第三章 固定化酶与固定化细胞

?第三章固定化酶与固定化细胞

?第一节概述

?第二节固定化酶的性质及其影响因素

?第三节固定化酶的制备

?第四节固定化细胞

?第五节固定化辅酶和原生质体

?第六节酶反应器和固定化酶（细胞）的应用

?第一节概述

?什么是固定化酶？

?第一节概述

二．固定化酶的优缺点

?多次使用

?可以装塔连续反应

?优点：纯化简单

?提高产物质量

?应用范围广

?缺点：首次投入成本高

?大分子底物较困难

?第一节结束

?点击返回

?第二节固定化酶的性质及其影响因素

?一．影响固定化酶性质的因素

?二．固定化后酶性质的变化

?三．评价固定化酶的指标

?一．影响固定化酶性质的因素

1．酶本身的变化，主要是由于活性中心的氨基酸残基、高级结构和电荷状态等发生了变化。

?二．固定化后酶性质的变化

?1．固定化对酶活性的影响：

?酶活性下降，反应速度下降

2．固定化对酶稳定性的影响

?稳定性提高（原因）

?3．pH的变化（原因）

?载体带负电荷，pH向碱性方向移动。

?载体带正电荷，pH向酸性方向移动。

?催化反应的产物为酸性时，固定化酶的pH值比游离

?酶的pH值高；反之则低

?固定化后酶稳定性提高的原因：

? a. 固定化后酶分子与载体多点连接。

? b. 酶活力的释放是缓慢的。

? c. 抑制自身降解，提高了酶稳定性。

?PH 对酶活性的影响：

?（1）改变酶的空间构象

?（2）影响酶的催化基团的解离

?（3）影响酶的结合基团的解离

?（4）改变底物的解离状态，酶与底物不能结合或结合后不能生成产物。

?4．最适温度变化

一般与游离酶差不多，但有些会有较明显的变化。

5．底物特异性变化

?作用于低分子底物的酶特异性没有明显变化

?既可作用于低分子底物又可作用于大分子低物的酶

?特异性往往会变化。

6．米氏常数Km的变化，Km值随载体性质变化

（链接）

?米氏常数Km的变化，Km值随载体性质变化

由于分配效应：ρ=[Si]微环境/[S]宏观环境

Km'=Km/ρ(表观米氏常数)

?（1）载体与底物带相同电荷，Si]<[S],ρ<1,Km’>Km固定化酶降低了酶的亲和力。

?（2）载体与底物电荷相反，静电作用，[Si]>[S]，则ρ>1,Km'

?三．评价固定化酶的指标：

?1．酶活定义（IU)：

?在特定条件下，每一分钟催化一个微摩尔底物转化为产物的酶量定义为1个酶活单

位。——计量单位

? 2. 酶比活定义（游离）：

?每毫克酶蛋白或酶RNA（DNA)所具有的酶活力单位——品质的体现

? 3. 固定化酶的比活：

?每（克）干固定化酶所具有的酶活力单位。

? 4. 操作半衰期：

?连续测活条件下固定化酶活力下降为最初活力一半所需要的时间（t1/2）——衡

量稳定性的指标。

? 5.

? 6.

?或称偶联效率，活力保留百分数。

?7.相对酶活力：具有相同酶蛋白（或RNA）量的固定化

?酶活力与游离酶活力的比值称为相对酶活力。

?

?四固定化酶的活力测定方法介绍

? 1. 振荡测定法：称取一定量的固定化酶加入一定量的底物溶液，

一边振荡或搅拌，一边进行催化反应取出一定量的反应液进行酶活力测定。

? 2. 酶柱测定法：将一定量的固定化酶装进具有恒温装置的反应柱中让底

物溶液以一定的流速流过酶柱收集流出的反应液测定其中产物的生成量或底物的消耗量。

? 3. 连续测定法

?利用连续分光光度法等测定方法可以对固定化酶反应液进行连续测定，从而测定固

定化酶的酶活力。

?第二节

固定化酶的性质及其影响因素提要

?影响固定化酶性质的因素

?固定化酶的性质

?评价固定化酶的指标

?第二节结束

?点击返回

?第三节固定化酶的制备

?一．一般方法及特点

?二．酶的固定化方法

?一．一般方法及特点

1．四大类方法：

?吸附法（包括电吸附法）

?结合法（无机多孔材料）

?交联法（双功能试剂）

?包埋法（微胶囊法）

?各类固定化方法的特点比较:

