[发明专利]一种高效固定化酶柱及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高效固定化酶柱及其制备方法和应用，高效固定化酶柱包含多孔基材和活性生物酶，多孔基材的孔结构同时分布有大孔，中孔和小孔，大孔，中孔和小孔互相连通形成三维贯通结构，三维贯通结构表面通过戊二醛交联法固定有活性生物酶，多孔基材由多孔碳性材料粉末负载琼脂糖凝胶制备，原位装填冷凝于柱状模具中，可固定负载蛋白酶，乳糖酶，脂肪酶，淀粉酶等多种活性生物酶，多孔基材载酶量为133～216IU/g。多孔碳性材料提供极大的比表面积，交联生物酶后可以获得较高的载酶量，并保证长时间酶解处理后保持生物酶有较高的生物活性，可满足酶解处理稳定性和连续性的要求，大幅提高生物酶处理的生产效率。

技术领域

本发明涉及固定化酶领域，特别涉及一种高效固定化酶柱及其制备方法和应用。

背景技术

酶的固定化是指利用一些载体材料将酶束缚或者限制于一定的区域内，酶仍然能进行其特有的催化反应，并且能被回收和重复使用的一类技术。而固定化酶是指在一定的空间内，呈闭锁状态，并仍然能保留其催化活力，可以连续或重复利用的酶

在酶的固定化反应中，使用最普遍的交联剂是戊二醛，因为其具有两个功能活性的醛基。在反应过程中，戊二醛的一个醛基会与载体表面壳聚糖的-NH₂和-OH发生交联，而其另一个具有功能活性的醛基，会与酶分子表面的-NH₂和-OH进行交联，这样戊二醛作为交联剂，就成功的将酶固定在载体上了。当然，在反应过程中，也会出现载体与载体之间的交联、酶与酶之间的交联以及戊二醛本身的交联反应，这就需要严格控制反应条件，尽可能多的使酶固定在载体上，以提高酶的固定化效率。

载体是固定化技术的关键，因此，理想的固定化载体应该具备如下特性:(1)对生物无毒性；(2)性质稳定，不易被微生物分解，并且在固定化的过程中不易引起生物酶变性；(3)传质性能良好；(4)机械强度高，使用寿命长；(5)固定化操作简便；(6)价格低廉。常用的天然高分子凝胶载体有海藻酸钠、琼脂、纤维素、壳聚糖等；而有机高分子载体的代表有：聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚矾、光交联树脂、硅胶、聚氨酯等。其中，有机高分子载体一般化学稳定性较好，强度较高，但是传质性能较差。而天然高分子载体一般对生物无毒，传质性能良好，但强度较低。

琼脂糖是线性的多聚物，基本结构是1,3连结的β-D-半乳糖和1,4连结的3,6-内醚-L-半乳糖交替连接起来的长链。琼脂糖在水中一般加热到90℃以上溶解，温度下降到35-40℃时形成良好的半固体状的凝胶，这是它具有多种用途的主要特征和基础。

竹炭是由竹材在高温无氧或少氧环境下，经过热解得到的产物。竹材热解成竹炭的过程一般可分为干燥阶段、预炭化阶段、炭化阶段和锻烧阶段。竹炭即是在炭化阶段得到的产物，因其独特的孔道结构而具备着很多优异的性能。竹炭具备有丰富的孔道结构，低倍下呈现“品”字形，是一种兼具有微孔、介孔和大孔的阶层多孔炭材料，大孔为直通孔，孔道中布满微孔与介孔，使其具有较大的比表面积。竹炭丰富的孔隙和高比表面积使其具备良好的吸附特性。

酶在紧紧结合于载体上以后，载体所造成的扩散因素便成为了酶反应动力学的限制因素。底物与固定化酶接触发生反应，由于酶的催化作用引起固定化酶颗粒中的底物浓度逐渐降低，同时载体的空间位阻又妨碍新的底物进入到固定化酶，因而固定化酶必须在相对于游离酶更高的底物浓度下才能达到最大的反应速度。这一点在酶的动力学上表现为固定化酶的米氏常数通常比游离酶的米氏常数要高，因此固定化酶对低浓度底物的处理效果不理想，处理时间较长。

除此之外，传统固定化酶的单次酶解需要搅拌和反应等待时间，以增加底物与固定化酶的接触面积和充分进行酶解反应，单次反应完成后需要分离固定化酶和底物才能重复利用固定化酶，效率较低，无法多次连续生产。另外，固定化酶载体比表面积较小，与底物的接触面积较小，酶解催化效率不尽如人意。

发明内容