Immobilization Of Enzymes And Cells (Methods in Biotechnology) (Methods in Biotechnology) (Methods i pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Humana Press

作者:Guisan, Jose M. (EDT)

出品人:

页数:449

译者:

出版时间:2006-04-13

价格:USD 174.50

装帧:Hardcover

isbn号码:9781588292902

丛书系列:

图书标签:

• Enzyme immobilization
• Cell immobilization
• Biotechnology
• Biocatalysis
• Bioreactors
• Biomedical engineering
• Materials science
• Nanotechnology
• Microbiology
• Biochemistry

酶与细胞固定化：原理、方法与应用 引言 酶和细胞作为生物催化剂，在工业生产、生物技术、环境修复、医药诊断等领域扮演着至关重要的角色。然而，游离的酶和细胞在许多实际应用中存在稳定性差、回收困难、重复利用率低等缺点，这在很大程度上限制了它们的广泛应用。酶与细胞固定化技术应运而生，它通过物理或化学手段将酶或细胞固定在载体上，从而克服了这些挑战，极大地拓展了生物催化剂的应用范围和效率。本文将深入探讨酶与细胞固定化的基本原理、主要的固定化方法、载体的选择考量、固定化过程中需要关注的关键因素，以及在不同领域的广泛应用前景。 一、 酶与细胞固定化的基本原理 酶与细胞固定化的核心在于将具有催化活性的酶分子或完整的细胞结构限制在一个特定的空间或表面，使其能够稳定存在并保持其生物活性。这种固定化过程通常通过以下几种基本机制实现： 1. 物理吸附 (Physical Adsorption): 这是最简单、最常用的一种固定化方法。酶或细胞表面的极性基团与载体表面带相反电荷的基团之间通过范德华力、氢键、离子键等弱相互作用力相结合。这种方法的优点是操作简便，对酶或细胞的活性影响较小，且载体易于回收。然而，由于作用力较弱，可能存在固定化脱落的风险，尤其是在变化的环境条件下。 2. 共价键合 (Covalent Bonding): 这种方法通过在酶或细胞分子上的活性基团（如氨基、羧基、羟基）与载体表面的反应性基团之间形成稳定的共价键来实现固定化。共价键合能够形成牢固的连接，不易脱落，从而提高固定化酶或细胞的稳定性。但缺点是可能导致酶或细胞活性位点的空间位阻，影响催化效率，且反应条件可能较为苛刻，需要对酶或细胞的结构和功能有深入了解。 3. 包埋/封装 (Entrapment): 酶或细胞被包裹在多孔性载体的内部，如凝胶（如海藻酸钙、琼脂糖、聚丙烯酰胺）或膜材料中。载体形成一个网状结构，将酶或细胞限制在其内部。这种方法可以保护酶或细胞免受不利环境因素的影响，如pH、温度、有机溶剂等，从而提高稳定性。同时，反应物和产物可以通过载体的孔道扩散进出，不影响催化反应。其缺点是，反应物和产物扩散速度可能受限，导致反应速率降低，并且一旦载体损坏，固定化酶或细胞就会完全释放。 4. 交联 (Cross-linking): 利用多官能团的交联剂（如戊二醛、己二胺）将酶或细胞分子上的活性基团连接起来，形成三维的聚合物网络。这种方法可以形成高度稳定的固定化酶或细胞，适用于单酶或多酶体系。如果用于细胞固定化，可以形成细胞团块。优点是稳定性高，可重复使用性好。缺点是交联剂可能对酶或细胞的活性造成一定影响，且反应条件需要精确控制。 5. 微载体附着 (Attachment to Microcarriers): 将酶或细胞吸附或共价键合到具有大表面积和特定形貌的微小颗粒上。这些微载体可以分散在反应介质中，也可以被集成到生物反应器中。这种方法易于大规模生产，且有利于传质和传热。 二、 酶与细胞固定化载体的选择 选择合适的载体是成功进行酶或细胞固定化的关键。载体的选择需要综合考虑以下因素： 1. 物理化学性质: 载体应具有良好的机械强度、热稳定性、化学稳定性，能够耐受反应条件（如pH、温度、溶剂、剪切力）的变化。表面积大、孔隙率高、适当的孔径分布对于吸附或包埋酶/细胞以及促进传质至关重要。 2. 生物相容性: 载体应与酶或细胞具有良好的相容性，不会引起过度的毒性反应或钝化作用，从而最大限度地保持其生物活性。 3. 反应活性: 对于共价键合等方法，载体表面应具有可进行化学反应的官能团，或者可以通过化学修饰引入这些官能团。 4. 成本与可获得性: 载体的成本以及其可获得性是工业化应用的重要考量因素。 5. 回收与再生: 易于从反应体系中分离和回收，并且能够重复再生使用，是提高经济效益的关键。 