固定化酶技术及应用的研究进展
酶的固定化
3.扩散限制效应
酶固定化使生物催化反应从均相转化为多相，于是产 生了扩散阻力：
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外扩散阻力是底物从宏观环境向酶颗粒表面传递过
程中的一种扩散限制效应，发生在固定化颗粒周围的液膜
层。它会使底物在固相酶周围形成浓度梯度，通过增加搅 拌速度和底物流速的方法可以减少外扩散效应。
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内扩散阻力是指底物分子达到固相酶表面后传递到
缺点：
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固定化时，酶活力有损失； 增加了生产的成本，工厂初始投资大； 只能用于可溶性底物，而且较适用于小分子底物， 与完整的菌体相比不适于多酶反应，特别是需要辅 胞内酶必须经过酶的分离手续。
对大分子底物不适宜；
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助因子的反应；
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三、影响固定化酶性质的因素
分配效应 空间障碍效应 扩散抑制效应
在具体选择时，一般应遵循以下几个原则：
（1）必须注意维持酶的构象, 特别是活性中心的构象。
（2）酶与载体必须有一定的结合程度。
（3）固定化应有利于自动化、机械化操作。 （4）固定化酶应有最小的空间位阻。 （5）固定化酶应有最大的稳定性。 （6）固定化酶的成本适中。
1.吸附法
吸附法（Adsorption） 是通过载体表面和酶分子 表面间的次级键相互作用 而达到固定目的，是固定 化中最简单的方法。只需 将酶液与具有活泼表面的 吸附剂接触，再经洗涤除 去未吸附的酶便能制得固 定化酶。
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1.分配效应
由于载体和底物的性质 差异引起了微环境和宏观 环境之间的性质不同。微 环境是在固定化酶附近的 局部环境，而将主体溶液 称为宏观环境。由这种不 同造成的底物、产物和各 种效应物在两个环境之间 的不同分配，被称为分配 效应。
2.空间障碍效应
固定化脂肪酶的研究进展
固定化脂肪酶的研究进展摘要固定化脂肪酶是一种重要的酶类生物催化剂，因其具有高效、高选择性、环保等优势而备受关注。
本文将对固定化脂肪酶的研究进展进行综述，主要包括固定化技术、载体种类、酶固定化方法、应用领域等方面，旨在为深入研究和开发固定化脂肪酶提供参考。
引言脂肪酶（Lipase）是一种重要的酶类生物催化剂，广泛应用于食品加工、制药、化工等领域。
传统的脂肪酶生产方式多为分离和提纯天然来源的酶，其成本高、效率低、质量难以稳定。
为了克服这些缺陷，人们通过基因工程技术获得了大量高度纯化的重组脂肪酶，这些酶具有更高的活性、热稳定性和抗丝氨酸等性质，但其应用领域仍然受到限制。
与传统的脂肪酶生产方式相比，固定化脂肪酶因具有高效、高选择性、易回收等优势而受到广泛关注。
本文将从固定化技术、载体种类、酶固定化方法、应用领域等方面对固定化脂肪酶的研究进展进行综述。
固定化技术固定化技术是将酶固定在载体上，形成固定化酶，以提高其催化效率和稳定性的一种生物技术。
固定化脂肪酶通过固定化技术制备而成，其固定化技术主要有物理吸附、交联固定、共价固定、包埋固定、磁性固定等多种方法。
这些方法的选择取决于酶的性质和产物特性以及应用需求等因素。
载体种类载体是将酶固定化在其表面的材料，其种类主要有聚合物、无机材料、金属有机框架（MOFs）、磁性材料等。
聚合物是最常用的载体材料之一，主要包括聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚酰胺等。
无机材料则包括硅胶、陶瓷、玻璃等，其中硅胶是最常用的载体材料之一。
MOFs是一种新型的多孔有机-无机化合物，可以提供大量的活性位点和大表面积，因此受到研究者的关注。
磁性材料通常是由铁磁性物质和非磁性材料组成的，其具有磁性和化学稳定性，因此可以在固体和液体之间实现快速分离。
酶固定化方法1.物理吸附法物理吸附法是将酶直接吸附在载体表面，主要依靠静电作用力和范德华力等物理力作用固定酶，其优点是操作简便、成本低廉，缺点是载体表面吸附作用力比较弱，酶结合不稳定。
固定化酶的研究进展和应用前景
固定化酶的研究进展和应用前景固定化酶是指将酶固定在固体载体上，并保持其生物活性的一种技术。
它有许多优点，如可重复使用、稳定性高、易于回收等，因此成为了生物技术领域一种非常有前途的研究方向。
一、固定化酶的发展历程固定化酶的概念最早可以追溯到20世纪50年代。
第一种固定化酶的载体是硅胶，随后又发展了许多种载体，如凝胶、海藻酸盐、纳米材料、磁性颗粒等。
随着技术的进步，目前已有各种方法来制备纳米载体和比之前更优异的凝胶载体。
同时，各种固定化酶的制备方法也在不断改进，包括共价结合、吸附、交联、包埋等。
二、固定化酶的应用固定化酶的应用范围非常广泛，包括生物催化、食品工业、医药工业、制药工业等。
其中，固定化酶在食品工业中的应用最为广泛。
如生产葡萄糖、果汁、醋等。
固定化酶也可以用于制药工业中的药品合成。
此外，还可以在纳米技术、环境保护、制垃圾处理等领域中找到应用。
