酶固定化
酶与细胞的固定化
发酵液中含菌体少，有利于产品的分离纯化，提高产品质量等
第五节 固定化酶和固定化细胞的表征
• 缺点：酶与载体相互作用力弱，酶易脱落等 1）引入功能团和间隔臂；
第五节 固定化酶和固定化细胞的表征
酶被物理吸附于不溶性载体的一种固定化方 固定化后酶的哪些主要性质发生了变化?变化的趋势及原因分析.
常见非共价法?常见共价法?
法。 少量的持续不断的配基的脱落;
交联法由于不需要活化基团,所以条件比较温和,酶活的回收率比较高? 活力回收:指固定化后固定化酶(或细胞)所显示的活力占被固定的等当量游离酶(细胞)总活力的百分比. 第五节 固定化酶和固定化细胞的表征
颗粒、线条、薄膜和酶管等形状。颗粒状占 绝大多数，它和线条主要用于工业发酵生产 ，薄膜主要用于酶电极。酶管机械强度较大 ，主要用于工业生产。
固定化酶的优势：
① 极易将固定化酶与底物、产物分开；产物溶 液中没有酶的残留，简化了提纯工艺；
② 可以在较长时间内进行反复分批反应和装柱 连续反应
③ 酶反应过程能够加以严格控制； ④ 较游离酶更适合于多酶反应； ⑤ 在大多数情况下，能够提高酶的稳定性； ⑥ 可以增加产物的收率，提高产物的质量； ⑦ 酶的使用效率提高、成本降低。
在中性pH下优先与a-氨基反应,因此有一定的选择性 缺点：在包埋过程发生的化学反应同样会导致酶的失活。
• 优点：酶活性中心不易被破坏，酶高级结构 二、载体活化程度和固定化配基密度的测定
固定化过程中，酶分子空间构象会有所变化，甚至影响了活性中心的氨基酸；
用此法制备的固定化酶有蛋白酶、脲酶、核糖核酸酶等。
酶的固定化方法
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酶的固定化方法
酶的固定化方法不下百种，归纳起来大致可以分为三类，即载体结合法、交联法和包埋法。
载体结合法是指将酶固定到非水溶性载体上的方法。
根据固定方式的不同，这种方法又可以分为物理吸附法、离子结合法和共价结合法。
物理吸附法是指将酶吸附到固体吸附剂表面的方法，固体吸附剂多为活性碳、多孔玻璃等。
离子结合法是指通过离子键将酶结合到具有离子交换基团的非水溶性载体上的方法，载体有离子交换树脂等。
共价结合法是指酶和载体以共价键的形式结合在一起的方法，这种方法需要酶和载体都具有氨基、羧基或羟基等官能团。
交联法是指通过双功能试剂，将酶和酶联结成网状结构的方法。
交联法使用的交联剂是戊二醛等水溶性化合物。
包埋法是指将酶包裹在多孔的载体中，如将酶包裹在聚丙烯酰胺凝胶等高分子凝胶中，或包裹在硝酸纤维素等半透性高分子膜中。
前者包埋成格子型，后者包埋成微胶囊型。
清华同方教育技术研究院。
酶的固定化
酶的固定化
酶的固定化是将活性酶和不溶性物质或其他支架结合到一起，使酶的活性能够稳定地保持，并且具有较高的活性。
酶的固定化主要应用于分子生物学、生物工程和生物分析等多个领域，具有提高效率、方便操作的优势。
常用的酶固定化方法包括疏水键结合、静电结合、covalent bond结合和特异性结合等。
疏水键结合可以将酶和支架表面上带有疏水基团的物质结合起来，当改变温度、pH、离子浓度和复杂度时，这种结合可能会发生改变。
静电结合将酶和带有电荷的支架结合起来，它的稳定性受温度、pH、离子浓度和复杂度的影响较小。
而covalent bond结合则是将酶和支架通过有机化学反应结合起来，结合强度较大，但同时又比较复杂。
特异性结合则是将酶和特异性结合剂结合起来，这种结合可以确保酶的稳定性。
酶六章酶的固定化
迄今已有许多酶用离子结合 法固定化，例如1969年最早应用 于工业生产的固定化氨基酰化酶 就是使用多糖类阴离子交换剂 DEAE-葡聚糖凝胶固定化的。
（二）化学结合法
——1 共价结合法 ——2 交联法
共价偶联法
酶分子之间共价交联和与水不溶性载体共价偶联
• 酶分子；（a）酶分子之间用双功能基团的化学交联试剂相
N OH
O
O O CO N
O
P-NH2
O CO NH P
CH2COOH SOCl2
CH2COCl
P-NH2 pH8~9
CH2CONH P
多胺载体
CH2NH2 Cl-CS-Cl
CH2 N C S P-NH2
HO CH2 N C NHP
CH2COOH
MeOH HCl
CH2COOMe NH2NH2
CH2CON3 P-NH2
O OH O CH2CH2 O S OH
O
O OH O CH2CH2 O S OH
O
NH2 N N-P
无机载体
——可采用直接法和涂层法（用 活化的聚合物如白蛋白或葡聚糖 涂层）
O P-NH2
Si (CH2)3NH CH(CH2)3CHO
O
(1)
OHC-(CH2)3CHO
O Si (CH2)3NH CH(CH2)3CH=N-P O
O Si OH H2N(CH2)3Si (OEt)3 O Si OH
制备固定化酶要根据不同情况 （不同酶、不同应用目的和应用环境） 来选择不同的方法，但是无论如何选 择，确定什么样的方法，都要遵循几 个基本原则
原则1
——必须注意维持酶的催化活性 及专一性，保持酶原有的专一性、 高效催化能力和在常温常压下能 起催化反应的特点。
酶的固定化
固定化技术
一、固定化酶的概念
固定化酶是指固定在一定载体上并在一定 的空间范围内进行催化反应的酶。 水溶性酶 水不溶性载体
固定化技术 水不溶性酶 （ 固相酶）
酶的固定化技术和固定化酶
酶 可溶 间歇 固定化
吸附
包埋
间歇
交联
连续
结合
固定化酶与游离酶相比，具有下列优点：
