酶催化剂的固定化研究及其在催化反应中的应用
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关键词 :固定化酶 固定化技术 酶催化 评价
1 引言
在对微载体材料的研究基础上运用超微载体材料 (直
酶催化剂与传统化学催化剂相比 ,由于生物酶催 径为几百纳米) ,首先将酶分子成功固定在载体表面 ,
化剂具有优良的化学选择性 、区域选择性 、立体选择性 获得了具有很高活性且稳定的固定化酶 。Joon —Taek
与生物学密切相关的交叉学科 ,是当今生物有机化学 有很高的比活性 。如袁中一等进行了外消旋氨基酸的
和生物技术研究的新热点 。
拆分及光学活性醇的拆分应用研究 。
而固定化酶催化和酶的固定化技术又是生物酶催
2. 2 高分子材料固定化及催化应用
化中的研究热点 。随着酶固定化技术的开发 ,固定化
LaMer 等在早期的理论研究中提出了比较完善的
Abstract : Enzyme catalysts have many characteristics like high efficiency , diversity , substrate specificity ,re2 gioselectivity , chemoselectivity , enantioselectivity and mild reaction condition etc. Enzymes can not onlykeep original traits after being immobilized but can be separated easily from reactants and resultants as well . And it’ s also available for the immobilized enzymes to be recycled which can reduce production cost . The immobiliza2 tion methods of enzyme catalyst and the applications in catalysis reaction were introduced in this paper. Com2 parisons and evaluations among these methods were also included. Key words : immobilized catalyst immobilization technology enzyme catalysis evaluation
胶 —凝胶中 ,其生物活性可维持一年 。Youichi Kurokawa
2. 6 膜固定化及催化应用
等用溶胶 —凝胶法制备的固定化 B —半乳糖苷酶在含
Rony 于 1972 年首先提出用膜作为固定化载体 ,将
有高浓度的 K、Mg 的溶液和磷酸缓冲液中无任何变化 ; 酶固定化在膜表面或微孔内 ,反应的两相 (极性和非极
绿色化工产业的建立都有重要的战略意义.
触 ,消除了内扩散的影响 。絮凝形成的“架桥”结构既
2 固定化酶的研究及催化应用
可以保证固定化生物催化剂整体结构的稳定性 ,又可
为了达到酶催化剂的回收与重复利用 ,提高酶催 以保证生物催化剂个体具有一定的自由度 ,有利于保
化剂稳定性 ,反应过程严格可控性 ,大幅度降低酶催化 持生物活性 ,以上优点使得该固定化方法在生物催化
非水相生物催化 、酶的选择性定向调控 、多酶催化序列 酶活损失问题 。酶 (细胞) 分子之间通过絮凝剂分子
和组合生物催化以及酶催化酯化等方面得到广阔应 “架桥”连接 ,絮凝剂在固定化过程中起“骨架”作用 ,酶
用 。不仅其经济效益明显 ,而且对环境及社会发展 ,对 分子处在固定化颗粒外侧 ,在反应中可直接与底物接
80 倍 。
催化反应的反应界面 、接触界面和分离界面 。阎建民
2. 4 亲和配基固定化及催化应用
等用乳液膜技术进行膜固定化酶的研究 ,结果表明乳
SrivatsaV. Rao 等利用酶分子与其配基之间具有特 液膜技术除具有其他酶固定化技术的优点外 ,该技术
异性吸附的特点 ,进行了亲和配基固定化的研究 ,结果 在消除产物及底物抑制方面是其他方法无法比拟的 ;
移酶生物素酰化后与之结合达到固定化的目的 。
M. M 等用聚丙烯膜固定化酶进行了脂肪酶催化橄榄油
2. 5 无载体固定化及催化应用
水解生产脂肪酸和甘油的研究 ,并取得理想的效果 。
白风武等利用某些微生物细胞如天然菌株和原生
3 固定化方法的比较和评价
质体具有自絮凝形成颗粒的能力 ,作为一种细胞无载
表 1 为结合传统评价标准对以上固定化方法和传
表明 ,既克服了传统化学固定化方法中存在的问题 ,又 还由于物质在液体中的扩散速度比其在固体中的扩散