三、固定化酶的优势1. 重复使用：固定化酶具有可重复使用的优势，节省了时间和成本，具有广泛应用前景。
2. 稳定性：与游离酶相比，固定化酶具有较高的稳定性和耐受性，并可在极端环境中保持其生物活性。
3. 易于回收：固定化酶可以设计成可在固定化酶中回收，增加了其经济价值。
四、固定化酶仍需解决的问题尽管固定化酶在许多领域中具有潜力，但仍存在一些问题。
1. 优化载体：优化载体并不是一件容易的事情，其选择需要结合具体的酶种和应用需求，存在一定的技术难度。
2. 降低成本：目前固定化酶的生产成本仍比较高，限制了其在一些领域中的推广。
3. 稳定性问题：目前许多固定化酶在长时间的储存或使用过程中还会出现酶失活的情况，这需要更好的研究与解决。
综合而言，固定化酶的广泛应用前景与其固有的优势是显而易见的。
在未来，我们需要持续关注固定化酶领域的研究与发展，加快技术优化和成本降低，更好地服务于人类的需求。
固定化酶技术在生物催化中的应用
固定化酶技术在生物催化中的应用随着环保意识的不断增强，生物催化技术越来越受到人们的重视。
而在生物催化过程中，酶的作用不可或缺。
酶是一种催化剂，可以加速化学反应的速度，降低反应的能量，从而使化学反应更加高效地进行。
固定化酶技术是将酶固定在载体上，以提高酶的稳定性和反应速度。
本文将详细介绍固定化酶技术在生物催化中的应用。
一、固定化酶技术的原理及分类固定化酶技术是将酶固定在载体上，形成固定化酶。
固定化酶与游离酶相比，具有以下优点：1.稳定性好。
固定化酶固定在载体上，稳定性比游离酶高，可以重复使用。
2.反应效率高。
固定化酶可以提高反应速率和催化活性。
3.选择性强。
固定化酶可以控制化学反应的速率和选择性。
固定化酶技术按固定载体的性质可以分为物理固定和化学固定。
物理固定主要采用吸附法、共价键交联法和包埋法等方法将酶固定在载体上。
化学固定则采用交联剂将酶与载体交联。
二、固定化酶技术在生物催化中的应用固定化酶技术广泛应用于生物催化领域。
以下分别从制药、饲料、酿酒和食品生产中介绍固定化酶技术的应用。
1.制药固定化酶技术可以应用于制药过程中。
在药物合成中，固定化酶可以成为催化剂，促进药品合成反应的进行。
同时，固定化酶还可以在药品生产的过程中帮助提高药品的纯度和产率。
2.饲料固定化酶技术可以应用于饲料生产中。
在畜禽养殖中，添加一定量的酶制剂可以帮助加速饲料的消化和吸收，从而提高饲料的利用率，降低饲料成本，提高畜禽的生产力。
3.酿酒固定化酶技术还可以应用于酒类生产中。
在啤酒和葡萄酒生产中，添加适量的酶制剂可以加速麦芽和葡萄汁的转化，从而提高发酵速度和酒的品质。
4.食品生产固定化酶技术也广泛应用于食品生产中。
例如，将食品中的淀粉转化为糖，可以提高食品口感和甜度。
固定化酶技术可以帮助提高酶的催化活性和稳定性，从而提高食品生产的效率和品质。
三、固定化酶技术未来的发展趋势随着科技的不断发展，固定化酶技术也将面临新的挑战和机遇。
近十年金属有机化合物固定化酶研究进展及展望
近十年金属有机化合物固定化酶研究进展及展望摘要：金属有机骨架材料(MOFs)凭借其较高的比表面积和孔体积、可设计和调控的孔径及结构,以及化学和热稳定性等特点,克服了传统固定化酶载体的孔径尺寸不可控、制备成本高、酶浸出、产物稳定性差等不足,近年来成为一类新型酶固定化载体。
首先,本文分类总结了MOFs固定化酶的特点和近几年发展进展。
文章最后展望了MOFs固定化酶未来发展前景，关键字：金属有机骨架材料，生物酶，固定化，研究进展，应用现状金属有机骨架材料（Metal Organic Frameworks，MOFs）凭借自身独特的性质如特定的主-客体相互作用及限域效应，极大提高了酶的负载率以及限制酶分子的流失，甚至极端环境下仍能维持酶的活性，近年来成为固定化酶载体的研究热点。
不同于传统载体，MOFs材料是由有机配体和金属离子在溶液中发生自组装而形成的一类具有周期性孔结构的结晶杂化材料。
由于其物理和化学性质的独特性，加上其化学和结构灵活多样的可调配性，使得MOFs材料在生物酶的固定领域具有巨大的应用价值[1, 2]。
1.MOFs固定化酶的方法常见MOFs固定酶的方法主要包括以下4种，即表面吸附、共价结合、孔道包埋和原位合成，见表1。
其中，表面吸附的温和操作条件使其成为保持酶构象和活性的理想选择；酶表面上丰富的氨基与MOFs的羧酸基团以共价偶联结合生成肽键则可以防止酶从MOFs中浸出；酶进入介孔MOFs的孔道或空腔完成包埋可以实现高酶负荷和低酶浸出；原位合成的优势在于克服了酶尺寸限制对固定在MOFs上的应用，并且即使在恶劣条件下也能表现出色的稳定性。
表1 利用MOFs载体固定酶的4种主要合成策略及其比较方法方法优势劣势原位合成制备条件温和，酶活性不受影响；快速合成条件限于水溶液；MOFs种类较少表面吸附操作简单；绿色化学酶与载体作用力弱，易流失；耗时；强静电相互作用可能影响蛋白质构象，从而导致酶活性下降共价键法酶与载体之间作用力强操作复杂；化学试剂引入可能对酶活性有影响孔道包埋酶负载率高且不易流失对MOFs孔径（大多限于介孔）、酶尺寸、形状都有要求1.MOFs固定化酶的特点MOFs用于酶的固定化具有4个显著的特点，即可重复使用性、高选择性和催化活性、高稳定性和水耐受性。
酶固定化技术的最新研究进展
