酶工程
在学习化学时，你一定学到“催化剂”这个词，催化剂的作用是能加速化学反应的速度。随着科学技术的发展，人们发现可用“酶”作催化剂，取代以往的化学催化剂。那么，“酶”究竟是什么东西呢？酶是存在于生物体内，由细胞制造的具有催化功能的蛋白质。任何生物体都像一个复杂而完善的“化工厂”，生物体内的一切化学反应都是在酶的作用下完成的。
那么，什么是酶工程呢？酶工程是指用生物酶代替化学催化剂进行工业化生产的技术体系。酶比化学催化剂的催化速度要快1000万到100亿倍，而且不需要高温、高压等苛刻条件，只要在常温常压条件下，就能进行生物化学反应。因此，利用酶的这些特性建立起来的酶工程，有着其他化学工程技术无法与之相比的优点。一旦酶能够在工业上得到广泛应用，就可以达到简化工艺、降低能源消耗、节省设备投资和减少环境污染等目的，使工业面貌明显改观。
酶的主要来源是微生物。因此，酶工程的一大任务就是利用微生物生产酶。为此，许多国家都建立了生产酶的产业。现在，科学家从微生物中发现的酶已有2500多种。
酶工程是生物工程中的重要领域之一，它能达到高效高产的目的，有着十分广阔的发展前景。
酶的发现
一切生物的生命活动都离不开酶，而所有的生物的体内，不论是低等生物还是高等生物，都有成千上万的酶参加生物化学的反应。虽然酶这样普遍地存在，而发现酶却是250年前的事。
1750年，意大利生物学家列俄牟尔研究了鹰的消化过程。鹰是食肉性的猛禽，有十分尖利的爪和喙，但没有牙齿，吃肉时，只把猎物撕裂，连毛带骨吞入胃中。但毛和骨在胃中经过一段时间就被消化了，这是什么东西在起作用呢？列俄牟尔设计了一个实验，对鹰的消化过程进行观察。
列俄牟尔取一个金属管，金属管内放上碎肉，两端开口处用金属丝网封住，他让鹰吞下金属管，经过一些时间，再把金属管取出。结果，发现管内充满了澄澈的液体，而碎肉却不见了。
列俄牟尔这样解释这个现象：金属管阻止了胃对碎肉的直接研磨，只有胃液可以进入金属管中，所以是胃液消化了碎肉。因此，他认为胃液中一定存在一种能消化肉的物质，但还不知道这物质是什么？
1824年，科学家斯普劳斯尔证明胃液中有酸。11年之后，德国科学家施旺从胃液中提取到一种粉末，它对肉有特别强的消化作用，但肯定不是酸。施旺称它为胃蛋白酶。酶就这样被发现了。后来又陆续发现能消化淀粉的淀粉酶以及其它多种酶。
生命活动离不开酶
在大自然中，几乎到处可以见到生命的踪迹。凡有生命的地方，必然会有生机勃勃的生命活动——消化、呼吸、运动、生长、发育、繁殖等等。这些生命活动与酶的关系非常密切。酶是生物体内产生的一大类有催化作用的蛋白质。一切活细胞和生物体内都有酶存在，生物体里的新陈代谢等化学变化，都是在各种酶的作用下进行的。如吃进去的食物在肠道里消化分解，被分解的物质被吸收后在各个组织细胞里进行复杂的变化，表现出各种生命现象，都是在酶的作用下进行的。植物的种子发芽、开花、结果及光合作用，微生物的分裂、发酵等，都离不开酶。世上如果没有酶，新陈代谢就不能进行，生命活动也就停止了。
生物体里酶的种类很多，各有不同的功能，而且有高度的专一性，即一种酶只能对某一底物起作用，产生一定的产物。酶的催化能力很强，一个酶分子在一分钟内就能催化成千上万甚至几百万个底物分子的转化，胜过普通催化剂千万倍。在催化过程中，酶只是起催化作用，本身并不起变化，在化学反应完成以后，酶分子又被释放出来，重新催化另一分子底物，因而可以连续不断地起催化作用。
迄今已知的酶大约有3000多种，不少已能人工合成，约200种已被制成了结晶。各种酶制剂广泛应用在医学、工农业上，为日常生活和生产活动提供了方便。
酶的特点
