关于工业酶制剂的发展与应用研究_林楚迎.pdf

第 1 期第 53 卷工业微生物作者简介：林楚迎（1986），男，广东汕尾人，讲师，本科，研究方向：药物制剂。E-mail：。关于工业酶制剂的发展与应用研究林楚迎广东省轻工业技师学院，广东 广州 510000摘要：酶制剂属于生物制品，具有较好的催化效果，其主要作用就是强化动物生产性能、日粮消化速度。全球目前已有 3 000 余种酶类，其中用于工业生产的约为 60 余种，然而真正大规模投入生产的只有 20 多种。目前，全球的酶制剂市场以平均 11%的速度逐年增长，可见其前景十分广阔。酶制剂的广泛应用促进了各行业的不断发展，然而目前部分行业在酶制剂应用方面存在一定的问题，文章就工业酶制剂实际发展情况及其在纺织、清洁剂、医药、食品、饲料、化学等主要领域的应用现状展开深入分析。关键词：工业应用；酶制剂；发展现状doi：10.3969/j.issn.1001-6678.2023.01.0200引言作为生物催化剂的一种，酶制剂具有活性高、温和且副产物少等特质，所以许多行业用酶制剂来代替一些化学催化剂。随着蛋白质工程、基因工程的不断发展，酶制剂的应用逐步广泛。工业酶制剂在生物工程中尤为重要，其属于高新技术产业。人们受技术的限制对于酶的相关特性还未展开深入研究，且缺乏相关表征跟纯化方法。酶制剂是在 20 世纪后半叶由于表征技术的进步与发酵工程的发展被逐步发现、纯化及应用的，随后便通过菌株加以大规模生产1。如今，大量酶制剂随着科学技术与生物技术的发展被发掘，且通过半理性技术或者理性技术、随机突变技术所改造的酶制剂底物谱愈发广泛，酶制剂催化类型愈发多样化，可灵活适应多种反应条件，并且可在极端条件下保持良好的催化活性，而这正是酶制剂开始被用于饲料、纺织、食品、洗涤剂等系列工业品中的真正原因。酶制剂的广泛应用不但促使各行业的生产形式发生改变，而且逐步影响着人类的生活方式和饮食结构。1酶制剂特性概述第一，化学特性。目前，酶主要可分为以下六大类：合成酶类、裂合酶类、水解酶类、异构酶类、转移酶类、氧化还原酶类。而现今应用于工业生产加工中的酶大多是核糖核酸酶、果胶酶、纤维素酶、脂肪酶、蛋白酶、淀粉酶等水解酶类。第二，催化特性。作为生物催化剂，绝大多数生物化学反应均需要酶的催化反应。酶是由有机体产生的一种活性蛋白质，它可以有效地催化一些特定化学反应，具有反应产物易纯化、反应条件温和等特征2。除此之外，酶反应属于特定反应，一种酶只可作用于一类或者一种结构相似的物质，并且一种酶只可同时作用于一类或一种特定底物，这类反应具有操作简单、污染小、能耗低等优点，比如蛋白质水解反应只有蛋白酶方可催化，酶制剂在实际应用中要充分考虑其特异性而采取针对性运用。相较于非酶催化反应，酶催化反应速度更快，反应速率更高。而相较于化学催化剂，酶催化反应所涉及的范围更广，绝大部分酶催化反应均是在温和的温度及酸碱度环境中进行的。除此之外，高温、碱性条件会使蛋白质变性，进而促使酶丧失催化活性，无法发挥催化效用。2工业酶的应用现状2.1纺织工业目前，由于纺织业需要耗费大量水及能源，且会对环境造成严重污染。例如，加工棉花时，洗擦是最第 53 卷第 1 期2023 年 2 月工业微生物Industrial MicrobiologyVol.53 No.1Feb.202364-第 1 期第 53 卷基本的步骤，而这一步骤需要在强碱性环境、高温环境中进行，以清除残留在纤维素上面的细胞壁，会消耗大量水及能源3。近几年，需要较少水且可在低温环境中进行的基于果胶裂解酶的加工过程得到广泛应用及推广，这一采用酶制剂的全新工艺如今已被应用于棉纺织品的加工当中，能够有效减少环境污染。在纺织工业中，酶制剂通常被应用于纺织品的精炼、丝绸脱胶、退浆、漂白、毛纺炭化等环节，还可被应用于纺织品成形后的整理环节，以改善纺织品纤维表面的手感及外观，防止毡缩。譬如，漆酶能够改良羊毛、棉、麻等天然纤维的抗皱性、染色性、吸湿性、疏水性，强化纺织物的漂白成效，提高纺织物的染色性，酶制剂能够切实实现纺织染料脱毒、脱色目的。