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。     

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。     

固定化尿苷-胞苷激酶和聚磷酸激酶偶联催化制备5′-胞苷酸

尿苷-胞苷激酶作为生物体核苷酸代谢补偿途径中的重要催化剂，可以催化胞苷的磷酸化反应合成5′-胞苷酸 (简称胞苷酸)，但需要NTP作为磷酸供体。为了提高胞苷酸的生产效率，文中首先使用大肠杆菌分别异源表达来源于嗜热栖热菌Thermus thermophiles HB8的尿苷-胞苷激酶和来源于类球红细菌Rhodobacter sphaeroides的聚磷酸激酶，其中尿苷-胞苷激酶用于催化胞苷和ATP形成胞苷酸，聚磷酸激酶则用于ATP的循环再生。然后，使用D403金属螯合树脂吸附Ni2+形成固定化载体，再利用固定化载体特异性吸附重组酶形成固定化酶。最后，单因素优化实验确定固定化酶的催化反应条件，在30 ℃、pH 8.0的条件下，以60 mmol/L胞苷和0.5 mmol/L ATP为底物，可实现5批次的高效连续催化反应，胞苷酸平均摩尔得率达到91.2%。上述制备方法反应成本低，产物得率高，酶利用率高，在工业生产中具有较好的应用潜力。     

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。     

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。     

非水相体系酶催化反应研究进展

非水相酶催化反应是酶催化反应中的一个重要方面。非水相溶剂通常可增加底物溶解度,减少水相中的副反应,加快生物催化的速率和效率,在药物及药物中间体和食品等方面具有较大的应用价值。以下探讨了非水相体系对酶活力及酶促反应速率的影响因素,并阐述酶的化学修饰、固定化及定点突变对酶活力的影响,进一步分析无溶剂系统、反胶束、超临界流体及离子液体的不同溶剂体系对酶反应速率及催化效率的影响。此外,还列举一些非水相酶催化反应的应用实例。     

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.     

磁性纳米材料载体固定纤维素酶技术研究进展

生物质原料转化为还原性糖,从而为生物质燃料乙醇的生产提供基础原料。针对现在游离酶生产工艺中的不足,研究者提出了纤维素酶固定化技术,其中以磁性纳米材料作为纤维素酶的固定化载体,不仅可提高纤维素酶的催化性能,增强酶的稳定性,而且以外加磁场代替传统的机械搅拌方式可充分发挥载体材料的磁响应性,从而使制备的固定化酶从反应体系中易于分离,高效且具有重复性。研究者们提出了很多优秀的纤维素酶固定化方案,综述了近年来磁性纳米材料固定纤维素酶的不同方法,并对其做了较为详细的阐述,在此基础上进一步对其优缺点和发展前景进行了讨论。     

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。     

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体系的应用案例,探讨了其未来发展和应用前景,以期为后续的研究提供参考和指导。     

基于金属有机框架的固定化酰胺酶制备及催化合成(S)-4-氟苯甘氨酸

以微水溶剂热法快速制备的稳定锆基金属有机框架为载体,戊二醛为交联剂,采用交联法对酰胺酶进行固定化,考察了不同条件对酰胺酶固定化效率的影响。结果表明,戊二醛浓度为1.0%、交联时间为180 min、载体与酶的质量比为8︰1,固定化效率最佳,固定化酶活力回收率达86.4%,蛋白负载量达115.3 mg/g。固定化酶最适温度为40 ℃,最适pH值为9.0,在40 ℃下半衰期为72.2 d,该固定化酶的Km为58.32 mmol/L,Vmax为16.23 μmol/(min·mg),kcat为1 670 s–1。此外,考察了固定化酶催化合成 (S)-4-氟苯甘氨酸的工艺：最适底物浓度300 mmol/L,固定化酶用量10 g/L,反应时间180 min,在最佳反应条件下转化率达49.9%,对映体过量 (Enantiomeric excess,e.e.) 为99.9%。进一步考察了该固定化酶分批催化反应性能,重复使用20批次后,固定化酶活力仍保留95.8%。     

静置的固定化荧光假单胞菌脂肪酶(PFL)生物反应器中催化合成乙酸香茅酯

为提高脂肪酶催化合成乙酸香茅酯的效率,优化催化条件,通过物理吸附,将脂肪酶Pseudomonas fluorescens lipase(PFL)固定在脱脂棉上,与柱形瓶或滴定管形成简易的生物反应器,并用于催化香茅醇与乙酸乙烯酯反应,合成乙酸香茅酯。结果发现,即使在静置条件下,在脱脂棉固定化PFL瓶型生物反应器中,在37℃催化反应24 h,香茅醇转化成乙酸香茅酯的转化率达96%以上。同样在静置条件下,在脱脂棉固定化PFL管式生物反应器中,在室温下催化反应4 h,香茅醇转化成乙酸香茅酯的转化率达68.5%。显然,制备的固定化酶反应器具有高效的催化作用。     

