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。上述各种固定化酶的方法所表现出的不足之处限制了其广泛应用，因此，设计和合成性能优异的新型酶固定化材料，研制开发简便、实用的固定化方法是目前固定化酶研究的重点之一。

2.新型载体材料及固定化技术

传统酶的固定化方法虽在一定程度上可以增强生物催化剂的稳定性，但增强幅度有待进一步提高，并且在此过程中，生物催化剂酶催化活力通常损失严重。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。因此目前不断地有新的载体和技术引入酶的固定化领域，如：无载体固定化、微波/超声辅助的固定化、微胶囊固定化、电辅助固定化等，且固定化生物催化剂也越来越广泛地应用于医疗、生物医药、环境保护、食品工业、化学工业、能源等领域。

2.1 酶固定化过程中的新载体

2.1.1介孔材料

孔道的结构和尺寸对酶活力及稳定性有着明显的影响，在合适的孔道中酶固定化后其活力提高到游离酶的2倍，大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果。目前，大孔道、高比表面积和孔容的新型介孔材料不断被引入酶固定化领域，因为在大孔道、高比表面积、高孔容的介孔材料中酶的负载量大。

2.1.2 纳米管

碳纳米管是一种新型纳米材料。它是由石墨片层卷曲而成的无缝纳米管。将生物大分子，如氨基酸、蛋白质、酶、DNA 等结合在碳纳米管的表面或端口上，可提高它在水溶液中的溶解度，为实现碳纳米管的各种生物应用奠定了基础。纳米管的内表面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且保留相当的催化活力，并且用其制成电极能够有效实现底物氧化及电子的传递。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。

2.1.3 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

法合成的具有磁响应性和微球特性的粒子。通过共聚合和表面改性，磁性高分子微球表面可被赋予多种活性功能基团（如-OH、-COOH、-CHO等）。无机磁性纳米

粒子应用较多的是Fe

3O

4

，单体聚合法主要包括乳液聚合、无皂乳液聚合、微乳

液聚合、种子乳液聚合。磁性微球有良好的表面效应和体积效应，如比表面积较大，微球官能团密度较高，选择性吸附能力较强，吸附平衡时间较短等。它的物理化学性质稳定，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，通过表面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。

2.2新型固定化技术

2.2.1 微波/超声辅助固定化法

微波是一种电磁波。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，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等。

超声波是指振动频率大于20 kHz以上的一种纵波，在介质中传播时，使介质发生物理和化学变化，从而产生一系列超声效应，包括热效应、机械效应、空化效应和化学效应。研究认为，超声波对液体化学反应速度和产率的影响主要是由超声波在液体介质中的空化作用引起的。超声可使液体介质中形成微泡，其破裂伴随能量的释放，可以提高许多化学反应的速度。到目前为止，超声波技术对物质提取，高分子降解，酶解反应等都有很好的促进作用。

2.2.2无载体固定化法

无载体固定化酶技术是通过将结晶酶、物理共沉淀的酶进行交联形成固定化酶，包括交联酶结晶（CLEC）、交联酶聚集体（CLEA）。交联酶聚集体技术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，这种技术是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。

2.2.3微胶囊固定化法

微胶囊是一种采用高分子聚合物或其他成膜材料将物质的微粒或微滴包覆所形成的微小容器，其粒径一般在微米至毫米级范围，通常为5～400μm。将酶用微胶囊包覆后形成的微胶囊固定化酶，由于被催化物质和产物可自由通过囊壁,因而能起到酶催化剂的作用。