酶固定化技术的应用

酶固定化技术的应用
王
薇，王晓蕾，张
琇
（北方民族大学生命科学与工程学院，宁夏
银川
750021）
摘要：固定化酶便于运输和贮存，有利于自动化生产，是近年发展起来的酶应用技术。

介绍了酶固定化技术的应用，包括传统酶固定化技术的应用、利用不同载体材料的酶固定化技术的应用、利用不同载体材料改性后的酶固定化技术的应用以及新型酶固定化技术的应用。

关键词：固定化酶；固定化技术；应用中图分类号：Q814.2
文献标识码：A
文章顺序编号：1672-5190（2010）11-0063-02
Application on Enzyme Immobilization Technique
WANG Wei,WANG Xiao-lei,ZHANG Xiu
（College of Life Sciences and Engineering,North University for Nationalities,Yinchuan 750021,China ）
Abstract ：Because immobilized enzyme is easy to be transported,stored and produced automatically,it is a new application technique of
enzyme in the recent years.In this article,the technique application of enzyme immobilization were introduced,including tradition technique,exploitation of different carrier material,reshaping after using different carrier material,and new type technique.Key words ：immobilized enzyme;immobilized enzyme technique;application 酶的固定化（enzyme immobilization ）是指采用有机或无机固体材料作为载体（carrier or support ），将酶包埋起来或束缚、限制于载体的表面和微孔中，使其仍具有催化活性，并可回收及重复使用的酶化学方法与技术。

与游离酶相比，固定化酶在保持其高效专一及温和的酶催化反应特性的同时，又克服了游离酶的不足，呈现出贮存稳定性高、分离回收容易、可多次重复使用、操作连续可控、工艺简便等一系列优点。

1传统酶固定化技术的应用
传统酶固定化技术有化学法和物理法两大类。

化学法
包括交联法、共价结合法，是将酶通过化学键连接到天然的或合成的高分子载体上，使用偶联剂通过酶表面的基团将酶交联起来，而形成相对分子质量更大、不溶性的固定化酶的方法。

物理方法包括结晶法、分散法、物理吸附法、离子结合法、包埋法等。

物理法固定酶的优点在于酶不参加化学反应，整体结构保持不变，酶的催化活性可得到很好保留。

1.1化学法酶固定化技术的应用化学法酶固定化技术
的应用是比较广泛的，陈莉敏等人以壳聚糖为载体，戊二醛为交联剂，将α-淀粉酶固定。

结果表明，固定化酶在70℃仍有较高热稳定性，而原酶活力明显下降；固定化酶的
K m=0.62×10-2mg/mL ，原酶的K m=1.12×10-2mg/mL ［1］。

刘颖
等人以海藻酸钠为载体，海藻酸钠浓度为4.5%，包埋体积比为1∶1的转谷氨酞胺酶，滴入0.2mol/L 的CaCl 2溶液中固化1h ，在30℃下，用pH=6的1.5%的戊二醛溶液交联
2.5h 。

采用先包埋，后用戊二醛交联的方法固定微生物来源
的转谷氨酞胺酶。

这种方法不但操作简便、省时、保存方便，而且经济价廉、机械性能强、可回收率高。

固定化酶与游离酶相比，最适温度升高，热稳定性增强。

固定化酶贮存时间
长，操作稳定性强，在相同条件下可重复使用5次，剩余酶活仍然保持在90%［2］。

1.2物理法酶固定化技术的应用物理法酶固定化技术的
应用在食品工业上有广泛的应用［3-4］。

为了解决部分人体内缺乏乳糖分解酶（即乳糖酶或半乳糖酶）的问题，曾采用聚丙烯酰胺包埋法，将乳糖酶固定化后，与牛奶作用去除乳糖。

在意大利，科学家们从大肠杆菌的酵母中提取精制乳糖酶，用三乙酰纤维素膜包埋，生产无乳糖牛奶。

该方法生产酶稳定性高，可以连续生产80d 以上。

此外，乳糖在温度较低时易结晶，用固定化乳糖酶处理后，可以防止其在冰淇淋类产品中结晶，从而改善产品口感，提高产品品质［5］。

2利用载体的酶固定化技术的应用
2.1
利用无机载体材料的酶固定化技术的应用
2.1.1
利用传统无机载体材料的酶固定化技术的应用：传
统的无机载体材料（如二氧化硅、活性炭、硅藻土等）来源方便、廉价、机械强度高、无毒，一般是借助吸附方法来制备固定化酶，或经小分子化学改性以共价键合方式制备固定化酶。

