摘要：本文介绍了酶工程的概念及主要生产工艺、应用现状及其发展前景。
关键字：酶工程 酶的固定化 酶的应用 前景
生物工程是现代科技的一项高新技术,是当今最有发展前景的学科之一。而酶工程是生物工程的重要组成部分,酶作为生物催化剂,它广泛应用于食品、酿造、淀粉糖、制革、纺织、印刷、医药、石油化工等20多个领域。它可提高产品品质、改进产品工艺、降低劳动强度、节约原料和能源、保护环境,并产生巨大的经济效益和社会效益。
从世界范围而言,酶制剂总量的55%是水解酶,主要用于焙烤食品、酿酒、淀粉加工、酒精和纺织等工业;35%是蛋白酶,主要用于洗涤剂、制革和乳品工业;其余是药用酶制剂、试剂级酶制剂和工具酶[1] 。
1酶工程
酶工程技术是利用酶和细胞或细胞器所具有的催化功能来生产人类所需产品的技术，包括酶的研制与生产，酶和细胞或细胞器的固定化技术，酶分子的修饰改造，以及生物传感器。
1.1酶的生产
酶的生产是各种生物技术优化与组合的过程，分为生物提取法、生物合成法和化学合成法三种[2],其中生物提取法是最早采用而沿用至今的方法, 它是指采用各种提取、分离、纯化技术从动物、植物、器官、细胞或微生物细胞中将酶提取出来；生物合成法是20世纪60年代以来酶生产的主要方法, 是指利用微生物细胞、植物细胞或动物细胞的生命活动而获得人们所需酶的技术过程；而化学合成法因其成本高,且只能合成那些已经弄清楚化学结构的酶,所以难以进行工业化生产，至今仍处在实验室研究的阶段。
1.2酶的纯化
酶的纯化属于一种后处理工艺，包括粗制工艺与精制工艺，对超酶液进行浓缩精制是生产高质量酶制剂的重要环节。其提纯手段一般是依据酶的分析大小、形状、电荷性质、溶解度、专一结合位点等性质而建立。要得到纯酶,一般需要将各种方法联合使用。最常用的纯化方法有根据溶解度特性的沉淀法;根据电荷极性的离子交换层析、等电点聚焦电泳等;根据大小或重量的离心分离、透析、超滤等;根据亲和部位的亲和层析、共价层析等[2]。
1.3酶的固定化技术
酶的化学本质是蛋白质,其最大的缺点是不稳定性,对酸、碱、热及有机溶液容易发生酶蛋白的变性作用,从而降低或失去活性。而且酶往往在溶液中进行反应,反应以后会残留在溶液系统中不易回收,造成最终产品分离提纯操作上的麻烦。加之酶反应只能分批进行,难于连续化、自动化操作,这大大地阻碍了酶工程的发展应用，为克服上述缺点,需要将游离酶固定化后再进行应用。
酶的固定化技术是把从生物体内提取出来的酶,用人工方法固定在载体上，这是是酶工程的核心,它使酶工程提高到一个新水平。自从1969年世界上第一次使用固相酶技术以来，至今已有40多年的历史。由于固定化酶的运动被化学或物理的方法限制了,能将其从反应介质中回收,所以原则上能在批量操作或连续操作中重复使用酶。
固定化酶具有如下性质:酶的稳定性提高;最适pH值改变;酶的活性和催化底物有所变化;最适温度有所提高，对抑制剂和蛋白酶的敏感性降低;反应完成后可通过简单的方法回收,且酶活力降低不多,这样可使酶重复使用[3]。同时由于酶没有游离到产品中,便于产品的分离和纯化;实现批量或连续操作模型的可能,可进行于产业化、连续化、自动化生产。
2酶的应用现状
2.1在食品业的应用
酶制剂在食品工业的三大用途分别是水果蔬菜加工、焙烤食品和乳制品。
2.1.1在乳制品中的应用