单一酶制剂具有专一的催化作用，纺织工业通常会采取多种酶制剂来达到相应的加工效果。2.2清洁剂工业清洁剂中的添加剂是工业酶制剂的主要用途之一。纤维素酶、淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶均有清除特殊污渍的效果4。其中，纤维素酶的主要作用是使衣物增色及变得柔软；淀粉酶具有较强的兼容性，能够水解淀粉类污垢，通常被应用于工业洗涤；脂肪酶可让甘油三酯分解为容易清除的甘油、甘油一酯、甘油二酯、脂肪酸等，能够有效清除油污；蛋白酶主要产生于微生物、果实、植物茎叶、动物内脏，按照这一酶类的最适反应 pH 值，一般可分为中性蛋白酶、酸性蛋白酶、碱性蛋白酶三种，其中应用最为广泛的是碱性蛋白酶。蛋白酶能够促进肽键水解，被用于清洗食物汁液、奶渍、血渍以及汗渍等。上述酶制剂均具备清洁效果，清洁剂中的其他组成成分和酶的兼容性与酶制剂的实际应用息息相关。如今，以新型淀粉酶为代表的二代清洁酶制剂在碱性、低温环境下的活性明显增强，同时仍然保持着必要的稳定性。通过蛋白质工程、微生物菌群加以改善过的新型蛋白酶制剂，在碱性、低温下均可体现活性和稳定性，这对于其定向应用具有积极促进作用，能够进一步提高这些蛋白酶在清洁剂工业中的适配性。2.3食品工业酶制剂在食品工业中的应用范围极广，从酿酒等饮料工业、乳品工业到烘培工业、水产品加工、肉制品加工、油脂加工等5。谷氨酰胺转氨酶作为结构助剂被应用于香肠、挂面和酸奶的加工过程中，通过蛋白的相互交联可以提高产品黏弹性能。磷脂酶可以用来替代或补充传统乳化剂，因为这种酶可以原位降解极性小麦脂类来产生乳化的脂质。在烘焙工业中，面包中的淀粉和半纤维素负责加强水结合力和保持水力，而它们分别是 淀粉酶和木聚糖酶的底物，酶制剂的使用对于面包柔软度和弹性的保持是非常重要的。2.4医药工业现代酶工程污染较小、技术先进、能耗低、投资小，现已成为医药工业的重点应用项目。以往通常通过生物材料提取、微生物发酵、化学合成等技术来生产药品，而现代酶工程囊括了全部传统技术并可制成传统技术无法制取的昂贵药品。酶工程可制备头孢菌素、青霉素酰化酶等酶制剂，近期还涉及合成头孢菌素、青霉素前体物新工艺的研究。新世纪，酶工程的主要发展方向就是酶制剂的高效应用、酶制剂的生产优化，以及新酶制剂的开发研究。除常用技术之外，人们还需要利用蛋白质组学、基因学方面的最新知识，通过噬菌体、细胞表面展示及 DNA 重排技术来开发研究新酶制剂。端粒酶、抗体酶、核酸类酶是目前最受瞩目的新酶制剂。人们可通过非水相催化、分子修饰、固定化技术来实现酶制剂的高效应用，在蛋白质功能及结构研究、亲和层析、药物设计、临床诊断、生物反应器、生物传感器、生物芯片等方面应用固化技术，促使酶制剂在医药工业中发挥最大效用。2.5饲料工业作为饲料添加剂的酶制剂具有无残留、安全、有效的优点。应用于饲料工业中的酶制剂主要有抗氧化、抑菌杀菌、脱毒解毒、免疫调控、生理调控、维持肠道健康等功效。由于单一酶制剂的功效有限，通常会搭配其他制剂或同时使用多类酶制剂。作为替代饲料内的抗生物素，酶不但可以切实提升动物营养代谢的效果，而且能杀菌抑菌，其主要功效如下：杀害病原菌；有效降低动物日粮应激免疫原性，防止肠道坏死现象发生；抑制有害微生物繁殖生长；强化动物的消化能力，增强其生产性能；产生功能性寡肽、寡糖，进而对有害生物进行控制6。目前，植酸酶是饲料工业生产中最常用的酶制剂。植酸酶林楚迎：关于工业酶制剂的发展与应用研究65-第 1 期第 53 卷工业微生物的性能及其适用性在饲料酶制剂的发展下得以有效改善。除此之外，研究人员并不只关注磷在动物饲料工业当中的应用，他们还在不断探索提升动物饲料原料营养价值的途径，譬如加快大豆粉中蛋白质的消化速率。相信会有各种不同水解酶在未来被应用于饲料工业中，实现家畜能源低消耗、减少污染、强化原料营销价值的目标。2.6化学工业在酶制剂的应用领域，化学合成是最具有前途的领域。