1.极易将固定化酶与底物、产物分开； 2.可以在较长时间内进行反复分批反应和装柱连续反应； 3.在大多数情况下，能够提高酶的稳定性； 4.酶反应过程能够加以严格控制； 5.产物溶液中没有酶的残留，简化了提纯工艺； 6.较游离酶更适合于多酶反应； 7.可以增加产物的收率，提高产物的质量； 8.酶的使用效率提高，成本降低。
吸附法
常用的固体吸附剂：活性炭、氧化铝、 硅藻土、羟基磷灰石等。 优点：操作简便，条件温和，不引起 酶失活，载体廉价，而且可反复使用。 缺点：结合力弱，易解吸附由于靠物 理吸附作用，结合力较弱，酶与载体 结合不牢固而容易脱落，所以使用受 到一定的限制。
吸附法
（1）常用载体
无机物
活性炭、白陶土、 氧化铝、多孔玻璃、 硅胶、碳酸钙凝胶 有机物 高分子化合物 淀粉麸质、大孔树脂、 DEAE纤维素、 DEAE葡聚糖凝胶
共价键结合法
酶与不溶于水的载体以共价键形式结合制备 固定化酶的方法。即，通过化学共价键，把与酶 蛋白活性无关的氨基酸功能基团连接在不溶于水 的载体上。
（1）酶与载体反应的主要功能基团
游离羟基：肽链C－末端的α –羧基，天门冬酰氨酸 ，谷氨酸的β－γ羧基 游离氨基：肽链N－末端的δ －氨基， 赖氨酸ε －氨基 巯基：半胱氨酸 羟基：丝氨酸，苏氨酸 酚基：酪氨酸 咪唑基：组氨酸
酶的固定化
1）酶传感器的原理
酶传感器主要由固定 化酶膜和变换器组成： 固定化酶膜：选择性 地“识别”并催化被 检测物质发生化学反 应 变换器：把催化反应 中底物或产物的变量 转换成电信号，通过 仪表显示出来。
65
（2）酶电极（葡萄糖氧化酶电极） 半透膜 酶胶层
感应电极
1967年Updike等采用 酶的固定化技术，将葡萄 糖氧化酶固定在疏水膜上， 然后再和氧电极结合，组 装成了世界上第一个生物 传感器——葡萄糖氧化酶 电极。
酶分子中可以形成共价键的基团：
氨基、羧基、巯基、羟基、酚基、咪唑基
载体 活泼基团
载体活化的方法
1. 活化
酶辅助蛋白交联法
酶分子之间共价交联和与水不溶性载体共价偶联
32
固定化方法与载体的选择
1.必须注意维持酶的催化活性和专一性 2.酶与载体结合牢固 3.载体的机械强度 4.固定化酶要有最小的空间位阻 5.载体稳定，不可与底物、产物发生反应 6.固定化酶要廉价
3
4
5 6
7
游离酶：
固定化酶：
四、固定化酶的应用
Go 1.在工、农业生产上的应用 Go 2.在医药、治疗上的应用 Go 3.在分析化学中的应用
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1、固定化酶在工农业生产上的应用
产物
酶或细胞
L-氨基酸 果糖浆
氨基酰化酶 葡萄糖异构酶或含该酶菌体
6-APA L-门冬氨酸 L-苹果酸 低乳糖牛奶
原料
乙酰-DL-氨基酸 葡萄糖 青霉素G 反丁烯二酸 反丁烯二酸 牛奶 牛奶 蛋白 桔类果汁 生啤酒 植物油 植物油
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产物
类固醇 L-丙氨酸
D-苯甘氨酸 ATP 核苷酸类味 精 乙醇
啤酒
固定化酶的方法和应用
固定化酶是将酶固定在载体上，形成固定化酶催化系统的过程。
通过固定化，可使酶的活性和稳定性得到提高，并能够重复使用。
常用的固定化酶方法包括吸附法、共价连接法、包埋法和交联法等。
1. 吸附法：利用载体表面与酶相互吸附的原理将酶固定在载体表面。
常用的载体包括硅胶、纤维素、聚丙烯酰胺凝胶等。
2. 共价连接法：通过将酶分子与载体分子之间的化学键共价连接，在载体表面上固定酶。
常用的共价连接剂包括辛二酸二酐、戊二酸二酐等。
3. 包埋法：将酶包裹在聚合物中，在聚合物内部形成微观环境，保护酶免受外界环境的影响。
常用的包埋材料包括明胶、蛋白质和聚乙烯醇等。
4. 交联法：将酶和载体分子之间形成交联结构，将酶牢固地固定在载体表面上。
常用的交联剂包括戊二醛、葡萄糖等。
固定化酶在生物技术、食品工业、医药工业等领域有着广泛的应用。
其中，利用固定化酶在生物技术领域中最为突出。
例如，固定化酶可以应用于产生大量纯度高的特定酶，用于DNA重组、制备抗体和识别特定分子等。
此外，在医药工业中也广泛使用固定化酶，如利用固定化酶制备药物、检测生物标志物等方面。
在食品工业中，固定化酶可用于生产乳制品、果汁、啤酒等食品中。
总之，固定化酶是一种重要的生物技术手段，具有广泛应用前景，可推动生物技术、食品工业、医药工业等领域的发展。
第五章-固定化酶
2．离子结合法 酶通过离子键结合于具有离子交换剂的水不溶 性载体的固定化方法。 • 常用载体：各种阴、阳离子交换剂。 如CM-纤
维素、DEAE-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶等
• 优点：操作简单，酶活性中心不易被破坏和酶
高级结构变化少，酶活力损失很少。
• 缺点：载体和酶的结合力 比较弱，酶易脱落。
3.共价结合法
• 相对活力：固定化酶活力与同量蛋白量
的溶液酶活力的比值
固定化酶活力 相对活力 100% 溶液酶总活力 残留酶活力
四、固定化酶（细胞）的半衰期
• t1/2 ：固定化酶（细胞）的活力下降为最 初活力1/2所经历的连续工作时间；衡量 操作稳定性的指标。
Fig. 2. Kinetic of ROL adsorption on the silica aerogels. The activity was measured using olive oil emulsion as substrate at pH 8.5 and 37 °C.
