纳米生物催化的研究现状和发展态势

纳米生物催化领域包括:(ⅰ)利用纳米技术或纳米材料调控生物催化剂的效率;(ⅱ)直接利用纳米材料或技术实现生物催化功能,并拓展生物催化在非友好环境及疾病诊疗中的应用.纳米生物催化已成为纳米生物学重要的研究领域,主要涉及纳米载体固定化酶和纳米材料人工模拟酶(纳米酶).一方面,可以借助纳米技术或材料所具有的特殊纳米效应来增强生物催化剂的效率和稳定性.另一方面,从模拟酶的理念出发,借助纳米材料自身所具有的催化能力,直接实现对生化反应的催化,这类具有酶学特性的纳米酶被视为新一代人工模拟酶.近年来,基于纳米载体固定化酶和纳米酶技术的纳米生物催化已在疾病诊断和治疗、化工制药、环境处理等领域得到了广泛研究,并展示了其具有重要的应用价值.本文简要综述了纳米载体固定化酶和纳米酶的发展历程及应用进展.     

多孔纳米材料固定化酶研究进展

酶是一种天然生物催化剂,有催化效率高、底物选择性强和绿色环保等优点,但酶结构不稳定且重复利用率低,制约了其产业化应用。随着技术的发展,酶的固定化可以提高酶的活性和稳定性,为生物酶的工程化应用带来了新的机遇。多孔纳米材料具有比表面积大、孔隙率高、机械和化学性能稳定等特点和优异的成本效益,是理想的固定化酶载体。本文综述了近些年来金属有机框架、共价有机框架和多孔微球等纳米材料固定化酶的研究进展和应用,重点介绍了载体固定酶的方式,并总结了每种载体的特点,最后讨论了多孔纳米材料固定化酶面临的挑战和发展趋势。     

智能固定化酶载体的研究进展

目前,工业微生物提供了大量的酶源。为了进一步提升酶的利用,固定化酶技术推动了生物催化过程的进展。固定化酶载体的研究为固定化酶技术发挥酶作用提供了更大的空间。近年来研究发现,智能型载体作用于酶的固定化方面较传统固定化酶方式具有独特的优势,增加了酶的负载量,稳定和提高了酶活力,降低了底物和产物抑制,并且简化了酶回收操作,是一种理想的酶固定化载体材料。本文针对对环境因素,例如温度、pH、离子强度、光以及磁等,敏感的智能固定化酶载体研究进展,从载体性质、应答机理、以及这些载体固定化酶的应用等方面进行综述。     

多级孔金属-有机框架固定化酶的研究进展

金属-有机框架(metal-organic frameworks, MOFs)作为酶固定化的优良载体,为生物催化反应提供优越的物理和化学保护。近年来,多级孔金属-有机框架(hierarchical porous metal-organic frameworks, HP-MOFs)由于其独特的结构优势,在固定化酶方面显示出更大的潜力。到目前为止,已经开发了各类具有原生多级孔或缺陷多级孔的HP-MOFs用于酶的固定化研究,并且使得固定化酶在催化活性、稳定性和重复利用性等方面得到了显著增强。本文系统总结了HP-MOFs用于固定化酶的各种策略,介绍了HP-MOFs固定化酶(enzyme@HP-MOFs)在催化合成、生物传感、生物医药等领域的最新应用进展。最后,讨论并展望了HP-MOFs固定化酶这一领域所面临的挑战和机遇。     

CO2生物转化关键酶固定体系构筑研究进展与挑战

酶催化CO₂还原制备高值化学品对缓解全球环境和能源危机具有重要意义,利用甲酸脱氢酶(formate dehydrogenase,FDH)或多酶级联还原CO₂制备甲酸/甲醇具有选择性高、条件温和的优势,但关键酶活性低、稳定性差和重复利用率低的问题限制了其规模化应用,酶的固定化为这些问题提供了有效解决方案。本文总结了近年来利用膜、无机材料、金属有机框架和共价有机框架等载体对酶进行固定化的研究进展,阐释了不同固定材料和固定方式的特点和优势;进一步总结了固定化酶与电催化或光催化耦联反应体系对CO₂还原的协同效果及应用,同时指出酶固定化技术和耦联反应体系目前存在的问题并对其发展前景进行了展望。     

多孔整体柱固定化酶研究进展

高效固定化酶载体的构建对于提高酶催化的反应速率和效率以及延长酶的使用寿命至关重要。多孔整体柱具有大的贯穿孔道和良好的通透性,易于改性,化学稳定性高。作为固定化酶的载体,可以为底物和产物提供快速的对流传质性能,从而提高酶催化的速率和效率,在保持酶高效专一及温和的催化反应特性的同时,克服了游离酶的不足,具有贮存稳定性高、操作连续可控、易分离回收、可重复使用、工艺简便等一系列优点。本文中,笔者总结了多孔整体柱应用于固定化酶的研究进展,探讨了不同整体柱材料和固定化酶方法对酶催化反应性能的影响。     

