s 阅读页

二、化学魔术师――酶制剂的生产

  我们每日看到的各种植物只需要吸收养料、水份和阳光就能制造出成千上万种物质, 牛、羊等动物只要吃草和喝水就能长出肥大的身体, 人只要每天吃饭、吃菜就能长身体。一切生物体内每时每刻都在进行着难以计数的各种化学反应, 通过各种化学反应来制造出各种化学物质, 以满足自身对物质和能量的需要。

  生物体内进行的各种化学反应是怎样进行的呢? 我们知道, 在化学实验室中要合成或分解某种物质一般都需要很高的温度, 而且要加入化学催化剂。例如, 如果我们要将牛肉水解成各种氨基酸, 要在100 ℃下加热20 多个小时, 而且要加入盐酸作为催化剂。然而, 如果我们将牛肉吃进肚子里, 只要几个小时就将牛肉完全分解了, 分解的速度要比实验室中快得多, 而且是在37 ℃左右下悄悄进行的? 因此, 大家可能会问: 为什么生物体内进行的化学反应速度极快而且不需要高温条件? 这是因为: 生物体内存在着一类特异的物质。它们的种类繁多因而各司其职、按部就班地催化着各种不同的化学反应。我们把生物体内这种具有催化功能的物质叫酶。酶就像魔术师一样控制生物体内各种不同的化学反应有条不紊地进行着。

  由于酶具有极高的催化能力, 它们可以催化很多十分复杂的化学反应而且不需要高温条件, 科学家们于是千方百计地寻找它们, 希望能将它们从生物体中抓出来, 然后利用它们来催化各种我们需要的化学反应。到目前为止, 科学家们已经发现的酶有2500 多种。令人十分惊奇的是, 微生物是名符其实的产酶“全能冠军”, 它们的产酶本领是其他生物无法比拟的。第一, 在目前发现的2500 多种酶中, 几乎所有的酶微生物都能产生, 而动物和植物只能产生其中一部份。第二, 微生物产酶的能力最高, 在一个小小的微生物细胞中可以积累很多的酶。第三, 微生物生长繁殖的速度最快, 因而产酶的速度也快。由于以上三点, 微生物当之无愧地成了科学家们研究酶的“掌上明珠”。

  由于酶具有以上我们讲的这些神奇的能力, 现在有一门工业就叫酶制剂工业。酶制剂工业是国民经济建设中的重要产业之一, 它的产品在食品、医药、纺织等几十个工业领域中得到了广泛的应用。现在, 在酶制剂工厂中生产的酶制剂有50 余种, 其中绝大部份是利用微生物发酵来生产的。

  科学研究发现, 几乎每一种真菌和细菌等微生物都能产生至少千种以上的酶。这是因为: 微生物虽小, 但它们体内进行的化学反应却是数不胜数的。而酶有一特点就是各种酶都只干自己的事, 对其他化学反应是一窍不通的, 例如蛋白酶只负责催化蛋白质的水解, 淀粉酶则仅负责对淀粉的水解。因此, 一个小小的微生物细胞为了使各种化学反应能够进行, 只能自己拥有许多的酶类各负其责。正所谓“麻雀虽小、肝胆俱全”。

  各种微生物产生各种酶的能力是不一样的。这一点很好理解, 因为生物体进行的化学反应虽然数不胜数, 但各种化学反应进行的次数多少却是千差万别的。有的化学反应如合成和分解蛋白质的反应在细胞内反复进行, 因此催化这类化学反应的酶就多一些, 而有的化学反应仅是偶尔而为之, 催化这类反应的酶就要少得多。

  我们从自然界中抓来的各种微生物都能产生多种不同的酶, 但它们产酶的能力一般都不很高, 只要自身够用就行了。因此, 从自然界中分离的微生物一般不能直接应用于生产。我们在工厂里使用的微生物大多经过了科研人员的精心的改造。改造微生物的方法很多, 其中目前用得最多的就是前面讲过的用紫外线和化学试剂处理的方法, 分别叫作紫外诱变和化学诱变。例如, 我们从自然界抓到的米曲霉, 它们产生蛋白酶的能力一般都较低, 经过紫外诱变和化学诱变后, 它们产生蛋白酶的能力可以提高几十倍至上百倍。还有一种十分先进的方法, 叫基因工程技术, 它像做手术一样可随意增加微生物细胞中产生某种酶的“车间”, 从而使它们产酶的能力提高很多。