西安工程大学学报J o u r n a l o f X i a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y第38卷第1期(总185期)2024年2月V o l .38,N o .1(S u m.N o .185)引文格式:潘虹,陆天炆,王晓军,等.酶固定化技术的最新研究进展[J ].西安工程大学学报,2024,38(1):83-91.P A N H o n g ,L U T i a n w e n ,WA N G X i a o j u n ,e t a l .R e c e n t a d v a n c e s i n e n z y m e i mm o b i l i z a t i o n t e c h n o l o g y [J ].J o u r n a l o f X i a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y,2024,38(1):83-91. 收稿日期:2023-08-06 修回日期:2023-10-21基金项目:陕西省自然科学基础研究计划项目(2021J Q -672㊁2022J Q -117);陕西省教育厅专项科研计划项目(22J K 0399) 通信作者:潘虹(1988 ),女,讲师,博士,研究方向为固定化酶和多孔水凝胶㊂E -m a i l :441595837@q q.c o m 酶固定化技术的最新研究进展潘 虹,陆天炆,王晓军,洪一楠(西安工程大学环境与化学工程学院,陕西西安710048)摘要 酶作为一种催化性能好且安全可靠的生物催化剂,在食品㊁医药及环境治理等诸多领域得到了广泛应用,但因受限于游离酶较差的环境稳定性而难以实现进一步的工业化应用㊂酶固定化技术有助于提高游离酶对敏感环境的耐受性和操作过程中的稳定性,大大缩减了应用成本㊂回顾了近五年内固定化技术的发展及现状,总结了吸附法㊁结合法等传统固定化方法,共固定化酶法等新型固定化方法,以及天然材料载体㊁复合材料载体和纳米载体等不同固定化载体在各个领域的研究进展㊂相比于游离酶,固定化酶体系在稳定性和重复使用性等方面得到了显著提升,但同时也存在一些不足,如固定后的活性回收率降低㊁载体合成途径繁琐且成本较高以及固定化酶作用机理尚不完善等㊂结合这些不足之处提出了酶固定化技术在未来的发展方向㊂关键词 酶固定化;固定化载体;固定化方法;纳米载体;共固定开放科学(资源服务)标识码(O S I D )中图分类号:Q 814.2 文献标志码:AD O I :10.13338/j .i s s n .1674-649x .2024.01.011R e c e n t a d v a n c e s i n e n z y m e i m m o b i l i z a t i o n t e c h n o l o g yP A N H o n g ,L U T i a n w e n ,WA N G X i a o ju n ,H O N G Y i n a n (S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a l a n d C h e m i c a l E n g i n e e r i n g ,X i a n P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y,X i a n 710048,C h i n a )A b s t r a c t A s a n e f f i c i e n t a n d s a f e b i o c a t a l y s t ,e n z y m e s h a v e b e e n w i d e l y u s e d i n m a n yf i e l d s s u c h a s f o o d ,m e d i c i n e a n d e n v i r o n m e n t a lg o v e r n a n c e ,b u t i t i s d i f f i c u l t t o r e a l i z e f u r th e ri n d u s t r i a l a p-p l i c a t i o n d u e t o t h e p o o r e n v i r o n m e n t a l s t a b i l i t y o f f r e e e n z y m e s .E n z y m e i mm o b i l i z a t i o n t e c h -n o l o g y h e l p s t o i m p r o v e t h e t o l e r a n c e o f f r e e e n z y m e s t o s e n s i t i v e e n v i r o n m e n t s a n d t h e s t a b i l i t yd u r i n g o pe r a t i o n ,a n d g r e a t l y r e d u c e s t h e a p p l i c a t i o n c o s t .T h i s p a p e r r e v i e w s t h e d e v e l o pm e n t a n d c u r r e n t s i t u a t i o n o f i mm o b i l i z a t i o n t e c h n o l o g yi n