篇一：酶工程发展概况及应用前景
酶工程发展概况及应用前景
【摘要】酶的生产和应用的技术过程称为酶工程。其主要任务是通过预先设计,经人工操作而获得大量所需的酶,并利用各种方法使酶发挥其最大的催化功能。本文意在阐述近年来酶工程在分子水平的研究进展,展示酶工程在医药、农业、食品、环境保护等领域的应用进展,并对其未来前景进行了展望。
【关键词】酶工程；概况；应用；前景
酶工程，从定义上来说，是酶制剂在工业上的大规模应用，主要由酶的生产、酶的分离纯化、酶的固定化和生物反应器四个部分组成。简而言之，酶工程就是将酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在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成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，酶的修饰与改造及酶的反应器等方面内容。
酶工程的前景
酶因其反应的专一性，高效性和温和性的特点，已和生物工程，信息科学和材料科学构成了当今的三大前沿科学。而作为生物工程的重要组成部分，将在未来的发展中，在世界科技和经济发展中起着主导和支柱作用。而工业用酶日益广泛地应用于化学，医药，纺织，农业，日化，食品，能源，化妆品以及环保等行业。据报道，到2003年，欧洲工业用酶的市场增加至9亿美元，年增长率达百分之十；而2000年的中国，酶制剂总产量达272吨，同比增长8.8%，可谓发展迅速，前景十分广阔。
酶工程的发展
酶工程的发展，是一部科学的成长史。在二次世界大战后,酶工程发展成为新的工业领域—酶工程工业。酶工程的发展历史从那时算起, 至今已经三十多个年头了。六十年代以后, 由于固定化酶、固定化细胞及固定化活细胞的崛起, 使酶制剂的应用技术面貌一新。七十年代以后，伴随着第二代酶——固定化酶及其相关技术的产生，酶工程才算真正登上了历史舞台。固定化酶正日益成为工业生产的主力军，在化工医药、轻工食品、环境保护等领域发挥着巨大的作用。几十年来酶制剂的品种和应用不断扩大。不仅如此，还产生了威力更大的第三代酶，它是包括辅助因子再生系统在内的固定化多酶系统，它正在成为酶工程应用的主角。 近年来, 国际上酶工程技术发展迅速, 硕果累累,主要有基因工程、蛋白质工程、人工合成酶、模拟酶、核酸酶、抗体酶、酶的定向固定化技术、酶化学技术、非水酶学、糖生物学、糖基转移酶、极端环境微生物和不可培养微生物的新品种等。
酶工程的应用
酶工程的发展日新月异，现举几个例子更加形象地说明酶工程地应用：
酶工程在污染处理中的作用： 可利用过氧化物酶和聚酚氧化酶处理含酚废水和造纸废水，如辣根过氧化物酶，木质素过氧化物酶，植物来源的过氧化物酶；酪氨酸酶，漆酶等；可利用氰化物酶和氰化物水合酶处理含氰废水；利用蛋白酶，淀粉酶处理食品加工废水；并且，可以通过设计复合代谢途径，拓宽氧化酶的专一性等基因工程的运用，提高微生物的降解速率;拓宽底物的专一性;维持低浓度下的代谢活性;改善有机污染物降解过程中的生物催化稳定性等。酶在废物处理及资源化过程中正在发挥重要作用, 利用基因工程和蛋白质工程扩展酶的代谢途经, 是治理难降解有毒污染物的重要方法。
酶工程技术在农业中的应用：
由于酶制剂主要作为催化剂与添加剂使用，从而带动了许多产业的发展。应用酶工程对农产品进行深加工，是人们努力的一个方向。乳制品加工则需要用凝乳酶和乳糖酶。此外，酶工程在饲料加工领域也有重大应用。