第五章 固定化酶与固定化细胞
第一节 酶的固定化
一、固定化酶（immobilized enzyme）：是 指在一定空间内呈闭锁状态存在的酶，能 连续进行反应，反应后的酶可以回收重复 使用。
优点：
①极易将固定化酶与底物、产物分开，简 化了提纯工艺，提高酶的使用效率； ②在大多数情况下，能够提高酶的稳定；
(五)固定化酶的米氏常数(Km)变化 • 中性载体：固定化酶的表观Km值上升。
• 载体与底物电荷相同：表观Km值显著 上升； • 载体与底物电荷相反：Km
？
四、影响固定化酶性能的因素
1．构象改变、立体屏蔽
• 构象改变：指固定化过程及酶和载体的 相互作用，引起了酶的活性中心构象发 生改变，从而导致酶活性改变的—种效 应。
第五章酶的固定化
收率 Yield (%)
(fold)
2736.9
13080.2 23314.100
30 10 9
Sepharos
e柱层析 HiTrap19 42218 0.3
Q柱层析
实验 木瓜蛋白酶的固定化
实验原理：
载体：尼龙
固定化方法：共价结合法
Enzyme+N, N-甲叉双丙稀酰胺, 丙稀酰胺
引发剂－－inactiation
2）半透膜包埋法（微囊型）
将酶或含酶细胞包埋在高分子半透膜中的固定化方
法。
界面聚合法
是用化学手段制备微囊的方法。利用亲水性单体和
疏水性单体在油水界面上发生聚合反应形成聚合体
而将酶包裹起来。
（3）结合法
1）共价结合法 ☆ 通过共价键将酶与载体结合的方法。 ① 结合方法
化的方法称为包埋法。
凝胶包埋法（网格型） 包埋法 半透膜包埋法（微囊型）
只适合作用于小分子底物和产物的酶。
1）凝胶包埋法（网格型）
将酶或含酶菌体包埋在高分子凝胶细微网格中，制
成一定形状的固定化酶，称为网格型包埋法。也称
为凝胶包埋法。
首先被采用的网格包埋法是：
固定化胰蛋白酶 木瓜蛋白酶 －淀粉酶
在上述条件下，每10min增加0.001个消光值为 1个酶单位(U)(以下同)。
实验 木瓜蛋白酶的固定化
酶活力测定：
（2）残留酶活力测定：方法同溶液酶活力测定。
（3）固定化酶活力测定：取一块尼龙布固定化酶， 加入2.0mL激活剂，其余步骤与溶液酶测定相同。
酶的固定化
3、结合法选择适宜的载体，使之通过共价键或离子键与酶结合在一起的固定化方法称为结合法。
1) 离子键结合法：通过离子键使酶与载体结合的固定化方法称为离子键结合法所用载体是某些不溶于水的离子交换剂。
常用的有：DEAE-纤维素、TEAE-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶等。
2) 共价键结合法载体基质通常是水不溶性的，这些载体包括：(1 )天然载体：琼脂、琼脂糖、几丁质、纤维素、胶原蛋白等；(2)有机合成聚合物：聚亚胺酯、聚环氧丙烷、聚乙烯醇、尼龙等(3 )无机载体：玻璃、氧化铝、硅胶、磁铁矿、氧化镍等。
用于连接载体的酶蛋白氨基酸残基上的反应功能基团有：Asp Glu 侧链的一COOH、C-末端的一COOH ; Tyr 的苯酚基；Cys 的一SH; Lys 的&NH2、N-末端一NH2；Thr、Ser 的一OH ; His 的咪唑基。
在酶的固定化过程中，由于疏水性氨基酸通常被掩藏在酶蛋白分子的内部，所以疏水性氨基酸通常不参与形成共价键。
载体活化方法：(1 )重氮化法(2)叠氮法(3 )溴基化法(4)烷基化法等。
4、交联法借助双功能试剂使酶分子之间、酶分子之内、酶与惰性载体间进行相互交联，制成网状结构的固定化酶的方法，称为交联法。
常用的双功能试剂有戊二醛、已二胺、顺丁烯二酸酐、双偶氮联苯等。
其中戊二醛最为常用，酶表面含有不止一个一NH2,戊二醛与酶上的-NH2发生Schiff反应，形成席夫碱，形成一个复杂的酶交联网络。
交联酶法借助双功能试剂使可溶性酶分子之间发生交联作用，制成网状结构的固定化酶的方法。
可视为一种无载体的固定化方法。
如木瓜蛋白酶在0.2%酶蛋白浓度，2.3%戊二醛，pH5.2〜7.2, 0C下交联24h，可制成固定化酶。
共交联法共交联法是指酶分子在双功能试剂的作用下，与一些惰性蛋白或水不溶载体之间发生交联，可降低单纯酶分子之间交联反应所引起的活性丧失。
通常选用的惰性蛋白有牛血清蛋白、卵清蛋白、明胶、胶原蛋白、血红蛋白等。
酶固定化工艺优劣的评价
酶固定化工艺优劣的评价
酶固定化是一种将酶固定在载体材料上并形成酶固定化系统的工艺。
酶固定化工艺具有以下优势和劣势：
优势：
