生物工程导论

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固定化酶的最新进展及其应用

姓名:刘艳红学号：3150104700 专业：社会科学试验班

摘要：利用仿生酶的作用方式，通过固定化技术将酶加以改造和固定，使得到的酶既具有传统酶高效的催化性能，又有一般化学催化剂可以回收，反复利用的特点，并在生产过程中可以实现连续化和自动化。本文将从固定化培养的方法与装置，结合传统固定化酶与最新固定化酶之间的载体，固定化方法等方面的对比，论述固定化酶的最新发展及其应用。

关键词:酶，固定化，最新应用

通常，将酶固定的制备过程称为酶的固定化，也就是通过某些方法将酶与载体相结合后成为不溶于含有底物的相中，从而使酶被集中或限制在一定的空间范围内再进行酶解反应。传统的固定化技术可大致分为物理法和化学法两大类，物理方法包括物理吸附法和包埋法，化学法包括共价法和交联法。

对于吸附法，是利用离子键、物理吸附等方法，将酶固定在纤维素、琼脂糖等载体上的固定方式。工艺简便并且条件温和，载体选择的范围也很大，吸附过程可同时达到纯化和固定化的目的；酶失活后又可以重新活化，载体还可以再生。

包埋固定化法就是把酶定位于聚合物材料的格子结构或微囊结构中。这样可以防止酶蛋白释放而难以回收，但底物仍能渗入格子或微囊内与酶相接触，使反应几乎不受影响。这种法较为简便，因为酶分子仅仅是被包埋起来，生物活性被破坏的程度低，反应的效率仍然较高。

共价法是酶蛋白分子上功能基与固相支持物表面上的反应基团之间形成化学共价键连接的方式，这种方法结力牢固，使用过程中不易发生酶的脱落，稳定

性能好，但往往需要严格控制条件才能获得活力较高的固定化酶。

交联法是用多功能试剂进行酶蛋白之间的交联，使酶分子和多功能试剂之间形成共价键，得到三向的交联网架结构。除了酶分子之间发生交联外，还存在着一定的分子内交联法，从而形成一个整体。

以上是传统酶固定化的方法，它在实际生产与生活中应用极为广泛，但是固定化酶也总是存在一些问题和缺点。固定化过程中，总是会有一些酶失活，并且该过程中会消耗固定化材料，因而成本也就相应增加。同时由于酶被固定到在载体上，那么酶就不在直接与底物结合，它与底物之间又增加了层载体，就使得底物与产物之间的传至阻力增加。于是人们就不断研究改进技术方法，以获取最大利润。

酶固定化最新进展：新型材料的引进。首先，介孔材料的使用。大孔道、高比表面和孔容的新型介孔材料不断被引入酶固定化领域，因为大孔道、高比表面、高孔容的介孔材料中酶的负载量大，且酶的负载能快速完成，负载量显著提高。第二，就是纳米管，它是将生物分子，如氨基酸、蛋白质、酶、DNA 等结合在碳纳米管表面或端口上，可提高它在水溶液中的溶解度，纳米管的内表面能够与酶之间存在强烈的相互作用，从而使得管内酶蛋白结构稳定并且能保留相当的催化活力，其中，具有代表性的就是硅纳米管，用于固定化酶时，能够保持酶的活性，并且提高酶的热稳定性及对PH的耐受性.第三，就是磁性高分子微球。磁性高分子微球是由无机磁性纳米粒子与有机高分子通过包埋法、单体聚合法合成的，磁性微球有良好的表面效应和体积效应：比表面积较大，微球官能团密度较高，选择性吸附能力较强，吸附平衡时间较短；选择磁响应性，可以避免使用中粒子之间发生磁性团聚；物理化学性质稳定，具备一定的机械强度和化学稳定性，

能耐受一定浓度的酸碱溶液和微生物的降解；它表面本身具有通过改性赋予多种活性的功能基团，这些功能基团可以连接生物活性物质。第四，离子液体，离子液体是一种新的绿色溶剂，在生物催化反应中具有以下特点:在离子液体中，酶有良好的选择性、稳定性和反应活性。离子液体可溶解极性大的反应物，产物易分离，酶和离子液体可重复使用，调节其极性和亲水性，故又被称为可设计溶剂。

酶固定化的新技术、新方法。首先，微波/超声辅助固定化。微波加热的主要原理是介质材料的极性分子在微波高频电场的作用下反复快速取向转动而摩擦生热，是从物质内部开始，瞬时达到需要的温度。微波加热具有许多传统加热不具备的优点，包括：加热迅速、均匀，不需要热传导过程，内外同时加热，加热时间短；加热质量高，营养破坏少；节能高效；易于控制功能等。到目前为止，超声波技术对酶解反应有非常好的促进作用，具有高效、廉价、无污染的特点，可提高酶促反应速度和有效成分的产率。再者，无载体固定化。开发研究本身催化性能好同时耐受能力强的新型酶，就无需再使用载体，这将大大降低原料成本以及反应的复杂程度。交联酶晶体就是既具有酶的高活性、高选择性、反应条件温和等特点，又具有固相催化剂的环境适应性强、易回收等优势，从而使其在有机合成中应有较广。例如CLECs是一种无需载体、既有纯蛋白的高度特异活性又对有机溶剂具有高度耐受性的生物催化剂。最后，交联酶技术。它是一种将蛋白质先沉淀后交联形成不溶性的、稳定的固定化酶，通过基本纯化的、高浓度的蛋白质样品的共价交联来实现的。具有对酶的纯度要求不高、不需要结晶等复杂步骤、可获得稳定性好、活性高、成本低、易于推广、空间效率高等特点，是一个很有发掘潜力的固定化方法.

固定化酶的最新应用。①固定化酶在化学分析中的应用。酶的专一性可以使酶在一个复杂体系中不受其他物质干扰，准确地测出某一物质含量。固定化酶与亲和色谱就是利用生物分子间的高亲和力，高专一性逆结合设计纯化方法，利用固相酶在相界面催化反应的特点，还可用它来复制膜酶的模型,这就是生物活性化合物的综合。如果将多酶系统包埋于微囊内，还可用于酶系统的组装、定位及代谢途径的研究等。同时在基础理论中核酸测序，蛋白质分子结构研究等等都有固定化酶的贡献；②固定化酶在临床医疗中的应用。人们已将酶作为药物广泛地在医疗上加以应用，发展成为酶疗法。将酶制成微小的胶囊型固定化酶再注人体内，那么就可以增加稳定性，并且避免与体液接触而产生抗体，这些研究将为现代医学的发展提供强有力的支持。③固定化酶在工农业上的应用。利用含葡萄糖异构酶的固定化酶生产高果糖浆是固定化酶在工业应用方面规模最大的一项，氨基酸和有机酸生产L天门冬氨酸是最早用固定化酶在工业上大规模生产的，除此之外，固定化乳糖酶可以连续生产低乳糖奶，固定化酵母细胞等微生物可以生产各种酒，酶固定化在工农业上的应用越来越广泛。④固定化酶与环境保护。将过氧化氢酶大量吸附于磁石上可以选择性去除污水中的氯酚，同时酶电极可以用于环境检测，灵敏度极高。⑤新能源开发中的应用。固定化纤维素酶可以将纤维素水解成葡萄糖，进而可以生产酒精，以及在微生物中固定酶可以连续生产氢气。

⑥食品工业中的应用。固定化酶技术在生物传感器的发展使食品检验得以迅速发展。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的食品。

改进传统固定化方法，使其不断适应人们生产生活的需求，物理，化学等其他