1、酶工程应用于农产品的深加工
利用α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶的催化功能，以玉米淀粉等为原料生产高果糖浆等。乳制品加工则需要用凝乳酶和乳糖酶。农副产品的加工和综合利用需要用纤维素酶、果胶酶和木质素酶。此外，从木瓜中提取的木瓜蛋白酶，提高活性和固定化以后，可以被用来酿制啤酒和制造果汁。
2、酶工程在用农产品开发生物活性肽方面的应用
以前，人们认为氨基酸是人体吸收蛋白质的主要途径，随着研究发现，蛋白质经消化道中的酶水解后，主要以小肽的形式吸收，比完全游离的氨基酸更易吸收利用。这一发现，启发了科研工作者采用酶工程技术用蛋白质生产生物活性肽的新思路。⑥生物活性肽是蛋白质中2 0种天然氨基酸以不同排列组合方式构成的从二肽到复杂的线性或环形结构的不同肽类的总称，是源于蛋白质的多功能化合物。活性肽具有多种人体代谢和生理调节功能，易消化吸收，有促进免疫、激素调节、抗菌、抗病毒、降血压、降血脂等作用，且食用安全性高。生物活性肽主要是通过酶法降解蛋白质而制得。目前已从大豆蛋白、玉米蛋白、牛奶蛋白、水产蛋白的酶解物中制得一系列功能各异的生物活性肽。
酶工程在食品领域的应用
酶是活细胞产生的具有高效催化功能、高度专一性和高度受控性的一类特殊蛋白质。其催化作用的条件非常温和, 可在常温、常压下进行, 又有可调控性, 因而食品工业是应用酶工程技术最早和最广泛的行业。
近年来, 由于固定化细胞技术、固定化酶反应器的推广应用, 促进了食品新产品的开发, 产品品种增加, 质量提高, 成本下降, 为食品工业带来了巨大的社会经济效益。
固定化葡萄糖异构酶在高果糖浆生产中的应用；利用固定化酶用于水解牛奶中的乳糖，从而促进人体对乳糖的分解吸收，防止腹泻以及腹痛的发生。
果蔬加工中的应用。随着人们对天然健康食品的不断需求, 近年来, 采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,并且可制得透明澄清的蔬菜汁。焙烤食品中的应用。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。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。
食品保鲜方面的应用。生物酶用于食品保鲜主要就是制造一种有利食品保质的环境, 它主要根据不同食品所含的酶和种类, 而选用不同的生物酶, 使食品所含的不利食品保质的酶受到抑制或降低其反应速度, 从而达到保鲜的目的。例如葡萄糖氧化酶加在瓶装饮料中, 吸去瓶颈空隙中氧而延长保鲜期; 溶菌酶对革兰氏阳性菌有较强的溶菌作用, 用于肉制品、干酪、水产品等的保鲜; 细胞壁溶解酶可消除某些微生物的繁殖, 已被用作代替有害人体健康的化学防腐剂, 对食品进行保鲜储藏。
【发展前景】
现在已知的酶的酶有几千种，但是还远远不能满足人们对酶日益增长的需要。随着科技的发
展，人们正在发现更多、更好的酶。其中，令人瞩目的有核酸酶和抗体酶、端粒酶、糖生物学和糖基转移酶和极端环境微生物和不可培养微生物的新酶种，此外，新的固定化、分子修饰和非水相催化等技术越来越受到人们关注。伴随着人类基因组计划取得的巨大成果，基因组学和蛋白质组学的诞生，生物信息学的兴起，以及DNA重排技术的发展，预期在不久的将来，众多新酶的出现将使酶的应用达到前所未有的广度和深度。
