酶的固定化技术

摘要：酶的固定化技术是用固体材料将酶束缚或限制于一定区域内，酶仍能进行其特有的催化反应、并可回收及重复利用的一类技术。

酶的固定化技术已经成为酶应用领域中的一个主要研究方向。

经固定化的酶与游离酶相比具有稳定性高、回收方便、易于控制、可反复使用、成本低廉等优点，在生物工业、医学及临床诊断、化学分析、环境保护、能源开发以及基础研究等方面发挥了重要作用。

因此酶的固定化技术研究已成为十分引人注目的领域。

本文简要介绍了固定化酶技术的概念、制备方法(包括传统固定化技术、传统固定化技术的改进方法、新型固定化技术) 及其在化学化工、食品行业、临床医药、生物传感器和环境科学等领域中的应用现状与存在的问题,并对固定化酶技术的应用前景进行了展望。

关键词：固定化酶；制备；应用；磁性载体；定向固定固定化酶的研究始于1910年,正式研究于20世纪60年代,70年代已在全世界普遍开展。

酶的固定化(Immobilization of enzymes)是用固体材料将酶束缚或限制于一定区域内,仍能进行其特有的催化反应、并可回收及重复利用的一类技术。

与游离酶相比,固定化酶在保持其高效专一及温和的酶催化反应特性的同时,又克服了游离酶的不足之处,呈现贮存稳定性高、分离回收容易、可多次重复使用、操作连续可控、工艺简便等一系列优点。

固定化酶不仅在化学、生物学及生物工程、医学及生命科学等学科领域的研究异常活跃,得到迅速发展和广泛的应用,而且因为具有节省资源与能源、减少或防治污染的生态环境效应而符合可持续发展的战略要求。

