酶固定化载体材料综述

酶的固定化载体材料综述摘要：固定化酶是一种高效、高选择性和反应条件温和的生物催化剂。有关酶固定化的研究越来越受到人们的重视，相关的研究报道很多。酶固定化载体材料按组成可分为无机载体材料、高分子载体材料以及复合载体材料三大类。本文从这三个方面简单综述了一些相关研究实例。关键词：酶固定化，载体材料，无机，高分子，复合材料1.引言酶（enzyme）是天然的生物催化剂，可以在常温、常压下参与体内的各种代谢反应。相比于传统的催化剂，由于具有能量消耗低、催化效率高、立体选择性专一以及合成路线较短等特点，使用酶催化反应被认为是环境友好且经济的[1]。然而，酶也不可避免地存在一些缺点，比如反应操控性低，不能回收利用，难以商品化发展。为克服这些问题，固定化酶（immobilizedenzyme）的概念被提了出来。早在1910年，人们就已经开始了酶的固定化研究，然而直到上世纪60年代，酶固定化技术才得到快速发展。通俗来讲，酶固定化就是利用固体材料将游离态的酶在一定范围内束缚受限起来，赋予酶易分离、可回收利用等特点的同时保持其本身优异特性不变。研究酶的固定化可从两个方向进行，一个是固定化方法与技术的改进，另一个方向是改进或开发新的用于固定化的载体材料。对于前者，我们知道，主要的方法包括吸附法（包含物理吸附与离子吸附），交联法，共价键法以及包埋法，以及近年来研究得比较多的定向固定技术等[2]。对于后者的研究，我们也能发现，越来越多的新材料开始被开发应用于酶固定化。本文从载体材料方向出发，结合若干实例，来简单介绍下酶的固定化研究。2.酶固定化载体材料经过半个多世纪的发展，已经开发出来的用于固定化酶的载体种类繁多。按照载体材料的基本组成，可以分为无机载体材料、高分子载体材料、复合载体材料三大类。2.1无机载体材料这一类研究得比较多的是介孔材料，如介孔硅粒子（mesoporoussilicaparticles）。根据国际纯粹与应用化学（IUPAC）定义，孔径在2-50nm的材料被称为介孔材料。一般选取孔径略大于酶分子直径的介孔材料作为载体，并且在酶被吸附到孔中后，利用硅烷化处理等技术将孔口直径大幅缩小以防止酶在反应中脱附流失。我们知道，介孔硅粒子有很大的比表面积，而一般情况下，酶分子都是被吸附到孔的内表面。JungbaeKim等[3]制备了一种“洋葱”状多层的介孔硅。如图1所示，显然，这种结构的载体材料可以实现更高的酶的负载率。除此之外，相比较传统介孔硅纳米粒子，该结构由于没有外层表面，它能够使负载的酶具有更好的热稳定性。作者提出所谓的纳米酶反应器（NER），以脂肪酶为例，将每层中的酶分子交联起来，可以有效防止酶分子从载体中脱附下来。图3.左：不同尺寸的树脂粒子对脂肪酶的吸附等温线右：粒子尺寸对ε-己内酯的开环聚合反应的影响2.3复合载体材料复合体系可以是无机/无机、无机/高分子或高分子/高分子。这类用于酶固定化载体的复合材料有很多，比如JohnH.T.Luong等[7]采用的纤维素纳米晶体/金纳米粒子复合物体系，PedroTartaj等[8]研究得超顺磁二氧化硅/氧化铁复合体系，DavidB.Henthorn等[9]使用的聚乙二醇甲醚/单壁碳纳米管复合体系等等。其中，磁性高分子微球是典型的该类载体材料。与其他载体材料相比，这种载体材料具有易从反应体系中分离回收，操作简便，成本较低等诸多优点，受到国内外学者的广泛研究关注[10]。LiQi等[11]研究了用Poly(2-Vinyl-4，4-dimethylazlactone)功能化的四氧化三铁磁性粒子来作为酶固定化载体。制备过程如图4所示，Fe3O4表面涂覆一层二氧化硅以保护粒子表面，防止粒子聚沉，同时也能提高粒子表面可修饰性和降低潜在的毒副作用。最后将PVDMF接枝到粒子表面。PVDMF可以与L-天冬酰胺酶共轭从而达到固定化酶的作用。图4.L-天冬酰胺酶固定化到PVDMF修饰的Fe3O4磁性粒子表面示意图3.结束语传统的酶在水相中不稳定，它在工业大规模生产中不利于推广，故而产生了酶的固定化技术。发展了半个多世纪以来，形形色色的载体材料层出不穷，市面已经有了很多商品化产品如MCM-41和SBA-15等，但很多还仅仅是停留在实验室阶段，距离工业化商品化还有一定的距离。总之，一方面我们要继续寻找开发可用的载体材料，另一方面，我们也需要改进现有材料，提升其酶固定化性能。

参考文献：ZhouZhouandMartinHartmann，Chem.Soc.Rev.[J]，2013，42，3894-3912徐莉，侯红萍，酿酒科技[J]，2010，No.18701:86-89+94Seung-HyunJun，JungbaeKimetal.,Chem.Mater.[J]，2012，24，924−929JialiZhang，ShouwuGuoetal.,Langmuir[J]，2010，26(9)，6083–6085BarbaraThallinger，GeorgM.Guebitzetal.,ACSAppl.Mater.Interfaces[J]，2016，8，967−973BoChen，RichardA.Grossetal.,Langmuir[J]，2007，23，1381-1387KhaledA.Mahmoud，JohnH.T.Luongetal.,ACSAppl.Mater.Interfaces[J]，2009，7，1383–1386TeresaValdés-Solís，PedroTartajetal.,Chem.Mater.[J]，2009，21(9)，1806–1814PuZhangandDavidB.Henthorn，Langmuir[J]