壳聚糖固定化酶研究进展

壳聚糖直接作为固定化酶载体

壳聚糖本身是一种多孔网状天然高分子粉粒材料,耐热性好,其分子中的羟基和氨基可形成活泼界面,对蛋白质有显著的亲合力 ,可将酶吸附通过离子键、氢键及范德华力而与载体结合。李志国等[ 4 ]以壳聚糖为载体,用物理吸附固定化脂肪酶,对影响固定化过程的各种因素进行考察,确定最优条件,结果表明:固定化酶的可操作性优于游离酶。

以壳聚糖为载体通过吸附制备固定化酶,酶不易失活,但酶与载体之间的结合力弱,在使用过程中酶分子易从载体上脱落,因此,多数情况下用吸附 — 交联法以提高其稳定性。最常用的交联剂是甲醛和戊二醛[ 5, 6 ],但更多采用戊二醛。吴茜茜等[ 9 ]研究了壳聚糖吸附和戊二醛交联对脂肪酶固定化的影响。蔡俊等[ 10 ]对谷胱甘肽硫转移酶的固定化、游离酶和固定化酶的酶学特性进行了研究,通过试验确定谷胱甘肽硫转移酶的最佳固定化条件为先用2%壳聚糖吸附酶,然后再加戊二醛交联,戊二醛浓度1.2%,交联时间为16h。王俊等[ 11 ]以壳聚糖为载体,采用戊二醛为交联剂的方法来固定海藻糖合成酶。赵江等[ 12 ]采用壳聚糖吸附和戊二醛交联的方法,将胃蛋白酶固定于壳聚糖上。

壳聚糖衍生物作为固定化酶载体

壳聚糖只能酸溶或溶于酸性水溶液 ,不能溶于有机溶剂。为了改善它的物理和化学特性可对壳聚糖进行化学修饰 ,如酰基化、 羧基化、 醚化、 Schiff反应、 N2 烷基化、 酯化、 氧化、 卤化、 接枝共聚、 络合等反应 ,生成一系列具有不同性能的衍生物[ 28 ],可用作固定化酶的载体。

壳聚糖在甲醇 /乙酸介质中与过量醛进行 Schiff碱反应 , 可生成醛亚胺化衍生物。魏荣卿等[ 29 ]以壳聚糖为载体 ,与双醛淀粉反应形成酶柔性固定化模型 (Chit osan2 DAS50) ,对木瓜蛋白酶进行柔性固定化 ,在酶用量为 14 . 4

mg/g (酶 /干球 )、 pH 8的条件下 ,固定木瓜蛋白酶 18 h,所得的固定化酶活力回收率达 72% ,相当于采用壳聚糖 — 戊二醛 (Chit osan,G A)载体的 3倍。

雷福厚等[ 30 ]将壳聚糖制备成壳聚糖铜高分子络合物 ,以配位键的形式对多酚氧化酶进行固定化 , ,过程为:P～NH2 + Cu2 -—P ～NH2Cu2 + enzymeP ～NH2Cu-enzyme

壳聚糖上的 - NH2可以与 Cu2 +形成高分子络合物。由于高分子键的刚性作用 ,此络合物的 Cu2 +配位未饱和 ,可以进一步与酶中的游离氨基配位 ,使酶以配位键的形式固定在壳聚糖上 ,此方法称为高分子配位键法。这种方法制备简单 ,酶损失少。壳聚糖铜固定化多酚氧化酶在最佳 pH值、 热稳定性、 底物对酶的抑制及米氏常数等方面均表现出酶催化特征。说明以功能高分子化合物为载体 ,以 Cu2 +为配位中心 ,通过配位桥键的形式将酶固定在高聚物上 (即高分子配位键法 ) 是可行的。 宋扬等[ 31 ]以壳聚糖微珠为载体 ,以 CuS O4络合、 甲醛改性、 表氯醇

