第一篇第三十四章技艺高超的酶
悠久的历史
自从我们这个星球有了生物，酶就存在了。毫不夸张地说，我们的生命无时无刻都离不开酶
，它遍布了细胞的各个角落里，有1 300多种，生物体内的各种化学反应，没有它的参
与就难以进行。所以说，酶是生命的钥匙。我们的生活也与酶的应用息息相关。早在4 00
0年前，我国人民就开始利用大麦芽中的
酶制造饴糖，利用发酵法酿酒，制醋和酱。但那时人们并不是有意地利用酶，而是一种只知
结果，不知原理的自然行为，人们就在这种状态下使用了几千年的酶。直到100多年前的185
7年，法国的微生物学家巴斯德在研究酒精发酵时发现：把活的酵母与糖放在一起，在一定
的条件下它们会发酵并产生酒精。又过了40年，德国的毕希纳进一步研究发现，如果将能够
引起酒精发酵的活酵母研碎后再与糖混合，仍然可以使糖发酵形成酒精。这说明即使酵母细
胞不存在了，但细胞内的物质仍然能够使糖发酵成为酒精，他把这种具有发酵能力的物质称
为酶。到20世纪初，人们发现了更多的酶，对它们的催化反应进行了大量研究，并把它们从
细胞中分离出来并进行纯化。1926年桑讷首先得到了能够分解尿素的脲酶结晶，并且研究证
明它是蛋白质，具有蛋白质的一切性质，为此他荣获1947年度的诺贝尔奖。此后有关酶的研
究继续发展，成为一门独立的学科。到60年代以后，物理和化学的发展为酶的研究和应用
提供了强有力的技术手段，酶的研究和应用真正进入了迅速发展时期。淀粉酶和葡萄糖淀
粉酶在工业上首先用于生产葡萄糖酶。70年代初，日本的千佃一郎将固定化氨基酸酰化酶用
于工业生产L-氨基酸，开创了应用固定化酶的新时代。随着酶的应用的不断扩大，生物技
术的发展，人们将有关酶的开发、研究、制备、加工及应用统称为酶工程。80年代初人们发
现酶也可以在有机溶剂中催化反应，这改变了酶不能在有机溶剂中使用的传统观念，使酶学
、酶工程和酶的应用进入了新阶段。现代日常生活中，人们离不开的加酶洗衣粉，嫩肉粉
，多酶片等酶制剂，便是酶工程最直接的体现。
令人惊叹的速度
细菌繁殖一代只需要20分钟，一个大肠杆菌在20分钟内能从容地合成包括2 000多种蛋
白质、1 000多种核酸在内的5 000多种物质，并把它们组装起来，成为一个新个体
。这些惊人的化学反应来实现，这些反应是在生物体内悄然无声的，有条不紊地进行着，而
且是在极其温和的温度和酸碱度下高速的、以100％的生产率进行着，这是多么奇妙的本领！
任何现代化的化工厂也达不到这种水平的1％。这是由于生物在亿万年进化的长河中形成的
一种特殊的手段，发展出的一系列生物催化剂—酶。
酶分子为什么会有这么高超的技艺呢？酶是活分子产生的一种具有催化功能的蛋白质，
就像一把锋利的宝刀，它可以任意切割与缝合化学物质的键和链。这宝刀的刀刃，叫做活性
中心。比如，人的眼泪和鼻涕分泌物中有一种溶菌酶，它的第35位谷氨酸侧链的一个氧原子
和第52位天门冬氨酸侧链另一氧原子的连接链，就是锋利的刀刃，恰好在这空隙中把细菌细
胞壁的糖分子装进去，就从这里切断糖链，打开细菌的“肚皮”，使其物质流尽致死。还有
一种核糖核酸酶，共有124个氨基酸组成，其中只有第12位组氨酸、第41位赖氨酸以及第119
位组氨酸是活性中心。其他氨基酸都可调换位置或替代仍不失去酶的活性，但这三个最关键
的氨基酸却不能动。当然，酶分子的其他氨基酸也不是多余的，没有刀把的宝刀也不好使。
酶分子还有一个特性就是它的高度专一性，一把钥匙开一把锁，一种酶只催化一种化学
物质。例如，淀粉酶只作用于淀粉，脂肪酶只作用脂肪。同是蛋白酶，对不同的蛋白质也有
专一性。脲酶只能分解尿素的肽键，对蛋白质的肽键就不发生作用。胃肠蛋白酶水解食物中
的一切蛋白质，但寄生在人肠道里的蛔虫虽是蛋白质，却不能消化它。然而用木瓜树果实中
提取的木瓜蛋白酶，却能将蛔虫分解得支离破碎。由此可见，钥匙与锁的配合多么的准确而
又巧妙啊。
酶是怎么产生的
酶是由活细胞产生的，但是它能脱离生物体而发挥作用，于是人们想到了以动植物为原料来
提取它，但是所得却是微乎其微。后来科学家在微生物中也发现了酶。由于微生物繁殖速度
惊人，培养过程易于控制，加上微生物本身容易改造，因此实现了酶生产的工业化。
