浅谈现代生物化工中酶技术的研究与应用

王淑玲

（1.扬子江药业集团南京海陵药业有限公司，江苏 南京 210000；2.南昌大学，江西 南昌 330000）

酶技术又称酶工程，是将酶学理论与化工技术结合形成的新技术。酶工程是现代生物化工的重要组成部分，其中的工业生物催化技术被认为是继医药、农业之后的第3个浪潮。酶技术包括酶源开发、酶制剂生产、酶分离提纯和固定化技术、酶反应器与酶的作用。酶技术已广泛用于食品、医药、轻工业、畜牧业、环保、刑侦等领域，一般用于其中的预防、工艺和甄别检测等。

1 酶工程发展概况

早在四千多年前，先祖就已经利用了酶的催化作用。17世纪，人们开始对酶有所认识。1833年，Payen和Persoz发现了淀粉酶。19世纪中叶，人们发现了多种来源于动植物的酶。19世纪末期到20世纪中期，属于酶工程的起步阶段，其内容主要是酶的提取与分离、酶的应用两个方面。20世纪初期，人们开始对酶的化学本质进行研究。20世纪70年代以来，酶工程全面迅速发展，如固定化酶、动植物细胞培养产酶、酶分子修饰、酶非水相催化和酶定向进化技术等。20世纪80年代以来，动植物细胞培养技术、酶分子修饰技术发展很快。20世纪90年代以来，酶定向进化技术发展成为改进酶催化特性强有力的手段。

2 酶工程技术的研究

2.1 酶的提取与分离

酶的提取与分离纯化是酶学研究者的一项基本功。作为当代生物产业的核心技术，不仅影响酶的产率、活性，还直接影响到其他技术的发挥，如刘力[1]利用超声辅助法提取大豆过氧化物酶（POD酶），对大豆不同部位的POD酶含量进行了比较，采用硫酸铵-丙酮沉淀法对POD酶进行了分离纯化。唐泽群等[2]采用沉淀法中的有机溶剂法，结合有机溶剂的盐法、单宁法以及超滤法提取生姜蛋白酶。

2.2 固定化酶技术

固定化酶技术指的是将游离酶通过某些方法限定在一定的空间内或完全附着在一定的载体上，使之不能自由移动，但是仍能保持酶的空间结构和活性中心的完整性，是一种酶工程中应用的主流酶催化技术。酶固定化的核心要求是：酶与载体结合稳定不脱落；酶活不降低，不影响底物与酶分子活性位点的接触。固定化材料和固定化方法的多样性为酶的固定化及其应用提供了多种可能性。

2.2.1 固定化材料

目前，最常见的传统固定化材料分为无机载体材料和有机载体材料。在传统基础上改进和创新的载体材料不断涌现，如林海蛟等[3]以硅藻土作为无机载体，吸附交联固定化海洋脂肪酶。朱衡等[4]用甲壳素作为载体，固定化海洋假丝酵母脂肪酶。

新型固定化载体材料有复合载体材料、磁性纳米材料、磁性介孔材料、以聚合物为基础的复合材料等。程耕等[5]研究以金属有机框架（MOFs）为载体的漆酶，Gupta等[6]将脂肪酶固定在磁性纳米颗粒（MNP）上，进行酯化反应。

2.2.2 酶的固定化方法

酶的固定化方法分为传统和新型两种，传统的酶固定化方法是指将游离酶固定在载体上，使其不能自由移动，主要包括吸附法、包埋法、共价结合法、交联法和热处理法等。

实际上，选取单一方法对酶进行固定化，有时难以满足所有情况，复合方法弥补了不足。如钱明华等[7]以大孔树脂为载体，通过吸附-交联法固定脂肪酶。

新型酶固定化方法突破了传统的“酶-载体”单一模式，主要包括酶自固定化、酶定向固定化、多酶共固技术等。辅助处理方式有辐射处理、微波处理、磁场处理、超声波处理等。

2.3 动植物细胞培养产酶

动植物细胞培养产酶指通过特定技术获得优良的动植物细胞，然后在人工控制条件的反应器中进行细胞培养，以获得所需的酶。一般由植物细胞产的酶有蛋白酶、淀粉酶、氧化酶和其他酶（如糖苷酶、漆酶、糖化酶等）。由动物细胞产的酶主要有胰蛋白酶、脂肪酶和用于奶制品生产的凝乳酶等。由于涉及技术上、经济上以及伦理上的问题，从动物或植物组织中提取的酶，已远远不能适应现代社会对酶的需求。