功能化磁性纳米粒子在固定化酶研究中的应用

酶是高效的生物催化剂,在生物技术领域有广泛的应用。然而,不可再生催化的高成本和酶的有效成分分离回收,是实现大规模工业化应用需要解决的关键问题。磁性纳米粒子(magnetic nanoparticles,MNPs)具有优异的磁回收性质。通过设计和制备功能化MNPs作为固定化酶的多功能载体,是解决这一问题的有效途径之一,可为酶的工业化大规模应用提供条件。近年来,功能化磁性纳米粒子在酶的固定化领域基于载体性质、固定化方法和应用有广泛研究。文中重点介绍了近年来各种功能化磁性纳米载体,特别是Fe3O4纳米粒子,在固定化酶中的应用。根据功能化试剂的差异分类,实例讨论了不同功能化修饰的磁性纳米载体对酶的固定化,包括硅烷修饰的磁性纳米载体、有机聚合物修饰的磁性纳米载体、介孔材料修饰的磁性纳米载体以及金属-有机骨架材料(metal-organic framework,MOF)修饰的磁性纳米载体。同时,结合可持续工业催化的发展要求,对磁性复合载体固定化酶的发展前景进行了展望。     

微囊载体固定化多酶的研究进展

多酶催化是利用多种生物酶构建反应体系或网络,在生物体外实现化学品的合成.在生物制造过程中,多酶的共固定化有利于提高酶的稳定性和重复使用率,更利于多酶间的协同催化.在精准调控下,多酶固定化载体的微囊材料有望实现多酶协同催化性能的最大化.本文中,笔者分析了微囊体系的特点,综述了微囊材料及其固定化多酶的优缺点,总结了微囊多酶...     

甲壳素/壳聚糖在酶固定化中的应用

作为功能性材料,甲壳素与壳聚糖分布广泛,且具有一系列独特的性质:无毒性、凝胶性、生物适应性、降解产物的无毒性、显著的蛋白质亲和性等。正是由于这些特性,虽然甲壳素/壳聚糖材料目前尚未得到充分的开发利用,但是与其它一些酶的固定化载体相比,具有广泛的开发前景。该文综述了近年来甲壳素/壳聚糖在酶的固定化方面的一些研究成果。主要包括:甲壳素/壳聚糖的理化性质、载体不同制备方法的特色和差异、在食品工业、非食品工业、环保、酶的分离纯化以及医疗应用方面的研究进展。     

酶催化法制备新型结构脂质研究进展

结构脂质是一类具有营养保健功效的酯类化合物,可潜在地预防或辅助治疗特定疾病。以酶为核心的生物催化法,在结构脂质的制备中扮演着关键的角色。本文根据脂质的结构特点,从各类结构脂质的功能、脂肪酶的选择、酶载体材料的设计、固定化脂肪酶制备以及应用等方面分别介绍了LML型中长链结构脂、长链多不饱和脂肪酸结构脂、人乳脂替代品及含共轭亚油酸甘油三酯等新型结构脂质的酶法制备手段和技术,总结了制备各结构脂质的常用脂肪酶种类,重点介绍了固定化酶中载体材料的理性设计对脂肪酶活性及结构脂质产率的影响。今后,此方面的研究可围绕新脂肪酶资源发掘,新型固定化酶载体材料的设计与合成,结构脂质的制备方法拓展、反应体系构建及新生产工艺开发等方面进行。     

多酶共固定化的研究进展

固定化酶技术是现代生物催化的核心技术。过去几十年里,固定化酶技术的研究主要集中在单酶固定化。近年来,多酶共固定化由于具有可增加反应的局部浓度、提高反应收率等优点而得到研究者的广泛关注。本文根据国内外研究现状并结合本实验研究从多酶非特异性共价共固定化、非特异性非共价共固定化、非共价包埋固定化以及位点特异性固定化四个方面阐述多酶固定化方法的研究进展,并分析和展望了其在工业上的应用前景。     

生物固定化技术及其应用研究进展

生物固定化技术具有小型高效、稳定性好、操作简便、易实现连续化、自动化控制等优点,在生物、医药、农业、食品、化工、能源开发、环境保护等方面得到了广泛应用.当前生物固定化的材料已由单一的酶发展到含酶菌体或菌体碎片.固定化方法主要包括载体结合法、交联法和包埋法,这些方法近年来都通过发展新型材料和技术得到了长足发展,生物固定化技术在有机污染物净化、土壤重金属污染修复、真菌毒素降解、生物能源开发等方面都取得了重要进展.今后应在开发固定化生物资源、提高固定化微生物活性、固定化机理和应用等方面加强研究.     

