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。     

固定化酶:从策略到材料设计

酶是一种高效、高选择性、催化条件温和的绿色催化剂,在生物催化、生物传感、生物分离等领域具有广泛的应用价值。然而,游离酶的操作稳定性差、回收和再利用困难等缺点限制了其进一步应用。固定化酶技术应运而生,它的出现和发展为解决酶的工业化应用提供了优良的解决方案。本文中,笔者主要从酶的固定化方法、固定化酶的载体和固定化酶的应用这三方面详细介绍近几年固定化酶的研究现状,结合笔者所在课题组和国内外同行近年来的最新研究进展,重点总结了具有结构可调、孔隙率高、结晶度良好的金属-有机框架材料(MOFs)和共价有机框架材料(COFs)作为新型载体在固定化酶方面的研究进展。     

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.     

微生物脂肪酶资源挖掘及其催化性能改良策略

脂肪酶催化在食品、医药、化工、能源等领域发挥重要作用.开发新型微生物脂肪酶资源,对脂肪酶进行修饰改良,是脂肪酶催化领域的重要研发内容.极端微生物和不可培养微生物脂肪酶的发掘是获取新型工业催化剂的热点;体外定向进化、杂合酶、表面展示等蛋白质工程等分子生物学技术手段为开发特定性质"新酶"提供了有力工具;生物印迹、pH记忆、定向固定化、交联酶晶体、脂质体包埋等高效物理化学修饰方法拓宽了脂肪酶原有的催化性质.微生物脂肪酶资源挖掘及其改良将推动脂肪酶的生物催化产业快速发展.     

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。     

生物转化中的逆胶囊酶催化

作为生物催化剂的酶以其催化力强、范围广、专一性高,适合于温和条件、水溶液和低底物浓度中催化等特点而得到广泛应用。酶固定化技术的发展使酶催化的工业应用范围更为广阔,但酶促反应需要以水为反应介质,若反应物难溶于水或反应本身要求不能有大量水存在(如酯化反应),则传统的酶反应就难于实现。这些因素限制了酶在工业上的应用。     

磁性纳米粒子固定化酶技术研究进展

磁性纳米粒子因兼具磁学特性和纳米材料独特性能,被广泛应用于各个领域。就磁性纳米粒子的种类、特性、制备和表面修饰四个方面展开介绍,综述了脂肪酶、漆酶、淀粉酶及其复合酶等生物酶固定化酶技术的最新研究动态,针对磁性纳米粒子在固定化酶技术的研究应用现状进行了总结,以期为磁性纳米粒子固定化酶技术的应用研究提供参考。     

β-呋喃果糖苷酶的固定化及其在低聚乳果糖合成中的应用

【目的】探索适宜的树脂作为载体固定β-呋喃果糖苷酶,并研究该固定化酶催化合成低聚乳果糖。【方法】选择9种大孔吸附树脂和碱性离子交换树脂固定β-呋喃果糖苷酶,筛选固定化效果较好的树脂作为载体。用聚乙烯亚胺(PEI)修饰得到PEI-树脂,采用吸附法将酶固定于PEI-树脂上,并对固定化条件进行优化。考察固定化酶的重复使用稳定性及其催化合成低聚乳果糖的能力。【结果】通过筛选发现大孔阴离子交换树脂D311固定化效果较好,经过PEI修饰后,D311固定化效果显著提高。用PEI修饰的载体PEI-D311固定果糖苷酶,最优固定化条件为:PEI浓度2%,加酶量103 U/g,吸附温度25°C,吸附p H 6.0-8.0,吸附时间8 h。最优条件下固定化酶活达57 U/g,酶活回收率达55.3%。用固定化酶催化水解1 mol/L蔗糖,重复利用15批载体酶活没有明显降低。用固定化酶催化合成低聚乳果糖,8 h内低聚乳果糖产量最高达到137 g/L。【结论】PEI-D311固定的果糖苷酶具有较好的重复使用稳定性及较高的低聚乳果糖合成能力,这为固定化酶法生产低聚乳果糖研究奠定了基础。     

酶的固定化技术最新研究进展

酶是一种高效、绿色、应用广泛的生物催化剂,因其固定化形态在多种性质上均优于游离态,酶固定化技术应运而生并不断发展。我国固定化技术研究始于20世纪70年代,目前固定化酶在食品、医疗、能源、环境治理等领域得到了广泛的应用,但现有固定化技术仍存在适用范围小、成本较高等缺陷。因此,在较为成熟的传统固定化技术基础上,研究者们对新型固定化技术的研究与创新进行了大量尝试,形成了一批以固定化载体和固定化方式为核心的新型固定化技术。文中作者结合团队十余年对固定化技术的研究和理解,归纳介绍了新型酶固定化技术的发展方向和应用趋势,并阐述了对固定化技术未来发展的理解和建议。     

共固定化生物催化剂的制备及其应用

固定化酶和固定化细胞业已用于工业、化学分析、环境保护等领域。近年来建立的酶与微生物细胞(或二种微生物细胞)共固定化技术,进一步扩大了固定化生物催化剂的应用范围。本文就共固定化生物催化剂的制备方法及其在食品发酵工业中的应用作一概要介绍。     

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...     

