第四节
酶工程简介
你用过加酶洗衣粉吗？同一般的洗衣粉相比，加酶洗衣粉中含有蛋白酶和脂肪酶等多种通过微生物生产出来的酶，因此，去除汗渍、奶渍和油污的能力比较强。我们知道，酶作为一类具有生物催化作用的有机物，是在活细胞内产生的。那么，人们是怎样通过活细胞获得这些酶并且在生产和生活中使用这些酶的呢？这些都是通过酶工程来实现的。酶工程是指将酶所具有的生物催化功能，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。概括地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的。
酶制剂的生产
活细胞产生的酶都是水溶性的，人们需要根据不同的使用目的将这些酶制成一定的剂型。所以说，酶制剂是指含有酶的制品。酶制剂的剂型可以分为液体和固体两大类。例如，加酶洗衣粉中的蛋白酶和脂肪酶等，就是颗粒状的固体酶制剂。酶制剂的生产包括酶的生产、提取、分离纯化和固定化等。
酶的生产、提取和分离纯化
酶普遍存在于动物、植物和微生物的体内。人们最早是从动植物的器官和组织中提取酶的。例如，从胰脏中提取蛋白酶，从麦芽中提取淀粉酶。随着酶工程日益广泛的应用，现在，生产酶制剂所需要的酶大都来自微生物，这是因为同植物和动物相比，微生物具有容易培养、繁殖速度快和便于进行大规模生产等优点。
人们提供必要的条件，利用微生物发酵来生产酶的过程，叫做酶的生产。微生物发酵产生的酶种类很多，但是每种酶在细胞培养液中的浓度都很低，因此需要提取。根据酶在生物体内存在的部位，可以将酶分为两类：一类是存在于活细胞内的酶，叫做胞内酶；另一类是分泌到细胞外的酶，叫做胞外酶。胞外酶可以直接从细胞培养液中提取，胞内酶则需要将细胞破碎，然后进行提取。提取液中含有多种酶细胞的代谢产物和细胞碎片等。为了从提取液中获得所需要的某一种酶，必须将提取液中其他的物质分离，这叫做酶的分离纯化。经过分离纯化后得到的酶，活性不能降低，因此，分离纯化必须在适宜的条件下进行。酶的种类很多，不同的酶需要不同的分离纯化方法。例如，酒精、丙酮等有机溶剂可以使酶蛋白分子相互凝聚，形成沉淀。人们选择不同种类和不同浓度的有机溶剂，可以沉淀不同的酶，从而达到分离纯化酶的目的。
酶的固定化
将分离纯化的酶制成酶制剂(如将某种酶的酶液进行干燥处理后，加入适量的稳定剂和填充剂，就制成了这种酶的粉状制剂)，可以用来催化化学反应了。但是，这样的催化反应结束后，酶制剂和产物混合在一起。如果人们对产物的纯度要求比较高，或者酶制剂的成本比较高，这种产物的纯度就不符合要求，并且很难对酶制剂进行重复使用。为此，科学家设想将分离纯化的酶固定到一定的载体上，使用时将被固定的酶投放到反应溶液中，催化反应结束后又能将被固定的酶回收。20世纪60年代后期，科学家研制成固定化酶，并且应
用到生产中。固定化酶是指限制在一定的空间范围内，可以反复使用的酶制剂。例如，将葡萄糖异构酶吸附到离子交换树脂上，或者包埋在明胶中，制成的固定化葡萄糖异构酶，不仅可以用于使葡萄糖转化成甜度更高的高果糖浆，而且可以在生产中反复使用。目前，科学家已经研制出膜状、颗粒状和粉状等多种形状的固定化酶(如图)。固定化酶的使用，使催化反应的产物中没有酶的残留，因此保证了产物的纯度，并且固定化酶回收后还可以再次利用。固定化酶的研制成功，有力地促进了酶工程的发展。利用胞内酶制作固定化酶时，需要先破碎细胞，然后将里面的酶提取出来，这就增加了工序和成本。为此，科学家设想直接固定那些含有所需胞内酶的细胞，并且就用这样的细胞来催化化学反应。20世纪70年代，科学家研制成固定化细胞，并且用于生产。例如，将酵母菌细胞吸附到多孔塑料的表面上或包埋在琼脂中，制成的固定化酵母菌细胞，可以用于酒类的发酵生产。
酶制剂的应用
酶制剂主要有以下四个方面的用途。
用于治疗疾病 酶制剂可以用做药品，治疗多种疾病。例如，溶菌酶可以用来分解病原菌的细胞壁，具有明显的抗菌和消炎作用。又如，尿激酶可以用来活化人体内的溶纤维蛋白酶原①，使溶纤维蛋白酶原转化为溶纤维蛋白酶。溶纤维蛋白酶具有溶解患者血管内纤维蛋白凝块的作用，可以用来治疗血栓病。
用于加工和生产一些产品 酶制剂在食品加工方面具有广泛的用途。例如，酿酒厂和饮料厂利用果胶酶来澄清果酒和果汁，效果十分明显。又如，葡萄糖氧化酶可以除去密封饮料和罐头中的氧气，从而有效地防止饮料和食品氧化变质。再如，用木瓜蛋白酶制成的嫩肉粉，可以使肉丝、肉片等烹调后吃起来嫩滑可口。
利用酶制剂生产一些产品，这一过程是在酶反应器中进行的。酶反应器是指供酶制剂催化化学反应的容器。酶反应器的种类多样，其中，具有固定化酶(或固定化细胞)的反应器叫做柱式酶反应器(如图)。柱式酶反应器是将含有底物的液