2.4 酶的其他方面研究

在酶分子修饰、酶的非水相催化、酶定向进化技术等酶工程领域的研究中，杜伟等[8-10]也取得了很大进展，在此不再一一介绍。

3 酶工程的应用

3.1 酶技术在食品行业中的应用

酶工程技术是最早应用于食品行业中的，而且越来越广泛地被应用于食品加工、检测、保鲜等领域。

3.1.1 在工业加工中的应用

酶技术在含甜味剂、调味剂、营养强化剂、香味剂等食品加工中起着非常重要的作用，例如在乳酸饮料、果品罐头、蛋糕等食品中均添加了甜味剂高果糖浆，占美国可口可乐公司所用甜味剂的50%。

酶制剂可以使果蔬汁得到澄清，且营养丰富，口感清爽。在果蔬加工过程中，常用到果胶酶、纤维素酶、β-葡萄糖苷酶等。

3.1.2 在检测领域的应用

酶工程技术检测方法就是利用酶来测定通过一般的化学方法难以检测的食品成分含量，或是借助某一已知酶的种类来测量食品中某些特殊酶的活性和含量，主要包括食品组分的酶法测定、食品质量的酶法评价以及食品卫生与安全等几个方面的内容。主要有酶联免疫分析法（ELISA）、胶体金法等。如尚淑娜等[11]利用间接竞争ELISA检测食品中的邻苯二甲酸二丁酯。刘正才等[12]利用胶体金免疫层析法测定牛羊肉中是否掺杂鸡肉。

3.1.3 在食品保鲜中的应用

酶制剂在食品加工、运输、贮藏中起到保鲜作用，目前有溶菌酶、葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶等，如将过氧化氢酶与GOD一起加入葡萄酒中，可降低酒精含量。

3.2 酶技术在医药领域中的应用

3.2.1 酶技术在制药工业及医疗中的应用

酶的固定化技术、酶催化技术、酶的化学修饰、脱氧核酶、抗体酶和酶学诊断等技术，在医药行业中的使用越来越广泛。目前，已知能利用微生物和酶进行的转化反应有多种，应用于抗生素、氨基酸、有机酸类、维生素类药物、凿体类、核苷酸类等药物。

固定化酶在临床心血管、肿瘤及遗传病等众多疑难病症的治疗中也有很好的应用前景。

3.2.2 酶技术在诊断及检测中的应用

各种病毒的检测离不开酶技术，包括酶联免疫法、荧光PCR法、胶体金法等。在新冠疫情下，酶技术显得尤为重要。陶然等[13]利用胶体金法检测新型冠状病毒（SARS-CoV-2）总抗体诊断新型冠状病毒（COVID-19）肺炎，方便快捷，且有助于对疑似人群中的感染者快速定位，有利于疫情控制。

3.3 酶技术在轻工业领域中的应用

酸性纤维素酶可光洁纺织品，中性纤维素酶可制作石磨牛仔裤，胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等蛋白酶可用于丝绸脱胶和羊毛除垢，碱性脂肪酶、碱性磷酸酶、碱性纤维素酶、碱性蛋白酶和淀粉酶等目前单一或联合使用于洗涤剂中，提高了清洁率。

3.4 酶技术在畜牧业领域中的应用

纤维素酶、葡萄糖氧化酶、溶菌酶等作为饲料添加剂应用较为频繁，可提升饲料的使用效率、增强动物免疫力、提高动物幼崽的成活率。

3.5 酶技术在环保领域中的应用

白色污染、废水、害虫防治二次污染、其他污染物等环境问题，是可持续发展中值得关心的问题。酶技术在这方面的应用缓解了不少压力，昆虫或微生物对塑料的利用均是通过酶对塑料的催化降解实现的，可以通过酶工程的技术，对酶基因进行定点突变，并重组至质粒。然后，转入宿主菌进行过量表达、分离纯化。利用极端酶如嗜热酶、嗜碱酶和耐有机溶剂酶等，对洗涤工业、印染工业和造纸工业等极端环境的废水进行生物处理。利用产几丁质酶的微生物对许多植物致病菌进行防治，减少农药的使用。利用木质素过氧化物酶、漆酶、乙二醛氧化酶等用来治理含重油、多环芳香烃、四氯苯酚等污染物，用辣根过氧化物酶治理含酚污染物。此外，漆酶还可处理工业“三废”、化学农药中的有毒物。

3.6 酶技术在刑侦领域中的应用

随着酶技术的成熟和创新，刑侦专家将酶工程技术引入案发现场及案件诊断、判断等过程，如血指印显现、文书制成时间检验、精液（精斑）检验、死亡时间推断、腐败生物检材中的毒品与毒物解离、乙醇检测等工作[14]。

4 结语

随着生物化工技术的不断发展，人们对酶技术的研究不断深入，酶的应用越来越广泛，尤其是为了满足各行业和环境可持续发展的要求，新酶和新酶体系的开发越来越有必要。