1. 提高酶的稳定性：酶固定化可以使酶更加稳定，不易受到环境因素的影响，如温度、pH值的变化等。
2. 增强酶的重复使用能力：酶固定化可以使酶在重复使用过程中更加稳定，延长其使用寿命。
3. 方便操作和分离：通过酶固定化，酶可以与载体材料牢固地结合，方便在反应后进行分离和回收，减少后续处理的复杂性。
4. 可控制的反应条件：通过酶固定化，可以更好地控制反应条件，提高反应的效率和产物的纯度。
5. 降低生产成本：酶固定化可以降低酶的使用量，减少酶的损失，从而降低生产成本。
6. 适用广泛：酶固定化可以适用于不同类型的酶和不同的反应系统。
劣势：
1. 固定化过程的复杂性：酶固定化的过程较为复杂，需要选择合适的载体材料、固定化方法和条件等。
2. 酶固定化后的活性损失：酶固定化可能会导致酶的活性损失，使得固定化酶的催化效率降低。
3. 物质传递限制：酶固定化后，底物和产物在固定化载体和酶之间的传递存在一定的限制，影响反应速率。
4. 载体材料的稳定性：一些载体材料可能在反应条件下发生分解或破坏，影响酶的稳定性和固定化效果。
5. 当前技术的限制：目前酶固定化技术仍然存在一些局限性，如固定化效果不稳定、固定化酶的寿命较短等。
总体来说，酶固定化工艺具有许多优势，但也存在一些劣势。
综合考虑，酶固定化工艺的应用还需要根据具体的实际情况来评估和选择。
酶的固定化技术
（3）溴化氰法
对于带-OH的载体如葡萄糖、纤维素、琼脂 糖来说是最常用的反应。在碱性条件下载体 -OH和BrCN反应生成极活泼的亚氨基碳酸酯 衍生物，它们在碱性条件下可与酶的氨基进 行共价偶联反应。
OH CNBr（ 碱 性 ）
R OH
碱性
O
R O
NH +ENZ
N
O R
水
OH
O R
OH O
R O
O R
五、如何进行酶固定化
吸附法、包埋法、结合法、交联法
固定化酶的模式图
（一）吸附法
定义；利用各种固体吸附剂将酶或含酶细胞 吸附在其表面上而使酶固定的方法称为物理吸
附法，简称吸附法。
常用的吸附剂：活性炭、氧化铝、硅藻土、 多孔陶瓷、多孔玻璃、硅胶、羟基磷灰石等。
▪优点：操作简便、条件温和、不易变性失活、 载体廉价、可反复使用。 ▪缺点：酶与载体结合不牢固，易脱落。
R-O-CH2 –CONH2-NH2 +HNO2 R-O-CH2 –CON3 +H2O
R-O-CH2 –CON3 +E-NH2 R-O-CH2 –CON3 +E-OH R-O-CH2 –CON3 +E-SH
R-O-CH2 –CONH-E R-O-CH2 –CO-O-E R-O-CH2 –CO-S-E
优点 条件温和、操作简便、活力损失少。 缺点 酶与载体结合不牢固，使用时需严格控
酶的固定化技术
5.固定化酶的米氏常数(km)的变化
固定化酶的表观米氏常数km随载体的 带电性能变化。 当酶结合于电中性载体时，由于扩散限 制造成表观米氏常数km上升。 若载体与底物带有相反电荷，固定化酶 的表观米氏常数km低于游离酶的km。 若载体与底物电荷相同时，就会造成固 定化酶的表观米氏常数km显著增加。
作用于低分子底物的酶，固定化前后的底物
特异性没有明显变化。
如：氨基酰化酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖异构 酶。
可作用于大分子底物，又可作用于低分子底
物的酶，固定化酶的底物特异性往往会发生变 化。
如：以羧甲基纤维素为载体经叠氮法制备的核糖核酸 酶，当以核糖核酸为底物时，催化速度仅为游离酶的 2%左右，而以环化鸟苷酸为底物时，催化速度可达 游离酶的50%~60%。
H — C — CH2 — CH2 — CH2 — C — H
交联反应可以发生在酶分子间也可以发生在酶分子内。 在低酶浓度下一般形成分子内交联，交联后的酶通常保 持溶解状态。在酶浓度升高情况下分子间交联比例上升。 形成的固定化酶通常为不溶解状态。 酶50-200mg/ml，戊二醛0.3-0.6%时，固定化酶活性高。 一般主张交联剂和酶最适合比例为1：10（W/W）。采 用的pH值一般与被交联的酶的等电点相同。
（二）包埋法
定义：将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载 体中，使酶固定化的方法称为包埋法。
根据包埋的材料和包埋方法的不同，可分 为：凝胶包埋法和半透膜包埋法两类。
1、凝胶包埋法
将酶分子包埋在凝胶格子里。
凝胶包埋法用得最多、最有效，但不适用于底物或产
物分子很大的酶类的固定化。
条件温和，操作简便，对酶活 影响小，但强度差。
e.g.
