現(xiàn)代酶工程技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

王艷菊

（上海拜朗生物科技有限公司，上海 201401）

酶是一種由生物體產(chǎn)生的、有催化作用的蛋白質(zhì)，具有顯著的高效性和專(zhuān)一性，特異性地促進(jìn)某些生化反應(yīng)速度而本身并不參與生化反應(yīng)，具備催化效果好、反應(yīng)條件溫和、環(huán)境污染少、基本不消耗、反應(yīng)過(guò)程易于控制等優(yōu)勢(shì)。酶的使用不但有助于調(diào)高生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品品質(zhì)，降低原料和能量的耗費(fèi)，從而改善勞動(dòng)環(huán)境、降低成本，并且還有助于制造出用其他方式難以獲得的產(chǎn)品，促進(jìn)了新產(chǎn)業(yè)、新科技和新工藝的快速發(fā)展[1]。酶工程是將酶學(xué)理論和現(xiàn)代化學(xué)技術(shù)相結(jié)合所產(chǎn)生的一門(mén)新興科學(xué)技術(shù)，在醫(yī)藥行業(yè)、食品工業(yè)、環(huán)保及能源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域中顯示出強(qiáng)大的生命力[2]。如今，在基因工程的迅猛發(fā)展以及細(xì)胞工程學(xué)的日益完善之下，酶工業(yè)化量產(chǎn)技術(shù)不斷獲得突破進(jìn)展，酶工程在食品行業(yè)、藥物開(kāi)發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用日漸深入。

1 酶工程相關(guān)技術(shù)

由于酶技術(shù)在各行業(yè)發(fā)揮著不可忽視的關(guān)鍵作用，現(xiàn)代生物科學(xué)技術(shù)不斷地對(duì)酶工程進(jìn)行深入的研究開(kāi)發(fā)，越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)得到應(yīng)用[3]。

1.1 定向酶進(jìn)化技術(shù)

分子酶工程設(shè)計(jì)人員可通過(guò)定點(diǎn)突變和對(duì)體外分子的定向進(jìn)化兩種方法對(duì)天然酶分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良。體外定向進(jìn)化是近年來(lái)興起的一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變策略，可以在人們尚未了解蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，甚至依靠對(duì)已有的蛋白質(zhì)基本構(gòu)造了解尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的定點(diǎn)突變之時(shí)，借助實(shí)驗(yàn)室技術(shù)手段在體外模擬生物自我進(jìn)化的基本程序，對(duì)基因進(jìn)行突變，選擇指定的性狀或功能，使之前需要耗費(fèi)幾百萬(wàn)年的自然進(jìn)化程序在短期內(nèi)完成[4]。

1.2 酶的固定化技術(shù)

在通常情況下酶可溶于水中，造成酶在催化化學(xué)反應(yīng)物生成產(chǎn)物之后不易與產(chǎn)物分開(kāi)，酶無(wú)法反復(fù)使用，產(chǎn)品純度和品質(zhì)較差。為了解決以上問(wèn)題開(kāi)發(fā)了酶的固定化技術(shù)，該技術(shù)在保證催化活性的前提下使酶能夠重復(fù)利用，提高了酶的利用率[5]。當(dāng)前，已研制開(kāi)發(fā)出多種不同的途徑來(lái)達(dá)到酶的定向固定化，如包埋法、物理吸附法、化學(xué)連接法。目前這類(lèi)新型的有序定向固定技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物芯片、傳感器及反應(yīng)器中，指導(dǎo)臨床診斷、新藥設(shè)計(jì)等。

1.3 酶的修飾技術(shù)

自然狀態(tài)下的酶對(duì)外界環(huán)境的要求比較高，往往具有化學(xué)穩(wěn)定性較差、生物活性不理想和具有高抗原性等缺陷，使酶的使用范圍受到一定的限制，由于不適合某些生產(chǎn)環(huán)境而無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用[6]。因此可運(yùn)用傳統(tǒng)的突變技術(shù)和現(xiàn)代的分子生物學(xué)技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，?duì)蛋白質(zhì)的某些氨基酸進(jìn)行修飾、置換等，在不改變催化效應(yīng)的前提下降低酶對(duì)環(huán)境條件的依賴(lài)性，提高酶的應(yīng)用性能。

