取代化工催化剂的生体催化剂--酵素

一、前言

在化学工业生产流程中，某些反应不仅需在高温高压下进行，还常需使用催化剂来推动化学反应，这些催化剂多半是无机物。

1970年代兴起的生物技术对许多行业均产生冲击。生物技术的重要关键性技术之一是酵素科技，由于生物技术的进展，部分的化工流程也改以生物法推动，主要是藉由生物体内的酵素来作用。

二次大战结束后酦酵工业的兴起，再结合1970年代的生物技术，酵素的生产与应用有了很大突破，目前已形成重要生技产业之一。

二、酵素本质

酵素来自生物体(动、植物及微生物)，是一种生体催化剂(biocatalyst)，与化学催化剂具有类似功能，但其构造有所不同。

酵素是蛋白质的一种，蛋白质是由胺基酸所构成，因此酵素也是由胺基酸所组成。但是蛋白质不一定是酵素，只有蛋白质且具有特殊三度空间构造，又能进行生物化学反应者才是酵素。例如淀粉分解为葡萄糖需要淀粉分解酵素，在人体唾液、肠胃中均有此类酵素，但人体肌肉中的蛋白质就没有分解淀粉的功能，所以它不是酵素，两者的主要差异在于结构。因构造不同，形成的功能也有所不同，这就是酵素与一般蛋白质{zd0}的差异。

酵素存在于所有活的动、植物及微生物体内，是维持身体正常功能、消化食物、修复组织等必需的物质。

新陈代谢是人体每天必须进行的生理作用，此一生化现象简单来说就是指细胞吸收「新鲜」营养素，与排泄「陈旧」废物的过程。在新陈代谢过程中，有一个重要的催生者，那就是「酵素系统」。生命的存在，乃藉由体内成千上百种代谢反应，不断地运作而维系着。每一项新陈代谢都有专属的酵素，因应各项新陈代谢的需求，所以人体内的酵素亦有成千上百种。酵素对温度极为敏感，当人体发烧、体温上升时，酵素系统会受到波及甚至停顿，使人体呈现疲倦、身体有气无力的反应，严重者甚至连意识都会变得模糊。

酵素是由蛋白质构成，其基本成分是胺基酸，即使人体内有足量的维生素、矿物质、水分及蛋白质、碳水化合物(醣类)等，但没有酵素，仍无法维持生命。目前科学家尚无法利用人工合成来制造与生物体内相同结构的酵素。

所以，酵素可说是生命的本体，没有酵素生命就会停止，当酵素停止活动时，生命也无法持续下去。

三、酵素在产业上应用

酵素技术在二次大战之后发展极为快速，1970年代研发出固定化酵素(immobilized enzyme)技术，使得酵素在化工生产及应用上更为普及；1980年代引用重组DNA技术来改良生产菌种及动植物原料，因此酵素的生产与使用，更迈入另一新里程碑。

酵素在工业、农业及医学上用途非常广泛，例如在纺织工业上，淀粉酶用以当作拔糊剂；许多石化及特化工业生产中，某些反应也改以固定化酵素取代化工催化剂；在食品工业上，以淀粉制造葡萄糖(作为食品或点滴注射医学用途)，也需用酵素来分解淀粉。表一为化工及食品工业上常用的酵素。

表一 化工及食品工业上主要酵素
(数据源:作者整理)

在医疗方面也有作为疾病xx的医用酵素，如尿激(urokinase)、催化(catalase)，以及玻尿酸(hyaluronidase)等。另外，纳豆因为其中富含大量的纳豆激(nattokinase)，也具有分解血栓、预防心血管疾病的功效。其他医学用途方面，在健康检查中，肝功能好坏的指针就是酵素，大家所熟知的GOT与GPT即是指标酵素。

日常生活常用的洗衣粉与牙膏，若含有酵素，其功能就会提高许多。有些牙膏会添加淀粉酶、葡萄糖氧化、乳酸过氧化、溶菌，以及乳铁蛋白等成分。其中，淀粉酶可将口腔及牙缝中的淀粉分解成葡萄糖，葡萄糖经由葡萄糖氧化作用，可产生过氧化氢，过氧化氢和硫氰离子经由乳酸过氧化酶作用，再产生次硫氰离子，其过氧化氢和次硫氰离子均有xx和抑菌的功效。溶菌可分解xx的细胞壁，因此也有xx的功效。乳铁蛋白可与唾液中的铁结合，以降低唾液中的铁浓度，使xx无法生长，因此也有抑制xx生长的功能。

此种酵素牙膏含有唾液中应有的xx抑菌和xx成分，可弥补因老化、疾病和服药引起唾液减少所导致的xx抑菌和xx成分不足的情况；另一方面可以恢复唾液正常功能，改善口腔黏膜健康，又因其含有抑菌或xx成分，可防止蛀牙及牙周病的发生。

另外，碱性蛋白分解酵素也可制成药用肥皂及沐浴乳，对清洁皮肤及xx皮肤病均有帮助。

四、酵素来源与生产

酵素原本存在于生物体内，人体中的酵素是依遗传基因构造在体内自行合成的，所以有些天生具遗传性疾病(如地中海型贫血、尿酮症等)的病人，都是因为体内基因无法合成某些酵素所导致。

