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什么是酶的固定化


化學(xué)先生 / 2019-08-03

        酶的固定化(enzyme immobilization)是指采用有機(jī)或無(wú)機(jī)固體材料作為載體(carrier, support), 將酶包埋起來(lái)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(fù)使用的酶化學(xué)方法與技術(shù)。不使用固體材料作為載體，通過(guò)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(wú)載體酶固定化。20世紀(jì)90年代初報(bào)道的交聯(lián)酶晶體(cross-linked enzyme crystals, CLEC)就屬于無(wú)載體固定化酶。如果按照存在狀態(tài)來(lái)進(jìn)行分類，酶大致可分為天然酶和化學(xué)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(yīng)屬于化學(xué)修飾酶。在化學(xué)修飾酶中，除固定化酶外，還包括經(jīng)過(guò)化學(xué)修飾的水溶性酶或應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)構(gòu)建的基因重組酶等。


        酶的固定化研究始于20世紀(jì)60年代中期，從70年代初開(kāi)始酶的固定化技術(shù)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(xiàn)和近200篇專利，所報(bào)道的固定化方法達(dá)100種以上日。80年代中期以后，酶和細(xì)胞固定化研究的發(fā)展速度開(kāi)始減慢，從而有人認(rèn)為，對(duì)酶的固定化技術(shù)應(yīng)予以重新評(píng)價(jià)，理由是盡管已經(jīng)做了大量研究工作，但工業(yè)中實(shí)際應(yīng)用的案例尚少。經(jīng)過(guò)近20年的研究，真正能獲得規(guī)模應(yīng)用的固定化酶，還僅局限于葡萄糖異構(gòu)酶、葡萄糖氧化酶和青霉素酰化酶等為數(shù)不多的幾個(gè)酶種。盡管如此，隨著生物、信息和納米技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，人們根據(jù)傳統(tǒng)酶固定化技術(shù)存在的問(wèn)題，不斷探索改進(jìn)、完善和發(fā)展新的酶固定化方法。作為生物、化學(xué)、材料、能源和環(huán)境等多學(xué)科的交叉點(diǎn)之一，酶的固定化研究仍不失為一個(gè)活躍的研究領(lǐng)城。

        酶是一類具有催化功能的蛋白質(zhì)，和化學(xué)催化劑相比具有反應(yīng)速率快(約快106~1012倍)，化學(xué)、立體和分子部位選擇性好，反應(yīng)條件溫和，底物專- .性強(qiáng)，可在水溶液和中性pH下操作等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)酶本身可以被微生物降解，符合綠色化學(xué)的要求。已在食品、醫(yī)藥、輕工和農(nóng)業(yè)等許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，但和多相催化過(guò)程相比，酶在能源和化工中的應(yīng)用還存在如下問(wèn)題。

       ①酶一且從細(xì)胞中分離出來(lái)，其活性迅速下降，并且在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)外界因素非常敏感，容易因反應(yīng)條件的變化和雜質(zhì)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(yīng)用成本較高。

       ③酶是溶于水的，在水溶液中進(jìn)行反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)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(yīng)產(chǎn)物是酶的排泄物，對(duì)酶催化反應(yīng)有抑制作用，限制了產(chǎn)物濃度的提高，因此生產(chǎn)強(qiáng)度低。

       酶的固定化技術(shù)就是為了克服上述缺點(diǎn)，使酶催化反應(yīng)能像化學(xué)催化劑一樣在多相反應(yīng)過(guò)程中穩(wěn)定操作，并易于回收和反復(fù)使用而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)酶化學(xué)與酶工程技術(shù)。

    

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