谭天伟等以硅藻土吸附固定猪胰脂肪酶，固定化酶的活性达1020U/g ［6-7］。

高贵等用硅藻土在最优条件下吸附扩张青霉脂肪酶，每克载体上的蛋白载量52mg ，活力为1301U/g ［8］。

Ding 等合成了硅纳米管并用于溶菌酶的固定，研究结果表
明，硅纳米管的中孔结构对溶菌酶的吸附特别有效，吸附作用主要决定于硅纳米管和溶菌酶分子之间的静电作用［9］。

2.1.2利用改性无机载体材料的酶固定化技术的应用：利
用组成和结构可调控的有机聚合物对传统无机载体材料进行改性修饰，制备兼具两者优良特性的复合载体也开始使用于酶的固定化研究。

如梁华正等人用右旋糖酐对硅胶表面改性修饰可改善其表面的生物亲和性，用于固定β-葡萄糖苷酶时可大大提高酶的负载量
［10］。

辛嘉英等用TiCl 对
Al 2O 3进行处理，通过改进Al 2O 3表面结构以及化学修饰的
方法，使表面的片状层变为疏松的多孔层，试验表明，这种结构特点使酶与载体表面形成钛螯合物，增加了酶的固定量［11］。

Miura 等利用电子辐射在聚乙烯中空纤维上接枝交换
收稿日期：2011－01－11
基金项目：国家民委发酵酿造工程生物技术重点实验室项目
（2008SY012）。

作者简介：王薇（1978—），女，讲师，硕士，主要从事生物化学技
术的教学与科研工作。

Animal Husbandry and Feed Science 畜牧与饲料科学2011，32（1）:63-64
基团2-烃乙基氨基（-NHC2H5OH）和苯基，然后用其活化的载体固定α-淀粉酶，得到了较高的酶固定量，水解淀粉的速率分别是2.5，42kg（h·L）［12］。

而Opwis等则利用紫外辐射法将过氧化氢酶固定于聚酯纤维和锦纶66纤维，最大的酶固定量分别为32.2和22.0mg/g，酶活保持率分别为11.3%和18.3%［13］。

2.2利用有机载体材料的酶固定化技术的应用
2.2.1利用传统有机载体材料的酶固定化技术的应用：天然聚多糖是一种廉价的可再生资源，广泛存在于自然界，并且有降解性好、易于改性、对环境友好的特点，常作为有机载体材料应用于酶固定化中。

例如壳聚糖具有很好的成膜特性，可以把壳聚糖与酶、保护剂、交联剂共同混合，涂膜、干燥、得到固定化酶膜；也可以用其他物质作为支持物，用壳聚糖涂层作为固定化酶载体［14-16］。

