和淀粉酶等目前單一或聯(lián)合使用于洗滌劑中，提高了清潔率。

3.4 酶技術(shù)在畜牧業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

纖維素酶、葡萄糖氧化酶、溶菌酶等作為飼料添加劑應(yīng)用較為頻繁，可提升飼料的使用效率、增強(qiáng)動(dòng)物免疫力、提高動(dòng)物幼崽的成活率。

3.5 酶技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用

白色污染、廢水、害蟲防治二次污染、其他污染物等環(huán)境問題，是可持續(xù)發(fā)展中值得關(guān)心的問題。酶技術(shù)在這方面的應(yīng)用緩解了不少壓力，昆蟲或微生物對(duì)塑料的利用均是通過酶對(duì)塑料的催化降解實(shí)現(xiàn)的，可以通過酶工程的技術(shù)，對(duì)酶基因進(jìn)行定點(diǎn)突變，并重組至質(zhì)粒。然后，轉(zhuǎn)入宿主菌進(jìn)行過量表達(dá)、分離純化。利用極端酶如嗜熱酶、嗜堿酶和耐有機(jī)溶劑酶等，對(duì)洗滌工業(yè)、印染工業(yè)和造紙工業(yè)等極端環(huán)境的廢水進(jìn)行生物處理。利用產(chǎn)幾丁質(zhì)酶的微生物對(duì)許多植物致病菌進(jìn)行防治，減少農(nóng)藥的使用。利用木質(zhì)素過氧化物酶、漆酶、乙二醛氧化酶等用來治理含重油、多環(huán)芳香烴、四氯苯酚等污染物，用辣根過氧化物酶治理含酚污染物。此外，漆酶還可處理工業(yè)“三廢”、化學(xué)農(nóng)藥中的有毒物。

3.6 酶技術(shù)在刑偵領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著酶技術(shù)的成熟和創(chuàng)新，刑偵專家將酶工程技術(shù)引入案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)及案件診斷、判斷等過程，如血指印顯現(xiàn)、文書制成時(shí)間檢驗(yàn)、精液（精斑）檢驗(yàn)、死亡時(shí)間推斷、腐敗生物檢材中的毒品與毒物解離、乙醇檢測(cè)等工作[14]。

4 結(jié)語

隨著生物化工技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)酶技術(shù)的研究不斷深入，酶的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是為了滿足各行業(yè)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求，新酶和新酶體系的開發(fā)越來越有必要。