酶工程原理及其在食品、轻工业和制药领域的应用

1.原则

酶工程是将酶或微生物细胞、动植物细胞、细胞器等置于一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化为有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备、酶的固定化、酶的修饰和转化、酶反应器等。酶工程的应用主要集中在食品工业、轻工业和制药业。

• 催化特性：

1.效率高：是非催化的 108-1020 倍；是非酶催化的 107-1013 倍

2.高特异性

3.温和的反应条件

4.酶催化作用可调

• 化学性质

酶蛋白

Ribozyme RNA

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发展历史

七十年代以后，随着第二代酶--固定化酶及其相关技术的产生，酶工程被认为真正登上了历史舞台。固定化酶越来越成为工业生产的主力军，在化工制药、轻工食品、环境保护等领域发挥着巨大作用。不仅如此，还产生了功能更强大的第三代酶，即包括辅因子再生系统在内的固定化多酶系统，它正成为酶工程应用的主角。

我们知道，生物体内酶的含量是有限的，无论哪种酶，在细胞内的浓度都不会很高，这也是出于平衡调节生物体生命活动的需要。然而，这也限制了直接利用天然酶来更有效地解决许多化学反应的可能性。

利用基因工程的方法可以解决这一难题。

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主要用途

酶作为一种生物催化剂，已广泛应用于轻工业的各个生产领域。近几十年来，随着酶工程技术的不断突破，它在工业、农业、医药卫生、能源开发和环境工程等领域的应用越来越广泛。

催化剂活性 蛋白质 化学反应 反应物 酶学 氧化还原酶 转化酶 水解酶 连接酶 异构酶

酶工程的应用主要集中在食品工业、轻工业和制药业，我们日常生活中常见的富酶洗衣粉、肉类嫩化剂，都是酶工程最直接的体现。

1.在食品加工中的应用

酶制剂在食品工业中的最大用途是淀粉加工，其次是乳制品加工、果汁加工、烘焙食品和啤酒发酵。与之相关的各种酶，如淀粉酶、葡萄糖异构酶、乳糖酶、凝乳酶、蛋白酶等，占酶制剂市场的一半以上。

主要发展方向包括促进蛋白质消化的酶类（菠萝蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等）、促进纤维素消化的酶类（纤维素酶、聚葡聚糖酶等）、促进乳糖消化的酶类（乳糖酶）和促进脂肪消化的酶类（脂肪酶、酯酶）等。

2.在轻化工行业的应用

酶工程在轻化工行业的应用主要包括：洗涤剂生产（提高除垢能力）、皮毛工业、明胶生产、胶原纤维生产（粘合剂）、牙膏和化妆品生产、造纸、照相材料生产、废水废物处理和饲料加工。

3.医疗应用

DNA 重组技术促进了具有医疗价值的各种酶的大规模生产。临床上使用的各种酶逐渐增多。除常规治疗外，酶还可作为医疗工程的某些组成部分，发挥医疗作用。例如，在体外循环装置中，利用酶来清除血液垃圾和防止血栓形成，以及体内酶控药物释放系统。此外，酶作为临床体外检测试剂，可以快速、灵敏、准确地测定体内某些代谢产物，也将是酶在医学中的重要应用。

4.能源开发

在全世界开发新能源的大趋势下，利用微生物或酶工程技术从生物体中生产燃料，也是人们正在探索的一条新路。例如，利用植物、农作物、林产品废弃物中的纤维素、半纤维素、木质素、淀粉等原料，制造氢气、甲烷等气体燃料，以及乙醇和甲醇等液体燃料。此外，该课题还涉及石油资源的开发。

5.环境工程

在科学技术高度发达的同时，环境净化，特别是工业废水和生活污水的净化，作为保护自然的一项措施，具有十分重要的意义。

在现有的废水净化方法中，生物净化通常是成本最低、最可行的方法。微生物的新陈代谢过程可以利用废水中的某些有机物作为所需营养的来源。因此，利用微生物体内的酶，可以将废水中的有机物转化为可利用的小分子物质，同时达到净化废水的目的。人们利用基因工程技术创造出高效菌种，并固定微生物活细胞，在废水处理和环境保护方面取得了显著成果。

此外，生物传感器的出现为连续自动的环境监测提供了可能，降低了环境监测的成本，加强了环境监管的力度。

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准备方法

1.基因制备

如果在生物体内发现了有用的酶，即使含量很低，也可以应用基因重组技术，通过基因扩增和增强表达，建立能够高效表达特定酶制剂的基因工程细菌或基因工程细胞。通过固定基因工程细菌或基因工程细胞，就可以构建新一代的生物催化剂--固定化工程细菌或固定化工程细胞。人们也称这种新型生物催化剂为基因工程酶制剂。

新一代基因工程酶制剂的开发无疑使酶工程如虎添翼。固定化基因工程菌、基因工程细胞技术将使酶的威力得到更好的发挥，科学家预测，如果相关技术与连续生物反应器巧妙结合，将引发整个发酵行业和化学合成行业的根本性变革。

2.酶的转化和改造也是酶工程的重要组成部分。

虽然酶的作用力很强，特别是被固定化后，威力更大，但并不是所有的酶制剂都适合固定化，即使是天然酶制剂的固定化，其活性往往也不能满足人们的要求，需要改变其某些性质，提高其活性，才能更好地发挥其催化功能。

因此，有人提出了酶分子改造和转化的任务。

一般来说，科学家是通过对酶蛋白分子主链的 "切割"、"剪切 "以及对侧链的化学修饰来达到改造酶分子的目的。改造后的酶分子理化性质和生物活性都得到了改善，甚至被赋予了新的功能。

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