固定化酶的研究进展
固定化脂肪酶的研究进展
固定化脂肪酶的研究进展摘要固定化脂肪酶是一种重要的酶类生物催化剂,因其具有高效、高选择性、环保等优势而备受关注。
本文将对固定化脂肪酶的研究进展进行综述,主要包括固定化技术、载体种类、酶固定化方法、应用领域等方面,旨在为深入研究和开发固定化脂肪酶提供参考。
引言脂肪酶(Lipase)是一种重要的酶类生物催化剂,广泛应用于食品加工、制药、化工等领域。
传统的脂肪酶生产方式多为分离和提纯天然来源的酶,其成本高、效率低、质量难以稳定。
为了克服这些缺陷,人们通过基因工程技术获得了大量高度纯化的重组脂肪酶,这些酶具有更高的活性、热稳定性和抗丝氨酸等性质,但其应用领域仍然受到限制。
与传统的脂肪酶生产方式相比,固定化脂肪酶因具有高效、高选择性、易回收等优势而受到广泛关注。
本文将从固定化技术、载体种类、酶固定化方法、应用领域等方面对固定化脂肪酶的研究进展进行综述。
固定化技术固定化技术是将酶固定在载体上,形成固定化酶,以提高其催化效率和稳定性的一种生物技术。
固定化脂肪酶通过固定化技术制备而成,其固定化技术主要有物理吸附、交联固定、共价固定、包埋固定、磁性固定等多种方法。
这些方法的选择取决于酶的性质和产物特性以及应用需求等因素。
载体种类载体是将酶固定化在其表面的材料,其种类主要有聚合物、无机材料、金属有机框架(MOFs)、磁性材料等。
聚合物是最常用的载体材料之一,主要包括聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚酰胺等。
无机材料则包括硅胶、陶瓷、玻璃等,其中硅胶是最常用的载体材料之一。
MOFs是一种新型的多孔有机-无机化合物,可以提供大量的活性位点和大表面积,因此受到研究者的关注。
磁性材料通常是由铁磁性物质和非磁性材料组成的,其具有磁性和化学稳定性,因此可以在固体和液体之间实现快速分离。
酶固定化方法1.物理吸附法物理吸附法是将酶直接吸附在载体表面,主要依靠静电作用力和范德华力等物理力作用固定酶,其优点是操作简便、成本低廉,缺点是载体表面吸附作用力比较弱,酶结合不稳定。
固定化脂肪酶的研究进展
固定化脂肪酶的研究进展固定化酶是一种将酶固定在一定载体上的技术,它可以有效地提高酶的稳定性、重复利用性和操作性,从而广泛应用于食品、制药、生物工程等领域。
其中,固定化脂肪酶是一种重要的酶制剂,具有广泛的应用前景。
本文将对固定化脂肪酶的研究进展进行介绍。
固定化脂肪酶最早应用于生产特定脂肪酸酯的催化反应。
通过将脂肪酶固定在载体上,可以有效地提高其催化活性和稳定性,从而使脂肪酶在催化作用中具有更长的寿命。
同时,固定化脂肪酶还可以简化生产过程,提高产品质量。
在固定化脂肪酶的载体选择上,常用的载体包括无机载体和有机载体。
无机载体主要包括多孔陶瓷、多孔玻璃、硅胶等,这些载体具有较大的比表面积和孔隙结构,可以提供较好的活性位点和固定脂肪酶的空间结构。
有机载体主要包括聚合物材料和纤维材料,通过调整聚合物的化学结构和纤维材料的纤维结构,可以实现对脂肪酶的有效固定,提高其催化活性和稳定性。
固定化脂肪酶的制备方法主要包括物理吸附、化学交联和共价连接。
物理吸附是将脂肪酶与载体之间的非共价相互作用力用于固定酶,例如静电引力、范德华力等。
化学交联是在载体上引入交联剂,使酶与载体之间形成共价键,从而实现酶的固定。
共价连接是通过化学反应在载体上引入活性基团,然后将酶与载体上的活性基团通过共价键连接。
固定化脂肪酶的应用主要包括生产特定脂肪酸酯、脂肪酸的转化、生物柴油的合成等。
在生产特定脂肪酸酯方面,固定化脂肪酶可以通过酯交换反应和酶解反应实现。
通过固定化脂肪酶催化,可以有效地控制反应条件,提高反应速率和产物选择性。
在脂肪酸转化方面,固定化脂肪酶可以催化饱和脂肪酸的脱饱和反应和反硝化反应,从而实现对脂肪酸的功能性改造。
在生物柴油的合成方面,固定化脂肪酶可以有效地催化酯交换反应和脂肪酸甲酯化反应,从而提高生物柴油的产率和质量。
除了以上应用外,固定化脂肪酶还可以应用于废水处理、食品加工、药物合成等领域。
通过固定化脂肪酶催化,可以实现废水中脂肪酸的降解,减轻环境污染。
固定化酶的研究进展和应用前景
固定化酶的研究进展和应用前景固定化酶是指将酶固定在固体载体上,并保持其生物活性的一种技术。
它有许多优点,如可重复使用、稳定性高、易于回收等,因此成为了生物技术领域一种非常有前途的研究方向。
一、固定化酶的发展历程固定化酶的概念最早可以追溯到20世纪50年代。
第一种固定化酶的载体是硅胶,随后又发展了许多种载体,如凝胶、海藻酸盐、纳米材料、磁性颗粒等。
随着技术的进步,目前已有各种方法来制备纳米载体和比之前更优异的凝胶载体。
同时,各种固定化酶的制备方法也在不断改进,包括共价结合、吸附、交联、包埋等。
二、固定化酶的应用固定化酶的应用范围非常广泛,包括生物催化、食品工业、医药工业、制药工业等。
其中,固定化酶在食品工业中的应用最为广泛。
如生产葡萄糖、果汁、醋等。
固定化酶也可以用于制药工业中的药品合成。
此外,还可以在纳米技术、环境保护、制垃圾处理等领域中找到应用。
三、固定化酶的优势1. 重复使用:固定化酶具有可重复使用的优势,节省了时间和成本,具有广泛应用前景。
2. 稳定性:与游离酶相比,固定化酶具有较高的稳定性和耐受性,并可在极端环境中保持其生物活性。
3. 易于回收:固定化酶可以设计成可在固定化酶中回收,增加了其经济价值。
四、固定化酶仍需解决的问题尽管固定化酶在许多领域中具有潜力,但仍存在一些问题。
1. 优化载体:优化载体并不是一件容易的事情,其选择需要结合具体的酶种和应用需求,存在一定的技术难度。
2. 降低成本:目前固定化酶的生产成本仍比较高,限制了其在一些领域中的推广。
3. 稳定性问题:目前许多固定化酶在长时间的储存或使用过程中还会出现酶失活的情况,这需要更好的研究与解决。
综合而言,固定化酶的广泛应用前景与其固有的优势是显而易见的。
在未来,我们需要持续关注固定化酶领域的研究与发展,加快技术优化和成本降低,更好地服务于人类的需求。
吸附法固定化酶的研究进展
固定化酶反应器的研究与进展
固定化酶反应器的研究与进展班级:姓名:学号:摘要:以生物催化剂进行生物反应的场所为酶反应器。
根据酶催化剂类别的不同,酶反应器可分为游离酶反应器,即均相酶反应器;另一类是应用固定化酶进行的非均相酶反应器,即固定化酶反应器。
游离酶由于稳定性差及不能回收重复利用而在工业应用中受到限制。
酶固定化可以通过提高酶的结构稳定性,实现酶的回收利用而克服上述问题。
然而,酶的固定化过程可能会引起酶构像的变化导致酶活的少量损失。
因此,在固定化过程中,应根据酶的自身特性及其应用目的来选择合适的固定化方法和载体,以尽量减少酶的活力损失。
关键词:固定化酶反应器,固定化酶方法,新型固定化酶反应器1.前言酶作为一种生物大分子催化剂在生物化学领域被广泛地研究和应用。
酶具有催化条件温和、高效的区域选择性和化学选择性、应用设备相对简单且易于控制,能源消耗较低、环境污染少等显著优势。
目前,酶己被广泛应用于医药、食品生产、化工和农业等领域。
酶的固定化技术就是通过物理或化学方法将酶束缚在一定区间内制成仍具有催化活性的酶的衍生物。
该方法有效克服了传统溶液酶方法稳定性差、难以重复利用等缺点。
因此,该技术在医药、生物、食品领域有着广泛的应用。
而在该项技术的实施过程中,载体材料的结构与性能对固定化效率,酶活性的保持起着重要的作用。
2.固定化酶的方法根据酶与载体的结合方式不同,可将固定化方法分为五种:包埋法、吸附法、共价连结法和交联法。
2.1包埋法包埋法是通过共价键或者非共价键将酶包裹在凝胶或纤维中的一种方法。
如Shen[1]等采用海藻酸-明胶-氢化钙三元体系包埋β-半乳糖苷酶,不仅有效地防止酶的渗出,同时很好地提高了酶的化学稳定性。
此法的优点就在于可以防止酶渗出,但对大分子底物的应用具有局限性。
2.2 吸附法吸附法是通过载体表面与酶分子间的一些次级键(如氢键、疏水作用)的相互作用制备固定化酶的方法。
如Cabrera-Padilla[2]等利用可降解的聚(羟基丁酸-羟基戊酸)吸附固定褶皱酵母假丝脂肪酶(Candida rugosa lipase),结果表明,在50℃条件下,4 h 后,酶活还有94%,同时循环利用次数达到12 次以上。
近十年金属有机化合物固定化酶研究进展及展望
近十年金属有机化合物固定化酶研究进展及展望摘要:金属有机骨架材料(MOFs)凭借其较高的比表面积和孔体积、可设计和调控的孔径及结构,以及化学和热稳定性等特点,克服了传统固定化酶载体的孔径尺寸不可控、制备成本高、酶浸出、产物稳定性差等不足,近年来成为一类新型酶固定化载体。
首先,本文分类总结了MOFs固定化酶的特点和近几年发展进展。
文章最后展望了MOFs固定化酶未来发展前景,关键字:金属有机骨架材料,生物酶,固定化,研究进展,应用现状金属有机骨架材料(Metal Organic Frameworks,MOFs)凭借自身独特的性质如特定的主-客体相互作用及限域效应,极大提高了酶的负载率以及限制酶分子的流失,甚至极端环境下仍能维持酶的活性,近年来成为固定化酶载体的研究热点。
不同于传统载体,MOFs材料是由有机配体和金属离子在溶液中发生自组装而形成的一类具有周期性孔结构的结晶杂化材料。
由于其物理和化学性质的独特性,加上其化学和结构灵活多样的可调配性,使得MOFs材料在生物酶的固定领域具有巨大的应用价值[1, 2]。
1.MOFs固定化酶的方法常见MOFs固定酶的方法主要包括以下4种,即表面吸附、共价结合、孔道包埋和原位合成,见表1。
其中,表面吸附的温和操作条件使其成为保持酶构象和活性的理想选择;酶表面上丰富的氨基与MOFs的羧酸基团以共价偶联结合生成肽键则可以防止酶从MOFs中浸出;酶进入介孔MOFs的孔道或空腔完成包埋可以实现高酶负荷和低酶浸出;原位合成的优势在于克服了酶尺寸限制对固定在MOFs上的应用,并且即使在恶劣条件下也能表现出色的稳定性。
表1 利用MOFs载体固定酶的4种主要合成策略及其比较方法方法优势劣势原位合成制备条件温和,酶活性不受影响;快速合成条件限于水溶液;MOFs种类较少表面吸附操作简单;绿色化学酶与载体作用力弱,易流失;耗时;强静电相互作用可能影响蛋白质构象,从而导致酶活性下降共价键法酶与载体之间作用力强操作复杂;化学试剂引入可能对酶活性有影响孔道包埋酶负载率高且不易流失对MOFs孔径(大多限于介孔)、酶尺寸、形状都有要求1.MOFs固定化酶的特点MOFs用于酶的固定化具有4个显著的特点,即可重复使用性、高选择性和催化活性、高稳定性和水耐受性。
酶固定化技术的最新研究进展
西安工程大学学报J o u r n a l o f X i a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y第38卷第1期(总185期)2024年2月V o l .38,N o .1(S u m.N o .185)引文格式:潘虹,陆天炆,王晓军,等.酶固定化技术的最新研究进展[J ].西安工程大学学报,2024,38(1):83-91.P A N H o n g ,L U T i a n w e n ,WA N G X i a o j u n ,e t a l .R e c e n t a d v a n c e s i n e n z y m e i mm o b i l i z a t i o n t e c h n o l o g y [J ].J o u r n a l o f X i a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y,2024,38(1):83-91. 