生活中的神燈–觸煤：生化反應的催化劑–酵素
92/10/15
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吳昭燕｜
義守大學化學工程學系
人為什麼不能吃草
小時候住在農村，放學後常常跟著同學到農田裡。我是無所事事，但同學們通常是另有任務在身，不是去幹活，就是幫著看牛吃草。有一天，一群小毛頭突發奇想，竟學起牛吃草，結果當然是可想而知。此後雖然不再做這種令人發笑的嘗試，可是有一個問題一直存在心中，「為什麼牛可以吃草過日子，而我們卻不行？」
很多年以後，偶然在一本書上看到關於牛羊等反芻動物的報導，終於知道，原來在牛羊的胃裡，有某些微生物與之共生。這些小生物能夠分泌某些功能強大的「東西」，靠著這些「東西」的幫助，牛羊可以將吃進肚子裡的草，分解為本身可吸收應用的養分，進而維持其生命。更多年之後，我才了解，原來那些功能強大的「東西」，有個稱呼叫做「酵素」（enzyme）。
小時候，鄉間道路旁常有從圍籬伸出來的桑樹枝，假裝主人樂於分享，我們總是自作主張地幫忙採收桑葉跟桑椹，前者奉獻給蠶寶寶，後者用來照顧發饞的嘴。有時候採了太多的桑椹，怎麼辦？只好央著大人要一點點糖，跟桑椹和在一起，學著大人製酒。雖偶有佳作，但大多數的時候，都是不甚滿意，現在偶爾回想起來，總有種幸福的感覺！
根據西方史學家的研究，埃及與地中海附近的歐洲人，在史前時代就已經知道利用蜂蜜或果汁釀酒；中國的古書中亦有儀狄作酒醪、杜康作秫的記載，而這至少也是四、五千年以前的事了。
事實上，所謂的自然酒在遙遠的古代即已存在，野生水果表皮破裂後，因自然界中普遍存在的酵母菌的作用而行發酵產生酒香，在人類發展的歷史中，因發現、喜愛，進而觀察、學習，是一種相當自然的過程。只是，古人無法理解酒精從何而來？因此，將造酒的過程歸因於神奇轉換力量的協助。一直到了十九世紀以後，人們才知道釀酒原來是微生物的代謝作用所產生的結果。但是微生物如何能將不同的原料加以轉化？則非得歸功於「酵素」的貢獻不可。
生物觸媒的本質
Enzyme 一字源自希臘文，原意為in yeast；所指的是在酵母菌中，含有某種神奇的催化活力，可以將糖轉變為酒精，故名為酵素。一九二六年桑那（James B. Sumner）首度從傑克豆的抽取物中將一種尿素水解酵素結晶出來，這可說是生物化學發展上的一個重大里程碑；因為具有神奇催化能力的物質，居然也可以像一般有機化合物一樣，在試管燒杯中結晶出來。這個結果蓬勃了數十年的酵素化學研究，科學家也因而更進一步發現細胞內含有各種不同的代謝途徑。
如果將生物體內進行的化學反應直接拿到試管中進行，我們會發現其反應速率奇慢無比。為了加速反應，以維持生存的需求，生物體內部會自行製造因應的催化劑以催化反應的進行，這些催化劑就叫做酵素，亦即所謂的「生物觸媒」（biological catalysts）。我們的細胞中有成千上萬種酵素，實際上生物體內每一個代謝反應，幾乎都有一個對應的酵素負責催化的工作，不同的酵素各司其職，生命的多重面貌於焉誕生。
自然界中所有生命的活動均與酵素有密切的關聯，雖然目前的研究顯示，部分的核醣核酸（RNA）亦具有催化功能，但我們仍可說，世上若無酵素，就不可能有生命的存在。雖然部分酵素須有其他輔助因子或輔助酵素的協助，才能成為功能健全的催化劑，但大部分酵素在本質上是一種蛋白質，也由於蛋白質特有的四級結構，使得酵素具有許多得天獨厚的特異功能。