固定化酶的制备方法有物理法和化学法两大类。

物理方法包括物理吸附法、包埋法等。

物理法固定酶的优点在于酶不参加化学反应,整体结构保持不变,酶的催化活性得到很好保留。

但是,由于包埋物或半透膜具有一定的空间或立体阻碍作用,因此对一些反应不适用。

化学法是将酶通过化学键连接到天然的或合成的高分子载体上,使用偶联剂通过酶表面的基团将酶交联起来,而形成相对分子量更大、不溶性的固定化酶的方法。

酶固定化技术的方法
酶固定化是将酶与载体物质结合在一起，以增强酶的稳定性和重复使用性的技术。

常见的酶固定化方法包括以下几种：
1. 吸附固定化：将酶溶液与载体物质（如活性炭、陶瓷颗粒）接触，酶分子通过吸附作用与载体物质结合。

2. 凝胶固定化：将酶溶液与凝胶物质（如明胶、琼脂）混合，酶通过物理交联或化学交联与凝胶物质牢固结合。

3. 包埋固定化：将酶溶液与聚合物物质（如聚乙烯醇、明胶）混合，然后通过共混或交联反应，使酶被包裹在聚合物内部。

4. 共价固定化：将酶溶液与活性基团多的载体物质（如硅胶、纳米颗粒、聚乙二醇）反应，形成酶与载体物质之间的共价键连接。

5. 薄膜固定化：在载体表面形成一层薄膜，然后将酶与薄膜固定在一起，常见的方法有溶液浸渍、层层自组装等。

这些方法各有优缺点，选择合适的固定化方法应根据具体的酶性质、应用需求和实际操作条件进行综合考虑。

固定化酶的三种方法固定化酶是把酶结合到一定的表面上，使其失去活性的过程，因此可以用来改变酶的性质、增加酶的稳定性和提高酶的反应效率。

固定化酶的三种方法是物理化学固定化、生物化学固定化和免疫化学固定化。

一、物理化学固定化物理化学固定化是一种将未固定化酶与支架分子相互作用，使酶与支架分子结合，形成可操作的固定化酶系统的方法。

其基本原理是通过多种物理、化学或生物学方法，将酶与支架分子进行结合，从而形成一个可操作的固定化酶系统。

物理化学固定化可以大大提高酶的反应活性、稳定性和重复利用性，并可以改变酶的特性。

常用的物理化学固定化方法有水解结合、热结合、冷结合、电结合、化学结合、离子结合和生物结合等。

二、生物化学固定化生物化学固定化是指将酶与生物聚合物结合，使酶形成可操作的固定化酶系统的方法。

其基本原理是在酶表面分子和支架分子之间形成一种亲和力，使得酶和支架分子之间形成紧密的结合。

生物化学固定化的优势在于，它可以改变酶的特性，使酶更加稳定和可操作，而且不必进行大量的实验，可以节省时间和费用。

常用的生物化学固定化方法有抗体结合法、抑制剂结合法和蛋白结合法等。

三、免疫化学固定化免疫化学固定化是一种将酶与抗体结合，形成可操作的固定化酶系统的方法。

其基本原理是将酶和抗体进行结合，从而形成一个稳定的固定化酶系统。

免疫化学固定化具有较强的特异性，可以在具有极强抗性的环境中实现高效固定化；且不仅能实现酶的固定化，还可以改变酶的特性，使酶更加稳定和可操作。

常用的免疫化学固定化方法有免疫结合法、单克隆抗体结合法和抗体体外表达法等。

综上所述，固定化酶的三种方法是：物理化学固定化、生物化学固定化和免疫化学固定化。

它们可以改变酶的特性，使酶更加稳定和可操作，提高酶的反应活性、稳定性和重复利用性，从而更好地满足人们在实验中的需求。

固定化酶是将酶固定在载体上，形成固定化酶催化系统的过程。

通过固定化，可使酶的活性和稳定性得到提高，并能够重复使用。

常用的固定化酶方法包括吸附法、共价连接法、包埋法和交联法等。

1. 吸附法：利用载体表面与酶相互吸附的原理将酶固定在载体表面。

常用的载体包括硅胶、纤维素、聚丙烯酰胺凝胶等。

2. 共价连接法：通过将酶分子与载体分子之间的化学键共价连接，在载体表面上固定酶。

常用的共价连接剂包括辛二酸二酐、戊二酸二酐等。

3. 包埋法：将酶包裹在聚合物中，在聚合物内部形成微观环境，保护酶免受外界环境的影响。

常用的包埋材料包括明胶、蛋白质和聚乙烯醇等。

4. 交联法：将酶和载体分子之间形成交联结构，将酶牢固地固定在载体表面上。

常用的交联剂包括戊二醛、葡萄糖等。

固定化酶在生物技术、食品工业、医药工业等领域有着广泛的应用。

其中，利用固定化酶在生物技术领域中最为突出。

例如，固定化酶可以应用于产生大量纯度高的特定酶，用于DNA重组、制备抗体和识别特定分子等。

此外，在医药工业中也广泛使用固定化酶，如利用固定化酶制备药物、检测生物标志物等方面。

在食品工业中，固定化酶可用于生产乳制品、果汁、啤酒等食品中。

总之，固定化酶是一种重要的生物技术手段，具有广泛应用前景，可推动生物技术、食品工业、医药工业等领域的发展。

酶固定化技术酶固定化技术是通过物理或化学的方法将酶连接在一定的固相载体上成为固定化酶，从而发挥催化作用。

固定化后的酶在保持原有催化活性的同时，又可以同一般催化剂一样能回收和反复使用，可在生产工艺上实现连续化和自动化，更适应工业化生产的需要。

固定化酶（immobilized enzyme）不溶于水的酶。

是用物理的或化学的方法使酶与水不溶性大分子载体结合或把酶包埋在水不溶性凝胶或半透膜的微囊体中制成的。

酶固定化后一般稳定性增加，易从反应系统中分离，且易于控制，能反复多次使用。

便于运输和贮存，有利于自动化生产。

固定化酶是近十余年发展起来的酶应用技术，在工业生产、化学分析和医药等方面有诱人的应用前景。

固定化酶的研究始于1910年,正式研究于20世纪60年代,70年代已在全世界普遍开展。

酶的固定化(Immobilization of enzymes)是用固体材料将酶束缚或限制于一定区域内,仍能进行其特有的催化反应、并可回收及重复利用的一类技术。

与游离酶相比,固定化酶在保持其高效专一及温和的酶催化反应特性的同时,又克服了游离酶的不足之处,呈现贮存稳定性高、分离回收容易、可多次重复使用、操作连续可控、工艺简便等一系列优点。

固定化酶不仅在化学、生物学及生物工程、医学及生命科学等学科领域的研究异常活跃,得到迅速发展和广泛的应用,而且因为具有节省资源与能源、减少或防治污染的生态环境效应而符合可持续发展的战略要求。

