第一节 概述
生物与非生物最根本的区别就是生物中存在新陈代谢。新陈代谢是一切生命活动的基础，是生物最基本的特征。生物体内的新陈代谢是由成千上万错综复杂的生化反应构成的，而这些生物化学反应又都是在酶的催化作用下进行的。可以说，离开了酶，新陈代谢就不能进行，生命就会停止。
酶不仅赋予了生命，而且在日常生活中发挥着重要作用。你穿的牛仔裤，在生产时很可能就用酶处理过；你洗衣服时，用的洗衣粉中很可能含有酶；你喝饮料时，饮料中的甜味剂、酸味剂的生产几乎都有酶的功劳；你服的药片很可能就是酶或酶反应的产物。
由于酶的应用广泛，酶的生产就成了重要的研究课题。伴随着酶的生产与应用，酶工程逐渐发展起来。
一、酶的基础知识
（一）酶的概念
酶是具有催化作用的生物大分子，绝大部分的酶是蛋白质，少数酶是RNA。关于酶本质的认识经历了一个长期而复杂的过程。
我们的祖先在几千年前就已经在食品生产和疾病研究等领域不自觉地利用酶。例如，在公元前21世纪的夏禹时代，人们就会酿酒；在公元前12世纪的周代，已经能制作饴糖和酱；在春秋战国时期，就懂得用曲治疗消化不良等。
直到19世纪初期，伴随西方国家对酿酒过程的研究，人们才开始认识到酶的存在和作用。1810年，Jaseph Gaylussac发现酵母可将糖转化为酒精；1857年，法国微生物学家巴斯德（Pasteur）提出酵母活细胞中有一种能将糖发酵生成酒精的物质。1878年，德国的库尼（Kühne）将其定义为Enzyme，原意为在酵母中。
1897年，德国化学家巴克纳（Buchner）兄弟把酵母细胞放在石英砂中用力研磨，加水搅拌，之后进行加压过滤，得到不含酵母的提取液。在这些汁液中加入葡萄糖，一段时间后就冒出气泡，糖液居然变成了酒。这说明，酶在细胞外也可以催化。Buchner为此在1911年获得了诺贝尔化学奖。
人们已经认识到酶是生物体产生的具有催化功能的物质。酶的化学本质到底是什么？
这是20世纪初期酶学研究和争论的中心问题。
1920年，著名生物学家、诺贝尔化学奖获得者威尔斯塔特在具有酶活的样品中没有检测出蛋白质，于是作出了酶不是蛋白质的错误结论，宣称已经制成了不含蛋白质的酶的制备物。由于这种结论出自权威之口，人们信以为真，结果使对酶的研究推迟达10年之久。
1926年，美国化学家萨姆纳（Sumner）从刀豆种子中提取出脲酶并得到结晶，这种结晶溶于水后能够催化尿素分解为氨和二氧化碳，并通过化学实验证明是蛋白质。然而，当时萨姆纳在科学界还是一个“无名小卒”，人们并不太相信他的结论，直到1930-1936年，Northrop和Kunitz得到胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶结晶，并用相应方法证明是蛋白质后，“酶是生物体产生的具有催化功能的蛋白质”才被人们普遍接受。1946年，萨姆纳获得诺贝尔化学奖。
20世纪80年代，核酶的发现，从根本上改变了以往只有蛋白质才具有催化功能的概念。1982年，切克（Cech）等研究原生动物四膜虫rRNA时，首次发现rRNA基因转录产物的I型内含子剪切和外显子拼接过程可在无任何蛋白质存在的情况下发生，证明了RNA具有催化功能。为区别于传统的蛋白质催化剂，Cech给这种具有催化活性的RNA定名为核酶。
1983年Altman等人在研究大肠杆菌时发现，除去其蛋白质部分后，剩下部分RNA具有全酶的活性，在体外高浓度Mg2+存在下，也具有完成切割rRNA前体的功能。
为此，Cech和Altman获得了1989年的诺贝尔奖。
20多年的研究表明，核酸类酶具有完整的空间结构和活性中心，具有独特的催化机制，具有很高的底物专一性，具有生物催化剂的所有特征。“酶是生物体产生的具有催化功能的生物大分子（蛋白质和RNA）”这一概念已被人们普遍接受。
【知识拓展】
与诺贝尔奖失之交臂的艾弗里及其理论