收稿日期:2023-08-06 修回日期:2023-10-21基金项目:陕西省自然科学基础研究计划项目(2021J Q -672㊁2022J Q -117);陕西省教育厅专项科研计划项目(22J K 0399) 通信作者:潘虹(1988 ),女,讲师,博士,研究方向为固定化酶和多孔水凝胶㊂E -m a i l :441595837@q q.c o m 酶固定化技术的最新研究进展潘 虹,陆天炆,王晓军,洪一楠(西安工程大学环境与化学工程学院,陕西西安710048)摘要 酶作为一种催化性能好且安全可靠的生物催化剂,在食品㊁医药及环境治理等诸多领域得到了广泛应用,但因受限于游离酶较差的环境稳定性而难以实现进一步的工业化应用㊂酶固定化技术有助于提高游离酶对敏感环境的耐受性和操作过程中的稳定性,大大缩减了应用成本㊂回顾了近五年内固定化技术的发展及现状,总结了吸附法㊁结合法等传统固定化方法,共固定化酶法等新型固定化方法,以及天然材料载体㊁复合材料载体和纳米载体等不同固定化载体在各个领域的研究进展㊂相比于游离酶,固定化酶体系在稳定性和重复使用性等方面得到了显著提升,但同时也存在一些不足,如固定后的活性回收率降低㊁载体合成途径繁琐且成本较高以及固定化酶作用机理尚不完善等㊂结合这些不足之处提出了酶固定化技术在未来的发展方向㊂关键词 酶固定化;固定化载体;固定化方法;纳米载体;共固定开放科学(资源服务)标识码(O S I D )中图分类号:Q 814.2 文献标志码:AD O I :10.13338/j .i s s n .1674-649x .2024.01.011R e c e n t a d v a n c e s i n e n z y m e i m m o b i l i z a t i o n t e c h n o l o g yP A N H o n g ,L U T i a n w e n ,WA N G X i a o ju n ,H O N G Y i n a n (S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a l a n d C h e m i c a l E n g i n e e r i n g ,X i a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y,X i a n 710048,C h i n a )A b s t r a c t A s a n e f f i c i e n t a n d s a f e b i o c a t a l y s t ,e n z y m e s h a v e b e e n w i d e l y u s e d i n m a n yf i e l d s s u c h a s f o o d ,m e d i c i n e a n d e n v i r o n m e n t a lg o v e r n a n c e ,b u t i t i s d i f f i c u l t t o r e a l i z e f u r th e ri n d u s t r i a l a p-p l i c a t i o n d u e t o t h e p o o r e n v i r o n m e n t a l s t a b i l i t y o f f r e e e n z y m e s .E n z y m e i mm o b i l i z a t i o n t e c h -n o l o g y h e l p s t o i m p r o v e t h e t o l e r a n c e o f f r e e e n z y m e s t o s e n s i t i v e e n v i r o n m e n t s a n d t h e s t a b i l i t yd u r i n g o pe r a t i o n ,a n d g r e a t l y r e d u c e s t h e a p p l i c a t i o n c o s t .T h i s p a p e r r e v i e w s t h e d e v e l o pm e n t a n d c u r r e n t s i t u a t i o n o f i mm o b i l i z a t i o n t e c h n o l o g yi n t h e p a s t f i v e y e a r s ,a n d s u mm a r i z e s t h e r e -s e a r c h p r o g r e s s o f d i f f e r e n t i mm o b i l i z a t i o n m e t h o d s(i n c l u d i n g t r a d i t i o n a l i mm o b i l i z a t i o n m e t h-o d s s u c h a s a d s o r p t i o n m e t h o d a n d b i n d i n g m e t h o d a n d n e w i mm o b i l i z a t i o n m e t h o d s s u c h a s c o-i mm o b i l i z a t i o n e n z y m e m e t h o d)a n d i mm o b i l i z a t i o n c a r r i e r s(i n c l u d i n g n a t u r a l m a t e r i a l c a r r i e r s, c o m p o s i t e c a r r i e r s a n d n a n o c a r r i e r s)i n v a r i o u s f i e l d s.I n g e n e r a l,c o m p a r e d w i t h f r e e e n z y m e s, t h e i mm o b i l i z e d e n z y m e s y s t e m h a s b e e n s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e d i n t e r m s o f s t a b i l i t y a n d r e u s-a b i l i t y.H o w e v e r,t h e r e a r e s o m e s h o r t c o m i n g s,s u c h a s l o w e r r e c o v e r y r a t e a f t e r i mm o b i l i z a-t i o n,c u m b e r s o m e a n d c o s t l y c a r r i e r s y n t h e s i s p a t h w a y,a n d i m p e r f e c t m e c h a n i s m o f i mm o b i l i z a-t i o n e n z y m e.F i n a l l y,t h e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n o f t h e t e c h n o l o g y i n t h e f u t u r e w a s p u t f o r w a r d b a s e d o n t h e s e s h o r t c o m i n g s.K e y w o r d s e n z y m e i mm o b i l i z a t i o n;i mm o b i l i z a t i o n c a r r i e r s;i mm o b i l i z a t i o n m e t h o d;n a n o c a r r i-e r s;c o-i mm o b i l i z a t i o n0引言生物酶是一类具有催化效率高㊁专一性强的生物催化剂[1],其本质是一种蛋白质㊂因此,生物酶通常需在常温常压等温和条件下才能表现出其高催化性能,当离开特定环境就会出现酶活性和稳定性迅速降低的缺点[2]㊂活性炭可以吸附蔗糖酶进行蔗糖水解,且保持了蔗糖酶较好的催化活性[3]㊂由此,固定化酶的思想被首次提出㊂随后,研究人员开始通过一系列酶固定化技术来改善游离酶存在的缺点㊂酶固定化技术就是指将游离酶通过一定的技术手段固定在某些不溶性载体上,进而使其在敏感环境下仍然表现出较高的稳定性和酶活性[4]㊂经固定化后的酶,可以借助载体的保护作用或者与载体之间相互作用,保护了酶蛋白的空间构象[5],进而提高了对p H㊁温度㊁重金属离子等影响因素的耐受性㊂同时,固定化酶可以通过简单的离心过滤等手段从反应体系中分离出来,促进漆酶的回收和重复使用[6]㊂目前,固定化酶技术已经在食品加工[7]㊁生物传感器[8]㊁纺织印染废水处理[9-10]㊁生物漂白[11]等诸多领域得到广泛的应用,其固定化技术也表现出愈发成熟的发展㊂本文综述了近五年酶固定化技术的发展,重点表现在固定化方法和固定化载体上,以及酶固定化技术在多个领域的应用㊂1酶固定化方法酶固定化方法可分为传统固定化方法和新型固定化方法㊂表1列出来近五年的一些酶固定化技术所用的方法㊂表1固定化酶所用固定化方法T a b.1I mm o b i l i z a t i o n m e t h o d s u s e d i n d i f f e r e n t i mm o b i l i z a t i o n t e c h n i q u e s固定化方法固定化对象载体材料参考文献传统固定化方法吸附法漆酶/α-淀粉酶生物炭/复合晶凝胶[12-13]共价结合法脂肪酶M I L-53(F e)/球形S i O2[14-15]化学交联法漆酶/葡萄糖淀粉酶磁性纳米粒/纳米S i O2[16-19]包埋法漆酶海藻酸铜微球[20]新型固定化方法吸附-交联法脂肪酶/β-葡糖糖苷酶大孔树脂/纳米S i O2[21-22]吸附-包埋法多种酶/纤维素酶多孔淀粉-阿拉伯胶微囊体/仿生S i O2[23-24]交联-包埋法漆酶聚集体介孔S i O2[25]脂肪酶/磷脂酶聚乙烯亚胺[26]共固定法葡萄糖淀粉酶/葡萄糖氧化酶S i O2[27]葡萄糖氧化酶/辣根过氧化物酶磁性聚乙二醇微凝胶颗粒[28]1.1传统固定化方法1.1.1吸附法吸附法即物理吸附,物理吸附是一种简单易行的方法,通过氢键㊁疏水作用和范德华力等相互作用48西安工程大学学报第38卷使酶吸附到不溶于水的载体表面,该方法操作步骤简洁且不需要额外添加化学试剂,但其固定效果较差且容易受外界条件影响[29]㊂WA N G等采用吸附法将漆酶固定在碱改性生物炭(A-M B)上实现对孔雀石绿(MG)的吸附降解,结果表明,A-M B对MG 表现出最大吸附量757.58m g/g,固定化漆酶A/l a c @A-M B对MG的去除率可达97.70%,10次循环后仍然表现出超过75%的去除率[12]㊂A C E T等以沸石颗粒(P P A)为原料,通过简单方法制备了C u2+-A P P a C包埋型复合晶凝胶(C u2+-A P P a C)用于α-淀粉酶吸附固定,结果表明,α-淀粉酶最大吸附量可达858.7m g/g,同时相较于游离酶,其操作稳定性和存储稳定性也表现出明显的优势[13]㊂1.1.2结合法结合法是利用酶的侧链基团与载体表面的基团发生反应形成共价键,利用共价键将酶固定在载体上[30]㊂G H A S E M I等将M I L-53(F e)通过表面官能化对2种脂肪酶进行共价固定,结果显示脂肪酶固定化体系虽然没有实现对酶的高负载,但仍然表现出更广泛的温度和p H值稳定性,同时实现了酶的可重复使用能力和稳定性的显著改善[14]㊂此外,共价结合法由于化学键的形成,容易使酶的蛋白质构象发生改变,从而降低酶活性[31]㊂F A N等采用戊二醛多点共价结合法和吸附-交联法,以球形二氧化硅为载体,固定化皱纹假丝酵母脂肪酶(C R L),结果表明,多点共价处理后脂肪酶二级结构发生变化,使酶的残余活力下降[15]㊂但相比之下,共价结合法制备的酶体系具有更好的重复使用性和稳定性,使其在酸化油脂催化水解中更有潜力㊂1.1.3化学交联法交联法是通过一些双功能试剂将酶和载体进行连接[31],主要用到的交联剂有戊二醛㊁1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(E D C)㊁二醛淀粉和二醛纤维素[30,32-33]等㊂C H E N等以戊二醛作为交联剂制备了一种具有超顺磁性的固定化漆酶F e3O4@S i O2-N H2-L a c,该固定化体系表现出了良好的稳定性,对有机溶剂㊁金属离子有显著的耐受性和良好的循环使用性,同时在对酚类化合物的去除降解方面也表现出巨大的潜力[16]㊂Q I U等以二醛淀粉为交联剂,采用共价固定法将漆酶在离子液体改性的磁性纳米载体上进行固定,较于其他固定化漆酶,在处理含酚废水中表现出更大优势[17]㊂然而常见的交联剂在固定化过程往往会表现出一定的负面影响[34],为此研究人员着手发掘绿色安全的新型交联剂来避免这种负面影响㊂例如,O U Y A N G等提出了一种新的绿色高效固定化酶的方法 京尼平苷酶解物作为交联剂固定化漆酶[18]㊂与直接使用京尼平或戊二醛作为交联剂,该方法绿色㊁安全,可应用于需要严格控制毒性的食品和医药行业㊂D A N I E L L I等研究了一种双功能交联剂2,5-二甲酰基呋喃(D F F)将葡糖淀粉酶固定在氨基官能化甲基丙烯酸树脂上[19]㊂使用海洋细菌费氏弧菌进行了生态毒性测定,相比于戊二醛,D F F表现出更低的生物毒性㊂1.1.4包埋法包埋法是将酶固定在聚合物材料的网格结构或微囊结构等多空隙载体中[35]㊂这种方法可以提供更好的保护和稳定性,限制了酶的扩散㊂但同时也存在孔隙的扩散阻碍,使得该方法的循环使用效率下降㊂例如,L A T I F等采用包埋法将漆酶固定化在海藻酸铜微球上进行双酚A的降解[20]㊂相比于游离酶,固定化漆酶表现出更高的p H㊁温度稳定性及储存稳定性,但在循环使用5次后剩余酶活降到了21.5%㊂1.2新型固定化方法1.2.1传统固定化方法的改进传统的单一固定化方法进行酶固定往往存在各自的缺点,因此出现了将单一方法进行两两结合来固定化酶的改进方法㊂常见的包括吸附-交联法[21-22]㊁吸附-包埋法[23-24]㊁交联-包埋法[25]等㊂例如,F A T H A L I等以介孔二氧化硅为载体,采用交联-包埋相结合的固定化方法制备了包埋交联漆酶聚集体(E-C L E A)[25]㊂相对于游离漆酶,条件优化后的固定化漆酶显示出较好的热稳定性和p H稳定性㊂此外E-C L E A存储21d仍然具有较高的相对活性,在重复使用20次后,其活性保持率可达初始活性的79%㊂对污染废水中苯酚的去除率可达73%[25]㊂1.2.2共固定化酶法共固定化酶是指将多种酶同时固定化在同一载体上的一种方法㊂A R A N A-P EÑA等实现了将5种酶进行逐层固定化的策略,使得整个固定化酶体系的活性明显增强[26]㊂与单一酶的固定化相比,共固定化酶法通常具有更大的优势㊂在保证了固定化后酶稳定性提高的同时,不同酶在共固定后,由于处于58第1期潘虹,等:酶固定化技术的最新研究进展同一载体上,酶之间可以发挥协同作用,且反应底物可以连续在酶之间传递,从而简化了反应步骤㊂G