一級結構僅呈現胺基酸序列的排列方式，其實很難想像它所能賦予的功能，但當胺基酸序列捲成二級結構，形成所謂螺旋及β-摺板等固定結構，二級結構經由適當的堆疊而成為三級的獨立單位時，蛋白質因為有了固定的構形，產生了特定的催化活性或生理功能。當一個蛋白質分子包含兩個以上的三級結構單元時，其三級結構進一步組成四級結構。蛋白質的特殊結構方式，使得分子似乎具有思考的能力，知道何時該表現，何時該沈潛。因此，也有人說：「蛋白質具有結構的辨別能力，它似乎是具有智慧的。」
受酵素催化的反應物有一個特別名稱，稱為受質，在反應催化過程中，酵素提供受質一個穩定的空間，有利於穩定其過渡狀態，並快速轉變成為產物。在反應之初，酵素會和受質結合形成酵素－受質複合體，在反應終了時，酵素會回復原狀，而後可以再度從事新的反應。由於反應過程中並不會消耗酵素，且藉由酵素的參與，可以降低反應的活化能，反應速率得以加快，但是並不會改變反應的平衡關係，這也就是酵素被歸類為觸媒（或稱催化劑）的原因。
酵素的優勢與不足
基本上酵素是一種蛋白質，由於蛋白質特有的性質，使其具有智慧型的表現，與一般無機觸媒相較，酵素具有下列明顯優點。
酵素具有能準確辨識其特定受質的能力，這種能力或有可能是酵素最重要特性之一，稱之為「專一性」。一般而言，酵素的專一性可分為「反應專一性」與「受質專一性」。反應專一性：一種酵素通常只能催化某一種或某一類相同類型的化學反應，且其催化的反應幾乎不產生副反應。受質專一性：一種酵素通常只能催化某一種或某一類結構和性質相似的物質，依酵素對受質專一性要求的程度，還可分為數種不同等級。
某些酵素僅催化特定基質進行反應，即使面對同分異構物這類構造非常相似的分子，也能清楚地加以區別。如葡萄糖氧化酵素只催化葡萄糖的氧化反應，對於同為六個碳的果糖則毫無作用。有些酵素則對特定類別的化合物或某特定化學鍵進行催化，這種專一性則被稱為「官能基專一性」，如醇類去氫酵素僅對一級醇，酯解酵素僅對酯鍵具催化作用。
而有的酵素具有辨識光學異構物的能力，可選擇性地僅催化或優先催化某光學異構物。如L-胺基酸氧化酵素只能氧化L-胺基酸；而D-胺基酸氧化酵素則只能氧化D-胺基酸。
光學活性是物種一個非常有趣的特性，一個具光學活性的物質有它的鏡像物存在，但兩者結構無論如何旋轉都不能互相重疊，這兩個互為鏡像的異構物即稱之為「光學異構物」。
若以一般化學反應合成光學活性物質時，通常會獲致相同比例的光學異構物。光學異構物在物理特性上完全相同，因此，一般單純利用物理性質差異進行分離的操作（如蒸餾、萃取等），對於這些物質的分離可以說是「英雄無用武之地」。更麻煩的是，光學異構物與一般非光學活性物質反應時，其反應性亦難分軒輊，因此，如何將光學異構物分離純化，常常是光學活性物質生產製造上一個重大的挑戰。酵素對於不同光學異構物所特有的超凡辨識催化能力，使其得以成為光學異構物分離重點技術之一。
某些酵素只能選擇性地催化某種幾何異構物的反應，但對另一形態則不具催化能力。例如福馬酸與馬來酸是幾何異構物，福馬酸水合酵素只能催化福馬酸水和作用而生成蘋果酸，但對馬來酸則不起作用。
