現(xiàn)代酶工程 6 固定化酶

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1、第六章固定化酶酶催化的優(yōu)點(diǎn)——作為一種生物催化劑，酶參與生物體內(nèi)的各種代謝反應(yīng)，具有專(zhuān)一性強(qiáng)、催化效率高及作用條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。酶催化的缺陷——酶對(duì)環(huán)境影響十分敏感，各種物理、化學(xué)和生物因素（如溫度、壓力、電磁場(chǎng)、氧化、還原、有機(jī)溶劑、金屬離子、離子強(qiáng)度、pH、酶修飾和酶降解等）都可能使酶喪失生物活力。在早期的科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中，酶一直都是以溶于水的游離狀態(tài)進(jìn)行催化反應(yīng)的，但游離酶即使在酶反應(yīng)的最適條件下進(jìn)行催化，也還存在著容易失活、反應(yīng)后不能回收等缺陷，有時(shí)不易與產(chǎn)物分開(kāi)，影響產(chǎn)品提純及質(zhì)量。設(shè)想——如果能設(shè)計(jì)一種方法，將酶束縛于特殊的相，使它與整體相（或整體流體）分

2、隔開(kāi)，但仍能進(jìn)行底物和效應(yīng)物（激活劑或抑制劑）的分子交換?！@種固定化的酶可以象一般化學(xué)反應(yīng)的固體催化劑一樣，既具有酶的催化特性，又具有一般化學(xué)催化劑能回收、反復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，并且生產(chǎn)工藝可以連續(xù)化、自動(dòng)化。進(jìn)展——經(jīng)過(guò)40多年的研究和發(fā)展，酶的固定化技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。它不僅在理論研究（如闡明酶作用機(jī)理）上發(fā)揮獨(dú)特作用，在實(shí)際應(yīng)用上也顯示出強(qiáng)大威力?！眠@種技術(shù)不僅能穩(wěn)定酶，改變酶的專(zhuān)一性、提高酶活力，從而改善酶的種種特性，使之更符合人類(lèi)要求，而且還能創(chuàng)造適應(yīng)特殊要求的新酶?，F(xiàn)狀——人們對(duì)固定化酶極感興趣，因?yàn)槠湫再|(zhì)比可溶性酶及其相關(guān)技術(shù)優(yōu)越，對(duì)固定化酶的利用也與日

3、俱增。固定化酶的定義——所謂固定化酶，是指在被限制在一定空間內(nèi)的酶，能連續(xù)地進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的酶可以回收重復(fù)使用?！还苡煤畏N方法制備的固定化酶，都應(yīng)該滿(mǎn)足上述固定化酶的條件。固定化酶與游離酶相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)（l）極易將固定化酶與底物、產(chǎn)物分開(kāi)；（2）可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行反復(fù)分批反應(yīng)和連續(xù)反應(yīng)；（3）在大多數(shù)情況下，能夠提高酶的穩(wěn)定性；（4）酶反應(yīng)過(guò)程能夠加以嚴(yán)格控制；（5）產(chǎn)物溶液中沒(méi)有酶的殘留，簡(jiǎn)化了提純工藝；（6）較游離酶更適合于多酶反應(yīng)；（7）可以增加產(chǎn)物的收率，提高產(chǎn)物的質(zhì)量；（8）酶的使用效率提高，成本降低。固定化酶是二十世紀(jì)五十年代開(kāi)始

4、發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)、最初是將水溶性酶與不溶性載體結(jié)合起來(lái)，成為不溶于水的酶的衍生物，所以曾叫過(guò)“水不溶酶”（waterinsolubleenzyme）和“固相酶”（solidphaseenzyme）。但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)，也可以將酶包埋在凝膠內(nèi)或置于超濾裝置中，高分子底物與酶在超濾膜一邊，而反應(yīng)產(chǎn)物可以透過(guò)膜逸出，在這種情況下，酶本身仍處于溶解狀態(tài)，只不過(guò)被固定在一個(gè)有限的空間內(nèi)不會(huì)流失。因此，用水不溶酶或固相酶的名稱(chēng)就不恰當(dāng)了。固定化酶正式定名在1971年第一屆國(guó)際酶工程會(huì)議上，正式建議采用“固定化酶”（immobilizedenzyme）的名稱(chēng)。歷史上較大的相關(guān)事件1

5、916年，Nelson&Griffin“酶不溶于水而具有活性”1948年，Sumner尿素酶制成非溶性酶1953年，Grubhofer&Schleith第一次實(shí)現(xiàn)了酶的固定化1960年，千細(xì)一郎，開(kāi)始了氨基?；腹潭ɑ芯?969年，千細(xì)一郎成功的將固定化氨基?；笐?yīng)用于DL-AA的光學(xué)分析上1971年，固定化酶名稱(chēng)提出，Immobilizedenzyme固定化酶的制備原則——固定化酶的應(yīng)用目的、應(yīng)用環(huán)境各不相同，而且可用于固定化制備的物理、化學(xué)手段、材料等多種多樣。制備固定化酶要根據(jù)不同情況（不同酶、不同應(yīng)用目的和應(yīng)用環(huán)境）來(lái)選擇不同的方法，但是無(wú)論如何選擇，確定什么樣

6、的方法，都要遵循幾個(gè)基本原則原則1——必須注意維持酶的催化活性及專(zhuān)一性，保持酶原有的專(zhuān)一性、高效催化能力和在常溫常壓下能起催化反應(yīng)的特點(diǎn)。原則2——固定化應(yīng)該有利于生產(chǎn)自動(dòng)化、連續(xù)化。為此，用于固定化的載體必須有一定的機(jī)械強(qiáng)度，不能因機(jī)械攪拌而破碎或脫落。原則3——固定化酶應(yīng)有最小的空間位阻，盡可能不妨礙酶與底物的接近，以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量，制備固定化酶時(shí)所選載體應(yīng)盡可能地不阻礙酶和底物的接近。原則4——酶與載體必須結(jié)合牢固，從而使固定化酶能回收貯藏，利于反復(fù)使用，因此，在制備固定化酶時(shí)，應(yīng)使酶和載體盡可能地結(jié)合牢固。原則5——固定化酶應(yīng)有最大的穩(wěn)定性，在制備固定

7、化酶時(shí)，所選載體不與廢物、產(chǎn)物或反應(yīng)液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。原則6——固定化酶應(yīng)能保持甚至超過(guò)原有酶液的活性，在制備固定化酶時(shí)，酶和載體結(jié)合部位不應(yīng)是酶的活性中心或與維持酶高級(jí)空間結(jié)構(gòu)有關(guān)的基團(tuán)，因此，應(yīng)盡可能預(yù)先保護(hù)這些基團(tuán)；原則7——固定化酶應(yīng)易與產(chǎn)物分離，即能通過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)濾或離心就可回收和重復(fù)使用；原則8——固定化酶成本要低，應(yīng)為廉價(jià)的、有利于推廣的產(chǎn)品，以便于工業(yè)使用。酶的固定化方法——酶的固定化方法很多，但對(duì)任何酶都適用的方法是沒(méi)有的。酶的固定化方法通常按照用于結(jié)合的化學(xué)反應(yīng)的類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)固定化方法分類(lèi)非化學(xué)結(jié)合