1.4 雜交酶技術(shù)

雜交酶為酶工程技術(shù)的研發(fā)與使用開(kāi)辟了一條嶄新的道路。（1）利用高度同源的酶之間的雜交，可將某個(gè)酶的耐熱性、穩(wěn)定性等非催化特性“轉(zhuǎn)接”給其他酶。（2）創(chuàng)造具有新活力的雜交酶，最便捷的方式是調(diào)整當(dāng)前酶的專(zhuān)一性及催化活性，有時(shí)改變某個(gè)氨基酸殘基便可以影響酶的催化活性。當(dāng)前，雜交酶的發(fā)展十分快速，以此技術(shù)為基礎(chǔ)獲得數(shù)百種改良酶，且大多已申請(qǐng)專(zhuān)利保護(hù)，可以預(yù)見(jiàn)，雜交酶技術(shù)將為酶工程的研發(fā)與使用產(chǎn)生更大的影響[7]。

2 酶工程的應(yīng)用現(xiàn)狀

最大程度發(fā)揮酶的催化功效、拓展酶的使用范圍、提升酶的使用效果，是目前酶工程應(yīng)用研究的重點(diǎn)目標(biāo)。

2.1 酶工程在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

在食品領(lǐng)域中，酶主要應(yīng)用于食品的加工和食品添加劑的制造生產(chǎn)中。應(yīng)用酶工程制劑可改良肉類(lèi)的口感，使質(zhì)地更加鮮嫩；作為風(fēng)味增強(qiáng)劑的米糠蛋白，能強(qiáng)化食品中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[8]。在食品的加工、運(yùn)輸及儲(chǔ)存中，由于受到各種因素影響，可能會(huì)改變食物的口感乃至變質(zhì)不可食用，許多生產(chǎn)商通過(guò)加入防腐、保鮮劑或高熱殺菌等方式達(dá)到保鮮效果，然而人工合成的防腐劑、保鮮劑安全性存疑，大部分有致癌風(fēng)險(xiǎn)；高溫滅菌過(guò)程則會(huì)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)流失，因此開(kāi)發(fā)應(yīng)用于食品保鮮、防腐的酶制劑可以滿足行業(yè)的迫切需求。酶制劑可為食品創(chuàng)造出有利的環(huán)境，不同的食品條件選擇不同的生物酶，抑制不利于食品保質(zhì)的相關(guān)生物活動(dòng)，達(dá)到保鮮的目的。如在瓶裝飲料中添加一定量的葡萄糖氧化酶，通過(guò)消耗瓶中氧氣保護(hù)易氧化成分、延長(zhǎng)保鮮期；溶菌酶對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌有較強(qiáng)的溶菌作用，可用于肉制品、干酪、水產(chǎn)品等的保鮮；細(xì)胞壁溶解酶可抑制某些微生物的繁殖，可用于食品的保鮮儲(chǔ)藏[9]。

2.2 酶工程在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

酶工程在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用主要有診斷、治療和預(yù)防3個(gè)方面。（1）通過(guò)生物酶來(lái)診斷疾病。由于酶有一定的活性，存在于人體各組織、器官及體液中，通過(guò)檢測(cè)特異酶的活性可以診斷相應(yīng)的疾病。（2）治療某些遺傳病。如白化病是遺傳原因引起的酶代謝失常，造成皮膚和毛發(fā)色素異常，可通過(guò)生物酶提高代謝能力。（3）用于疾病防治。如用于治療消化不良的輔助藥物可使用水解酶；胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶可用于外傷輔助治療，分解粘連的胸、腹腔黏膜；研究表明，天冬酰胺酶可對(duì)抗癌癥,效果顯著[10]；合理利用酶能夠減少人體中過(guò)多的脂肪，增強(qiáng)細(xì)胞的活性，提高對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力，增強(qiáng)抵抗力，達(dá)到凈化血液的目的。