A O等制备了一种化学酶级联反应体系(G A&G O x@A u-S i O2),实现葡萄糖淀粉酶(G A)和葡萄糖氧化酶(G O x)共固定化[27]㊂借助于双酶和载体之间的级联效应,实现了从可溶性淀粉中高效提取葡萄糖酸㊂在保证了固定化双酶稳定性的同时,A u的加入可以使中间产物H2O2快速脱除,显著提高固定化体系的重复利用率㊂类似地,L I U等制备了一种具有可逆热响应释放的双酶固定化体系共固定G O x和辣根过氧化物酶(H R P),在葡萄糖浓度检测过程中表现出优于单酶检测试剂盒的良好性能[28]㊂此外,有学者研究发现,对于如漆酶这种绿色催化剂,较低的氧化还原电位大大限制了其在各个领域中的应用㊂但发现在固定化体系中引入具有高氧化还原电位的介体可以弥补漆酶的这一不足[36]㊂L O U等基于MO F s膜实现了漆酶和介体A B T S的共固定化,结果显示,固定化漆酶的底物亲和力要高于游离漆酶[37]㊂2酶固定化载体用于酶固定化的载体主要包括天然载体㊁人工合成载体和纳米载体,见表2㊂在选择固定化载体时要充分考虑具体的应用领域和需求等㊂表2固定化酶所用载体材料T a b.2 C a r r i e r s f o r i mm o b i l i z e d e n z y m e材料类别载体材料固定化对象固定化方法参考文献天然材料羧甲基纤维素漆酶包埋法[38]琼脂糖脂肪酶吸附法[39]磁性壳聚糖葡萄糖氧化酶共价结合法[40]藻酸盐脱氢酶/蛋白酶吸附法/包埋法[41-42]壳聚糖-黏土复合微球漆酶+介体包埋法[43]海藻酸钠-壳聚糖中性蛋白酶包埋法[44]人工合成材料改性二氧化硅乳酸脱氢酶/碳酸酐酶/甲酸脱氢酶化学交联法/共价结合法[45-47]二氧化钛漆酶吸附法[48]硅酸盐漆酶/葡萄糖氧化酶吸附-共价结合法/吸附法[49-50]氧化铝漆酶共价结合法[51]聚酰胺-胺树枝状大分子脂肪酶化学交联法[52]聚乙烯醇水凝胶-硅胶烯还原酶包埋法[53]二氧化硅-壳聚糖漆酶共价结合法[54]纳米材料磁性纳米粒子漆酶共价结合法[55]金属有机框架MO F s漆酶化学交联法[56]介孔Z I F-8过氧化物酶化学交联法[57]中空微球漆酶吸附法[58]共价有机框架C O F葡萄糖氧化酶+F e3O4吸附法[59]金属酚醛网络M P N酒精脱氢酶吸附法[60]磁性纳米颗粒漆酶+介体A B T S吸附法[61]2.1天然载体材料天然载体最大的优点就是来源广泛㊁低成本和低生物毒性㊂常用的天然载体有纤维素[38]㊁琼脂糖[39]㊁壳聚糖[40]和藻酸盐[41-42]等㊂同时,将天然载体杂化后用于酶固定化可以表现出更优良的固定化能力㊂M E H A N D I A[43]等利用天然载体制备了壳聚糖-黏土复合微球(C C B-L),采用包埋法对漆酶和介体进行共固定㊂微球在洗涤和储存期间均未观察到酶泄漏㊂同时固定化漆酶-介体体系通过填充床反应器系统(P B R S),对纺织废水的脱色率可达78%,C O D㊁B O D以及毒性水平均下降㊂类似地, B A I等将海藻酸钠和壳聚糖交联形成复合凝胶球,采用包埋法固定中性蛋白酶[44]㊂固定化酶在较宽的p H(5~8)和温度(30~80ħ)范围表现出高于游离酶的相对活性,循环使用性和存储稳定性也保持在良好水平㊂68西安工程大学学报第38卷2.2人工合成载体材料2.2.1无机材料无机材料来源广泛㊁合成简单㊁机械强度高,可以直接用于酶的固定㊂常见的无机材料有二氧化硅[45]㊁二氧化钛[48]㊁硅酸盐[49-50]和氧化铝[51]等㊂为了提高固定化效率,常常会先对无机材料进行表面改性再用于固定化㊂Z H A I等使用聚乙烯亚胺(P E I)和多巴胺的共沉积对二氧化硅微球进行改性,用于C O2酶促转化甲酸盐㊂优化后P D A/P E I-S i O2载体使得甲酸盐合成的初始反应速率从13.4倍增加至27.2倍㊂再通过固定化碳酸酐酶(C A)后,甲酸盐的合成速率增加到48.6倍[46]㊂随后,L I U等同样对S i O2微球进行P E I的表面改性后用来固定化甲酸脱氢酶,同样实现了C O2酶促转化甲酸盐的高效合成[47]㊂2.2.2高分子材料人工合成的高分子材料具有良好的结构刚性和其他优良的力学性能㊂如聚酰胺㊁聚乙烯醇等具有良好的固定化能力㊂Z H A O等采用3种胺类试剂将聚酰胺-胺树枝状大分子(P AMAM)接枝到F e3O4纳米粒子上,利用戊二醛作为交联剂得到了不同代数的F e3O4@S i O2/P AMAM磁性纳米载体[52]㊂固定化酶表现出相对游离酶更高的活性,而且改善了其在更宽的p H和温度范围内的耐受性㊂A L A GÖZ等先用聚乙烯醇水凝胶包裹烯还原酶(E R),再固定到氨基官能化的硅胶上㊂包埋后的E R比游离E R的热稳定性高34.4倍㊂在重复使用10次后,固定后的E R仍保持其初始活性的85%[53]㊂2.2.3复合材料针对有机㊁无机材料在实际应用中存在的不足,不少文献报道了将2类材料通过物理或化学手段进行复合得到新型复合材料,可以得到性能更优的固定化载体㊂例如,G I R E L L I等将二氧化硅和壳聚糖杂化得到复合材料,相比单材料拥有更好的机械强度㊁热稳定性及生物相容性㊂存储30d后仍具有大于70%的相对活性㊂对漆酶进行固定化后,固定化率达到92%,在较宽的温度和p H范围内固定化后漆酶表现出的稳定性也要高于游离漆酶,重复循环利用15次剩余活性仍在61%以上[54]㊂2.3纳米材料载体纳米材料凭借其小尺寸㊁高表面积和易改性等特点,成为了酶固定化载体研究的焦点㊂各种改性后的纳米材料也在酶固定化领域得到蓬勃发展㊂2.3.1磁性纳米载体磁性纳米载体是一种可以通过外部磁场实现固定化酶快速分离的良好材料㊂凭借这种磁学性质和低生物毒性[16],其在固定化载体的选择上表现突出㊂F e3O4是被广泛使用的一种磁性材料㊂但由于纯F e3O4自身的表面惰性和高团聚,往往需要对其进行表面改性后再应用于固定化㊂R A N等制备了一种壳核结构的磁性纳米载体F e3O4@M o S2@P E I 用于漆酶固定㊂在二硫化钼(M o S2)和聚乙烯亚胺(P E I)的修饰下,磁性载体拥有较大的比表面积并减弱了自身团聚效应,对漆酶的负载量可达120m g/g,酶活回收率可达90%,同时对于水中持久性致癌有机污染物也表现出了良好的降解效率[55]㊂2.3.2介孔纳米载体介孔材料作为一种多孔材料,凭借多孔结构和大的比表面积,也是酶固定化的理想载体㊂金属有机框架(MO F s)[56]凭借着可调控的孔径和较大的比表面积在酶固定化方面得到广泛应用㊂L I等采用水热法合成氨基官能化的MO F材料制备固定化漆酶,在最优条件下实现了95%的刚果红去除率,6次循环后降解率仍达到84.63%[56]㊂L U等以酵母为生物模板,将Z I F-8自组装到酵母上得到杂合Y@ Z I F-8,再用交联剂固定过氧化物酶得到Y@Z I F-8 @t-C A T㊂固定化酶的温度㊁p H耐受性得到提高,更值得一提的是固定化酶在存储45d后活性仍保持在99%以上[57]㊂除此以外,T A N G等还制备了具有中空结构的共价有机骨架微球(H-C O F-OM e)[58]㊂这种孔缺陷的中空结构有助于加快反应物的扩散,从而改善催化反应过程,对四环素具有优秀的降解效果㊂2.3.3金属纳米载体金属纳米材料由于引入了金属离子,可以提高载体的理化性质,在酶固定化过程中表现出重要作用㊂F U等将F e3+/F e2+固定到纳米花形的共价有机框架(C O F)中实现了固定化酶的磁分离[59]㊂L I 等研究了以磁性F e3O4为核,将单宁酸(T A)与不同类型金属离子(C u㊁F e㊁Z n㊁M n㊁A u)配位获得了用于固定化的金属酚醛网络(M P N)涂层[60]㊂不同金属离子的不同极化能力对M P N涂层的亲水性和疏水性造成影响,从而给酶的固定化效率㊁催化活性78第1期潘虹,等:酶固定化技术的最新研究进展和稳定性带来影响㊂对于漆酶而言,引入C u2+对漆酶的活性中心具有正向的促进作用,可以大大提高固定化漆酶的催化活性和底物亲和力[61]㊂3结论与展望生物酶作为一种极具潜力的生物催化剂,通过固定化技术使其在污染物的降解㊁食品加工㊁生物传感器等诸多领域得到了广泛应用㊂酶固定化技术促使酶在较宽的p H值和温度范围下表现出更优良的催化活性,大大提高了生物酶在敏感环境下的稳定性,实现了生物酶的可分离性及循环使用性㊂但目前看来,酶固定化技术依然存在一些不足㊂1)酶在固定化后,由于载体的存在使得底物扩散受阻,无法与酶充分接触,导致酶活性降低㊂可以通过基因工程技术从酶本身出发,利用定点突变或基因重组改变酶结构来提高酶活㊂同时,通过掺杂合适的单一过渡金属离子或多金属离子协同作用激发酶活也值得深入研究㊂2)目前固定化酶技术在污染物降解等领域的实际应用已经颇为成熟,但对于更深层次的作用机制还停留在较为浅薄的层面㊂在未来,随着生物信息技术的不断发展,将固定化酶技术与计算机模拟技术交叉,利用计算机软件模拟分析更深层次的机制原理,可以更好地掌握酶固定化技术㊂3)酶固定化技术仍处在实验室研究阶段,在实现更大规模的工业化应用仍然存在较大的挑战㊂同时,考虑到有些固定化载体制备的时间成本和资金成本,载体若仅用于一次固定化后就无法回收再利用就会造成过度浪费㊂如何实现固定化酶失活后固定化载体与酶的高效分离,从而实现载体的循环使用是一个新的挑战㊂因此,酶固定化技术仍然处在不断发展进步的阶段,需要更多的科研者来完善研究㊂参考文献(R e f e r e n c e s)[1]刘茹,焦成瑾,杨玲娟,等.酶固定化研究进展[J].食品安全质量检测学报,2021,12(5):1861-1869.L I U R,J I A O C J,Y A N G L J,e t a l.A d v a n c e s o f e n-z y m e i mm o b i l i z a t i o n[J].J o u r n a l o f F o o d S a f e t y&Q u a l i t y,2021,12(5):1861-1869.(i n C h i n e s e)[2] L I U D M,D O N G C.R e c e n t a d v a n c e s i n n a n o-c a r r i e ri mm o b i l i z e d e n z y m e s a n d t h e i r a p p l i c a t i o n s[J].P r o c e s sB i o c h e m i s t r y,2020,92:464-475.[3] MA G H R A B Y Y R,E L-S HA B A S Y R M,I B R A H I M AH,e t a l.E n z y m e i mm o b i l i z a t i o n t e c h n o l o g i e s a n d i n-d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s[J].A C S O me g a,2023,8(6):5184-5196.[4]贾峰,郑连炳,王志强.生物酶固定化技术研究现状[J].资源节约与环保,2020(4):116.J I A F,Z H E N G L B,WA N G Z Q.R e s e a r c h s t a t u s o fb i o l o g ic a l e n z y m e i mm o b i l i z a t i o n t e c h n o l o g y[J].R e-s o u r c e s E c o n o m i z a t i o n&E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n, 2020(4):116.(i n C h i n e s e)[5] L U J W,N I E M F,L I Y R,e t a l.D e s i g n o f c o m p o s i t en a n o s u p p o r t s a n d a p p l i c a t i o n s t h e r e o f i n e n z y m e i m-m o b i l i z a t i o n:A r e v i e w[J].C o l l o i d s a n d S u r f a c e s B:B i o i n t e r f a c e s,2022,217:112602.[6] Z HA N G W,Z HA N G Z,J I L R,e t a l.L a c c a s e i mm o b i-l i z e d o n n a n o c o m p o s i t e s f o r w a s t e w a t e r p o l l u t a n t s d e g-r a d a t i o n:C u r r e n t s t a t u s a n d f u t u r e p r o s p e c t s[J].B i o-p r o c e s s a n d B i o s y s t e m s E n g i n e e r i n g,2023,46(11): 1513-1531.[7] B A C K E S E,K A T O C G,C O R RÊA R C G,e t a l.L a c-c a s e s i n f o od p r o ce s s i n g:C u r r e n t s t a t u s,b o t t l e n e c k sa n d p e r s p e c t i v e s[J].T r e n d s i n F o o d S c i e n c e&T e c h-n o l o g y,2021,115:445-460.