可以预计,随着各种高新技术的广泛应用及酶工程研究工作的不断深入,酶工程研究和酶制剂工业必将取得更快、更大的发展。可以相信,将来人们可以用化学的方法随心所欲地构造出各种性能优异的人工合成酶和模拟酶,而且还可以采用生物学方法在生物体外构造出性能优良的产酶工程菌为生产和生活服务,酶工程技术必将在工业、医药、农业、化学分析、环境保护、能源开发和生命科学理论研究等各个方面发挥越来越大的作用。
结语
总体而言，随着科学技术的不断升高，生物化学中的酶工程技术面临着一个全新的发展时代。生物化学中，酶的工艺技术更具有专业性质，且附属值愈来愈高。并在基因项目的工艺技术逐渐有了起色的情况下，利用蛋白质改变原有的氨基酸结构，从而更改酶的性质，以研发出新的产品。此外，随着基因项目中的工艺技术的迅速发展，微生物也对现代化的产品做出了许多贡献，应用于各种生物化工技术的研究。从而加速了现代化生物化工产业的进程，总体行业呈现出一个优良的发展态势。
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篇二：酶工程技术在制药中的应用
酶工程技术在制药中的应用
摘 要：酶工程是现代生物技术的重要组成部分，作为一项高新型技术为各工业的发展起到重要的推动作用。介绍了酶固定化、酶的化学修饰、抗体酶、核酸酶、酶标药物的理论及技术研究的新进展以及酶工程在制药工业领域中的应用，对酶工程。在制药领域应用的发展前景进行探讨。
关键词：酶工程；酶制药；应用
前 景：酶，它作为一种生物催化剂，已广泛地应用于轻工业的各个生产领域。近几十年来，随着酶工程不断的技术性突破，在工业、农业、医药卫生、能源开发及环境工程等方面的应用越来越广泛。重组DNA技术促进了各种有医疗价值的酶的大规模生产。用于临床的各类酶品种逐渐增加。酶除了用作常规治疗外，还可作为医学工程的某些组成部分而发挥医疗作用。如在体外循环装置中，利用酶清除血液废物，防止血栓形成和体内酶控药物释放系统等。另外，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，也将是酶在医疗上一个重要的应用。
酶工程概述 酶工程是将酶、含酶细胞器或细胞（微生物、动物、植物）等在一定的反应装置中，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成有用的物质并用于社会生活的一门科学。它包括酶制剂的制备，酶的固化，酶的修饰与改造及酶反应器等方面的内容。其应用主要集中于医药工业、食品工业及轻工业中。
1.酶的固定化技术及其应用
通过将酶包埋于凝胶、微囊体内，或通过共价键、离子键吸附连接至固相载体上，或通过交联剂使酶分子相互交联等方法使酶不溶局限在一个有限的空间内的技术过程。该技术可以使酶在批量反应中反复使用，在连续反应中连续使用或酶与产物易分离。固定化的方法有吸附法、共价结合法、包埋法、微囊法和交联法等基本方法，也有交联酶晶体、交联酶聚集体、硅基质包埋法和脂质包埋法等新型固定化技术[1]。在制药领域中应用较多的是包埋法，其次是吸附法。 目前已有多种固定化酶用于大规模工业化生产，如：氨基酰化酶、青霉素酰化酶、天门冬氨酸酶、天门冬氨酸-β-脱羧酶。
2.酶的化学修饰
酶的化学修饰是指通过对酶蛋白分子的主链进行“切割”、“剪切”以及对其 进行化学修饰,是利用化学手段将某些化学物质或基团结合到酶分子上最终达到改变酶的某些催化特性和功能的技术过程。通过酶的化学修饰,可以提高酶的活力，增加酶的稳定性，消除或降低酶的抗原性等。