除了具有上述專一性外，經過酵素催化作用的化學反應，尚具有「產物專一性」，這與一般無機觸媒催化的化學反應經常會發現產生副產物的情況，具有相當程度的差別。
由於酵素來自生物體，其原生環境溫和，因此催化反應所需條件溫和。再者，因其催化力強，催化劑的添加量甚低。酵素的催化能力到底有多強？以雙氧水分解成氧氣和水為例：若以室溫下雙氧水的自然分解速率為一，加入無機觸媒氯化鐵後其分解速率大約為一千，但若以專門分解過氧化氫的過氧化氫分解酵素進行處理，其分解速率可高達十億，亦即反應加速了十億倍之多。另一方面，因為通常在溫和條件下即可催化反應的進行，對於能源節約亦有其正面效益。
酵素分子本身是自然界生物體的一員，具生物可分解性，環境相容性高，與一般利用無機觸媒催化的製程比較，利用酵素催化反應的製程對於環境的負面影響低得多。
不過，酵素也不是到哪裡都吃得開。雖然具有上述的特徵與優勢，酵素還是有其潛在的缺點，而使得在應用上受到相當多的限制。
酵素來自於內涵複雜的生物體，目前酵素的取得主要是靠微生物酉發酵，約占市場總量的80％。酵素依其為貯存在生物體中，或分泌至生物體外的特性，分為胞內或胞外酵素，二者在分離純化處理程序上有所差異。但一般而言，所需的生產、分離、純化操作均耗費不貲，其價格通常較一般化學觸媒高。
酵素對周圍環境的影響非常敏感，每一個酵素都有其最理想的環境條件，酸鹼值、溶劑、溫度、壓力等因素的變化，都可能對其催化能力產生明顯的影響。環境中存在的其他物質，亦有可能對其產生抑制或毒化的作用，進而影響其活性表現。
生物觸媒應用的型態
一般而言，工業生產流程有三個重點部分：反應、產品分離純化及廢棄物排放處理。由於酵素的催化能力超強，不受歡迎的副產物少，且具有自然環保的優點，如何利用酵素催化工業化的生產流程，一直是酵素應用的重點研究方向之一。
惟酵素雖發現於一九二○年代，後續的研究也開發了多種可能的應用，但由於單價不低，若無法重複使用，將其應用於生產流程尚不具經濟誘因，是以實務上的應用，一直受到相當大的局限。近幾十年來，由於酵素固定化技術的發展，使得其應用已向前跨進了一大步。
所謂的「酵素固定化」，意為利用物理或化學的方法，將酵素局限在某特定空間，且維持其催化能力，並能達到重複使用的目的。化學法是利用化學鍵結的方式，將酵素與用來固定酵素的載體連結在一起，物理法則僅利用物理的方式，將酵素吸附在載體上或包覆在特定的空間內。固定化的技術除了使生物觸媒容易與產物分離，得以重複使用外，亦使製造程序得以連續操作，提供大量生產的可能性，且能同時提升酵素的穩定性及環境的耐受性，可以說是酵素應用上的關鍵技術。
酵素雖具有超凡的功能，但由於獲致純酵素所需付出的努力與代價甚高，實際應用上採精製酵素的案例仍然有限。由於酵素取自生物體，因此，廣義的生物觸媒同時亦包含全細胞的應用。在酵素應用上，最常遭遇的問題是酵素的穩定性及純化所需的代價，因而在某些情況下，利用含適當酵素的全細胞，反而可獲致較佳的效果，尤其是當系統涵蓋多個複雜反應時。
全細胞的成本通常較低廉，惟因細胞中所含的酵素眾多，新陳代謝路徑繁雜，用來做為催化劑時，較易產生副產物。粗製酵素，因酵素尚未完全分離純化，通常仍有其他種類的酵素殘留，亦容易有副反應的發生，惟其程度應較前者稍減。