[8] K A D A M A A,S A R A T A L E G D,G H O D A K E G S,e t a l.R e c e n t a d v a n c e s i n t h e d e v e l o p m e n t o f l a c c a s e-b a s e d b i o-s e n s o r s v i a n a n o-i m m o b i l i z a t i o n t e c h n i q u e s[J].C h e m o s e n-s o r s,2022,10(2):58.[9] Y A V A S E R R,K A R A GÖZ L E R A A.L a c c a s e i mm o b i-l i z e d p o l y a c r y l a m i d e-a l g i n a t e c r y o g e l:A c a n d i d a t e f o r t r e a t m e n t o f e f f l u e n t s[J].P r o c e s s B i o c h e m i s t r y,2021, 101:137-146.[10]MA O G T,WA N G K,WA N G F Y,e t a l.A n e n g i-n e e r e d t h e r m o s t a b l e l a c c a s e w i t h g r e a t a b i l i t y t o d e-c o l o r i z e a nd de t o x if y m a l a c h i t eg r e e n[J].I n t e r n a t i o n-a l J o u r n a l o f M o l e c u l a r S c i e n c e s,2021,22(21):11755.[11] S HA R MA A,J A I N K K,S R I V A S T A V A A,e t a l.P o t e n t i a l o f i n s i t u S S F l a c c a s e p r o d u c e d f r o m G a n o-d e r m a l u c i d u m R C K2011i n b i o b l e a c h i n g o f p a p e rp u l p[J].B i o p r o c e s s a n d B i o s y s t e m s E n g i n e e r i n g,2019,42(3):367-377.[12]WA N G Z B,R E N D J,Z HA N G X Q,e t a l.A d s o r p-t i o n-d e g r a d a t i o n o f m a l a c h i t e g r e e n u s i n g a l k a l i-m o d-i f i e d b i o c h a r i mm o b i l i z e d l a c c a s e u n d e r m u l t i-m e t h-o d s[J].A d v a n c e d P o w d e r T e c h n o l o g y,2022,33(11):103821.88西安工程大学学报第38卷[13] A C E TÖ,I N A N A N T,A C E T BÖ,e t a l.α-a m y l a s ei mm o b i l i z e d c o m p o s i t e c r y o g e l s:S o m e s t u d i e s o n k i-n e t i c a n d a d s o r p t i o n f a c t o r s[J].A p p l i e d B i o c h e m i s t r ya n d B i o t e c h n o l o g y,2021,193(8):2483-2496.[14] G HA S E M I S,Y O U S E F I M,N I K S E R E S H T A,e t a l.C o v a l e n t b i n d i n g a n d i n s i t u i mm o b i l i z a t i o n o f l i p a s e so n a f l e x i b l e n a n o p o r o u s m a t e r i a l[J].P r o c e s s B i o-c h e m i s t r y,2021,102:92-101.[15] F A N X L,Z HA N G P B,F A N M M,e t a l.E f f e c t o fg l u t a r a l d e h y d e m u l t i p o i n t c o v a l e n t t r e a t m e n t s o n i m-m o b i l i z e d l i p a s e f o r h y d r o l y s i s o f a c i d i f i e d o i l[J].A p-p l i e d B i o c h e m i s t r y a n d B i o t e c h n o l o g y,2023,195(11):6942-6958.[16] C H E N Z H,Y A O J,M A B,e t a l.A r o b u s t b i o c a t a l y s tb a s e d o n l ac c a s e i m m o b i l i z ed s u pe r p a r a m a g n e t i c F e3O4@S i O2-N H2n a n o p a r t i c l e s a n d i t s a p p l i c a t i o n f o r d e g r a-d a t i o n o f c h l o r o p he n o l s[J].C h e m o s p h e r e,2022,291:132727.[17] Q I U X,WA N G Y,X U E Y,e t a l.L a c c a s e i mm o b i l i z e do n m a g n e t i c n a n o p a r t i c l e s m o d i f i e d b y a m i n o-f u n c-t i o n a l i z e d i o n i c l i q u i d v i a d i a l d e h y d e s t a r c h f o r p h e-n o l i c c o m p o u n d s b i o d e g r a d a t i o n[J].C h e m i c a l E n g i-n e e r i n g J o u r n a l,2020,391:123564.[18] O U Y A N G J,P U S J,WA N G J Z,e t a l.E n z y m a t i c h y-d r o l y s a te ofg e n i p o s i d e d i r e c t l y a c t s a s c r o s s-l i n k i n ga g e n t f o r e n z y m e i mm ob i l i z a t i o n[J].P r oc e s s B i o-c h e m i s t r y,2020,99:187-195.[19] D A N I E L L I C,V A N L A N G E N L,B O E S D,e t a l.2,5-F u r a n d i c a r b o x a l d e h y d e a s a b i o-b a s e d c r o s s l i n k i n g a-g e n t r e p l a c i n g g l u t a r a l d e h y d e f o r c o v a l e n t e n z y m ei mm o b i l i z a t i o n[J].R S C A d v a n c e s,2022,12(55):35676-35684.[20] L A T I F A,MA Q B O O L A,S U N K,e t a l.I mm o b i l i z a-t i o n o f t r a m e t e s v e r s i c o l o r l a c c a s e o n C u-a l g i n a t eb e a d s f o r b i oc a t a l y t i cde g r a d a t i o n of b i s p h e n o l A i nw a t e r:O p t i m i z e d i mm o b i l i z a t i o n,d e g r a d a t i o n a n dt o x i c i t y a s s e s s m e n t[J].J o u r n a l o f E n v i r o n m e n t a lC h e m i c a l E n g i n e e r i n g,2022,10(1):107089.[21] N U R A L I Y A H A,P E R D A N I M S,P U T R I D N,e t a l.E f f e c t o f a d d i t i o n a l a m i n o g r o u p t o i m p r o v e t h e p e r f o r m-a n c e o f i m m ob i l i z e d l i p a s e f r o m a s p e r g i l l u s N i g e r b y a d-s o r p t i o n-c r o s s l i n k i n g m e t h o d[J].F r o n t i e r s i n E n e r g yR e s e a r c h,2021,9:616945.[22] N A S E E R S,O U Y A N G J,C H E N X,e t a l.I mm o b i-l i z a t i o n o fβ-g l u c o s i d a s e b y s e l f-c a t a l y s i s a n d c o m-p a r e d t o c r o s s l i n k i n g w i t h g l u t a r a l d e h y d e[J].I n t e r-n a t i o n a l J o u r n a l o f B i o l o g i c a l M a c r o m o l e c u l e s,2020,154:1490-1495.[23] Z HA N G Z W,Z HA O F,M E N G Y L,e t a l.M i c r o e n-c a p s u l a t i o n o f t h e e n z y m e b r e a k e r b yd o u b l e-l a ye re m b e d d i n g m e t h o d[J].S P E J o u r n a l,2023,28(2):908-916.[24] L OM B A R D I V,T R A N D E M,B A C K M,e t a l.F a c i l ec e l l u l a s e i mm o b i l i s a t i o n o n b i o i n s p i r ed s i l i c a[J].N a n o m a t e r i a l s,2022,12(4):626.[25] F A T H A L I Z,R E Z A E I S,A L I F A R A M A R Z I M,e t a l.C a t a l y t i c p h e n o l r e m o v a l u s i n g e n t r a p p e d c r o s s-l i n k e dl a c c a s e a g g r e g a t e s[J].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f B i o l o g i c a lM a c r o m o l e c u l e s,2019,122:359-366.