生物催化劑——酶

(1)悠久的歷史
   自從我們這個星球有了生物,酶就存在了。毫不夸張地說,我們的生命無時無刻都不能離開酶,我們的生活也與酶的應用息息相關。遠在四千年前,我國人民就開始了利用大麥芽中的酶制造飴糖,利用發酵法釀酒,制醋和醬。但那時人們并不是有意的利用酶,是一種只知道結果,不知道原理的自然行為。人們在這種狀態下使用了幾千年的酶,在100多年前的1857年,法國的微生物學家巴斯德在研究酒精發酵時發現,把活的酵母與糖放在一起,在適合的條件下,會進行發酵產生酒精。又過了40年,1897年德國的畢希納進一步研究發現,如果將能夠引起酒精發酵的活酵母研磨碎,再與糖混合,仍然可以使糖發酵形成酒精。這說明即使酵母細胞不存在了,但細胞內的物質仍然能夠使糖發酵成為酒精,并把這種具有發酵能力的物質稱為酶。到20世紀初,發現了更多的酶,對它們催化的反應進行了大量研究,并把它們從細胞中分離出來,進行純化。1926年桑訥首先得到了能夠分解尿素的脲酶結晶,研究證明它是蛋白質,具有蛋白質的一切性質。為此榮獲1947年度的諾貝爾獎。之后有關酶的研究獲得發展,成為一個獨立的學科。到60年代以后,隨著物理和化學的發展,為酶學研究和應用提供了強有力的技術手段,酶學研究和應用真正進入了迅速發展時期。淀粉酶和葡萄糖淀粉酶首先在工業上用于生產葡萄糖酶。70年代初,日本的千佃一郎將固定化氨基酸?;赣糜诠I生產L-氨基酸,開創了應用固定化酶的新時代;隨著酶的應用的不斷擴大,生物技術的發展,人們將有關酶的開發,研究,制備,加工及應用統稱為酶工程。80年代初人們發現酶也可以在有機溶劑中催化反應,改變了酶不能在有機溶劑中使用的傳統觀念,使酶學,酶工程和酶的應用進入了全新世紀。
2)什么是酶?
   酶是存在于生物體內的一種生物催化劑。和普通的化學催化劑一樣,它可以提高化學反應的速度,但不能改變反應方向和反應平衡。它與化學催化劑不同的是,它本身是種蛋白質。我們知道,蛋白質是由各種氨基酸按一定的排列順序組成,形成蛋白質的肽鏈,它如同一條很長的線,彎曲,折疊形成一個比較松散的‘團’,每一種酶蛋白質形成的‘團’并不是雜亂無章的,它是按照一定的規則形成。因此,每一種酶蛋白質都具有相同的結構和固定的形態。就是由于這種獨特的結構使組成肽鏈的某些氨基酸的側鏈形成固定的空間排部,構成具有催化能力的活性中心。而蛋白質肽鏈之間的相互作用,使‘線團’中的‘線段’固定了位置和走向,也使活性中心固定下來。
酶的這種‘線團’結構,只有在正常條件下才是穩定的,一旦周圍環境條件發生變化,或其它因素的影響,這個‘線團’就可能被打亂,亂了套的酶蛋白質的催化能力也隨之喪失,這種現象稱為變性。一般來說,高溫,強酸,強堿,有機溶劑都會使酶蛋白發生變性而失去活性。
3)酶在生物體內的作用是什么?
每一種生物的生命過程,從小到大,繁衍生息,生老病死,新陳代謝,都和酶有關。如果沒有酶的催化,于性命攸關的最基本的食物消化,氧的呼吸都不可能進行,更不要說其它問題。實際上生物體內發生的各種反應幾乎都是由酶催化進行??梢哉f沒有酶也就沒有生命?!  ?nbsp;
酶在生命中如此重要,其原因在于酶催化的反應速度快,要比化學催化劑催化的反應大約要快幾千倍到上億倍。比如食物中的葡萄糖與氧反應,變成二氧化碳和水,釋放能量是維持生物體體溫和一切活動的能源。如果沒有催化劑,在常溫常壓條件下,需要幾年或更長的時間。若要反應加快速度,必需在三百度以上才能進行,燃燒氧化,釋放能量。這在生物體內是絕對不可能的。而在生物體內,在一系列酶的催化作用下,于常溫常壓下可瞬間完成,其速度之快難以想象。
   另一個原因是一種酶只催化一種物質發生一種反應,或者化學類似物質的相同反應,對其它物質和反應絕對不會有催化作用;絕大多數酶只催化一種物質的一種反應,即使結構非常相似的物質也不會反應。這種性質被稱為酶催化的專一性。比如葡萄糖氧化酶,只催化葡萄糖的醛基氧化為葡萄糖酸一種反應,決不會催化葡萄糖的其它基團反應,更不會催化其它物質的氧化反應。為了完成生物體內的成千上萬物質的變化和反應,就需要相應的酶,有人估計,在生物體內大約存在1023種酶。是它們保證了生命過程的正常進行,一旦由于某原因造成某一種酶的缺失,或催化活性低下,生物的新陳代謝就會不正常,進而發生疾病,甚至死亡。
4)酶催化的反應特點
   酶在生物體內所處的環境十分溫和,因在細胞內存在大量的水,酶基本處于水溶液中,近似于中性的酸堿度,低濃度的鹽分,溫度適中,接近室溫,壓力很低,接近一個大氣壓。這也就是大多數酶催化反應所需的條件。