乳糖是存在于哺乳动物乳汁中的一种双糖,甜度和溶解度均较低, 饮食中的乳糖可提高人体对Ca,P,Mg和其他必需微量元素的吸收，但其在小肠里不能被直接吸收,必须通过小肠内乳糖酶水解才能被人体消化吸收。β-D-半乳糖苷酶又称乳糖酶,是一种无味、无嗅,溶解后呈浅棕色且无毒、副作用的生物酶制剂,该酶可用于降解乳糖为半乳糖和葡萄糖,亦具有半乳糖苷的转移作用。
乳糖酶通过转糖苷作用可生成低聚糖,如低聚半乳糖、异乳糖等。转糖苷作用生成的低聚半乳糖几乎不被小肠消化,是一种低分子量、不粘稠的水溶性膳食纤维。它作为肠道内双歧杆菌的增殖因子,只能为双歧杆菌所利用,而不能被肠道内腐败细菌所利用,增殖的双歧杆菌竞争性地拮抗腐败菌如产气荚膜梭菌的生长,减少有害毒素物质的产生,防止便秘和腹泻,有整肠效果。与此相关还有抗癌、降血压、增强肝功能及促进Ca2+吸收等作用。与一般膳食纤维相比,低聚半乳糖(GOS)对酸稳定,有良好的保湿性,不会束缚金属离子,易于添加到食品和饮料中。用于生产低聚糖的酶源有米曲霉、乳酸克鲁维酵母、脆壁克鲁维酵母、环状芽孢杆菌。
乳糖酶用于乳品生产低聚糖制品在国外已有许多产品上市,如乳糖水解奶、低乳糖奶、奶酪冰激凌等。经过水解的牛奶具有以下特点:增加滋味,明显提高奶香,改善口感等。另外还用于生产干酪、奶粉等方面。冷冻乳制品甜点如冰激凌、速冻酸乳酪含有活的乳酸菌,比其他乳制品保存时间更长,同时活的乳酸菌又能产生乳糖酶,从而减轻乳糖不耐受症状[4]。
2.1.2在培烤食品中的应用
酶在烘烤食品方面,可以增大面包体积,改善面包表皮色泽,改良面粉质量,延缓陈变,提高柔软度,延长保存期限。国外经试验表明,向面粉中添加0.1%的淀粉酶,就可以使面粉变得完善,大大改进产品的质量,因此国外都把面粉中的淀粉酶活力作为面粉质量指标之一。
制作面包时,当面质很硬或需要面团具有特别的柔韧性和延伸性时加入蛋白酶,能改善面团物理性质和面包质量,使面团易于延伸,以较快速度成熟。在生产蛋糕过程中,鸡蛋液是主要的关键原料,要求具有良好的乳化性和持泡性,通过添加蛋白酶制剂可有效地改善鸡蛋液乳化性和持泡性。脂肪氧化酶添加于面粉中,可以使面粉中的不饱和脂肪酸氧化,同胡萝卜素发生共扼氧化作用而将面粉漂白。乳糖酶也用于加脱脂奶粉的面包制造中,它可以分解乳糖生成可发酵性的糖,促进酵母发酵,改善面包色泽[3]。
2.1.3在果蔬加工中的应用
水果蔬菜加工中最常用的有果胶酶,纤维素酶,半纤维素酶,淀粉酶,阿拉伯糖酶等。其中果胶酶已成为许多国家果汁、蔬菜汁加工的常用酶之一。利用果胶酶和其他的酶(如纤维素酶等)处理可以大大提高出汁率,简化工艺步骤,并且可明显提高果汁澄清度,降低果汁相对黏度,提高果汁过滤效果。
此外,柑橘类加工产品出现过度苦味是柑橘加工业中较重要的问题。造成苦味的物质主要有两类:一类为柠檬苦素的二萜烯二内酯化合物;另一类为果实中多种黄酮苷。脱去苦味的方法有吸附法和固定化酶法。吸附法是一次去除苦味物质,而酶法脱苦主要是利用不同的酶分别作用于柠檬苦素和柚皮苷,生成不含苦味的物质。工厂生产中常采用固定化柚皮甘酶减少柑橘类果汁中的柚皮苷含量。其载体常使用甲壳素、空心玻璃床(DEAE—Sephadex或单宁-6-氨基乙基纤维)、海藻糖、醋酸纤维和三醋酸纤维制成的膜[3]。