葡聚糖具有良好的生物相容性，与疏水聚合物相比，同被固定化的酶之间只有弱得多的相互作用，固定在葡聚糖中的酶活性能够保持较长时间［17］。

魔芋凝胶、海藻酸钙凝胶、卡拉胶是应用较广的葡聚糖材料。

Pérols等做了用魔芋冷溶胶包埋水解蛋白酶的研究。

将33.3mL魔芋冷溶胶（含有0.5mol/L HCl，pH值为7.0）和6.7mL酶溶液（50g/L）混合。

40mL酶/魔芋溶液迅速倒入装有160mL菜油的烧杯中，在700r/min转速下，搅拌15min，将油包水微乳液相分散。

接着加入160mL90℃的热菜油，可得魔芋凝胶，使其在50℃下反应20min后，冷水浴冷却到20℃。

将油包水微乳液悬浮物用蒸馏水冲洗，得到固定化酶的凝胶。

结果表明，蛋白酶B500大约保持了50%的水解蛋白活性，损失很少，非常适合实际生产［18］。

2.2.2利用改性有机载体材料的酶固定化技术的应用：载体材料的性能直接影响其固定化酶的催化活性。

酶的固定化对载体材料有很高的要求。

因此通过改性充分发挥载体材料良好的性质，包括机械强度、热稳定性、化学稳定性、耐生物降解性及对酶的高度亲和性，并能保持较高的酶活性等。

杨景峰等人将变性淀粉在酶固定化中的应用做了综述［19-20］，提出用磁性淀粉微球为载体，采用戊二醛交联法固定化脂肪酶，得到的磁性固定化脂肪酶的总活力、蛋白载量、比活、活性回收率、热稳定性（在水介质和正己烷中）、操作稳定性、pH值稳定性均比自由酶明显提高［21］。

而潘丽军等以多孔淀粉接枝丙烯腈、丙烯酰胺两亲性高分子化合物为载体，共价偶联固定纤维素酶。

酶分子与载体颗粒结合后，刚性增加，提高了固定化酶的热稳定性，且其重复使用稳定性和储存稳定性也有明显提高［22］。

3新型酶固定化技术的应用
运用当代高新技术设计合成新型载体以及两者的有机结合是引人注目的研究动向，磁性高分子微球是近20年来发展起来的一种新型功能高分子材料，磁性高分子微球是指内部含有磁性金属或金属氧化物（如铁、钴、镍及其氧化物）的超细粉末，而具有磁响应性的高分子微球。

邱广亮等采用乳化复合技术制得磁性淀粉复合微球，并以该微球为载体，采用溴化氰共价结合法、戊二醛交联法、物理吸附法固定化α-乙酞乳酸脱羧酶（ALDC），将固定化ALDC用于啤酒发酵具有明显降低双乙酰的效果［5］。

4展望
近年来，酶固定化技术已在食品工业、精细化学品工业、医药，尤其是手性化合物等行业得到广泛应用，在废水处理方面也取得了一定进展。

用酶技术生产化工产品，条件温和，无“三废”产生，随着人类对环保的日益关注，酶的固定化及应用研究已得到长足进展。

目前，如何充分利用天然高分子载体对其改性，或利用超临界技术、纳米技术、膜技术等来固定酶，必定会成为研究的热点。

而固定化酶在各行业的应用研究也必将推动酶固定化技术的进一步发展。

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（责任编辑：栗林）
畜禽养殖环境污染及其治理的基本途径
丁树谦
（辽宁省营口职业技术学院环化系，辽宁
营口
115000）
摘要：畜禽养殖产生的粪尿、畜禽产品中有毒有害物质的残留以及来自畜禽场的废弃物均已成为农业面源污染不可忽视的污染源。

为了加强对这些有害物质的控制及其治理，报告了我国畜禽养殖环境污染的现状，并对畜牧业环境污染的特点及其危害进行了调查分析与研究。

提出了开发环保饲料技术、畜牧业生态工程技术、生物和生态净化技术、粪便的资源化再利用技术，制定完善了防污染的法律法规、加强环境监督与药物管理等一系列解决畜禽养殖业环境污染问题的基本途径。