  我们是怎样知道微生物是否产生某种我们需要的酶的呢? 科学家设计了许多十分巧妙的方法。例如, 如果我们要从土壤中抓到产生蛋白酶的微生物, 可以将它们接种在含有一种叫酪蛋白的蛋白质培养基上, 培养几天后拿出来观察,

  如果哪一种微生物的菌落周围有一个透明的圆圈, 就说明这种微生物将酪蛋白水解了。毫无疑问, 它就是我们要找的微生物。筛选产生淀粉酶的微生物的方法也设计得非常巧妙。

  我们可以将要测定的几百个菌株接种到含有2% 淀粉的培养基上, 几天之后拿出来观察, 首先在每个培养皿里倒一点稀碘液, 几分钟之后观察培养皿是否有白色的亮点或透明的圆形, 如果有就说明这种微生物产生淀粉酶。这是因为: 淀粉遇到碘时会产生蓝色, 如果微生物将淀粉分解了就没有蓝色反应。

  酶的种类繁多, 为了区分它们, 科学家们分别对每一种酶都加以命名。酶的命名有多种方法, 目前应用得最多的方法是以各种酶催化的反应来命名。例如, 催化蛋白质水解的叫蛋白酶, 这里省略了“水解”二字。同样地, 催化纤维素水解的叫纤维素酶, 催化淀粉水解的叫淀粉酶, 催化脂肪水解的叫脂肪酶, 等等。催化水解反应酶命名时都可以省略“水解”二字, 而催化其他类型反应的酶命名时不能省略, 例如, 催化葡萄糖氧化的酶必须叫葡萄糖氧化酶, 催化硝酸还原的酶也必须叫硝酸还原酶。

  目前在工业上大量生产的酶有50 余种, 其中比较重要的有10 余种, 大部份是水解酶类。酶的生产与抗生素很相似, 一般是将微生物接种到灭菌的发酵罐中, 发酵罐中装有微生物生长繁殖需要的培养基, 然后在适当的温度下通气培养, 通入的空气是已灭菌的清洁空气。培养几十个小时或几天后, 将发酵液中的酶提取出来, 最后制成固体的或液体的酶制剂产品。酶的提取工艺比较复杂, 这里不作介绍。在以后的篇幅中, 我们重点介绍几种在工业上用途十分广泛的酶制剂, 并着重介绍它们的应用情况。

  蛋白酶是世界上产量最大的酶制剂之一, 目前在工业上生产的蛋白酶主要是用细菌和真菌发酵生产的。所用的细菌种类很多, 主要是一类叫作芽孢杆菌的细菌, 如枯草芽孢杆菌。用于生产蛋白酶的真菌主要是霉菌如米曲霉等。蛋白酶在工业上的用途十分广泛。大家非常熟悉的加酶洗衣粉就是加入了蛋白酶, 它对于洗除衣服上的汗液、血迹和油迹非常有效, 因为血迹等脏物中的主要成份是蛋白质, 洗衣粉中加入蛋白酶后对洗除这些脏物有立竿见影的效果。蛋白酶不仅是一种有效的消化剂, 还是良好的消炎剂, 因此被用于制造多种药物, 这些药物对于化痰止咳、消炎退肿等具有特殊的效果。在制革工业中, 蛋白酶被用于皮革的脱毛。在纺织工业中蛋白酶被用于苎麻和丝的脱胶, 因为苎麻纤维的外面包了一层厚厚的胶质, 这种胶质主要是由蛋白质粘连在一起的, 只有脱去这层胶质才能用于纺织。在制药工业中, 蛋白酶被用于制造几十种产品, 如胎盘水解物、蛋白胨水解、蛋白输液和混合氨基酸等, 这些产品还是化学工业中的重要原料。除此之外, 蛋白酶还可用于啤酒和葡萄酒的澄清。

