酶工程应用的研究进展论文 酶工程研究进展及食品工业酶制剂应用

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一、前言

目前，酶工程领域取得的研究成果主要在酶的生物合成及其调节控制，酶的分离纯化，酶分子修饰，细胞和原生质体固定化，酶的非水相催化等。

二、酶工程的研究发展

1、酶的生物合成及其调节控制

所有生物体在一定的条件下都能合成多种多样的酶。酶的生物合成受细胞内外许多因素的影响。研究酶的生物合成及其调节控制,对指导酶的生产以及阐明某些抗生素和药物的作用机制有重要意义[1]。

2、酶的分离和提纯

酶的分离和提纯是酶生产的一个很关键的问题，不仅会影响酶的产率和酶的活性，而且会影响其它技术的使用。经过分离纯化后，酶活性不能降低，因此分离纯化必须在适宜的条件下进行，常常选择的方法有：离心法、沉淀法、膜分离法、柱层析法、双水相系统萃取法等[2]。

3、活性多肽的开发研究

目前，人们利用酶工程技术，开发了很多功能性活性肽。生物活性肽是20 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。

4、酶工程在保健食品、医药方面的研究进展

4.1 生产抗生素和维生素

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。由山梨醇和葡萄糖生产维生素及丙烯酰胺的生产也采用酶工程的方法。

4.2 生产氨基酸和有机酸

生产尿酐酸、L-酪氨酸及L-多巴、L-天冬氨酸、L-苯丙氨酸、L-谷氨酸、L-丝氨酸、L-色氨酸、天冬酰胺、谷胱甘肽等有机酸。

4.3 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 (DNA) 后，经5'-磷酸二酯酶酶解制得。

5、食品工业酶制剂适用范围

GB1886.174-2016标准范围适用于GB2760-2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》允许使用的食品工业用酶制剂。对食品工业用酶制剂技术要求从原料，产品包括理化指标、污染物限量、微生物指标、抗菌活性等均有具体规定。GB2760-2014标准列举了54种食品加工中允许使用的酶，规定了酶制剂的名称，来源（指用于提取酶制剂的动物、植物或微生物），供体（指为酶制剂的生物技术来源提供基因片段的动物、植物或微生物）。食品工业酶制剂企业生产应符合GB2760-2014、GB1886.174-2016标准和国家卫生健康委官网公布的食品用酶制剂公告。食品企业生产加工过程使用酶制剂应符合GB2760-2014和国家卫生健康委官网公布的食品用酶制剂公告。

6、在污染治理中的应用

6.1辣根过氧化物酶和漆酶

辣根过氧化物酶是植物中研究最深入的一种过氧化物酶，辣根过氧化物酶是酶处理废水领域中应用最多的一种酶。此酶在过氧化氢存在时能催化氧化多种有毒的芳香族化合物，其中包括苯胺、联苯胺和酚等,反应产物为不溶于水的沉淀物。漆酶是一种结合多个铜离子的蛋白质，可以通过聚合反应去除有毒酚类，漆酶具有的去毒功能与很多环境有关。

6.2 木质素过氧化物酶和蛋白酶

木质素过氧化物酶，也叫木质素酶，是白腐真菌细胞酶系统的一部分。研究发现在降解有机污染物、生物制浆、处理污染废水等方面还有广泛的应用，蛋白酶是一类水解酶，能够有效分解蛋白质，在废水处理中得到了广泛应用，蛋白酶能水解废水中的蛋白质。

6.3 氰化物酶和脂酶

氰化物酶能把氰化物转变为氨和甲酸盐，一种革兰氏阴性菌，可产生氰化物酶，该酶有很强的亲合力和稳定性，氰化物酶和氰化物酶水合酶来处理含氰化物废水。脂酶是生物体内脂类物质(三酰甘油脂)生物转化过程中不可缺少的催化剂。一项日本专利报道了直接在废水中培养亲脂微生物进行废水处理。