3.酶的非水相催化和酶的定向进化
酶在非水介质（有机溶剂介质、气体介质、超临界流体介质、离子液介质等）中进行催化反应的技术过程称为酶的非水相催化[5]。酶在非水介质中的催化具有提高非极性底物或产物的溶解度、进行在水溶液中无法进行的合成反应、减少产物对酶的反馈抑制作用、提高手性化合物不对称反应的底物选择性、基团选择性、区域选择性、对映体选择性等显著特点。 酶的定向进化技术[5]是模拟自然进化过程（自然随机突变和自然选择等），在体外进行基因的人工随机突变，建立突变基因文库，通过人工控制条件的特殊环境，定 向选择得到具有优良催化特性的酶的突变体的技术过程。
4.酶制剂的生产及应用
4．1酶制剂的生产
4．1．1核酸酶和抗体酶
核酸类酶是一类由核糖核酸（RNA）组成的酶，具有核酸序列的高度特异从 而具有很强的应用价值。只要知道某种核酸酶的核苷酸序列，就可以设计合成催化其自我割切和断裂的核酸组成，根据这些基因组的全部序列，就可以设计并合成出防治.由这些病毒引起的人、畜和植物病毒病的核苷酸，如能够防治流感、肝炎、艾滋病和烟草花叶病等。核酸酶也可以用作研究核酸图谱和基因表达的工具[4]。抗体酶又称为催化性抗体，是一类具有生物催化功能的抗体分子，可以采用诱导法和修饰法获得。抗体酶已经用于酶作用机理的研究、手性药物的合成和拆分、抗癌药物的制备等[4]
4.1.2 酶标药物
近来，人们可以根据药物在生物体内可能的作用目标（如酶或受体）来设计药物，由此获得的药物被称为酶标药物。目前，这种设计方法已经称为药物设计的主流，在新药物设计中发挥了巨大作用。血管紧张素肽转化酶（ACE）抑制剂是酶标药物的一个成功实例，ACE抑制剂已经成为重要的常用降压药。近来的研究发现，艾滋病感染和传播，主要是由艾滋病病毒颗粒表面的蛋白酶引起的。因此，艾滋病病毒蛋白酶的研究成为一个热点，人们希望对艾滋病病毒蛋白酶抑制剂的研究，寻找出防止艾滋病病毒感染和治疗艾滋病的方法[6]。
4.2 酶工程技术在制药工艺中的运用
酶工程技上在生产投资小、工艺简单、能耗量低、产品收率高、效率高、效益大和污染小等优点，成为化学、医药工业应用方面的主力军。以往采用化学合成、微生物发酵及生物材料提取等传统技术生产的药品，皆可通过现代酶工程生产。甚至可以获得传统技术不可能得到的昂贵药品，如人胰岛素、6-APA及7-ADCA等。固定化基因工程菌、工程细胞以及固定化技术与连续生物反应器的巧妙结合，将导致整个发酵工业和化学合成工业的根本性变革。
4．2.1应用酶工程制备生物代谢产物
应用固定化细胞可大量生产各种初级代谢产物或中间产物，如糖、有机酸和氨基酸等。产品有D-果糖、甘油、1，6-二磷酸果糖、柠檬酸、苹果酸、丙氨酸、
天冬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸等。
4.2.2应用酶工程生产抗生素和维生素
应用酶工程可以制备头孢菌素Ⅳ(头孢菌素酰化酶)、7-ADCA(青霉素Ⅴ酰化酶)、脱乙酰头孢菌素(头孢菌素乙酸酯酶).近年来还进行固定化产黄青霉（青霉素合成酶系）细胞生产青霉素的研究，合成青霉素和头孢菌素前体物的最新工艺也采用酶工程的方法。
4.2.3应用酶工程生产氨基酸和有机酸
生产DL-氨基酸(氨基酰化酶)、L-赖氨酸(二氨基庚氨酸脱羟酶或α-氨基-ε-己内酰胺水解酶和消旋酶)、尿酐酸(L-组氨酸氨解酶)、L-酪氨酸及L-多巴(β-酪氨酸酶)等有机酸.