  在酿酒工业中, 我们使用的大多数原料是玉米、高粱、稻米等, 它们的主要成份是淀粉。我们知道, 酵母菌是我们用于酿酒的微生物, 而酵母菌是不吃淀粉的, 因此我们必须帮助酵母菌先把淀粉变为葡萄糖、蔗糖等糖类物质, 这一过程在酿酒工业中叫“糖化”。有一种酶叫糖化酶, 它就是专门负责将淀粉转变为糖的, 因此目前我国许多工厂就专门为酿酒工业生产糖化酶产品。用于生产糖化酶的微生物是一种叫黑曲霉的真菌, 将它们接种在含有培养基的发酵罐中, 在31 ℃下通气培养100 多个小时, 就可以生产出糖化酶。

  蔗糖是我们平常食用最多的甜味剂之一, 而且具有一定的营养, 但它有一个缺点: 就是不够甜。因此在食品工业中一直在寻找更甜的东西, 结果找到了糖精, 它比蔗糖还甜500 倍。可是很快发现糖精对人有毒副作用。于是, 还得继续寻找。很快科学家们就找到了答案, 他们发现有一种酶专门负责将蔗糖转变为果糖, 果糖的甜度是蔗糖的2. 5 倍, 而且营养与蔗糖相当并且完全无毒副作用, 是替代蔗糖的最佳物质。现在, 许多工厂就专门生产这种酶, 它叫葡萄糖异构酶, 是由细菌生产的。十分有趣的是: 我们培养这些细菌时, 如果不加入一种叫木糖的物质, 这些细菌是不产生葡萄糖异构酶的, 而一旦加入了木糖就开始产生这种酶了。可是木糖的价格很贵, 在经济上不合算, 因此目前在工业上主要使用玉米皮和麸皮等原料来生产这种酶。葡萄糖异构酶目前在生产上的用处很大, 我国正在努力开发这一产品, 并取得了一定成效。世界上的花草树木的主要成份是纤维素, 它们是一个一个的糖分子连接而成的大分子。纤维素是地球上产量最大的物质, 可惜除了牛、羊等少数几种食草动物外, 大多数高等动物包括人类根本无法利用纤维素。因此, 科学家们一直希望能找到一种能分解纤维素的酶, 然后利用这种酶来分解纤维素, 生产我们需要的多种糖, 这样, 我们需要的糖类物质就取之不尽了。幸运的是, 在科学工作者的努力寻找下终于找到了这种酶, 它叫纤维素酶。科学研究发现, 许多真菌都能产生纤维素酶, 特别是一类叫木霉的霉菌生产纤维素酶的能力很强。目前已有许多工厂生产纤维素酶, 并已在生产上应用, 但成本方面很不合算, 仍有待努力研究。淀粉酶是工业生产上十分重要的酶制剂之一, 我们在前面讲到的糖化酶就是淀粉酶的一种, 除此之外还有许多种类。有一种淀粉酶叫做α-淀粉酶, 它是由芽孢杆菌生产的, 是产量最大的淀粉酶。α-淀粉酶也是催化淀粉的水解, 但它催化的水解产物不是葡萄糖, 而是由多个葡萄糖分子连接起来的糊精或由两个葡萄糖分子形成的麦芽糖。α-淀粉酶在工业上具有的用途很广泛。在纺织工业中, 织布时为防止经纱的断头过多必须加入浆料, 加入浆料后可使经纱光滑而不易产生断头, 浆料是由淀粉制成的。因此在制浆时必须加入α-淀粉酶来控制其粘度。当布制好后又必须进行退浆处理。因为浆料存在会影响布的染色不均匀, 在布坯的退浆过程中也是加入α-淀粉酶使浆料完全水解掉。除此之外, α-淀粉酶水解淀粉产生的糊精是十分重要的工业原料, 它可以用来制造纯度很高的葡萄糖, 还可以用于制药业, 例如我们平常吃的药片就是用糊精加上适量的药剂制成的。

