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二、化學魔術師――酶製劑的生產

  我們每日看到的各種植物隻需要吸收養料、水份和陽光就能製造出成千上萬種物質, 牛、羊等動物隻要吃草和喝水就能長出肥大的身體, 人隻要每天吃飯、吃菜就能長身體。一切生物體內每時每刻都在進行著難以計數的各種化學反應, 通過各種化學反應來製造出各種化學物質, 以滿足自身對物質和能量的需要。

  生物體內進行的各種化學反應是怎樣進行的呢? 我們知道, 在化學實驗室中要合成或分解某種物質一般都需要很高的溫度, 而且要加入化學催化劑。例如, 如果我們要將牛肉水解成各種氨基酸, 要在100 ℃下加熱20 多個小時, 而且要加入鹽酸作為催化劑。然而, 如果我們將牛肉吃進肚子裏, 隻要幾個小時就將牛肉完全分解了, 分解的速度要比實驗室中快得多, 而且是在37 ℃左右下悄悄進行的? 因此, 大家可能會問: 為什麽生物體內進行的化學反應速度極快而且不需要高溫條件? 這是因為: 生物體內存在著一類特異的物質。它們的種類繁多因而各司其職、按部就班地催化著各種不同的化學反應。我們把生物體內這種具有催化功能的物質叫酶。酶就像魔術師一樣控製生物體內各種不同的化學反應有條不紊地進行著。

  由於酶具有極高的催化能力, 它們可以催化很多十分複雜的化學反應而且不需要高溫條件, 科學家們於是千方百計地尋找它們, 希望能將它們從生物體中抓出來, 然後利用它們來催化各種我們需要的化學反應。到目前為止, 科學家們已經發現的酶有2500 多種。令人十分驚奇的是, 微生物是名符其實的產酶“全能冠軍”, 它們的產酶本領是其他生物無法比擬的。第一, 在目前發現的2500 多種酶中, 幾乎所有的酶微生物都能產生, 而動物和植物隻能產生其中一部份。第二, 微生物產酶的能力最高, 在一個小小的微生物細胞中可以積累很多的酶。第三, 微生物生長繁殖的速度最快, 因而產酶的速度也快。由於以上三點, 微生物當之無愧地成了科學家們研究酶的“掌上明珠”。

  由於酶具有以上我們講的這些神奇的能力, 現在有一門工業就叫酶製劑工業。酶製劑工業是國民經濟建設中的重要產業之一, 它的產品在食品、醫藥、紡織等幾十個工業領域中得到了廣泛的應用。現在, 在酶製劑工廠中生產的酶製劑有50 餘種, 其中絕大部份是利用微生物發酵來生產的。

  科學研究發現, 幾乎每一種真菌和細菌等微生物都能產生至少千種以上的酶。這是因為: 微生物雖小, 但它們體內進行的化學反應卻是數不勝數的。而酶有一特點就是各種酶都隻幹自己的事, 對其他化學反應是一竅不通的, 例如蛋白酶隻負責催化蛋白質的水解, 澱粉酶則僅負責對澱粉的水解。因此, 一個小小的微生物細胞為了使各種化學反應能夠進行, 隻能自己擁有許多的酶類各負其責。正所謂“麻雀雖小、肝膽俱全”。

  各種微生物產生各種酶的能力是不一樣的。這一點很好理解, 因為生物體進行的化學反應雖然數不勝數, 但各種化學反應進行的次數多少卻是千差萬別的。有的化學反應如合成和分解蛋白質的反應在細胞內反複進行, 因此催化這類化學反應的酶就多一些, 而有的化學反應僅是偶爾而為之, 催化這類反應的酶就要少得多。

  我們從自然界中抓來的各種微生物都能產生多種不同的酶, 但它們產酶的能力一般都不很高, 隻要自身夠用就行了。因此, 從自然界中分離的微生物一般不能直接應用於生產。我們在工廠裏使用的微生物大多經過了科研人員的精心的改造。改造微生物的方法很多, 其中目前用得最多的就是前麵講過的用紫外線和化學試劑處理的方法, 分別叫作紫外誘變和化學誘變。例如, 我們從自然界抓到的米曲黴, 它們產生蛋白酶的能力一般都較低, 經過紫外誘變和化學誘變後, 它們產生蛋白酶的能力可以提高幾十倍至上百倍。還有一種十分先進的方法, 叫基因工程技術, 它像做手術一樣可隨意增加微生物細胞中產生某種酶的“車間”, 從而使它們產酶的能力提高很多。

  我們是怎樣知道微生物是否產生某種我們需要的酶的呢? 科學家設計了許多十分巧妙的方法。例如, 如果我們要從土壤中抓到產生蛋白酶的微生物, 可以將它們接種在含有一種叫酪蛋白的蛋白質培養基上, 培養幾天後拿出來觀察,

