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固定化酶的应用


化学先生 / 2019-08-05

       以应用为目的并在应用中不断完善和发展是酶固定化研究的鲜明特色。目前已能制备多种高活性和高稳定性的固定化酶,随着应用范围的不断扩大,固定化酶已在常用的固体催化剂中占有重要地位。对固定化酶反应机理及工艺与工程的研究,已引起酶化学与工程以及催化反应与工程领域科技工作者的极大兴趣。和传统多相催化过程相比,在催化反应工艺中采用固定化酶,可以使反应在常温常压下进行,从而节省投资和能量消耗,并使反应流程得到简化。除大宗化学品的生产以外,固定化酶已广泛应用于医药、食品、轻工等领域,在精细有机合成、临床分析和微量有害物质检测方面的应用也在不断扩展。和传统均相反应过程相比,使用固定化酶,不但有利于催化剂和产物的分离以及酶的循环使用,而且可以使间歇过程变为连续反应,易于实现自动化。采用自动化、连续化生产,不仅可以扩大生产能力、降低物耗,还可以简化精制工艺,对酶在化工过程中的应用十分有利。正是由于这一点,固定化酶在有机合成化学中的应用,和均相多相化催化反应过程-一样,正处在研究与过程开发的活跃阶段。


      1:食品工业

       酶固定化在食品工业中的应用是早期发展起来的一个传统领城。其中最有名的,也是规模最大的过程,就是采用固定化葡萄糖异构酶,从葡萄糖生产高果糖浆。其它还包括采用固定化乳糖酶去除牛乳中的乳糖、采用固定化脂肪酶通过转酶反应生产可可油替代品、采用固定化耐热蛋白酶制造甜味剂一一天冬甜精,以及应用固定化L﹣天冬酶从富马酸铵生产天冬氨酸等。

        2:医学和临床分析

        药用酶可通过固定化提高其稳定性及缓释性,并可除去免疫原性。前列腺素街生物是药物在20世纪的重要发现之一用大孔径N聚氨乙基丙烯酰胺为载体,使前列腺素合成酶固定化,合成前列腺素街生物E1,显示出良好的活性及储存稳定性。微囊固定化过氧化氢酶具有良好的酶活性及稳定性,在临床检测及卫生防疫方面具有广泛用逾。葡聚糖磁性纳米微粒固定化L2天冬酰胺酶,具有通过血液注射治疗急性淋巴白血病的医用前景。固定化酶在临床分析中已得到应用,如SBA-4JD型尿素氮葡萄糖分析仪的关键部件,是由三种酶复合而成的固定化酶膜圈,将它装配在过氧化氢电极上,可以通过血液或尿液中尿素的变化,检测运动后的疲劳程度。萤火虫荧光素酶(fireflyluciferase)可以用来检测三磷酸腺苷(ATP)的含量。三磷酸腺苷是所有生物能量的储备形式,也是细胞代谢活动的能量来源,又是萤火虫荧光素酶催化的发光反应中不可替代的专一性底物。如果保持萤火虫荧光素中氧和酶的数量恒定,则荧光强度与ATP浓度量正相关。换言之,借助荧光素发光反应中ATP和荧光强度之间精确的数量关系,就能快速而准确地监测生物体因生理状态、疾病、细胞数量变动等原因导致的ATP含量变化。因此,发展基于萤火虫荧光素酶的生物传感器在医学等诸多领域有着现实的和潜在的应用前景。

        3:环境保护

        固定化一个很大的用途是处理废水中一些有毒有害物质,防止污染。其中漆酶的固定化应用较为广泛,酚类化合物是废水中一类常见的高含量污染物,酶可以催化氧化酚类化合物,而且不用加入过氧化物酶。在废水处理中,由于组分复杂而且经常变化,利用单一的固定化酶,很难收到好的处理效果,因此,要用多酶固定化体系组合处理,才能使有机物完全矿化和保持无害稳定排放。如德国有人将九种对硫磷农药降解具有活性的酶,共价组合固定在多孔玻璃珠和硅胶上制成固定化酶,填充到柱状反应器中,处理含硫磷农药废水,可获得95%以上的处理效果。连续工作70天酶的活性没有变化。说明多种的组合协同作用,优于单一酶固定化的效果。日本有人用固定化的淀粉
处理淀粉废水和造纸废水,美国科学家则报道了二氧化硅凝胶为载体的固定化酶传感器可以监测大气中二氧化碳的含量变化。

