固定化酶在现代工业中的应用

固定化酶在现代工业中的应用 姓名胡艳芬 学号2008132106 指导老师张孟 摘要 酶是一类有催化功能的蛋白质,具有反应条件温柔, 底物专一性强, 可在水溶液和中性pH 下操作等优点。与游离酶相比，固定化酶在保持其高效专一及温柔的酶催化反应特性的同时，又克服了游离酶的不足之处。本文简要介绍了固定化酶的概念、制备方法及其在生物、医药、环境爱护等方面的广泛应用。重点介绍一些固定化酶在现代工业中的应用，并对其应用前景进行了展望。 关键词 固定化酶 制备 工业 应用 前景 酶是一类由活细胞产生的具有生物催化功能的分子量适中的蛋白质,具有极高的催化效率、高度的特异性及限制的灵敏性。大多数酶是水溶性的。由于酶催化反应具有底物专一性、催化高效性、反应条件温柔等优点,符合绿色化学的要求,从而被大家高度重视,已在很多领域得到广泛的应用[1]。酶的最大缺点是其不稳定性,在酸、碱、热及有机溶剂中易发生变性,活性降低或丢失;而且酶反应后,会在溶液中残留,造成酶反应难以连续化、自动化,同时也不利于终产品的分别提纯,这些都大大阻碍了酶工业的发展,所以有必要实行酶工程技术改善这些缺点。酶工程技术措施较多,其中酶的固定化技术是重要举措之一。酶的固定化是用人工方法把从生物体内提取出来的酶固定在特定的载体上或使酶与酶相交联,酶被限定在肯定区域内,但仍保持原有高效、专一、条件温柔的催化功能[2]。 已固定化的酶像化学反应所用的固体催化剂那样, 既能发挥它们的催化特性, 又能回收, 并能多次反复运用, 使整个生产工艺可以连续化、自动化。近年来, 国内外科技工作者在固定化酶在工业生产中的应用做了大量探讨，并得到了广泛的发展，本文将对这些成就做详细介绍。 1 固定化酶的概念 1916 年Nelson 和Griffin 最先发觉了酶的固定化现象后, 科学家就起先了固定化酶的探讨工作。1969 年日本一家制药公司第1 次将固定化的酰化氨基酸水解酶用来从混合氨基酸中生产L-氨基酸, 开拓了固定化酶工业化应用的新纪元。酶的固定化是用人工方法把从生物体内提取出来的酶固定在特定的载体上或使酶与酶相交联,酶被限定在肯定区域内,但仍保持原有高效、专一、条件温柔的催化功能。通常酶是游离的,而经过固定化以后,酶被束缚在肯定区域内,因而这样的酶被称为固定化酶[ 3, 4 ] 。 与游离酶相比, 固定化酶在保持其高效专一及温柔的酶催化反应特性的同时, 又克服了游离酶的不足, 呈现贮存稳定性高、分别回收简单、可多次重复运用、操作连续可控、工艺简便等一系列优点。 2 固定化酶的制备 酶的固定化 enzyme immob ilization 是指采纳有机或无机固体材料作为载体 carrier or support,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, 并可回收及重复运用的酶化学方法与技术。固定化酶的制备方法有物理法和化学法两大类。物理方法包括物理吸附法、包埋法等。物理法固定酶的优点在于酶不参与化学反应,整体结构保持不变,酶的催化活性得到很好保留。化学法是将酶通过化学键连接到自然的或合成的高分子载体上,运用偶联剂通过酶表面的基团将酶交联起来,而形成相对分子量更大、不溶性的固定化酶的方法。 2.1 传统的酶固定化方法 传统的酶固定化方法大致可分为4 类 吸附法、交联法、包埋法、共价结合法。 吸附法是最早出现的酶固定化方法, 包括物理吸附和离子交换吸附。