使配基与酶分子之间亲和吸附牢固 ,结合位置单一 ;此 速度快得多 ,故可以根据需要在膜相中添加载体以促
外 ,他还在此基础上进行了酶的多层固定化研究. 结果 进底物的传递 ,从而有利于反应速度的提高 。膜作为
体固定化技术进行了研究. 与载体固定化技术相比 ,无 统固定化方法所做出的初步评价 :
表 1 对各种固定化方法的比较和评价
评价 指标
制备工艺
吸附 简单
传统固定化方法
包埋
交联
化学 共价
复杂 复杂 复杂
溶胶 凝胶 复杂
膜法 复杂
新固定化方法
超微
亲和
无载体
载体
配基
简单 简单 复杂
高分子 简单
回收率
高
低
低
显示配基的接合位点通常位于大分子内部或大分子表 固定化载体得到越来越多的应用 ,现已被证实具有克
面的裂隙深处 ,如果配基固定时是直接贴附于载体表 服传统柱技术中存在严重的限制传质的能力 。近年来
面 ,则由于空间位阻导致亲和力下降甚至丧失 。因此 , 的研究表明 ,膜具有很好的应用前景 。Lee WC 等开发
低
低
低
高
高
中
高
稳定性
低
高
中
中
高
中
高
高
中
高
截留性
低
高
中
中
高
高
高
中
高
中
可反应性
高
低
低
中
低
中
高
高
高
高
成本
低
低
低
低
高
低
高
低
中
低
2005 年 12 月
酶催化剂的固定化研究及其在催化反应中的应用
3
由表 1 可以看出 ,新的固定化技术在稳定性 、可反 应性等方面优于传统工艺 ,表明固定化技术的发展是 向着提高稳定性 、可反应性的方向进行 。
2005 年 12 月
酶催化剂的固定化研究及其在催化反应中的应用
1
酶催化剂的固定化研究及其在催化反应中的应用
黄庆1. 2 王科军2
(1. 南昌大学应用化学研究所 南昌 330000 2. 赣南师范学院化学与生命科学系 江西赣州 341000)
摘 要 :酶催化剂具有高效性 ,多样性 ,底物专一性 ,区域选择性 、化学选择性 、对映选 择性以及反应条件温和的特点 。而酶的固定化后除了保持原有的特点外 ,易与反应物和 产物分离 ,可回收重复使用 ,降低生产成本 。本文对酶催化剂的固定化方法以及在有机催 化反应中的应用作了部分简述 。并对固定化方法进行了比较和评价 。
在配基与载体之间接入适当长度的“手臂”,就成为解 了一种成本低廉 、操作简单 、条件温和 、无内扩散影响
决这一问题的最好方法 。XiaoLinHuang 等以抗生物素 且具有良好生物相容性载体的酶催化剂的膜固定化方
蛋白结合的多孔玻璃作为固定化载体 ,将谷氨酰胺转 法 ,为膜固定化技术的发展提供了很好的参考 。Hoq.
剂的应用成本的目的 。研究工作者在六十年代后期 , 转化领域中具有良好的应用前景 。Long Margarete 成功
开始进行了酶的固定化及其催化性能的研究 ,为酶催 地采用絮凝法对含有葡萄糖异构酶的菌株进行固定
化剂的应用开辟了新的前景 。目前 ,固定化酶催化剂 化 ,并申请了专利 。盛梅用废蚕丝对脂肪酶进行了固
2. 3 溶胶 —凝胶固定化及催化应用
2. 1 超微载体固定化及催化应用
C. J . Brinker 等将酶催化剂包埋于多孔的光学通透
Van Wezel 较早就提出微载体的构想 。而 Bailey 等 性凝胶中进行溶胶 —凝胶固定化 ,该过程条件温和 ,被
2
江 西 化 工
2005 年第 4 期
的研究和应用已成为 —个十分引人注目的领域 ,并取 定研究 ,并研究了其催化酯化反应性能 ;黄庆等用甲克
得了重大进展 。研究酶固定化技术的方法及应用领域 素 - ABSE 共价交联固定脂肪酶 ,并研究了它对丁酸丁
有很多 ,本文仅就当前固定化酶的主要固定化技术及 酯催化的反应 。
其在催化反应中的应用情况作一简述 。
4 结束语 目前世界各国都竞相发展和应用生物酶技术 ,固 定化酶技术在化学与生物工程中具有很大的魅力 ,随
着生物酶的开发和酶固定化技术的进一步提高 ,终将 使生物催化剂朝着催化的高效性 、使用的长寿性 、产品 的廉价性及固定化技术更具有普适性 (如组合固定化 技术) 的方向发展 ,相信固定化酶将会在化学化工领域 与生物工程领域中得到更广泛的开发和应用 。
控性 ,进一步提高了生物反应的选择性 。其酶在经溶 因导入到所需的工业菌株中. 如陆茂林等对酒精发酵 、
胶 —凝胶法包埋后 ,其四级结构几乎不发生改变 ,催化 味精发酵 、有机酸发酵 ,环境工程的污水处理诸领域中
效率几乎和溶液中相同 。Carturan 将酿酒酵母包埋于溶 进行了它的应用研究 ,显示出广阔的应用前景 。
参考文献 (略)
Immobilization Study on Enzyme Catalysts and Applications in Catalyzed Reaction
