| 单词 | 固定化生物催化剂 |
| 释义 | 【固定化生物催化剂】 拼译：immobilized biocatalyst 生物催化剂是指酶及具有酶活性的微生物、动物、植物的细胞和细胞器等。固定化生物催化剂是指受到物理化学等因素的约束，被限制在一定的空间界限内，并且保留催化活性，能被反复或连续使用的生物催化剂。固定化的目的主要是为了克服游离生物催化剂的缺点(不稳定、不能回收及产品提纯困难)，改善催化剂的性能，提高生物转化效率。固定化生物催化剂除基本保留游离催化剂的生物活力外，还具有异相催化的优点，反应器内催化剂浓度高，催化剂微环境容易控制、便于回收再利用和连续自动化操作，因而在食品发酵、有机合成、化学分析、诊断治疗、环境保护、能源开发及理论研究方面得到日益广泛的应用。 早在1916年纳尔逊(Nelson)等就发现酵母蔗糖酶吸附在骨炭末上，仍保持原酶活性。1953年，格鲁布霍弗(Grubhofer)等为了有效利用酶，首次用重氮化的聚氨苯乙烯树脂共价固定了羧肽酶和淀粉酶。1960年以后，固定化酶的研究迅速发展。凯特查尔斯基－凯特齐尔(Katchalski-Katzir)研究组在酶的固定化方法和固定化酶性质的基础研究中成绩卓著，于1985年获“第1次日本国际奖”。1970年后，微生物细胞的固定化发展迅速。1973年土佐哲也完成了氨基酰化酶的固定化，并成功地用于DL－氨基酸的连续工业化生产，这是固定化生物催化剂工业应用的首例，于1983年获“第1次国际酶工程奖”。1973和1974年，他又用聚丙烯酰胺包埋微生物，分别用于L－天冬氨酸和L苹果酸的工业生产。1980年后开始动、植物细胞器的固定化研究。某种固定化生物催化剂能否应用于工业生产，关键在于固定化方法要简单易行、费用低；固定化后活性高；操作半衰期要长。现在已经开发的固定化方法有：(1)靠共价键、离子键、物理吸附、生物亲和力等作用固定在不溶性载体上的载体结合法；(2)用双(多)功能试剂将生物催化剂交联在一起的交联法；(3)包埋在高分子凝胶、微胶囊及脂质体中和封闭在中空纤维、限制性超滤膜中的包埋法；(4)以上3种方法适当组合的复合法。这些方法各有所长，应根据使用目的综合考虑，选择相应的生物催化剂和适当的载体及固定化方法。同时，固定化生物催化剂还应符合生物反应器的设计要求，容易加工成型。细胞固定化方法以包埋法为主。土佐哲也等继开发了聚丙烯酰胺包埋生物细胞后，1979年又改用K－卡拉胶，在温和条件下包埋微生物细胞，从而避免了丙烯酰胺单体和聚合热对酶活力的损害，提高了酶活性的固定化收率及其操作稳定性，生产效率提高25倍。这主要是由于卡拉胶分子所带的阴离子与菌体膜表面的阳离子形成聚离子键，加强了菌体与载体间的相互作用。用丝状真菌可生产很多有价值的代谢产物，如酶、抗生素和甾体化合物等，但用一般方法很难均一固定活性丝状菌，即使固定了生产效率也低。1983年，田中渥夫开发了一种先把丝状菌孢子固定化，再在载体凝胶中培养固定化孢子、生长菌丝，从而获得高活力固定化丝状菌的方法。他选用光交联树脂前聚体作为载体包埋数种丝状菌，固定化孢子在载体凝胶中发展成菌丝。前聚体的链长对菌丝生长和羟化酶活性影响很大。用链长约40nm的前聚体固定化C，lunata可以得到最佳脱氧皮质甾酮的11β－羟化活性，稳定性好，能在100d反复使用50次。若活性降低，在含底物的培养基中培养固定化菌丝，可再活化。对于其它丝状菌和放线菌，选择不同种类和不同链长的前聚体，用类似方法也得到了高活性、稳定的固定化菌丝。用这种固定化菌丝或放线菌构成的生物反应器能代替原发酵法，在多步复杂反应中连续生产高浓度产物。例如，用氨基甲酸乙酯前聚体(PU－1)固定的放线菌Streptomyces rimosusi构成的通气管型反应器能连续生产地霉素(30μg／ml)长达25d以上。