该法条件温柔, 酶的构象变更较小或基本不变, 因此对酶的催化活性影响小, 但酶和载体之间结合力弱, 在不适pH、高盐浓度、高温等条件下, 酶易从载体脱落并污染催化反应产物等。交联法是利用双功能或多功能交联试剂, 在酶分子和交联试剂之间形成共价键, 采纳不同的交联条件和在交联体系中添加不同的材料, 可以产生物理性质各异的固定化酶。交联法一般作为其它固定化方法的协助手段[5] 。包埋法的基本原理是载体与酶溶液混合后, 借助引发剂进行聚合反应, 通过物理作用将酶限定在载体的网格中, 从而实现酶固定化的方法。该法不涉及酶的构象及酶分子的化学变更, 反应条件温柔, 因而酶活力回收率较高。包埋法固定化酶易漏失, 常存在扩散限制等问题, 催化反应受传质阻力的影响, 不宜催化大分子底物的反应。载体偶联法是指酶分子的非必需基团与载体表面的活性功能基团通过形成化学共价健实现不行逆结合的酶固定方法, 又称共价结合法。载体偶联法所得的固定化酶与载体连接坚固, 有良好的稳定性及重复运用性,成为目前探讨最为活跃的一类酶固定化方法。但该法较其它固定方法反应猛烈, 固定化酶活性损失更加严峻。 2.2 传统固定化技术的改进 保持各种传统固定化方法的优点并改进其不足始终是固定化酶方面探讨的重要内容。改善酶固定化效果的途径有 改善表面积以及孔径等物理结构,如采纳分子筛或纳米纤维微孔膜; 改善化学交联的反应及方式, 如辐照, 引发剂引发等; 改善结合的方向选择性, 如采纳定向固定化的方法; 其他手段, 如利用长臂使酶远离载体表面, 使载体- 酶体系的溶解度随温度、pH 值等条件的变更而变更, 以便于产物的分别及酶的回收。针对不同的酶有不同的策略, 对于某些酶可能取向很重要, 而对于其他酶可能载体造成的环境重要一些, 因此, 每种酶固定的最佳条件目前还是特异的, 没有统一的理论, 其缘由可能是相互间的影响因素太多, 而酶又多由具有困难组成和空间构型的蛋白质构成, 不存在明显的因果联系。今后可望建立起适用的模型, 运用计算机得到最优的固定策略。 2.3 新型酶固定化方法 开发新型酶固定化方法的原则是 实现在较为温柔的条件下进行酶的固定化, 尽量削减或避开酶活力的损失。通过辐射、光、等离子体、电子等新方法均可制备高活性固定化酶。Mohy 等[ 6] 以137 Cs 为辐射源,通过C2射线引发将甲基丙烯酸甲酯接枝共聚于尼龙膜表面, 经进一步活化, 用于青霉素酰化酶的固定。光偶联法是以光敏性单体聚合物包埋固定化酶或带光敏性基团的载体共价固定化酶, 由于条件温柔, 可获得酶活力较高的固定化酶。Li等[ 7] 利用含芳香叠氮基的光活性酯, 在远紫外光辐照下, 叠氮基光解生成氮烯与PES 膜表面的C- H 键间发生插入反应形成仲胺, 将脲酶共价键合到PES 膜的表面。等离子体是高度激发的原子、分子、离子以及自由基的聚集体, 大量的等离子体常在室温下存在。载体材料表面可以由等离子体进行有用修饰[ 8, 9] , 从而引入活性基团。Puleo 等将钛合金T i26Al24V 表面用丙烯酸胺等离子体处理引入氨基, 然后将含碳硝化甘油接枝于钛合金表面, 或者将等离子体处理的钛合金先由琥珀酸酐处理, 再用含碳硝化甘油接枝, 进而将溶菌酶和骨形态蛋白进行固定, 实现了生物分子在生物惰性金属上的固定化。 3 固定化酶在现代工业中的应用 3.1 酶蛋白工程在工业酶中的应用 目前酶蛋白质工程主要集中在工业用酶的改造, 因为工业用酶有较好的酶学和晶体学探讨基础, 酶的发酵技术包括诱变技术和筛选方法也比较成熟, 而且其微生物的遗传工程发展较好, 其次工业酶无须进