酶固定化载体材料综述

酶固定化载体材料综述

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酶的固定化载体材料综述

摘要：固定化酶是一种高效、高选择性和反应条件温和的生物催化剂。有关酶固定化的研究越来越受到人们的重视,相关的研究报道很多。酶固定化载体材料按组成可分为无机载体材料、高分子载体材料以及复合载体材料三大类。本文从这三个方面简单综述了一些相关研究实例。

关键词：酶固定化,载体材料，无机,高分子,复合材料

1.引言

酶(enｚyme）是天然的生物催化剂，可以在常温、常压下参与体内的各种代谢反应。相比于传统的催化剂,由于具有能量消耗低、催化效率高、立体选择性专一以及合成路线较短等特点,使用酶催化反应被认为是环境友好且经济的[1]。然而，酶也不可避免地存在一些缺点,比如反应操控性低,不能回收利用,难以商品化发展。为克服这些问题，固定化酶(immobilized eｎzyme)的概念被提了出来。早在19１0年,人们就已经开始了酶的固定化研究，然而直到上世纪60年代,酶固定化技术才得到快速发展。通俗来讲，酶固定化就是利用固体材料将游离态的酶在一定范围内束缚受限起来，赋予酶易分离、可回收利用等特点的同时保持其本身优异特性不变。

研究酶的固定化可从两个方向进行,一个是固定化方法与技术的改进,另一个方向是改进或开发新的用于固定化的载体材料。对于前者,我们知道,主要的方法包括吸附法(包含物理吸附与离子吸附),交联

法，共价键法以及包埋法,以及近年来研究得比较多的定向固定技术等[2]。对于后者的研究，我们也能发现，越来越多的新材料开始被开发应用于酶固定化。本文从载体材料方向出发，结合若干实例,来简单介绍下酶的固定化研究。

2.酶固定化载体材料

经过半个多世纪的发展，已经开发出来的用于固定化酶的载体种类繁多。按照载体材料的基本组成，可以分为无机载体材料、高分子载体材料、复合载体材料三大类。

2.1 无机载体材料

这一类研究得比较多的是介孔材料,如介孔硅粒子(meｓoporous siｌｉca particｌｅs）。根据国际纯粹与应用化学(ＩUＰAC)定义,孔径在2-5０nｍ的材料被称为介孔材料。一般选取孔径略大于酶分子直径的介孔材料作为载体,并且在酶被吸附到孔中后，利用硅烷化处理等技术将孔口直径大幅缩小以防止酶在反应中脱附流失。

我们知道，介孔硅粒子有很大的比表面积,而一般情况下,酶分子都是被吸附到孔的内表面。JungbaｅKim等[3]制备了一种“洋葱”状多层的介孔硅。如图１所示,显然,这种结构的载体材料可以实现更高的酶的负载率。除此之外，相比较传统介孔硅纳米粒子,该结构由于没有外层表面,它能够使负载的酶具有更好的热稳定性。作者提出所谓的纳米酶反应器（NEＲ），以脂肪酶为例，将每层中的酶分子交联起来,可以有效防止酶分子从载体中脱附下来。

图１“洋葱”状介孔硅以及负载酶分子示意图

随着近些年来对石墨烯(grapheｎe）的不断研究,石墨烯材料应用于酶固定化载体也吸引了广大学者的研究。Shouwu Guo等［４]以氧化石墨烯(GＯ）为载体材料研究了它的酶固定化作用。他们发现,酶分子可以在氧化石墨烯薄片的表面很容易地发生固定化,而不需要添加交联剂或进行额外的表面改性。这是因为氧化石墨烯的表面富有很多的功能性基团,通过静电作用即可快速实现酶固定化。

2.2高分子载体材料

高分子材料用于酶固定化的研究也很广泛,按其来源可分为天然高分子材料和合成高分子材料。

天然高分子来源广泛,因而最早被加以研究。诸如聚多糖及其衍生物类（壳聚糖、纤维素、淀粉等)都可被用作酶固定化载体。Geｏrg M. Guebｉtz等[5]利用壳聚糖（CTS）负载纤维二糖脱氢酶(ＣDH），

研究了在吸附和交联的情况下该体系的温度稳定性。交联剂分别采用碳二亚胺和戊二醛。可以发现,对于用碳二亚胺交联的CＤH-CTS体系表现出优异的热稳定性。

图2. 壳聚糖粒子用于酶固定化载体及其稳定性研究合成高分材料用于酶固定化载体以树脂材料为主,一般做成具有大孔的颗粒或者微珠状。这类材料不仅机械性能好,而且比表面积大,分子吸附能力强。Ｒichard A. Gross等[６］研究了不同粒子尺寸的甲基丙烯酸甲酯树脂负载脂肪酶的固定化效果。实验过程中所用一系列树脂均保持孔径(2５nｍ)和比表面(500cｍ2/ｇ)几乎不变。通过ε-己内酯的开环聚合反应还评价体系的催化活性。如图3所示,随着树脂粒子尺寸的增加,其对于脂肪酶的吸附速率逐渐加快,当尺寸在35μm时,两个小时就能达到吸附饱和。另外，通过催化反应实验，可以发现粒子尺寸越小,反应转化率越高,表明该固定化脂肪酶的催化活性越高。

图３．左：不同尺寸的树脂粒子对脂肪酶的吸附等温线

右:粒子尺寸对ε－己内酯的开环聚合反应的影响

２．３复合载体材料

复合体系可以是无机/无机、无机/高分子或高分子／高分子。这类用于酶固定化载体的复合材料有很多,比如John Ｈ. T. Ｌｕoｎｇ等[7]采用的纤维素纳米晶体/金纳米粒子复合物体系,ＰedｒｏTaｒtaj等[８］研究得超顺磁二氧化硅/氧化铁复合体系，Daｖid B. Henthorn等[9］使用的聚乙二醇甲醚/单壁碳纳米管复合体系等等。其中，磁性高分子微球是典型的该类载体材料。与其他载体材料相比，这种载体材料具有易从反应体系中分离回收，操作简便,成本较低等诸多优点,受到国内外学者的广泛研究关注[10]。

Li Qi等[11］研究了用Poly(2-Ｖinyl-4，4-ｄimｅtｈylazlａｃｔone)功能化的四氧化三铁磁性粒子来作为酶固定化载体。制备过程如图４所示,Fe３O4表面涂覆一层二氧化硅以保护粒子表面，防止粒子聚沉，同时也能提高粒子表面可修饰性和降低潜在的毒副作用。最后将ＰV ＤMＦ接枝到粒子表面。ＰVDMF可以与L－天冬酰胺酶共轭从而达到固定化酶的作用。