  植物的细胞与细胞之间是由一种叫果胶的物质连接起来的。果胶是一种高分子物质, 它是由成千上万个小分子连接而成的, 这些许许多多小分子叫半乳糖醛酸。有一种酶叫果胶酶, 它专门催化果胶的水解, 使果胶水解为一个个的半乳糖醛酸。许多霉菌和细菌都可以产生果胶酶。果胶酶的用途十分广泛。例如我们制作果酱、果冻和果糕时要用果胶和糖来形成胶冻, 但往往会由于加糖过多而使果味失真。如果我们加入少量的果胶酶使果胶分解为果胶酸, 然后加入少量的钙盐, 这样制出来的果酱的质量就要好得多。大麻和亚麻等麻类纤维的外面有一层坚韧的胶质层, 它的主要成份是果胶。我国早在6000 多年以前就知道将麻类的茎杆放在池塘中沤麻, 利用池塘中的许多微生物自然产生的果胶酶将胶质分解掉, 然后只要轻轻敲打和冲洗就可以制得又白又韧的麻纤维用于织布。现在, 很多科研人员正在进行这方面的研究, 希望能用工业生产的方法制造果胶酶, 然后进行工业化的麻类脱胶, 目前已取得很好的效果。

  许多霉菌和酵母菌可以产生一种脂肪酶, 它可以将脂肪分解成甘油和脂肪酸。在乳制品工业中, 我们常用脂肪酶来处理炼乳、乳粉和乳脂等, 使产品中增加甘油和甘油脂的含量, 这样产品具有强烈的香气。脂肪酶在洗涤剂工业中也十分有用, 加入脂肪酶制成的加酶洗衣粉对于清洗油污特别有效。在制革工业中, 脂肪酶被用于皮革的处理, 它可以将皮革上附着的脂肪清除掉, 以便于以后的加工处理。此外, 脂肪酶还可以用于制作药品, 它可以帮助消化, 是一种很好的助消化药。

  有一类酶很特别, 它们专门水解细菌和真菌的细胞壁, 因此叫溶菌酶或细胞壁溶解酶。很多细菌和真菌都产生细胞壁溶解酶, 这类酶的种类很多而且具有很大的用途。例如在医学上, 溶菌酶在血液中可与病毒或病菌结合, 阻止它们的生长繁殖, 因此是消炎和抗病毒的良药。在食品工业上, 溶菌酶可以用作防腐剂, 用于牛奶、面包、香肠等食品的防腐。在科学研究中, 溶菌酶被用于溶解细菌或真菌的细胞壁, 从而使它们的原生质体释放出来, 原生质体则是许多研究的必备材料。

  
更多

编辑推荐

1博弈春秋人物正解
2春秋战国时期社会转型研究
3俄罗斯历史与文化
4正说明朝十八臣
5中国式的发明家汤仲明
6西安事变实录
7汉武大帝
8咏叹中国历代帝王
9大唐空华记
10红墙档案(二)
看过本书的人还看过
  • 红墙档案(三)

    作者:韩泰伦主编  

    纪实传记 【已完结】

    本书以中南海为记叙轴心,以1949年10月至1999年10月为记叙时段,以建国以来的重大历史事件为背景,记述了毛泽东、邓小平、江泽民三代核心领导人以及他们的战友的政治生涯、衣食住行和感情生活。

  • 红墙档案(四)

    作者:韩泰伦主编  

    纪实传记 【已完结】

    本书以中南海为记叙轴心,以1949年10月至1999年10月为记叙时段,以建国以来的重大历史事件为背景,记述了毛泽东、邓小平、江泽民三代核心领导人以及他们的战友的政治生涯、衣食住行和感情生活。

  • 红墙档案(一)

    作者:韩泰伦主编  

    纪实传记 【已完结】

    本书以中南海为记叙轴心,以1949年10月至1999年10月为记叙时段,以建国以来的重大历史事件为背景,记述了毛泽东、邓小平、江泽民三代核心领导人以及他们的战友的政治生涯、衣食住行和感情生活。

  • 菊花与刀:日本文化诸模式

    作者:美 鲁斯·本尼迪克特  

    纪实传记 【已完结】

    作者运用文化人类学研究方法对日本民族精神、文化基础、社会制度和日本人性格特征等进行分析,并剖析以上因素对日本政治、军事、文化和生活等方面历史发展和现实表现的重要作用。用日本最具象征意义的两种事物...