固定化酶和固定化细胞.ppt
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1、第四章 固定化酶和固定化细胞(2学时),主要内容:1 固定化酶的定义与优点 2 酶固定化技术发展史 3 固定化酶的制备方法 4 固定化酶的特性 5 固定化活细胞 6 酶催化反应器及其类型,游离酶的使用,蒸汽,酶解罐简易图,加热灭酶,酶无法回收,稳定性差,1 固定化酶的定义与优点,所谓固定化酶(immobilized enzyme),是指在一定的空间范围内起催化作用,并能反复和连续使用的酶。,固定化酶的优点:,(1)同一批固定化酶能在工艺流程中重复多次地使用;(2)固定化后,和反应物分开,有利于控制生产过程,同时也省去了热处理使酶失活的步骤;(3)稳定性显著提高;(4)可长期使用,并可预测衰变的
2、速度;(5)提供了研究酶动力学的良好模型。,2 酶固定化技术发展史,1916年,Nelson和Griffin将蔗糖酶吸附在骨炭粉上,吸附以后酶不溶于水且具有和液体酶同样的活性,实现了酶的固定化,可惜长期未得到重视。,1953年Grubhofer和Schleith将聚氨基苯乙烯树脂重氮化,然后将淀粉酶等与这种载体结合,制成了固定化酶。60年代后期,酶固定化技术迅速发展,出现了很多新的酶固定化方法。,1969年,千畑一郎等将固定化氨基酰化酶应用于DL-氨基酸的光学拆分上,来生产L-氨基酸,开创了固定化酶应用于工业生产的先例。1973年,将固定化微生物细胞首次应用于工业生产。,目前,固定化技术已经取
3、得了许多重要成果,充分发挥了固定化酶和固定化细胞在改革工艺和降低成本方面的巨大潜力。但从目前的发展状况来看,尽管酶种类繁多,但已经固定化的酶却相对有限,采用固定化酶技术大规模生产的企业尚属少数,真正在工业上使用的固定化酶还仅限于葡萄糖异构酶、葡萄糖氧化酶和青霉素酰化酶等为数不多的十几个酶种,故仍需大力研究开发使更多的固定化酶和细胞能适用于工业规模生产。,应用现状:,3 固定化酶的制备方法,酶的固定化方法主要可分为四类:吸附法、包埋法、共价键结合法和交联法。对于特定的目标酶,要根据酶自身的性质、应用目的、应用环境来选择固定化载体和方法。,在具体选择时,一般应遵循以下6个原则。,(1)酶与载体的结
4、合部位不应当是酶的活性部位,固定化时应采取尽可能温和的条件。(2)酶与载体必须有一定的结合程度,利于反复使用。(3)用于固定化的载体必须有一定的机械强度,不易破坏或受损。(4)固定化应尽可能不妨碍酶与底物的接近,以提高催化效率和产物的量。(5)所选载体应不和底物、产物或反应液发生化学反应。(6)固定化酶的成本适中,以利于工业使用。,3.1吸附法,吸附法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的方法,是固定化中最简单的方法。酶与载体之间的亲和力是范德华力、疏水相互作用、离子键和氢键等。吸附法又可分为物理吸附法和离子吸附法。,物理吸附法是通过物理方法将酶直接吸附在水不溶性载体表面
5、上而使酶固定化的方法。是制备固定化酶最早采用的方法。常用的载体:纤维素、胶原、淀粉及面筋、活性炭、氧化铝、皂土、多孔玻璃、硅胶、二氧化钛、羟基磷灰石等。优点:操作简单、价廉、条件温和,载体可反复使用,酶与载体结合后,活性部位及空间构象变化不大,固定化酶活力较高。缺点:酶和载体结合不牢固,在使用过程中容易脱落,常与交联法结合使用。,(1)物理吸附法,离子吸附法(ion adsorption)是将酶与含有离子交换基团的水不溶性载体以静电作用力相结合的固定化方法,即通过离子键使酶与载体相结合的固定化方法。DEAE-纤维素吸附的-淀粉酶、蔗糖酶已作为商品固定化酶。具有操作简便、条件温和、酶活力不易丧失
