酶工程的两个角度

化学酶工程：初级酶工程，酶化学与化学工程技术相结合的产物。即通过对酶的化学修饰或固定化处理，改善酶的性质以提高酶的效率和降低成本，甚至通过化学合成法制造人工酶。
1. 天然酶--从生物材料中分离纯化得到酶；
2. 化学修饰酶--对酶分子的化学修饰改善酶的性能；
3. 固定化酶--将水溶性酶用物理或化学方法处理，使之成为不溶于水的，但仍具有酶活性的状态；
4. 人工模拟酶--用化学合成了人工酶催化剂。
生物酶工程：高级酶工程，酶学与现代分子生物学技术相结合的产物。用基因重组技术生产酶以及对酶基因进行修饰或设计新基因，从而生产性能稳定，具有新的生物活性及催化效率更高的酶。
1. 用基因工程技术大量生产酶(克隆酶)；
2. 对酶基因进行修饰，产生遗传修饰酶(突变酶)；
3. 全新设计新酶基因或者通过体外进化，合成自然界不曾有的新酶。

酶工程基本过程

其中，固定化酶技术是酶工程的核心，有了酶的固定化技术，酶在工业生产中的利用价值才真正得以体现。主要介绍固定化酶。

固定化酶

a. 固定化酶的概述

酶催化的优点--作为一种生物催化剂，酶参与生物体内的各种代谢反应，具有专一性强、催化效率高及作用条件温和等优点。
酶催化的缺陷--作为蛋白质的酶对环境影响十分敏感，各种物理、化学和生物因素(如温度、压力、电磁场、氧化、还原、有机溶剂、金属离子、离子强度、pH、酶修饰和酶降解等)都可能使酶丧失生物活力。

在早期的科学研究和生产实践中，酶一直都是以溶于水的游离状态进行催化反应的，但游离酶即使在酶反应的最适条件下进行催化，也还存在着容易失活、反应后不能回收等缺陷，有时不易与产物分开，影响产品提纯及质量。

设想
--如果能设计一种方法，将酶束缚于特殊的相，使它与整体相分隔开，但仍能进行底物和效应物的分子交换。
--这种固定化的酶可以象一般化学反应的固体催化剂一样，既具有酶的催化特性，又具有一般化学催化剂能回收、反复使用等优点，并且生产工艺可以连续化、自动化。

进展
--经过40多年的研究和发展，酶的固定化技术取得了长足的进步。它不仅在理论研究(如阐明酶作用机理)上发挥独特作用，在实际应用上也显示出强大威力。
--用这种技术不仅能稳定酶，改变酶的专一性、提高酶活力，从而改善酶的种种特性，使之更符合人类要求，而且还能创造适应特殊要求的新酶。

现状
--人们对固定化酶极感兴趣，因为其性质比可溶性酶及其相关技术优越，对固定化酶的利用也与日俱增。

固定化酶(immobilized enzyme)：将水溶性酶用物理或化学方法处理，固定于高分子支持物(或载体)上而成为不溶于水，但仍有酶活性的一种酶制剂形式，称固定化酶。

b. 固定化酶的制备方法

共价法：酶与载体以共价键结合的固定化方法。

交联法：用双功能团或多功能团形成网状结构试剂使酶与酶之间交联的固定化方法。

c. 固定化酶的几个里程碑

1916年，纳尔松(Nelson)等人发现蔗糖酶吸附到骨炭上仍具催化活性。
1969年，日本田边制药公司将从米曲霉中提取分离得到的氨基酰化酶，用DEAE?葡聚糖凝胶为载体通过离子键结合法制成固定化酶，这是人类首次在工业规模上使用固定化酶，成功地由DL?氨基酸连续生产L?氨基酸。
1971年，第一届国际酶工程会议在美国召开，主题是固定化酶。
1973年，日本利用聚丙烯酰胺凝胶为载体固定化大肠杆菌菌体中的天门冬氨酸酶，用于工业化生产，将延胡索酸连续转化为L?天门冬氨酸

基于固定化酶的酶工程应用

a. 在医药工业中的应用

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：

• 获得传统技术不可能得到的昂贵药品，如人胰岛素等。
• 近年来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，合成青霉索和头抱菌素前体物的最新工艺也采用酶工程的方法。
• 应用酶工程生产维生素，如由山梨醇和葡萄糖生产维生素及丙烯酸胺。

消血栓

临床上治疗血栓病的溶纤酶是一种不稳定的异源蛋白质，在人体内引起免疫反应，无法长期使用，在较短的时间内失活。用包埋法制备的酶固定化技术可克服上述弊端，酶在囊中不能漏出，小分子物质能自由进出。

人工肾

将病人血液中的尿素经脲酶水解成氨，再用活性炭吸附。即：用固定化脲酶和微胶囊活性炭组成人工肾。

酶电极

1967年，采用酶的固定化技术，将葡萄糖氧化酶固定在疏水膜上，然后再和氧电极结合，组装成了世界上第一个生物传感器--葡萄糖氧化酶电极。从此，酶电极的研究引起了不少人的极大兴趣。现在，不少酶电极已经实用化、商品化，用于测定混合物溶液中某种物质的浓度。例如：用葡萄糖氧化酶电极测定血液、尿、发酵液中的葡萄糖浓度；用脲酶电极测定血液中的尿素浓度。

b. 在农业中的应用

将培养好的含葡萄糖异构酶(世界上生产规模最大，应用最为成功的一种固定化酶)的放线菌细胞经65 ?C热处理15 min，该酶就固定在菌体上，制成固定化酶，催化葡萄糖异构化生成果糖，用于连续生产果葡糖浆--人造蜂蜜。

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。
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。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。

c. 在食品工业中的应用

在日本和美国利用酶水解蛋白制取的营养型调味剂和氨基酸复配调味品占调味剂市场很大的比重。
在食品贮藏中，利用葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶加配葡萄糖、琼脂制成凝胶，封入聚乙烯膜小袋，放入食品的容器，可以除去残留氧，防止褐变。

d. 环境治理中的应用

20世纪七八十年代，固定化酶已被用于水和空气的净化。法国工业研究所利用能处理废水的酶制成固定化酶，其形式有酶布、酶片、酶粒或酶柱等。
近来，日本国家资源和环境学院已成功应用固定化的酪氨酸酶、过氧化物酶和漆酶对废水中的有毒化合物进行处理。具有潜在危险的化学品经酶氧化后，转化成易与凝结剂形成共沉淀的物质，然后这些沉淀可被厌氧菌降解，从而达到解毒的目的。

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。