酶的固定化与化学修饰

1、酶的固定化与化学修饰技术食品工程学院08级生物工程一班孟昭旸 酶 由生物体产生的具有催化能力的物质由生物体产生的具有催化能力的物质 目前在已知的酶中，除少量的酶是核酸酶目前在已知的酶中，除少量的酶是核酸酶(nucleic acid enzyme)，绝大多数都是蛋白，绝大多数都是蛋白质质(proteinenzyme)。 酶作为催化剂的优点酶作为催化剂的优点 催化效率高催化效率高 专一性强专一性强 酶活可控酶活可控 反应条件温和反应条件温和 无污染无污染 酶的缺点酶的缺点 酶的高级结构对环境十分敏感酶的高级结构对环境十分敏感 对热、强酸、强碱、有机溶剂等不够稳定对热、强酸、强碱、有机溶剂等不够稳定

2、 从反应体系中回收困难从反应体系中回收困难 易于造成产物污染使得产物提纯困难，从易于造成产物污染使得产物提纯困难，从而导致生产成本的提高而导致生产成本的提高 为改进以上酶的缺点，酶固定化技术产生 酶被束缚于一定的环境中，从而与整体环酶被束缚于一定的环境中，从而与整体环境分割开，但仍能有效地进行酶催化反应境分割开，但仍能有效地进行酶催化反应 酶的固定化应用 固定化酶与自由酶相比，易于将底物与产物分开固定化酶与自由酶相比，易于将底物与产物分开;有利于有利于进行连续反应进行连续反应;可以提高酶的稳定性可以提高酶的稳定性;可以控制酶催化的过可以控制酶催化的过程程;产物中没有酶的残留，简化了提纯工艺产物

3、中没有酶的残留，简化了提纯工艺;酶可以反复使酶可以反复使用，降低了成本。另一方面，具有分离功能的膜材料作为用，降低了成本。另一方面，具有分离功能的膜材料作为一种重要的功能材料，能够对气体、有机物、各类生物制一种重要的功能材料，能够对气体、有机物、各类生物制剂等进行有效的分离、浓缩、纯化，己在化工、冶金、环剂等进行有效的分离、浓缩、纯化，己在化工、冶金、环保、生物工程等诸多领域得到了广泛的应用。膜材料还可保、生物工程等诸多领域得到了广泛的应用。膜材料还可以作为酶的固定化载体，实现酶在膜上的固定化。固定化以作为酶的固定化载体，实现酶在膜上的固定化。固定化酶膜能够将膜的分离功能和酶的催化功能结合起来

4、，从而酶膜能够将膜的分离功能和酶的催化功能结合起来，从而具有其它载体材料无可比拟的优越性。这项技术在生物反具有其它载体材料无可比拟的优越性。这项技术在生物反应器、生物传感器以及药物控制释放等领域都有着非常重应器、生物传感器以及药物控制释放等领域都有着非常重要的应用价值。因此，酶在膜材料上的固定化技术己经成要的应用价值。因此，酶在膜材料上的固定化技术己经成为热点研究领域之一为热点研究领域之一 酶的固定方法酶的固定方法 包埋法包埋法 共价法共价法 交联法交联法 吸附法吸附法吸附法 1969年最早应用于工业的固定化酶即年最早应用于工业的固定化酶即deae-sephadex-a25吸附的氨基酞化酶。吸

5、附的氨基酞化酶。酶和载体间的作用力可以是氢键、疏水键、酶和载体间的作用力可以是氢键、疏水键、tr一电子亲和力、离子键合力等。此法操一电子亲和力、离子键合力等。此法操作简便、固定化过程温和、酶活力回收率作简便、固定化过程温和、酶活力回收率高、载体易得且可再生。但酶和载体的结高、载体易得且可再生。但酶和载体的结合力较弱，酶易受外界因素的影响而脱落合力较弱，酶易受外界因素的影响而脱落。共价化合法 通过在酶分子与载体之间形成共价键来制通过在酶分子与载体之间形成共价键来制备固定化酶的方法备固定化酶的方法 目前研究和应用较多的一类方法目前研究和应用较多的一类方法 可用于共价结合的酶分子官能团有氨基、可用于

6、共价结合的酶分子官能团有氨基、羧基、酚基、咪唑基等羧基、酚基、咪唑基等 要有载体的参与要有载体的参与 根据固定化过程中共价结合反应的性质，根据固定化过程中共价结合反应的性质，共价结合法又可分为以下三类共价结合法又可分为以下三类: 戊二醛法、戊二醛法、叠氮法、碳二亚胺法。叠氮法、碳二亚胺法。 交联法 用双官能团或多官能团试剂作为交联剂，用双官能团或多官能团试剂作为交联剂，使酶分子之间发生交联从而实现酶固定化使酶分子之间发生交联从而实现酶固定化的方法的方法 常用的交联剂有己撑二异氰酸酯、双重氮常用的交联剂有己撑二异氰酸酯、双重氮联苯胺、顺丁烯二酸酐和戊二醛等联苯胺、顺丁烯二酸酐和戊二醛等 缺点：交

7、联法由于反应条件比较激烈，在缺点：交联法由于反应条件比较激烈，在固定化过程中有涉及酶分子的化学反应，固定化过程中有涉及酶分子的化学反应，因而酶失活较为严重因而酶失活较为严重 包埋法 分类：网格型和微囊型分类：网格型和微囊型 网格型：将酶分子包埋于高分子凝胶细微网格型：将酶分子包埋于高分子凝胶细微 网格中网格中 微囊型：将酶包埋在高分子半透膜中微囊型：将酶包埋在高分子半透膜中 优点：制备方法简单，条件温和，一般不优点：制备方法简单，条件温和，一般不涉及酶分子的化学变化，因而酶活力回收涉及酶分子的化学变化，因而酶活力回收率高率高 新型酶固定方法分类：分类： 定点固定化定点固定化 利用等离子体技术进