Cl Cl
N
酶的固定化方法及优缺点
酶的固定化方法及优缺点以酶的固定化方法及优缺点为标题，本文将详细介绍酶的固定化方法以及各种方法的优缺点。
一、酶的固定化方法1. 物理吸附法：将酶直接吸附在固体载体表面，如活性炭、硅胶等。
这种方法简单易行，不需要化学反应，但酶容易失活和流失。
2. 共价键结合法：通过化学手段将酶共价键结合在载体表面，常用的方法包括交联、酯化、酰胺化等。
这种方法能够稳定地固定酶，但可能会影响酶的活性和稳定性。
3. 包埋法：将酶包裹在多孔载体中，如凝胶、微胶囊等。
这种方法能够保护酶免受外界环境的影响，但可能会降低酶的反应速率。
4. 共聚物法：利用聚合物将酶固定在载体上，如聚丙烯酰胺凝胶、聚乙烯醇等。
这种方法可以提高酶的稳定性和反应速率，但可能会影响酶的活性。
二、各种固定化方法的优缺点1. 物理吸附法的优点是操作简单、成本低廉，但缺点是酶容易失活和流失，固定效果不稳定。
2. 共价键结合法的优点是能够稳定地固定酶，固定效果较好，但缺点是可能会影响酶的活性和稳定性。
3. 包埋法的优点是能够保护酶免受外界环境的影响，固定效果较稳定，但缺点是可能会降低酶的反应速率。
4. 共聚物法的优点是可以提高酶的稳定性和反应速率，固定效果较好，但缺点是可能会影响酶的活性。
在实际应用中，选择适合的固定化方法需要考虑多个因素，如酶的特性、反应条件、载体的稳定性和成本等。
不同的固定化方法适用于不同的酶和反应条件。
例如，对于温度敏感的酶，可以选择物理吸附法或包埋法；对于活性较强的酶，可以选择共价键结合法或共聚物法。
总结起来，酶的固定化方法有物理吸附法、共价键结合法、包埋法和共聚物法等。
每种方法都有其优缺点，选择适合的固定化方法需要综合考虑多个因素。
通过固定化方法，可以提高酶的稳定性、反应速率和重复使用性，从而在酶工业和生物催化领域具有广泛的应用前景。
酶生物传感器中酶的固定化技术
酶生物传感器中酶的固定化技术
酶生物传感器中的酶固定化技术是一种利用酶作为生物传感器的关键技术，可以将酶固定在传感器上，使得检测信号可以被有效地检测。
这一技术可以大大减少传感器中应用酶的成本，提升检测精度和灵敏度。
酶固定化技术是用来把酶固定在传感器上的一种技术，它使酶能够更加稳定的存在，也能够更好的发挥它的功能。
主要的酶固定化技术有以下几种：
1、固定化技术：通常使用交联剂、硅胶涂层等技术将酶固定在传感器表面上，这样可以有效地保护酶的活性，从而提高检测灵敏度。
2、基因工程技术：利用基因工程技术，可以将所需的酶基因组合到一起，形成一个新的基因，然后将这个新基因植入到传感器中，从而使得酶能够被固定在传感器中。
3 、纳米技术：纳米技术可以将酶固定在纳米粒子表面上，这样可以使得酶在纳米粒子表面上能够更好地展开功能，也能够显著提高检测灵敏度。
4、膜定向技术：膜定向技术的原理是将酶固定在膜的一侧，从而可以使得酶只能够通过膜的一侧进入传感器内部，这样可以大大提高检测效率。
酶生物传感器中的酶固定化技术可以让酶保持稳定的活性，从而提高检测灵敏度，减少成本。
不同的酶固定化技术都有其各自的优势，诸如交联剂可以显著提高检测精度，基因工程技术可以更好地控制酶的活性，纳米技术可以让酶发挥更强的活性，而膜定向技术可以提高检测的效率。
所以，酶生物传感器中的酶固定化技术是目前提升检测精度和灵敏度的重要技术，也是生物传感器的重要组成部分。
第三节酶的固定化
第三节酶的固定化随着酶学研究的深入和酶工程的发展，酶的应用越来越广泛。
将酶用物理或化学的方法固定在不溶于水的载体上，形成一种可以重复使用的酶，叫固定化酶。
固定化酶既保持了酶的催化特性，又克服了游离酶的不稳定性，具有可反复或连续使用、易与反应产物分离等显著优点，广泛应用于医药、轻工、食品等行业。
一、固定化酶的制备方法制备固定化酶的方法很多，有包埋法、吸附法、共价偶联法，以及交联法等（图2-3）。
1．包埋法将酶或含酶菌体包埋在多孔载体中，使酶固定化的方法称为包埋法。
包埋法根据载体材料和方法的不同，可以分为凝胶包埋法和微胶囊包埋法。
凝胶包埋法是将酶和含酶菌体包埋在各种凝胶内部的微孔中，制成一定形状的固定化酶的方法。
最常用的凝胶有琼脂、琼脂糖、海藻酸钙、卡拉胶、聚丙烯酰胺等。
微胶囊包埋法是将酶包埋在高分子半透膜中，制成微胶囊固定化酶的方法。
常用的半透膜有尼龙膜、醋酸纤维膜等。
2．吸附法利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面而使酶固定化的方法称为吸附法。
吸附法常用的吸附剂有活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、硅胶、羧基磷灰石等。
吸附法制备固定化酶，操作简便、条件温和，不会引起酶的变性失活，载体价廉易得，而且可反复使用。
但由于是靠物理吸附作用，结合力较弱，酶与载体结合不太牢固而易脱落。
3．共价偶联法利用酶活性中心外的非必需基团与固相载体上的基团共价结合而制成固定化酶的方法叫共价偶联法，也叫共价结合法。
这种方法的优点是酶与载体牢固，制得的固定化酶稳定性好。
缺点是制备过程中反应条件较为强烈，难以控制，易使酶变性失活。
共价偶联法常用的载体有纤维素、葡聚糖、琼脂糖、甲壳素等。
4．交联法交联法是采用双功能试剂使酶分子之间或酶分子与固相载体之间发生交联作用而制成固定化酶的方法。
常用的双功能试剂有戊二醛、己二胺、顺丁烯二酸酐、双偶氮苯等。
其中应用最广泛的是戊二醛。
用交联法制备的固定化酶结合牢固，可长时使用。
第十三章 酶固定化
烷基化法
含羟基的载体可用三氯-均三嗪等多卤代物进行活化， 然后与酶分子上的氨基、巯基、羟基发生烷基化反应， 制备固定化酶
共价结合法
特点：
优点：酶与载体结合牢固，不会轻易脱落，可连
续使用。
缺点：反应条件较激烈，易影响酶的空间构象而
影响酶的催化活性。
4、交联法
定义：利用双功能或多功能试剂在酶分子间进行交 联反应，制备固定化酶的方法。 常用试剂：戊二醛、己二胺、顺丁烯二酸酐、双偶 氮苯等双功能试剂。 特点：