三、酶工程的最新发展前景

1、人工合成酶和模拟酶

人工合成酶的研究意义重大。人工合成酶可以提高生化反应速度；通过对酶促反应的研究和人工酶的研制，能设计新的化学合成路线，生产出更便宜的生化产品。人工合成酶在结构上具有两个特殊部位，一个是底物结合位点，一个是催化位点。经过不断科学探索，研究者成功将人工合成酶设计了一个反应过渡态的结合位点，使该位点具有结合位点和催化位点的功能。人工合成酶通常遵循Michaelis-Menten方程。例如：高分子聚合物聚-4 -乙烯基吡啶-烷化物，具有蛋白酶的功能，含辅基或不含辅基的高分子聚合物，具有氧化还原酶、参与光合作用的酶和各种水解酶等功能[3-5]。

在模拟酶方面，固氮酶的模拟发展最好。人们在天然固氮酶由铁蛋白和铁钼蛋白2种成分组成的基础上，提出了多种固氮酶模型。

2、核酸酶和抗体酶

资料显示1982年Cech发现四膜虫的26SrNAD的前体，在没有蛋白质存在的情况下，能够进行内含子的自我剪接，形成成熟的 rRNA，证明RNA分子具有催化功能，并将其称为核酸酶。1995年Cuenoud又发现某些DNA分子也具有催化功能。这就改变了只有蛋白质才具有催化功能的传统观念，核酸酶具有核酸序列的高度特异性.这种特异性使核酸酶具有很大的应用价值。核酸酶可以用于研究核酸图谱、基因表达、治疗某些遗传病、艾滋病、肝炎、癌病和流行感冒等。

抗体酶的催化效率很高。一般认为只要能找到合适的过渡态类似物，可以为任何化学反应提供全新的蛋白质催化剂--抗体酶。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。

3、非水系酶

酶反应通常在水为介质的系统中进行。但是，酶反应也能在非水系统内进行。有研究学者通过实验结果证明，在几乎没有水的系统内，仍可进行各种酶反应。在非水系统内，还能进行酶催化的酰胺水解、酰基交换、硫酸根交换和肟水解等反应。研究专家称可以进一步研究溶解在有机溶剂中的天然酶的结构和催化特性，这样将扩大酶在非水系统中的应用范围。

4、酶的修饰

酶的修饰包括：化学修饰和选择性遗传修饰。酶有稳定性差、活力不够理想及具有抗原性等缺点，这些不足使酶的应用受到限制，为此常需对酶进行适当再修饰加工，以改善酶的性能[6]。

酶的化学修饰是指利用化学手段将某些化学物质或基团结合到酶分子上，或将酶分子的

某部分去除或置换，改变酶的理化性质，最终达到改变酶的催化性能的目的。酶的选择性遗传修饰是一个新研究领域，即酶基因的定点突变。

5、酶的固定化技术

资料显示，探索酶蛋白的固定化技术方面，有几条不同的途径，使酶蛋白能够以有序方式附着在载体的表面，实现酶的定向固定化而使酶活性的损失降低到最小。优点：（1）每一个酶蛋白分子通过其一个特定的位点，重复的进行固定化；（2）蛋白质的定向固定化技术可以很好地研究蛋白质结构；（3）这种固定化技术可以借助一个与酶蛋白的酶活性无关或影响很小的氨基酸来实现。

由于微生物代间期非常短，所以酶的定向进化技术目前备受关注，多位点定点突变技术和酶定向进化技术是当今酶工程最集中的研究领域，可以相信将会得到许多性能优异的突变酶菌株。

四、结语

随着科学技术的发展和对酶工程不断深入研究，特别是酶基因的修饰和体外重组技术的发展，相信在不久的将来，人们可以用很成熟的方法构造出各种性能优异的酶，通过生物学方法在生物体外构造出性能优良的产酶工程菌，酶工程技术会在工业、食品、农业、医药、环境保护、能源开发和生命科学等各个方面发挥更大的作用。

参考文献：

[1] 康从玲.酶工程的新研究及应用进展[J].科技论坛,2011,9:78.

[2] 马晓建,白净,任珂,等.酶工程研究的新进展[J].化工进展,2003,22(8):813-817.

[3] Mosbach K.Program of enzyme engineering[C].Beijing,1998:30-36.

[4] Thomas D,Friboulet A.Program of enzyme engineering[C].Beijing,1998:36-39.

[5] Wandrey C.Program of Enzyme Engineering[C].Beijing,1998:3-4.

[6] 郑成.酶工程的研究进展简述[J].韶关学院学报(自然科学版),2001,22(6):39-43.