固定化酶及其应用研究进展

酶作为一种生物催化剂 ,一经发现就被人们广泛应用在酿造、食品、医药等领域。由于酶可以在常温、常压等温和的反应条件下高效地催化反应 ,一些难以进行的化学反应在酶的催化下能顺利地完成。酶的开发利用在2 0世纪得到了巨大的发展 ,但由于酶一般必需在温和的条件下才有催化作用 ,在实际运用中也就带来了很多问题 ,从而限制了酶制剂产品的使用和开发 ,固定化酶就是在这种情况下产生的。1　固定化酶简介1916年 Nelson和 Griffin最先发现了酶的固定化现象后 ,科学家就开始了固定化酶的研究工作。 196 9年日本一家制药公司第 1次将固定化的酰…     

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。     

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%。     

疾病治疗及药物制备用酶的研究进展

生物技术的发展及对疾病机理的深入研究,使酶逐步应用于疾病治疗。与此同时,以酶作为催化剂制备非天然有机化合物具有反应条件温和、催化效率高、特异性高、选择性强、副反应少等优点。因而,酶也在药物制造方面展现了巨大潜力。此外,基因工程、酶化学修饰和固定化技术的应用进一步改善了酶的功能。基于此,文中结合本课题组的相关研究,综述了近年来酶作为药物用于疾病治疗及作为催化剂用于药物制造的研究进展,并对其存在的问题提出了相应的解决办法,最后对酶在医药领域的应用前景进行了展望。     

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。     

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化酶,且可经低速离心分离纯化,纯度可达90%以上,酶活回收率为61.1%,在30℃储存608 h后,依然能够保持活力,且比初始时活力略有增加。在重复使用10次以后,仍保持初始酶活力的50.0%。该微米级固定化酶可自发复溶,形成直径约为12 nm的可溶寡聚地衣多糖酶,其比活力是游离地衣多糖酶的12.48倍,催化效率则是后者的7.11倍,在50℃时,酶活性降低为初始值一半所需时间也延长了11.09倍。这表明铁蛋白有望成为一种全新的分离纯化目标酶并大幅提升其催化性能的标签。     

固定化糖苷酶在糖苷类化合物合成中的应用

糖苷类化合物在医药、食品、表面活性剂和化妆品等领域应用广泛,通过糖苷酶催化糖苷类化合物合成具有原料成本低、反应条件温和等优点。糖苷酶催化过程可分为逆水解反应和转糖苷反应两大类,但反应体系中的水会限制反应的进行,而适当降低体系中的水活度可以有效提高糖苷酶的催化效率。但游离的糖苷酶在低水活度时容易失活,限制了糖苷酶在低水环境下的应用。固定化酶技术通过载体和酶的相互结合能够有效提高酶结构的稳定性,使得糖苷酶能够在低水环境下甚至有机溶剂体系中保持酶活,从而实现糖苷酶在低水活度环境下的应用,提升糖苷合成效率。从糖苷酶催化性质出发,文中归纳了近30年来糖苷酶固定化的相关研究,其中包括单一或综合的固定化技术,以及近些年发展的结合基因工程的固定化技术,为糖苷酶的固定化及糖苷合成提供了可借鉴的思路和方法。     

脂肪酶催化制备生物柴油的研究进展

生物柴油作为一种可再生的清洁能源,以其良好的环境效应受到越来越多的关注。酶法生产生物柴油具有化学催化法不可比拟的优越性,是工业化生产的发展方向。本文综述了利用固定化脂肪酶、游离酶、全细胞生物催化剂制备生物柴油的研究与应用进展,并探讨了我国生物柴油产业化发展的困境和对策。     

腈类物降解菌多样性和产腈水合酶研究进展

腈水合酶催化反应在有机合成领域已有广泛的应用。作为一类重要的催化剂,腈水合酶可以将腈类物质转化为相应的酰胺。由于这种酶具有固有的立体和区域选择性,在精细化工领域已成为绿色、温和、对同分异构体具有选择性的催化剂。同时腈水合酶在生物修复和环境保护中也起着重要作用。综述了目前国内外腈水合酶的研究进展,包括降解腈类的微生物多样性、腈水合酶的催化特性、产腈水合酶菌株的改造以及腈水合酶相关基因的克隆与研究。对固定化酶和腈水合酶的应用也进行了叙述。