喷雾干燥 淀粉 淀粉酶 液化液 糖化酶 糖化液 结晶 异构酶 结晶葡萄糖 果糖42% 葡萄糖55% 低聚糖 高果糖浆 果糖浆 果糖80-90% 果糖55% 葡萄糖39% 低聚糖 氢化还原 粉状葡萄糖 山梨醇
果葡糖浆 混合
分离
天门冬氨酸酶 青霉素酰化酶 延胡索酸酶 β-半乳糖苷酶 天门冬氨酸-β-脱羧酶 脂肪酶
各种固定化方法的优缺点比较
固定化方法
结合法 共价键结合法 离子键结合法 制备难易 难 易 包埋 法 吸附法 交联 法
较难
易
较难
结合程度
活力回收 再生 费用 底物专一性
强
低 不能 高 可变
中等
高 可能 低 不变
强
高 不能 低 不变
弱
高， 酶易流失 可能 低 不变
强
中等 不能 中等 可变
三、固定化酶的性质 1、酶的稳定性。
第十三章 酶固定化
第一节 酶的固定化
酶的固定化方法
固定化酶的性质 固定化酶的应用
为什么要将酶固定化？
游离酶在应用中的不足
稳定性较差； 难于回收重复利用；
给后续分离纯化增加困难。
实验三酶的固定化
•
•
• 二、实验材料、仪器与试剂
• （一）实验材料与仪器
• 干燥箱；电子天平；注射器；碘量瓶；磁力搅拌器；pH 计；恒温水浴锅等。
• （二）主要试剂
• 糖化酶；3%海藻酸钠溶液；2%氯化钙溶液。 2％可溶性 淀粉液； pH4.6、0.1mol／L醋酸缓冲液； 0.1mol／L碘 液； 0.1mol／L氢氧化钠溶液； 1mol／L硫酸溶液； 0.05 mol／L硫代硫酸钠溶液； 0.5％淀粉指示剂。
• 四、实验数据基本要求 （一）酶活力计算
在上述条件下，每小时催化淀粉水解生成1mg葡萄糖的 酶量定义为一个酶活力单位。
（二）固定化酶活力回收率计算
固定化酶总活力 活力回收率= 游离酶总活力
（三）固定化酶比活力计算
•
三、实验内容
• （一）固定化酶的制备
• 1、将海藻酸钠溶液于45℃水浴保温。 • 2、取糖化酶2g，悬浮在10ml海藻酸钠溶液中混合均匀。 • 3、用注射器吸取上述悬浮液，逐滴滴入到50 ml氯化钙溶液中，浸泡20 min 左右。 • 4、滤出凝胶珠用蒸馏水洗涤几次，除去凝胶珠表面的酶，得到固定化酶。置 于4℃冰箱中冷藏备用。
• 实验三
酶的固定化
• 一、实验基本原理 • 把糖化酶悬浮在海藻酸钠溶液中。滴入氯化钙பைடு நூலகம்液。 形成海藻酸钠凝胶小球。酶包埋在凝胶的小孔中，制成 固定化酶。 葡萄糖淀粉酶（糖化酶）活性测定原理：在一定条 件下能水解淀粉生成葡萄糖。葡萄糖的醛基被弱氧化剂 次碘酸钠氧化、过量的碘用硫代硫酸钠滴定。从碘的减 少量计算葡萄糖的量，从而计算算酶活力。
• （二）糖化酶活力测定
• 1、吸取2%可溶性淀粉10ml，加入pH4.6、0.1mol／L醋酸缓冲液5ml，混匀后 于40℃水浴预热10min。 • 2、加入酶液1ml（空白实验以煮沸失活的酶液代替正常酶液），于40℃，反 应10min。反应结束时，于沸水浴中煮10min，以终止反应。 • 3、吸取上述反应液5ml于碘量瓶中，加入0.1mol／L碘液及0.1mol／L氢氧化 钠溶液各5ml，摇匀，于室温下在暗处放置15min，加入2ml硫酸酸化。 • 4、以0.5％可溶性淀粉为指示剂，用0.05 mol／L硫代硫酸钠溶液滴定至蓝色 消失为终点。记录硫代硫酸钠溶液消耗的毫升数（A），以及空白实验消耗的 硫代硫酸钠溶液毫升数（B）。
酶的固定化
(2)离子交换吸附法: 这是将酶与含有离予交换基的 水不溶载体相结合而达到固定化的一种方法。酶吸附 较牢，在工业上颇具广泛的用途。常用的载体有阴离 子交换剂，如二乙基氨基乙基(DEAE)-纤维素、混合胺 类（ECTEDLA）—纤维素、四乙氨基乙基(TEAE)—纤维 素、DEAE—葡聚糖凝胶、Amberlite IRA—93、410、 900等。阳离子交换剂基，如羧甲基(CM)—纤维素、纤 维素柠檬酸盐、Amberlite CG50、IRC—50、IR—200、 Dowex—50等。
载体的选择
载体直接关系到固定化酶的性质和形成。对载体的一般 要求是: ①一般亲水载体在蛋白质结合量和固定化酶活力及其稳定 性上都优于疏水载体。 ②载体结构疏松，表面积大，有一定的机械强度。 ③载体必须含有在温和条件与酶共价结合的功能基团。 ④载休没有或很少有非专一性吸附。 ⑤载体来源容易、便易、并能反复使用。
E.多孔玻璃的氨基硅烷衍生物。 玻璃的化学改造物多孔玻璃在丙酮中与Y—氨基丙基三氧 乙烷硅回流加热，生成烷基胺玻璃:
烷基氨玻璃用对硝基苯酚氯处理后，再还原，转变为芳香基衍 生物:
此芳香基衍生物经重氮化后与酶结合．产生固定化酶。
取代反应 具有卤素取代的高聚物以及含有卤乙酰基的高聚物，在 碱性条件下，与酶分子上的氨基、酚基、巯基等反应，如： 将纤维素在二恶烷(Diaxanc)-溴乙酸中与嗅乙酰溴反应，形成溴 乙酰纤维素，可供胰蛋白酶、糜蛋白酶和核糖核酸酶之固定化：
His
Lys
A. 多糖类的芳香族氨基衍生物。我国独创的使用对-β-硫酸脂 乙砜基胺(ABSE—)多糖(纤维素，葡聚糖，文联琼脂糖，交联琼 脂及淀粉) 载体。在碱性条件下用对-β-硫酸脂乙砜基胺活化多 糖，制得的醚键连接的乙砜基苯胺衍生物，经重氮化后偶联酶：
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1、固定化酶在工业生产上的应用
氨基酰化酶； 葡萄糖异构酶； 天冬氨酸酶； 青霉素酰化酶； 延胡索酸酶； β-半乳糖苷酶； 天冬氨酸-β-脱羧酶
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DL-氨基酸的光学拆分
Aminoacylase
氨基酰化酶
乙酰 -DL — Ala
L — Ala +乙酸
乙酰 -D — Ala
这是世界上固定化酶在工业生产上应 用的第一个实例。
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A-L-Ala A-D-Ala
