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1、固定化酶及在医药中的应用,Contents,酶工程及固定化技术发展史,1,酶的固定化方法,2,应用,3,展望,4,酶工程简介,酶工程是酶学和工程学相互渗透发展而成的一门新的技术科学。它是从应用的目的出发，研究酶，应用酶的特异性、催化功能，并通过工程化将相应的原料转化成有用物质的技术,酶工程及固定化技术发展史,在20世纪20年代，就出现了酶工程，以自然酶制 剂在工业上大规模应用的特征，原料以动植物为主,1953年，Grubhoger Schleith 用重氮化聚氨基聚苯乙烯树脂 对羧肽酶、蛋白酶、核酸酶等进行固定，产生了固定化酶技术。,酶工程及固定化技术发展史,1969年，千田一郎等用固定化氨基
2、酰化酶技术拆分了DL-氨基酸，生产L-氨基酸，随后固定化天冬氨酸酶生产L-天冬氨酸等，开创了固定化酶应用的局面。,1971年，第一次国际酶工程会议在美国召 开，会议主题是固定化酶的研制和应用 确定固定化酶（Immobilized Enzyme）统一名称,酶工程及固定化技术发展史,1973年，日本首次在工业上固定化大肠杆菌菌体中天门冬氨酸酶，由反丁烯二酸连续生产L-天门冬氨酸,固定化死菌体,1976年，法国首次用固定化酵母细胞生产啤酒和酒精,固定化细胞,1979年固定化毛地黄细胞和长春花细胞成功,固定化植物细胞,1982年日本固定化黄色短杆菌原生质体生产谷氨酸,固定化原生质体,固定化酶,固定化酶
3、(Immobilized Enzyme）：通过物理的或化学的手段，将酶束缚于水不溶的载体上，或将酶束缚在一定的空间内，限制酶分子的自由流动，但能使酶充分发挥催化作用,固定化酶制备原则,（1）维持酶的催化活性及专一性 （2）有利于生产自动化、连续化 （3）应有最小的空间位阻 （4）酶与载体必须结合牢固 （5）应有最大稳定性，载体不与废物、产物或 反应液发生化学反应 （6）成本要低,固定化酶的优点,长时间使用，在绝大多数情况下提高了酶的稳定性，有利用工艺的连续化和管道化,酶的使用效率提高，适合于多酶反应,酶反应过程可以严格控制，有利于工艺自动化和微电脑化,极易将固定化酶与底物、产物分开,1,2,3
4、,4,优点,固定化酶的缺点,增加了固定化的成本，使工厂开始投资大,只能用于可溶性的底物和小分子底物，对大分子底物不适宜,酶固定化时酶的活力有所损失.,酶的固定化方法,酶的固定方法,载体结合法,物 理 吸 附 法,离 子 结 合 法,共 价 结 合 法,交联法,包埋法,网格型,微囊型,载体结合法,共价结合法,离子结合法,物理吸附法,1,2,3,物理吸附法,通过氢键、疏水作用和电子亲和力等物理作用，将酶固定于水不溶载体上从而制成固定化酶 常用载体： 无机载体：活性炭，多孔玻璃，氧化铝，硅胶等 天然高分子载体：淀粉，谷蛋白等,优点：操作简单，条件温和，不会引起酶变性失活，载体廉价易得，可反复使用 缺
5、点：物理吸附结合能力弱，酶与载体结合不牢固易脱落,离子结合法,利用含有离子交换基团的固相载体与酶蛋白分子的带电基团互相吸引（靠离子链）而形成络合物 载体：多糖类离子交换剂、合成高分子交换树脂 如DEAE-纤维素，IR-45等 优点：操作简单，处理条件温和，能得到酶活回收率较高的固定化酶 缺点：载体和酶的结合力较弱，离子键结合较松散，易受缓冲液种类或pH的影响，,共价结合法,是酶以共价键结合于载体上的固定化方法 常用载体： 天然有机载体：多糖、蛋白质、细胞等 无机物：玻璃、陶瓷等 合成聚合物：聚酯、聚胺、尼龙等,优点：酶与载体结合牢固，稳定性好，酶不易脱落 缺点：反应条件苛刻，操作复杂，可能会破
6、坏酶的活性中心,交联法,借助双功能试剂使酶分子之间发生交联作用，制成网状结构 特点：此法与共价结合法一样也是利用共价键固定酶的，所不同的是不使用载体 常用交联剂：戊二醛、己二胺、双偶氮苯等,优点：结合牢固，可以长时间使用 缺点：因交联反应激烈，酶分子多个基团被交联，酶活损失大，颗粒较小，使用不便,包埋法,聚合物的单体与酶溶液混合，再借助于聚合助进剂(包括交联剂)的作用进行聚合，酶被包埋在聚合物中以达到固定化 分类：网格型（凝胶包埋法）；微囊型（微囊化法）,常用的酶固定化载体,吸附法,物理吸附,离子吸附,活性炭,氧化铝,碳酸钙,胶棉,多孔玻璃,矾土,二氧化硅,淀粉,羟甲基纤维素,DEAE-纤维素
7、,TEAT-纤维素,阳离子交换树脂,阴离子交换树脂,包埋法,卡拉胶,海藻胶,硅胶,聚丙烯酰胺凝胶,琼脂,聚乙烯醇,明胶,共价结合法,纤维素,Sephadex A 200,琼脂,对氨基苯纤维素,聚丙烯酰胺,尼龙,多孔玻璃珠,传统载体材料的改性,载体材料的性能直接影响其固定化酶的催化活性 理想的载体材料应具备良好的机械强度、热稳定性、化学稳定性、耐生物降解性及对酶的高度亲和性，并能保持较高的酶活性等 传统的无机载体材料一般是借助吸附方法来制备固定化酶，或经小分子化学改性以共价键合方式制备固定化酶,传统无机载体存在问题,结构不易调控,传质差,键合酶的能力差,利用组成和结构可调控的有机聚合物对传统无机
8、载体材料改性修饰，制备兼具两者优良特性的复合载体,如用右旋糖苷对硅胶表面改性修饰可改善其表面的生物亲和性，用于固定葡萄糖苷酶时可大大提高酶的负载量,新型载体,磁性载体,导电聚合物,光敏性基团的载体,温敏载体,新型 载体,磁性体Fe3O4与聚苯乙烯、含醛基聚合物一起溶解混合后，再除去溶剂可获得磁性载体,应用,1. 固定化酶在氨基酸生产上的应用,固定化酶医药上的应用,固定化酶医药上的应用,2. 用大孔径N-聚氨乙基丙烯酰胺为载体，将前列腺素合成酶固定化，合成前列腺素衍生物E1 3.将葡聚糖磁性毫微粒固定化L-天冬酰胺酶，通过血液注射治疗急性淋巴白血病 4.琼脂糖固定化牛胰核糖核酸酶能很好地催化合成重要的寡核苷酸,固定化酶及其相应产品,展望,酶固定化技术已在食品工业、精细化学品工业、医药，尤其是手性化合物等行业得到广泛应用，在废水处理方面也取得了一定进展 固定化酶技术目前还存在固定效率低、载体的有毒性、成本高、稳定性差、不能大规模生产等问题 如何充分利用天然高分子载体对其改性，或利用超临界技术、纳米技术、膜技术等来固定酶，必定会成为研究的热点,Thank You,谢谢观看！ 2020,