Huang Qing Wangkejun 1. Institute of Applied Chemistry NanChang University 330000 2. Department of Chemistry and Life Science GanNan Teachers College 341000
在装柱 后 进 行 的 连 续 反 应 过 程 中 无 挤 压 现 象 发 生 。 性) 分别位于膜的两侧 ,自成环路 ,通过控制两相的压
Reetz 等利用此技术制成含有脂肪酶的固定化酶在催化 差使其中一相透过膜到达固定化酶表面而与酶和另一
酯化反应过程中 ,其相对活力是传统有机相反应的 5 - 侧的底物接触 ,酶催化反应在膜界面上发生 ,膜作为酶
包埋于溶胶 —凝胶体系中的酶催化剂可继续保持其原 载体固定化细胞技术具有非常突出的优点 ,在自絮凝
有的结构 、活性和功能 ,底物也可以通过体系中的孔道 细胞颗粒形成过程中 ,可以形成适宜的微生态环境 ,使
与酶催化剂接触反应 : 该体系的孔大小具有一定的可 之有利于各细胞代谢过程之间的协调 ,且将絮凝剂基
酶催化反应在过去的十几年间也得到飞速的发展 ,并 高分子聚合物的絮凝机理 。与其他固定化方法相比 ,
成为现代有机合成方法的一种强有力的补充手段 ,据 该方法条件温和 ,絮凝体系中通常没有使生物物质失
研究报道它在有机不对称合成 、生物合成 、生物转化 、 活的化学物质存在 ,不会有传统固定化过程中存在的
和高效的催化性 ,且反应条件温和的优点 ,在一定条件 0h 等采用无孔聚苯乙烯/ 聚苯乙烯磺酸钠微球 (直径为
下利用生物酶作催化剂可顺利地实现有机物的生物转 280nm) 作为固定化载体 ,成功地固定了淀粉葡萄糖苷
化和生物合成 ,形成了一门独具特色的有机合成化学 酶 ,所得的固定化酶不仅消除了内扩散的影响 Hale Waihona Puke Baidu而且具
1 引言
在对微载体材料的研究基础上运用超微载体材料 (直
酶催化剂与传统化学催化剂相比 ,由于生物酶催 径为几百纳米) ,首先将酶分子成功固定在载体表面 ,
化剂具有优良的化学选择性 、区域选择性 、立体选择性 获得了具有很高活性且稳定的固定化酶 。Joon —Taek
与生物学密切相关的交叉学科 ,是当今生物有机化学 有很高的比活性 。如袁中一等进行了外消旋氨基酸的
和生物技术研究的新热点 。
拆分及光学活性醇的拆分应用研究 。
而固定化酶催化和酶的固定化技术又是生物酶催
2. 2 高分子材料固定化及催化应用
化中的研究热点 。随着酶固定化技术的开发 ,固定化
LaMer 等在早期的理论研究中提出了比较完善的
Abstract : Enzyme catalysts have many characteristics like high efficiency , diversity , substrate specificity ,re2 gioselectivity , chemoselectivity , enantioselectivity and mild reaction condition etc. Enzymes can not onlykeep original traits after being immobilized but can be separated easily from reactants and resultants as well . And it’ s also available for the immobilized enzymes to be recycled which can reduce production cost . The immobiliza2 tion methods of enzyme catalyst and the applications in catalysis reaction were introduced in this paper. Com2 parisons and evaluations among these methods were also included. Key words : immobilized catalyst immobilization technology enzyme catalysis evaluation
胶 —凝胶中 ,其生物活性可维持一年 。Youichi Kurokawa
2. 6 膜固定化及催化应用
等用溶胶 —凝胶法制备的固定化 B —半乳糖苷酶在含
Rony 于 1972 年首先提出用膜作为固定化载体 ,将
有高浓度的 K、Mg 的溶液和磷酸缓冲液中无任何变化 ; 酶固定化在膜表面或微孔内 ,反应的两相 (极性和非极
绿色化工产业的建立都有重要的战略意义.