   如果將酶從生物體內分離出來,給予相應的反應條件,也可以在體外催化反應,人們可以利用它來生產需要的產品。與化學方法相比,它不需要化學反應的高溫,高壓,強酸,強堿,大量的有機溶劑和貴重的化學催化劑,只需在常溫,常壓,接近中性的水溶液中進行反應;需要使用的反應容器也不必用耐壓,耐腐蝕的材料制造;生產過程消耗的能量大大降低,生產的成本也低。
   由于酶催化的反應具有極高的專一性,它只催化一種物質的一種反應,只產生一種產物,反應條件又溫和,反應過程中副反應少,生產的效率高。這也是化學反應無法比擬的。由于酶催化的反應很少需要使用更多的化學試劑和有機溶劑,反應產生廢棄物和副產物少,基本不會對環境造成重大污染。
由于以上的優點,酶的應用成為人們十分關注的事情。但是在應用過程中人們也十分關注酶本身和它催化反應的缺點。這就是酶十分嬌氣,不穩定,在反應過程中受到多種因素的影響會發生變性,逐漸喪失催化活性,如果條件控制的不好反應難于進行到底。另外,酶是水溶性的,反應完了酶與產物混合在一起,即使酶在反應過程中沒有失活,還可以再次使用,但是從反應混合物中回收十分困難,一般是只使用一次,反應結束酶也就廢棄了。這樣酶反應也只能是象做飯一樣,‘一鍋一鍋’的,按批次的方式進行,很難實現連續化生產;由于酶的生產比較復雜,酶也比較貴,使用一次就廢棄也是一種浪費,會增加生產成本。
   能不能改變酶的這種缺點,使之變得穩定,不溶于水,容易從反應物中分離反復使用,以便實現連續化生產?現在的回答是:可以的。酶的固定化可以解決這一問題。
5)什么是固定化?
酶的固定化是指把酶或含有酶的細胞與固體材料(在這里稱為載體)結合在一起,制成不溶于水的顆粒,纖維或膜狀物,用于催化反應。隨著固定化技術的發展,目前把利用半透膜將酶或含酶細胞包裝在一個特定的空間,如微型膠囊內,或超濾器內也稱為固定化;甚至于把酶結合在水溶性的大分子上,在反應時為溶解狀態,它催化的反應與未固定化的游離酶很相似,反應之后,通過改變條件再使結合酶沉淀出來,這種形式也是一種很好的固定化方法。
6)固定化方法
   固定化技術經過近三十的發展,已經比較成熟,大體上可以分為五種。但不論使用那一種方法,都需要使用酶所依附的載體。雖然不同固定化方法對使用的載體有不同要求,但可以根據它們的化學屬性分為有機材料載體和無機材料載體,按它們的來源又可分為天然載體和人工合成載體。不管怎樣分類,最經常使用,而且比較適合的載體主要有纖維素,明膠,從蟹殼中提取的殼聚糖,從海藻中提取的瓊脂,卡拉膠等天然有機載體;人工合成的有機載體主要是聚丙烯酰胺,聚丙烯酸,聚乙二醇(PEG),聚乙烯醇(PVA),含有異硫氰基、環氧基、氨基、巰基、重氮基等各種活性基團的聚合物和各種離子交換樹脂;無機天然載體可以是天然沙,石英,澎潤土,以及加工過的皂土,硅藻土,白土等;無機合成載體有多孔玻璃,硅膠,以及以它們為基質的有機聚合物包涂或活化的載體。載體的選擇主要是根據固定化方法和用途。
經常使用的固定化方法是通過化學反應將酶化學結合到載體上。酶蛋白分子含有氨基、羧基、羥基、巰基等化學基團,它們可以和許多活潑的活性基團進行化學反應形成化學鍵。利用這一方法時,首先要利用化學方法將載體進行活化,使載體帶上能夠與酶蛋白的化學基團反應的活性基團。然后在一定條件下使酶蛋白與活化的載體進行反應,就可以實現將酶結合到載體上制備固定化酶的目的。
   這種方法一般只實用于酶的固定化,很少用于固定化細胞。因為載體和細胞之間比較難于形成化學鍵。利用這種方法形成的化學鍵很牢固,酶不容易從載體上脫落,制備的固定化酶比較穩定。但由于化學反應較激烈,固定化時酶容易發生變性失活,如果固定化條件控制的不好,制備的固定化酶活性較低。
另一個經常使用的固定化方法是將酶或細胞與可以形成凝膠的物質,如明膠、瓊脂,卡拉膠,PVA或乙基纖維素的溶液混合,然后采用降溫,或凝固劑處理的方法使其凝固形成凝膠,或直接制成顆粒,就可得到實用的固定化酶或固定化細胞。由于凝膠中的高分子形成立體的網狀結構,將酶分子或細胞被網絡在凝膠格子中,就象棉花中夾帶的沙子,因此這種方法稱為包埋法。
   包埋法的優點是方法簡便,實用性較好。但是包埋法更適合細胞的固定化,因為細胞要比酶分子大的多,包埋材料形成的凝膠網格較大,細胞較大容易保留住,而酶比較小,容易從凝膠網格中漏出。另外由于酶和細胞被凝膠材料包裹,對于酶催化的物質和產物的進出具有很大的阻擋作用,如果酶是催化大分子如淀粉、蛋白質、核酸水解的酶時,包埋法制備的固定化酶或細胞活性很低。
