[发明专利]用于青霉素酰化酶固定化的新型载体

说明书

酶是一种生物催化剂，其化学本质是蛋白质。由于它具有催化活性高、选择专一性强、反应条件温和等特点，酶已被广泛应用于生物化工、医药化工、食品工业、轻工等领域。目前，虽然已发现的酶达数千种，但用于工业化生产的却只有几十种，限制酶工业化应用的主要原因在于：

1)由于游离酶是水溶性的催化剂，容易发生微生物降解或聚集而失活，而且，热或强酸、强碱、有机溶剂等的存在也可能导致酶活性的丧失；

2)由于均相催化反应后酶与反应物以及产物难于分离，因此，

(a)酶回收困难，不能重复再利用，从而造成酶的流失，经济上不合理；

(b)酶难于回收导致不能实现连续操作，只能一次性间歇操作；

(c)产物中残留大量酶物种，产物的不纯严重影响产品性能。

关于酶固定化研究始于60’s初，60’s末，固定化氨基酰化酶用于DL-氨基酸的光学拆分实现工业化，成为固定化酶用于工业的开端，从此也大大刺激了关于酶的固定化技术及固定化酶性质及催化性质的研究。以适当的载体将酶固定化，由于酶分子所处微环境的改变及酶分子构型等的改变，与游离酶相比，固定化酶具有：

(1)酶的热稳定性、化学稳定性大大提高，而且固定化酶还可能产生不同于游离酶的新特点[1]；

(2)固定化酶很容易与反应物、产物分离，有利于酶的重复使用；

(3)由于固定化酶与产物容易分离，因此简化了提纯工艺，并使产品质量提高；

(4)可实现连续操作。

酶固定化技术的发展，使酶的大规模工业应用得以实现。因此，酶的固定化研究成为近年来酶化学研究的一个重要方向。

迄今为止，固定化酶的制备方法大致可分为四种，即吸附法、共价结合法、交联法和包埋法。吸附法分为物理吸附法和离子吸附法；酶与载体间以离子键、范德华力等结合；二者之间的结合力较弱，因此酶易流失，但此种方法具有酶活性中心不易被破坏和酶高级结构变化较少等优点。共价结合法是将酶以共价键结合于载体上，具体操作时或将载体表面的有关基团活化，然后与酶分子中的有关基团偶联，或在载体表面连接双功能试剂，然后将酶偶联上去。此方法制得的固定化酶与载体结合牢固、不易脱落，但此法反应条件苛刻，操作复杂，且剧烈的反应条件容易引起酶蛋白高级结构变化，破坏部分活性中心，因此往往不能得到活性较高的固定化酶。交联法是指先将酶吸附于不溶性载体上，然后使用双功能或多功能试剂，使酶分子之间进行分子间交联，形成交联网状结构而使酶固定化的方法。此种方法也存在反应条件剧烈、酶活损失等不足。包埋法是将酶包埋于微囊中。此法制备的固定化酶不适用大分子反应物(底物)，且酶容易失活，必需巧妙设计反应条件，一般用于制备固定化细胞。四种方法各有优缺点，一般情况下，将吸附法/共价法结合使用；工业上广泛使用的为共价结合法。

由上述制备固定化酶的几种常用方法可知，活性较高、稳定性较好、可用于工业化的固定化酶对所用载体的要求为：

1)载体(host)表面具有可与被负载酶分子(guest)发生相互作用的功能性基团，或可通过表面改性赋予功能性基团；

2)载体表面的功能性基团不仅数量及其分布适当，而且容易接近；

3)载体必须是多孔性物质，具有较高的比表面积；

4)载体具有较大的孔径，以尽可能降低反应过程中存在的扩散阻力；

5)载体应具有足够的化学稳定性和机械稳定性，在化学反应过程中(如酶催化反应)载体表面基团不参与反应，而且在反应条件下保持结构不变；

6)载体粒度适当，便于反应后与产物的分离。

目前，使用较多的酶固定化载体主要有高聚物及多孔无机材料。作为酶固定化载体，高聚物本身的结构及性质决定了它存在如下弱点：

1)虽然合成高分子聚合物并不难，但若要控制高聚物的孔结构及表面功能性基团的数量及其分布却非易事；

2)有些功能性基团处于高聚物的高度交链网中，尽管经过溶剂的溶胀后情况有所改善，但仍可能难以被反应物分子接近，从而降低载体表面的利用率；

3)高聚物载体的热稳定性、机械稳定性及耐溶剂性较弱。