固定化酶的应用

固定化酶的应用及其发展前景

【摘要】酶作为一种高效的生物催化剂，早已被应用于各个领域，但其对反应条件的严格要求和较低的利用率却给进一步的发展带来了限制。而固定化酶技术的研究一定程度上弥补了这些不足，给酶工程带来了更大的发展空间。本文主要论述固定化酶在食品工业、医疗保健、环境保护等领域的应用情况极其前景展望。【关键字】固定化酶，应用，食品工业，医疗保健，环境保护，生物传感器，能源开发

20世纪60年代，固定化酶技术作为一项新兴的技术开始发展起来。简单的讲，这一技术就是将酶固定在某一特定的载体上，使其在不丧失生物活性的同时又能被重复利用。生物催化剂固定化的主要优点有：容易进行反应及控制，产物容易回收纯化以及反应器的选择范围较广，同时酶的稳定性和使用效率提高，比较能耐受温度及pH值的变化，适于产业化、连续化、自动化生产。但也有不可避免的缺点如：失活、单位体积活力降低、反应底物和产物的扩散受到限制以及生产费用增加。

即便如此，固定化酶还是被广泛应用于各个领域，且显出了其特有的优势。1．固定化酶在食品工业中的应用

固定化酶在食品工业中主要被应用于制糖、酒类酿造、果汁加工、乳制品生产、茶叶烟叶加工等方面。

固定化葡萄糖异构酶是世界上固定化酶应用于工业生产中规模最大的一种,它可以用来催化玉米糖浆和淀粉生产高甜度的高果糖糖浆。自1972年这项技术产生以来,科学家已经固定了几种芽孢杆菌和链霉菌中提取的葡萄糖异构化酶,并大量应用于工业生产中。从目前的资料分析,不论是在我国还是在国际上,今后几十年中它还将是应用最广、市场份额最大的固定化酶。用淀粉生产高果糖浆包含3步:一是用淀粉酶液化淀粉;二是用糖化酶将其转化为葡萄糖,即糖化;三是用葡

萄糖异构酶将葡萄糖异构为果糖。由此可得到含高果糖浆与蔗糖同等甜度时,其价格低10%~20%,具有经济推动力。该固定化酶常用的制备技术是热处理法,将含葡萄糖异构酶的放线菌、芽孢杆菌或链霉菌等细胞用60~65 ℃热处理15 min,该酶就固定在菌体上制成固定化酶。

在啤酒酿造，果汁加工中，固定化酶都有极好的提高澄清度的作用。如采用吸附—交联法,使胰蛋白酶先吸附于磁性胶体粒子表面,后用戊二醛双功能试剂交联,形成“酶网”裹着载体形成固定化酶, 该磁性酶对啤酒澄清防止冷浑浊有明

显效果。而我们在高中生物实验课上也学习过用固定化果胶酶来提高果汁的出汁率和澄清度。

乳糖酶亦称为β-半乳糖苷酶,是工业中应用相当广泛的一种酶,较多地应用于乳制品加工中。实验表明固定化后的乳糖酶生产活性从原来的21%提高至40%，稳定性范围扩大,热稳定性提高,同时底物乳糖在凝胶中扩散不影响固定酶的反应速度。使用该固定化酶处理脱脂牛奶,可以在保持原有风味的条件下,增加甜度,饮用时可减少蔗糖用量。现在，多把固定化黑曲霉乳糖酶装成酶柱，让牛奶以一定的流速通过酶柱，以此生产脱乳糖的牛奶。

在茶叶中含有种类繁多的酶,如多酚氧化酶、过氧化酶、单宁酶、果胶酶等,其对茶叶的加工或深加工有重要的意义。对重要酶类的固定化研究,可有效地改善茶叶的品质、拓展茶叶深加工的领域和应用范围。而烟叶即使在处理后还是会有较高含量的淀粉残留，这会影响烟质，为此需要加酶来加速淀粉水解。同时,