固定化酶的制备方法有物理法和化学法两大类。

物理方法包括物理吸附法、包埋法等。

物理法固定酶的优点在于酶不参加化学反应,整体结构保持不变,酶的催化活性得到很好保留。

但是,由于包埋物或半透膜具有一定的空间或立体阻碍作用,因此对一些反应不适用。

化学法是将酶通过化学键连接到天然的或合成的高分子载体上,使用偶联剂通过酶表面的基团将酶交联起来,而形成相对分子量更大、不溶性的固定化酶的方法.。

酶的固定化方法1. 基本介绍酶的固定化技术是将活性酶分子吸附到不溶性载体上的技术，这些载体包括有机支架，金属合金，无机型号，复合支架，生物大分子和石墨。

与溶液型酶相比，固定化酶具有良好的耐热性，耐久性和稳定性。

可以在恒定的温度和pH值下多次重复使用，这使得固定化酶可以广泛应用于生物工程，食品技术和保健产品的制备中。

2. 固定化酶的优势（1）保持酶活性。

固定化酶能够有效地防止反应补充的游离酶的出现，充分保持其最初的功能和活性，极大地提高了反应中酶的活性和稳定性；（2）提高回收率。

固定化酶具有彼此独立的结构，可以在反应中迅速回收，特别是对于产物特性复杂的反应；（3）可扩展性强。

固定化酶可以根据应用环境的不同和操作条件的可控性，调整载体的参数；（4）可以重复使用。

固定化酶可以多次使用，可以充分利用其过程效率，减少反应次数，降低成本，提高产物纯度；（5）灵活性好，操作更加简单。

当需要调节反应中的酶功效时，可以通过简单的调节载体参数来控制。

3. 固定化酶的技术原理固定化酶主要是通过生物相容性，物理锁定，化学结合和选择性结合四种技术原理。

（1）生物相容性原理。

根据酶的物理化学性质，通过将酶与具有吸附效果的固定化载体搅拌至溶解，使酶外部改变，从而结合到固定体上，形成固定化酶。

（2）物理锁定原理。

通过将因子与特定形状的载体结合，物理力把酶和载体牢牢地结合在一起，形成固定化酶。

（3）化学结合原理。

通过改变因子的外部，形成含有非共价或共价结合的表面带正或负电荷，从而使酶能够结合至具有与之相匹配的电荷的固定体上，形成固定化酶。

（4）选择性结合原理。

通过给载体表面施加疏水或疏水性物质，形成选择性的活性基团，使载体具有低特异性，从而将酶与相应特异性表面结合，形成固定化酶。

4、固定化酶的方法固定化酶有多种固定化方法，如电冻定，脂质包覆，杂化，冻胶，结合支架和表面修饰等。

（1）电冻定：电冻定是一种通过电泳技术将酶通过载体电泳固定在离心管内壁上的一种方法。

酶固定化的原理
酶固定化是指将酶固定在载体上，形成酶固定化系统，用于生物催化反应。

其原理是将酶与载体通过物理或化学方法结合在一起，形成稳定的酶固定化系统，以提高酶的稳定性、重复使用性和操作性。

酶固定化的原理主要包括以下几个方面：
1. 物理方法：通过吸附、离子交换和包埋等物理方法将酶固定在载体上。

例如，将酶溶液与载体接触，通过物理吸附作用使酶附着在载体表面，形成酶固定化系统。

2. 化学方法：通过共价结合、交联和胶束等化学方法将酶固定在载体上。

例如，将酶与载体表面的功能基团发生共价键结合，形成稳定的酶固定化系统。

3. 复合方法：物理和化学方法可以结合使用，形成更稳定的酶固定化系统。

例如，先用物理方法将酶吸附在载体上，然后再进行化学修饰，增强固定效果。

酶固定化的原理主要是利用载体提供的稳定性和大面积接触酶的功能，从而增强酶的稳定性和重复使用性。

载体可以是天然的（如纤维素、凝胶等）或人工合成的（如高分子材料、纳米材料等）。

通过固定化酶，可以将其应用于工业生产中，提高反应效率，降低成本。

酶的固定化技术及其应用
1 固定化酶
固定化酶（Enzyme immobilization）是指将酶物质由可溶解状态
变为固体状态，可以将活性较弱、易水解的酶，其重复利用、反应时
间长等优点而被广泛应用。