t h e p a s t f i v e y e a r s ,a n d s u mm a r i z e s t h e r e -s e a r c h p r o g r e s s o f d i f f e r e n t i mm o b i l i z a t i o n m e t h o d s(i n c l u d i n g t r a d i t i o n a l i mm o b i l i z a t i o n m e t h-o d s s u c h a s a d s o r p t i o n m e t h o d a n d b i n d i n g m e t h o d a n d n e w i mm o b i l i z a t i o n m e t h o d s s u c h a s c o-i mm o b i l i z a t i o n e n z y m e m e t h o d)a n d i mm o b i l i z a t i o n c a r r i e r s(i n c l u d i n g n a t u r a l m a t e r i a l c a r r i e r s, c o m p o s i t e c a r r i e r s a n d n a n o c a r r i e r s)i n v a r i o u s f i e l d s.I n g e n e r a l,c o m p a r e d w i t h f r e e e n z y m e s, t h e i mm o b i l i z e d e n z y m e s y s t e m h a s b e e n s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e d i n t e r m s o f s t a b i l i t y a n d r e u s-a b i l i t y.H o w e v e r,t h e r e a r e s o m e s h o r t c o m i n g s,s u c h a s l o w e r r e c o v e r y r a t e a f t e r i mm o b i l i z a-t i o n,c u m b e r s o m e a n d c o s t l y c a r r i e r s y n t h e s i s p a t h w a y,a n d i m p e r f e c t m e c h a n i s m o f i mm o b i l i z a-t i o n e n z y m e.F i n a l l y,t h e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n o f t h e t e c h n o l o g y i n t h e f u t u r e w a s p u t f o r w a r d b a s e d o n t h e s e s h o r t c o m i n g s.K e y w o r d s e n z y m e i mm o b i l i z a t i o n;i mm o b i l i z a t i o n c a r r i e r s;i mm o b i l i z a t i o n m e t h o d;n a n o c a r r i-e r s;c o-i mm o b i l i z a t i o n0引言生物酶是一类具有催化效率高㊁专一性强的生物催化剂[1],其本质是一种蛋白质㊂因此,生物酶通常需在常温常压等温和条件下才能表现出其高催化性能,当离开特定环境就会出现酶活性和稳定性迅速降低的缺点[2]㊂活性炭可以吸附蔗糖酶进行蔗糖水解,且保持了蔗糖酶较好的催化活性[3]㊂由此,固定化酶的思想被首次提出㊂随后,研究人员开始通过一系列酶固定化技术来改善游离酶存在的缺点㊂酶固定化技术就是指将游离酶通过一定的技术手段固定在某些不溶性载体上,进而使其在敏感环境下仍然表现出较高的稳定性和酶活性[4]㊂经固定化后的酶,可以借助载体的保护作用或者与载体之间相互作用,保护了酶蛋白的空间构象[5],进而提高了对p H㊁温度㊁重金属离子等影响因素的耐受性㊂同时,固定化酶可以通过简单的离心过滤等手段从反应体系中分离出来,促进漆酶的回收和重复使用[6]㊂目前,固定化酶技术已经在食品加工[7]㊁生物传感器[8]㊁纺织印染废水处理[9-10]㊁生物漂白[11]等诸多领域得到广泛的应用,其固定化技术也表现出愈发成熟的发展㊂本文综述了近五年酶固定化技术的发展,重点表现在固定化方法和固定化载体上,以及酶固定化技术在多个领域的应用㊂1酶固定化方法酶固定化方法可分为传统固定化方法和新型固定化方法㊂表1列出来近五年的一些酶固定化技术所用的方法㊂表1固定化酶所用固定化方法T a b.1I mm o b i l i z a t i o n m e t h o d s u s e d i n d i f f e r e n t i mm o b i l i z a t i o n t e c h n i q u e