储 罐
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固定化酶 柱子
泵 反应产物
消
离心机
旋
反
应
器
L-Ala A-D-Ala
晶体 L-Ala
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（2）酶传感器（酶电极）
酶传感器
微生物传感器
Hale Waihona Puke 生物传感器• 吸附法特别适合于动物细胞的固定化。
• 常用的吸附固定化载体的方法有转瓶、 微载体和中空纤维。
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二、包埋法
将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体 中，使酶固定化的方法。
根据载体材料和方法的不同，分为凝 胶包埋法和半透膜包埋法。
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1、凝胶包埋法
将酶或含酶菌体包埋在各种凝胶内部的微 孔中，制成一定形状的固定化酶或固定化 含酶菌体。应用最广 。
化的。此外，DEAE-纤维素吸附的α-淀
粉酶、蔗糖酶已作为商品固定化酶。
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离子吸附法所使用的载体是某些离子交换
剂。常用的阴离子交换剂有DEAE-纤维素、
混合胺类(ECTEOLA)-纤维素、四乙氨基乙
基(TEAE)-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶、
Amberlite IRA-93、410、900等；阳离子
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固定化酶
水溶性酶
水不溶性载体
固定化技术 水不溶性酶 （固定化酶）
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固定化菌体：固定在载体上的菌体或菌 体碎片。 固定化酶和固定化菌体都是以酶的应用 为目的。
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酶的固定化技术和固定化酶
酶 可溶
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四、交联法
借助双功能试剂使酶分子之间发生交联作
用，制成网状结构的固定化酶的方法。
双功能试剂：戊二醛、己二胺、顺丁烯二
酸酐、双偶氮苯等。
戊二醛[OHC-(CH2)3-CHO]
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五、热处理法
将含酶细胞在一定温度下加热处理 一段时间，使酶固定在菌体内，而 制备得到固定化菌体。 只适用于那些热稳定性较好的酶的 固定化。
第七章 酶固定化
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1
酶的一些不足之处
（1）酶的稳定性较差 （2）酶的一次性使用 （3）产物的分离纯化较困难
固定化技术的应用改善酶的不足。
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• 早在1916年，美国科学家奈尔森和格 里芬就发现，酶和载体结合以后，在 水中呈不溶解状态时，仍然具有生物 催化活性。
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•物理吸附法制备固定化酶，操作简单、价廉、 条件温和，载体可反复使用，酶与载体结合后， 活性部位及空间构象变化不大，故所制得的固 定化酶活力较高。但由于靠物理吸附作用，酶 和载体结合不牢固，在使用过程中容易脱落， 所以使用受到限制。常与交联法结合使用。
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吸附法
• 吸附法（adsorption）是通过载体表面和酶分子表面间的 次级键相互作用而达到固定目的的方法，是固定化中最简 单的方法。酶与载体之间的亲和力是范德华力、疏水相互 作用、离子键和氢键等。
• 吸附法又可分为物理吸附法和离子吸附法。
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物理吸附法
• 1971年，第一次国际酶工程学术会议 在美国召开，会议的主题就是固定化 酶的研制和应用。
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固定化酶（Immobilized Enzyme）： 固定在载体上并在一定的空间范围内进 行催化反应的酶。
采用各种方法，将酶与水不溶性的载体 结合，制备固定化酶的过程。
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特点：活力损失少，结合力弱，应用时要 严格控制好pH、温度、离子强度。
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（2）共价键结合法
以共价键使酶与载体结合的固定化方法。 载体：纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝胶、 甲壳质、氨基酸共聚物等。
使载体与酶形成共价键，必须首先使载
体活化。
重氮法
载体活化方法
迭氮法 溴化氰法
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①对热稳定性提高 ②保存稳定性好 ③对蛋白酶的抵抗性增强 ④对变性剂的耐受性提高