常用的载体类型包括： 无机载体: 如硅藻土、氧化铝、二氧化钛、沸石、活性炭等。它们具有良好的热稳定性和机械强度，但表面化学性质相对固定，可能需要进行表面改性。 天然聚合物: 如纤维素、壳聚糖、淀粉、明胶、海藻酸钠、琼脂糖等。它们具有良好的生物相容性和可降解性，易于通过物理吸附或包埋等方式固定酶/细胞，但稳定性相对较差。 合成聚合物: 如聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚氨酯、聚苯乙烯等。它们可以通过化学改性引入各种官能团，具有较好的稳定性和可设计性，但生物相容性可能不如天然聚合物。 微球与纳米材料: 如介孔二氧化硅、碳纳米管、石墨烯、磁性纳米颗粒等。它们具有独特的物理化学性质和巨大的比表面积，为固定化提供了新的可能性，尤其是在催化、传感和药物递送领域。 三、 固定化过程中的关键影响因素 在进行酶或细胞固定化过程中，以下因素对最终的固定化效果至关重要： 1. 酶/细胞的性质: 酶或细胞的分子量、等电点、表面电荷、活性位点的可及性、对环境因素的敏感性等都会影响固定化方法的选择和固定化效率。 2. 载体的性质: 前面已详细阐述。 3. 反应条件: pH: 影响酶/细胞的表面电荷、溶解度以及固定化反应的活性基团。 温度: 影响酶/细胞的活性、稳定性和固定化反应速率。 离子强度: 影响酶/细胞的溶解度，以及物理吸附的强度。 溶剂: 有些固定化方法需要在非水相或混合溶剂中进行，需要考虑溶剂对酶/细胞活性的影响。 4. 固定化方法的选择: 不同的固定化方法具有不同的优点和缺点，需要根据酶/细胞的特性、载体性质以及应用需求来选择最合适的方法。 5. 固定化效率与活性保留率: 固定化效率是指固定在载体上的酶/细胞的量，而活性保留率是指固定化后酶/细胞所保持的催化活性占游离状态时的百分比。这两者是衡量固定化效果的重要指标，需要通过优化条件来最大化活性保留率。 6. 载体的预处理: 有时需要对载体进行预处理，如清洗、活化、官能团修饰等，以提高其对酶/细胞的结合能力或反应活性。 四、 酶与细胞固定化的应用领域 酶与细胞固定化技术在众多领域展现出巨大的应用潜力： 1. 工业酶制剂: 食品工业: 利用固定化酶生产果糖、高果糖浆（如固定化葡萄糖异构酶），改善啤酒的澄清度（如固定化肽酶），生产乳制品（如固定化β-半乳糖苷酶用于生产无乳糖牛奶）。 洗涤剂工业: 应用固定化蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶提高洗涤剂的去污能力。 纺织工业: 利用固定化淀粉酶进行退浆，固定化纤维素酶进行织物柔软整理和生物抛光。 造纸工业: 应用固定化木聚糖酶去除纸浆中的木聚糖，提高纸浆白度，减少漂白剂的使用。 生物燃料生产: 利用固定化纤维素酶或相关微生物将生物质转化为可发酵糖，用于生产乙醇。 2. 生物传感器与诊断: 血糖检测: 固定化葡萄糖氧化酶或脱氢酶用于制作血糖传感器，快速准确地检测血液中的葡萄糖含量。 生化检测: 固定化多种酶用于检测血液、尿液中的特定代谢物，如尿素、乳酸、胆固醇等，用于疾病诊断和健康监测。 环境监测: 固定化酶或微生物用于检测水体、土壤中的污染物，如农药、重金属等。 3. 医药与制药: 药物合成: 利用固定化酶进行不对称合成，生产手性药物中间体。例如，固定化脂肪酶用于酯化反应，固定化腈水解酶用于生产手性羧酸。 药物缓释: 将药物与固定化载体结合，实现药物的缓释和靶向递送。 生物催化药物生产: 利用固定化细胞或酶高效、选择性地生产生物活性物质，如抗生素、维生素等。 4. 环境保护与生物修复: 废水处理: 利用固定化微生物降解工业废水中的有机污染物，如酚类、氰化物、染料等。 生物去除重金属: 利用固定化微生物吸附或转化水体和土壤中的重金属离子。 空气净化: 应用固定化微生物去除空气中的挥发性有机物（VOCs）和恶臭气体。 5. 生物工程与合成生物学: 固定化细胞用于发酵: 利用固定化酵母或细菌进行高效发酵生产乙醇、乳酸、氨基酸等。 构建人工细胞器: 将酶固定在纳米载体上，模拟细胞内的酶促反应。 结论 酶与细胞固定化技术作为生物催化领域的核心技术之一，通过巧妙的物理和化学手段，赋予了生物催化剂前所未有的稳定性和可操作性。从基础的物理吸附到复杂的共价键合，再到创新的包埋和交联方法，技术的不断发展和载体材料的日新月异，为酶和细胞的应用场景提供了无限可能。随着科学技术的进步，酶与细胞固定化技术必将在食品、医药、环保、能源等各个领域发挥越来越重要的作用，驱动生物技术产业的持续发展，并为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。深入研究和优化固定化工艺，开发新型、高效、环保的固定化材料，将是未来该领域的重要发展方向。

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