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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（immobilized enzyme）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（mesoporous silica particles）。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。Jungbae Kim 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 1 “洋葱”状介孔硅以及负载酶分子示意图 随着近些年来对石墨烯（graphene）的不断研究，石墨烯材料应用 [4] 于酶固定化载体也吸引了广大学者的研究。Shouwu Guo 等 以氧化石 墨烯（GO）为载体材料研究了它的酶固定化作用。他们发现，酶分子可 以在氧化石墨烯薄片的表面很容易地发生固定化，而不需要添加交联 剂或进行额外的表面改性。这是因为氧化石墨烯的表面富有很多的功 能性基团，通过静电作用即可快速实现酶固定化。 2.2 高分子载体材料 高分子材料用于酶固定化的研究也很广泛，按其来源可分为天然 高分子材料和合成高分子材料。 天然高分子来源广泛，因而最早被加以研究。诸如聚多糖及其衍 生物类（壳聚糖、纤维素、淀粉等）都可被用作酶固定化载体。Georg M. Guebitz 等[5]利用壳聚糖（CTS）负载纤维二糖脱氢酶（CDH），研究了在 吸附和交联的情况下该体系的温度稳定性。交联剂分别采用碳二亚胺 和戊二醛。可以发现，对于用碳二亚胺交联的 CDH-CTS 体系表现出 优异的热稳定性。 图2. 壳聚糖粒子用于酶固定化载体及其稳定性研究 合成高分材料用于酶固定化载体以树脂材料为主，一般做成具有 大孔的颗粒或者微珠状。这类材料不仅机械性能好