对固定化酶乳状液添加剂与水溶液酶添加剂降低低档次烟叶中淀粉的质量分数进行了研究,结果表明,固定化酶处理烟叶淀粉降解率为25%~30%,优于水溶液酶的25%,特别在抽吸品质方面,前者处理明显优于后者处理。

2．固定化酶在医疗保健中的应用

固定化酶在医疗保健应用可以分为治疗和诊断两部分。

治疗的部分主要应用到的是生化制药，这其中最早生产的是氨基酸，之后还有抗生素、核酸、蛋白质抗体、高纯度的蛋白酶等。1973年在英国，首先应用固定化的青霉素酰化酶或称青霉素酰胺酶从青霉素G或青霉素v生产e一氨基青霉烷酸(6一APA)。现在全世界每年大约生产7500吨6-APA，主要是用固定化青霉素酰化酶使天然青霉素脱酰化。因其稳定性极高，反复使用次数可达上千次。而工业化出产L一天冬氨酸和L-苹果酸都用固定化酶从延胡索酸(反丁烯二酸)得到的。

而酶法诊断早因其灵敏、准确、快速、简便等优点被广泛应用。这其中有将酶固定在尼龙管内壁上，制成酶管，或者将固定化酶装填在柱内，制成酶柱。然后，将酶管或酶柱与测试仪器组合在一起，可以对样品中的目物质含量进行自动分析。也有将酶固定在薄膜（如醋酸纤维素薄膜）上，制成酶膜，然后将酶膜与离子选择性电极相结合，便制成了酶电极。例如：葡萄糖氧化酶电极测定血液、尿液中葡萄糖含量；脲酶电极测定血液、尿液中尿素含量；乳酸脱氢酶电极测定血液中乳酸含量。这些其实也可以叫做生物传感器。

3．固定化酶环境保护中的应用

应用固定化酶可以净化污水。生活污水和工业废水中有害成分主要是氯酚,将过氧化物酶大量吸附在磁石上,可以保证其100%的活力,并且比粗酶有了20倍以上的净化效果。因为可以对水中的氯酚选择性吸附,所以该固定化酶对水中的氯酚基本上可以100%清除。

为了研究固定化酶在高浓度有机废水处理中的应用，有人做过如下实验：选用硅胶、活性炭、大孔树脂三种载体，在一定条件下用物理吸附法固定蛋白酶，三种载体固定的蛋白酶对含高浓度蛋白质的淀粉黄浆废水进行水解实验，确定水解最佳的pH值范围，并在此条件下研究三种不同载体上固定化酶的活性及其水解规律。结果表明：大孔树脂对蛋白酶的固定效果良好，并对含高浓度蛋白质的废水处理效果最好，其最佳反应pH值为5．5，反应进行0．5 h时酶的催化效果最好，氨基酸产生速度达到30．82 mg／min，且在3h后该速度仅减少3．74 mg／min；6 h时对蛋白质的去除率达到39．93％。

同时酶电极也可以用于环境检测。目前，在监测水和空气中的有机磷农药浓度方面，乙酰胆碱酯酶电极已应用成功，其灵敏度可达0.1μl/L。用活性污泥处理水，测定活性污泥中脱氢酶的活性，可以测出水中CN－浓度。因为脱氢酶活性随[CN－]增加而下降。

4．固定化酶在能源开发中的应用

纤维素本身并不能提供能量，但在其经过冷冻粉碎之后，利用固定化纤维素酶能够将其连续水解成葡萄糖。然后，用纤维素水解液为原料，通过固定化酵母的发酵作用，可连续产生乙醇。

氢气作为安全清洁高效的新能源，怎样制备却是其无法得到广泛应用的重要因素之一。有些微生物或蓝藻含有氢化酶系，能产生氢。但氢化酶系极易失活，而将菌体固定化之后，可以提高氢化酶系稳定性。这也许可以为氢气制备提供一条新的途径。