触 ,消除了内扩散的影响 。絮凝形成的“架桥”结构既
2 固定化酶的研究及催化应用
可以保证固定化生物催化剂整体结构的稳定性 ,又可
为了达到酶催化剂的回收与重复利用 ,提高酶催 以保证生物催化剂个体具有一定的自由度 ,有利于保
化剂稳定性 ,反应过程严格可控性 ,大幅度降低酶催化 持生物活性 ,以上优点使得该固定化方法在生物催化
非水相生物催化 、酶的选择性定向调控 、多酶催化序列 酶活损失问题 。酶 (细胞) 分子之间通过絮凝剂分子
和组合生物催化以及酶催化酯化等方面得到广阔应 “架桥”连接 ,絮凝剂在固定化过程中起“骨架”作用 ,酶
用 。不仅其经济效益明显 ,而且对环境及社会发展 ,对 分子处在固定化颗粒外侧 ,在反应中可直接与底物接
80 倍 。
催化反应的反应界面 、接触界面和分离界面 。阎建民
2. 4 亲和配基固定化及催化应用
等用乳液膜技术进行膜固定化酶的研究 ,结果表明乳
SrivatsaV. Rao 等利用酶分子与其配基之间具有特 液膜技术除具有其他酶固定化技术的优点外 ,该技术
异性吸附的特点 ,进行了亲和配基固定化的研究 ,结果 在消除产物及底物抑制方面是其他方法无法比拟的 ;
移酶生物素酰化后与之结合达到固定化的目的 。
M. M 等用聚丙烯膜固定化酶进行了脂肪酶催化橄榄油
2. 5 无载体固定化及催化应用
水解生产脂肪酸和甘油的研究 ,并取得理想的效果 。
白风武等利用某些微生物细胞如天然菌株和原生
3 固定化方法的比较和评价
质体具有自絮凝形成颗粒的能力 ,作为一种细胞无载
表 1 为结合传统评价标准对以上固定化方法和传
表明 ,既克服了传统化学固定化方法中存在的问题 ,又 还由于物质在液体中的扩散速度比其在固体中的扩散
使配基与酶分子之间亲和吸附牢固 ,结合位置单一 ;此 速度快得多 ,故可以根据需要在膜相中添加载体以促
外 ,他还在此基础上进行了酶的多层固定化研究. 结果 进底物的传递 ,从而有利于反应速度的提高 。膜作为
体固定化技术进行了研究. 与载体固定化技术相比 ,无 统固定化方法所做出的初步评价 :
表 1 对各种固定化方法的比较和评价
评价 指标
制备工艺
吸附 简单
传统固定化方法
包埋
交联
化学 共价
复杂 复杂 复杂
溶胶 凝胶 复杂
膜法 复杂
新固定化方法
超微
亲和
无载体
载体
配基
简单 简单 复杂
高分子 简单
回收率
高
低
低
显示配基的接合位点通常位于大分子内部或大分子表 固定化载体得到越来越多的应用 ,现已被证实具有克
面的裂隙深处 ,如果配基固定时是直接贴附于载体表 服传统柱技术中存在严重的限制传质的能力 。近年来
面 ,则由于空间位阻导致亲和力下降甚至丧失 。因此 , 的研究表明 ,膜具有很好的应用前景 。Lee WC 等开发
低
低
低
高
高
中
高
稳定性
低
高
中
中
高
中
高
高
中
高
截留性
低
高
中
中
高
高
高
中
高
中
可反应性
高
低
低
中
低
中
高
高
高
高
成本
低
低
低
低
高
低
高
低
中
低
2005 年 12 月
酶催化剂的固定化研究及其在催化反应中的应用
3
由表 1 可以看出 ,新的固定化技术在稳定性 、可反 应性等方面优于传统工艺 ,表明固定化技术的发展是 向着提高稳定性 、可反应性的方向进行 。
2005 年 12 月
酶催化剂的固定化研究及其在催化反应中的应用
1
酶催化剂的固定化研究及其在催化反应中的应用
黄庆1. 2 王科军2
(1. 南昌大学应用化学研究所 南昌 330000 2. 赣南师范学院化学与生命科学系 江西赣州 341000)
摘 要 :酶催化剂具有高效性 ,多样性 ,底物专一性 ,区域选择性 、化学选择性 、对映选 择性以及反应条件温和的特点 。而酶的固定化后除了保持原有的特点外 ,易与反应物和 产物分离 ,可回收重复使用 ,降低生产成本 。本文对酶催化剂的固定化方法以及在有机催 化反应中的应用作了部分简述 。并对固定化方法进行了比较和评价 。
在配基与载体之间接入适当长度的“手臂”,就成为解 了一种成本低廉 、操作简单 、条件温和 、无内扩散影响
决这一问题的最好方法 。XiaoLinHuang 等以抗生物素 且具有良好生物相容性载体的酶催化剂的膜固定化方
蛋白结合的多孔玻璃作为固定化载体 ,将谷氨酰胺转 法 ,为膜固定化技术的发展提供了很好的参考 。Hoq.
