酶工程

酶工程

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酶工程（英語：Enzyme engineering）又稱蛋白質工程學，是指工業上有目的的設置一定的反應器和反應條件，利用酶的催化功能，在一定條件下催化化學反應，生產人類需要的產品或服務於其它目的的一門應用技術。

目錄

原理

酶工程就是將酶或者微生物細胞，動植物細胞，細胞器等在一定的生物反應裝置中，利用酶所具有的生物催化功能，藉助工程手段將相應的原料轉化成有用物質並應用於社會生活的一門科學技術。它包括酶製劑的製備，酶的固定化，酶的修飾與改造及酶反應器等方面內容。酶工程的應用，主要集中於食品工業，輕工業以及醫藥工業中。

催化特性

高效率 ：比非催化高108－1020倍； 比非酶催化高107－1013倍

高度專一性

反應條件溫和

酶催化是可調控的

化學本質

Enzyme Proteins

Ribozyme RNAs

主要用途

酶作為一種生物催化劑，已廣泛地應用於輕工業的各個生產領域。近幾十年來，隨着酶工程不斷的技術性突破，在工業、農業、醫藥衛生、能源開發及環境工程等方面的應用越來越廣泛。

食品加工中的應用

酶在食品工業中最大的用途是澱粉加工，其次是乳品加工、果汁加工、烘烤食品及啤酒發酵。與之有關的各種酶如澱粉酶、葡萄糖異構酶、乳糖酶、凝乳酶、蛋白酶等占酶製劑市場的一半以上。

幫助和促進食物消化的酶成為食品市場發展的主要方向，包括促進蛋白質消化的酶（菠蘿蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等），促進纖維素消化的酶（纖維素酶、聚糖酶等），促進乳糖消化的酶（乳糖酶）和促進脂肪消化的酶（脂肪酶、酯酶）等。

輕化工業中的應用

酶工程在輕化工業中的用途主要包括：洗滌劑製造（增強去垢能力）、毛皮工業、明膠製造、膠原纖維製造（粘接劑）牙膏和化妝品的生產、造紙、感光材料生產、廢水廢物處理和飼料加工等。

醫藥上的應用

重組DNA技術促進了各種有醫療價值的酶的大規模生產。用於臨床的各類酶品種逐漸增加。酶除了用作常規治療外，還可作為醫學工程的某些組成部分而發揮醫療作用。如在體外循環裝置中，利用酶清除血液廢物，防止血栓形成和體內酶控藥物釋放系統等。另外，酶作為臨床體外檢測試劑，可以快速、靈敏、準確地測定體內某些代謝產物，也將是酶在醫療上一個重要的應用。

能源開發

在全世界開發新型能源的大趨勢下，利用微生物或酶工程技術從生物體中生產燃料也是人們正在探尋的一條新路。例如，利用植物、農作物、林業產物廢物中的纖維素、半纖維素、木質素、澱粉等原料，製造氫、甲烷等氣體燃料以及乙醇和甲醇等液體燃料。另外，在石油資源的開發中，課題。

環境工程

在科學技術高度發展的同時，環境淨化尤其是工業廢水和生活污水的淨化，作為保護自然的一項措施，具有十分重要的意義。

在現有的廢水淨化方法中，生物淨化常常是成本最低而最可行的。微生物的新陳代謝過程，可以利用廢水中的某些有機物質作為所需的營養來源。因此利用微生物體中酶的作用，可以將廢水中的有機物質轉變成可利用的小分子物質，同時達到淨化廢水的目的。人們利用基因工程技術創造高效菌種，並利用固定化活微生物細胞等方法，在廢水處理及環境保護工作中取得了顯著的成效。

另外，生物傳感器的出現為環境監測的連續化和自動化提供了可能，降低了環境監測的成本，加強了環境監督的力度。

發展歷史

在七十年代以後，伴隨着第二代酶——固定化酶及其相關技術的產生，酶工程才算真正登上了歷史舞台。固定化酶正日益成為工業生產的主力軍，在化工醫藥、輕工食品、環境保護等領域發揮着巨大的作用。不僅如此，還產生了威力更大的第三代酶，它是包括輔助因子再生系統在內的固定化多酶系統，它正在成為酶工程應用的主角。

我們知道，酶在生物體內的含量是有限的，不管是哪種酶，在細胞中的濃度都不會是很高的，這也是出於生物機體生命活動平衡調節的需要。可是這樣一來，就限制了直接利用天然酶更有效地解決很多化學反應的可能性。

利用基因工程的方法可以解決這一難題。

製備方法

基因製取

在生物體內找到了某種有用的酶，即使含量再低，應用基因重組技術，通過基因擴增與增強表達，就可能建立高效表達特定酶製劑的基因工程菌或基因工程細胞了。把基因工程菌或基因工程細胞固定起來，就可構建成新一代的生物催化劑——固定化工程菌或固定化工程細胞了。人們也把這種新型的生物催化劑稱為基因工程酶製劑。

新一代基因工程酶製劑的開發研製，無疑是使酶工程如虎添翼。固定化基因工程菌、基因工程細胞技術將使酶的威力發揮得更出色，科學家們預言，如果把相關的技術與連續生物反應器巧妙結合起來，將導致整個發酵工業和化學合成工業的根本性變革。

對酶進行改造和修飾也是酶工程的一項重要內容。

酶的作用力雖然很強，尤其是被固定起來之後，力量就更大了，但並不是所有的酶製劑都適合固定化的，即使是用於固定化的天然酶，其活性也往往不能滿足人們的要求，需要改變其某些性質、提高其活性，以便更好地發揮其催化功能。

於是，酶分子修飾和改造的任務就被提出來了。

一般來說，科學家們是通過對酶蛋白分子的主鏈進行「切割」、「剪切」以及在側鏈上進行化學修飾來達到改造酶分子的目的的。被修飾、改造的酶分子，無論是物化性質，還是生物活性都得到了改善，甚至被賦予了新的功能。

人工設計和合成具有生物活性的非天然大分子物質，是科學家們共同努力的目標。

圖為胰蛋白酶和一個特異性搞體被切去而現露出蛋白制主鏈（藍色）