纳米材料固定化酶的研究进展

近年来,纳米技术为酶固定化提供了多种纳米级材料,纳米材料固定化酶不仅具有高的酶负载量,而且具有良好的酶稳定性。本文基于纳米材料固定化酶,对纳米材料的种类进行了总结,分析了纳米材料对固定化酶性能的影响,并介绍了纳米级固定化方法及纳米材料固定化酶在生物转化、生物传感器、生物燃料电池等领域的应用。     

高分子修饰/无机晶体固定化酶研究进展

具有良好化学、区位和立体选择性的酶是化学品绿色合成的理想催化剂。然而,由于天然酶存在易失活、重复使用困难等问题,以致酶催化的应用范围受到较大限制。随着生物技术、材料科学和纳米技术的快速发展,开发简单、低成本、适用性广的酶固定化载体和方法,提高酶催化剂在工业催化中的应用性能得到了研究者的广泛关注。本文中,笔者总结了近年来在利用功能高分子修饰酶、共沉淀法制备酶-无机晶体复合物方面的一些工作,探讨了这些新型修饰酶和固定化酶的性能、优缺点、应用前景以及未来发展。     

多酶共固定化反应体系的研究进展

近年来,生物催化为化学、生物学和生物工程学等领域提供了一种绿色研究工具,其中多酶体系在这些领域中的应用越来越受到关注,其克服了以往单个酶不能满足催化需求的局限性,同时多酶共固定化在级联反应过程中,可增加酶周围的反应物浓度,并将不同酶的催化特性结合起来,能排除干扰因素,从而提高酶的整体催化效率。对多酶共固定化反应体系的研究进展进行了综述,包括多酶反应体系的类别、共固定化技术的特点以及相关应用,并对共固定化多酶反应体系进行了展望。     

铁蛋白介导的地衣多糖酶胞内自发聚集及其高效制备

酶分离纯化、固定化及催化性能提升一直是生物催化领域的研究热点和前沿,也是众多研究者致力解决的难点.研究和开发新型的纯化、固定化及提升催化性能的方法,降低纯化及储存等设备的要求及生产成本,对酶大规模应用具有重要意义.文中将铁蛋白(ferritin)与目标酶(地衣多糖酶)基因融合,经高效表达后,在细胞内 自发形成无载体固定...     

大孔树脂固定化脂肪酶及在微水相中催化合成生物柴油的研究

以不同大孔树脂吸附法固定化假丝酵母99_125脂肪酶,在微水有机相中的应用表明非极性树脂NKA是最佳的固定化载体。分别以正庚烷及磷酸盐缓冲液作为固定化介质,发现在正庚烷介质中树脂NKA的固定化效率能够达到98.98%,与采用磷酸盐缓冲液作为介质相比,固定化酶的水解活力和表观酶活回收率分别提高了4.07和3.43倍。考察了在微水相中固定化酶催化合成生物柴油的催化性能,结果表明,在给酶量为1.92∶1(初始酶粉与树脂的质量比),pH值为7.4,体系水含量为15%(水与油的质量比),反应温度为40℃条件下,固定化酶具有最佳的催化能力;以正庚烷为介质固定化脂肪酶催化合成生物柴油,采用三次流加甲醇的方式,单批转化率最高达到97.3%,连续反应19批以后转化率仍保持为70.2%。     

漆酶的固定化及其在生物传感器方面的应用

漆酶是一类含铜的多酚氧化酶,它能够催化许多酚类和非酚类物质的氧化.固定化漆酶能改善漆酶的稳定性,实现酶制剂的重复连续使用,具有重要意义.该文综述了漆酶固定化的各种方法,阐述了漆酶相关活性、机械性能和功能等内容,并对漆酶固定化在生物传感器方面的应用作了介绍.     

固定化细胞技术及其应用研究进展

细胞固定技术是将具有特定生理功能的生物细胞用一定的方法进行固定,并以其作为生物催化剂加以利用的一门技术。相对于游离的单细胞,固定化细胞可简化生产工艺,降低生产成本。本文回顾了细胞固定技术在制备方法和载体材料等方面的研究进展,并总结了近几年来固定化细胞技术在新能源开发、食品加工及环境污染物处理中的应用,对其发展前景进行展望。     

MOFs固定5-羟甲基糠醛氧化酶及其催化活性的研究

固定化酶作为一种绿色高效的生物催化剂,其性能远超游离酶。目前酶的固定化技术适用范围仍然较小,酶的研究范围多停留在模型酶阶段,扩大固定化酶的研究范围具有十分重要的意义。金属有机骨架材料(MOFs)作为酶固定化的载体在近些年得到了广泛的探索,但是具有生物功能的酶-MOFs复合材料的许多特性仍有待挖掘。采用仿生矿化的合成方法将5-羟甲基糠醛氧化酶(HMFO)固定到以沸石咪唑酯(ZIF-8)为代表的MOFs材料中,制备得到一种新的生物催化剂HMFO@ZIF-8,扫描电子显微镜表征其形态区别于经典的菱形十二面体。采用考马斯亮蓝法测定蛋白质浓度,计算得到酶的固定化效率达到89. 0%。HMFO@ZIF-8催化5-羟甲基糠醛的转化率达到84. 3%,收率和选择性均高于游离酶。拓展了MOFs固定化酶的研究范围,为研究其他生物大分子复合材料的生物催化剂提供一定的借鉴意义。