然而即便如此，酶制剂在化学工业中的应用进程仍然比较缓慢。酶制剂真正在化学工业中得以广泛应用的主要途径是在化学品生产方面。其中，脂肪酶在手性化合物中有极强的立体选择性，在一些药品的生产过程中应用单一酶制剂达到产生单一对映体的目的。譬如，可通过脂肪酶达到产生酰胺、乙醇异构体的目的；通过腈水解酶达到产生半合成青霉素的目的。CYP450 在多种反应中具有催化作用，能够识别糖类、肽类、萜类、聚酮类、芳香族等多种结构不同的底物，可被广泛应用于有机合成，是自然界目前具有最高催化性能的生物催化剂7。3结语由上文可知，酶的优点众多，如绿色环保、高效专一、催化活性可控、反应条件温和等，其被广泛应用于工业生产中，极大地便利了人类生活。然而由于受有机溶剂、温度、剪切力、底物浓度等各种工业因素的干扰，酶制剂在实际应用中受到一定限制。鉴于此，相关人员应当积极改善现有的工业生产条件，积极开发新活性酶制剂，以有效突破工业条件限制，进一步推动中国酶制剂行业稳步发展，实现更安全、更优越、更完善的战略目标，促使中国酶制剂产业稳立于世界前列。参考文献1 王永志,刘建军.饲用酶制剂在毛皮动物生产中的应用研究进展 J.当代畜禽养殖业,2021(3):33-35.2 王国源.酶制剂在反刍动物饲料中的应用研究进展 J.产城:上半月,2020(3):180.3 关莹,薛敏,王伟.饲用酶制剂在水产动物中应用的最新研究进展 J.中国渔业质量与标准,2021,11(1):61-67.4 石赟,张剑.工业清洗技术的发展现状及酶制剂在清洗剂配方中的应用 J.中国洗涤用品工业,2021(5):64-69.5 周银华.食品工业中酶制剂的应用探讨 J.中外食品工业,2021(5):3-4.6 孙铭,王宁.酶制剂生产方式及应用研究 J.农业科技与装备,2020(05):64-65.7 赵琳,宋瑞瑞,吴希,等.工业酶制剂的发展与应用研究J.应用化工,2021,50(05):1403-1408,1413.AbstractEnzymes have high catalytic effect and are widely used in papermaking,medicine,feed,textile,food and other fields.Enzymes are biological products,whose main role is to strengthen animal production performance and the digestion speed of diet.Atpresent,there are more than 3000 kinds of enzymes in the world,of which about 60 are used for industrial production.However,only20 are really put into large-scale production.According to relevant statistics,the annual growth rate of the global enzyme preparationmarket is as high as 11%,which shows that its prospects are very broad.With the wide application of enzyme preparation,it haspromoted the continuous development of various industries.However,there are still some problems in the application of enzymepreparation in some industries in China.This paper conducts in-depth analysis and exploration on the actual