   如果使用的載體是離子交換樹脂,因為它帶有離子交換基團,可以和酶及細胞表面的酸性基團如羧基、苯酚基,堿性的氨基、亞氨基等進行離子交換,形成離子鍵,將酶固定化在離子交換樹脂表面。另外象硅藻土,皂土,白土,沙粒等一類物質的表面對酶和細胞都具有很強的吸附能力,也可以用于制備固定化酶和固定化細胞。這種固定化方法十分簡便,但是因為離子鍵和簡單的物理吸附很容易受到環境中的鹽濃度,酸堿度和溫度變化的影響,而解離。因此,用這樣的方法制備的固定化酶很不穩定。但是它也有它的優點,固定化酶使用一定時間后,酶脫落丟失,固定化酶活性降低,可以再加入新的酶,進行吸附,可使固定化酶活性恢復,也就是載體可以反復使用。
   另外可以利用雙功能試劑將酶或細胞聯接起來,形成更大的顆粒。雙功能試劑的作用就象兩只手,把細胞或酶拉在一起。這樣制備的固定化酶和固定化細胞在性質上更接近原來的酶和細胞,作為工業催化劑使用還是比較困難。但是,用雙功能試劑處理吸附和包埋法制備的固定化酶或細胞,可以將酶或細胞交聯,能夠防止酶和細胞從固體顆粒上和包埋材料中脫落,使之穩定化。
   這種交聯固定化方法的最大用途是制備固定化酶膜和固定化細胞膜,這種酶或細胞膜與各種電極、場效應管結合,制備酶電極,用于測定和分析各種物質。如固定化葡萄糖氧化酶膜與pH電極結合可以直接測定葡萄糖,在臨床上用于測定血糖和尿糖,作為診斷疾病的工具。
   還可以將酶包裹在微型膠囊中,這種膠囊的大小只有幾個微米,甚至更小,形成微型膠囊的膜是一種半透膜,上面的孔徑大小只容許小分子物質通過,而大分子不能,保證了酶被保留在膠囊內,而其它小分子可以自由進出。制備微型膠囊半透膜的材料大部分是人工合成的高分子材料,如尼龍,聚砜,聚酯等。微型膠囊固定化的酶具有廣泛地的應用,如微型膠囊化的脲酶可以分解尿素,用于制造人工腎,在體外循環處理血液,可以治療尿毒癥。其優點是作為非人體蛋白的脲酶在處理血液時不會與血液直接接觸,不會產生免疫反應,可以長期的進行血液處理。
7)固定化酶和細胞的特點  
   酶和細胞固定化后穩定性一般有較大的增加,包括耐熱性,耐酸堿性和耐受機械攪拌造成的剪切力。這種變化對于酶的應用十分重要,使酶可以長期反復使用??朔颂烊幻傅墓逃腥秉c。
   固定化酶和細胞可以制備成為水不溶性的顆粒、纖維或薄膜,改變了酶的水溶性和細胞顆粒太小,不定型的缺點。在催化反應完成后,通過簡單的過濾,就可以回收固定化酶和細胞,重新加入反應物可以繼續進行反應,解決了酶和細胞回收困難的問題。也可以將固定化酶或固定化細胞裝在圓筒柱狀的反應器中,使反應物從一端連續流入,控制流速和其它反應條件,在柱反應器內不斷進行反應,產物從柱反應器的另一端流出,這樣就可以連續不斷地進行反應,連續不斷地生產產品,實現了酶催化反應的連續化,為自動化生產創造了條件。所以可以說,固定化技術是實現酶加工工業現代化的基礎。
   酶和細胞固定化技術也為擴大酶的應用打下了基礎。如上面提到的生物傳感器的構建,人工臟器的構建,如果使用天然酶和細胞,很難在這些方面應用。
   酶固定化后它催化的反應性質也多少有變化,比如催化大分子象淀粉、蛋白質和核酸水解的水解酶類的淀粉酶、蛋白酶和核酸酶的活性降低的較多,原來催化由大分子鏈末端開始水解的能力降低,而從大分子鏈的中間水解的能力增加。這種變化對于某些應用有其好處的一面,也有不利的一面。這也說明,任何事物都具有兩重性。
8)抗生素的酶法改造
   青霉素和頭孢霉素,由于它們抗菌譜廣、低毒,成為在臨床上廣泛應用的抗生素,但由于長期的不合理應用,也使許多致病菌產生抗藥性,使其臨床應用效果大大降低。研究表明,利用酶催化的反應可以進行結構改造,獲得新的高效半合成的青霉素和頭孢霉素,能夠解決上述問題。
青霉素和頭孢霉素都是由母核和側鏈兩部分構成的,母核是產生抗菌活性的核心,側鏈與抗菌譜及其穩定性有關。改變側鏈可以提高抗菌活性和穩定性,也可部分解決抗藥性和過敏問題。因此,進行結構改造成為發展新的半合成抗生素的關鍵。
   所謂的結構改造是指以發酵法生產的天然青霉素為原料,通過能夠將側鏈水解下來的青霉素?;傅淖饔?,使之水解為母核和側鏈兩部分,將母核回收,然后再用化學方法或青霉素?;复呋暮铣煞磻?,與新的側鏈反應合成新的半合成青霉素,如現在臨床上廣泛使用的氨芐青霉素,羥氨芐青霉素等。
   青霉素?;甘怯晌⑸锂a生的,可以直接使用產酶的大腸桿菌細胞作為酶來使用,也可以使用分離得到的酶進行催化反應,但它們如果不固定化,使用十分不便,使用一次因為不能回收,只好廢棄?;ㄙM很大力氣和財力生產的酶白白浪費掉了。而且由于酶從催化的反應物中除去也很困難,往往會污染產物,影響生產的母核質量?,F在在工業上大多數都是采用固定化青霉素?;富蚬潭ɑ毎M行母核的生產。