(32 氯 2 1 , 2 2 环氧丙烷 )和氨水修饰 ,戊二醛活化 ,偶联牛胰蛋白酶配基 ,制成抑肽酶亲和吸附剂 — — — 化学改性与修微球壳聚糖固定化胰蛋白酶。方法过程简单 ,样品酶比活为 5 700 KI U / mg,质量稳定 ,成本较低 ,且该吸附剂机械强度高 ,抗污染能力较强 ,非特异性吸附较小 ,可以反复使用 ,价格低廉 ,适合工业化生产。由于微球壳聚糖载体分子上存在大量游离氨基 ,化学性质极其活泼 ,表现为 pH有缓冲作用 ,且能与酶催化产物醌反应。为解决上述问题 ,肖厚荣等[ 32 ]先用Cu2 +与壳聚糖上的部分氨基络合 ,将其保护起来 ,然后在弱碱性条件下使微球壳聚糖与中性甲醛反应 ,未络合的游离氨基及乙酰氨基转变成化学性质不活泼的一羟基或二羟基氨基。载体经化学修饰 ,增加反应基团数 ,从而提高吸附容量和固定化酶单位活

力。比较试验表明:经修饰后壳聚糖偶联多酚氧化酶比对照高 2 . 3倍。

刘峥等[ 33 ]以过硫酸钾 /亚硫酸氢钠为引发体系制备丙烯腈接枝壳聚糖的共聚物 ,并以其为载体固定化α2 淀粉酶探讨固定化酶的最佳制备条件和固定化酶的性质 ,并与游离酶壳聚糖作为载体的固定化α2 淀粉酶进行了比较 ,结果表明:丙烯腈接枝壳聚糖共聚物是固定化α2 淀粉酶的优良载体。

袁春桃等[ 34 ]也以接枝共聚物壳聚糖 2 g2 丙烯腈作为载体固定化木瓜蛋白酶 ,试验表明:壳聚糖 2 g2 丙烯腈可以较好地吸附、 包结木瓜蛋白酶 ,固定化酶的酶活力较高 ,且稳定性得到提高。

方波等[ 35 ]以壳聚糖为原料 ,采用反相悬浮交联的方法制取微球型壳聚糖颗粒 ,再进行羟丙基氯化及胺基化 ,制备一系列新型壳聚糖胺基衍生物微球。他在壳聚糖微球的分子结构中分别引入羟丙基和不同种类的胺基 ,使其结构中胺基含量上升 ,碱性增强 ,成为新型壳聚糖胺基衍生物微球 ,并初步考察其吸附牛血清白蛋白 (BS A) 性能。方波等[ 36 ]还研制了新型壳聚糖胺基衍生物 —

乙二胺羟丙基壳聚糖 ( EDA2HPCS) ,并将其用于固定天门冬酰胺酶。

Zhang、 Gong等[ 37 ]用聚乙二醇 ( PEG)修饰壳聚糖膜 ,结果表明: PEG可改善壳聚糖的性能而不破坏壳聚糖良好的生物相容性。

霍红光等[ 38, 39 ]

研究了聚乙二醇改性壳聚糖

( PEG2 CS) 固定化 L2 天门冬酰胺酶催化缓冲液中天冬酰胺

的反应过程 ,结果表明:在适当的反应条件下 ,聚乙二醇改性

壳聚糖固定化 L2 天门冬酰胺酶可以很好地水解缓冲液中的

天冬酰胺。有报道[ 40, 41 ]

用一种新型的交联剂 — — — 三羟甲基磷

( THP)与壳聚糖胺基发生 Mannich反应生成壳聚糖 2 THP,接

着壳聚糖 2 THP与α2 葡萄糖苷酶的胺基再一次发生 Mannich

反应完成固定化。交联反应在室温下自动进行 ,所形成的 P2 CH2 2 N键非常稳定 ,不被水解 ,可长期保存[ 42 ]

。THP是用四

羟甲基氯化磷 ( THPC)加 KOH反应得到的 ,而 THPC是一种

工业化大生产的阻燃剂 ,价格便宜 ,易于买到。卢大胜等[ 43 ]

用这种新型的交联剂 — — — 三羟甲基磷 ( THP)和壳聚糖载体

固定α2 葡萄糖苷酶 ,该固定化酶的酶活性 OD值达到 0 . 229,

酶活力回收率为 41 . 2% ,是采用戊二醛作为交联剂活性的 9

倍 ,另外其酸碱稳定性、 耐有机溶剂性、 热稳定性及贮存稳定

性与游离的酶和用戊二醛作交联剂固定的该酶相比有较大

提高。

彭立凤等 研究了壳聚糖涂层在纤维素滤纸上成膜后

再固定化猪胰脂肪酶的最佳条件。该方法反应条件温和 ,步

骤少 ,简便易行 ,得到的固定化酶最适温度比游离酶提高了

5 ℃,这对其催化油脂水解反应是非常有利的。

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