剂的应用成本的目的 。研究工作者在六十年代后期 , 转化领域中具有良好的应用前景 。Long Margarete 成功
开始进行了酶的固定化及其催化性能的研究 ,为酶催 地采用絮凝法对含有葡萄糖异构酶的菌株进行固定
化剂的应用开辟了新的前景 。目前 ,固定化酶催化剂 化 ,并申请了专利 。盛梅用废蚕丝对脂肪酶进行了固
2. 3 溶胶 —凝胶固定化及催化应用
2. 1 超微载体固定化及催化应用
C. J . Brinker 等将酶催化剂包埋于多孔的光学通透
Van Wezel 较早就提出微载体的构想 。而 Bailey 等 性凝胶中进行溶胶 —凝胶固定化 ,该过程条件温和 ,被
2
江 西 化 工
2005 年第 4 期
的研究和应用已成为 —个十分引人注目的领域 ,并取 定研究 ,并研究了其催化酯化反应性能 ;黄庆等用甲克
得了重大进展 。研究酶固定化技术的方法及应用领域 素 - ABSE 共价交联固定脂肪酶 ,并研究了它对丁酸丁
有很多 ,本文仅就当前固定化酶的主要固定化技术及 酯催化的反应 。
其在催化反应中的应用情况作一简述 。
4 结束语 目前世界各国都竞相发展和应用生物酶技术 ,固 定化酶技术在化学与生物工程中具有很大的魅力 ,随
着生物酶的开发和酶固定化技术的进一步提高 ,终将 使生物催化剂朝着催化的高效性 、使用的长寿性 、产品 的廉价性及固定化技术更具有普适性 (如组合固定化 技术) 的方向发展 ,相信固定化酶将会在化学化工领域 与生物工程领域中得到更广泛的开发和应用 。
控性 ,进一步提高了生物反应的选择性 。其酶在经溶 因导入到所需的工业菌株中. 如陆茂林等对酒精发酵 、
胶 —凝胶法包埋后 ,其四级结构几乎不发生改变 ,催化 味精发酵 、有机酸发酵 ,环境工程的污水处理诸领域中
效率几乎和溶液中相同 。Carturan 将酿酒酵母包埋于溶 进行了它的应用研究 ,显示出广阔的应用前景 。
参考文献 (略)
Immobilization Study on Enzyme Catalysts and Applications in Catalyzed Reaction
Huang Qing Wangkejun 1. Institute of Applied Chemistry NanChang University 330000 2. Department of Chemistry and Life Science GanNan Teachers College 341000
在装柱 后 进 行 的 连 续 反 应 过 程 中 无 挤 压 现 象 发 生 。 性) 分别位于膜的两侧 ,自成环路 ,通过控制两相的压
Reetz 等利用此技术制成含有脂肪酶的固定化酶在催化 差使其中一相透过膜到达固定化酶表面而与酶和另一
酯化反应过程中 ,其相对活力是传统有机相反应的 5 - 侧的底物接触 ,酶催化反应在膜界面上发生 ,膜作为酶
包埋于溶胶 —凝胶体系中的酶催化剂可继续保持其原 载体固定化细胞技术具有非常突出的优点 ,在自絮凝
有的结构 、活性和功能 ,底物也可以通过体系中的孔道 细胞颗粒形成过程中 ,可以形成适宜的微生态环境 ,使
与酶催化剂接触反应 : 该体系的孔大小具有一定的可 之有利于各细胞代谢过程之间的协调 ,且将絮凝剂基
酶催化反应在过去的十几年间也得到飞速的发展 ,并 高分子聚合物的絮凝机理 。与其他固定化方法相比 ,
成为现代有机合成方法的一种强有力的补充手段 ,据 该方法条件温和 ,絮凝体系中通常没有使生物物质失
研究报道它在有机不对称合成 、生物合成 、生物转化 、 活的化学物质存在 ,不会有传统固定化过程中存在的
和高效的催化性 ,且反应条件温和的优点 ,在一定条件 0h 等采用无孔聚苯乙烯/ 聚苯乙烯磺酸钠微球 (直径为
下利用生物酶作催化剂可顺利地实现有机物的生物转 280nm) 作为固定化载体 ,成功地固定了淀粉葡萄糖苷
化和生物合成 ,形成了一门独具特色的有机合成化学 酶 ,所得的固定化酶不仅消除了内扩散的影响 Hale Waihona Puke Baidu而且具