利用包埋法制備固定化產生青霉素?;傅拇竽c桿菌細胞,或利用化學結合法將分離得到的青霉素?;附Y合在適當的載體上制備固定化酶,它們均可用于以青霉素為原料的母核6-APA(化學名稱為6-氨基青霉烷酸)的生產。首先將固定化青霉素?;富蚬潭ɑ毎念w?;蚶w維,填充在柱型反應器中,利用圖中所示的簡單設備,在循環泵的作用下,使10??青霉素溶液連續快速循環流過固定化酶反應器,由于青霉素水解產生苯乙酸和母核6-APA,會使反應液的pH不斷下降,當反應液的pH低于6時,青霉素水解反應就會停止,為保證反應的不斷進行,需要對反應液的pH進行調整,保持在pH8-8.5,可以使水解反應很快完成,青霉素的水解率可到達98?¥上。完成水解反應的反應液移出反應系統,進行母核的回收和純化得到產物。柱反應器經適當的清洗,重新加入新的反應液進行下一批的反應。固定化酶反應器可以使用相當長的時間。通常一公斤固定化青霉素?;缚梢陨a一噸的青霉素母核6-APA。因此可見固定化酶具有很高的生產效率。
   另外,將母核6-APA和新的側鏈如苯甘氨酸甲酯的混合溶液,在pH4.5的條件下通過固定化青霉素?;钢椒磻?,還可以催化合成氨芐青霉素。因此,利用固定化青霉素?;覆粌H可以生產半合成抗生素的母核,還可以催化合成半合成青霉素。這樣一種生產方式大大提高了半合成抗生素的生產水平,解決了工業化生產的問題。該生產技術的產業化大大地改變了半合成抗生素的生產面貌。
9)高果糖糖漿的生產 
   高果糖糖漿是應用于食品和飲料行業的重要甜味劑,它的甜度和蔗糖相當,是目前利用固定化酶生產的最大宗的產品,也是應用固定化酶技術的高新產業代表之一。
   高果糖糖漿的生產是以淀粉為原料,經過高溫酸水解制備成葡萄糖,但由于酸水解會產生大量的有色和苦味的物質,使葡萄糖的純化變得復雜?,F在大多數是利用淀粉酶和糖化酶的聯合作用從淀粉制備葡萄糖,它不存在高溫酸水解的問題,制得的葡萄糖收率高,質量好。然后再通過叫做葡萄糖異構酶的酶催化將葡萄糖轉化為果糖,這個反應只能將42??葡萄糖轉化為果糖,反應到達平衡,因此制備的糖漿中含有55??葡萄糖,42??果糖和3??寡糖。
在葡萄糖異構酶的固定化技術成功以前,利用上面方法進行高果糖糖漿的生產很難實現。因為使用從微生物細胞分離的葡萄糖異構酶需要進行大規模的反復生產,成本高,但是只使用一次就廢棄了;由于酶制劑存在大量雜質,帶入產品中,影響了產品質量。自從80年代之后,葡萄糖異構酶的固定化技術日臻成熟,大規模利用固定化葡萄糖異構酶生產高果糖糖漿才得以產業化。目前利用固定化葡萄糖異構酶生產高果糖糖漿的大型企業的生產能力到達萬噸。
在工業上,一般是利用適當的包埋載體將酶和產酶的細胞一起包埋,制成珠狀固定化酶;也可以利用適當的吸附載體,利用吸附法制備固定化酶。將固定化葡萄糖異構酶或含酶細胞裝入柱形反應器,使經過純化精制的10-30??萄糖溶液以一定流速流過固定化酶柱反應器,在反應溫度60-80℃下,控制其它條件,完成葡萄糖異構化,流出反應器的反應液經過脫鹽和脫色,濃縮,得到高果糖糖漿。目前一般的固定化葡萄糖異構酶的生產能力可到達1公斤固定化酶生產3噸高果糖糖漿,高活性的固定化酶可以生產6-8噸高果糖糖漿。
   利用這樣的固定化酶工藝生產大量的高果糖糖漿,滿足了國內外市場的需求。這種技術為將淀粉轉化為與蔗糖類似甜度和性質的糖,開辟新糖源,推動食品工業的發展作出了重要貢獻。
   由以上簡單的介紹我們可以看出,酶和細胞的固定化是酶工程的重要組成部分,它的發展為酶的廣泛應用,開辟新的應用領域,為實現酶催化的反應過程的連續化和自動化奠定了基礎。
10)為什么酶具有催化活性?  
   要回答這個問題,首先應當回答什么是酶,說起來十分簡單,酶是具有加快化學反應能力的蛋白質,也就是一種催化劑。我們知道,蛋白質是由多種氨基酸按一定的排列順序組成,它如同一條很長的線,彎曲,折疊形成一個比較松散的‘線團’,這個線團并不是雜亂無章的,每一種酶蛋白的‘線團’都是按照一定的規則形成。因此,同一種酶蛋白都具有相同的結構和固定的形態。就是由于這種獨特的結構,在‘線團’的‘空隙’部位,組成蛋白鏈的某些氨基酸固定在特定的空間位置上,構成具有催化能力的活性中心。而蛋白質鏈之間的相互作用,和大量的水分子結合在‘線團’的周圍,使‘線團’中的‘線段’固定了位置和走向,也使活性中心固定下來。
活性中心通常是由三個氨基酸殘基構成,因為不同氨基酸殘基有的帶有氨基、亞氨基、羥基、巰基、羧基等,具有酸堿催化和氫離子、或電子轉移能力,從而是之具有有了催化能力。
   酶的這種‘線團’結構,只有在正常條件下才是穩定的,一旦周圍環境條件發生變化,或其它因素的影響,這個‘線團’就可能被打亂,亂了套的酶蛋白是活性中心的氨基酸位置發生改變,催化能力也隨之喪失,這種現象稱為失活。一般來說,高溫,強酸,強堿,強烈的攪拌和有機溶劑都會使酶蛋白發生變性而失去活性。
11)酶是怎樣生產的?