        4:生物传感器
  
        生物传感器是利用生物物质作为识别元件将被测物的浓度与可测量的电信号关联起来的装置。生物传感器中研究最多的是酶传感器口,其核心技术也是酶的固定化。Chen等将高聚物聚乙二醇二缩水甘油、聚丙烯洗胺、聚丙烯酸等做成薄膜,用薄膜将葡萄糖氧化酶固定在金电极上,通过检测电信号可以测定血液中的葡萄糖含量(20,通过烷基硫醇结构的自组装,在金电极上形成一层薄膜,利用硫碳酸的静电吸引,可将D果糖脱氢酶、D葡萄糖脱氢酶及L-乳糖脱氢酶固定化,研制成果糖生物传感器2.宋正华等将具有分子识别功能的葡萄糖酶和发光胺,分别固定在壳质胺和大孔阴离子交换树脂的填充柱中,组成流动注射系统。苦香仁街在P-葡萄糖苷催化下分解生成的CN与溶解氧反应,生成超氧阴离子自由基,继而同发光胺反应产生化学发光。因为发光强度与苦香仁苷的含量在1~200g之间呈现良好线性关系,从而可以方便地确定苦杳仁着的含量。检出限度为0.3g,相对标准偏差为3.1%,并具有良好的选择性,每次测定时间为2min,-葡萄糖苷酶柱寿命为6个月, Luminol柱可使用200次以上。

        随着人们对纳米粒子研究的深入,将钠米材料作载体的固定化酶用于生物传感器的研制也有很多报道。例如,将葡萄糖氧化酶固定到纳米颗粒上能够增加酶的催化活性,提高电极的响应电流。首先是纳米颗粒可增强葡萄糖氧化酶在载体表面的固定化强度;其次是对游分子有取向作用,使其功能有所改善;第三,由于金、铂纳米颗粒具有良好的导电性和宏观隧道效应,可以作为固定
化之间、固定化酶与电极之间有效的电子传递体,从而使得葡萄糖氧化酶的氧化还原中心与铂电极间,通过金属颗粒进行电子转移成为可能,酶与电极间可以近似看作是一种由 “导线”连接的通道。这样就有效地提高了传感器的电流响应灵敏度。又如唐芳琼等用纳米增水SiO2 颗粒、憎水Au、亲水Au颗粒等组成复合固酶膜基质,用溶胶凝胶法固定葡萄糖氧化酶制成生物传感器,大大提高了固定化酶的催化活性,并且可以使响应电流从儿十纳安增加到几千纳安。

        5: 有机合成

        Yoon等报道了将尼龙6粉末悬浮在二氯甲烷和乙氧基四氟硼酸盐中,先后与甲醇聚1,2-亚乙基亚胺戊二醛反应,最后将半乳糖苷酶固定在这种活性载体上,他们利用这种固定化酶合成了N-乙酰基乳糖胺。尽管这种固定化酶反应比自由酶的产率低,但经过反复使用多次,酶的活性在较长时间内也不会下降,从而展示了很好的应用前景。把脱乙酰酶固定在DEAE-纤维素树脂上,可以催化10-脱酰浆果赤霉素生成浆果赤霉素。优点是反应的专一性高,从而不需要再保护反应物7位的羟基,产率可以达51%。 应国清等以纸纤维为载体,对硫酸酯乙砜基苯胺为活化剂,以共价偶联法制备的固定化胰蛋白酶,可去除公鸡冠浸提液中的结合蛋白,制备高纯度的玻璃酸。刘立建等用多孔硅球固定化胰凝乳蛋白酶拆分D,L苯丙氨酸甲酯获得L-苯丙氨酸,拆分收率92.3%,光学纯度为96.2%。可见生物酶由于其反应的专一性,能高效地实现一些化学方法难以完成的反应,并且固定化的酶容易与反应物分离,反应条件温和,展示了广阔的应用前景。
 

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