酶技術：應用和商業意義

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什麼是酶？

酶是在調節生物體各種化學反應中起催化劑作用的物質。這些酶的存在透過自身不改變來加速反應。

酶也被稱為生物催化劑，是由長鏈氨基酸組成的蛋白質分子。這些長鏈通常摺疊形成酶的活性位點。然後底物結合到該位點形成複合物。反應完成後，產物被釋放，使酶可用於其他反應。

酶的催化活性主要取決於蛋白質分子內的L-α氨基酸序列和肽鍵。酶的一級、二級、三級和四級結構對於催化活性是必要的。

全酶由稱為輔酶的蛋白質部分和稱為輔酶的非蛋白質部分組成。酶的蛋白質部分透過共價鍵或非共價鍵連線到非蛋白質部分。

酶的應用

酶技術涉及將酶作為工業、農業和醫藥工具的應用。

酶技術為利用酶製造批次和高附加值產品提供了新途徑。為了滿足食品、精細化學品和藥品等需求，基於酶的過程在各種因素中變得越來越重要，例如在洗滌、生物修復、分析和診斷目的中。酶技術的兩個主要挑戰是開發新的和更好的產品，以及改進從可再生資源生產產品的工藝。酶的新應用包括：

醫療

• 分析 – 酶由於其效率和高度特異性而成為高度分析的試劑。用於定量測定血液和尿液等體液中底物的濃度。

  例如：醇脫氫酶主要用於生物分析應用。

• 診斷 – 例如：藻酸酶用於測定血漿和尿液中L-精氨酸的水平。膽固醇酯酶是另一個用於測定血清膽固醇水平的例子。

• 化妝品和醫藥酶 - 酶是有效的細胞催化劑，負責控制細胞中的數千種反應。因此，酶被用於護膚品中以促進去角質，幫助由於年齡和陽光照射而導致的皮膚生物過程減緩，並抑制自由基損傷。例如：膠原酶用於治療皮膚潰瘍，鏈激酶和尿激酶用於治療血凝塊。

工業

許多工業過程利用從微生物中分離出來的最純形式的酶。這些酶已經使用了數千年來製造不同的產品。像酵母這樣的微生物在生物技術製造這些產品的過程中被用作酶的來源。

我們日常生活中使用的一些酶技術產品包括：

• 葡萄酒

• 啤酒

• 醋

• 醬油

• 麵包

• 乳酪

製藥：在胰島素的生產中很重要，胰島素是控制血糖的必需激素。生產蛋白酶膠囊，提供增強迴圈和免疫系統的治療益處。

食品和飲料行業：用於監測食品和水中毒性化學物質的含量。使用酶可以改善質地、外觀、營養價值，並可能產生理想的風味和香氣。

例如：肉類嫩化、果汁和其他飲料的生產等。

農業產業：酶用於去除農藥殘留。農業中的酶被用作天然殺蟲劑、除草劑、肥料，用於除臭和飼養牲畜以改善消化。這些也噴灑在動物農場以去除昆蟲並減少感染。

造紙工業：用於製漿的酶有纖維素酶、半纖維素酶、木聚糖酶、內葡聚糖酶和果膠酶。這些酶增強了製漿過程並減少了進一步精煉所需的能量。

紡織工業：該行業使用的酶用於脫漿、生物拋光、石頭洗滌、去除汙漬、軟化等。

洗滌劑中使用的酶：澱粉酶消化澱粉並將其分解成糖。蛋白酶消化蛋白質並將其分解成氨基酸，脂肪酶將脂肪分解成脂肪酸和甘油。酶用於去除衣服上的血跡、草、汗液和食物汙漬。

生物燃料生產：澱粉酶、纖維素酶和蛋白酶。生物燃料生產為化石燃料提供了一種替代方案，減少了大氣中的碳排放。

酶將玉米、小麥、大麥和黑麥轉化為乙醇等燃料。這些酶還將生物質轉化為生物乙醇。

固定化酶的商業意義

酶是可以重複使用且在醫藥、食品工業和技術領域具有廣泛商業用途的催化劑。

由於大多數酶相對不穩定，並且分離、純化和從反應混合物中回收活性酶的成本很高，因此酶在工業應用中的使用受到限制。

因此，解決方法是透過物理捕獲或將酶限制在多孔藻酸鹽珠、固體結構等材料中來固定酶。

固定化酶的優點

• 產生的產品不會被使用的酶汙染，並且酶很容易分離。因此，主要用於食品和製藥行業。

• 這些酶可以重複使用，因為固定化不會影響酶的催化活性。

• 由於酶被固定在惰性基質中並且沒有完全暴露，因此它們具有熱穩定性，不太可能變性並且能夠耐受pH值的變化。

• 固定化導致酶的保質期延長。

• 能夠透過從反應混合物中去除酶來停止反應。

• 減少廢水處理問題。

在食品和飲料行業

• 無乳糖牛奶是透過將牛奶透過固定化的乳糖酶製成的。這種酶將乳糖分解成半乳糖和葡萄糖，它們是容易吸收的單糖。

• 果膠存在於植物的細胞壁中。因此，當水果被壓榨時，這種果膠會出來，使果汁變得渾濁並改變口味。為此，使用固定化的果膠酶去除果膠。

• 葡萄糖異構酶是另一種在食品工業中用於生產高果糖糖漿的酶。這種酶將葡萄糖轉化為果糖，果糖的甜度更高。

在診斷中的應用

固定化酶用於診斷裝置。這包括：

試紙條

試紙條中存在酶，用於檢測尿液中的成分，如葡萄糖、pH值等。當這些試紙條浸入尿液中時，會根據尿液中不同物質的濃度改變顏色。因此，它被用作快速診斷測試。

例如：為了測試葡萄糖水平，兩種酶，葡萄糖氧化酶和過氧化物酶固定在試紙條上。這些酶催化以下反應。

葡萄糖氧化酶首先催化葡萄糖和氧氣結合形成葡萄糖酸和過氧化氫的反應。然後H₂O₂進入第二個反應，其中它與試紙條上的無色墊結合形成棕色化合物。第二個反應由過氧化物酶催化。因此，尿液中存在的葡萄糖越多，產生的過氧化氫和棕色化合物就越多。因此，顏色變深。

生物感測器

生物感測器用於瞭解血液中完全定量的葡萄糖讀數，這對於控制糖尿病很重要。

因此，在這裡，葡萄糖氧化酶被固定在生物識別層中，該層氧化葡萄糖。然後檢測氧氣的消耗，並由感測器轉換為電流。然後，放大器增強電流強度，然後將其處理成定量結果。

結論

酶是可溶性、無定形、膠體、蛋白質和生物活性有機催化劑，由活細胞（如微生物、動物或高等植物）產生。這些酶對於其代謝反應（如消化、呼吸、光合作用等）的功能很有用。因此，大多數酶被用於生物技術、食品儲存、皮革工業、造紙工業、醫療和診斷應用、環境改善和科學研究。RuBisCO 是地球上含量最豐富的酶，因為它們存在於所有植物和光合藻類中。