   為了實現利用酶水解淀粉生產葡萄糖的目的,科學家從土壤,水和空氣中分離了各種各樣的微生物,從中挑選出能夠大量產生淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的微生物菌種,通過大量的研究工作,搞清楚菌種產生酶的各種條件和酶的性質,才可能進行大規模工業生產和應用。
在工業上,為了生產我們所需要的酶,大多數是在含有營養物的液體培養基中,于適當的條件下進行培養,讓微生物菌種生長,并產生我們所需要的酶,這就是發酵。用于進行微生物發酵的容器通常稱為發酵罐。在工業酶的生產中,大多數使用20-50立方米大小的發酵罐?!   ?nbsp;
為了生產一種酶,不是任何一種微生物都可以使用,只有具有高產能力,經過長期的嚴格選擇和研究的微生物才能使用。所以發酵必需使用‘純種’。如果發酵時其它微生物進入了發酵罐,也會迅速生長,在發酵工業上稱為‘污染’,輕的使酶產量大幅度下降,嚴重的將一無所獲,使生產失敗。一旦發生污染,其損失非常大。所以,發酵工業的無污染控制就非常非常重要。
   為了保障無污染,首先在發酵之前需要對全套設備和發酵培養基進行蒸汽加熱消毒,將存在的所有微生物全部殺死。發酵使用的空氣也要通過嚴格的過濾除菌系統,確保進入發酵罐的空氣沒有微生物。為了保障微生物生長及產酶所需要的條件,如溫度,氧氣,培養基酸堿度和營養,發酵罐安裝有各種附帶的管道、閥門、攪拌、測定溫度、溶解氧、酸堿度等的傳感器和控制元件,現代的發酵罐可以通過計算機對發酵過程的各種參數和條件進行控制。為了使發酵均勻,增加通入的無菌空氣在培養基中的溶解速度,增加培養基中的氧濃度,需要進行攪拌。發酵罐體一般是雙層的,在罐內還裝有螺旋狀的管子,用于通入蒸汽加熱,對設備和培養基進行消毒;或通入熱水進行加熱保溫,維持發酵溫度;另外發酵旺盛時會產生熱量,使溫度升高,也可以通入冷水進行冷卻控制溫度。各種傳感器可以隨時檢測發酵過程的溫度,酸堿度,溶解氧,通入的空氣流量和壓力,罐內的壓力,攪拌的轉速等,并將檢測到的信息輸入計算機,計算機根據科學家預先研究而設定的控制程序對發酵過程的各種參數進行控制,使發酵過程處于最佳狀態,達到高產的目的。
在工業上,用于生產淀粉酶的微生物叫做枯草芽孢桿菌,它是一種細菌;用于生產葡萄糖淀粉酶的叫做黑曲霉,是一種真菌。它們產生的酶都不在細胞內,而是釋放在發酵液中。所以發酵結束,可以將微生物細胞通過過濾或其它方法除去,得到含有酶的發酵液。由于發酵液中的酶濃度很低,需要進行濃縮。對于一般的酶來說,由于它們非常嬌嫩,溫度高時會使酶失去活性,不能使用加熱蒸發濃縮的方法。但是因為淀粉酶和葡萄糖淀粉酶具有較好的耐熱性,可以在高度真空的條件下,進行薄膜蒸發濃縮。因為酶液在蒸發器的表面上形成快速流動的薄膜,使酶液在蒸發器內只停留一兩秒的時間,又因真空度高,水的沸點可以降低到50-60℃,不會造成大量酶的失活?,F在在工業上使用超濾技術進行濃縮越來越普遍,超濾是一種膜分離技術,膜上具有微小的孔,孔的大小可以使小分子的水通過,而大分子的酶卻不能通過。利用超濾膜的這種性質,使稀的酶液快速流過超濾膜表面,水從膜孔流過膜,酶被截留下來,可以很方便地濃縮酶液。這種方法不會有明顯地溫度變化,不會引起酶的失活,濃縮的酶收率高。濃縮的酶液可以直接使用,也可以制成干粉。最經常使用的方法是將硫酸銨,或酒精加到濃縮的酶液中,酶會因為溶解度減少從酶液中沉淀下來,通過過濾得到沉淀物,經干燥獲得固體的酶制劑。也可以使用噴霧的方法,將酶溶液噴在高速流動的熱空氣中形成霧狀液滴,由于液滴很小,在熱空氣中水分很快蒸發,留下固體的酶,達到干燥目的。由于熱空氣的高速流動,霧狀液滴在熱空氣中的停留時間極短,酶受熱時間很短,一般不會失去活性。
法生產葡萄糖的成本要比酸法低的多,在工業上獲得廣泛應用。
12)使酶變成水不溶性的又會怎樣?