酵素也可藉由食物补充，其中{zh0}的来源来自xx蔬菜、水果及草本植物等，日本人常吃的生鱼片中也富含许多酵素。但食物经过蒸煮之后，大部分的酵素会受到破坏，便无法提供酵素至人体中。工业上所使用的酵素可由蔬果中萃取、发酵而制得。全方位的综X酵素产品，应是能分解蛋白质、醣类、脂肪等三大营养素的酵素，{zh0}还含有其他酵素(例如抗氧化酵素)，对于一般人的保健而言，才是{zj0}的选择。目前在市面上有许多液态的综合植物、蔬果酵素产品，不仅使用方便，更能符合食补、食疗的精神，相当备受欢迎。

另外，许多工业用酵素也能由微生物以生物技术酦酵法生产，生产方式则有液体及固体酦酵法两种(图一及图二)。

图一 微生物酵素液体酦酵流程

图二 微生物酵素固体酦酵流程

五、全球及台湾酵素产业
(一)全球酵素产业
依日本产经新闻的调查，全球酵素市场大约在10亿美元左右，2004及2005年日本酵素市场维持在160亿日圆(约1.5亿美元)。销售量{zd0}的酵素有制造干酪用凝乳酶、添加在清洁剂的蛋白酶、生产果糖用的异构化酶、淀粉及葡萄糖工业用的淀粉糖化及液化酶、饲料添加用酵素，以及医疗、农业用相关酵素等。

目前全球酵素产业大部分为欧洲公司所控制，且多半属于小国，例如丹麦的Novo公司与荷兰的Gist-Brocades NV公司即占全球市场的六成左右，其余则是由生技大国如美国与日本等国家所瓜分。因此，其他国家在酵素产业几乎无立足空间。

(二)台湾的酵素产业
1.过去
台湾地区自行研发酵素源自于1970年代，当时台湾有风光一时的菠萝加工品，而加工后的废弃物如菠萝皮及心富含有酵素，之后便利用菠萝茎萃取菠萝酵素，称为「stem bromelian」。当时台湾菠萝酵素产量曾是全球{dy}，与美国夏威夷并列全球菠萝酵素王国。

此时期台湾也曾研发木瓜酵素(papain)，可惜因为木瓜的病虫害问题没有xx解决，以致影响了原料的供应。另外值得一提的是，当时也成功的由人体的尿液中萃取尿激酶(urokinase)，这是与目前流行的纳豆激酶具类似功能的医用酵素，笔者当时曾参与研发，并在1981年获教育部科技发明奖，可见此酵素研发的重要性，其后尿激酶外销金额曾创下每年2亿元新台币的佳绩。但之后由于市场与营销策略未能充分把握而失去商机，大部分菠萝酵素厂商已将生产技术及工厂移至东南亚；而尿激酶也因原料问题，以及重组DNA技术同质产品(如TPA)的竞争而没落，也有少数厂商转至原料供应较充裕的中国大陆，但其利润已大不如前。

1970年代时期，台湾也有以xx生产的淀粉液化酶应用在工业生产上，但缺点为量少、质量也不佳。此外，有些进口商也由国外(主要是日本)进口植物所萃取的多种酵素混合的产品，作为保健食品之用，可惜当时民众对酵素认识不够，因此销售并不理想。

2.现在
目前台湾每年的酵素产值大约在2~3亿元新台币左右，包括菠萝酵素、蛋白质分解酵素、饲料添加用细胞壁分解酵素、xylanase、纳豆激酶，以及用于制造果寡糖的转化酵素等，但此酵素均以自产自用为主。

有趣的是，目前{zd0}宗的酵素产品却是保健用途的植物萃取之液体酵素，包括国外进口在内，已超过100家以上公司生产或xx酵素液，此产品之所以30年后在台湾大为盛行的原因，是民众对酵素的认知与养生观念的提升。

事实上，野生动物由于补充酵素，故较少生病。而人类由于饮食文化的关系，食物大多经过加热，存在于xx植物、动物中的酵素由于加热受到破坏，所以现代人摄取自大自然酵素的机会就不大。所以回归自然饮食的生机养生法，强调吃生鲜蔬果及喝xx果菜汁的原因即在此。

人体内经常存在一些能推动体内代谢反应的酵素，这类既存的酵素称为构成性酵素，这些酵素是利用基因功能，在人体内自行合成的，主要作用在消化食物(消化酵素)，以及维持生命(代谢酵素)。而这类酵素有一定生成量，会随年龄的增加而逐渐递减。

日常生活中，在生鲜蔬果、生鱼、肉、酦酵食品中也含有酵素，人类由外部摄取的食物酵素愈多，身体生化反应便会进行得更为顺畅，身体更为健康。

在这种教育推广有所成果的情况下，台湾民众开始相信酵素的功能，并相信xx植物萃取酵素是{zj0}酵素补充来源。由xx植物中萃取，并经由生物技术方法酦酵所得到的酵素综合液，是现代人补充酵素之{zj0}来源，这类xx植物包括蔬菜、水果，以及草本植物等。

3.未来
由于台湾生物技术发展的重点为医药品，作为特化产品之一的酵素，目前并非是政府推动生技产业的主流。未来只能依市场需求，由民间业者自行研发，期盼能有一番作为。

六、结论

酵素工业源自于19世纪，但在20世纪末融入新生物技术，无论生产技术或应用都有突破性发展，而且酵素与日常生活息息相关。在台湾目前大力推动生技产业的情况下，各界注意力也应关切未来台湾酵素产业的发展。