現(xiàn)代生物化工中酶工程技術(shù)研究

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摘要:酶是人體新陳代謝中不可或缺的催化劑，在加快新陳代謝速度、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等方面發(fā)揮著巨大的作用，隨著現(xiàn)代生物化工技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，以及人們對(duì)基因工程和細(xì)胞工程的研究不斷深入，酶工業(yè)化量產(chǎn)不斷取得突破進(jìn)展，并為生物工程的應(yīng)用提供了更大的發(fā)展空間。在酶工程的實(shí)施過程中，其主要是通過使用蛋白質(zhì)工程技術(shù)或化學(xué)修飾法改變酶分子，繼而改變酶的性質(zhì)，從而使酶產(chǎn)生不同的作用，并在環(huán)境、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。基于此，本文就現(xiàn)代生物化工中酶工程技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞:生物化工;酶工程技術(shù);應(yīng)用

酶在各行各業(yè)中的應(yīng)用是通過酶工程技術(shù)對(duì)原料進(jìn)行生物催化，通過生物催化制備使酶在不同的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮不同的作用。目前，酶工程技術(shù)在在現(xiàn)代生物化工中研究不斷深入，酶工程的主要任務(wù)已經(jīng)從最開始的單純提高酶產(chǎn)量過渡到對(duì)酶的生物學(xué)性質(zhì)進(jìn)行特征性研究與改變，其在提升各行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益上具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、酶工程技術(shù)概述

(一)生物酶(1)生物酶特點(diǎn)。生物酶其本質(zhì)屬于蛋白質(zhì)，主要成分為DNA。生物酶的酶分子結(jié)構(gòu)由氨基酸長鏈組成，與蛋白質(zhì)類似，并且具有極強(qiáng)的催化功能。生物酶具體的特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn):一是能夠隨時(shí)調(diào)節(jié)酶的活力，由于存活的蛋白酶具有較好的特性，因此類型不同的蛋白酶可以利用一定的機(jī)制來達(dá)到個(gè)體之間的彼此結(jié)合，從而提高其催化活力的效果;二是生物酶具有專一性，只是對(duì)于一種化合物將自身的催化作用作用于此;三是生物酶的催化效率較高，酶的催化效率比其高1013倍，是一般催化劑不可達(dá)到的效率;四是酶的穩(wěn)定性能較差，其正常的催化作用中交易受到一些因素的影響而導(dǎo)致蛋白質(zhì)問題，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、合成系酶兩大類，每類又包含不同種的生物酶。不同的生物酶有著不同的催化作用。比如溶解酶可以起到抗菌消炎的作用;果膠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、明膠的作用等等。

(二)酶工程技術(shù)原理酶工程技術(shù)在實(shí)施過程中主要就是通過生物酶的催化反應(yīng)使置于同一生物反應(yīng)容器中的動(dòng)植物細(xì)胞、微生物細(xì)胞、酶等原料與催化酶發(fā)生性質(zhì)上的變化，從而使其產(chǎn)生不同的作用。在其反應(yīng)過程中，由于生物酶的化學(xué)反應(yīng)速率會(huì)受到生物酶的分子活性影響，因此對(duì)生物酶制劑采用分離提純技術(shù)可以有效提高純度、收率、活性。

(三)酶工程技術(shù)的研究人們對(duì)酶的應(yīng)用最先就是在食品行業(yè)中，借助微生物中酶的作用來生產(chǎn)咸菜、腐乳和泡菜等，還有1857年法國微生物學(xué)家巴斯德與德國化學(xué)家李比希發(fā)現(xiàn)釀葡萄酒的過程中正是因?yàn)榻湍讣?xì)胞的發(fā)酵，在此之后的100年時(shí)間里，人們完成了從酶是什么的探討到酶工程成為一門獨(dú)立學(xué)科的質(zhì)的飛躍。直至20世紀(jì)70年代固定化酶及其相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)生擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，在我國針對(duì)酶工程的研究已經(jīng)逐漸深入，此技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中包含著許多豐富的內(nèi)容，如酶分離提純技術(shù)、酶源開發(fā)技術(shù)等。基因工程的技術(shù)優(yōu)勢可改變酶的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)酶的穩(wěn)定性，形成具有特定順序序列的氨基酸結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)出具有良好功能特性的生化產(chǎn)品。在現(xiàn)代生物化工發(fā)展過程中，酶的存在發(fā)揮著重要的作用。

二、酶工程相關(guān)技術(shù)

