固定化酶的應(yīng)用
化學(xué)先生 / 2019-08-05
以應(yīng)用為目的并在應(yīng)用中不斷完善和發(fā)展是酶固定化研究的鮮明特色。目前已能制備多種高活性和高穩(wěn)定性的固定化酶，隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，固定化酶已在常用的固體催化劑中占有重要地位。對固定化酶反應(yīng)機(jī)理及工藝與工程的研究，已引起酶化學(xué)與工程以及催化反應(yīng)與工程領(lǐng)域科技工作者的極大興趣。和傳統(tǒng)多相催化過程相比，在催化反應(yīng)工藝中采用固定化酶，可以使反應(yīng)在常溫常壓下進(jìn)行，從而節(jié)省投資和能量消耗，并使反應(yīng)流程得到簡化。除大宗化學(xué)品的生產(chǎn)以外，固定化酶已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、輕工等領(lǐng)域，在精細(xì)有機(jī)合成、臨床分析和微量有害物質(zhì)檢測方面的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)展。和傳統(tǒng)均相反應(yīng)過程相比，使用固定化酶，不但有利于催化劑和產(chǎn)物的分離以及酶的循環(huán)使用，而且可以使間歇過程變?yōu)檫B續(xù)反應(yīng)，易于實(shí)現(xiàn)自動化。采用自動化、連續(xù)化生產(chǎn)，不僅可以擴(kuò)大生產(chǎn)能力、降低物耗，還可以簡化精制工藝，對酶在化工過程中的應(yīng)用十分有利。正是由于這一點(diǎn)，固定化酶在有機(jī)合成化學(xué)中的應(yīng)用，和均相多相化催化反應(yīng)過程-一樣，正處在研究與過程開發(fā)的活躍階段。
1:食品工業(yè)
酶固定化在食品工業(yè)中的應(yīng)用是早期發(fā)展起來的一個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)城。其中最有名的，也是規(guī)模最大的過程，就是采用固定化葡萄糖異構(gòu)酶，從葡萄糖生產(chǎn)高果糖漿。其它還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過轉(zhuǎn)酶反應(yīng)生產(chǎn)可可油替代品、采用固定化耐熱蛋白酶制造甜味劑一一天冬甜精，以及應(yīng)用固定化L﹣天冬酶從富馬酸銨生產(chǎn)天冬氨酸等。
2:醫(yī)學(xué)和臨床分析
藥用酶可通過固定化提高其穩(wěn)定性及緩釋性，并可除去免疫原性。前列腺素街生物是藥物在20世紀(jì)的重要發(fā)現(xiàn)之一用大孔徑N聚氨乙基丙烯酰胺為載體，使前列腺素合成酶固定化，合成前列腺素街生物E1,顯示出良好的活性及儲存穩(wěn)定性。微囊固定化過氧化氫酶具有良好的酶活性及穩(wěn)定性，在臨床檢測及衛(wèi)生防疫方面具有廣泛用逾。葡聚糖磁性納米微粒固定化L2天冬酰胺酶，具有通過血液注射治療急性淋巴白血病的醫(yī)用前景。固定化酶在臨床分析中已得到應(yīng)用，如SBA-4JD型尿素氮葡萄糖分析儀的關(guān)鍵部件，是由三種酶復(fù)合而成的固定化酶膜圈，將它裝配在過氧化氫電極上，可以通過血液或尿液中尿素的變化，檢測運(yùn)動后的疲勞程度。螢火蟲熒光素酶(fireflyluciferase)可以用來檢測三磷酸腺苷(ATP)的含量。三磷酸腺苷是所有生物能量的儲備形式，也是細(xì)胞代謝活動的能量來源，又是螢火蟲熒光素酶催化的發(fā)光反應(yīng)中不可替代的專一性底物。如果保持螢火蟲熒光素中氧和酶的數(shù)量恒定，則熒光強(qiáng)度與ATP濃度量正相關(guān)。換言之，借助熒光素發(fā)光反應(yīng)中ATP和熒光強(qiáng)度之間精確的數(shù)量關(guān)系，就能快速而準(zhǔn)確地監(jiān)測生物體因生理狀態(tài)、疾病、細(xì)胞數(shù)量變動等原因?qū)е碌腁TP含量變化。因此，發(fā)展基于螢火蟲熒光素酶的生物傳感器在醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域有著現(xiàn)實(shí)的和潛在的應(yīng)用前景。
3：環(huán)境保護(hù)
