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第四章 酶的固定化 酶应用过程中的一些不足 酶的稳定性较差:除了某些耐高温的酶,如α-淀粉酶等;和胃蛋白酶等可以耐受较低的pH条件以外,大多数的酶在高温、强酸、强碱和重金属离子等外界因素影响下,都容易变性失活。 酶的一次性使用:酶一般都是在溶液中与底物反应,这样酶在反应系统中,与底物和产物混在一起,反应结束后,即使酶仍有很高的活力,也难于回收利用。这种一次性使用酶的方式,不仅使生产成本提高,而且难于连续化生产。 产物的分离纯化较困难:酶反应后成为杂质与产物混在一起,无疑给产物的进一步的分离纯化带来一定的困难。 一、固定化酶的概念 固定化酶是指固定在一定载体上并在一定的空间范围内进行催化反应的酶。 固定化酶与游离酶相比,具有下列优点: 1.极易将固定化酶与底物、产物分开; 2.可以在较长时间内进行反复分批反应和装柱连续反应; 3.在大多数情况下,能够提高酶的稳定性; 4.酶反应过程能够加以严格控制; 5.产物溶液中没有酶的残留,简化了提纯工艺; 6.较游离酶更适合于多酶反应; 7.可以增加产物的收率,提高产物的质量; 8.酶的使用效率提高,成本降低。 缺点: 1.由于多一步固定化操作,存在酶固定化过程中的活性收率损失; 2.多了固定化载体成本费用及固定化操作费用,并且固定化酶颗粒的扩散阻力作用会使酶的反应速率下降; 3.比较适用于水溶性的底物和小分子底物。 二、固定化酶的研究历史 固定化酶的研究从50年代开始,1953年德国的 Grubhofer和Schleith采用聚氨基苯乙烯树脂为载体与羧肽酶、淀粉酶、胃蛋白酶、核糖核酸酶等结合,制成固定化酶。 60年代后期,固定化技术迅速发展起来。1969年,日本的千烟一郎首次在工业上生产应用固定化氨基酰化酶从DL-氨基酸连续生产L-氨基酸,实现了酶应用史上的一大变革。 在1971年召开的第一次国际酶工程学术会议上,确定固定化酶的统一英文名称为Immobilized enzyme。 随着固定化技术的发展,出现固定化菌体 。1973年,日本首次在工业上应用固定化大肠杆菌菌体中的天门冬氨酸酶,由反丁烯二酸连续生产L-天门冬氨酸。 在固定化酶和固定化菌体的基础上,70年代后期出现了固定化细胞技术。 1976年,法国首次用固定化酵母细胞生产啤酒和酒精,1978年日本用固定化枯草杆菌生产淀粉酶,开始了用固定化细胞生产酶的先例。 1982年,日本首次研究用固定化原生质体生产谷氨酸,取得进展。固定化原生质体由于解除了细胞壁的障碍,更有利于胞内物质的分泌,这为胞内酶生产技术路线的变革提供了新的方向。 活性中心:保护酶的催化作用,并使酶的活性中心的氨基酸基团固有的高级结构不受到损害,在制备固定化酶时,需要在非常严密的条件下进行。 功能基团:如游离的氨基、羧基、半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基、酪氨酸的酚基、丝氨酸和苏氨酸的羟基等,当这些功能基团位于酶的活性中心时,要求不参与酶的固定化结合。 酶的高级结构:要避免用高温、强酸、强碱等处理,而且有机溶剂、高浓度的盐也会使酶变性、失活,因此,操作应尽量在非常温和的条件下进行。 2)、制备固定化酶遵循基本原则: (1)必须注意维持酶的催化活性及专一性。 (2)固定化应该有利于生产自动化、连续化。(3)固定化酶应有最小的空间位阻,尽可能不妨碍酶与底物的接近,以提高产品的产量。 (4)酶与载体必须结合牢固,从而使固定化酶能回收贮藏,利于重复使用。 (5)固定化酶应有最大的稳定性,所选载体不与废物、产物或反应液发生化学反应。 (6)固定化酶成本要低,以利于工业使用。 四、酶的固定化方法 酶的固定化方法很多,但对任何酶都适用的方法是没有的。酶的固定化方法通常按照用于结合的化学反应的类型进行分类,大体可概括为四种类型: 1.吸附法; 2.结合法; 3.交联法; 4.包埋法 利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面上,而使酶固定化的方法称为物理吸附法。 吸附法 常用的固体吸附剂:活性炭、氧化铝、硅藻土、羟基磷灰石等。 优点:操作简便,条件温和,不引起酶失活,载体廉价,而且可反复使用。 缺点:结合力弱,易解吸附由于靠物理吸附作用,结合力较弱,酶与载体结合不牢固而容易脱落,所以使用受到一定的限制。 吸附法 吸附法固定化酶举例 2.结合法 选择适宜的载体,使之通过共价键或离子键与酶结合在一起的固定化方法称为结合法。 根据酶与载体结合的化学键不同,可分为共价结合法和离子结合法。 共价键结合法 共价键结合法 共价键结合法 共价键结合法 离子键结合法 3.交联法 借助双功能试剂使酶分子间发生交联作用,制成网状结构的固定化酶的方法称为交联法。 常用的双功能试剂有:戊二醛、
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