(一)酶分子修飾技術(shù)酶在進(jìn)行催化反應(yīng)的時(shí)候?qū)ψ匀唤绲沫h(huán)境要求較高，因此并不適應(yīng)與工廠環(huán)境，通過使用酶分子修飾技術(shù)能夠降低酶對(duì)條件的依賴，其主要是利用傳統(tǒng)突變技術(shù)和分子生物學(xué)技術(shù)將蛋白質(zhì)上一個(gè)或一些氨基酸修飾替換掉，以此來達(dá)到目的。

(二)酶的固定化技術(shù)酶一般是可溶于水的，因此其在與反應(yīng)物充分結(jié)合催化反應(yīng)后會(huì)出現(xiàn)無法與產(chǎn)物進(jìn)行分離的情況，這就導(dǎo)致酶無法重復(fù)被利用，而且產(chǎn)物也因此受到污染，純度不夠，質(zhì)量不高，而通過酶的固定化技術(shù)能夠?qū)⒚甘`在某些難溶的固體或膠體材料中使其與反應(yīng)物充分接觸并催化反應(yīng)的同時(shí)防止被水溶解，主要的方法有包埋法、物理吸附法等，其中包埋法適用于包埋細(xì)胞，其主要是利用櫻花細(xì)胞，成本較低，但是催化效率較低和專一性較差;物理吸附法效果較好，其會(huì)利用活性炭、氧化鋁、硅藻土等多孔材料將酶吸附而不引起酶變性或失活。

(三)非水相反應(yīng)酶工程技術(shù)在使用過程中也逐漸暴露出一些問題，比如活力不高，穩(wěn)定性較差等，但是人們經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)酶在非水介質(zhì)中催化的一些優(yōu)勢遠(yuǎn)大于在水溶液中的催化，即非水相催化，因此當(dāng)?shù)孜锘虍a(chǎn)物其中之一具有疏水性的情況下可以在非水介質(zhì)中催化，從而大大提高其溶解度，解決難以在水中實(shí)現(xiàn)的合成反應(yīng)。

三、現(xiàn)代生物化工中酶工程技術(shù)的應(yīng)用

(一)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域酶工程在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域方面的應(yīng)用時(shí)間較早，一是在遺傳病的治療上，比如白化病患者皮膚和毛發(fā)異常的問題，這主要是原因先天性原因造成酶代謝失常，這時(shí)候就可以使用生物酶來提高代謝;二是可以利用生物酶診斷疾病，主要是因?yàn)槊冈谌梭w各項(xiàng)組織中存在并且具有一定的活性，因此檢測酶的活性就可以診斷相應(yīng)的疾病;三是酶工程在疾病防治中也發(fā)揮著重要的作用，比如可以用于消化不良輔助藥物中，包括多酶片、蛋白酶等藥物，還可以用于外傷輔助治療，應(yīng)用于胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶，能夠清理外傷化膿傷口以及胸、腹腔黏膜粘連，除此以外，生物酶彈性蛋白的作用可以用于蛋白血癥的治療，治療效果優(yōu)異。

(二)人體領(lǐng)域利用生物酶催化養(yǎng)分，可以顯著提升細(xì)胞的活性，能夠起到消炎、抵抗惡性腫瘤發(fā)展、凈化血液等作用。與此同時(shí)，生物酶還可以有效補(bǔ)充人體免疫物質(zhì)，提升營養(yǎng)物質(zhì)的利用和吸收效果，在保健方面也發(fā)揮著重要的作用。

(三)畜牧業(yè)畜牧業(yè)領(lǐng)域中生物酶的應(yīng)用可以追溯到19世紀(jì)，其主要就是應(yīng)用在多種畜牧飼料中，常使用的生物酶有微生物復(fù)合酶、淀粉酶等，其在促進(jìn)動(dòng)物成長、提升飼料使用效率、增強(qiáng)動(dòng)物免疫力等方面發(fā)揮著重要的作用。除此以外，在一些存活率較低的幼小動(dòng)物中使用生物酶飼料可以提升動(dòng)物存活率，盡可能地減少獸藥的使用，為畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而且酶工程技術(shù)還能夠?qū)⑷祟惿?、生產(chǎn)中含有大量蛋白質(zhì)廢棄物經(jīng)過處理后用于畜牧業(yè)生產(chǎn)中，從而降低畜牧業(yè)的生產(chǎn)成本，而如何降低酶工程施工過程中的處理問題也是當(dāng)前的主要研究方向。