s固定化方法固定化对象载体材料参考文献传统固定化方法吸附法漆酶/α-淀粉酶生物炭/复合晶凝胶[12-13]共价结合法脂肪酶M I L-53(F e)/球形S i O2[14-15]化学交联法漆酶/葡萄糖淀粉酶磁性纳米粒/纳米S i O2[16-19]包埋法漆酶海藻酸铜微球[20]新型固定化方法吸附-交联法脂肪酶/β-葡糖糖苷酶大孔树脂/纳米S i O2[21-22]吸附-包埋法多种酶/纤维素酶多孔淀粉-阿拉伯胶微囊体/仿生S i O2[23-24]交联-包埋法漆酶聚集体介孔S i O2[25]脂肪酶/磷脂酶聚乙烯亚胺[26]共固定法葡萄糖淀粉酶/葡萄糖氧化酶S i O2[27]葡萄糖氧化酶/辣根过氧化物酶磁性聚乙二醇微凝胶颗粒[28]1.1传统固定化方法1.1.1吸附法吸附法即物理吸附,物理吸附是一种简单易行的方法,通过氢键㊁疏水作用和范德华力等相互作用48西安工程大学学报第38卷使酶吸附到不溶于水的载体表面,该方法操作步骤简洁且不需要额外添加化学试剂,但其固定效果较差且容易受外界条件影响[29]㊂WA N G等采用吸附法将漆酶固定在碱改性生物炭(A-M B)上实现对孔雀石绿(MG)的吸附降解,结果表明,A-M B对MG 表现出最大吸附量757.58m g/g,固定化漆酶A/l a c @A-M B对MG的去除率可达97.70%,10次循环后仍然表现出超过75%的去除率[12]㊂A C E T等以沸石颗粒(P P A)为原料,通过简单方法制备了C u2+-A P P a C包埋型复合晶凝胶(C u2+-A P P a C)用于α-淀粉酶吸附固定,结果表明,α-淀粉酶最大吸附量可达858.7m g/g,同时相较于游离酶,其操作稳定性和存储稳定性也表现出明显的优势[13]㊂1.1.2结合法结合法是利用酶的侧链基团与载体表面的基团发生反应形成共价键,利用共价键将酶固定在载体上[30]㊂G H A S E M I等将M I L-53(F e)通过表面官能化对2种脂肪酶进行共价固定,结果显示脂肪酶固定化体系虽然没有实现对酶的高负载,但仍然表现出更广泛的温度和p H值稳定性,同时实现了酶的可重复使用能力和稳定性的显著改善[14]㊂此外,共价结合法由于化学键的形成,容易使酶的蛋白质构象发生改变,从而降低酶活性[31]㊂F A N等采用戊二醛多点共价结合法和吸附-交联法,以球形二氧化硅为载体,固定化皱纹假丝酵母脂肪酶(C R L),结果表明,多点共价处理后脂肪酶二级结构发生变化,使酶的残余活力下降[15]㊂但相比之下,共价结合法制备的酶体系具有更好的重复使用性和稳定性,使其在酸化油脂催化水解中更有潜力㊂1.1.3化学交联法交联法是通过一些双功能试剂将酶和载体进行连接[31],主要用到的交联剂有戊二醛㊁1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(E D C)㊁二醛淀粉和二醛纤维素[30,32-33]等㊂C H E N等以戊二醛作为交联剂制备了一种具有超顺磁性的固定化漆酶F e3O4@S i O2-N H2-L a c,该固定化体系表现出了良好的稳定性,对有机溶剂㊁金属离子有显著的耐受性和良好的循环使用性,同时在对酚类化合物的去除降解方面也表现出巨大的潜力[16]㊂Q I U等以二醛淀粉为交联剂,采用共价固定法将漆酶在离子液体改性的磁性纳米载体上进行固定,较于其他固定化漆酶,在处理含酚废水中表现出更大优势[17]㊂然而常见的交联剂在固定化过程往往会表现出一定的负面影响[34],为此研究人员着手发掘绿色安全的新型交联剂来避免这种负面影响㊂例如,O U Y A N G等提出了一种新的绿色高效固定化酶的方法 京尼平苷酶解物作为交联剂固定化漆酶[18]㊂与直接使用京尼平或戊二醛作为交联剂,该方法绿色㊁安全,可应用于需要严格控制毒性的食品和医药行业㊂D A N I E L L I等研究了一种双功能交联剂2,5-二甲酰基呋喃(D F F)将葡糖淀粉酶固定在氨基官能化甲基丙烯酸树脂上[19]㊂使用海洋细菌费氏弧菌进行了生态毒性测定,相比于戊二醛,D F F表现出更低的生物毒性㊂1.1.4包埋法包埋法是将酶固定在聚合物材料的网格结构或微囊结构等多空隙载体中[35]㊂这种方法可以提供更好的保护和稳定性,限制了酶的扩散㊂但同时也存在孔隙的扩散阻碍,使得该方法的循环使用效率下降㊂例如,L A T I F等采用包埋法将漆酶固定化在海藻酸铜微球上进行双酚A的降解[20]㊂相比于游离酶,固定化漆酶表现出更高的p H㊁温度稳定性及储存稳定性,但在循环使用5次后剩余酶活降到了21.5%㊂1.2新型固定化方法1.2.1传统固定化方法的改进传统的单一固定化方法进行酶固定往往存在各自的缺点,因此出现了将单一方法进行两两结合来固定化酶的改进方法㊂常见的包括吸附-交联法[21-22]㊁吸附-包埋法[23-24]㊁交联-包埋法[25]等㊂例如,F A T H A L I等以介孔二氧化硅为载体,采用交联-包埋相结合的固定化方法制备了包埋交联漆酶聚集体(E-C L E A)[25]㊂相对于游离漆酶,条件优化后的固定化漆酶显示出较好的热稳定性和p H稳定性㊂此外E-C L E A存储21d仍然具有较高的相对活性,在重复使用20次后,其活性保持率可达初始活性的79%㊂对污染废水中苯酚的去除率可达73%[25]㊂1.2.2共固定化酶法共固定化酶是指将多种酶同时固定化在同一载体上的一种方法㊂A R A N A-P