固定化酶制備及應(yīng)用的研究進(jìn)展

1、固定化酶制備及應(yīng)用的研究進(jìn)展 固定化酶制備及應(yīng)用的研究進(jìn)展摘要 摘要：本文主要從分析酶單獨(dú)應(yīng)用中的不足、酶的固定化載體、固定化方法等方面介紹了固定化酶制備中的研究進(jìn)展情況，并且從醫(yī)藥、食品、環(huán)保、化學(xué)工業(yè)、能源等方面其在其中的新應(yīng)用出發(fā)，對(duì)固定化酶在新領(lǐng)域中的應(yīng)用作了綜述，給固定化酶研究的發(fā)展前景進(jìn)行了展望，并且指出了今后酶固定化研究的主要方向是多酶的固定化及制備高活性、高負(fù)載、高穩(wěn)定性的固定化酶。關(guān)鍵字 關(guān)鍵字：酶；酶的固定化；載體；

2、酶固定化應(yīng)用領(lǐng)域酶是重要的生物催化劑，具有專一性強(qiáng)、催化效率高、無(wú)污染、反應(yīng)條件溫和等特點(diǎn)，在制藥、食品、環(huán)保、釀造、能源等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用中，酶也存在許多不足，如大多數(shù)的酶在高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和重金屬離子等外界因素影響下，都容易變性失活，不夠穩(wěn)定；與底物和產(chǎn)物混在一起，反應(yīng)結(jié)束后，即使酶仍有很高的活力，也難于回收利用，這種一次性使用酶的方式，不僅使生產(chǎn)成本提高，而且難于連續(xù)化生產(chǎn)；并且分離純化困難，也會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本的

3、提高等。固定化酶（immobilized enzyme）這個(gè)術(shù)語(yǔ)是在1971 年酶工程會(huì)議上被推薦使用的。隨著固定化技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)固定化菌體。1973年，日本首次在工業(yè)上應(yīng)用固定化大腸桿菌菌體中的天門冬氨酸酶，由反丁烯二酸連續(xù)生產(chǎn)L-天門冬氨酸。固定化酶技術(shù)為這些問(wèn)題的解決提供了有效的手段，從而成為酶工程領(lǐng)域中最為活躍的研究方向之一。本文將從酶生物催化劑固定化載體、固定化方法和技術(shù)及固定化酶的應(yīng)用等幾個(gè)方面出發(fā)，歸納和綜述這些方面近年

4、來(lái)的研究進(jìn)展。1 酶固定化的傳統(tǒng)方法 酶固定化的傳統(tǒng)方法關(guān)鍵在于選擇適當(dāng)?shù)墓潭ɑ椒ê捅匾妮d體以及穩(wěn)定性研究、改進(jìn)。1.1 吸附法 吸附法吸附法是利用物理吸附法，將酶固定在纖維素、瓊脂糖等多糖類或多孔玻璃、離子交換樹(shù)脂等載體上的固定方式。顯著特點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)便及條件溫和，包括無(wú)機(jī)、有機(jī)高分子材料，吸附過(guò)程可同時(shí)達(dá)到純化和固定化；酶失活后可重新活化，載體也可再生。但要求載體的比表面積要求較大，有活潑的表面。1.2 包埋法 包埋法包埋固

5、定化法是把酶固定聚合物材料的格子結(jié)構(gòu)或微囊結(jié)構(gòu)等多空載體中，而底物仍能滲入格子或微囊內(nèi)與酶相接觸。這個(gè)方法比較簡(jiǎn)便，酶分子僅僅是被包埋起來(lái)，生物活性被破壞的程度低，但此法對(duì)大分子底物不適用。1) 網(wǎng)格型將酶或包埋在凝膠細(xì)微網(wǎng)格中，制成一定形狀的固定化酶，稱為網(wǎng)格型包埋法。也稱為凝膠包埋法。2 固定化載體的要求 固定化載體的要求固定化酶載體應(yīng)具備以下要求大體上有[1]：1) 在酶催化反應(yīng)過(guò)程的惰性：載體應(yīng)不與底物、產(chǎn)物及介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。2)

6、 有良好的滲透性：制備成柱子后，能使底物和產(chǎn)物能快速通過(guò)減少吸附。3) 有生物親和性和相容性，有利于酶活力發(fā)揮和穩(wěn)定。4) 有較高酶負(fù)載量，載體表面能提供多個(gè)活性位點(diǎn)利于酶分子偶聯(lián)。3 新型固定化技術(shù) 新型固定化技術(shù)傳統(tǒng)酶的固定化方法雖在一定程度上可以增強(qiáng)生物催化劑的穩(wěn)定性，但增強(qiáng)幅度有待進(jìn)一步提高，并且在此過(guò)程中，生物催化劑酶催化活力通常損失嚴(yán)重。運(yùn)用當(dāng)代高新技術(shù)和設(shè)計(jì)合成新型載體以及兩者的有機(jī)結(jié)合是引人注目的研究動(dòng)向。因此目前不斷地

7、有新的載體和技術(shù)引入每的固定化領(lǐng)域，如：無(wú)載體固定化、微波/超聲輔助的固定化、陽(yáng)光照射、離子液體，電輔助固定化等等，且固定化生物催化劑的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、生物醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)、食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、能源領(lǐng)域等。3.1. 酶固定化過(guò)程中的新載體 酶固定化過(guò)程中的新載體3.1.1 介孔材料 介孔材料孔道的結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)酶活力及穩(wěn)定性有著明顯的影響，合適的孔道中酶固定化后其活力提高到游離酶的2倍，且三維及大孔道有利于固定化與催化過(guò)程中酶

8、蛋白和底物、產(chǎn)物的傳輸，從而能提高酶的固定化和催化效果[2]。目前，大孔道、高比表面和孔容的新型介孔材料不斷被引入酶固定化領(lǐng)域，因?yàn)榇罂椎?、高比表面、高孔容的介孔材料中酶的?fù)載量大（圖3） ，且酶的負(fù)載能快速完成，負(fù)載量顯著提高。圖3 孔道大的酶介孔材料的酶負(fù)載量大明顯提高3.1.2 納米管 納米管碳納米管( carbon nanotube，CNT)是由Iijima于1991年發(fā)現(xiàn)的一種新型納米材料。它是由石墨片層卷曲而成的無(wú)縫納米管[

9、3]。將生物分子，如氨基酸、蛋白質(zhì)、酶、DNA 等結(jié)合在碳納米管表面或端口上，可提高它在水溶液中的溶解度，為實(shí)現(xiàn)碳納米管的各種生物應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[4]。納米管的內(nèi)表面能夠與酶之間存在強(qiáng)烈的相互作用，從而使得管內(nèi)酶蛋白結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且保留相當(dāng)?shù)拇呋盍Γ⑶矣闷渲瞥呻姌O能夠有效實(shí)現(xiàn)底物氧化及電子的傳遞[5]。硅納米管用于固定化酶時(shí)，能夠保持酶的活性，并且提高酶的熱穩(wěn)定性及對(duì)PH的耐受性[6]。3.1.3 磁性高分子微球 磁性高分子微球磁性高分子微