4．2.4应用酶工程生产核苷酸类药物
腺嘌呤核苷酸（AMP）由产蛋白假丝酵母菌体用热水提取核酸，再经核酸酶水解制得。脱氧核苷酸由鱼白提取脱氧核糖核酸（RNA）后，经5＇-磷酸二酯酶酶解制得。现有富含核酸的动植物（花粉等）提取核糖核酸（RNA），再用5＇-磷酸二酯酶酶解为磷酸酰苷（AMP）、磷酸胞苷（CMP）、磷酸尿苷（UMP）及磷酸尿苷（GMP）制得混合核苷酸。肌苷酸由酰苷脱氨酶制得。ATP和AMP分别由氨甲酰磷酸激酶、激酶加乙酸激酶制得。
5.酶工程技术制药的前景
酶工程作为生物工程的重要组成部分，其作用之重要、研究成果之显著已为世人所公认。充分发挥酶的催化功能、扩大酶的应用范围、提高酶得应用效率是酶工程应用研究的主要目标。21世纪酶工程的发展主题是：新酶的研究与开发、酶的优化生产和酶的高效应用。除处采用常用技术外，还要借助基因学和蛋白质组学的最新知识，借助DNA重排和细胞、噬菌体表面展示技术进行新酶的研究与开发，目前最令人瞩目的新酶有核酸类酶、抗体酶和端粒酶等。要采用固定化、分子修饰和非水相催化等技术实现酶的高效应用，将固化技术广泛应用于生物芯片、生物传感器、生物反应器、临床诊断、药物设计、亲和层析以及蛋白质结构和功能的研究，使酶技术在制药领域发挥更大的作用。
6.参考文献:
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篇三：酶工程技术在环境保护中的应用
酶工程技术在环境保护中的应用
摘要：酶是重要的生物催化剂，具有专一性强、催化效率高、无污染、反应条件温和等特点，研究和应用显示了酶在环境污染治理中有着广阔的应用前景。综述了酶的固定化技术，包括酶的固定化方法、选择与比较等；膜式酶生物反应器的基本概念和利弊、及其应用；以及酶在污染治理中的研究和应用,其中包括水净化、环境监测、白色污染的治理和有机废水的酶处理等方面。酶在环境污染治理中的研究和应用显示了生物工程在环境污染治理和生物修复上有着广阔的应用前景。
关键词：酶固定技术；酶反应器；环境保护；应用
1 酶的固定化
1.1 酶固定化的方法
酶的固定化方法主要有四种: 包埋法(entrapment) 、吸附法(adsorption) 、共价法(covalent blinding) 、交联法(cross linking)。
1.1.1 包埋法
包埋固定化法是把酶定位于聚合物材料的格子结构或微胶囊结构中。 这样可以防止酶蛋白释放, 但是底物仍能渗人格子内与酶相接触. 此法较为简便，酶分子仅仅是被包埋起来, 生物活性破坏少, 但此法对大分子底物不适用。
( l) 凝胶包埋。凝胶包埋法是将酶包埋在交联的水不溶性凝胶的空隙中的方法. 交联聚丙烯酞胺凝胶包埋法是首先被采用的包埋技术。
(2) 微胶囊包埋。 将酶包埋于半透性聚合体膜内, 形成直径为1-100um的微囊。这种固定化酶是以物理方法包埋在膜内的只要底物和产物分子大小能够通过半透膜底物和产物分子就能够以自由扩散的方式通过膜。
1.1.2 吸附法
吸附固定是最简单的方法, 酶与载体之间的亲和力是范德华力、离子键和氢键。 此方法又可分为物理吸附法和离子吸附法：
（l) 物理吸附法
使用对蛋白质具有高度吸附能力的非水溶性载体, 如活性碳、几丁质: “多孔玻璃二” 等作为吸附剂将酶吸附到表面上使酶固定化这种方法操作简单, 反应条件温和, 载体可反复使用, 但结合不牢固, 酶易脱落。
(2) 离子吸附法。 利用酶蛋白在解离状态下可用电荷引力而固着于带有与酶蛋白电荷相异的离子交换剂(水不溶性载体)上的固定化方法。 此法操作简单, 固定较为牢固, 在工业上用途颇广。
1.1.3 共价法
酶蛋白分子上的官能团和固相支持物表面上的反应基团之间形成共价键连接的方法。 其优点是酶与载体之间的连接很牢固,稳定性好, 但反应条件激烈, 操作复杂, 控制条件苛刻。 目前, 已建立的方法包括:
