酶的固定化技术及其应用

王冰,张荣华

（哈药集团技术中心，黑龙江哈尔滨150025）

将原来呈水溶性的酶通过物化方式处理后，使其与固态的水不溶性支持物结合或被载体包埋的酶处理方式称为酶的固定化技术。传统的酶固定化法可以分为4种，即包埋法、交联法、吸附法和载体偶联法[1]。近年来，对固定化酶的研究领域主要集中在探索延长固定化酶的半衰期、降低成本、提高酶的活性收率等新的酶固定化技术方面。

1 传统酶固定化法的分类

1.1 包埋法

将酶与载体混合，借助引发剂使二者进行聚合反应，然后通过物理作用把酶限制在载体的网格之中来实现酶固定化的方法叫做包埋法。这种方法由于没有涉及到酶分子的化学变化和酶的构象，而且反应条件非常温和，因此酶活的回收率比较高。这种方法形成的固定化酶缺点是容易漏失，常常存在扩散限制的问题，因而不适合反应底物为大分子的催化反应。

1.2 交联法

利用多功能或者双功能交联剂，在交联剂和酶分子之间形成共价键，在交联体系中加入不同材料以及采用不同交联条件来产生物理性质各不相同的固定化酶的方法称为交联法。交联法的缺点是可能使酶的活性降低，并且交联剂的价格比较昂贵，因此交联法一般不单独使用，而是将这一方法做为其他固定化法的辅助方式[2]。

1.3 吸附法

吸附法包括离子交换吸附法和物理吸附法。吸附法的优点是对酶催化活性的影响小、酶的构象变化小；缺点是载体和酶之间的结合力弱，在不适合的pH和离子强度条件下或者高盐浓度和高温的条件下，酶极易从载体上脱落下来，导致催化活力的降低甚至丧失和污染催化反应产物等。因此，吸附法虽然是最早出现的方法，但应用受到限制。

1.4 载体偶联法

载体偶联法又称共价结合法[3]，是指载体表面的功能活性基团与酶分子表面的基团通过形成共价健来实现不可逆结合的酶固定化法。这种方法的优点是所得到的固定化酶与载体结合的非常牢固，有极好的稳定性和重复使用性，是最为常见的方法。

2 新型酶固定化方法

2.1 酶的定向固定化

将酶与载体在任意位点进行连接的方法是传统的固定化酶的方法，但是这种方法往往由于酶的活性位点得不到充分的暴露，而存在使酶的固定化量降低的缺陷。因此，定向化固定酶的技术成为了今后研究的热点。这一方法适用于容易接近酶活位点的大分子底物。

2.2 新型载体固定化酶

载体的性能对固定化酶有着较大的影响。物理和化学性质的稳定、抗微生物降解的性能、较高的结合能力以及较好的机械强度等特性都是理想的载体所要具备的条件。天然的无机或有机材料、进行了改性设计的传统载体、高分子合成载体材料和高分子复合物等都属于新型载体。其中高分子复合物是指两种或多种不同性质的高分子体系聚集在一起而形成的一些具有特殊功能的一种新型载体。运用高新技术手段来研究设计新型载体，从而对传统的固定化技术进行改进，是固定化酶今后发展的趋势。

3 固定化酶的性质

一般认为有两种原因会使固定化酶性质发生改变，一种是由于酶本身活性中心的氨基酸残基改变、高级结构的变化和带电荷状态等发生了变化；另一种是受载体的物化性质的影响，主要体现在载体的周围形成了能对固定化酶产生影响的扩散层和静电荷相互作用而引起的变化。酶性质的改变一般表现在温度、稳定性和pH值上。酶固定化后的最适温度比一般的天然酶大致会提高5-10℃；酶固定化后的稳定性会有所提高；酶固定化后的最适pH活性曲线有时会变化，有时则不会。

4 固定化酶的应用

4.1 固定化酶在工业生产中的应用

固定化酶最大的应用是用于工业生产。1972年产生的固定化葡萄糖异构酶是世界上生产规模最大的一种固定化酶，这种固定化酶可以用来催化玉米糖浆，使其生产高甜度的高果糖糖浆。今年来，经过科学家们不断的研究，从链霉菌和芽孢杆菌中提取到的葡萄糖异构酶已经被成功固定，并且大量应用于工业生产中。在今后的几十年中，无论是国内市场还是国外市场，固定化葡萄糖异构酶无疑都将是市场份额最大而且应用最广泛的固定化酶。

4.2 固定化酶在临床医疗中的应用

近年来，由酶学发展出来的酶疗法已经广泛地在医药医疗方面得到应用。但是，酶作为药物用于治疗目的来讲，它的缺点也是显而易见的。由于酶是一种活力较低的蛋白质，本身不稳定，因此很容易被蛋白酶水解成多肽而失去治疗效果。而且酶进入人体后会使人产生抗体，而这种抗体反应严重的话则会导致病患的过敏性休克。但是如果可以先将固定化酶做成微小的胶囊型，再注入到体内，就可以增加其自身的稳定性，并且能够避免与人体的体液相接触导致产生抗体。而且这种微胶囊可以生物降解，具有良好的生物相容性，避免了长期存留在人体内带来的副作用。

5 展望

目前，酶固定化技术已在许多行业得到广泛应用。今后，固定化酶研究的主要趋势，在于改进传统的固定化法、开发新型的固定化技术和天然高分子改性载体的研究。而利用纳米技术、超临界技术和膜技术等技术手段来进行酶的固定化，也必定会成为今后研究的热点。同时，未来研究的重点还将侧重于开发新型和高效的固定化酶反应器，从而来进一步提高生产力和转化率。随着固定化酶技术在各行各业的广泛应用，酶固定化技术也必将会得到进一步的发展。

[1]Yesim Y.Utilization of bentonite as a support material for im⁃mobilization of Candida rugosa lipase[J].Process Biochemistry,2005,40:2155-2159.

[2]Fernando L G,etal.Enzyme stabilization by glutaraldehyde crosslinkin g of adsorbed proteins on aminated supports[J].Journal of Biotechnology,2005,119:70-75.

[3]陈建龙.固定化酶研究进展[J].化学与生物工程.2006,23(2).