酶是催化剂，而且是特殊的具有催化功能的蛋白质。那么，什么是催化剂？著名的化学家奥斯瓦尔德下了这样一个定义：催化剂是一种能够影响化学反应速度，但不在反应产物中出现的因素。根据这个定义，催化剂首先能加快化学反应速度；其次，不改变反应的物质；第三，催化剂在反应前和反应后不发生变化。由于酶完全符合以上特征，因此，酶是催化剂。
酶最显著的特点是什么呢？
首先，酶有极高的催化作用，这是普通催化剂所无法比拟的。酶可以把生物体内的生化反应速度提高到1亿至100亿倍。例如淀粉水解可形成单糖，这在理论上完全可行。可是淀粉放在水里，如无任何微生物参与，淀粉不会变成单糖，因为无催化剂。如果加入一丁点淀粉酶，反应速度加快，很快就可以尝到甜味了。
第二，酶有专一性。一种酶只能催化一种或一类生化反应，就像一把钥匙开一把锁一样。
第三，酶对高温十分敏感。生物体内的生化反应都在常温、常压下进行，酶才不会失活。如果将酶加热，酶就会变性，失去活性。
总之，酶的应用取决于这些特点，在高温高压条件下应用酶是不会成功的。因此，需要选择和创造一个适合的环境条件，对酶取长避短，充分发挥它的作用。
酶是蛋白质
生物学家在进一步研究酶以及它的特性时，观察到这样一种极为有趣的现象：不管反应物是否预先经过加热处理，在冷却后都能被酶催化；但反过来情况就不同了，先加热处理酶，冷却后再加入到反应物中去，它就没有催化能力了。
原来这是酶的一个重要特性，即对热特别敏感，极容易受热而失活。在研究蛋白质时，科学家早就知道有一类蛋白质对热也十分敏感，因此联想到酶很可能也是一种蛋白质。这种猜想后来被证实。蛋白质和酶极为相似，凡是能使蛋白质分解破坏的一切外部条件，也能同样使酶的催化能力丧失。同时，还发现酶和许多蛋白质的物理化学性质也十分相似，但当时还不能确定酶就是一种有催化能力的蛋白质。诺贝尔奖获得者德国化学家威尔斯塔特提出酶不是蛋白质的观点。他采用提纯酶的方法，使酶达到了前所未有的纯度，同时又制备了酶的高浓度溶液，对其检测，没有测出蛋白质。他因此认定，酶不是蛋白质。
到了本世纪20年代，美国科学家萨姆纳从刀豆中提取到尿素酶。这种酶可以使尿素分解为氮和二氧化碳，并使尿素酶提纯到结晶体状态。他对尿素酶进行详尽的研究，证明它是蛋白质。以后另一位美国化学家诺斯罗谱等又相继获得胃蛋白酶、胰蛋白酶等结晶体，并证明这些酶也是蛋白质。直到此时为止，酶才被确认为是一种有催化功能的特殊蛋白质。
酶要进行提纯
酶，从动植物细胞和微生物中提取之后，往往不能直接应用，这是因为生物在合成酶的同时也合成其他大分子物质。而这些大分子物质会严重干扰酶的作用，因此必须把酶从中分离出来。如果酶不纯，那么极有可能在应用中形成几个生化反应同时进行，结果得到的产物也就不是单一的。当然，酶并不是越纯越好。不同的生物化学反应，对酶的纯度要求也不一样。因此，要把酶制成不同的酶制剂，以便适应各种需求。
要对酶进行分离和提纯，有多种方法。当酶从生物细胞以及微生物中产生之后，可能留在细胞内，也可能分泌到细胞外面。如果是胞外酶，这就方便多了，只要收集微生物和细胞的培养液进行分离和提纯就可以了。如果酶在细胞内（称胞内酶），则必须研碎细胞，才能把酶提取出来。不论是胞外酶还是胞内酶，都可能会含有一些其他大分子物质，如核酸、蛋白质和淀粉之类的东西。
对付核酸，只要在酶溶液中加入核酸酶，就可以去掉核酸。对于淀粉也比较好办。最难对付的是蛋白质，因为酶也是蛋白质，能破坏蛋白质的方法也可以破坏酶，所以提纯是件比较困难的事。但随着现代科学技术的不断进步，经过研究，已找到沉淀法、分子过滤法等。采用以上提纯方法，就可以得到不同纯度的酶，这为酶的广泛应用打开了方便之门。
