固定化酶载体研究进展

固定化酶技术的应用提高了酶的稳定性和重复使用性,为酶在工业上的大规模运用提供了条件,其中载体是固定化酶技术的关键环节之一,已成为固定化酶技术目前研究的热点。介绍了介孔材料、纳米材料、磁性材料、天然高分子材料在固定化酶领域的的优缺点、研究现状及其应用情况,综述了载体材料固定化酶研究过程中的分析表征手段,包括形貌分析、结构分析、元素分析、比表面积和孔径分析,并提出了固定化酶载体今后的研究方向,为固定化酶载体进一步的研究和合理利用提供参考。     

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。     

纤维素基固定化酶载体的研究进展

固定化酶是工业生物催化中广泛应用的一种生物催化剂形式。作为固定化酶最重要的一个组成部分,载体材料的种类、结构和性能都会对酶的固定化效果产生重要影响,是成功制备固定化酶的关键。近年来,纤维素因具有可再生、可降解和廉价等优良特性而成为一种备受关注的固定化酶载体材料。纤维素基载体可以通过吸附、交联、共价结合以及包埋等方式实现酶的固定化,从而提高酶的热稳定性、酸碱耐受性、贮藏稳定性及其重复使用性。纤维素独特的结构及其可修饰性赋予纤维素基载体许多新的功能,如果以此作为酶固定化载体时,能够使固定化效率或固定工艺有更多的变化。本文综述改性纤维素、纤维素膜、纤维素小球等载体在酶固定化领域的研究进展、催化机制及应用,为相关的研究者提供参考。     

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.     

金属有机框架材料固定化酶的研究进展

酶催化由于具有特异性强、催化效率高和环境友好等优点,已被广泛应用于多种化学和生物转化过程。传统的固定化酶技术可以扩大生物酶在工业生产中的应用范围,但通常存在载体负载效率低、催化活性低及酶的构象易改变等问题。近年来,具有高比表面积、高孔隙率、高稳定性和功能多样的金属有机框架材料(MOFs)作为新型的酶固定化材料引起了研究人员的广泛兴趣,因为固定后的酶@MOFs复合物比游离酶具有更好的催化性、稳定性、选择性及可回收性。为了对此新兴领域进行系统化梳理,本文从基于MOFs的酶固定化方法、影响酶固定化效果的主要因素、MOFs在酶固定化中的应用以及MOFs的毒性等方面对MOFs固定化酶领域的最新研究进展进行了综述,并分析了MOFs固定化酶领域现存的问题和与未来的发展前景。     

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。     

M.natoriense TNJL143-2菌的D-氨基酰化酶的固定化研究

D-氨基酰化酶可用于D-氨基酸的生产,本研究利用来源于Microbacterium natoriense TNJL143-2的D-氨基酰化酶,分别通过琼脂糖包埋、介孔二氧化硅MCM-41和SBA-15吸附,制备了三种固定化酶,并对三种固定化酶的固定化条件、酶学性质、活性保持时间、重复使用次数、米氏常数等参数进行了研究。结果表明,MCM-41载体固定化酶的蛋白固定率为91.6%,SBA-15载体固定化酶的蛋白固定率为88.0%,琼脂糖包埋法蛋白固定率为79.5%。MCM-41、SBA-15以及琼脂糖三种载体固定化酶最适反应pH均为7.0,最适反应温度范围均为37℃。在固定化酶的活性保持时间以及重复利用活性方面,SBA-15固定化酶同样优于其他两种固定化酶。以D型苯丙氨酸(D-Phe)为底物时,琼脂糖包埋固定化酶的Km为28.8 mol/L,SBA-15固定化酶的Km为25.9 mol/L,MCM-41固定化酶的Km为25.0 mol/L。同时本文还探索了三种固定化酶的pH使用范围及酸碱稳定性、温度使用范围及热稳定性,结果显示,SBA-15作为固定化载体均表现出较广的适用范围及较高的稳定性。在不同条件的反应体系中,SBA-15固定化酶的蛋白损失率始终小于其他两种固定化酶。     

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。     

陶瓷载体固定化酵母发酵动力学研究

固定化细胞和固定化酶一样,作为固液两相的非均相催化反应系统,其反应速度无疑受到内外扩散的影响。世界各国的化学工程学者在固定化酶反应动力学方面研究得较多,固定化细胞反应动力学研究虽有些报道,但主要集中在以海藻酸钙为载体的固定化系统,且载体形状为球形颗粒。对于其他材料的不同形状颗粒载体的固定化细胞动力学研究报道较少。陶瓷作为固定化细胞载体是我们研究的一种固定化细胞的新型载体,在机械强度,孔径大小,细胞与之结合牢固度及其稳定活性,再生性能方面有其特有的优越性^[10]。为了给在生产实践中使用这种新型载体提供理论依据,本文采用球型陶瓷和拉西环陶瓷为载体固定化酵母,对它们的发酵动力学进行了比较研究。     

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。     

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。     

胰蛋白酶的固定化及其性质研究

 以自制的脱乙酰壳多糖作载体,戊二醛为交联剂,对胰蛋白酶的固定化条件及其固定化酶的性质进行了研究。考查了交联剂的用量、pH值、以及载体与酶的比例等因素对胰蛋白酶固定化的影响。在所选择的固定化条件下,固定化酶的活性回收可达50％以上。同时研究了固定化胰蛋白酶的一些性质;最适温度60℃,最适PH8.0,Km值比可溶性酶升高,热稳定性、pH贮存稳定性以及在乙醇水溶液中的稳定性明显高于可溶性胰蛋白酶。在柱式反应器内,以2％酪蛋白为底物对,操作半衰期为40天。     

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。     

固定化生物催化剂的研究动向

近年来,国内外对于固定化酶、固定化细胞、固定化细胞器以及生物传感器的研究很活跃,在固定化方法上取得了较大进展,一部分固定化酶、固定化微生物细胞以及生物传感器在食品发酵工业、有机合成工业、化学分析、临床诊断以及能源开发等方面得到了应用。目前,大多数固定化酶、固定化细胞以及生物传感器还处在实验室研究阶段或中试阶段,有待改进;动物细胞、植物细胞以及细胞器的固定化研究还处于探索阶段、有待深入。     

共价结合法固定化酶活性载体的研究进展

共价结合法已经成为酶固定化的最主要的方法之一,载体在酶固定化技术中发挥着关键作用。论文对近年来国内外共价结合法固定化酶活性载体的研究发展状况进行了综述,包括含有酰基叠氮、酸酐、卤素、乙酰基、聚碳酸酯、苯酚的聚合物的研究与应用。认为开发新型改性复合载体将成为今后研究的重点。     

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。     

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。     

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。