酶技术：应用和商业意义

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什么是酶？

酶是在调节生物体各种化学反应中起催化剂作用的物质。这些酶的存在通过自身不改变来加速反应。

酶也被称为生物催化剂，是由长链氨基酸组成的蛋白质分子。这些长链通常折叠形成酶的活性位点。然后底物结合到该位点形成复合物。反应完成后，产物被释放，使酶可用于其他反应。

酶的催化活性主要取决于蛋白质分子内的L-α氨基酸序列和肽键。酶的一级、二级、三级和四级结构对于催化活性是必要的。

全酶由称为辅酶的蛋白质部分和称为辅酶的非蛋白质部分组成。酶的蛋白质部分通过共价键或非共价键连接到非蛋白质部分。

酶的应用

酶技术涉及将酶作为工业、农业和医药工具的应用。

酶技术为利用酶制造批量和高附加值产品提供了新途径。为了满足食品、精细化学品和药品等需求，基于酶的过程在各种因素中变得越来越重要，例如在洗涤、生物修复、分析和诊断目的中。酶技术的两个主要挑战是开发新的和更好的产品，以及改进从可再生资源生产产品的工艺。酶的新应用包括：

医疗

• 分析 – 酶由于其效率和高度特异性而成为高度分析的试剂。用于定量测定血液和尿液等体液中底物的浓度。

  例如：醇脱氢酶主要用于生物分析应用。

• 诊断 – 例如：藻酸酶用于测定血浆和尿液中L-精氨酸的水平。胆固醇酯酶是另一个用于测定血清胆固醇水平的例子。

• 化妆品和医药酶 - 酶是有效的细胞催化剂，负责控制细胞中的数千种反应。因此，酶被用于护肤品中以促进去角质，帮助由于年龄和阳光照射而导致的皮肤生物过程减缓，并抑制自由基损伤。例如：胶原酶用于治疗皮肤溃疡，链激酶和尿激酶用于治疗血凝块。

工业

许多工业过程利用从微生物中分离出来的最纯形式的酶。这些酶已经使用了数千年来制造不同的产品。像酵母这样的微生物在生物技术制造这些产品的过程中被用作酶的来源。

我们日常生活中使用的一些酶技术产品包括：

• 葡萄酒

• 啤酒

• 醋

• 酱油

• 面包

• 奶酪

制药：在胰岛素的生产中很重要，胰岛素是控制血糖的必需激素。生产蛋白酶胶囊，提供增强循环和免疫系统的治疗益处。

食品和饮料行业：用于监测食品和水中毒性化学物质的含量。使用酶可以改善质地、外观、营养价值，并可能产生理想的风味和香气。

例如：肉类嫩化、果汁和其他饮料的生产等。

农业产业：酶用于去除农药残留。农业中的酶被用作天然杀虫剂、除草剂、肥料，用于除臭和饲养牲畜以改善消化。这些也喷洒在动物农场以去除昆虫并减少感染。

造纸工业：用于制浆的酶有纤维素酶、半纤维素酶、木聚糖酶、内葡聚糖酶和果胶酶。这些酶增强了制浆过程并减少了进一步精炼所需的能量。

纺织工业：该行业使用的酶用于脱浆、生物抛光、石头洗涤、去除污渍、软化等。

洗涤剂中使用的酶：淀粉酶消化淀粉并将其分解成糖。蛋白酶消化蛋白质并将其分解成氨基酸，脂肪酶将脂肪分解成脂肪酸和甘油。酶用于去除衣服上的血迹、草、汗液和食物污渍。

生物燃料生产：淀粉酶、纤维素酶和蛋白酶。生物燃料生产为化石燃料提供了一种替代方案，减少了大气中的碳排放。

酶将玉米、小麦、大麦和黑麦转化为乙醇等燃料。这些酶还将生物质转化为生物乙醇。

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固定化酶的商业意义

酶是可以重复使用且在医药、食品工业和技术领域具有广泛商业用途的催化剂。

由于大多数酶相对不稳定，并且分离、纯化和从反应混合物中回收活性酶的成本很高，因此酶在工业应用中的使用受到限制。

因此，解决方法是通过物理捕获或将酶限制在多孔藻酸盐珠、固体结构等材料中来固定酶。

固定化酶的优点

• 产生的产品不会被使用的酶污染，并且酶很容易分离。因此，主要用于食品和制药行业。

• 这些酶可以重复使用，因为固定化不会影响酶的催化活性。

• 由于酶被固定在惰性基质中并且没有完全暴露，因此它们具有热稳定性，不太可能变性并且能够耐受pH值的变化。

• 固定化导致酶的保质期延长。

• 能够通过从反应混合物中去除酶来停止反应。

• 减少废水处理问题。

在食品和饮料行业

• 无乳糖牛奶是通过将牛奶通过固定化的乳糖酶制成的。这种酶将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖，它们是容易吸收的单糖。

• 果胶存在于植物的细胞壁中。因此，当水果被压榨时，这种果胶会出来，使果汁变得浑浊并改变口味。为此，使用固定化的果胶酶去除果胶。

• 葡萄糖异构酶是另一种在食品工业中用于生产高果糖糖浆的酶。这种酶将葡萄糖转化为果糖，果糖的甜度更高。

在诊断中的应用

固定化酶用于诊断设备。这包括：

试纸条

试纸条中存在酶，用于检测尿液中的成分，如葡萄糖、pH值等。当这些试纸条浸入尿液中时，会根据尿液中不同物质的浓度改变颜色。因此，它被用作快速诊断测试。

例如：为了测试葡萄糖水平，两种酶，葡萄糖氧化酶和过氧化物酶固定在试纸条上。这些酶催化以下反应。

葡萄糖氧化酶首先催化葡萄糖和氧气结合形成葡萄糖酸和过氧化氢的反应。然后H₂O₂进入第二个反应，其中它与试纸条上的无色垫结合形成棕色化合物。第二个反应由过氧化物酶催化。因此，尿液中存在的葡萄糖越多，产生的过氧化氢和棕色化合物就越多。因此，颜色变深。

生物传感器

生物传感器用于了解血液中完全定量的葡萄糖读数，这对于控制糖尿病很重要。

因此，在这里，葡萄糖氧化酶被固定在生物识别层中，该层氧化葡萄糖。然后检测氧气的消耗，并由传感器转换为电流。然后，放大器增强电流强度，然后将其处理成定量结果。

结论

酶是可溶性、无定形、胶体、蛋白质和生物活性有机催化剂，由活细胞（如微生物、动物或高等植物）产生。这些酶对于其代谢反应（如消化、呼吸、光合作用等）的功能很有用。因此，大多数酶被用于生物技术、食品保存、皮革工业、造纸工业、医疗和诊断应用、环境改善和科学研究。RuBisCO 是地球上含量最丰富的酶，因为它们存在于所有植物和光合藻类中。