1944年，艾弗里等人提出了“DNA是遗传信息载体”这一理论。由于威尔斯塔特的前车之鉴，害怕再受骗的科学界便不敢盲然唯这位权威而是从，迟迟不予认可。后来，随着对DNA化学本性的足够了解，特别是1952年赫尔希（A.D.Hershey）和蔡斯（M.Chase）证明了噬菌体DNA能携带母体病毒的遗传信息到后代中去以后，科学界才终于接受了DNA是遗传信息载体的理论。
当时曾有人提议艾弗里应获这种最高奖励。但鉴于科学界对其理论还抱有怀疑，诺贝尔奖评选委员会认为推迟发奖更为合适。可是，当对他成就的争议平息、诺贝尔奖评选委员会准备授奖之时，他已经去世了。诺贝尔奖评选委员会只好惋惜地承认：“艾弗里于1944年关于DNA携带信息的发现代表了遗传学领域中一个最重要的成就，他没能得到诺贝尔奖金是很遗憾的。”
播种苦果的是已故权威威尔斯塔特，而蒙受苦果之害的是在世权威艾弗里。“威尔斯塔特的错误幽灵使基因的研究又拖迟10年之久”。
（二）酶的特点
酶作为生物催化剂，具有一般催化剂的特征：（1）能加快化学反应的速度而本身在反应前后没有结构和性质的改变；（2）只能缩短反应达到平衡所需要的时间而不能改变反应的平衡点。但酶作为一种生物大分子又有其不同之处：
1.催化效率高
酶催化反应的速率比非催化反应高108-1020倍，比非生物催化剂高107-1013倍。如过氧化氢酶催化过氧化氢分解的反应，若用铁离子作为催化剂，反应速率为6×10-4（mol/mol催化剂）；若用过氧化氢酶催化，反应速率为6×106。
2.酶具有高度专一性
酶对底物及催化的反应有严格的选择性（专一性），一种酶仅能作用于一种物质或一类结构相似的物质，发生一定的化学反应，这种对底物的选择性称为酶的专一性。如蛋白酶只能水解蛋白质、脂肪酶只能水解脂肪、而淀粉酶只能作用于淀粉。
3.反应条件温和
酶催化反应不像一般催化剂需要高温、高压、强酸、强碱等剧烈条件，可在较温和的常温、常压下进行。
4.酶易失活
酶是生物大分子，对环境的变化非常敏感，高温、强酸或强碱、重金属、紫外线、剧烈震荡等引起蛋白质变性的条件，都能使酶丧失活性。同时，酶也常因温度、pH的轻微改变或抑制剂的存在而使其活性发生改变。
5.酶的催化活性可被调节控制
酶的催化活性是受到调节控制的，这是酶区别于一般催化剂的一个重要特性。酶在体内外受到多方面因素的调节和控制，不同的酶调节方式也不同，包括抑制剂的调节、反馈调节、酶原激活、共价修饰、激素控制等。结合酶类的催化活力与辅酶、辅基、金属离子有关，若将它们除去，酶就会失活。
二、酶工程
酶工程（enzyme engineering）是在酶的生产与应用过程中，酶学与化学工程技术、基因工程技术、微生物学技术相结合而产生的一门新的技术科学，在1971年第一届国际酶工程会议上得到命名。它从应用目的出发，研究酶的生产、纯化、固定化技术、酶分子结构的修饰和改造以及在工农业、医药卫生和理论研究等方面的应用。酶工程作为生物工程中必不可少的重要组成部分，不但受到生物化学、生物化工等工作者的重视，也日益受到其他各领域内研究者的关注。
一般认为，现代酶工程技术始于20世纪40年代日本采用深层液体发酵技术大规模成功生产α-淀粉酶。20世纪50年代，采用葡萄糖淀粉酶催化淀粉水解生产葡萄糖新工艺研究成功，取代了原来葡萄糖生产中采用的高温、高压酸水解工艺，使淀粉的得糖率由80％上升到100％，这大大推动了酶在工业上的应用。随着微生物发酵技术的发展和酶分离纯化技术的进一步提高，酶制剂生产开始走向规模化，并被广泛地应用于轻工、医药等生化过程。
20世纪60年代，酶固定化技术的诞生，使酶制剂的应用面貌焕然一新。固定化技术改善了酶的稳定性，使酶在生化反应器中可以反复连续使用，极大地推动了酶工程技术的推广应用。1969年，日本的千烟一郎首次在工业生产规模应用固定化氨基酰化酶从DL-氨基酸连续生产L-氨基酸，开创了固定化酶应用的新局面，实现酶应用史上的一大变革。