(l) 重氮法。 这是共价键法中使用最多的一种如下式所示, 将具有氨基的不溶性载体, 以稀盐酸和亚硝酸钠处理，成为重氮化物, 再与酶分子偶联酶蛋白中的游离氨基, 组氨酸中的咪哇基, 酪氨酸中的酚基, 可与其结合
R 一NH Z 一〔R 一N 三N ]Cl-1一十[酶〕一R 一N 二N 一[酶]
(2) 肤键法。 此法是将有功能基团的载体与酶白中赖氨酸的: 一氨基或N 末端的。一氨基作用形成肤键成为固定化酶。
(3 )基化法和芳基化法。 以卤素为功能基团的载体与酶蛋白的氨基或琉基发生烷基化或芳基化反应形成固定化酶。
1.1.4 交联法
使酶与带两个以上的多官能团试剂进行交联反应,生成不溶于水的二维交联聚集体, 交联形成的固定化酶称为交联酶。与共价结合法一样, 都是靠化学结合的方法使酶固定化。 其区别在于交联法使用了交联剂常用的交联剂有戊醛: 蹂酸。单用戊二醛交联得到固定化酶的方法很少单独使用。将此法与吸附法或包埋法联合使用可以达到良好的加固效果例如: 先用几丁质吸附, 再用戊二醛交联等。
1.2 酶固定化的选择与比较
虽然发展了许多固定化技术, 并用于多种酶, 但现在还没有一种能适合所有应用和所有酶的全能方法。因为各种酶的化学特性和组成差别很大, 底物和产物性质不同, 产物的用途也不一样。 因此, 对固定化酶的每一种应用来说必须
找到既简便又廉价的方法，并且要在给出产品的同时很好地保留酶活性, 还要有高的工作稳定性。
各类固定化方法的特点比较:
2 酶反应器
在选择酶反应器的时候, 一般应考虑以下几个方面: 酶的应用形式、底物的物理性质、酶反应动力学、酶的稳定性、操作要求、应用的可塑性等。
最简单的酶反应器为分批式反应器, 只需要加入固定化酶, 使之悬浮于搅拌罐中, 而不需要支持性装置。另一种酶反应器是连续流反应器, 可将粉状、块状固定化酶制成酶柱使用, 通人底物溶液, 产物便可连续流出。这种反应的速度决定于搅拌速度, 对于固定化酶来说, 反应结束后只需离心或过滤, 便可从中分离出酶。 这种反应器适各种反应, 设备成本低， 但固定化酶在回收过程中易
损失, 因此工业规模应用较少, 对小规模试验适合。
另一种酶反应器是连续流反应器, 可将粉状、块状固定化酶制成酶柱使用, 通入底物溶液, 产物便可连续流出。连续流反应器比分批式反应器工作固定、操作费用低, 易于自动控制和掌握产品的质量。
2.1 膜式酶生物反应器
2.1.1 膜生物反应器的有关概念
膜式反应器通过膜的选择性透过作用在有外推动力的情况下实现目标成分从反应混合物中的分离。膜也能被用作固定化酶的载体。即在进行催化反映的同时, 实现产品的分离浓缩。
2.1.2 膜生物反应器的分类
以酶和底物的接触机制来对各种酶反应器进行分类。
（1）超过滤式膜反应器
这类反应器的酶可以是固定化酶或以游离态存在,底物一进入膜的一侧, 就能与可溶性的酶接触进行反应。图1是典型的3种型式。
（2）扩散型膜反应器
这类反应器底物分子需经过被动扩散通过膜微孔后到达酶反应区。酶可以固定化或游离态存在。这就要求反应底物是小分子量的。催化反应得到的产物又扩散回到未反应的底物中不断循环。这类反应器常使用中空纤维膜, 酶一般位于纤维的外层。溶质是以浓度差而不是压力作为推动力通过膜的。
因此与超过滤膜式
反应器相比, 其以扩散作为底物的主要传质动力,存在着一些缺点。举例来说,由于底物的跨膜渗透是一限速步聚, 使得酶的动力学行为低于游离酶反应。
（3）接触式多相膜反应器
这是指能促使底物和酶在膜上进行相界面接触的一类反应器。
2.1.3 膜式反应器的应用
采用膜式反应器, 可以实现酶反应的连续操作,提高产物得率。膜式酶反应器常用在大分子的水解,辅基再生系统的共轭反应, 脂酶催化的水解与合成,
逆
《酶工程的应用》由：创业找项目整理
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