关键词：畜禽养殖；环境污染；危害；解决途径中图分类号：X713文献标识码：A
文章顺序编号：1672-5190（2011）01-0065-03
Environmental Pollution in Livestock and Poultry Industry and Its Basic Countermeasures
DING Shu-qian
（Department of Environmental Chemistry,Yingkou Vocational and Technical College,Yingkou 115000,China ）
Abstract ：Manure produced by livestock and poultry,residues of toxic and hazardous substances in animal products and waste from
breeding farms have become unnegligible pollution sources in agriculture.In order to strengthen the control and governance of these hazardous substances,the paper reports the status of environmental pollution caused by animal breeding in China and analyzed its characteristics and hazards.The paper also proposes a series of basic countermeasures to solve environmental pollution in livestock and poultry industry,which include developing environmental protection feed technology,animal husbandry eco -engineering technology,biological and ecological purification technology and manure recycling technology;formulating laws and regulations for pollution control;and strengthening supervision and drug administration.
Key words ：animal breeding;environmental pollution;hazards;countermeasures 环境污染主要指畜禽养殖所产生的粪尿、畜禽产品中有毒有害物质的残留物及来自畜禽场（户）的废弃物对农业环境的污染［1］。

包括洗刷用具、场地消毒和畜禽饮水所产生的污水，死鸡、死猪，孵化残余物（蛋壳、死胚、绒毛、胎粪等），含有致癌性毒素的霉变饲料，各种疫（菌）苗使用后所产生的空瓶和抗生素药物使用后所产生的瓶、袋等包装物，饲料加工过程产生的粉尘，内燃机废气，屠宰场（户）的废物、污水、下水、废气，苍蝇、蚊虫等昆虫。

其中，最主要的是畜禽粪尿污染和畜禽产品中有毒有害物质的残留物对人类健康构成的困扰。

据测定，一个饲养10万只鸡的工厂化养鸡场，每天产生的鸡粪便可达10t ，年产鸡粪达3600t 。

据联合国粮农组织20世纪80年代估测，全世界每年产生的鸡粪总量达460亿t ，这些鸡粪若处理不当，则是一个相当大的环境污染源。

1头猪日排泄粪尿按6kg 计，是1个人每天所排粪尿量的5倍，年产粪尿约达2.5t 。

如果采用水冲式清粪，1头猪的污水日排放量约为30kg 。

1个千头猪场日排泄粪尿可达6t ，年排泄粪尿达2500t ，采用水冲清粪则日产污水达30t ，年排污水1万多t 。

据测定，成年猪每日粪尿中的BOD （生化需氧量）是人类粪尿的13倍［2］，若发生污染
即可达到严重污染程度。

1998年，我国生产的5360万t 肉类主要来自肉猪，年排泄粪尿总量是全国人粪尿BOD 的11倍，且随着我国养猪业的发展，其情况还会更加严重。

随着人类生活水平的提高，对肉、蛋、奶的需求量不断增加，致使畜禽生产规模愈来愈大，现代化、集约化程度愈来愈高，饲养密度及饲养量急剧增加。

畜禽饲养及活体加工过程中产生的大量排泄物和废弃物，对人类、其他生物以及畜禽自身生活环境的污染愈来愈突出。

据20世纪90年代初，中国农业环境保护协会牧业生态环境考察组的报告资料显示，上海郊区饲养的畜禽每年产生的粪便量就已突破了120万t ，远远超过工业废渣的排放量（66.311万t ），也超过了全市居民生活废弃物的排放量（66.344万t ）。

因此，从环境保护的角度来看畜牧生产过程，不难发现，畜禽养殖已成为一个不可忽视的污染源。

1畜禽养殖环境污染的特点与危害
1.1臭气问题
畜禽养殖臭气的产生，主要是两类物质，即
碳水化合物和含氮有机物。

在有氧的条件下这两类物质分别分解为CO 2、水和最终产物———无机盐类，不会有臭气产生。

当这些物质在厌氧的环境条件下，可分解释放出带酸味、臭鸡蛋味、鱼腥味、烂白菜味等特殊的刺激性气味，若臭气浓度不大、量少，可由大气稀释扩散到上空，不引起公害问题；若量大且长期有高浓度的臭气存在，就会使人有厌恶
收稿日期：2011－01－11
作者简介：丁树谦（1959—），男，副教授，主要研究方向为环境
教育和环境保护。

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Animal Husbandry and Feed Science 畜牧与饲料科学2011，32（1）:65-67。