在工业上生产我们所需要的酶，大多数是在含有营养物的液体培养基中，在适当的条件下培
养微生物菌种，让它生长，从而产生我们所需要的酶，这就是发酵。用于进行微生物发酵的
容器通常称为发酵罐。在工业酶的生产中，大多数使用20～50立方米大小的发酵罐。
不是任何一种微生物都可以用来生产一种酶，只有具有高产能力，经过长期的严格选择
和研究的微生物才能使用。所以发酵必须使用“纯种”。如果发酵时其他微生物进入了发酵
罐，也会迅速生长，在发酵工业上称为“污染”，轻者使酶产量大幅度下降，严重的将一无
所获，使生产失败。一旦发生污染，其损失非常大。所以，发酵工业的无污染控制非常重要
。
在工业中，用于生产淀粉酶的微生物叫做枯草芽孢杆菌，它是一种细菌；用于生产葡萄
糖淀粉酶的叫做黑曲霉，是一种真菌，它们产生的酶都不在细胞里，而是释放到发酵液里。
所以发酵结束时，要将微生物通过过滤或其他方法除去，得到含酶的发酵液，由于发酵液中
酶的浓度非常低，需要进行浓缩。
酶的广泛应用
到现代，酶有了广阔的用武之地。由于酶工程反应产物污染小、能耗低，反应又容易控制，
所以在食品加工、饲料生产、医药和化工等领域有着广泛的应用。
在工农业生产和日常生活中，蛋白酶是一种用途很广的微生物酶。洗衣粉里加了蛋白酶
，衣物上的各种污渍，不论是血渍、汗渍，还是油渍、食渍，都能洗得干干净净。制革工业
中，用蛋白酶法脱毛，不仅减轻了劳动强度，简化了工序，也使原来污染环境，对农作物有
害的废水变成了肥料。
传统制糖业生产的蔗糖几乎全部是通过对甘蔗或甜菜加工得到的。但甘蔗和甜菜的种植
受到耕地面积、气候条件等多种限制，因此蔗糖的产量容易受到影响。
另外，人体吸收过量的蔗糖会增加脂肪的积累，会引起肥胖、高血压、糖尿病、心血
管等疾病。对此，人们另找出路，以高果糖浆代替蔗糖。但是果糖作为一种单糖在自然界存
在较少，通常以游离状态存在于水果中。我国科学家们研究利用葡萄糖异构酶生产的高果糖
浆，含果糖在40％以上，堪称“人工蜂蜜”，现已被广泛应用于面包、糕点、糖果等食品工
业中。可以说高果糖浆的生产是食糖工业的一场革命，又是酶工程在工业生产中最成功、规
模最大的应用。
人们很早以前便知道木瓜叶、果中的乳汁含有使肉嫩化的酶。经过多年的研究，现在人
们已可以从木瓜果实中采集乳汁，加工处理制成木瓜蛋白酶。目前以木瓜蛋白酶为原料开发
的主要产品有饼干松化剂、饲料添加剂、啤酒(饮料)澄清剂和肉类嫩化剂等。市场上的嫩肉
粉就是以木瓜蛋白酶为主要原料，混以激活剂、稳定剂和食盐、淀粉等填充剂。由于木瓜蛋
白酶能部分水解肉类的蛋白质，故可以使肉丝、肉片等烹调后吃起来嫩滑可口。
在医疗方面，许多酶本身就是有效的药物。有些消化不良的患者，医生常要他吃一些
多酶片，因为多酶片中有帮助消化的各种酶，如胰淀粉酶、胰蛋白酶和胰脂肪酶等。又如溶
菌酶，顾名思义它的作用是溶解细菌的细胞壁，引起细菌死亡，外科医生常用它来治疗慢性
副鼻窦炎、口腔炎、中耳炎和咽喉炎等病症。另外，临床上的许多生化分析也用酶方法进行
。如要判断一个人是否患上肝炎，医生往往要检验谷丙转氨酶(俗称GPT)的活性大小。因为
在正常情况下，肝组织中谷丙转氨酶的含量较高，它参与氨基酸代谢，而正常血清中谷丙转
氨酶的含量很低(40单位以下)。感染肝炎病毒后，肝细胞遭到破坏，谷丙转氨酶被释放到血
液里，使血液中谷丙转氨酶的活性迅速增大。这样，医生就能根据血清里谷丙转氨酶的活性
大小，确诊患者是否患了肝炎。
近年来，各种酶反应器在食品、酿造、发酵、医药工业以及能源开发、三废处理中得到
广泛应用。酶反应器是指根据酶的催化原理，在一定的生物反应装置中将原料转变成有用物
质的设备。目前许多生物制品可以利用酶反应器进行生产。例如在纺织工业中，天然蚕丝的
外表有一层丝胶，丝胶直接影响天然蚕丝的使用。现在，人们可以在温和的条件下，利用蛋
白酶对天然蚕丝进行脱胶，脱胶后的蚕丝具有鲜亮的色泽和柔滑的手感。在医药工业方面，
现在，制药厂已经能够利用酶反应器，成批地生产青霉素、L-氨基酸、核苷酸、甾体药物及
氨基酸混合液等临床药物。此外，以酶反应器与分析仪器、传感器连合组成的各种临床诊断
反应器更可用于临床治疗与诊治。成为病患者的一大福音。