20世纪70年代后期，微生物学、基因工程与细胞工程的迅猛发展为酶工程的进一步发展带来了前所未有的生机，极大地推动了酶工程的研究和应用领域。有人将酶学与现代分子生物学技术的结合称为生物酶工程（即高级酶工程），主要研究以下几个方面的内容：（1）用基因工程技术大量生产酶（克隆酶）；（2）用蛋白质工程技术定点改变酶结构基因（突变酶）；（3）设计新的酶结构基因，生产自然界从未有过的性能稳定、活性更高的新酶。与此对应，化学酶工程（即初级酶工程）主要研究酶的制备、酶的分离纯化、酶与细胞的固定化技术、酶分子修饰、酶反应器和酶的应用。
随着酶在工业、农业、医药、食品等领域中应用的迅速发展，酶工程也在不断地增加新的内容。目前，从自然界中发现和鉴定的酶已经超过4000种，但大规模生产和应用的商品酶只有数十种，只占很少一部分，大量的自然酶还没有得到很好地应用。其主要原因是大多数酶脱离其生理环境后极其不稳定，且酶的分离纯化工艺过于复杂、成本过高。为了更好地应用酶，通常可以采用自然酶的化学修饰或采用酶学与基因工程相结合的手段，改造自然酶产生修饰酶甚至是自然界不曾存在的新酶，这使得酶工程的研究和应用领域逐渐得以扩大，内容也日渐丰富。
第二节 酶的生产
酶的生产是指通过人工操作而获得所需酶的技术过程。目前，可以从动植物原料中直接提取分离酶，也可以采用化学合成法合成酶。前者虽是最早采用且沿用至今的方法，但具有原料来源有限、成本高等难以克服的缺点；后者仍然处于实验室阶段。因此，生产酶的主要方法还是生物合成法，其中以微生物发酵法为主。
一、酶的来源
酶普遍存在于动物、植物、微生物中。早期，酶的生产主要以动物、植物组织为原料，经过提取、分离纯化而得到。直至今日，有些酶仍采用提取法生产，如从菠萝中提取菠萝蛋白酶，从木瓜乳汁中提取木瓜蛋白酶，从胰脏中提取胰蛋白酶等。
动植物原料的生产周期长，来源有限，并受地理、气候和季节等因素的影响，同时由于酶在生物体内的含量很低，在技术上和经济上一般不易进行大规模生产，使得许多传统的酶源已远远不能适应当今世界对酶的需求。
理论上，酶和其他蛋白质一样，也可以通过化学合成法来生产。事实上，也有了化学法合成酶的例子，如1969年Gutte和Merrfield通过化学方法人工合成了含有124个氨基酸的活性核糖核酸酶。但是，化学合成的反应步骤多，一般只适用于化学结构清楚的短肽的生产；此外，还要求合成的单体纯度很高，这样成本就高。目前的发展，距人工合成氨基酸残基数目高达100以上的酶蛋白的目标还很遥远，更谈不上工业化生产。
工业上大量的酶是采用微生物的发酵来制取的，一般需要在适宜的条件下，选育出所需的菌种，让其进行繁殖，获得大量的酶制剂。在目前1000余种正在使用的商品酶中，大多数的酶都是利用微生物生产的。微生物发酵生产酶具有诸多优势：（1）微生物生长繁殖快，生产周期短，产量高。微生物的生长速度是农作物的500倍，比家畜快1000倍。（2）微生物培养方法简单，所用原料大多为农副产品，价格低廉，成本低。例如，同样生产1千克结晶的蛋白酶，如从牛胰中提取要1万头牛的胰脏，而微生物仅靠数百千克的廉价农副产品，几天便可生产出来。（3）微生物菌株种类繁多，酶的品种齐全。（4）微生物有较强的适应性和应变能力，可通过诱变或基因工程等方法培育出新的产酶量高的菌株。
二、酶的生产
含酶原料的获得
1.动植物原材料
动植物材料作为酶源有着自身的局限性，但目前，仍然具有不可替代的作用。动植物原料一般直接采集，采集时要注意动植物原料的种属、发育状态、生物状态等，这些方面对产品的质量、产量和成本都有着重要的影响。如生产药用SOD（超氧化物歧化酶）采用动物血为原料生产的比植物来源的抗原性要小；生产凝乳酶要采用哺乳期的牛、羊和猪的胃等；生产木瓜凝乳蛋白酶要采用未成熟的番木瓜果实，而不是枝叶等。
20世纪80年代迅速发展起来的动、植物细胞培养技术，为含酶原料的获得提供了又一条途径。将动植物细胞置于人工控制条件的生物反应器中培养，通过细胞的生命活动，得到人们所需的酶。如通过植物细胞培养可以获得超氧化物歧化酶、木瓜蛋白酶、木瓜凝乳蛋白酶等酶的生产原料，通过动物细胞培养可以获得胶原酶、组织纤溶酶原激活剂（一种丝氨酸蛋白酶）的生产原料。
