探討化工無機材料的酶固定化的應用

閆坤鵬(天河（保定）環境工程有限公司 河北保定 071000)

引言

酶作為一種純天然的高分子催化劑，具有極高的催化作用與選擇性特點且條件溫和、無污染，故廣泛被運用到食品加工與醫藥等各行各業中。但是，因自由酶所表現出的不穩定性與易變性等缺點致使其無法在工業中得到長久的應用與發展。加之作為催化劑的酶是在其反應體系中經過有效分離與提純的，故相對的增加了其使用成本，基于種種因素，固定化酶的相關概念與技術應運而生，并在各行各業中的得到了廣泛的推廣與應用。

一、酶固定化關于載體材料的性能要求

所謂“酶固定化”，指的就是通過物理或化學處理方法將原本水溶性酶同固態水不相溶的載體有機結合或是被載體包埋。而載體材料作為固定化酶中的一個組成部分，其結構與性能的好壞直接決定著固定化酶的性能，故近幾年來學者們也逐漸加大了對載體材料的研究，從天然高分子材料到合成高分子材料再到無機材料以及現有的復合材料等，載體材料發生了較大的變化[1]。但是，從整體上而言，固定化酶中的載體材料普遍具有以下幾個特點：一，帶有功能基團。通常情況下，載體材料都帶有能同酶發生反應的功能基團以提高兩者間的結合力，提高固定化酶的穩定性與操作性；二，比表面積較大，滲透性較好，以有利于固定化率的提高；三，具有不溶水性，且機械剛性與穩定性也非常好；四，材料粒徑較小，具有較好的生物抵抗性，能夠長時間使用，且再使用率較高。同時，隨著人類對公共衛生與環境保護問題的日趨關注，對載體材料的性能提出了更好的要求，如無毒性、可降解性，而在成本上也要求載體材料具有經濟實用性與來源豐富等優點。

二、不同無機材料酶固定化的應用

從上可知，固定化酶對于載體材料的選擇是具有極高要求的，下面，針對化工無機材料具體分析不同無機材料酶固定化的應用。

1.一般無機載體

一般大孔類的無機載體，可在充分利用其大比表面積與高氣孔率等優勢基礎上通過直接吸附法來固定化酶。如二氧化硅就因其具有較高的表面能與生物相容性而得到了廣泛的應用。有實驗就證明，若將固定于新鮮石墨電極表面且尺寸均勻的二氧化硅納米粒子作為載體來吸附脂肪酶，其固定化酶的酸堿度、溫度與耐受力都有明顯的提高，而使用壽命也有所增加，且催化活性幾乎提高了1倍；而有效采用交聯劑交聯吸附氧化鋁表面的酶分子，將可有效提高載體對酶的固定性能，有實驗證明，利用吸附-交聯法并其γ-氧化鋁為載體來制備固定化青霉素酰化酶，其耐高溫性與pH適用度都得到了明顯的提高，且僅僅采用物理吸附法所產生的固定化效果也比較明顯。同時，若有效運用浸漬法將α-胰島凝乳蛋白放入分子篩孔道中后，其固定化酶可表現出較高的穩定性；而硅藻土因其具有適宜的孔徑與較大的比表面積等優勢使其具備較高的吸附量，但是，通過研究發現，硅藻土表面電位、結構與孔結構均與其等溫吸附類型有一定關系，且其等溫吸附類型有著明顯的地域差別。

2.改進無機載體

利用無機載體以直接吸附固定化酶雖具備方法簡單、固定化酶初始活性高以及造價低等特點，但因無機載體結構同時具有不可控性，在很大程度上影響到傳質與鍵合酶的能力，從而導致固定化酶因脫附而村蘇失活。因此，有效運用組成與結構可控性較好的有機聚合物對一般無機載體進行改性修飾，以制備出兼具兩者有點的復合載體用于酶固定化的相關研究受到了學者們的廣泛青睞。如有研究表明，向介孔二氧化硅硅醇基中加入2%的-CH2-CH2-COOH功能團，結果發現固定有機磷水解酶的活性幾乎提高了1倍；而若將抗體固定于硅烷化多孔二氧化硅載體上面，將能大大提高載體的吸附密度，并使該固定抗體能發揮出更好的治療效果。因此，可以說，通過改變其功能團類型與使用量將能使固定抗體的速率與穩定性得到極大的提高。同時，由于分子篩固定化酶的操作穩定性較低，致使其在使用過程中容易出現部分酶分子脫落現象，因此，學者們紛紛考開始研究有機官能功能團功能化介入分子篩以制備固定化酶。有研究發現，借助于介孔分子篩本身所具有的自由硅羥基而在其表面嫁接-NH2、-COOH、-CH=CH2等有機官能團來修飾其MCM-48與SBA-15等新型的介孔分子篩以有效構建酶固定化微環境，將能大大提高酶分子與載體的親和作用，并使其固定化酶的活性得到大大提高[2]。

3.復合型無機載體

為提高無機材料結合酶的性能，可將那些容易與酶結合的無機或有機材料涂敷在那些多孔無機材料表面以制備出固定化酶的復合載體。有學者以二氧化碳超臨界方法制備出硅氣凝膠，并在凝膠化前將氣凝膠浸漬到富含石英纖維與脂肪酶的硅溶液中，從而將酶包埋在硅氣凝膠中，這樣一來，固定化進程中乙醇將能對脂肪酶活性實現有效控制，效果比較顯著。

結束語

目前，關于無機材料在酶固定化中的有效應用仍處于發展與研究當中，可以預見，伴隨無機材料合成技術、酶蛋白連接技術與材料表面改性技術的飛速發展，關于各種無機材料在固定化酶載體中應用的相關研究必將出現質的飛躍，并在工業酶催化進程中得到更加廣泛的運用。

[1]隋穎.無機固定化酶載體材料的研究進展[J].山東化工,2013,42(7):67-68,74.

[2]閔丹丹,何文,杜曉永等.酶固定化無機載體材料的研究進展[J].山東陶瓷,2011,34(5):11-16.