体，以一定的速度连续不断地从一端注入到装有固定化酶(或固定化细胞)的容器中，在液体流经固定化酶(或固定化细胞)时，容器内就发生催化反应并且生成产物，含有产物的液体则连续不断地从容器的另一端流出。同一般的化工容器一样，需要对酶反应器温度和pH等条件进行严格的控制；不同的是，酶反应器必须进行无菌操作。许多生物制品可以利用酶反应器进行生产。例如，青霉素是人们经常使用的一种抗生素。但是，多年的使用使得不少病原菌对青霉素产生了抗药性。为此，科学家一方面研制新的抗生素以替代青霉素，另一方面设法通过有关的酶制剂来改造青霉素的分子结构，进而研制出新型的青霉素。青霉素的分子是由一个母核和一个侧链组成的。科学家利用青霉素酰化酶，将母核和侧链水解开来，然后，利用化学合成的方法，使青霉素的母核与其他的侧链连接起来，从而研制出氨苄青霉素等新型的青霉素。现在，制药厂已经能够利用固定化青霉素酰化酶反应器，成批地生产用于合成氨苄青霉素等新型青霉素的母核了。
一些纺织原料也可以利用酶制剂进行加工。例如，天然蚕丝(指家蚕吐出的蚕丝)的外表有一层丝胶，丝胶直接影响天然蚕丝的使用。过去，人们只能在高温条件下用碱性物质脱去天然蚕丝上的丝胶。现在，人们可以在温和的条件下，利用蛋白酶对天然蚕丝进行脱胶，脱胶后的蚕丝具有鲜亮的色泽和柔滑的手感。
用于化验诊断和水质监测 我们知道，糖尿病患者需要经常用尿糖试纸化验自己尿糖的情况。那么，尿糖试纸是怎样制作出来的呢？科学家根据葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化作用下形成葡萄糖酸和过氧化氢，过氧化氢在过氧化氢酶的催化作用下形成水和原子氧，以及原子氧可以将某种无色的化合物氧化成有色的化合物的原理，将上述两种酶和无色的化合物固定在纸条上，制成测试尿糖含量的酶试纸。这种酶试纸与尿液相遇时，很快就会因尿液中葡萄糖含量的少或多而依次呈现出
浅蓝、浅绿、棕或深棕色(如图)。
科学家根据同一原理，还研制出能够化验血糖数值的血糖快速测试仪(如图)。血糖快速测试仪实际上是利用有关的固定化酶制成的一种酶传感器。酶传感器主要由固定化酶膜和变换器组成：固定化酶膜可以选择性地“识别”被检测的物质，并且催化被“识别”出的物质发生化学反应；变换器则把这一催化反应中底物或产物的变量转换成电信号，进而通过仪表显示出相应的变化(如图)。用血糖快速测试仪化验血糖，具有灵敏度高和化验速度快等优点。
酶传感器还可以用于水质监测。例如，酚是一类对人体有害的化合物，经常通过炼油和炼焦等工厂的废水排放到河流和湖泊中。根据测定水中酚含量的需要，科学家利用固定化多酚氧化酶研制成多酚氧化酶传感器，这种酶传感器可以快速测定出水中质量分数仅有2×10-7的酚。
用于生物工程其他分支领域 基因工程离不开内切酶和连接酶。可以这样说，离开了这些酶，基因工程就无法进行下去。同样，在植物体细胞杂交过程中，为了制备原生质体，需要利用纤维素酶将细胞壁分解掉。正因为这些酶是基因工程等不可缺少的，所以，人们形象地把它们通称为生物工程的工具酶。这些工具酶往往需要用酶工程的方法来生产。
综上所述，酶工程的基本过程可以概括如下：
生物工程各分支领域之间的关系
在生物工程的研究、开发和产业化过程中，生物工程的各分支领域——基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程之间有着错综复杂的关联，通常是由彼此合作来实现的。人们按照自己的愿望改造物种，往往要采用基因工程或细胞工程的方法。基因工程能够从分子水平上改造物种，细胞工程则是以细胞这个生命活动的基本单位为基础的，但是归根结底也是实现了基因的改变。基因工程和细胞工程的研究成果，目前大多需要通过发酵工程和酶工程来实现产业化。因此，人们通常将基因工程和细胞工程看作生物工程的上游处理技术，将发酵工程和酶工程看作生物工程的下游处理技术。基因工程、细胞工程和发酵工程中所需要的酶，往往通过酶工程来获得；酶工程中酶的生产，一般要通过微生物发酵的方法来进行。由此可见，生物工程各分支领域之间存在着交叉渗透的现象。随着生物工程的迅猛发展，生物工程各分支领域的界限趋于模糊，相互交叉渗透、高度综合的趋势越来越明显。生物工程作为一门综合性的科学技术，研究成果层出不穷，已经形成了一个新兴的高技术产业。我们相信，随着知识经济时代的到来，生物工程将会对人类社会的可持续发展起到越来越重要的作用。
一、填充题
1．酶的分离纯化是指______。
2．固定化酶和固定化细胞的主要区别是______。
3．酶反应器和酶传感器在用途上的主要区别是______。
二、简答题
1．通过调查访问，了解体检时的化验指标中还有哪些可以利用酶传感器进行快速检测？
2．为什么说基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程之间存在着交叉渗透现象？