2.3 酶工程在畜牧業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

從19世紀(jì)開(kāi)始，生物酶技術(shù)就在畜牧養(yǎng)殖領(lǐng)域中靈活運(yùn)用，酶工程的發(fā)展對(duì)促進(jìn)畜牧業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的動(dòng)物對(duì)養(yǎng)分的要求有所不同，必須結(jié)合實(shí)際情況有針對(duì)性地調(diào)整飼料營(yíng)養(yǎng)成分，提高飼料的使用效果，最大程度地避免使用獸藥，保障動(dòng)物的健康生長(zhǎng)[11]。酶工程技術(shù)可以將人們生活、生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的含有大量蛋白質(zhì)的垃圾處理后再次應(yīng)用到畜牧業(yè)產(chǎn)品中，在節(jié)約能源的同時(shí)提高資源循環(huán)效率，減少環(huán)境污染，降低生產(chǎn)成本，改善畜牧養(yǎng)殖環(huán)境。另外，借助核酸探針?lè)?、酶分析法、PCR技術(shù)還能有效提高禽畜疾病診斷的速度和準(zhǔn)確性，縮短疾病防控響應(yīng)時(shí)間的同時(shí)提高患病禽畜的治愈率，提高畜牧業(yè)生產(chǎn)效益。

2.4 酶工程在洗滌工業(yè)的應(yīng)用

酶工程在洗滌工業(yè)中的主要應(yīng)用方向是加酶洗滌劑的制造生產(chǎn)，主要添加蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等，可顯著提高洗滌劑的去污能力。蛋白酶可水解蛋白質(zhì)，將其變成可溶性的氨基酸，洗滌劑添加蛋白酶后可輕易清潔咖啡、果汁、奶等污漬；低溫環(huán)境下脂肪酶可分解脂肪，脂肪酶具有堆積效應(yīng)，故去污能力隨清洗次數(shù)增加而變強(qiáng)；淀粉酶可水解淀粉，主要用于去除面條、土豆泥等污漬。

2.5 酶工程在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

在自然條件下，生活垃圾的降解需要漫長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生極大的影響，充分利用酶的催化特性可以加快解決環(huán)境污染問(wèn)題。（1）墨西哥科研人員從蘿卜中提取了一種能夠去除工業(yè)廢水中多酚混合物的蛋白酶，經(jīng)蘿卜素蛋白酶處理過(guò)的工業(yè)廢水可以循環(huán)再使用[8]。（2）食品行業(yè)中產(chǎn)生的垃圾可通過(guò)淀粉酶、蛋白酶等解決。淀粉酶可以將多糖轉(zhuǎn)化成單糖，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)垃圾發(fā)酵，既能將加工產(chǎn)生的廢水中的淀粉等轉(zhuǎn)變?yōu)榫凭?，還顯著減少處理所需時(shí)間；固定化蛋白酶具有高穩(wěn)定性、可重復(fù)使用的特性，使工業(yè)廢水中的蛋白質(zhì)大分子轉(zhuǎn)變?yōu)橐子诮到饫玫男》肿印＃?）造紙業(yè)廢水中所含有的纖維素等糖類(lèi)可以用纖維素蛋白酶、木聚糖蛋白酶等處理。（4）農(nóng)業(yè)面源污染等也可以使用對(duì)有機(jī)物、有機(jī)磷農(nóng)藥、重金屬等物質(zhì)有特異性的酶進(jìn)行降解、轉(zhuǎn)化。

3 結(jié)語(yǔ)

酶作為一種高效的催化劑已經(jīng)得到大規(guī)模的應(yīng)用，隨著對(duì)酶工程的深入研究，酶制劑的生產(chǎn)技術(shù)正在發(fā)生翻天覆地的變化，人工智能化大批量制造符合要求的生物酶正逐步走向現(xiàn)實(shí)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和酶工程產(chǎn)品市場(chǎng)需求的快速增加，生物酶產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)大好，前景十分廣闊。應(yīng)著力研究成本更低、能量損耗低、環(huán)保安全、性質(zhì)穩(wěn)定的新型工業(yè)用酶，提升我國(guó)酶制劑的數(shù)量及產(chǎn)品的質(zhì)量。