[26] A R A N A-P E N A S,R I O S N S,M E N D E Z-S A N C H E ZC,e t a l.C o i mm o b i l i z a t i o n o f d i f f e r e n t l i p a s e s:S i m p l el a y e r b y l a y e r e n z y m e s p a t i a l o r d e r i n g[J].I n t e r n a-t i o n a l J o u r n a l o f B i o l o g i c a l M a c r o m o l e c u l e s,2020,145:856-864.[27] G A O J,WA N G Z F,G U O R R,e t a l.E f f i c i e n t c a s-c ade c o n v e r s i o n of s t a r c h t og l u c o n i c a c i d b y a ch e-m o e n z y m a t i c s y s t e m w i t h c o-i mm o b i l i z e d A u n a n o p-a r t i c l e s a n d e n z y m e s[J].C a t a l y s i s S c i e n c e&T e c h-n o l o g y,2023,13(4):991-999.[28] L I U Z Y,Z HA N G Z,HU A N G C Q,e t a l.I R780-d o pe d c o b a l tf e r r i t e n a n o p a r t i c l e s@p o l y(e t h y l e n eg l y c o l)m i c r o g e l s a s d u a l-e n z y m e i mm o b i l i z e d m i c r o-s y s t e m s:P r e p a r a t i o n s,p h o t o t h e r m a l-r e s p o n s i v e d u a l-e n z y m e r e l e a s e,a n d h i g h l y ef f i c i e n t r e c y c l i n g[J].J o u r n a l o f C o l l o i d a n d I n t e r f a c e S c i e n c e,2023,644:81-94.[29] L I A N G S,WU X L,X I O N G J,e t a l.M e t a l-o r g a n i cf r a m e w o r k s a s n o v e l m a t r i c e s f o r e f f i c i e n t e n z y m ei mm o b i l i z a t i o n:A n u p d a t e r e v i e w[J].C o o r d i n a t i o nC h e m i s t r y R e v i e w s,2020,406:213149.[30]杨月珠,李章良,吕源财,等.漆酶的固定化技术及固定化漆酶载体材料研究进展[J].净水技术,2022,41(9):8-17.Y A N G Y Z,L I Z L,LÜY C,e t a l.R e s e a r c h p r o g r e s s o f l a c c a s e i mm o b i l i z a t i o n t e c h n o l o g y a n d i mm o b i l i z e dl a c c a s e c a r r i e r m a t e r i a l s[J].W a t e r P u r i f i c a t i o n T e c h-n o l o g y,2022,41(9):8-17.(i n C h i n e s e) [31]张璟譞,高兵兵,何冰芳.生物催化中的酶固定化研究进展[J].生物加工过程,2022,20(1):9-19.Z HA N G J X,G A O B B,H E B F.R e s e a r c h p r o g r e s s o f e n z y m e i mm o b i l i z e d i n b i o c a t a l y s i s[J].C h i n e s eJ o u r n a l o f B i o p r o c e s s E n g i n e e r i n g,2022,20(1):9-19.98第1期潘虹,等:酶固定化技术的最新研究进展(i n C h i n e s e)[32] Q I A O W C,Z HA N G Z Y,Q I A N Y,e t a l.B a c t e r i a ll a c c a s e i mm o b i l i z e d o n a m a g n e t i c d i a l d e h y d e c e l l u-l o s e w i t h o u t c r o s s-l i n k i n g a g e n t s f o r d e c o l o r i z a t i o n[J].C o l l o i d s a n d S u r f a c e s A:P h y s i c o c h e m i c a l a n dE n g i n e e r i n g A s p e c t s,2022,632:127818.[33] Y A N G X Y,C H E N Y F,Y A O S,e t a l.P r e p a r a t i o n o fi mm o b i l i z e d l i p a s e o n m a g n e t i c n a n o p a r t i c l e s d i a l d e-h y d e s t a r c h[J].C a r b o h y d r a t e P o l y m e r s,2019,218:324-332.[34] MO S T A R A D D I S,P A Z HA N G M,E B A D I-N A HA R IM,e t a l.T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e c r o s s-l i n k e r o nc h i t o s a n-c o a t ed m a g ne t i c n a n o p a r t i c l e s a n d t h e p r o p-e r t i e s of i mm o b i l i z e d p a p a i n[J].M o l e c u l a r B i o t e c h-n o l o g y,2023,65(11):1809-1823.[35]冉帆凡,李露.S B A-15固定化酶的研究进展[J].食品研究与开发,2022,43(20):206-212.R A N F F,L I L.I mm o b i l i z e d e n z y m e o n S B A-15[J].F o o d R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t,2022,43(20):206-212.(i n C h i n e s e)[36] L I U R T,WA N G S L,HA N M Y,e t a l.C o-i mm o b i-l i z a t i o n o f e l e c t r o n m e d i a t o r a n d l a c c a s e o n t o d i a l d e-h y d e s t a r c h c r o s s-l i n k e d m a g n e t i c c h i t o s a n n a n o m a-t e r i a l s f o r o r g a n i c p o l l u t a n t s'r e m o v a l[J].B i o p r o c e s sa n d B i o s y s t e m s E n g i n e e r i n g,2022,45(12):1955-1966.[37] L O U X X,Z H I F K,S U N X Y,e t a l.C o n s t r u c t i o n o fc o-i mm o b i l i z ed l a c c a se a n d m e d i a t o r b a s e d o n MO F sm e m b r a n e f o r e n h a n c i n g o r g a n i c p o l l u t a n t s r e m o v a l[J].C h e m i c a l E n g i n e e r i n g J o u r n a l,2023,451:138080.[38] Z HA O Z,R E N D J,Z HU A N G M J,e t a l.D e g r a d a t i o no f2,4-D C P b y t h e i mm o b i l i z e d l a c c a s e o n t h e c a r r i e ro f s o d i u m a l g i n a t e-s o d i u m c a r b o x y m e t h y l c e l l u l o s e[J].B i o p r o c e s s a n d B i o s y s t e m s E n g i n e e r i n g,2022,45(10):1739-1751.[39] S IÓD M I A K T,D U L E B A J,H A R A L D S S O N G G,e t a l.T h e s t u d i e s o f s e p h a r o s e-i m m o b i l i z e d l i p a s e s:C o m b i n i n gt e c h n i q u e s f o r t h e e n h a n c e m e n t o f a c t i v i t y a n d t h e r m a ls t a b i l i t y[J].C a t a l y s t s,2023,13(5):887. [40]Y E O N K M,Y O U J,A D H I K A R I M D,e t a l.E n-z y m e-i mm o b i l i z e d c h i t o s a n n a n o p a r t i c l e s a s e n v i r o n-m e n t a l l y f r i e n d l y a n d h i g h l y e f f e c t i v e a n t i m i c r o b i a l a-g e n t s[J].B i o m a c r o m o l e c u l e s,2019,20(7):2477-2485.[41] K U R A Y A M A F,M O H A MM E D B A H A D U R N,F U-R U S A W A T,e t a l.F a c i l e p r e p a r a t i o n o f a m i n o s i l a n e-a l-g i n a t e h y b r i d b e a d s f o r e n z y m e i m m o b i l i z a t i o n:K i n e t i c sa n d e q u i l ib r i u m s t u d i e s[J].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f B i o-l o g i c a l M a c r o m o l e c u l e s,2020,150:1203-1212. [42] N I N A V A N E S S A W D,L A U R E T T E B L A N D I N E MK,J O N G N E.I n c l u s i o n o f p a r t l y p u r i f i e d p r o t e a s ef r o m A b r u s p r e c a t o r i u s L i n n i n C a-a lg i n a t e g e l b e a d s[J].H e l i y o n,2022,8(11):e11791.[43]M E HA N D I A S,A HMA D S,S HA R MA S C,e t a l.D e c o l o r i z a t i o n a n d d e t o x i f i c a t i o n o f t e x t i l e e f f l u e n t b yi mm o b i l i z e d l a c c a s e-A C S i n t o c h i t o s a n-c l a y c o m p o s-i t e b e a d s u s i n g a p a c k e d b e d r e a c t o r s y s t e m:A n e c o-f r i e n d l y a p p r o a c h[J].J o u r n a l o f W a t e r P r o c e s s E ng i-n e e r i n g,2022,47:102662.