此外，还有一些酶类在食品生产中也起了相当大的作用，如木瓜蛋白酶能增强肌肉酶类的作用，使肉类在烹饪过程中嫩化;从麦芽中提取的植酸酶可有效降低豆科植物和谷类中的植酸;果胶酶、纤维素酶和半纤维素酶可促使细胞分离、细胞壁变软，使原材料易于榨浆等。在食品包装上，葡萄糖氧化酶对食品有多种作用，作为在食品保鲜及包装中最大的作用是除氧，延长其食品的保鲜保质期，保持色、香、味的稳定性;细胞壁溶解酶最大的特点是消除某些微生物的繁殖，而让某些有益细菌得以繁殖，在食品包装上更多的是用作防腐[2]。
2.2在发酵业的应用
目前酶工程在发酵业中的典型应用为酱油的酿造，即以酶制剂代替制曲,经制醅后熟,再添加酵母生香,或用固定化酵母生香,或经太阳晒露生香制成现代化酿造酱油。
“酶法”生产酱油,具有稳定的酶系和固定的酶活力 ,酶解效果稳定；生产工艺由于省去了设备和制曲工序，不仅易于控制，且可减少车间的占用面积,提高劳动生产率。此外，“酶法”生产工艺减少了制曲过程中粗淀粉45%左右的损失,其出品率高于“曲法”，且由于不需制曲,因此可极大地减少被杂菌污染的机会,从而提高了酱油的卫生水平，若以淡色鲜酱油的澄清度百分透光率比较，“酶法”的生产工艺为45. 5%,“曲法”的生产工艺仅为20%[5]。
2.3在酿酒业的应用
麦芽是生产啤酒的主要原料。麦芽质量欠佳或大麦、大米等辅助原料使用量较大时，会造成淀粉酶、俘一葡聚糖酶、纤维素酶的活力不足，使糖化不能充分、蛋白质降解不足，从而影响啤酒的风味和收率。使用微生物淀粉酶、蛋白酶、p一葡聚糖酶等制剂，可补充麦芽中酶活力不足的缺陷[2]。
2.4在饲料业的应用
当前，我国用作畜禽饲料的谷物主要是玉米，这造成了玉米供应日趋紧张，因此必须充分开发利用资源丰富的麦类、谷物和糠麸。然而麦类、谷物和糠麸等副产品中都存在抗营养因子——木聚糖 (xylan)，它是一种多聚五碳糖，是自然界中继纤维素之后含量第二丰富的再生物质资源。木聚糖酶可将木聚糖降解成低聚糖和木糖，可有效消除禾本科谷物中主要抗营养因子木聚糖的不利影响，提高谷物的养分利用率，改善家禽的生产性能，改善生态环境和防治动物疾病，避免了由于添加抗生素、激素和高铜等物质所产生的负面影响，具有明显的经济效益和积极的环保意义[8]。
2.5在医疗业的应用
近年来，酶类药物以其安全、高效的特点在临床应用上处于不断上升趋势。如将尿激酶、弹性酶、降纤酶、纤溶酶、链激酶、胶原酶、超氧化物歧化酶等新的酶类药物广泛应用于心脑血管疾病、血液系统疾病、保健、抗衰老等各个方面,还有不少酶制剂被用做急救药品。
由于植物和真菌的细胞外层都含有细胞壁，细胞壁往往成为阻止中药有效成分溶出的关键壁垒，而借助于酶工程可以实现针对细胞壁的破坏和消解，从而使得细胞有效成分更加的容易溶出，提高提取效率。如纤维素酶，果胶酶等具有定向的分解细胞壁，提高有效物质的溶出率的特点，在中药有效物质提取中具有广泛的应用前景[7]。
大量研究表明，利用酶工程技术进行中药有效成分修饰，不仅方便快捷，而且可以避免有机化工方法带来的毒性和污染[7]。
酶工程技术在降低中药提取物有毒物质毒性中有重要应用。黄曲霉素是黄曲霉菌属黄曲霉菌、寄生曲霉菌产生的代谢物，剧毒，同时还有致癌、致畸、致突变的作用，是目前发现的化学致癌物中最强的物质之一。中药材采收、加工、储存、运输不当均可导致黄曲霉素的产生。黄曲霉毒素解毒酶的发现，使得利用酶工程技术可以有效降低黄曲霉素的毒性，该研究虽处于起步阶段，但随着黄曲霉素解毒酶结构研究的深入，该技术将拥有良好的前景。另外，利用酶工程，可以改变中药中某些化合物的结构而起到降毒的作用，比如利用生物工程对毒性较强的喜树碱进行转化，使之成为低度性的 10-羟基喜树碱的成功例子已经出现[7]。