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2、最适温度： 一般与游离酶差不多，活化能也变化不大。
3、最适pH值： 往往会发生一些变化。 影响因素主要有两个，一个是载体的带电 性质，另一个是酶催化反应产物的性质。
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离子吸附法(ion adsorption)是将酶与含 有离子交换基团的水不溶性载体以静电 作用力相结合的固定化方法，即通过离 子键使酶与载体相结合的固定化方法。 此法固定的酶有葡萄糖异构酶、糖化酶、
β-淀粉酶、纤维素酶等，在工业上用途
较广。如最早应用于工业化生产的氨基 酰化酶，就是使用多糖类阴离子交换剂 二乙基氨基乙基(DEAE)-葡聚糖凝胶固定
烷化法
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酶蛋白分子上可供结合的功能基团有
（1）酶蛋白N末端的α-氨基或赖氨酸残基 的ε-氨基。 （2）酶蛋白C末端的α-羧基、天门冬氨酸 残基的β-羧基以及谷氨酸残基的γ-羧基。 （3）半胱氨酸残基的巯基。 （4）丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基的羟基。 （5）组氨酸残基的咪唑基。 （6）色氨酸残基的吲哚基。 （7）苯丙氨酸和酪氨酸残基的苯环。
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• 在具体选择时，一般应遵循以下几个原则。
–（1）必须注意维持酶的构象，特别是活性中 心的构象。酶的催化反应取决于酶本身蛋白质 分子所特有的高级结构和活性中心，为了不损 害酶的催化活性及专一性，酶在固定化状态下 发挥催化作用时，既需要保证其高级结构，又 要使构成活性中心的氨基酸残基不发生变化。
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–（2）酶与载体必须有一定的结合程度。酶的 固定化既不影响酶的原有构象，又能使固定化 酶能有效回收贮藏，利于反复使用。
–（3）固定化应有利于自动化、机械化操作。 这要求用于固定化的载体必须有一定的机械强 度，才能使之在制备过程中不易破坏或受损。
–（4）固定化酶应有最小的空间位阻。固定化 应尽可能不妨碍酶与底物的接近，以提高催化 效率和产物的量。
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几种酶固定化方法各有所长，如几种方 法合用，往往效果更好。
采用固定化方法要考虑的因素： ①固定化酶的稳定性； ②酶、载体及试剂的费用、操作难易等 与工业化有关的因素； ③安全性。
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二、固定化酶的特性
1、稳定性： 一般比游离酶的稳定性好。
ß－D－葡萄糖＋O2 D－葡萄糖酸－1，5－内酯＋H2O
半透膜 葡萄糖氧化酶胶层
5
固定化酶的优点：
（1）同一批固定化酶能在工艺流程中重复多 次地使用；
（2）固定化后，和反应物分开，有利于控制 生产过程，同时也省去了热处理使酶失活 的步骤；
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（3）稳定性显著提高； （4）可长期使用，并可预测衰变的速度； （5）提供了研究酶动力学的良好模型。
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细胞传感器
组织传感器
免疫传感器
是利用酶、抗体、微生物等作为敏感
材料，将所感受的生物信息转换成电信号
进行检测的传感器。
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酶传感器：
是由固定化酶与电化学电极构成。 常用的电化学装置：
O2电极、pH电极、CO2电极、NH3电极 等。
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酶传感器的分类
电流型酶传感器：是从与催化反应有关物
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4、底物特异性： 其变化与底物分子量的大小有一定关系。 对于那些作用于小分子底物的酶，固定 化前后的底物特异性没有明显变化。 原因：载体的空间位阻作用
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三、固定化酶的应用
固定化酶的优点：
①酶的稳定性增加； ②可反复和连续使用； ③易于和反应产物分开。
间歇
吸附
包埋
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间歇
固定化
交联
化学偶联
连续
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第一节 酶的固定化方法
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• 固定化酶的制备方法、制备材料多种多样， 不同的制备方法和材料，固定化后酶的特 性不同。对于特定的目标酶，要根据酶自 身的性质、应用目的、应用环境来选择固 定化载体和方法。
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交换剂有羧甲基(CM)-纤维素、纤维素柠
檬酸盐、Amberlite CG-50、IRC-50、IR-
200、Dowex-50等。其吸附容量一般大
于物理吸附剂。
离子吸附法具有操作简便、条件温和、酶
活力不易丧失等优点。此外，吸附过程同