固定化酶及其应用研究进展.pdf

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1、固定化酶及其应用研究进展固定化酶及其应用研究进展摘要摘要：随着社会的发展，越来越多酶被人们广泛的应用在工业生产、生物传感器和环境保护等领域。 作为一种良好的生物催化剂， 酶可以在常温、常压等温和的反应条件下高效地催化反应,一些难以进行的化学反应在酶的催化下能顺利地完成。关键词关键词：酶固定化酶应用进展酶是由生物体内自身合成的生物催化剂。多数酶的化学组成为蛋白质。现已鉴定出 3000 种以上的酶，其中数百种已得到结晶。酶具有催化效率高和高度专一性的特点，但易受强酸、强碱、高温等条件影响，使蛋白质变性而失去催化活性。 某些酶仅决定于它的蛋白质结构，如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。另一些酶为酶蛋白

2、与辅助因子结合形成的复合酶，称为全酶，在催化反应中，酶蛋白决定酶反应的专一性，而辅助因子则直接对电子、 质子或某些基团起传递作用。固定化酶是把酶人工偶联到不溶于水的载体上， 并长时间保持催化活性，使过程连续化、简单化。酶的固定化就是通过化学或物理的处理方法,使原来水溶性的酶与固态的水不溶性支持物相结合或被载体包埋。固定化方法有物理吸附法、交联、共价结合及包埋等方法。目前较先进的方法是将酶固定在生物膜或超滤膜上,制造出来的生物膜反应器的生产能力有明显提高。经过固定化,酶具有了比原来水溶性酶更多的优点:1)酶经过固定化处理一般稳定性有较大提高,对热、pH 等的稳定性提高,对抑制剂的敏感性降低,有的

3、酶具有了抗蛋白酶分解的特性;2)反应完成后经过简单的过滤或离心,酶就可以回收,而且酶活力降低较少,这样就降低了生产成本 ;3)固定化体系适合于连续化、 自动化生产,催化过程容易控制,且产品中不会带进酶蛋白或细胞,改善了后处理过程,提高了酶的利用效率,降低了生产成本。酶在生理学、 生物化学、 医学、 农业、 工业等方面具有重大意义。酶作为生物催化剂,尤其是固定化酶作为多相生物催化剂 ,能够在非常温和的条件下实现合成、降解及转换化学物质的特异性反应,效率高,能源消耗少.这无疑向我们展示出一幅广阔的应用前景 . 现代意义下的酶,已不单单是一些微生物的重要产物 ,它已成为现代生物产业中一个不可缺少的组

4、成部分。一.固定化酶在工业生产中的应用酶的固定化技术诞生以来,不论是早期从动物脏器和植物种子中提取的酶,还是后来发现的种类繁多、功能多样的微生物酶都已经被覆盖在固定化酶的研究领域中。 固定化酶最早是应工业生产的需求而产生的,到目前为止其最大的应用范围还是在工业生产上。 其中,固定化葡萄糖异构酶是世界上生产规模最大的一种,它可以用来催化玉米糖浆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。固定化酰化氨

5、基酸水解酶是最早应用的工业化酶,将酰化氨基酸水解酶固定于 DEAE-葡聚糖凝胶上用来连续生产 L-氨基酸,不仅降低了酶的消耗量,而且减少了产品后处理的费用。此外还有一些应用较为广泛的固定化酶:固定化淀粉酶用于淀粉的糖化,可作为酒精和酿造发酵中原料的糖化剂 ;固定化碱性蛋白酶可以高效去除丝织品和棉织品纤维上的多余蛋白,使织物更加柔软光滑;固定化的酸性蛋白酶还可以将废胶卷上的明胶溶解 ,回收上面的银颗粒;固定化脂肪酶既可以用来分解动植物油脂 ,使乳脂中的芳香族脂肪酸游离而增加乳品的风味,也可用在工业上分解油脂生产脂肪酸和甘油,还可以与淀粉酶、蛋白酶和纤维素酶等配合作为消化剂 ,应用于皮革和毛皮的脱

6、脂清洗;固定化纤维素酶作为一种全新的技术在提高纤维素酶的效能上找到了一个很好的突破口,经过固定化处理的纤维素酶,不但其稳定性有极大提高,而且可以重复利用,易于回收,将纤维素酶用载体包埋 ,可直接将纤维素糖化,然后连续发酵生产酒精。二、固定化酶在生化制药中的应用固定化酶的另一个巨大市场是用来生产工业、 医学等领域的一些纯度要求较高的制剂,这其中有最早生产的氨基酸 ,还有抗生素、核酸、蛋白质抗体、高纯度的蛋白酶等。科研人员首先于 1973 年用固定化的青霉素酰化酶生产制造各种半合成的青霉素和头孢霉素,后来,我国的科学家也不断地尝试各种固定化方法,有的直接用戊二醛交联产该酶的大肠杆菌,也有用 ABS