[44] B A I Y,WU W.T h e n e u t r a l p r o t e a s e i mm o b i l i z a t i o n:P h y s i c a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f s o d i u m a l g i n a t e-c h i t o s a ng e l b e a d s[J].A p p l i e d B i o c h e m i s t r y a n d B i o t e c h n o l o-g y,2022,194(5):2269-2283.[45] A L A GÖZ D,T O P R A K A,V A R A N N E,e t a l.E f f e c-t i v e i mm o b i l i z a t i o n o f l a c t a t e d e h y d r o g e n a s e o n t om e s o p o r o u s s i l i c a[J].B i o t e c h n o l o g y a n d A p p l i e d B i o-c h e m i s t r y,2022,69(6):2550-2560.[46] Z HA I T T,WA N G C H,G U F J,e t a l.D o p a m i n e/p o l y e t h y l e n i m i n e-m o d i f i e d s i l i c a f o r e n z y m e i mm o b i-l i z a t i o n a n d s t r e n g t h e n i n g o f e n z y m a t i cC O2c o n v e r s i o n[J].A C S S u s t a i n a b l e C h e m i s t r y&E n g i n e e r i n g,2020,8(40):15250-15257.[47] L I U G H,C H E N H X,Z HA O H,e t a l.A c c e l e r a t i n ge l e c t r o e n z y m a t i c C O2r e d u c t i o n b y i mm o b i l i z i n gf o r-m a t e d e h y d r o g e n a s e o n p o l y e t h y l e n i m i n e-m o d i f i e dm e s o p o r o u s s i l i c a[J].A C S S u s t a i n a b l e C h e m i s t r y&E n g i n e e r i n g,2022,10(1):633-644.[48] I S A N A P O N G J,L OHAW E T K,K UMN O R K A E WP.O p t i m i z a t i o n a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f i mm o b i l i z e dl a c c a s e o n t i t a n i u m d i o x i d e n a n o s t r u c t u r e a n d i t s a p-p l i c a t i o n i n r e m o v a l o f R e m a z o l B r i l l i a n t B l u e R[J].B i o c a t a l y s i s a n d A g r i c u l t u r a l B i o t e c h n o l o g y,2021,37:102186.[49] WA N G Z B,R E N D J,C H E N G Y H,e t a l.I mm o b i-l i z a t i o n o f l a c c a s e o n c h i t o s a n f u n c t i o n a l i z e d h a l l o y s-i t e n a n o t u b e s f o r d e g r a d a t i o n o f B i s p h e n o l A i n a q u e-o u s s o l u t i o n:D e g r a d a t i o n m e c h a n i s m a n d m i n e r a l i z a-t i o n p a t h w a y[J].H e l i y o n,2022,8(7):e09919.[50]Y A O H Q,X I A O R Q,T I A N Y,e t a l.S w i t c h a b l eb i o e l ec t r o c a t a l y s i s o f g l u c o s e o x id a se i mm o b i l i z e d i n-t o m u l t i l a y e r s w i t h l a m e l l a r n a n o p a r t i c l e s o f a m i n o-09西安工程大学学报第38卷。
酶的固定化研究及其应用
酶的固定化研究及其应用酶是一种高效的生物催化剂,具有广泛的应用前景,但自由酶的使用存在着许多问题,如易失活、难回收、低稳定性等。
为克服这些缺陷,科学家们研究出了酶的固定化技术,即将酶固定在载体上,形成固定化酶。
固定化酶具有多种优点,如稳定性高、重复使用性好、反应率高等,因此被广泛应用于产业、医药等领域,在此进行探讨其固定化研究及应用。
一、固定化酶的分类将酶固定在载体上的方法有很多种,根据载体的不同,固定化酶可分为微生物固定化酶、无机载体固定化酶和有机载体固定化酶三类。
微生物固定化酶,即将酶固定在菌体或细胞内的方法。
这种方法容易操作,且菌体或细胞具有较好的稳定性,能够保护酶的活性。
常见的微生物固定化酶有酵母固定化酶、乳酸菌固定化酶等。
无机载体固定化酶,即将酶固定在无机材料或人工合成材料上的方法。
与微生物固定化酶相比,无机载体的操作难度较大,但无机载体具有很强的机械强度和稳定性,不容易被生物体攻击。
最常用的无机载体为硅胶、氧化铝、氧化锆等。
有机载体固定化酶,即将酶固定在有机高聚物上的方法。
与无机载体相比,有机载体具有更好的生物相容性和更大的比表面积,能够与底物充分接触,提高反应效率。
常用的有机载体有聚乙烯醇、聚丙烯酸、胶原蛋白等。
二、固定化酶的优点1.稳定性高:固定化酶相对于自由酶,在温度、pH值等条件变化时,具有更好的稳定性,不易失活,能够保持较高的催化效率。
2.反应率高:由于固定化酶在载体上固定稳定,不受外界环境的影响,酶底物反应能力更强,反应率更高。
3.反应可重复使用:固定化酶具有独特的再利用性,可以进行多次循环反应,避免了由于自由酶反应后分离难的困扰。
4.反应得率高:固定化酶可以在低酶浓度、低温度、低反应时间下实现高得率反应,提高了反应效率。
三、固定化酶的应用1.食品工业:在食品工业中,利用固定化酶可将大分子物质转化为小分子物质,例如将葡萄糖转化为果糖等,使食品的甜度更适合人们口感,提高了食品品质。
酶固定化技术的研究进展
酶分子 和交联试剂之 间 ,将不同的材料添加于交联体系 中, 再 加上一些不 同的交联 条件 , 从而产生 固定 化酶 。交联法往往不 会独立存在 , 通常作为其他 固定化方法 的辅助手段 。
包埋 法指 的是混 合载体 和酶溶液 , 加入 一些引发 剂 , 使 其
体 和固定化酶 , 稳定性和重复使用性较好 , 因此 , 目前应 用 比较
广泛 。 但是 , 这种方法有着剧烈的反应 , 会严重损失 固定化酶的
活性 。
2 新型酶固定化 方法
在 开发新型酶 固定化方法 时 , 需 要遵循 以下原则 : 在进 行 酶的固定化时 , 需要在 比较 温和 的条 件下实现 , 并且 在酶活 力 损失方面 , 也需 要最 大限度地减少 , 甚至避免 。 在制备高活性 固
1 传统的酶 固定化方法
很 多的高度激发原 子、 分子 和离子等 , 在 常温下存 在着大量 的
等离子体。等离子体可以自由修饰载体材料表面, 从而实现活
性基 团引入的 目的。P u l e o等将钛合金 T i 一 6 A v表面用丙 烯
传统 的酶 固定化 方法主要包括四个类型 ,分别是吸 附法 、
定化技术 , 并且得 到了快速 的发展[ 】 】 。 酶 固定化技术指的是采用
离子体等 。t W C s 为辐射源 , 利用射线在尼龙膜表 面共 聚 甲基丙 烯 酸甲酯接枝 , 进一步活化 , 就可以 固定青霉 素酚化酶。 光偶联 单 体聚合物包埋 具有光敏基 团载体 的共 价 固定 化酶或者普 通 的固定化酶 , 在温和 的条件 下实现转 化 , 因此获得 的 固定化 酶
其是使用 光敏性 和催化活性等等 ; 但是 , 游离状态的酶对很多物质却有着较差 法是获得具有较高活力 固定化 酶的一种方法 ,
固定化酶的结构和应用研究
固定化酶的结构和应用研究酶是一种高效催化剂,能够在低温、低压、温和条件下加速化学反应。
但是,由于酶的易变性和失活性,导致其在实际应用中受限。
为了克服这些问题,人们开始研究如何将酶固定在矩阵中,即固定化酶技术。
固定化酶不仅能提高酶的稳定性和反应效率,还能降低成本,减少环境污染,因此被广泛应用于化学、医药、食品等领域。
固定化酶的结构特点:固定化酶技术是将游离酶固定到不同矩阵中形成复合物,固定化酶具有以下特点:1、球形颗粒形态:固定化酶的颗粒形态多为小球形状,直径一般在0.1-2mm之间,表面积大,容易流动。
2、孔隙结构:固定化酶的孔隙结构对反应效率影响很大。
孔洞大小和排布密度的选择需要根据酶分子体积和反应物分子大小等因素确定。
孔隙结构越完善,载体的承载能力就越好,受到因素的影响就越小。
3、化学性质:固定化酶通常会被化学修饰或交联处理,以增强酶的稳定性和活性。
固定化酶的化学特性与载体有关,而载体的性质则主要取决于其化学成分和形态结构。
固定化酶的应用研究:固定化酶技术广泛应用于食品工业、生物制品工业、医药工业、化学工业等不同领域。
下面以医药和食品工业为例,介绍固定化酶的应用研究。
医药工业:固定化酶技术在医药领域得到了广泛应用。
固定化酶可以用于生产药物,如在血液糖化反应试剂中,尿酸酶用于测定血液中的糖化血红蛋白。
另外,固定化酶还可以用于医药代谢学的研究中,如肝脏和肠道中酶的测定和组分鉴定。
食品工业:固定化酶技术在食品制造中应用也很广泛。
米酵素、酒精酶、淀粉酶、果胶酶、葡萄糖氧化酶等固定化酶被广泛用于生产发酵豆奶、酵母发酵、糖的精细化、果汁澄清、白酒工艺等领域。
目前,固定化酶制备技术正在逐步推广应用于日常食品的加工,如工业化的酸奶、酒、酱油、豆腐等。
在以上应用中,固定化酶技术可以大大提高效率、减少成本、加快反应速度。
同时,由于固定化酶具有优良的长效性、高热稳定性、高耐受性、良好的流变性和矩阵结构的可干燥性等特点,因此具有较大的应用潜力和市场前景。
固定化脂肪酶的研究进展
固定化脂肪酶的研究进展固定化酶技术是一种将酶固定在一种载体上,从而提高其稳定性和重复利用性的方法。
固定化酶技术在工业生产和生命科学研究领域具有广泛的应用前景。
其中,固定化脂肪酶作为一种重要的酶类,在食品工业、制药工业、生物燃料生产等领域有着广泛的应用。
首先,固定化载体的选择。
固定化载体是固定化酶技术中至关重要的一环,它直接影响到酶的稳定性和重复利用性。
常见的固定化载体包括凝胶、纤维素、磁性材料等。
目前,研究者对于固定化脂肪酶的载体选择进行了大量的尝试和优化。
例如,一些研究表明,以凝胶为载体的固定化脂肪酶具有较高的活性和稳定性,并且可以通过改变凝胶的孔径和化学性质来调控酶的催化性能。
其次,固定化方法的优化。
固定化脂肪酶的固定化方法多种多样,包括物理吸附、化学交联等。
研究者通过比较不同的固定化方法,优化固定化过程,以提高固定化脂肪酶的活力和稳定性。
例如,一些研究表明,采用化学交联的方法固定化脂肪酶可以在较宽的温度和pH范围内保持较高的活性。
第三,固定化脂肪酶的特性研究。
固定化脂肪酶的特性研究旨在揭示固定化过程对酶的结构和功能的影响。
通过比较固定化脂肪酶与游离酶的特性差异,可以了解固定化过程中酶的构象变化、活性中心的可用性以及固定化载体对酶的稳定性和催化性能的影响。
例如,一些研究表明,固定化脂肪酶的活性中心由于受限于固定化载体的孔径而发生改变,从而导致酶的催化性能发生变化。
最后,固定化酶反应机制的解析。
固定化酶的反应机制是研究者关注的另一个重要问题。
通过研究固定化脂肪酶的反应机制,可以深入了解固定化过程中酶与底物的相互作用、反应路径以及固定化载体对反应过程的影响。
例如,一些研究采用动力学分析方法,揭示了固定化酶反应速率与温度、底物浓度、pH值等因素之间的关系。
总之,固定化脂肪酶的研究进展涵盖了固定化载体的选择、固定化方法的优化、固定化酶的特性研究和固定化酶反应机制的解析。
这些研究为进一步优化固定化酶的性能,推动其在工业生产和生命科学研究中的应用提供了重要的理论和实验基础。
固定化酶及其应用研究进展
固定化酶及其应用研究进展摘要:随着社会的发展,越来越多酶被人们广泛的应用在工业生产、生物传感器和环境保护等领域。