   酶因為是蛋白質,很容易溶解在水中,又十分嬌氣,不穩定,在普通條件下會逐漸失去活性。在使用時,因為它溶解在水中,即使反應完了時大部分還沒有失活,因為和反應產物混合在一起,很難分離出來,不能回收再次使用,而且也容易污染產品。利用酶催化反應生產產品時,只能是‘一鍋一鍋’的按批次方式進行?;ㄙM很大的力量生產的酶使用一次就拋棄了,十分浪費。這種方式也很難實現連續化、自動化生產。
雖然各種生物細胞中70?¥上是水,但酶在細胞內并不都是溶解在水中,而是結合在細胞內的特定部位上,是以一種‘固定化’形式存在,并能夠高效率的催化各種反應。所以人們就想到,利用人工的方法,將酶‘固定’在水不溶解的固體材料上,制備成固定化酶。這樣反應結束后可以很容易地將酶從反應液中撈出來,再用于下一次的反應。也可以把固定化酶裝在一個圓筒形的柱狀容器內,做成固定化酶反應器,使底物(反應物)溶液從一端流入 ,在柱內反應,控制一定的流速,使反應物在反應器內停留足夠長的時間,進行充分反應,產生的產物從柱的另一端流出。這樣可以不斷地連續地進行生產,也容易實現自動化控制,達到較高的生產水平。
   所謂的固定化,就是將酶或含有酶的細胞利用化學方法或吸附的方法,也可以使用象棉花夾帶沙子那樣的方法(在技術上稱為包埋法),或者裝在微型的半透膜形成的膠囊中的方法使它們成為不溶于水的顆粒。固定化后酶的穩定性可以大幅度地提高,耐受周圍環境變化的能力得到改善,并能保持它的催化性能,更便于使用,為工業應用帶來許多好處。
13)細嚼慢咽給人們的啟迪
  我們每天都要吃飯,你在吃饅頭和米飯時,覺得有甜味嗎?如果你吃飯時狼吞虎咽,你就不會感覺到,只有細嚼慢咽才會感覺到,咀嚼時間越長飯越甜。這是為什么?實際上,在饅頭和米飯中含有大量的淀粉,它雖然是由葡萄糖組成的,但因為分子太大,沒有甜味。吃飯時一面咀嚼,一面與口腔分泌的大量唾液混合。在唾液中含有一種淀粉酶,它能夠使部分淀粉分解成由兩個葡萄糖組成的有甜味的麥芽糖,就是我們經常吃的關東糖的主要成份。所以細細咀嚼的飯不僅能夠感覺甜味,而且有助于消化。事實上食物的消化也就是從口腔咀嚼和與唾液混合開始,食物進入胃以后,淀粉在唾液淀粉酶和胃中的其它能夠分解淀粉的酶的共同作用下,最后分解為葡萄糖,才能夠為人體吸收。
在自然界不僅我們人類具有分泌分解淀粉的酶的能力,其它動物、植物和微生物也能分泌這些酶。因為這些生物也需要將食物中的淀粉分解成葡萄糖,供它的生命活動的需要;微生物能夠分泌許多種分解淀粉的酶,一種是從淀粉分子鏈中間分解,形成由幾個葡萄糖組成的寡糖的淀粉酶,另一種是從寡糖一端開始將葡萄糖一個一個的分解下來的葡萄糖淀粉酶。它們在分解淀粉時,就象合作十分密切的兩個人,一個首先將長鏈淀粉剪成短的,另一個接著將短鏈分解為葡萄糖。微生物依靠分泌到周圍環境中的這兩種酶,將環境中的淀粉分解為葡萄糖,供給微生物自身的需要。我們人類就是利用微生物的這兩種酶,在工業上大規模生產葡萄糖。
   我們知道葡萄糖不僅在食品、飲料中廣泛使用,在醫院也是搶救病人,給病人增加營養,改善體質的藥物。葡萄糖的更大的應用是在抗生素、味精、氨基酸、維生素C、有機酸,乙醇、丙酮等的工業生產中作為原料。全世界每年需要葡萄糖要幾千萬噸。所以葡萄糖的生產是許多工業的基礎。
14)生產葡萄糖有兩種方法,你認為那一種好?
   在60年代以前,葡萄糖的大規模工業生產是利用鹽酸在100℃以上的溫度下水解淀粉進行生產的。因為需要的溫度超過100℃,就要求用于酸水解的反應器必需密封,才能夠使壓力達到一個大氣壓以上,使溫度超過100℃;鹽酸是種酸性很強的酸,有很強的腐蝕作用,這就要求生產中使用的容器能夠耐受高的壓力、耐酸腐蝕;另外酸水解淀粉時會產生大量的顏色很深的雜質,要得到白色合格的葡萄糖,必需在生產中使用活性炭進行多次脫色,經過離子交換脫去鹽,在脫色和脫鹽過程中會帶走一部分葡萄糖,造成產品損失。這些缺點促使人們去尋找新的葡萄糖生產方法。
60年代以后,利用淀粉酶和葡萄糖淀粉酶水解淀粉生產葡萄糖實現了工業化,首先要將淀粉制備成30??淀粉糊,加入少量的淀粉酶溶液,與淀粉糊混合均勻,在溫度90℃左右進行反應,將淀粉分子鏈切割成短鏈的糊精或寡糖,這一步叫做‘液化’。將溫度降低到60℃,再加入葡萄糖淀粉酶溶液,混合均勻,保溫進行水解反應,使寡糖水解成為葡萄糖。當水解反應完成后,加熱使酶失活,然后加入活性炭把產生的少量有色物質吸附,脫去顏色。將糖液加熱蒸發除去水分,濃縮,葡萄糖就可以結晶出來,獲得高質量的葡萄糖產品。