(四)遺傳育種在遺傳學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)上，可以將生物酶作為標(biāo)記物來確定植物在種群中的親緣系統(tǒng)，因此在農(nóng)業(yè)上生產(chǎn)中就可以根據(jù)此技術(shù)來培育良種提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量。除此以外，其遺傳標(biāo)記的作用還能夠應(yīng)用在親子關(guān)系鑒定中，進(jìn)一步提高了親子鑒定的準(zhǔn)確性和效率。隨著基因工程、細(xì)胞工程等的不斷深入發(fā)展，酶工程技術(shù)在應(yīng)用過程中其遺傳標(biāo)記流程和方式也發(fā)生了變化，其發(fā)展空間不斷擴(kuò)大，在遺傳育種方面方具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

(五)釀酒工業(yè)麥芽是啤酒生產(chǎn)的主要原料，在生產(chǎn)過程中如果存在麥芽質(zhì)量欠佳或大米等輔助原料使用量較大的情況時(shí)就會(huì)造成淀粉酶、β一葡聚糖酶、纖維素酶的活力不足的問題，因此啤酒釀造過程中會(huì)出現(xiàn)不能充分糖化、蛋白質(zhì)降解不足情況，使啤酒的風(fēng)味和吸收率受到一定的影響，在酶工程技術(shù)的支持下，越來越多的企業(yè)生產(chǎn)廠家開始使用微生物淀粉酶、蛋白酶、β一葡聚酶等制劑，將其加入到釀酒的生產(chǎn)過程中能夠避免麥芽中酶活力不足的缺陷出現(xiàn)，從而提高啤酒的風(fēng)味與吸收率。

(六)洗滌工業(yè)在洗滌工業(yè)中，主要是進(jìn)行加酶洗衣粉的生產(chǎn)，經(jīng)常使用的有蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等幾種，其去污能力強(qiáng)，能夠應(yīng)對(duì)多種污漬。比如蛋白酶可以將蛋白質(zhì)水解后變成可溶性的氨基酸，因此加入蛋白酶的洗衣粉可以輕易去除衣物上沾上的果汁、奶制品、咖啡等;脂肪酶可以在低溫狀態(tài)下去除脂肪，由于脂肪酶具有累積效果，因此其去污能力和洗滌次數(shù)呈正比;淀粉酶可以水解淀粉，沾上面條、土豆泥、巧克力等污漬的衣物可以使用加入淀粉酶的洗衣粉，從而大大提高去污效果。

四、酶工程的未來發(fā)展

酶作為一種高效的生物催化劑在各行業(yè)領(lǐng)域得到普及應(yīng)用的同時(shí)也出現(xiàn)了一系列的問題，比如國產(chǎn)酶種類相對(duì)單一、復(fù)合酶技術(shù)不甚成熟等，而且酶產(chǎn)品精度并不夠，一些產(chǎn)品還是粗加工產(chǎn)物，同時(shí)酶工程技術(shù)應(yīng)用過程中也會(huì)產(chǎn)生廢物，因此這些問題都需一步步進(jìn)行解決。除此以外，我們現(xiàn)在所使用的酶幾乎全部都要靠自然界中已有的酶提供，石油工業(yè)等有機(jī)化工領(lǐng)域大多還采用無機(jī)催化劑，因此還需要加強(qiáng)研究，以便可以人工制備并大量生產(chǎn)最符合人類需求的酶。新酶的設(shè)計(jì)與制作，將會(huì)使得酶工程豐富性得到巨大的提升，使得目前很難進(jìn)行或者很難量產(chǎn)的酶促反應(yīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。酶的優(yōu)化生產(chǎn)將進(jìn)一步提高現(xiàn)階段反應(yīng)的效率和產(chǎn)量，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量與數(shù)量，可以說，酶工程在未來將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用，對(duì)提高現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率發(fā)揮著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

五、結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代生物化工的發(fā)展有效地提高了各行業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)效率，其中酶工程技術(shù)的研究與應(yīng)用更是豐富了酶業(yè)和酶化學(xué)工業(yè)，其應(yīng)用范圍也在不斷的擴(kuò)展當(dāng)中，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、人體領(lǐng)域、畜牧業(yè)等各方面都發(fā)揮著重要的作用，面對(duì)當(dāng)前酶工程應(yīng)用中存在的問題，還需要相關(guān)技術(shù)人員能夠加強(qiáng)研究，不斷擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，從而提現(xiàn)代生物化工的發(fā)展水平。

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作者：段濤 單位：湖北大學(xué)知行學(xué)院