EÑA等实现了将5种酶进行逐层固定化的策略,使得整个固定化酶体系的活性明显增强[26]㊂与单一酶的固定化相比,共固定化酶法通常具有更大的优势㊂在保证了固定化后酶稳定性提高的同时,不同酶在共固定后,由于处于58第1期潘虹,等:酶固定化技术的最新研究进展同一载体上,酶之间可以发挥协同作用,且反应底物可以连续在酶之间传递,从而简化了反应步骤㊂G A O等制备了一种化学酶级联反应体系(G A&G O x@A u-S i O2),实现葡萄糖淀粉酶(G A)和葡萄糖氧化酶(G O x)共固定化[27]㊂借助于双酶和载体之间的级联效应,实现了从可溶性淀粉中高效提取葡萄糖酸㊂在保证了固定化双酶稳定性的同时,A u的加入可以使中间产物H2O2快速脱除,显著提高固定化体系的重复利用率㊂类似地,L I U等制备了一种具有可逆热响应释放的双酶固定化体系共固定G O x和辣根过氧化物酶(H R P),在葡萄糖浓度检测过程中表现出优于单酶检测试剂盒的良好性能[28]㊂此外,有学者研究发现,对于如漆酶这种绿色催化剂,较低的氧化还原电位大大限制了其在各个领域中的应用㊂但发现在固定化体系中引入具有高氧化还原电位的介体可以弥补漆酶的这一不足[36]㊂L O U等基于MO F s膜实现了漆酶和介体A B T S的共固定化,结果显示,固定化漆酶的底物亲和力要高于游离漆酶[37]㊂2酶固定化载体用于酶固定化的载体主要包括天然载体㊁人工合成载体和纳米载体,见表2㊂在选择固定化载体时要充分考虑具体的应用领域和需求等㊂表2固定化酶所用载体材料T a b.2 C a r r i e r s f o r i mm o b i l i z e d e n z y m e材料类别载体材料固定化对象固定化方法参考文献天然材料羧甲基纤维素漆酶包埋法[38]琼脂糖脂肪酶吸附法[39]磁性壳聚糖葡萄糖氧化酶共价结合法[40]藻酸盐脱氢酶/蛋白酶吸附法/包埋法[41-42]壳聚糖-黏土复合微球漆酶+介体包埋法[43]海藻酸钠-壳聚糖中性蛋白酶包埋法[44]人工合成材料改性二氧化硅乳酸脱氢酶/碳酸酐酶/甲酸脱氢酶化学交联法/共价结合法[45-47]二氧化钛漆酶吸附法[48]硅酸盐漆酶/葡萄糖氧化酶吸附-共价结合法/吸附法[49-50]氧化铝漆酶共价结合法[51]聚酰胺-胺树枝状大分子脂肪酶化学交联法[52]聚乙烯醇水凝胶-硅胶烯还原酶包埋法[53]二氧化硅-壳聚糖漆酶共价结合法[54]纳米材料磁性纳米粒子漆酶共价结合法[55]金属有机框架MO F s漆酶化学交联法[56]介孔Z I F-8过氧化物酶化学交联法[57]中空微球漆酶吸附法[58]共价有机框架C O F葡萄糖氧化酶+F e3O4吸附法[59]金属酚醛网络M P N酒精脱氢酶吸附法[60]磁性纳米颗粒漆酶+介体A B T S吸附法[61]2.1天然载体材料天然载体最大的优点就是来源广泛㊁低成本和低生物毒性㊂常用的天然载体有纤维素[38]㊁琼脂糖[39]㊁壳聚糖[40]和藻酸盐[41-42]等㊂同时,将天然载体杂化后用于酶固定化可以表现出更优良的固定化能力㊂M E H A N D I A[43]等利用天然载体制备了壳聚糖-黏土复合微球(C C B-L),采用包埋法对漆酶和介体进行共固定㊂微球在洗涤和储存期间均未观察到酶泄漏㊂同时固定化漆酶-介体体系通过填充床反应器系统(P B R S),对纺织废水的脱色率可达78%,C O D㊁B O D以及毒性水平均下降㊂类似地, B A I等将海藻酸钠和壳聚糖交联形成复合凝胶球,采用包埋法固定中性蛋白酶[44]㊂固定化酶在较宽的p H(5~8)和温度(30~80ħ)范围表现出高于游离酶的相对活性,循环使用性和存储稳定性也保持在良好水平㊂68西安工程大学学报第38卷2.2人工合成载体材料2.2.1无机材料无机材料来源广泛㊁合成简单㊁机械强度高,可以直接用于酶的固定㊂常见的无机材料有二氧化硅[45]㊁二氧化钛[48]㊁硅酸盐[49-50]和氧化铝[51]等㊂为了提高固定化效率,常常会先对无机材料进行表面改性再用于固定化㊂Z H A I等使用聚乙烯亚胺(P E I)和多巴胺的共沉积对二氧化硅微球进行改性,用于C O2酶促转化甲酸盐㊂优化后P D A/P E I-S i O2载体使得甲酸盐合成的初始反应速率从13.4倍增加至27.2倍㊂再通过固定化碳酸酐酶(C A)后,甲酸盐的合成速率增加到48.6倍[46]㊂随后,L I U等同样对S i O2微球进行P E I的表面改性后用来固定化甲酸脱氢酶,同样实现了C O2酶促转化甲酸盐的高效合成[47]㊂2.2.2高分子材料人工合成的高分子材料具有良好的结构刚性和其他优良的力学性能㊂如聚酰胺㊁聚乙烯醇等具有良好的固定化能力㊂Z H A O等采用3种胺类试剂将聚酰胺-胺树枝状大分子(P AMAM)接枝到F e3O4纳米粒子上,利用戊二醛作为交联剂得到了不同代数的F e3O4@S i O2/P AMAM磁性纳米载体[52]㊂固定化酶表现出相对游离酶更高的活性,而且改善了其在更宽的p H和温度范围内的耐受性㊂A L A GÖZ等先用聚乙烯醇水凝胶包裹烯还原酶(E R),再固定到氨基官能化的硅胶上㊂包埋后的E R比游离E R的热稳定性高34.4倍㊂在重复使用10次后,固定后的E R仍保持其初始活性的85%[53]㊂2.2.3复合材料针对有机㊁无机材料在实际应用中存在的不足,不少文献报道了将2类材料通过物理或化学手段进行复合得到新型复合材料,可以得到性能更优的固定化载体㊂例如,G I R E L L I等将二氧化硅和壳聚糖杂化得到复合材料,相比单材料拥有更好的机械强度㊁热稳定性及生物相容性㊂存储30d后仍具有大于70%的相对活性㊂对漆酶进行固定化后,固定化率达到92%,在较宽的温度和p