作为一种良好的生物催化剂,酶可以在常温、常压等温和的反应条件下高效地催化反应,一些难以进行的化学反应在酶的催化下能顺利地完成。
关键词:酶固定化酶应用进展酶是由生物体内自身合成的生物催化剂。
多数酶的化学组成为蛋白质。
现已鉴定出3000种以上的酶,其中数百种已得到结晶。
酶具有催化效率高和高度专一性的特点,但易受强酸、强碱、高温等条件影响,使蛋白质变性而失去催化活性。
某些酶仅决定于它的蛋白质结构,如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。
另一些酶为酶蛋白与辅助因子结合形成的复合酶,称为全酶,在催化反应中,酶蛋白决定酶反应的专一性,而辅助因子则直接对电子、质子或某些基团起传递作用。
固定化酶是把酶人工偶联到不溶于水的载体上,并长时间保持催化活性,使过程连续化、简单化。
酶的固定化就是通过化学或物理的处理方法,使原来水溶性的酶与固态的水不溶性支持物相结合或被载体包埋。
固定化方法有物理吸附法、交联、共价结合及包埋等方法。
目前较先进的方法是将酶固定在生物膜或超滤膜上,制造出来的生物膜反应器的生产能力有明显提高。
经过固定化,酶具有了比原来水溶性酶更多的优点:1)酶经过固定化处理一般稳定性有较大提高,对热、pH等的稳定性提高,对抑制剂的敏感性降低,有的酶具有了抗蛋白酶分解的特性;2)反应完成后经过简单的过滤或离心,酶就可以回收,而且酶活力降低较少,这样就降低了生产成本;3)固定化体系适合于连续化、自动化生产,催化过程容易控制,且产品中不会带进酶蛋白或细胞,改善了后处理过程,提高了酶的利用效率,降低了生产成本。
酶在生理学、生物化学、医学、农业、工业等方面具有重大意义。
酶作为生物催化剂,尤其是固定化酶作为多相生物催化剂,能够在非常温和的条件下实现合成、降解及转换化学物质的特异性反应,效率高,能源消耗少.这无疑向我们展示出一幅广阔的应用前景. 现代意义下的酶,已不单单是一些微生物的重要产物,它已成为现代生物产业中一个不可缺少的组成部分。
固定化酶的研究进展
固定化酶的研究进展
固定化酶以其优越的特性,在物理化学过程中发挥着重要的作用。
近年来,固定化酶的研究已取得了重大突破,为解决各种化学反应问题提供了新的思路和解决方案。
1.固定化酶的研究历史
固定化酶的研究可以追溯到1899年,当时海尔士和罗斯证明可以将酶结合到珠粒或陶瓷体中。
之后,1904年,韦伯提出了将酶固定在改性双氧水Gel上的概念,这标志着固定化酶研究正式开始。
在后续几年中,研究人员们利用不同类型的支撑体,研究固定化酶的活性及固定方法,例如改性的石英粉和橡胶等。
1960年代,随着计算机和分子生物学的发展,人们对固定化酶的了解加深了,同时,也解决了以往无法实现的合成反应问题,这大大促进了细胞工程技术的发展。
这一时期的固定化酶研究主要集中在对酶结构和活性的研究,以及利用多种体内诱导因子来实现酶固定化的方法,例如培养基、氯仿等。
2.固定化酶的进展
随着生物技术的发展,固定化酶的应用可以说是前所未有的。
今天,科学家们可以利用先进的技术,将多种酶和酶-活性物质结合在一起,形成不同功能的复合酶体,以提高它们的反应活性。
近年来,固定化酶的研究重点也在拓展。
酶固定化及应用研究进展
目前 , 孔道 、 比表 面 和 孔 容 的新 型介 孔 大 高
材 料不断被 引入 酶 固定化 领域 , 3因为大孔道 、 [ 1 ・ 高 比表 面 、高 孔容 的介 孔 材 料 中 酶 的负 载量 大 ( 1 ,且酶 的负 载能快 速 完成 ,4 图 ) 【 】负载 量高达 5 0 gg[ 8 m /。8王安 明等 人【通 过运 用微 波辐射加快 1 “ 1
传统 的 酶 固定 化 技 术 虽 在一 定 程 度 上 可 以 增强 生物催 化剂 的稳 定 性 , 增强 幅度 有 待进 一 但 步 提 高 , 且 传 统 固定 化 过 程 中 , 物 催 化 剂 酶 并 生
催化 活力通 常损 失严 重 。 如何 通过 固定 化 获得 合 适 的生 物催 化 剂 一 直 为 化 学 家 和 生 物学 家 所 关
8 2
的制 备将 有利 于其 在在 工 业 中 的推 广 和应用 , 高 负 载 的 固定化 酶 一方 面能 有 利 于 提 高 生 产效 率
过 程 中省 去 了冗 长 的蛋 白质 纯 化 过 程 。雷 重礼
等 [ 通 过 P I 埋修 饰 磁 性 颗 粒 , 2 3 】 E包 再将 胶 原 酶共
注 。【 叫
了 MC 4 系 列介 孔 分 子筛 以来 。1 孑 材 料在 M一 1 [ L 5 介 酶 生 物催 化剂 固定化 方 面 的研 究 和 应 用 日益 受 到人 们 的重视 。 【 道 的结构 和尺 寸对 酶活力及 司孔 稳定 性有 着 明显 的影 响 , 合 适 的孔道 中酶 固定 化 后其活 力提高 到游 离酶 的 2倍 ,】 三维及 大 f且 9 孔 道有 利于 固定 化 与催 化过 程 中酶 蛋 白和底 物 、 产 物 的传 输 .从 而 能 提 高酶 的 固定 化 和催 化 效
固定化酶制备及应用的研究进展
固定化酶制备及应用的研究进展
摘要
固定化酶是一种将酶固定到支持材料上的一种技术,广泛应用于有机合成、蛋白质工程、药物分析、生物电化学、环境污染检测等领域。
近年来,固定化酶的研究受到了广泛关注,技术的不断发展改变了传统的固定化酶方法,这产生了重要的应用价值。
本文对最新的固定化酶制备和应用的研究进展进行综述,包括固定化酶的支持材料、固定化技术、活性测定以及固定化酶的应用。
随着新型支持材料和合成技术的不断发展,未来固定化酶将具有广泛的应用和巨大的市场前景。
关键词:固定化酶;支持材料;固定化技术;活性测定
1引言
随着现代科技的发展,生物催化剂的耐受性和可用性都得到了大幅提高,而且易于储存和运输。
这使得固定化酶变得更加重要,越来越受到学者的重视。
固定化酶可以有效改善组装酶的活性、稳定性和可控性,并可以在传统的酶反应技术中取得良好的效果,从而实现生物催化剂的多种多样的应用[1]。
2固定化酶的支持材料
固定化酶的支持材料一般分为生物支持材料和无机支持材料,两者有着不同的优缺点,在实际应用中,应实现有机无机材料的有机结合,才能获得良好的固定化效果。
固定化酶载体材料的研究进展
2 . 3 水溶性
相对 于酶的可溶性 ,通常情况下载体 材料 固定化酶最大 的特性 就是需要
是不溶于水的 , 可 以对酶起 到一定 的保护作用。 2 . 4 稳定性 和机械刚性
的。
分活跃 。固定化酶作为一种 生物催化 剂, 可以在相 对稳定的反
应条件 下, 对一些化 学反 应进 行高选择 性、 高效 率的催化 , 并且
基层医学论坛 2 0 1 3 年8 月第 1 7 卷第 2 2 期
普及和发展1 2 ] 。
由于载体材料对于固定化酶的性能发挥影响巨大 ,因此 , 对于 固定化酶载体材料的选择是十分重要的 , 对典 陛能有严格 的要求 。固定化酶的载体材料必须可 以满足以下几点 : 2 . 1 功能基团 固定化酶 的载体 材料一般都必须带有 可 以与酶发生反应 的官 能团 ,如一 O H、 一c O 0 H等功 能基 团 , 从 而提高与酶之间的结合力 , 提高其稳定性和可操作性。
物和结构性蛋 白等 , 其原料的获得相对简单 , 来源丰 富, 并且清
或者被载体包埋 , 使两者形成一个统一 的整体 。固定化酶技术
具有专一、 高效 、 绿 色环 保等诸多优点 , 在生物学 、 化 学、 医学等 多个科学领域取得了很大的研究成果 , 并得到 了迅速发展 和普 及 。对于固定化酶本身而言 , 载体材料 的结构和性质直接决定 着其性 能的发挥 , 因此 , 固定化酶载体 材料的研究一 直与 固定 化酶技术的发展密不可分 。随着科学技术的不断发展 , 固定化 酶 的载体材 料也从最初 的天然高分 子材料发展 为人 工合成高 分子材料和无机材料 , 以及现有的复合材料等 。
以 提 出 和 发展 。 1 固定 化 酶 概 述
就 目前 的研究进展状况来看 , 固定化 酶载体材 料的种类 繁 多, 以其 自身构成进行划分并分析如下。
固定化酶研究进展
固定化酶研究进展固定化酶是将自由酶固定在一种载体上,以提高酶的活性、稳定性和可重复使用性的一种技术。
近年来,固定化酶研究取得了很大的进展,下面将介绍固定化酶研究的三个重要方面:载体选择、固定化方法和应用研究。
一、载体选择固定化酶的载体选择是固定化酶研究的重要方面之一、常见的载体包括无机载体、有机载体和生物载体。
无机载体一般具有良好的力学性能和稳定性,如硅胶、氧化铝等。
有机载体一般由生物高分子材料制成,如聚合物、淀粉等。
生物载体是指利用活细胞或细胞壁来固定酶,如酵母细胞、细菌等。
近年来,有机载体和生物载体在固定化酶研究中受到了广泛关注。
有机载体具有良好的机械性能、化学特性和生物相容性,可以提高酶的稳定性和活性。
生物载体可以提供更多的酶固定位点,提高酶的载体负载量和活性稳定性。
二、固定化方法固定化酶的固定化方法是固定化酶研究的另一个重要方面。
常见的固定化方法包括物理吸附法、交联法、包埋法和共价结合法等。
物理吸附法是将酶和载体通过吸附力相互结合,常用的吸附剂包括硅胶、氧化铝和活性炭等。
这种方法简单易行,但固定化的酶活性较低。
交联法是通过交联剂将酶和载体固定在一起,常见的交联剂包括聚乙二醇、聚乳酸等。
这种方法可以提高固定化酶的稳定性和活性。
包埋法是将酶固定在凝胶中,通常使用明胶、凝胶等作为包埋材料。
这种方法可以提高酶的稳定性和可重复使用性。
共价结合法是将酶和载体通过共价键相连,常见的方法包括胺基化、羧化和酯化等。
这种方法可以提高酶的载体负载量和稳定性。
三、应用研究固定化酶的应用研究是固定化酶研究的重要方面之一、固定化酶广泛应用于生物催化、制药工业、食品工业和环境保护等领域。
例如,固定化酶可用于催化反应、代谢物检测和制药工艺中。
近年来,随着生物技术的发展,固定化酶的应用研究取得了很大的突破。
例如,固定化酶可应用于生物燃料电池、生物传感器和医学诊断等新兴领域。
总之,固定化酶研究近年来取得了很大的进展,载体选择、固定化方法和应用研究是固定化酶研究的三个重要方面。
固定化酶技术及应用的研究进展
固定化酶技术及应用的研究进展固定化酶技术是一种将酶固定在载体上的方法,以提高酶的稳定性和重复使用率。
过去几十年来,固定化酶技术在生物催化、制药工业、食品工业等领域得到了广泛应用。
本文将介绍固定化酶技术的研究进展及其在不同领域的应用。
1.固定化酶的载体材料:传统的酶固定化载体包括天然多孔材料(如海藻酸钙、硅胶等)、无机材料(如纳米金、纳米磁性颗粒等)和有机材料(如聚酰胺、聚氨酯等)。
近年来,新型载体材料如金属有机骨架材料(MOFs)、二维材料等也被广泛研究,这些载体材料具有较大的比表面积和孔隙结构,有助于提高酶的固定化效果。
2.固定化酶的固定化方法:固定化酶的方法多种多样,包括吸附法、共价固定法、交联法、包埋法等。
吸附法是最简单的固定化方法,将酶溶液滴到载体表面,酶会自发地吸附在载体上;共价固定法通过化学反应将酶共价键结合到载体上,稳定性较好;交联法通过交联剂将载体和酶固定在一起,增加了载体和酶的稳定性;包埋法是将酶包裹在材料中,保护酶免受外界环境影响。
3.固定化酶的性能调控:通过改变固定化酶的载体材料、固定化方法和酶的固定化条件等,可以调控固定化酶的性能。
例如,调控载体材料的表面性质可以提高酶的活性和特异性;调控固定化方法和条件可以改变酶的稳定性和重复使用率。
1.生物催化领域:固定化酶技术在生物催化领域具有重要应用。
固定化酶可以用于催化酶促反应,如酶催化合成有机化合物、酶催化合成生物柴油等。
相比于游离酶,固定化酶具有较高的催化效率和稳定性,可以大幅度提高生产效率。
2.制药工业:固定化酶技术在制药工业中有广泛应用。
固定化酶可以用于制备药物原料、合成药物和代谢药物等。
与传统的化学合成方法相比,固定化酶合成方法具有高选择性、低副产物生成和环境友好等优点。
3.食品工业:固定化酶技术在食品工业中的应用也不容忽视。
固定化酶可以用于酿造、咖啡因去除、果汁澄清等。
利用固定化酶技术可以提高产品质量,降低生产成本。
固定化酶技术及应用的研究进展
固定化技术研究进展摘要:固定化酶技术作为一门交叉学科技术,在生命科学、生物医学、食品科学、化学化工及环境科学领域得到了广泛应用。
新型载体材料的合成是今后固定化酶发展的一个非常重要的研究领域。
本文主要介绍了固定化酶的载体,固定化技术以及在不同行业的应用,主要介绍了在污水处理和医疗行业的应用和发展趋势。
关键词:固定化载体污水医疗应用酶是重要的生物催化剂,具有专一性强、催化效率高、无污染、反应条件温和等特点,在制药、食品、环保、酿造、能源等领域都得到了广泛的应用。
但在实际应用中,酶也存在许多不足,如大多数的酶在高温、强酸、强碱和重金属离子等外界因素影响下,都容易变性失活,不够稳定;与底物和产物混在一起,反应结束后,即使酶仍有很高的活力,也难于回收利用,这种一次性使用酶的方式,不仅使生产成本提高,而且难于连续化生产;并且分离纯化困难,也会导致生产成本的提高等。
固定化酶技术(Immobilized enzyme technology)克服了酶的上述不足。
酶的固定化是指采用有机或无机固体材料作为载体,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。
1.传统酶固定化技术传统酶的固定化方法可分为吸附法、共价偶联法、交联法和包埋法等4 种。
吸附法是指通过载体表面和酶表面间的次级键相互作用而达到酶固定化的方法,根据吸附剂的特点又可分为物理吸附和离子交换吸附。