2.6在纺织、洗涤业的应用
酶在纺织工业中的应用主要有:淀粉酶取代烧碱、硫酸、双氧水等用于织物在织造过程中的退浆处理;纤维素酶用于纤维素纤维及其混纺织物的减量整理,如牛仔服的酶洗整理等。
酶在洗涤剂工业中的应用已有近百年历史,加酶洗涤剂是酶在化工中用量最大、应用最广也最典型的例子。20世纪80年代以后的洗涤剂用酶,从质量来看,单位活力愈来愈高;从剂型来看,从细粒到外包裹小球状,再发展到双色包裹小球状颗粒,在生产和使用过程中克服了酶粉飞扬现象;从酶品种来看,除对原有的碱性蛋白酶不断优化外,还相继开发出碱性脂肪酶、碱性淀粉酶和碱性纤维素酶等多种洗涤剂用酶,从而使加酶洗涤剂的品种不断更新,质量不断提升。
2.7在造纸、制革及环保业的应用
酶制剂用于皮革生产始于20世纪70年代酶法皮革脱毛软化,经蛋白酶和脂肪酶处理的皮革质量提高,大大降低了废水的污染。
酶制剂用于造纸工业主要有:木聚糖酶用于促进纸浆漂白,可节约漂剂和提高浆料漂后白度;淀粉酶和纤维素酶用于纤维改性和脱墨,可促进油墨脱除、提高脱墨浆白度,改善滤水性及提高卫生纸的柔软度;漆酶用于木素改性和废水处理,可提高含机械浆料的湿强度、降低废水色度及BOD/COD值;过氧化氢酶可降解漂白后残余过氧化氢。
酶制剂在处理废物、废水,化废为宝,实现二次利用方面表现出巨大的应用前景。在农业方面,生物农药只作用于农作物致病菌或致病因素,对人体无害,不存在农药残留问题。化工行业是污染的主要来源,以酶作为催化剂可使化学反应在常温、常压、中性条件下进行,既降低了本,又大大减少了污染。目前,我国柠檬酸和聚丙烯酰胺就借助生物化工技术实现了大规模、小投资、低成本的技术升级[6]。
3 酶工程的发展前景
酶制剂是一种生态型高效催化剂,具有高效、安全、节能、生态和环保等特点,其发展能够有效带动相关领域技术水平的提高,对应用产业开发新产品、提高质量、节能降耗、保护环境具有重要意义。并且，近年来酶制剂的应用已取得了很大突破，酶学领域经历了前所未有的发展,除了继续对新的酶源进行筛选,研究其在加工中的适用性外,一些新技术如蛋白质工程、合成酶技术、非水相酶促反应等不断涌现,使人们在酶的研究、应用上做出大胆尝试，从而大大拓展酶的应用范围。
参考文献：
[1] 方尚玲,李世杰. 生物工程酶在化工中的应用进展. 化学与生物工程 Chemistry & Bioengineering. 2008,Vol.25 No.35
[2] 唐忠海,饶力群. 酶工程技术在食品工业中的应用. 《食品研究与开发. 2004年8月第25卷第4期
[3] 李炜炜,陆启玉. 酶工程在食品领域的应用研究进展. 油脂开发粮油食品科技. 第16卷2008年第3期
[4] 王敏. 微生物乳糖酶在食品工业中的发展现状及应用. 衡水师专学报.2003年12月第5卷第4期
[5] 朱史齐. “酶法”酱油生产的展望. 《江苏调味副食品》2008年第25卷第5期(总第113期)
[6] 何勇,薛立新,李树俊. 我国酶制剂行业的现状与发展建议. 精细与专用化学品.第15卷第15期
[7] 许明淑,郭兰萍,赵无恙,杨光.酶工程技术在中药活性成分获得中的研究进展.中国实验方剂学杂志.2010 年 8 月第 16 卷第 10 期
[8] 田永,侯运华,于同立. 饲料木聚糖酶的应用研究进展. 新饲料NEWFEED. 2008.06