8、行固定化利用等离子体技术进行固定化 酶结晶酶结晶(沉淀沉淀)交联固定化交联固定化新型酶固定方法定点固定化定点固定化 由于酶分子往往带由于酶分子往往带有多个氨基，造成固有多个氨基，造成固定化酶在载体上有多定化酶在载体上有多种取向，形成随机固种取向，形成随机固定化。定点固定化技定化。定点固定化技术可以使酶分子在载术可以使酶分子在载体表面形成高度有序体表面形成高度有序的酶分子二维排列，的酶分子二维排列，从而提高固定化酶的从而提高固定化酶的活性活性 。等离子体技术 可以产生各种能量可以产生各种能量粒子，利用这项技术粒子，利用这项技术对载体材料进行表面对载体材料进行表面修饰，可在其表面引修饰，可在其表面

9、引入轻基、氨基、梭基、入轻基、氨基、梭基、拨基等功能性基团，拨基等功能性基团，从而有利于进行酶的从而有利于进行酶的固定化固定化 新型酶固定方法酶结晶酶结晶(沉淀沉淀)交联技术交联技术 即先将酶结晶或沉淀，再对酶分子进行即先将酶结晶或沉淀，再对酶分子进行交联处理的固定化方法。这种方法酶活性交联处理的固定化方法。这种方法酶活性损失较少，且稳定性好，被认为是一种很损失较少，且稳定性好，被认为是一种很有前途的酶固定化技术有前途的酶固定化技术 。 因为酶的结晶技术要求很高，作为一种替因为酶的结晶技术要求很高，作为一种替代，也可以采用酶沉淀交联技术代，也可以采用酶沉淀交联技术 酶固定化的载体根据载体材料的

10、化学组成可以将其分为三大类根据载体材料的化学组成可以将其分为三大类: 无机材料无机材料 天然大分子天然大分子 合成聚合物。合成聚合物。无机材料 使用无机材料作为酶固定化载体有以下一使用无机材料作为酶固定化载体有以下一些优点些优点:机械强度高机械强度高:耐有机溶剂、酸、碱、耐有机溶剂、酸、碱、盐性能好盐性能好;易于再生等易于再生等 天然大分子 天然大分子材料无毒害，亲水性好，具有天然大分子材料无毒害，亲水性好，具有适合酶催化反应的天然微环境，其中很多适合酶催化反应的天然微环境，其中很多种价格低廉，来源丰富，可以说是目前固种价格低廉，来源丰富，可以说是目前固定化中的首选材料。但在实际应用中，天定化

11、中的首选材料。但在实际应用中，天然大分子低的机械强度和加工性能成为制然大分子低的机械强度和加工性能成为制约其发展的重要因素。作为酶固定化载体约其发展的重要因素。作为酶固定化载体材料，报道较多的天然大分子材料有壳聚材料，报道较多的天然大分子材料有壳聚糖、纤维素、琼脂糖、角叉菜胶、明胶和糖、纤维素、琼脂糖、角叉菜胶、明胶和磷脂等。磷脂等。合成高分子材料 合成高分子材料能够利用的种类极多，机合成高分子材料能够利用的种类极多，机械性能和加工性能都很好，而且可以根据械性能和加工性能都很好，而且可以根据使用的具体要求设计开发具有特殊性能的使用的具体要求设计开发具有特殊性能的载体材料，因此是最有发展前途的酶

12、固定载体材料，因此是最有发展前途的酶固定化载体材料。常用的合成高分子材料有聚化载体材料。常用的合成高分子材料有聚丙烯、丙烯酰胺和聚丙烯睛等。丙烯、丙烯酰胺和聚丙烯睛等。酶的修饰 优点：提高其活性，使其更好的为生产、优点：提高其活性，使其更好的为生产、 生活提供便利生活提供便利 常用方法：利用化学方法对酶分子进行改造，常用方法：利用化学方法对酶分子进行改造，由于不受天然氨基酸的限制，往往能在天然由于不受天然氨基酸的限制，往往能在天然酶分子上接上一些化学功能基团，可以得到酶分子上接上一些化学功能基团，可以得到多种多样的修饰酶多种多样的修饰酶 酶的修饰 合成聚合物材料由于具有良好的机械性能、易于合成

13、聚合物材料由于具有良好的机械性能、易于成型加工和价格低廉等特点，在现代生活生产中成型加工和价格低廉等特点，在现代生活生产中的诸多领域都得到了广泛的应用。但是由于合成的诸多领域都得到了广泛的应用。但是由于合成聚合物材料的生物相容性通常都不是很理想，使聚合物材料的生物相容性通常都不是很理想，使得以其作为酶固定化载体材料时，往往会导致酶得以其作为酶固定化载体材料时，往往会导致酶的活性较低。与之相反，天然大分子材料具有优的活性较低。与之相反，天然大分子材料具有优异的生物相容性，以其作为酶固定化载体材料时，异的生物相容性，以其作为酶固定化载体材料时，酶的活性一般较高，但是其机械强度和稳定性较酶的活性一般较高，但是其机械强度和稳定性较差制约了它的发展。因此，将上述两种材料的优差制约了它的发展。因此，将上述两种材料的优点结合起来，对合成聚合物进行仿生修饰以提高点结合起来，对合成聚合物进行仿生修饰以提高固定化酶的活性己成为这一研究领域的热点固定化酶的活性己成为这