概括言之，廣義的生物觸媒可以是精製酵素、粗製酵素、全細胞，以游離態或固定化的狀態進行相關的應用。在一般應用上，採取何種類型的生物觸媒來催化反應的進行，須考量製程反應步驟數、輔酵素的需求、副反應的發生、催化效率、成本及穩定性等多項因素。前人造酒所採用的方式，即為應用全細胞的方法。
生物觸媒的應用範圍廣泛，依其使用領域，主要可分為工業用觸媒、醫藥、檢驗分析及基因轉殖等用途。在現代人的生活中，處處可見借助生物觸媒的地方：可保護牙齒的牙膏、洗衣用的清潔劑、早餐吃的麵包、乳酪、喝的低乳糖牛奶、取代蔗糖的低卡路里代糖、清洗隱形眼鏡的酵素片、書寫用的紙張、酷酷的皮衣、可分解的塑膠製品、糖尿病患者自行檢測血糖的試紙或檢測裝置……實在不勝枚舉。
簡而言之，生物觸媒已融入我們的生活之中，且其影響仍在持續擴大當中，最後列舉數種極具發展潛力的生物觸媒應用領域，以進一步了解它對人類的影響。
再生資源的利用
自工業革命以來，化石燃料一直是地球能量的主要來源，惟其貯藏量畢竟有限，能源危機的發生是可以預見的。自一九七三年發生第一次石油危機後，生質能源的開發成為太陽能運用之外的另一重點。
利用生物觸媒進行生化轉換，是將生質轉化成能源的可行方法之一，藉由適當生物觸媒的選擇及操作，可將生質轉化成沼氣（甲烷）、酒精或其他類型的燃料，如生物柴油等。利用生物觸媒進行生質能源的開發，目前已稍具成效，巴西利用酒精做為汽車燃料已有一段時間，不但可解決能源問題，亦有減少環境污染的效用。
纖維是地球上最大量的生質資源，天然纖維物中纖維素的含量約40～45％，半纖維素約30～40％，其餘則為木質素。纖維是一種葡萄糖的聚合物，若將之降解，可得到與來自澱粉相同的葡萄糖。由於人體中欠缺纖維水解酵素及半纖維水解酵素，因此無法直接以纖維維生，在牛、羊的胃中，因存在可分泌此酵素的微生物，而得以食草維生。若能利用生物觸媒將纖維物分解得到葡萄糖，再將葡萄糖進一步運用，亦是利用再生資源的另一種方法。
己二酸是合成目前廣被使用的聚醯胺纖維與尼龍6,6的主要原料之一。現行己二酸製程的原料–苯，來自化石燃料，且為毒性化學物質，而製造過程中所產生的氮氧化物，不僅會造成溫室效應，且為形成酸雨的主要成分之一，對工業安全及自然環境均存有潛在威脅。目前已研發出以微生物為觸媒，生產己二酸的前驅物己二烯二酸，取代以苯為原料的製程，具兼具環保與利用再生資源的功能。
生物感測器
所謂生物感測器，乃利用生物觸媒與其所能選擇的特定物質作用，產生物理量或化學量的改變，再藉由換能器將訊號轉變至放大器放大後，進入資料處理系統，整理出我們可以理解的訊號，藉以進行特定物質的定量分析。生物感測器通常具有高靈敏度、快速、所需試樣少等優點，是目前生物觸媒應用的熱門研究方向之一，除了可以用於不同化學物質的分析外，亦可進行免疫方面的分析等工作。
有人說，基因工程是近五十年來人類科技文明最重要的成就，其重點技術在基因轉殖的操作。酵素因具有專一性而得以催化特定核酸序列的切割與連結，在現今基因工程研究上占有不容忽視的地位，在基因工程的發展中扮演舉足輕重的角色。
生物觸媒對於生活及科技影響之廣，實在難以盡書，如果說二十一世紀是生物科技的世紀，那麼生物觸媒必將是其中閃亮的一員。