功能基化聚丙烯酸甲脂固定化氨基酰化酶的研究

以功能基化聚丙烯酸甲酯为载体制备固定化氨基酰化酶时,载体制备时的交联度,致孔剂用量和混合致孔剂比例均会影峋酶的固定化效率。结果表明25％交联度和loo％致孔剂用量制备的载体最佳。用此载体固定化氨基酰化酶可提高酶对高底物浓度、离子强度、温度、pH、有机溶剂和蛋白质变性剂的耐受能力。用固定化酶柱式反应器连续拆分N－乙酰基－DL－苯丙氨酸,使用一个月仍可保留90％的酶活力。     

基于膨润土的层柱黏土固定β-葡萄糖醛酸苷酶的研究

以膨润土制备的层柱黏土为载体,考察给酶量、固定化pH、温度和时间对固定化β-葡萄糖醛酸苷酶活性的影响,并对其操作稳定性进行研究。结果表明：给酶量为2700U／g,最适pH为3．6,固定化温度40℃,固定化60min条件下固定化酶催化活性较高;酶经固定化后其热稳定性及储存稳定性显著提高。     

多孔醋酸纤维素球形载体固定化糖化酶的研究

报道了一种多孔醋酸纤维素球形固定化酶载体的制备技术,以NaIO₄氧化法活化,固定糖化酶,测定了固定化糖化酶的催化反应特性,并与游离酶作了比较.固定化酶在55℃下水解10批淀粉溶液,总反应时间超过24 h,活力无显著变化.     

仿生法制备氧化硅载体固定化苏氨酸脱氨酶及其酶学性质

通过共沉淀法制备无机氧化硅载体,然后将其应用到苏氨酸脱氨酶的固定化研究中。用扫描电子显微镜对氧化硅载体进行表征,优化了固定化条件,当n(Si):n(N)为1∶1、偏硅酸浓度为0.03 mol/L、酶添加量为0.16mg/m L时,固定化的效率最高。接着对固定化酶和游离酶的酶学性质进行了考察,结果发现:固定化酶和游离酶的最适pH都是9.0,最适温度都是45℃,而相对于游离酶,固定化酶在pH 9.0~10.0和温度35~50℃范围内稳定性更好。固定化酶的米氏常数为7.48 mmol/L,重复使用15次后,酶活力保持80%以上。说明仿生氧化硅制备的固定化苏氨酸脱氨酶具有酶活回收率高、力学强度高和操作稳定性好等优势。     

固定化脂肪酶催化制备L-薄荷醇

用大孔树脂NKA固定高选择性的脂肪酶,催化有机相中转酯化反应,从而拆分八异构体消旋薄荷醇来制备L-薄荷醇。研究pH、载体与酶比例对固定化酶制备的影响及固定化酶的反应稳定性;考察温度、转酯化过程醇酯比例、及底物醇异构组成变化对拆分效果的影响。结果表明:固定化酶的最适pH为8,载体与酶的比例为5∶1时,所得固定化酶的反应稳定性比游离酶的反应稳定性提高了约50%;转酯化反应的最优温度为40℃,醇酯比例为1.5∶1时最佳,改进八异构体消旋薄荷醇组分比例后,非对映体选择率dep达到了95.1%。     

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。     

尿苷二磷酸糖固定化酶合成法研究

利用生物酶进行体外催化反应合成不同种类的尿苷二磷酸糖（uridine diphosphate sugar,UDP-糖）,生物酶的重复利用率较低。为提高尿苷二磷酸糖的合成效率及增加产物种类,以镍螯合聚丙烯酸酯树脂为载体,对带有HIS标签的N-乙酰己糖胺激酶（N-acetylhexosamine kinase,NahK）和尿苷转移酶（uridine transferase,GlmU）进行固定化。以固定化NahK和固定化GlmU为催化酶,不同单糖作为底物,研究尿苷二磷酸糖的一锅法合成情况。利用Q柱对产物进行纯化,通过高效液相色谱法、质谱法、核磁共振氢谱法对反应产物进行检测。确定了镍螯合聚丙烯酸酯树脂对游离NahK和GlmU的实际载量分别为10和20 mg·g^-1。固定化酶量的最优配比为5.5 g固定化NahK和2.5 g固定化GlmU。固定化酶的最适pH和温度分别为8.0和35℃,且能在重复反应中稳定反应5个批次。葡萄糖、N-乙酰氨基葡萄糖和甘露糖可以参与一锅法反应,生成UDP-糖的相对分子质量分别为566、607、566,而葡萄糖醛酸、半乳糖和果糖在该体系下不能合成相应的UDP-糖。基于固定化酶技术,一锅法可合成UDP-葡萄糖、UDP-N-乙酰氨基葡萄糖、UDP-甘露糖。     

化学修饰的和固定化的脂肪酶在有机溶剂中的催化作用研究

本文对聚乙二醇修饰脂肪酶、多孔玻璃载体吸附酶、多孔玻璃载体丙酮沉积酶、硅藻土吸附酶、氧化铝吸附酶和琼脂珠疏水载体吸附酶在有机相中酯合成和酯交换反应的催化作用进行了研究。实验表明,不同形式的酶需要不同的最适加水量。而且,在各自最适条件下,对各种形式酶进行了比较,得出硅藻土和琼脂珠疏水载体是很好的固定化载体,疏水性琼脂珠固定化酶在有机相中的活力比酶粉高46.5％。