前聚体固定化法简单，使用条件温和，不含使酶失活和破坏膜结构的低分子单体；载体凝胶网的疏密可通过改变前聚体的链长控制；可合成亲水性、疏水性和离子性前聚体，满足不同反应的需要。1984年，居乃琥设计并制造了一种带有多孔转盘的固定化细胞生物反应器，非常适合于固定好氧的丝状真菌、放线菌等。因为多孔转盘交替进入液体和空气，易于供应氧气，细胞浓度高。他已成功地用此法固定泰国根霉和泡盛曲霉连续生产糖化酶；固定土曲霉连续生产衣康酸；固定金霉素链霉菌连续生产四环素。这种反应器的单位生产效率比传统发酵法和一般固定化方法要高。瑞典的莫斯贝奇(Mosbach)等人比较各种人工合成的高分子聚合物、多糖类、胶原等蛋白质类不同包埋载体的性能，结果表明，琼脂糖最适合包埋各类细胞，它孔隙大，有利于高分子物质扩散，且无毒，不影响细胞生长。1984年，他们曾用琼脂糖胶分别包埋杂交瘤细胞和淋巴细胞，生产单克隆抗体和白细胞间质素。用固定化动物细胞生产干扰素、胰岛素、生长因子等正在研究之中。用吸附或包埋法对藻类等各种植物细胞进行固定化，可以生产菸碱、蛇根碱等生物碱以及毛地黄甙等糖甙类物质。各种固定化生物催化剂可作为分子识别元件，因而在生物传感器的制备上获得广泛应用。已经开发出各种各样的酶电极、微生物电极、组织传感器和亚细胞传感器等。用生物传感器可监测发酵过程中的各种参数，测定醋酸、酒精、谷氨酸、氨和BOD。近年来，固定化生物催化剂用于有机相中的研究十分活跃。1990年，田中渥夫等成功地将疏水载体固定化的酵母脂肪酶用于具有旋光性有机酸的生产。河神(Kawakami)把溶于水中或沉积在水溶胀的Sephadex上的醇脱氢酶分散在疏水硅酮聚合物中，制成的固定化酶可完成偶联醇氧化和醛还原，伴随着NADH再循环。包埋在硅酮聚合物和海藻酸混合载体中的固定化诺卡氏细胞，可由脂肪族烯烃生产环氧化物。对于不同底物，只要调节硅酮／海藻酸的不同比例，就可增加环氧化物的产量，产率优于液体培养中的游离细胞。这类疏水载体非常适用于有机溶剂中的生物催化作用。后来居上的固定化细胞技术发展极为迅速，特别是固定化微生物的实际应用已超过固定化酶。至1990年，已有8种固定化微生物应用于工业生产。但是，在菌种的选育、载体的筛选与合成、固定化技术、生物反应器以及生产工艺等方面，仍需进行深入的研究。如何消除副反应，提高连续反应中的酶活性，设计适用于发热反应、固－液－气三相反应和多酶复杂反应体系的固定化方法及生物反应器，改善底物和产物的质量传递等是有待解决的主要问题。动植物细胞和细胞器的固定化仅处于实验或中试生产阶段，固定化方法并不完善，应用还刚刚开始，需要研究新的载体、新的固定化方法，研制高效率的生物反应器。生物体内外有相当多的酶促反应是在疏水介质中完成的，特别是有机合成反应，绝大多数是在有机溶剂中进行的，因此，疏水介质中固定化生物催化剂的开发与应用将是今后固定化生物催化剂的研究热点之一。【参考文献】：1 千烟一郎，土佐哲也，高分子，1986，35(6)∶540～5432 土佐哲也，高田功．水质污浊研究，1986，9(11)∶12～173 Rosevear A，Kennedy John F，Cabral Joaquim MS．lmmobilized Enzymes and cells．Adam Hilger，Bristol and philadelphia，1987∶1～2214 田中渥夫．触媒，1990，32(1)∶24～295 田中渥夫，川本卓男．表面，1991，29(5)∶410～4186 姜涌明，隋德新．生物化学与生物物理进展，1991，18(1)∶26～31(吉林大学酶工程国家重点实验室曹淑桂教授撰；罗贵民审) |
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