H范围内固定化后漆酶表现出的稳定性也要高于游离漆酶,重复循环利用15次剩余活性仍在61%以上[54]㊂2.3纳米材料载体纳米材料凭借其小尺寸㊁高表面积和易改性等特点,成为了酶固定化载体研究的焦点㊂各种改性后的纳米材料也在酶固定化领域得到蓬勃发展㊂2.3.1磁性纳米载体磁性纳米载体是一种可以通过外部磁场实现固定化酶快速分离的良好材料㊂凭借这种磁学性质和低生物毒性[16],其在固定化载体的选择上表现突出㊂F e3O4是被广泛使用的一种磁性材料㊂但由于纯F e3O4自身的表面惰性和高团聚,往往需要对其进行表面改性后再应用于固定化㊂R A N等制备了一种壳核结构的磁性纳米载体F e3O4@M o S2@P E I 用于漆酶固定㊂在二硫化钼(M o S2)和聚乙烯亚胺(P E I)的修饰下,磁性载体拥有较大的比表面积并减弱了自身团聚效应,对漆酶的负载量可达120m g/g,酶活回收率可达90%,同时对于水中持久性致癌有机污染物也表现出了良好的降解效率[55]㊂2.3.2介孔纳米载体介孔材料作为一种多孔材料,凭借多孔结构和大的比表面积,也是酶固定化的理想载体㊂金属有机框架(MO F s)[56]凭借着可调控的孔径和较大的比表面积在酶固定化方面得到广泛应用㊂L I等采用水热法合成氨基官能化的MO F材料制备固定化漆酶,在最优条件下实现了95%的刚果红去除率,6次循环后降解率仍达到84.63%[56]㊂L U等以酵母为生物模板,将Z I F-8自组装到酵母上得到杂合Y@ Z I F-8,再用交联剂固定过氧化物酶得到Y@Z I F-8 @t-C A T㊂固定化酶的温度㊁p H耐受性得到提高,更值得一提的是固定化酶在存储45d后活性仍保持在99%以上[57]㊂除此以外,T A N G等还制备了具有中空结构的共价有机骨架微球(H-C O F-OM e)[58]㊂这种孔缺陷的中空结构有助于加快反应物的扩散,从而改善催化反应过程,对四环素具有优秀的降解效果㊂2.3.3金属纳米载体金属纳米材料由于引入了金属离子,可以提高载体的理化性质,在酶固定化过程中表现出重要作用㊂F U等将F e3+/F e2+固定到纳米花形的共价有机框架(C O F)中实现了固定化酶的磁分离[59]㊂L I 等研究了以磁性F e3O4为核,将单宁酸(T A)与不同类型金属离子(C u㊁F e㊁Z n㊁M n㊁A u)配位获得了用于固定化的金属酚醛网络(M P N)涂层[60]㊂不同金属离子的不同极化能力对M P N涂层的亲水性和疏水性造成影响,从而给酶的固定化效率㊁催化活性78第1期潘虹,等:酶固定化技术的最新研究进展和稳定性带来影响㊂对于漆酶而言,引入C u2+对漆酶的活性中心具有正向的促进作用,可以大大提高固定化漆酶的催化活性和底物亲和力[61]㊂3结论与展望生物酶作为一种极具潜力的生物催化剂,通过固定化技术使其在污染物的降解㊁食品加工㊁生物传感器等诸多领域得到了广泛应用㊂酶固定化技术促使酶在较宽的p H值和温度范围下表现出更优良的催化活性,大大提高了生物酶在敏感环境下的稳定性,实现了生物酶的可分离性及循环使用性㊂但目前看来,酶固定化技术依然存在一些不足㊂1)酶在固定化后,由于载体的存在使得底物扩散受阻,无法与酶充分接触,导致酶活性降低㊂可以通过基因工程技术从酶本身出发,利用定点突变或基因重组改变酶结构来提高酶活㊂同时,通过掺杂合适的单一过渡金属离子或多金属离子协同作用激发酶活也值得深入研究㊂2)目前固定化酶技术在污染物降解等领域的实际应用已经颇为成熟,但对于更深层次的作用机制还停留在较为浅薄的层面㊂在未来,随着生物信息技术的不断发展,将固定化酶技术与计算机模拟技术交叉,利用计算机软件模拟分析更深层次的机制原理,可以更好地掌握酶固定化技术㊂3)酶固定化技术仍处在实验室研究阶段,在实现更大规模的工业化应用仍然存在较大的挑战㊂同时,考虑到有些固定化载体制备的时间成本和资金成本,载体若仅用于一次固定化后就无法回收再利用就会造成过度浪费㊂如何实现固定化酶失活后固定化载体与酶的高效分离,从而实现载体的循环使用是一个新的挑战㊂因此,酶固定化技术仍然处在不断发展进步的阶段,需要更多的科研者来完善研究㊂参考文献(R e f e r e n c e s)[1]刘茹,焦成瑾,杨玲娟,等.酶固定化研究进展[J].食品安全质量检测学报,2021,12(5):1861-1869.L I U R,J I A O C J,Y A N G L J,e t a l.A d v a n c e s o f e n-z y m e i mm o b i l i z a t i o n[J].J o u r n a l o f F o o d S a f e t y&Q u a l i t 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固定化酶技术在医疗和环境中的应用
固定化酶技术在医疗和环境中的应用酶是一种生物催化剂，能够催化生物化学反应。
在许多生物工艺和工业生产中，酶已经成为不可或缺的工具。
最近，固定化酶技术也逐渐在医疗和环境中广泛应用。
一、固定化酶技术是什么固定化酶技术的基本思想是将酶固定在一定的载体上，使得酶能够长时间稳定地保存在固定状态下，并能够在环境中起到合适的催化作用。
这种技术以酶的活性稳定性和生物相容性能力作为关键指标，以聚合物材料、微生物或生物大分子材料为载体，利用化学或物理交联的方法将酶硬化在载体中，从而形成固定化的酶催化剂。