  如果哪一種微生物的菌落周圍有一個透明的圓圈, 就說明這種微生物將酪蛋白水解了。毫無疑問, 它就是我們要找的微生物。篩選產生澱粉酶的微生物的方法也設計得非常巧妙。

  我們可以將要測定的幾百個菌株接種到含有2% 澱粉的培養基上, 幾天之後拿出來觀察, 首先在每個培養皿裏倒一點稀碘液, 幾分鍾之後觀察培養皿是否有白色的亮點或透明的圓形, 如果有就說明這種微生物產生澱粉酶。這是因為: 澱粉遇到碘時會產生藍色, 如果微生物將澱粉分解了就沒有藍色反應。

  酶的種類繁多, 為了區分它們, 科學家們分別對每一種酶都加以命名。酶的命名有多種方法, 目前應用得最多的方法是以各種酶催化的反應來命名。例如, 催化蛋白質水解的叫蛋白酶, 這裏省略了“水解”二字。同樣地, 催化纖維素水解的叫纖維素酶, 催化澱粉水解的叫澱粉酶, 催化脂肪水解的叫脂肪酶, 等等。催化水解反應酶命名時都可以省略“水解”二字, 而催化其他類型反應的酶命名時不能省略, 例如, 催化葡萄糖氧化的酶必須叫葡萄糖氧化酶, 催化硝酸還原的酶也必須叫硝酸還原酶。

  目前在工業上大量生產的酶有50 餘種, 其中比較重要的有10 餘種, 大部份是水解酶類。酶的生產與抗生素很相似, 一般是將微生物接種到滅菌的發酵罐中, 發酵罐中裝有微生物生長繁殖需要的培養基, 然後在適當的溫度下通氣培養, 通入的空氣是已滅菌的清潔空氣。培養幾十個小時或幾天後, 將發酵液中的酶提取出來, 最後製成固體的或液體的酶製劑產品。酶的提取工藝比較複雜, 這裏不作介紹。在以後的篇幅中, 我們重點介紹幾種在工業上用途十分廣泛的酶製劑, 並著重介紹它們的應用情況。

  蛋白酶是世界上產量最大的酶製劑之一, 目前在工業上生產的蛋白酶主要是用細菌和真菌發酵生產的。所用的細菌種類很多, 主要是一類叫作芽孢杆菌的細菌, 如枯草芽孢杆菌。用於生產蛋白酶的真菌主要是黴菌如米曲黴等。蛋白酶在工業上的用途十分廣泛。大家非常熟悉的加酶洗衣粉就是加入了蛋白酶, 它對於洗除衣服上的汗液、血跡和油跡非常有效, 因為血跡等髒物中的主要成份是蛋白質, 洗衣粉中加入蛋白酶後對洗除這些髒物有立竿見影的效果。蛋白酶不僅是一種有效的消化劑, 還是良好的消炎劑, 因此被用於製造多種藥物, 這些藥物對於化痰止咳、消炎退腫等具有特殊的效果。在製革工業中, 蛋白酶被用於皮革的脫毛。在紡織工業中蛋白酶被用於苧麻和絲的脫膠, 因為苧麻纖維的外麵包了一層厚厚的膠質, 這種膠質主要是由蛋白質粘連在一起的, 隻有脫去這層膠質才能用於紡織。在製藥工業中, 蛋白酶被用於製造幾十種產品, 如胎盤水解物、蛋白腖水解、蛋白輸液和混合氨基酸等, 這些產品還是化學工業中的重要原料。除此之外, 蛋白酶還可用於啤酒和葡萄酒的澄清。

  在釀酒工業中, 我們使用的大多數原料是玉米、高粱、稻米等, 它們的主要成份是澱粉。我們知道, 酵母菌是我們用於釀酒的微生物, 而酵母菌是不吃澱粉的, 因此我們必須幫助酵母菌先把澱粉變為葡萄糖、蔗糖等糖類物質, 這一過程在釀酒工業中叫“糖化”。有一種酶叫糖化酶, 它就是專門負責將澱粉轉變為糖的, 因此目前我國許多工廠就專門為釀酒工業生產糖化酶產品。用於生產糖化酶的微生物是一種叫黑曲黴的真菌, 將它們接種在含有培養基的發酵罐中, 在31 ℃下通氣培養100 多個小時, 就可以生產出糖化酶。