7、E-交联琼脂糖与青霉素酰化酶直接偶联,还有的利用三醋酸纤维素包埋和戊二醛交联相结合固定青霉素酰化酶高产菌,这些试验的结果都显示各种固定化方法均可在很大程度上提高酶的稳定性、增加酶的转化率。后来某制药公司用聚丙烯酰胺凝胶包埋含有高活力天冬氨酸酶的大肠杆菌,用于工业上利用延胡索酸转化为 L-天冬氨酸。上海生化所用固定化的3-核糖核酸酶从RNA中生产3-核苷酸,使酶的利用率提高了10倍;袁中一等将ABSE-纤维素固定的5-磷酸二酯酶用来生产 5-核苷酸。固定化谷氨酸脱羧酶可以生产-氨基丁酸,制成了 CO2 电极,可用于测定谷氨酸的含量。三.固定化酶在生物传感器和环境保护中的应用生物传感器是由生物活性

8、物质与换能器组成的分析系统,可以简便、快速地测定各种特异性很强的物质,在临床分析、工业监测等方面有着重要的意义。固定化葡萄糖氧化酶传感器是其中应用最为广泛的一种。 制药厂将葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶和一种显色剂一起固定在试纸上,制成检验妇女是否妊娠的试纸,只要将该试纸浸入被检尿样中几秒钟就可以马上检测出尿样的葡萄糖是否超标,从而断定该妇女是有血糖、尿糖还是妊娠。这种检测技术十分简单,操作十分方便,应用极为广泛。用聚丙烯酰胺包埋葡萄糖氧化酶与氧电极组装成酶电极也可用来进行临床的血糖检测,血糖线性范围为 0300mg/dl,并且可连续测定1000 次血糖样品,酶样低温存放 180 天仍可保持 90%

9、的原酶活力。用聚丙烯酰胺凝胶包埋细菌电极可快速测定污水中的BOD。而生化分析中最常用的 H 电极也绝大多数是固定化酶产品。 青霉素酶电极就是其中的一种,经过固定化处理的酶电极与 pH 电极一起浸入含有青霉素的溶液时 ,青霉素酶即催化青霉素水解 ,使溶液中的氢离子浓度增加,通过pH电极测出溶液中pH的增加,从而计算出溶液中的青霉素的浓度。用L-乳酸脱氢酶与 BO 一起通过透析膜共固定在石墨电极,在 NAD+存在时 L-乳酸被氧化成丙酮酸,NAD+被还原成 NADH,然后 NADH 被 TBO 电氧化,其电位差可通过 Ag/AgCl 电极测出。 这种方法可以用来快速测定食物中的 L-乳酸含量。南京

10、大学改进方法,将葡萄糖氧化固定在一覆盖在金属电极的多层膜上,做成了一对葡萄糖高度灵敏的酶电极,以前 0.10mmol/L 葡萄糖浓度可以反映在 22nA 的电流上,而改进后的电极却可以将这一极限精确到 0.01mmol/L,而且测定结果不受溶液中酸的影响,几星期后酶电极仍然稳定。生物传感器目前是各国固定化酶研究领域中最为活跃的部分之一,1995年美国举行的国际酶工程会议上有了重组海洛因酯酶传感器检测违禁药品、 用脱辅基酶传感器检测重金属离子、检测 2,4-二氯苯氧基乙酸的双酶偶联免疫传感器、电流型酶沟道免疫传感器等。在废水处理中,固定化酶也受到了越来越多科学家的关注。生活污水和工业废水中有害成

11、分主要是氯酚,将辣根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。四、固定化酶的研究展望固定化酶有许多粗酶液没有的特点,但制备固定酶首先要经过大量复杂的分离、纯化工作,而且一种固定化酶只能用于特定的单步反应。应这种要求工业生产中越来越多地应用了固定化细胞技术。 这样就省却了酶分离纯化的时间和费用 ;并可同时进行多酶反应;而且可以保持酶在细胞中的原始形态,增加了酶的稳定性。生物催化是在单一系统或混合系统将底物转化成有用产物的过程,象在别的化学过程一样,从反映混合体中分离产物和酶的再利用是重要的步骤,往往这一步骤是工业生产中耗费最多的一步。单步反应

12、需高能量、 高频启动和关闭、 每批反应过后还需要经过酶的再利用、准备酶。膜反应器融酶触转化、产品分离、酶剂再利用为一体,是将来酶固定的主要方法。目前比较有前途的研究项目是将酶固定化与酶的选择性修饰结合,将酶固定化与细胞固定化结合。这样我们既可以把固定化酶作为分析酶的结构、功能的工具,反过来又帮助我们对酶的改造、酶的作用机理有更深的了解。参考文献：1.肖海军 贺筱蓉. 固定化酶及其应用研究进展 .生物学通报.20012.宁正祥.食品生物化学.华南理工大学出版社，1999.3.徐风彩.酶工程.中国轻工业出版社，20014.刘邻渭.食品化学.中国农业出版社，20005 王镜岩.生物化学.3 版.高等教育出版社，2002