   利用微生物產生的兩個酶將淀粉水解成為葡萄糖與用鹽酸水解完全不同,酶法是在近似于中性,常壓和比較低的溫度的條件下進行的,這個條件比較溫和,不需要高溫高壓,也就不需要使用耐壓抗腐蝕的設備,生產中消耗的煤和電也少;由于酶水解淀粉的條件溫和,不會產生大量的有色物質,容易得到高質量的葡萄糖產品。由于這些原因,利用酶方法生產葡萄糖的成本要比酸法低的多,在工業上獲得廣泛應用。
15)把葡萄糖變的更甜
   葡萄糖往往不作為食品或飲料的甜味劑來使用,因為它不夠甜?,F在可以通過酶工程方法將葡萄糖變成高果糖糖漿,其甜度與我們常吃的棉白糖差不多,不僅如此,由于它吸水性好,用它制造的糕點柔軟、細膩、口感好,味道清甜。目前我國每年生產高果糖糖漿幾萬噸,主要用于糕點和飲料。
有一種微生物叫做放線菌,它能夠產生葡萄糖異構酶,它的本事是將葡萄糖變成果糖?!?為了生產高果糖糖漿,需要先將葡萄糖異構酶固定化,即將含有酶的放線菌細胞包在含水的膠狀顆粒中,或結合在固體顆粒上制成固定化細胞或固定化酶,裝在柱型反應器中,使葡萄糖溶液連續通過固定化細胞或固定化酶的酶反應器,流出的反應液中有42??葡萄糖轉化為果糖,經過濃縮,制得的高果糖糖漿的甜度與蔗糖相當。這樣就將甜度低的葡萄糖轉化為甜度高的產品,擴大了應用范圍。目前是將這一技術與葡萄糖生產技術聯合,以淀粉為原料大量生產葡萄糖和高果糖糖漿,成為十分重要的高技術產業。

16)現在洗衣服離不開酶
   這一點你可能不太相信,就讓我來告訴你吧。衣服穿著時間長了就會贓,贓的原因可能是因為出汗,或長時間與身體接觸;空氣中落下的灰塵;也可能是因為吃食物或水果不小心,把飯菜和水果汁灑在衣服上,或者其它原因。這些所謂的贓東西主要是一些蛋白質,油脂灰塵和果膠等,它們混合后牢固地粘附在衣服的纖維上。如果只使用單一的洗衣粉并不能把它們徹底地洗滌下來。就象六、七十年代的洗衣粉那樣,使用的量再大,衣服也洗不干凈,白色衣服洗成了灰色,鮮亮的花色變成了灰暗色。如果你們不相信,可以問一問你們的爸爸媽媽或爺爺奶奶。
現在的洗衣粉卻不一樣了,使用的量不但大大減少,衣服也洗的干干凈凈,色彩鮮亮。這就是因為在洗衣粉中加入了酶?,F在洗衣粉中加入的酶主要有堿性蛋白酶,脂肪酶,甚至有的還加入了纖維素酶,果膠酶等。它們的作用就是將贓物中的蛋白質、油膩、果汁等分解成能夠溶解在水中簡單物質,使灰塵不能夠牢固地黏附在纖維上,在洗滌時的水流沖洗下脫離衣物。達到洗滌目的。
  可是如果將酶直接加在洗衣粉中,那樣是不行的。因為洗衣粉的堿性很強,洗衣粉的主要成分去污劑會很快將酶‘殺死’,造成酶失去活性,達不到分解贓物的目的。所以在研究和選擇酶時首先要選擇具有較好的耐受堿性和去污劑的酶,然后將酶‘包裝’起來。
所謂的包裝就是將酶制成顆粒,這種顆粒并不是簡單顆粒,它是由6-7層組成。顆粒的核心是一個中性鹽,如硫酸鈉,氯化鈉的小顆粒,外面以次包裹著包括酶的保護劑,助溶劑,穩定劑,酶,穩定劑,助溶劑,保護劑等多個層次,使酶被嚴密地保護起來,防止酶與洗衣粉的其它成分直接接觸,造成酶的失活;又起到穩定化作用,保證酶在洗衣粉使用之前能夠保持活性;同時還要保證在洗滌時,酶能夠很快、很好地溶解,在洗衣服過程中充分發揮作用。這樣的多層顆粒的制造需要采用特殊的技術和設備,將組成顆粒的各種組分利用噴霧的方法,在熱氣流吹動下,一層一層地噴涂在顆粒的核心上,形成多層顆粒。這樣制備的洗衣粉用的顆粒酶保證了洗衣粉的高質量和洗滌效果。
17)酶也可以用于疾病的診斷
   糖尿病是一種危害人類健康的比較常見的疾病,在人群中發病率為2-3??有的地區發病率達到7??屬于胰島素依賴型的糖尿病人,由于胰腺或胰島發生病變,造成體內胰島素水平低,致使食物中的淀粉消化產生的葡萄糖不能及時地轉化成糖元儲存在肝臟中,肌肉和其它器官的利用葡萄糖的能力下降,還會使脂肪和蛋白質轉變為葡萄糖,使大量的葡萄糖存在于血液中,在通過腎臟時隨著尿液排出?;加刑悄虿〉牟∪说哪蛞褐衅咸烟呛扛?,感覺口渴,多尿,嚴重的會發生腿和腳浮腫,眼睛失明,腎衰竭,危及生命。
   從糖尿病的診斷史上可以看出科學和技術的進步對醫學的影響。在19世紀以前,診斷糖尿病沒有辦法,只能采取用嘴嘗病人尿液的方法,因為糖尿病人的尿液中含有大量的葡萄糖,是甜味的。我們可以想象這種方法是多么不衛生和令人難以接受。后來隨著有機化學的發展,出現了使用硫酸銅與尿液一起加熱,如果尿液中含有葡萄糖會產生紅色沉淀,這種方法只能檢驗有沒有糖尿病,不能說明病有多重。以后又發展了能夠檢測葡萄糖量的化學定量方法,并一直延續使用到本世紀60年代。在方法上雖然有所改進,但是尿液中的其它物質有時會干擾測定的結果,使這些方法的正確性受到一定影響。