固定化酶的方法有很多，比如粒子固定化、介孔固定化、水膜固
定化、络合固定化、键合固定化和分子印迹固定化技术等等。

它们之
间的差异在于固定化酶对酶的原始活性变化情况。

2 固定化酶的应用
固定化酶除了具有重复利用、反应时间长等普遍优点外，还可以
应用于多种领域，比如医疗诊断、分析检测、药物合成、制药工业等，深受科研和工业界的重视。

固定化酶在药物合成中，用于集中化学反应、启动物料的转化，
可以有效提高反应产率，减少有害物质的排放，从而获取纯度较高的
有效成分，在药品工业中可实现大规模的批量生产，降低成本。

此外，固定化酶还可用于环境污染问题，比如某些微生物中含有
放射性元素，可使用固定化酶将其净化，解决环境污染的问题，维护
环境健康。

同时，固定化酶还有广泛的应用于食品工业、饮料工业、制糖、
乳品加工以及有机合成等领域中，为生产过程提供工艺改进和工艺优
化技术。

3 总结
固定化酶是将酶物质由可溶解状态变为固体状态，应用技术繁多，在医疗诊断、药物合成、制药工业等多个领域发挥着重要作用。

未来，随着固定化酶技术的发展，它在医药、食品、生物工程和环保等领域
的应用将更加广泛。

第三节酶的固定化随着酶学研究的深入和酶工程的发展，酶的应用越来越广泛。

将酶用物理或化学的方法固定在不溶于水的载体上，形成一种可以重复使用的酶，叫固定化酶。

固定化酶既保持了酶的催化特性，又克服了游离酶的不稳定性，具有可反复或连续使用、易与反应产物分离等显著优点，广泛应用于医药、轻工、食品等行业。

一、固定化酶的制备方法制备固定化酶的方法很多，有包埋法、吸附法、共价偶联法，以及交联法等（图2-3）。

1．包埋法将酶或含酶菌体包埋在多孔载体中，使酶固定化的方法称为包埋法。

包埋法根据载体材料和方法的不同，可以分为凝胶包埋法和微胶囊包埋法。

凝胶包埋法是将酶和含酶菌体包埋在各种凝胶内部的微孔中，制成一定形状的固定化酶的方法。

最常用的凝胶有琼脂、琼脂糖、海藻酸钙、卡拉胶、聚丙烯酰胺等。

微胶囊包埋法是将酶包埋在高分子半透膜中，制成微胶囊固定化酶的方法。

常用的半透膜有尼龙膜、醋酸纤维膜等。

2．吸附法利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面而使酶固定化的方法称为吸附法。

吸附法常用的吸附剂有活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、硅胶、羧基磷灰石等。

吸附法制备固定化酶，操作简便、条件温和，不会引起酶的变性失活，载体价廉易得，而且可反复使用。

但由于是靠物理吸附作用，结合力较弱，酶与载体结合不太牢固而易脱落。

3．共价偶联法利用酶活性中心外的非必需基团与固相载体上的基团共价结合而制成固定化酶的方法叫共价偶联法，也叫共价结合法。

这种方法的优点是酶与载体牢固，制得的固定化酶稳定性好。

缺点是制备过程中反应条件较为强烈，难以控制，易使酶变性失活。

共价偶联法常用的载体有纤维素、葡聚糖、琼脂糖、甲壳素等。

4．交联法交联法是采用双功能试剂使酶分子之间或酶分子与固相载体之间发生交联作用而制成固定化酶的方法。

常用的双功能试剂有戊二醛、己二胺、顺丁烯二酸酐、双偶氮苯等。

其中应用最广泛的是戊二醛。

用交联法制备的固定化酶结合牢固，可长时使用。

固定化酶技术在工业生产中的应用固定化酶技术是指将酶固定在载体上，形成固定化酶，在工业生产中应用广泛。

相比自由酶，固定化酶有很多优点，例如稳定性和重复使用性强，能够降低生产成本和环境污染，提高生产效率等。

下面本文将从固定化酶技术的概念、优点、应用以及未来发展等方面来阐述其在工业生产中的应用。

一、固定化酶技术的概念固定化酶技术是一个将酶固定到载体上，形成固定化酶的过程。

这种酶的形式可以是不同的，如固态酶或糖基载体。

