什么是酶的固定化
化學先生 / 2019-08-03
酶的固定化(enzyme immobilization)是指采用有機或無機固體材料作為載體(carrier, support), 將酶包埋起來或束縛、限制于載體的表面和微孔中,使其仍具有催化活性,并可回收及重復使用的酶化學方法與技術。不使用固體材料作為載體,通過酶分子之間的相互交聯(lián)形成聚集體,也可將酶固定化,稱為無載體酶固定化。20世紀90年代初報道的交聯(lián)酶晶體(cross-linked enzyme crystals, CLEC)就屬于無載體固定化酶。如果按照存在狀態(tài)來進行分類,酶大致可分為天然酶和化學修飾酶,從生物體內(nèi)直接分離的酶稱為天然酶,固定化酶應屬于化學修飾酶。在化學修飾酶中,除固定化酶外,還包括經(jīng)過化學修飾的水溶性酶或應用分子生物學技術構建的基因重組酶等。
酶的固定化研究始于20世紀60年代中期,從70年代初開始酶的固定化技術研究發(fā)展很快,至80年代初,每年約發(fā)表1000篇以上的文獻和近200篇專利,所報道的固定化方法達100種以上日。80年代中期以后,酶和細胞固定化研究的發(fā)展速度開始減慢,從而有人認為,對酶的固定化技術應予以重新評價,理由是盡管已經(jīng)做了大量研究工作,但工業(yè)中實際應用的案例尚少。經(jīng)過近20年的研究,真正能獲得規(guī)模應用的固定化酶,還僅局限于葡萄糖異構酶、葡萄糖氧化酶和青霉素?;傅葹閿?shù)不多的幾個酶種。盡管如此,隨著生物、信息和納米技術的發(fā)展,以及對環(huán)境保護意識的增強,人們根據(jù)傳統(tǒng)酶固定化技術存在的問題,不斷探索改進、完善和發(fā)展新的酶固定化方法。作為生物、化學、材料、能源和環(huán)境等多學科的交叉點之一,酶的固定化研究仍不失為一個活躍的研究領城。
酶是一類具有催化功能的蛋白質,和化學催化劑相比具有反應速率快(約快106~1012倍),化學、立體和分子部位選擇性好,反應條件溫和,底物專- .性強,可在水溶液和中性pH下操作等優(yōu)點,同時酶本身可以被微生物降解,符合綠色化學的要求。已在食品、醫(yī)藥、輕工和農(nóng)業(yè)等許多領域得到廣泛的應用,但和多相催化過程相比,酶在能源和化工中的應用還存在如下問題。
①酶一且從細胞中分離出來,其活性迅速下降,并且在實際應用中對外界因素非常敏感,容易因反應條件的變化和雜質的毒化作用而失活。
②酶的分離和純化手續(xù)繁雜,大規(guī)模制備和應用成本較高。
③酶是溶于水的,在水溶液中進行反應,會導致酶和底物、產(chǎn)物從水中分離的困難,不利于循環(huán)使用。
④由于反應產(chǎn)物是酶的排泄物,對酶催化反應有抑制作用,限制了產(chǎn)物濃度的提高,因此生產(chǎn)強度低。
酶的固定化技術就是為了克服上述缺點,使酶催化反應能像化學催化劑一樣在多相反應過程中穩(wěn)定操作,并易于回收和反復使用而發(fā)展起來的一項酶化學與酶工程技術。