  蔗糖是我們平常食用最多的甜味劑之一, 而且具有一定的營養, 但它有一個缺點: 就是不夠甜。因此在食品工業中一直在尋找更甜的東西, 結果找到了糖精, 它比蔗糖還甜500 倍。可是很快發現糖精對人有毒副作用。於是, 還得繼續尋找。很快科學家們就找到了答案, 他們發現有一種酶專門負責將蔗糖轉變為果糖, 果糖的甜度是蔗糖的2. 5 倍, 而且營養與蔗糖相當並且完全無毒副作用, 是替代蔗糖的最佳物質。現在, 許多工廠就專門生產這種酶, 它叫葡萄糖異構酶, 是由細菌生產的。十分有趣的是: 我們培養這些細菌時, 如果不加入一種叫木糖的物質, 這些細菌是不產生葡萄糖異構酶的, 而一旦加入了木糖就開始產生這種酶了。可是木糖的價格很貴, 在經濟上不合算, 因此目前在工業上主要使用玉米皮和麩皮等原料來生產這種酶。葡萄糖異構酶目前在生產上的用處很大, 我國正在努力開發這一產品, 並取得了一定成效。世界上的花草樹木的主要成份是纖維素, 它們是一個一個的糖分子連接而成的大分子。纖維素是地球上產量最大的物質, 可惜除了牛、羊等少數幾種食草動物外, 大多數高等動物包括人類根本無法利用纖維素。因此, 科學家們一直希望能找到一種能分解纖維素的酶, 然後利用這種酶來分解纖維素, 生產我們需要的多種糖, 這樣, 我們需要的糖類物質就取之不盡了。幸運的是, 在科學工作者的努力尋找下終於找到了這種酶, 它叫纖維素酶。科學研究發現, 許多真菌都能產生纖維素酶, 特別是一類叫木黴的黴菌生產纖維素酶的能力很強。目前已有許多工廠生產纖維素酶, 並已在生產上應用, 但成本方麵很不合算, 仍有待努力研究。澱粉酶是工業生產上十分重要的酶製劑之一, 我們在前麵講到的糖化酶就是澱粉酶的一種, 除此之外還有許多種類。有一種澱粉酶叫做α-澱粉酶, 它是由芽孢杆菌生產的, 是產量最大的澱粉酶。α-澱粉酶也是催化澱粉的水解, 但它催化的水解產物不是葡萄糖, 而是由多個葡萄糖分子連接起來的糊精或由兩個葡萄糖分子形成的麥芽糖。α-澱粉酶在工業上具有的用途很廣泛。在紡織工業中, 織布時為防止經紗的斷頭過多必須加入漿料, 加入漿料後可使經紗光滑而不易產生斷頭, 漿料是由澱粉製成的。因此在製漿時必須加入α-澱粉酶來控製其粘度。當布製好後又必須進行退漿處理。因為漿料存在會影響布的染色不均勻, 在布坯的退漿過程中也是加入α-澱粉酶使漿料完全水解掉。除此之外, α-澱粉酶水解澱粉產生的糊精是十分重要的工業原料, 它可以用來製造純度很高的葡萄糖, 還可以用於製藥業, 例如我們平常吃的藥片就是用糊精加上適量的藥劑製成的。

  植物的細胞與細胞之間是由一種叫果膠的物質連接起來的。果膠是一種高分子物質, 它是由成千上萬個小分子連接而成的, 這些許許多多小分子叫半乳糖醛酸。有一種酶叫果膠酶, 它專門催化果膠的水解, 使果膠水解為一個個的半乳糖醛酸。許多黴菌和細菌都可以產生果膠酶。果膠酶的用途十分廣泛。例如我們製作果醬、果凍和果糕時要用果膠和糖來形成膠凍, 但往往會由於加糖過多而使果味失真。如果我們加入少量的果膠酶使果膠分解為果膠酸, 然後加入少量的鈣鹽, 這樣製出來的果醬的質量就要好得多。大麻和亞麻等麻類纖維的外麵有一層堅韌的膠質層, 它的主要成份是果膠。我國早在6000 多年以前就知道將麻類的莖杆放在池塘中漚麻, 利用池塘中的許多微生物自然產生的果膠酶將膠質分解掉, 然後隻要輕輕敲打和衝洗就可以製得又白又韌的麻纖維用於織布。現在, 很多科研人員正在進行這方麵的研究, 希望能用工業生產的方法製造果膠酶, 然後進行工業化的麻類脫膠, 目前已取得很好的效果。

  許多黴菌和酵母菌可以產生一種脂肪酶, 它可以將脂肪分解成甘油和脂肪酸。在乳製品工業中, 我們常用脂肪酶來處理煉乳、乳粉和乳脂等, 使產品中增加甘油和甘油脂的含量, 這樣產品具有強烈的香氣。脂肪酶在洗滌劑工業中也十分有用, 加入脂肪酶製成的加酶洗衣粉對於清洗油汙特別有效。在製革工業中, 脂肪酶被用於皮革的處理, 它可以將皮革上附著的脂肪清除掉, 以便於以後的加工處理。此外, 脂肪酶還可以用於製作藥品, 它可以幫助消化, 是一種很好的助消化藥。

  有一類酶很特別, 它們專門水解細菌和真菌的細胞壁, 因此叫溶菌酶或細胞壁溶解酶。很多細菌和真菌都產生細胞壁溶解酶, 這類酶的種類很多而且具有很大的用途。例如在醫學上, 溶菌酶在血液中可與病毒或病菌結合, 阻止它們的生長繁殖, 因此是消炎和抗病毒的良藥。在食品工業上, 溶菌酶可以用作防腐劑, 用於牛奶、麵包、香腸等食品的防腐。在科學研究中, 溶菌酶被用於溶解細菌或真菌的細胞壁, 從而使它們的原生質體釋放出來, 原生質體則是許多研究的必備材料。

  
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