有酶的生活更精彩

如今，加酶洗衣粉已经不再是新鲜事物，走进超市，货架上几乎所有的洗衣粉都是“加酶版”。所谓的加酶洗衣粉，是酶工程的一个典型应用，替代了有机磷洗衣粉，不会污染环境，因此受到了人们的普遍欢迎。但这酶中的原理，恐怕不是每个人都能说得上来。

　　

　　神秘的“酶”

　　

　　酶作为一种特别的噱头，吸引了大众的眼球。其实，酶是自然界当中最为普通的一种物质，可以说，只要是有生命的地方，就有酶。简单地说，酶就是一种具有催化功能的特殊蛋白质，在生命活动中必不可少，因为新陈代谢过程的各种阶段都需要酶来维持和掌控。

　　揭开酶的生物学本质只不过是近百年的事，在19世纪30年代，德国科学家发现了胃蛋白酶和淀粉酶，一直到了上世纪20年代，美国科学家才真正揭示了酶就是蛋白质，也因此荣获诺贝尔化学奖。

　　酶具有摧化功能，催化效率远远超乎我们的想象。在化学反应中，常常需要加入一些与反应本身无关的物质，用来改变化学反应的速率，但反应前后，这种物质本身并不发生变化，这种物质就叫做催化剂。酶的催化能力要比化学催化剂高10⁷到10¹³倍，这是因为酶有很强的专一性，一种酶只能作用于具有一定结构的物质，当彼此合适的酶和反应物相遇时，酶就会改变自己的结构，使其活性中心变得与反应物的结构互补。这就是著名的“诱导契合学说”。

　　人们希望将酶的优点应用于实践，于是，酶的局限性也逐渐显现出来。说到底，酶是生物体内的一种蛋白质，所以它的最佳反应条件应是温和的温度和pH值。但在生物体外，特别是大规模的工业生产条件中经常会遇到高温、高压、有机溶剂、氧化剂、特殊pH值等极端情况，就如同温室的花朵到了自然的恶劣环境，在这些条件下，酶会丧失活性。而且，把一种酶从生物体内分离纯化出来，需要许多步骤，还要再加入适量的稳定剂和填充剂，制成相应的酶制剂后才能用于催化反应，成本不低。面对如此一笔财富，想拿不好拿。拿出来又不好用，实在是颇为尴尬。

　　很自然的，人们开始考虑，能不能把酶从生物体内解放出来，再运用最新的生物技术来改造天然酶或直接设计制造出全新的人工酶，使其能够适应特殊的工业过程，可以在更广阔的天地里发挥它的优势。

　　于是，一个意义重大、内容新颖的分支学科——“酶工程”出现了。

　　

　　让酶“手到擒来”

　　

　　虽然人们很晚才认识到酶的本质，但这并不妨碍人们使用酶。人类对酶的使用已经有了数千年的悠久历史，人们利用酶来酿酒、发酵，制作面包、奶酪、饴糖等等。人类对酶的这种不自觉的使用也是一段酶工程的发展史。最初，人们直接利用动物的脏器和植物的器官，因为其中含有很多不同的酶，用现代的眼光看，那就是最原始的酶工程。

　　显然，从动植物中取得酶的策略远远不能满足需要。于是，人们转向了高产、廉价的微生物。微生物种类繁多，繁殖迅速，而且价格低廉，由成千上万的微生物作为发酵工厂再合适不过。目前酶工程中涉及到的酶绝大部分来自于微生物，也可以说，酶工程的一半都归功于微生物。通过挑选和培育生产酶的微生物，确定合适的培养方法，采取合适的分离纯化手段，最终，通过相对简单的方案，有了我们眼前大量高纯度、高活性的酶。特别是通过基因工程的手段来改造微生物，让其利于酶的生产，更是事半功倍，成为第四代酶工程的显著标志。

　　另外，近些年还有一个新的热门课题——通过化学合成的方法，制造出具有与天然酶功能相似的催化物质，相对于直接从自然界提取的天然酶，一般称之为“人工酶”。虽然相关研究刚刚起步，而且困难重重，但因为具有诱人的前景，所以越来越多的科学家投身其中。

　　酶提取出来后，新的问题也伴随而来。一方面天然酶难以应对外界环境而迅速失活；另一方面酶的催化反应一般在液体环境中进行，反应完毕后，酶和反应物混在一起，难以分离。本来酶作为催化剂可以反复使用，但现在却变成了“一锤子买卖”，高昂的前期生产成本没有充分利用，造成极大的浪费。

　　怎样解决呢?酶工程的核心技术——“固定化酶技术”披挂上阵。所谓固定化技术，顾名思义，就是将分离纯化后的酶固定到一定的载体上，形成固定化酶。这一重要的突破还来自于生物本身对人们的启发，一位以色列科学家在上世纪60年代发现，许多酶并不是游离于细胞液中“工作”的，而是镶嵌在细胞膜或包埋于其他细胞器当中“工作”。借助这一启发，他尝试着把天然酶结合到某种载体上，装配成固定化酶。这是一个探索性的实验，其结果却给了世界极大的惊喜：酶经过固定化以后，不仅没有影响到它的活性，使酶仍具有高度的专一性和高效的催化效率，还提高了酶的稳定性——抵抗极端环境的能力大大增加。这是因为固定化后，脆弱的天然酶就有了一道屏障，如同盔甲一般，防御了恶劣环境。而且，酶固着在固体之上，可以非常轻松地从反应混合体系中分离出来，便于今后的反复利用。这一无心插柳的尝试促成了酶的推广应用，可以说是酶工程发展的转折点。

　　基于固定化的基本思路，在后来的发展中，无论是固定酶的载体，还是固定酶的方法，都日新月异，层出不穷。固定化的载体有片状、膜状、球状等等，连最新发展的纳米技术也被应用于固定化酶。

　　固定化技术令酶工程这一“古老”的科学焕发出新的活力，使之能够与现代科学和工业生产顺利接轨。便于自动化操作，真正实现了酶工程的工业化。以用固定化酶来合成氨为例，它就充分利用了酶工程，预计用酶工程来合成氨这一技术将陆续被世界各国的大型氮肥厂采用。这个方法不禁避免了建造昂贵的高温高压设备，又能每年在世界范围内节约相当于10亿吨石油的能源。其他的产品涵盖了酿酒业、食品业、轻工业、制药业等各个领域。现实生活中的加酶洗衣粉、加酶牙膏、嫩肉粉等都是酶工程中固定化酶技术的最直接体现。可以预见，今后酶工程发展的前景和范围将与固定化技术的发展和提高密不可分。

　　随着分子生物学和生物化学等生物技术的发展，酶的应用范围和应用条件已经越来越宽广。酶制剂已被广泛应用于食品加工、造纸、纺织、制革、饲料等行业，改变了以前化学合成法的生产过程，减轻了劳动强度，降低了生产成本，而且，也大大提高了劳动生产率和产品质量。同时，更加节约原料和能源，在保护环境等方面也发挥着重要作用。(文章代码：100529)