二、固定化酶技术在医疗中的应用固定化酶技术在医疗领域中有着广泛的应用。
如近年来广泛用于医疗检测中的糖尿病检测。
糖尿病是一种常见的代谢性疾病，目前以测定人体血液中的葡萄糖含量为常规诊断方法。
固定化酶技术可以将酶嵌入生物传感器中，将它们固定到微小的芯片上，作为一种“传感器”来检测葡萄糖。
这使得检测更加简便、快捷、准确。
同时，固定化酶技术还被广泛应用于脂肪肝和心血管疾病的检测中，使得医学检查和诊断更加科学和精确。
三、固定化酶技术在环境中的应用除了医疗领域，固定化酶技术在环境保护中也有广泛的应用。
例如，我们可以利用过硫酸盐法固定化酶来处理环境污染中的水质问题。
对于一些环境中存在的有机物，通过将其与固定化酶进行作用，能够有效地去除水质中的有机污染物，同时避免了传统化学法对环境的影响和损害，有机地促进了水质的净化和环境的保护。
四、前景展望固定化酶技术在医疗和环境中已经取得了一定的成果。
人们已经发现了很多潜在的应用，但也面临着一些困难和挑战。
例如酶质稳定性、载体材料的选择和制备等问题。
但随着科技的不断进步和经验的不断积累，这些困难将逐步得到解决，固定化酶技术的应用前景非常广阔，这将使得我们在医疗治疗和环境保护方面有更加优秀的选择和手段，让我们生活得更加健康、环境更加清洁和美丽。
环境工程中固定化酶与固定化微生物的应用初探
环境工程中固定化酶与固定化微生物的应用初探环境工程是一个涉及多种学科知识的综合性领域，主要研究利用自然资源和技朧来改善环境质量、保护生态系统和人类健康。
在环境治理中，固定化酶和固定化微生物技术的应用日益受到重视。
这两种技术能够有效地降解有害物质、净化水体和土壤，对环境污染控制和废物资源化利用具有重要意义。
本文将就固定化酶和固定化微生物在环境工程中的应用进行初步探讨。
酶是一类生物催化剂，是生物体内的重要蛋白质，具有高效、高选择性和高稳定性等特点。
固定化酶是指将游离酶以某种方法固定在载体上，使其可以重复使用的一种技术。
在环境工程中，固定化酶技术已经被广泛应用于废水处理、废气处理和土壤修复等领域。
载体固定化过氧化酶可以用于废水中有机物的降解，载体固定化硝化细菌可以用于处理含氨废水，通过这些技术可以降低废水中有机物和氨氮的浓度，减少对水体的污染。
固定化酶还可以用于污泥的降解和土壤的修复。
固定化酶和固定化微生物技术在环境工程中的应用有着许多优点。
固定化技术可以有效提高酶和微生物的稳定性和活性，延长其使用寿命，减少生产成本。
固定化技术可以减少酶和微生物对环境的污染，提高处理效率，降低对环境的影响。
固定化技术可以使酶和微生物更容易被回收和重复利用，提高资源利用效率，减少废物排放。
固定化技术还可以提高酶和微生物对特定废物的选择性降解能力，使其更适合特定的环境治理任务。
固定化酶和固定化微生物技术在环境工程中的应用也存在一些问题和挑战。
固定化技术的载体选择和工艺条件的优化是技术突破的关键，需要综合考虑载体成本、稳定性、孔隙率和亲和性等因素。
固定化技术在现场应用时需要考虑现场因素的影响，如温度、pH值、流速和氧气浓度等，使固定化酶和微生物的活性能够在复杂环境中得到保证。
固定化技术的废弃物处理和产品回收也是需要重点关注的环节，需要采用经济有效、环保可行的技术方案。
固定化技术的市场推广和产业化也是需要克服的难题，在技术创新和政策支持方面需要进行的工作还有很多。
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固定化酶技术及应用的研究进展
一、固定化酶的制备方法研究进展
固定化酶的制备方法包括物理吸附、共价键结和交联结构等。
近年来，研究者们发展了一系列新型的固定化酶制备方法，如钙凝胶法、包埋法、
凝胶微球法和溶胶凝胶法等。
这些新方法不仅提高了固定化酶的稳定性和
活性，还大幅度降低了制备成本，提高了酶的重复使用性。
固定化酶在生物工程领域的应用主要集中在酶催化反应、生物催化剂
制备以及生物催化剂的应用等方面。
例如，固定化酶可以用于生物反应器
中进行酶催化反应，实现对废水处理、医药合成和食品工业等的高效处理。
此外，固定化酶还可以用于制备各类生物催化剂，如药物微胶囊和生物传
感器，用于治疗疾病和检测生物分子。
固定化酶在食品工业中的应用主要包括生产酶制剂、降解保健食品、
生产高价值添加物以及改善食品品质等方面。
固定化酶可以用于生产各类
酶制剂，如发酵酶、复合酶和水解酶等，以加速酶催化反应。
此外，固定
化酶还可以用于生产特殊功能食品，如降解保健食品、胶原蛋白等，以满
足不同人群的需求。
固定化酶在医药学领域的应用主要包括药物制剂、生物芯片、药物代
谢和生物传感器等方面。
例如，固定化酶可以用于制备缓控释药物制剂，
以提高药物的疗效和降低副作用。
此外，固定化酶还可以用于制备生物芯片，用于分析疾病标志物和药物代谢产物等。
固定化酶在环境保护领域的应用主要包括废水处理、大气污染控制和
土壤修复等方面。
固定化酶可以用于废水处理中，加速有害物质的降解和
去除。
此外，固定化酶还可以用于大气污染控制，将有害气体转化为无害
物质。
固定化酶还可以用于土壤修复，加速土壤中有毒物质的降解和去除。
综上所述，固定化酶技术在多个研究领域取得了重要的进展。
通过不
断创新和改进固定化酶制备方法，研究者们加强了固定化酶的稳定性和重
复使用性，提高了酶的应用效果和利用价值。
固定化酶技术的进一步发展，将为生物工程、食品工业、医药学和环境保护等领域带来更多创新和突破。