该法具有操作简便、条件温和及吸附剂可反复使用等优点,但也存在吸附力弱,易在不适pH、高盐浓度、高底物浓度及高温条件下解吸脱落的缺点。
共价偶联法是将酶的活性非必须侧链基团与载体的功能基通过共价键结合,故表现出良好的稳定性,有利于酶的连续使用,是目前应用和研究最为活跃的一类酶固定化方法,但共价偶联反应容易使酶变性而失活。
交联法是利用双功能或多功能基团试剂在酶分子之间交联架桥固定化酶的方法,其更易使酶失活。
包埋法包括网格包埋、微囊型包埋和脂质体包埋等,包埋法中因酶本身不参与化学结合反应,故可获得较高的酶活力回收,其缺点是不适用于高分子量底物的传质和用于柱反应系统,且常有扩散限制等问题。
固定化酶技术在生物转化中的应用研究
固定化酶技术在生物转化中的应用研究生物学是一个非常广泛的学科,它涉及到自然界中各种生物系统的结构和功能的研究。
其中,酶技术是生物学中的重要分支之一,它通过研究各种酶的结构、功能和催化机制,以及不同条件下的酶催化反应过程等等,来发掘生物中的化学反应,并进行实际的应用研究。
而固定化酶技术就是酶技术中的一个重要方向,它主要利用多种载体的固定化技术,将酶固定化在某种载体上,以此来提高酶的稳定性、活性和可重复性等性质。
本文将从技术背景、应用研究以及未来发展三个方面来分析固定化酶技术在生物转化中的应用研究。
一、技术背景固定化酶技术是一个流行已久的酶技术,它的历史悠久,早在20世纪50年代就已经有了相关文献报道。
最初的固定化酶技术主要是利用亲和力床来将酶固定化在载体上。
而随着科技的不断进步,现代固定化酶技术已发展成为一套兼具理论和实际应用的完整技术体系。
同时,随着人们对酶技术应用的需求不断增加,固定化酶技术也在不断的近年来迅猛发展,已经成为了生物技术领域中的重要分支之一。
二、应用研究固定化酶技术的优势在于它可以有效地提高酶的稳定性、活性和可重复性等性质。
因此,它应用范围广泛,目前已经在许多领域得到了广泛应用。
1. 化学生产在化学生产中,固定化酶技术主要应用于催化反应方面。
例如,氨苯磺酸酰胺合成芳香胺的反应是一个固定化酶技术应用的例子。
此外,在糖类、多肽和药物前体合成中,固定化酶技术也得到了广泛的应用。
2. 食品加工在食品加工中,酶的应用范围也非常广泛。
例如,乳制品和葡萄酒的生产中都需要使用酶来进行加工处理。
而固定化酶技术则可以提高酶的活性和稳定性,从而使酵母菌发酵和酿酒更为高效和快速。
3. 环境治理在环境治理中,固定化酶技术主要应用于污染物去除和资源回收等方面。
例如,利用固定化酶技术可以将污染物吸附在载体上,进而进行处理或回收。
此外,通过处理污水、固体废弃物以及生物质等,固定化酶技术也可以将这些废弃物转化为有用的资源。
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固定化酶的研究进展固定化酶是20世纪60年代发展起来的一项新技术。
最初主要是将水溶性酶与不溶性体结合起来,成为不溶于水的酶衍生物,所以曾叫过“水不溶酶”和“固相酶”。
但是,后来发现,也可以将酶包埋在凝胶内或置于超滤装置中,高分子底物与酶在超滤膜一边,而反应产物可以透过膜逸出。
在这种情况下,酶本身仍是可溶的,只不过被固定在一个有限的空间内不能再自由流动。
因此,用水不溶酶或固相酶的名称就不再恰当。
在1971年第一届国际酶工程会议上,正式建议采用“固定化酶”的名称[1]。
一固定化酶的发展历程[1]酶参与体内各种代谢反应,而且反应后其数量和性质不发生变换。
作为一种生物催化剂,酶可以在常温常压等温和条件下高效地催化反应,一些难以进行的化学反应在酶的催化作用下也可顺利地进行反应,而且反应底物专一性强、副反应少等优点大大促进了人们对酶的应用和酶技术的研究。
近年来,酶被人们广泛应用于食品生产与检测、生物传感器、医药工程、环保技术、生物技术等领域。
1916年美国科学家NELSON和GRIFFIN最先发现了酶的固定化现象;直到20世纪50年代,酶固定化技术的研究才真正有效地开展;1953年,德国科学家GRUB-HOFER 和SCHLEITH首先将聚氨基苯乙烯树脂重氮化,然后将淀粉酶、胃蛋白酶、羧肽酶和核糖核酸酶等与上述载体结合制备固定化酶;到20世纪60年代,固定化技术迅速发展;1969年日本千畑一郎利用固定化氨基酰胺酶从DL-氨基酸生产L-氨基酸,是世界上固定化酶大规模应用的首例;在1971年的第一届国际酶工程会议上,正式建议使用固定化酶(mimobilizedenzyme)这个名称。
我国的固定化酶研究开始于1970年,首先是中国科学院微生物所和上海生化所的酶学工作者同时开始了固定化酶的研究工作二固定化酶的特点[2] [3]固定化酶具有许多优点:极易将固定化酶与底物、产物分开;可以在较长时间内进行分批反应和装柱连续反应;在大多数情况下,可以提高酶的稳定性;酶反应过程能够加以严格控制;产物溶液中没有酶的残留,简化了提取工艺;较水溶性酶更适合于多酶反应;可以增加产物的收率,提高产物的质量;酶的使用效率提高,成本降低。
但是,固定化酶也有其不足之处,如固定化时,酶活力有损失;增加了固定化的成本,工厂开始投资大;只能用于水溶性底物,而且较适用于小分子。
三固定化酶固定化方法[3] [4]由于所固定的酶或细胞的不同,或者固定的目的及固定用的载体的不同,使固定化方法大相径庭。
根据固定的一般机理,可将之分为如下几种方法。
酶的固定化方法有:吸附法、包埋法、共价键结合法、肽键结合法及交联法。
不同的固定化方法所产生的效果也不相同,各有自己的优缺点,如吸附法制备容易,能够再生,但结合程度较低,活力回收率低,而包埋法结合程度高,活力回收率高,但制备较难,不能再生。
所以对不同的实验目的,可采用不同的固定方法。
四固定化酶的研究进展1 固定化酶固定化载体的研究进展载体材料的选择是决定酶能否成功固定化以及固定化酶活力高低的重要因素。
酶蛋白的活性中心是酶催化活性所必需的,酶蛋白的空间结构也与酶活力密切相关,因而在固定化的过程中必须注意酶活性中心的氨基酸残基不受到载体的影响,而且要避免酶蛋白高级结构的破坏。
从载体材料的组成来看,固定化酶所使用的载体可以分为无机载体、高分子载体、复合载体及新型载体等。
1.1无机载体[5] [6] [7] [8] [9]传统的无机载体材料(如二氧化硅、活性炭、玻璃珠、硅胶等)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,用无机载体直接以吸附法固定化酶虽然具有方法简单、造价低廉、固定化酶初始活性较高等优点,但无机载体的结构不易调控,影响传质且键合酶的能力差,固定化酶容易因脱附而迅速失活。
1.2高分子载体天然高分子载体如壳聚糖(Chitosan)[10]是甲壳素的脱乙酰化产物,是一种氨基多糖。
由于壳聚糖具有良好的机械性能、稳定的化学性质,同时又易于接枝而改性,再加上其来源丰富,成本低廉,制备简单,已成为开发固定化酶载体材料的方法之一。
利用壳聚糖上的氨基与戊二醛发生Schiff反应,再与酶形成Schiff碱而固定化酶。
壳聚糖壳起着漉网的作用,限制着底物和产物的进出。
合成高分子类载体如通过自由基沉淀聚合反应合成甲基丙烯酸—丙稀酰胺—顺丁烯二元酸酐三元共聚物,利用共聚物上的酸酐基团,直接进行木瓜蛋白酶的固定化。
这种固定化酶可通过调节体系的pH值来改变其沉淀-溶解状态。
1.3复合载体[7] [8] [9]无机载体与传统有机聚合物载体材料能形成互补体系,因此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改性修饰,制备兼具两者优良特性的复合载体用于酶的固定化研究受到了众多学者的青睐。
为增强无机材料结合酶的能力,可把易于与酶结合的有机或无机材料涂敷在多孔无机材料的表面,制备出固定化酶复合载体。
如用甲壳胺固定酶时常用戊二醛作交联剂,此时甲壳胺容易形成凝胶,液体的流动因此而受阻传质性能差,底物不能与酶充分接触。
硅胶表面有羟基,这些羟基能与甲壳胺中的羟基形成氢键,甲壳胺能很好地吸附在硅胶的表面形成复合载体。
这种复合载体具有无机载体良好的机械性能,可克服高分子载体机械性能差的弱点,所以用复合载体制备的固定化酶更适合在产业化中作为生物催化剂使用。
复合载体材料有机可改进材料的性能,目前主要有磁性高分子微球[11],既可以通过共聚、表面改性等化学反应在微球表面引入多种反应性功能基团,也可通过共价键来结合酶、细胞、抗体等生物活性物质,在外加磁场的作用下,进行快速运动或分离因,而在生物工程、生物医学及细胞学等领域有着广泛的应用前景。
1.4新型载体[5]新型材料如介孔材料[5] [12],介孔材料是一种多孔固体材料,它具有蜂窝样的孔道,大小只有2~5nm。
很多介孔材料的孔道都是规则有序排列的,包括层状、六方对称排列和立方对称排列的孔道结构。
介孔材料作为酶固定化载体的优越性表现在:①相对于微孔分子筛,介孔材料较大的孔径使其表面活性基团有较好的可接近性,孔内可负载大体积基团,适用于体积大小范围较宽的客体分子;②介孔材料的表面富含羟基基团,与酶分子发生氢键作用,加强载体与酶分子的作用力,而且羟基在表面的分布及其数量可根据目标进行调变;③具有较高的比表面积达(达1000m2/g),理论负载量较高;④无机介孔材料在酶催化反应过程中呈惰性,不影响催化反应;⑤在理论研究方面,均一孔径有利于建立固定化酶的结构模型,表面性质及结构的可调变性可为酶∕载体的分子水平设计与结构控制提供有意义的信息。
1.5智能型高分子载体[13]最近又新兴了一种新的载体就是智能型高分子载体,智能型高分子载体亦称环境响应型载体,是指能够感知外界环境的刺激并作出相应回应的一类具有功能发现能力的新材料,如温度敏感型凝胶载体,即温度响应型高分子水凝胶,是一类可通过改变自身性质来对外界温度变化作出响应的智能材料,目前温度响应水凝胶在固定化酶方面的研究主要集中在随温度变化而发生体积相转变的高温收缩型凝胶,所得的固定化酶可实现酶的均相催化和异相分离,以及连续性和重复使用性。
此外,还有pH-敏感型载体、磁响应型载体材料以及多重响应型载体等智能型高分子载体。
2 固定化酶的应用研究进展固定化酶的应用广泛,固定化酶技术的研究不仅在化学生物学、生物工程医学及生命科学等领域异常活跃,而且因为其节省能源与资源,减少污染的生态环境效应而符合可持续发展的战略要求。
2.1固定化酶在食品工业上的应用[3] [14] [15] [16]固定化酶在食品工业的各个方面都显示出广阔的应用前景,如固定化酶技术的发展使生物传感器应运而生,它的问世不仅使食品成分的快速、低成本、高选择性分析测定成为可能,而且生物传感器技术的持续发展将很快实现食品生产的在线质量控制,降低食品生产成本,并给人们带来安全可靠及高质量的食品;在制造啤酒时,可以试用固定化微生物淀粉酶替代麦芽水解淀粉酶;利用固定化木瓜酶和固定化多酚氧化酶研究解决啤酒的防浊问题。
2.2固定化酶在医学和临床分析的应用[3]1893年,FRANCIS利用木瓜蛋白酶来治疗白喉的假膜和结核性溃疡。
目前,人们已经将酶作为药物,在内科、外科、眼科、妇科放射科等临床方面,广泛地加以应用,取得了良好的疗效;近些年有些学者研究将葡聚糖磁性毫微粒固定化L-天冬酰胺酶,通过血液注射治疗急性淋巴白血病。
萤火虫荧光素酶(fire-fly luciferase)可以用来检测三磷酸腺苷(ATP) 的含量;用聚丙烯酰胺包埋葡萄糖氧化酶与氧电极组装成酶电极也可用来进行临床的血糖监测,血糖线性范围为0~3mg/ml,并且可连续测定1000次血糖样品,酶样低温存放180d仍可保持90%的原酶活力。
2.3固定化酶在环保技术方面的应用[3] [17]美国宾夕法尼亚大学利用多酚氧化酶制成固定化酶柱,将其与氧电极检测器合用,可以检测出水中2 10-5g/L 的酚;臭氧在潮湿的空气中容易生成过氧化氢,Etinussa等以膜状壳聚糖为载体吸附过氧化氢酶,与过氧化氢电极结合对低浓度臭氧达到了简便快速检测;生活污水和工业废水中有害成分主要是氯酚,将辣根过氧化物酶大量吸附在磁石上,可以保证其100%的活力,且净化效果是粗酶的20多倍。
因其对水中的氯酚选择性吸附,可将氯酚100%清除;脱乙酰壳多糖胶膜固定的苯丙氨酸酶可将苯酚降解成二氧化醌,而且脱乙酰壳多糖胶膜可以快速将产物吸附,极大地提高了污水处理的效率。
2.4固定化酶在能源利用方面的应用[3] [18]为了解决能源紧缺问题,近年来不少学者致力于利用固定化的脂肪酶催化合成生物柴油,LU等利用固定化的Candida sp99-125催化猪油转酯,20%脂肪酶30h后甲酯得率为87.4%;黄瑛等利用Novozym435催化猪油转酯,3%脂肪酶24h后甲酯得率为95%;陈英明等采用固定化脂肪酶,在三级固定床反应器上将酸化油合成生物柴油,生产出的柴油除密度和黏度不符合标准外,其他特性明显优于中国的0#柴油标准;高阳等研究了利用多孔渗水物质为载体固定脂肪酶,使其可在低水环境中合成生物柴油;氢气作为一种清洁能源已引起人们的关注,有学者利用聚丙烯酰胺凝胶包埋丁酸梭状芽孢杆菌IFO3847菌株,可以利用葡萄糖生产氢气,并且稳定性好,无需隔氧。
五固定化酶应用展望目前,固定化酶技术已成为酶工程研究的重点和热点之一,研究探索新的酶固定化技术(如流体聚合包埋技术、纳米粒子原位共聚包埋等)、提高固定化酶活性收率、延长半衰期、降低成本将成为固定化酶研究领域的主要研究内容;充分利用具有适宜生物相容性及亲水性的天然载体、运用当代高新技术对天然载体修饰改性以及开发合成性能优良的新的酶固定化载体材料、研究高分子材料与特定无机材料的复合材料以及合成酶固定化智能载体材料等将是固定化酶载体材料今后发展与应用的方向;酶固定化技术已在食品工业、生物传感器、医药、环保等行业得到广泛应用,随着人类对环保的日益关注,酶的应用会更受关注。