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固定化酶
鎖定
- 中文名
- 固定化酶
- 外文名
- immobilized enzyme
- è傳質
- 有限制
- è動力學性質
- 發生變化
- 額外成本
- è固定化增加
固定化酶簡介
酶固定化後一般穩定性增加,易從反應系統中分離,且易於控制,能反覆多次使用。便於運輸和貯存,有利於自動化生產,但是活性降低,使用範圍減小,技術還有發展空間。固定化酶是近十餘年發展起來的酶應用技術,在工業生產、化學分析和醫藥等方面有誘人的應用前景。
固定化酶發展歷史
固定化酶的研究始於1910年,正式研究於20世紀60年代,70年代已在全世界普遍開展。酶的固定化(Immobilization of enzymes)是用固體材料將酶束縛或限制於一定區域內,仍能進行其特有的催化反應、並可回收及重複利用的一類技術。與遊離酶相比,固定化酶在保持其高效專一及温和的酶催化反應特性的同時,又克服了遊離酶的不足之處,呈現貯存穩定性高、分離回收容易、可多次重複使用、操作連續可控、工藝簡便等一系列優點。固定化酶不僅在化學、生物學及生物工程、醫學及生命科學等學科領域的研究異常活躍,得到迅速發展和廣泛的應用,而且因為具有節省資源與能源、減少或防治污染的生態環境效應而符合可持續發展的戰略要求。
固定化酶性狀
固定化酶的形式多樣,依不同用途有顆粒、線條、薄膜和酶管等形狀。其中顆粒佔絕大多數,它和線條這兩種形式主要用於工業發酵生產,如裝成酶柱用於連續生產,或在反應器中進行批式攪拌反應;薄膜主要用於酶電極,應用於分析化學中;酶管機械強度較大,宜用於工業生產
[2]
。
固定化酶固定化酶與水溶性酶相比的優缺點
優點:①固定化酶可重複使用,使酶的使用效率提高、使用成本降低。
②固定化酶極易與反應體系分離,簡化了提純工藝,而且產品收率高、質量好。
③在多數情況下,酶經固定化後穩定性得到提高。
④固定化酶的催化反應過程更易控制。
⑤固定化酶具有一定的機械強度,可以用攪拌或裝柱的方式作用於底物溶液,便於酶催化反應的連續化和自動化操作。
⑥固定化酶與遊離酶相比更適於多酶體系的使用,不僅可利用多酶體系中的協同效應使酶催化反應速率大大提高,而且還可以控制反應按一定順序進行。
缺點:①固定化可能造成酶的部分失活,酶活力有損失。
②酶催化微環境的改變可能導致其反應動力學發生變化。
③固定化酶的使用成本增加,使工廠的初始投資增大、
④固定化酶一般只適用於水溶性的小分子底物,對於大分子底物不適宜。
⑤與完整菌體細胞相比,固定化酶不適宜於多酶反應,特別是需要輔助因子參加的反應。
固定化酶製備方法
固定化酶分類
其中吸附法和共價鍵法又可統稱為載體結合法。
固定化酶具體方法
吸附法
採用吸附法固定酶,其操作簡便、條件温和,不會引起酶變性或失活,且載體廉價易得,可反覆使用。
載體結合法
最常用的是共價結合法,即酶蛋白的非必需基團通過共價鍵和載體形成不可逆的連接。在温和的條件下能偶聯的蛋白質基團包括:氨基、羧基、半胱氨酸的巰基、組氨酸的咪唑基、酪氨酸的酚基、絲氨酸和蘇氨酸的羥基。參加和載體共價結合的基團,不能是酶表現活力所必需的基團。以中國首先採用的雙功能團試劑“對位-β-硫酸酯乙碸基苯胺”偶聯載體和酶為例,載體結合的步驟如下頁反應式。
酶被裹在凝膠的細格子中或被半透性的聚合物膜包圍而成為格子型和微膠囊型兩種。包埋法制備固定化酶除包埋水溶性酶外還常包埋細胞,製成固定化細胞,例如可用明膠及戊二醛包埋具有青黴素酰化酶活力的菌體,可連續水解帤基青黴素,工業生產6-氨基青黴烷酸。
特點 | 吸附 | 共價鏈接 | 包埋 | 膜限制 |
製備 | 簡單 | 難 | 難 | 簡單 |
費用 | 低 | 高 | 中等 | 高 |
結合力 | 易變 | 強 | 弱 | 強 |
損失 | 有 | 無 | 有 | 無 |
適用性 | 廣 | 有選擇性 | 廣 | 非常廣 |
運轉問題 | 高 | 低 | 高 | 高 |
基質效應 | 有 | 有 | 有 | 無 |
溶解度 | 無 | 無 | 有 | 有 |
抗微生物特性 | 無 | 無 | 有 | 有 |
固定化酶應用領域
固定化酶的形式多樣,可製成機械性能好的顆粒裝成酶柱用於連續生產;或在反應器中進行批式攪拌反應;也可製成酶膜、酶管等應用於分析化學;又可製成微膠囊酶,作為治療酶應用於臨牀。現在又有人用酶膜(包括細胞、組織、微生物製成的膜)與電、光、熱等敏感的元件組成一種裝置稱生物傳感器,用於測定有機化合物和發酵自動控制中信息的傳遞及環境保護中有害物質的檢測。最常用的是酶膜與離子選擇電極組成的生物傳感器,例如脲傳感器是由固定化脲酶、固定化硝化菌及氧電極組成,脲經脲酶分解成氨及二氧化碳,氨又繼續被硝化菌氧化,總耗氧量則通過氧電極反映出電流的變化,用以計算脲的含量。
優點:1n便於從反應體系中分離 è從而易於控制反應時間,減少酶失活
2 n可反覆使用 è降低用酶成本
3n提高酶穩定性 n
缺點
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