固定化一個(gè)很大的用途是處理廢水中一些有毒有害物質(zhì),防止污染。其中漆酶的固定化應(yīng)用較為廣泛,酚類化合物是廢水中一類常見的高含量污染物,酶可以催化氧化酚類化合物,而且不用加入過氧化物酶。在廢水處理中,由于組分復(fù)雜而且經(jīng)常變化,利用單一的固定化酶,很難收到好的處理效果,因此,要用多酶固定化體系組合處理,才能使有機(jī)物完全礦化和保持無害穩(wěn)定排放。如德國有人將九種對硫磷農(nóng)藥降解具有活性的酶,共價(jià)組合固定在多孔玻璃珠和硅膠上制成固定化酶,填充到柱狀反應(yīng)器中,處理含硫磷農(nóng)藥廢水,可獲得95%以上的處理效果。連續(xù)工作70天酶的活性沒有變化。說明多種的組合協(xié)同作用,優(yōu)于單一酶固定化的效果。日本有人用固定化的淀粉
處理淀粉廢水和造紙廢水,美國科學(xué)家則報(bào)道了二氧化硅凝膠為載體的固定化酶傳感器可以監(jiān)測大氣中二氧化碳的含量變化。
4：生物傳感器
生物傳感器是利用生物物質(zhì)作為識別元件將被測物的濃度與可測量的電信號關(guān)聯(lián)起來的裝置。生物傳感器中研究最多的是酶傳感器口,其核心技術(shù)也是酶的固定化。Chen等將高聚物聚乙二醇二縮水甘油、聚丙烯洗胺、聚丙烯酸等做成薄膜,用薄膜將葡萄糖氧化酶固定在金電極上,通過檢測電信號可以測定血液中的葡萄糖含量(20,通過烷基硫醇結(jié)構(gòu)的自組裝,在金電極上形成一層薄膜,利用硫碳酸的靜電吸引,可將D果糖脫氫酶、D葡萄糖脫氫酶及L-乳糖脫氫酶固定化,研制成果糖生物傳感器2.宋正華等將具有分子識別功能的葡萄糖酶和發(fā)光胺,分別固定在殼質(zhì)胺和大孔陰離子交換樹脂的填充柱中,組成流動注射系統(tǒng)?？嘞闳式衷赑-葡萄糖苷催化下分解生成的CN與溶解氧反應(yīng),生成超氧陰離子自由基,繼而同發(fā)光胺反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光。因?yàn)榘l(fā)光強(qiáng)度與苦香仁苷的含量在1~200g之間呈現(xiàn)良好線性關(guān)系,從而可以方便地確定苦杳仁著的含量。檢出限度為0.3g,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.1%,并具有良好的選擇性,每次測定時(shí)間為2min,-葡萄糖苷酶柱壽命為6個(gè)月, Luminol柱可使用200次以上。
隨著人們對納米粒子研究的深入,將鈉米材料作載體的固定化酶用于生物傳感器的研制也有很多報(bào)道。例如,將葡萄糖氧化酶固定到納米顆粒上能夠增加酶的催化活性,提高電極的響應(yīng)電流。首先是納米顆粒可增強(qiáng)葡萄糖氧化酶在載體表面的固定化強(qiáng)度;其次是對游分子有取向作用,使其功能有所改善；第三,由于金、鉑納米顆粒具有良好的導(dǎo)電性和宏觀隧道效應(yīng),可以作為固定
化之間、固定化酶與電極之間有效的電子傳遞體,從而使得葡萄糖氧化酶的氧化還原中心與鉑電極間，通過金屬顆粒進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移成為可能，酶與電極間可以近似看作是一種由 “導(dǎo)線”連接的通道。這樣就有效地提高了傳感器的電流響應(yīng)靈敏度。又如唐芳瓊等用納米增水SiO2 顆粒、憎水Au、親水Au顆粒等組成復(fù)合固酶膜基質(zhì)，用溶膠凝膠法固定葡萄糖氧化酶制成生物傳感器，大大提高了固定化酶的催化活性，并且可以使響應(yīng)電流從兒十納安增加到幾千納安。
5: 有機(jī)合成
Yoon等報(bào)道了將尼龍6粉末懸浮在二氯甲烷和乙氧基四氟硼酸鹽中，先后與甲醇聚1,2-亞乙基亞胺戊二醛反應(yīng)，最后將半乳糖苷酶固定在這種活性載體上，他們利用這種固定化酶合成了N-乙?；樘前?。盡管這種固定化酶反應(yīng)比自由酶的產(chǎn)率低，但經(jīng)過反復(fù)使用多次，酶的活性在較長時(shí)間內(nèi)也不會下降，從而展示了很好的應(yīng)用前景。把脫乙酰酶固定在DEAE-纖維素樹脂上，可以催化10-脫酰漿果赤霉素生成漿果赤霉素。優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)的專一性高，從而不需要再保護(hù)反應(yīng)物7位的羥基，產(chǎn)率可以達(dá)51%。 應(yīng)國清等以紙纖維為載體，對硫酸酯乙砜基苯胺為活化劑，以共價(jià)偶聯(lián)法制備的固定化胰蛋白酶，可去除公雞冠浸提液中的結(jié)合蛋白，制備高純度的玻璃酸。劉立建等用多孔硅球固定化胰凝乳蛋白酶拆分D,L苯丙氨酸甲酯獲得L-苯丙氨酸，拆分收率92.3%，光學(xué)純度為96.2%。可見生物酶由于其反應(yīng)的專一性，能高效地實(shí)現(xiàn)一些化學(xué)方法難以完成的反應(yīng)，并且固定化的酶容易與反應(yīng)物分離，反應(yīng)條件溫和，展示了廣闊的應(yīng)用前景。
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