6、等优点。此外,吸附过程同时可以纯化酶。,(2)离子吸附法,3.2包埋法,包埋法是将酶包埋在高聚物的细微凝胶网格中或高分子半透膜内的固定化方法。前者又称为凝胶包埋法,酶被包埋成网格型;后者又称为微胶囊包埋法,酶被包埋成微胶囊型。,(1)凝胶包埋法,凝胶包埋法常用的载体有海藻酸钠凝胶、角叉菜胶、明胶、琼脂凝胶、卡拉胶等天然凝胶以及聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和光交联树脂等合成凝胶或树脂。,1-2%海藻酸钠+酶液,E,E,E,E,5%CaCl2溶液,(2)微胶囊包埋法,微胶囊包埋即将酶包埋在各种高聚物制成的半透膜微胶囊内的方法。它使酶存在于类似细胞内的环境中,可以防止酶的脱落,防止微囊外的环境直接接触,从而
7、增加了酶的稳定性。常用于制造微胶囊的材料有聚酰胺、火棉胶、醋酸纤维素等。适合于小分子为底物和产物的酶的固定化。如脲酶、天冬酰胺酶、尿酸酶、过氧化氢酶等。,3.3共价键结合法,共价键结合法(covalent binding)是将酶与聚合物载体以共价键结合的固定化方法。酶蛋白上可供载体结合的功能基团有以下几种:(1)酶蛋白N末端的-氨基或赖氨酸残基的-氨基。(2)酶蛋白C末端的-羧基、天门冬氨酸残基的-羧基以及谷氨酸残基的-羧基。(3)半胱氨酸残基的巯基。(4)丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基的羟基。(5)组氨酸残基的咪唑基。(6)色氨酸残基的吲哚基。(7)苯丙氨酸和酪氨酸残基的苯环。,其中最普遍的共价
8、键结合基团是氨基、羧基以及苯环。常用来和酶共价偶联的载体的功能基团有芳香氨基、羟基、羧基和羧甲基等。这种方法是固定化酶研究中最活跃的一大类方法,但必须注意,参加共价结合的氨基酸残基应当是酶催化活性非必需基团,如若共价结合包括了酶活性中心有关的基团,会导致酶的活力损失。,用共价键结合法制备的固定化酶,酶和载体之间都是通过化学反应以共价键偶联。由于共价键的键能高,酶和载体之间的结合相当牢固,即使用高浓度底物溶液或盐溶液,也不会使酶分子从载体上脱落下来,具有酶稳定性好、可连续使用较长时间的优点。但是采用该方法时,载体活化的难度较大,操作复杂,反应条件较剧烈,制备过程中酶直接参与化学反应,易引起酶蛋白
9、空间构象变化,酶活回收率一般为30%左右,甚至酶的底物的专一性等性质也会发生变化,往往需要严格控制操作条件才能获得活力较高的固定化酶。,3.4交联法,交联法(cross-linking)是使用双功能或多功能试剂使酶分子之间相互交联呈网状结构的固定化方法。由于酶蛋白的功能团,如氨基、酚基、巯基等参与反应,所以酶的活性中心构造可能受到影响,使酶明显失活。常用的双功能试剂有戊二醛、己二胺、异氰酸衍生物、双偶氮联苯和N,N-乙烯双顺丁烯二酰亚胺等,其中使用最广泛的是戊二醛。戊二醛和酶蛋白中的游离氨基发生Schiff反应,形成薛夫碱,从而使酶分子之间相互交联形成固定化酶。,以上四种固定化酶方法各有其优缺
10、点(见表4-1)。往往一种酶可以用不同方法固定化,但没有一种固定化方法可以普遍地适用于每一种酶。在实际应用时,常将两种或数种固定化方法并用,以取长补短。,4 固定化酶的特性,4.1固定化酶的形状,固定化酶的形式多样,依不同用途有颗粒、线条、薄膜和酶管等形状。其中颗粒占绝大多数,它和线条主要用于工业发酵生产,如装成酶柱用于连续生产,或在反应器中进行批式搅拌反应;薄膜主要用于酶电极,应用于分析化学;酶管机械强度较大,亦宜用于工业生产。,4.2酶活力,固定化酶的活力在多数情况下比天然酶的活力低,其原因可能是:酶活性中心的重要氨基酸残基与水不溶性载体相结合;当酶与载体结合时,它的高级结构发生了变化;酶
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