固定化酶

固定化酶
7.4.1 固定化酶及制备原则
7.4.1.1 固定化酶
固定化酶是20世纪50年代开始发展起来的一项新技术，最初是将水溶性酶与不溶性载
体结合起来，成为不溶于水的酶的衍生物，所以曾叫过“水不溶酶”（water insoluble enzyme）和“固相酶”（solid phase enzyme）。但是后来发现，也可以将酶包埋在凝胶内或置于超滤装置中，高分子底物与酶在超滤膜一边，而反应产物可以透过膜逸出，在这种情况下，酶本身仍处于溶解状态，只不过被固定在一个有限的空间内不能再自由流动。因此，用水不溶酶或固相酶的名称就不恰当了。在1971年第一届国际酶工程会议上，正式建议采用“固定化酶”（immobilized enzyme）的名称。
所谓固定化酶，是指在一定空间内呈闭锁状态存在的酶，能连续地进行反应，反应后的酶可以回收重复使用。因此，不管用何种方法制备的固定化酶，都应该满足上述固定化酶的条件。例如，将一种不能透过高分子化合物的半透膜置入容器内，并加入酶及高分子底物，使之进行酶反应，低分子生成物就会连续不断地透过滤膜，而酶因其不能透过滤膜而被回收再用，这种酶实质也是一种固定化酶。
固定化酶与游离酶相比，具有下列优点：①极易将固定化酶与底物、产物分开；②可以在较长时间内进行反复分批反应和装柱连续反应；③在大多数情况下，能够提高酶的稳定性；④酶反应过程能够加以严格控制；⑤产物溶液中没有酶的残留，简化了提纯工艺；⑥较游离酶更适合于多酶反应；⑦可以增加产物的收率，提高产物的质量；⑧酶的使用效率提高，成本降低。
与此同时，固定化酶也存在一些缺点：①许多酶在固定化时，需利用有毒的化学试剂使酶与支持物结合，这些试剂若残留于食品中对人类健康有很大的影响；②连续操作时，反应体系中常滋生一些微生物，后者利用食品的养分进行生长代谢，污染食品；③固定化时，酶活力有损失；④增加了生产的成本，工厂初始投资大；⑤只能用于可溶性底物，而且较适用于小分子底物，对大分子底物不适宜；⑥与完整菌体相比不适宜于多酶反应，特别是需要辅助因子的反应；⑦胞内酶必须经过酶的分离手续。表7-4为食品加工中已应用的和有发展潜力的固定化酶。
表7-4 食品加工已应用的和有发展潜力的固定化酶
酶 在加工中的作用
葡萄糖氧化酶 除去食品中的氧气；除去蛋白中的糖
过氧化氢酶 牛奶的巴氏杀菌
脂肪酶 乳脂产生风味
α-淀粉酶 淀粉液化
β-淀粉酶 高麦芽糖浆
葡萄糖淀粉酶 由淀粉产生葡萄糖；淀粉去支链
β-半乳糖苷酶 水解乳制品中的乳糖
转化酶 水解蔗糖生成转化糖
橘皮苷酶 除去柑橘汁的苦味
蛋白酶 牛乳的凝聚；改善啤酒的澄清度；制造蛋白质水解液
氨基酰化酶 分离左旋与右旋氨基酸
葡萄糖异构酶 由葡萄糖制果糖
1971年首届国际酶工程会议提出了酶的分类。酶可粗分为天然酶和修饰酶，固定化酶属于修饰酶。修饰酶中，除固定化酶外尚有经过化学修饰的酶和用分子生物学方法在分子水平上改良的酶等。
7.4.1.2 固定化酶的制备原则
已发现的酶有数千种。固定化酶的应用目的、应用环境各不相同，而且可用于固定化制备的物理、化学手段、材料等多种多样。制备固定化酶要根据不同情况（不同酶、不同应用目的和应用环境）来选择不同的方法，但是无论如何选择，确定什么样的方法，都要遵循几个基本原则。
①必须注意维持酶的催化活性及专一性。酶蛋白的活性中心是酶的催化功能所必需的，酶蛋白的空间构象与酶活力密切相关。因此，在酶的固定化过程中，必须注意酶活性中心的氨基酸残基不发生变化，也就是酶与载体的结合部位不应当是酶的活性部位，而且要尽量避免那些可能导致酶蛋白高级结构破坏的条件。由于酶蛋白的高级结构是凭借氢键、疏水键和离子键等弱键维持，所以固定化时要采取尽量温和的条件，尽可能保护好酶蛋白的活性基团。
②固定化应该有利于生产自动化、连续化。为此，用于固定化的载体必须有一定的机械强度，不能因机械搅拌而破碎或脱落。
③固定化酶应有最小的空间位阻，尽可能不妨碍酶与底物的接近，以提高产品的产量。
④酶与载体必须结合牢固，从而使固定化酶能回收贮藏，利于反复使用。
⑤固定化酶应有最大的稳定性，所选载体不与废物、产物或反应液发生化学反应。
⑥固定化酶成本要低，以利于工业使用。