由于葡萄糖氧化酶的發現和利用微生物大量生產技術的成熟,使得測定尿液和血液中的葡萄糖方法發生了根本性的改變。葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化,要消耗氧氣,生成葡萄糖酸和過氧化氫(它是雙氧水的主要成份),過氧化氫具有很強的氧化還原性能,能夠使一些染料改變顏色。利用這種原理發展了葡萄糖氧化酶試劑盒,可以直接測定血液和尿液中的葡萄糖量。因為葡萄糖氧化酶只催化葡萄糖氧化,其它任何物質都不會影響和干擾測定,這一技術很快在糖尿病的臨床檢驗上得到應用,它即快又準確。之后利用這個原理又開發了快速測定尿糖的試紙,只要將試紙在尿液中沾一下,一分鐘以后試紙就會顯色,與標準的帶有不同顏色的色板進行比較,就可以知道尿液中葡萄糖的大概含量。這種直觀、簡便的方法為病人在家中自己檢測創造了條件。
80年代,由于酶工程技術的發展,特別是生物傳感器的發展,為臨床檢測提供了更加方便、快捷的技術手段。首先將葡萄糖氧化酶固定化在薄膜上,將制成的固定化葡萄糖氧化酶膜包裹在測定溶液酸堿度的pH電極上,放在含有葡萄糖的溶液中,葡萄糖氧化酶催化葡萄糖氧化,產生葡萄糖酸,pH電極表面的酸堿度發生改變,pH電極很快就可以測定到這種變化,由于產生的葡萄糖酸的量與葡萄糖濃度有關,測定到的pH變化的大小又與產生的葡萄糖酸量有關,因此,儀器很快就可以計算出溶液中葡萄糖的含量。也可以將酶膜覆蓋在測定溶液中氧濃度的溶氧電極上,因為葡萄糖氧化時要消耗溶液中的氧,氧濃度的變化通過氧電極很快測定出來。由于氧的消耗量與葡萄糖的濃度有關,因此儀器可以容易地計算出葡萄糖的濃度。這樣的測定方法更加快捷,簡便,只要將酶電極放入要測試的溶液中,很快就可以從儀器上讀出葡萄糖濃度或含量。
   由于酶電極微型化技術的發展,酶電極可以做在注射針頭上,配合電子線路和數字顯示的微型化,可以使注射器具有測定血糖的功能,在注射器中吸入胰島素后,在給糖尿病病人注射胰島素時,就會測定出血糖的量,自動顯示出應當給病人注射多少胰島素,護士只需要根據注射器上顯示的量注射,就可以完成給病人的治療。使診斷和治療一體化,保證了治療的質量,又節省了時間。
   隨著半導體制造技術和微型化技術的進步,不久就可以實現監測、診斷、治療一體化。利用半導體制造技術,可以將酶電極放在半導體的硅片控制線路上,同時與微型的注射、儲存系統組合,構成一個具有血糖測定,又具有胰島素注射和控制一體化的微型系統。它可以埋在糖尿病人的皮下,隨時監測病人的血糖水平,一旦血糖高于正常人的水平,它會自動地向病人血液中注射適量的胰島素,使病人的胰島素和血液中的葡萄糖量保持正常。使糖尿病病人可以象正常人一樣工作、生活。這樣的監測、治療一體化的微型系統可以工作很長時間,根據情況定期進行更換,不會給病人帶來任何的不便和痛苦。 
18)酶從水里‘爬’上了‘陸地’
   從認識酶開始到80年代,在近一個世紀的時間里,人們一直認為酶只能在水中催化反應,有機溶劑只會造成酶的變性和失活。所以在教科書上和實驗室里老師一再告誡學生,不要使酶與有機溶劑接觸?,F在的研究證明,這種傳統觀念需要加以適當的改變。
在研究能夠催化脂肪(油脂)水解成甘油和脂肪酸的脂肪酶時發現,如果酶在干燥后放在與水完全不能混溶的有機溶劑,如正己烷和苯一類的烷烴和芳香烴中,可以將甘油和脂肪酸合成為脂肪。這也就是說,在水中脂肪酶可以催化脂肪的水解反應,而在有機溶劑中可以催化脂肪的合成反應。這一發現激起了人們的極大興趣,并且驚呼酶從水里‘爬’上了‘陸地’。因為它就如同在泥盆紀水生動物爬上陸地成為陸生動物在生物進化中的意義一樣,具有劃時代的意義。因而成為酶工程的研究熱點。
   大量的研究證明,酶干燥后失去了大部分水,但是酶分子結構必需的水仍然會保留,它們被稱為結構水,是酶具有催化活性必需的最低限量的水。這樣干燥的酶在有機溶劑中的穩定性更好,可以耐受較高的溫度,有的在90℃的條件下可以不失活,其催化活性有的要比在水中高幾十倍??梢娒冈谟袡C溶劑中的表現完全不同于在水中的情況,這些特性為酶的新的應用奠定了基礎?,F在人們利用酶在有機溶劑中催化逆反應的特點,用于合成各種有機化合物,解決了許多化學合成難于解決的問題。
   在這里介紹的只是酶工程的很小一部分,從中也可以看出酶工程涉及的范圍非常廣??梢灶A料隨著進一步的深入研究,酶工程將具有更加廣闊的美好前景。

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