使用固定化酶可以带来很多优点，如稳定性、重复使用性、环保、酶失活率低等，从而带来经济效益等显著效果。

固定化酶技术的应用范围非常广泛，包括医药、食品、工业生产等领域。

二、固定化酶技术的优点1、稳定性相比自由酶，固定化酶由于可以固定在载体上，因此可以提高酶的稳定性。

酶与载体形成的复合结构，可以使酶受到保护，减少不必要的结构或功能的损失，使酶的特殊性质更好地发挥，避免了一些化学反应和粘性的问题。

2、重复使用性固定化酶技术具有较高的重复使用性，而自由酶只能使用一次，因此，固定化酶更优越，在使用过程中，更可以起到长时间的使用和连续生产的作用，可降低生产成本，提高经济效益。

3、环保相比自由酶，固定化酶对环境污染要小得多。

自由酶使用后，会在环境中分解，产生污染。

而固定化酶则将酶固定在载体上，可以重复使用，不污染环境。

4、降低酶失活率自由酶使用过程中，受到温度、PH值等因素的影响非常大，会使酶失活，效果大打折扣。

而固定化酶则对外界因素的敏感性较低，因此失活率低，保证了其稳定性和生产效率。

三、固定化酶技术在工业生产中的应用1、生物质转化生物质转化在生物化学制药、生物化工和农业生产等领域中具有重要的地位和广阔的应用前景。

它是利用生物体无机盐、有机质分泌的酶来进行的。

在生物质转化生产过程中，固定化酶技术的应用变得越来越普遍和重要。

例如：在木质素降解中，采用固定化酶可以大幅度提高木质素的酶解效率和催化活性，因为固定化酶可以提高酶附着的载体稳定性和活性，使其能够持续进行反应，有效提高产量和质量。

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。

1）离子键结合法：通过离子键使酶与载体结合的固定化方法称为离子键结合法所用载体是某些不溶于水的离子交换剂。

常用的有：DEAE-纤维素、TEAE-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶等。

2）共价键结合法载体基质通常是水不溶性的，这些载体包括：（1）天然载体：琼脂、琼脂糖、几丁质、纤维素、胶原蛋白等；（2）有机合成聚合物：聚亚胺酯、聚环氧丙烷、聚乙烯醇、尼龙等（3）无机载体：玻璃、氧化铝、硅胶、磁铁矿、氧化镍等。

用于连接载体的酶蛋白氨基酸残基上的反应功能基团有：Asp Glu侧链的—COOH、C-末端的—COOH；Tyr的苯酚基；Cys的—SH；Lys的ε-NH2、N-末端—NH2；Thr、Ser的—OH；His的咪唑基。

在酶的固定化过程中，由于疏水性氨基酸通常被掩藏在酶蛋白分子的内部，所以疏水性氨基酸通常不参与形成共价键。

载体活化方法：（1）重氮化法（2）叠氮法（3）溴基化法（4）烷基化法等。

4、交联法借助双功能试剂使酶分子之间、酶分子之内、酶与惰性载体间进行相互交联，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、已二胺、顺丁烯二酸酐、双偶氮联苯等。

其中戊二醛最为常用，酶表面含有不止一个—NH2，戊二醛与酶上的-NH2发生Schiff反应，形成席夫碱，形成一个复杂的酶交联网络。

交联酶法借助双功能试剂使可溶性酶分子之间发生交联作用，制成网状结构的固定化酶的方法。

可视为一种无载体的固定化方法。

如木瓜蛋白酶在0.2%酶蛋白浓度，2.3%戊二醛，pH5.2～7.2，0℃下交联24h，可制成固定化酶。

共交联法共交联法是指酶分子在双功能试剂的作用下，与一些惰性蛋白或水不溶载体之间发生交联，可降低单纯酶分子之间交联反应所引起的活性丧失。

通常选用的惰性蛋白有牛血清蛋白、卵清蛋白、明胶、胶原蛋白、血红蛋白等。

如一定量的脲酶加入到2.5mL含6%牛血清蛋白、0.2%戊二醛的0.02mol/L 磷酸缓冲液中，混合均匀后降温至-30℃，再升温至4℃，静置4h，形成泡沫状聚合物，冷冻干燥后，即为固定化酶。