酶固定化載體材料綜述

酶的固定化載體材料綜述摘要：固定化酶是一種高效、高選擇性和反應(yīng)條件溫和的生物催化劑。有關(guān)酶固定化的研究越來越受到人們的重視，相關(guān)的研究報道很多。酶固定化載體材料按組成可分為無機載體材料、高分子載體材料以及復(fù)合載體材料三大類。本文從這三個方面簡單綜述了一些相關(guān)研究實例。關(guān)鍵詞：酶固定化，載體材料，無機，高分子，復(fù)合材料1.引言酶（enzyme）是天然的生物催化劑，可以在常溫、常壓下參與體內(nèi)的各種代謝反應(yīng)。相比于傳統(tǒng)的催化劑，由于具有能量消耗低、催化效率高、立體選擇性專一以及合成路線較短等特點，使用酶催化反應(yīng)被認為是環(huán)境友好且經(jīng)濟的[1]。然而，酶也不可避免地存在一些缺點，比如反應(yīng)操控性低，不能回收利用，難以商品化發(fā)展。為克服這些問題，固定化酶（immobilizedenzyme）的概念被提了出來。早在1910年，人們就已經(jīng)開始了酶的固定化研究，然而直到上世紀60年代，酶固定化技術(shù)才得到快速發(fā)展。通俗來講，酶固定化就是利用固體材料將游離態(tài)的酶在一定范圍內(nèi)束縛受限起來，賦予酶易分離、可回收利用等特點的同時保持其本身優(yōu)異特性不變。研究酶的固定化可從兩個方向進行，一個是固定化方法與技術(shù)的改進，另一個方向是改進或開發(fā)新的用于固定化的載體材料。對于前者，我們知道，主要的方法包括吸附法（包含物理吸附與離子吸附），交聯(lián)法，共價鍵法以及包埋法，以及近年來研究得比較多的定向固定技術(shù)等[2]。對于后者的研究，我們也能發(fā)現(xiàn)，越來越多的新材料開始被開發(fā)應(yīng)用于酶固定化。本文從載體材料方向出發(fā)，結(jié)合若干實例，來簡單介紹下酶的固定化研究。2.酶固定化載體材料經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)出來的用于固定化酶的載體種類繁多。按照載體材料的基本組成，可以分為無機載體材料、高分子載體材料、復(fù)合載體材料三大類。2.1無機載體材料這一類研究得比較多的是介孔材料，如介孔硅粒子（mesoporoussilicaparticles）。根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學（IUPAC）定義，孔徑在2-50nm的材料被稱為介孔材料。一般選取孔徑略大于酶分子直徑的介孔材料作為載體，并且在酶被吸附到孔中后，利用硅烷化處理等技術(shù)將孔口直徑大幅縮小以防止酶在反應(yīng)中脫附流失。我們知道，介孔硅粒子有很大的比表面積，而一般情況下，酶分子都是被吸附到孔的內(nèi)表面。JungbaeKim等[3]制備了一種“洋蔥”狀多層的介孔硅。如圖1所示，顯然，這種結(jié)構(gòu)的載體材料可以實現(xiàn)更高的酶的負載率。除此之外，相比較傳統(tǒng)介孔硅納米粒子，該結(jié)構(gòu)由于沒有外層表面，它能夠使負載的酶具有更好的熱穩(wěn)定性。作者提出所謂的納米酶反應(yīng)器（NER），以脂肪酶為例，將每層中的酶分子交聯(lián)起來，可以有效防止酶分子從載體中脫附下來。圖3.左：不同尺寸的樹脂粒子對脂肪酶的吸附等溫線右：粒子尺寸對ε-己內(nèi)酯的開環(huán)聚合反應(yīng)的影響2.3復(fù)合載體材料復(fù)合體系可以是無機/無機、無機/高分子或高分子/高分子。這類用于酶固定化載體的復(fù)合材料有很多，比如JohnH.T.Luong等[7]采用的纖維素納米晶體/金納米粒子復(fù)合物體系，PedroTartaj等[8]研究得超順磁二氧化硅/氧化鐵復(fù)合體系，DavidB.Henthorn等[9]使用的聚乙二醇甲醚/單壁碳納米管復(fù)合體系等等。其中，磁性高分子微球是典型的該類載體材料。與其他載體材料相比，這種載體材料具有易從反應(yīng)體系中分離回收，操作簡便，成本較低等諸多優(yōu)點，受到國內(nèi)外學者的廣泛研究關(guān)注[10]。LiQi等[11]研究了用Poly(2-Vinyl-4，4-dimethylazlactone)功能化的四氧化三鐵磁性粒子來作為酶固定化載體。制備過程如圖4所示，F(xiàn)e3O4表面涂覆一層二氧化硅以保護粒子表面，防止粒子聚沉，同時也能提高粒子表面可修飾性和降低潛在的毒副作用。最后將PVDMF接枝到粒子表面。PVDMF可以與L-天冬酰胺酶共軛從而達到固定化酶的作用。圖4.L-天冬酰胺酶固定化到PVDMF修飾的Fe3O4磁性粒子表面示意圖3.結(jié)束語傳統(tǒng)的酶在水相中不穩(wěn)定，它在工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)中不利于推廣，故而產(chǎn)生了酶的固定化技術(shù)。發(fā)展了半個多世紀以來，形形色色的載體材料層出不窮，市面已經(jīng)有了很多商品化產(chǎn)品如MCM-41和SBA-15等，但很多還僅僅是停留在實驗室階段，距離工業(yè)化商品化還有一定的距離?？傊?，一方面我們要繼續(xù)尋找開發(fā)可用的載體材料，另一方面，我們也需要改進現(xiàn)有材料，提升其酶固定化性能。

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