?2．选择方法依据：

?（1）酶的性质

?（2）载体的性质

?（3）制备方法的选择

?3．固定化后酶的考察项目：

?（1）测定固定化酶的活力，以确定固定化过

?程的活力回收率。

?（2）考察固定化酶稳定性

?（2）考察固定化酶最适反应条件

?二．酶的固定化方法

?（一）吸附法

?（二）结合法

?（三）交联法

?（四）包埋法（entrapping method）

?酶和细胞固定化示意图

?（一）吸附法

1．物理吸附：

利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面上。

? 2. 常用载体：

?（1）无机载体：氧化铝、活性碳、皂土、硅藻土、金属氧化物、硅胶。一般吸附

量<1mg蛋白/克吸附剂

?（2）有机载体：淀粉、白蛋白等。一般吸附量几十毫克蛋白/克吸附剂

?研究热点：大孔型合成树脂、陶瓷

?（二）结合法

? 1. 离子键结合法

? 2. 共价键结合法☆

? 1. 离子键结合法

?概念

?常用载体:DEAE-纤维素，DEAE-葡聚糖凝胶

?使用注意：pH、离子强度、温度

? 2 .共价键结合法

?（1）概念

?（2）可以形成共价键的基团：游离氨基，游离羧基，巯基，咪唑基，酚基，

羟基，甲硫基，吲哚基，二硫键

?（3）常用载体：天然高分子、人工合成的高聚物、无机载体

?（4）载体活化的方法

?A．重氮法

?B．叠氮法

?C．烷基化反应法

?D．硅烷化法

?E．溴化氰法

?A．重氮法

?反应示意式如下

?A．重氮法

?目前在我们国内用的较多的载体是对氨基苯磺酰乙基（ABSE）纤维素、琼脂糖，葡

聚糖凝胶和琼脂等

?该方法需要载体具有芳香族氨基

?A．重氮法

?反应式及原理

?A．重氮法例

?5′-磷酸二酯酶的固定化。此酶用来降解核酸，可分离得到四个5′-单核苷酸

?（本成果荣获国家发明三等奖，中国科学院上海生化研究所袁中一等，我国第一个

用于工业生产的固定化酶）

? B 叠氮法

?例

?用羧甲基纤维素叠氮衍生物制备固定化胰蛋白酶，步骤如下：

?⑴酯化：CM-纤维素先洗涤干燥，然后悬于无水甲醇中，在冰浴中通入HCl气体，

进行酯化反应；然后洗涤，空气干燥。

?⑵肼解。把酯化后的CM-纤维素悬于甲醇中，再加入80%水合肼回流反应1小时，

过滤，洗涤干燥。

?⑶叠氮化。肼解后的CM-纤维素（1g）加入150ml 2% HCl在冰浴中混合，搅拌滴

加9ml 3% NaNO2反应20min，过滤用冷蒸馏水洗涤，同时加酶

?(4) 偶联。经叠氮化后的载体加入0.05N pH 8.0 磷酸缓冲液（内含250-500mg酶），

5℃搅拌2-3小时，过滤，用0.001N HCl，水洗涤，即为固定化胰蛋白酶（冻干保存）?C．烷基化反应法

?D．硅烷化法

?一般常用的载体：多孔玻璃，多孔陶瓷。

?多孔玻璃特点：

?①机械强度好，表面积大。

?②耐有机溶剂和微生物破坏。载体可以再生，寿命长等。

?D．硅烷化法

?D．硅烷化法

?D．硅烷化法

? E ．溴化氰法

?本方法主要用溴化氰（CNBr）活化多糖类物质。如纤维素、葡聚糖、琼脂糖等.

?（三）交联法

?概念：

?借助双功能试剂使酶分子之间发生交联作用，制成网状结构的固定化酶的方

法。

?用处：

?可用于含酶菌体或菌体碎片的固定化。

?（三）交联法的形式

?交联法有2种形式：酶直接交联法

?酶辅助蛋白交联

?双重固定法

（1）吸附交联法

?（2）交联包埋法

?酶直接交联法

?概念：

?在酶液中加入适量多功能试剂，使其形成不溶性衍生物。

?影响因素：

?固定化依赖酶与试剂的浓度、溶液pH和离子强度、温度和反应时间之间的平

衡。

?酶辅助蛋白交联

?概念：

?为避免分子内交联和在交联过程中因化学修饰而引起酶失活，可使用第二个"

载体"蛋白质.

?（1）吸附交联法

?概念：

?先将酶吸附在硅胶、皂土、氧化铝、球状酚醛树脂或其他大孔型离子交换树脂

上，再用戊二醛等双功能试剂交联。

?用此法所得固定化酶也可称为壳状固定化酶。

?（2）交联包埋法

?概念：把酶液和双功能试剂（戊二醛）凝结成颗粒很细的集合体，然后用高分子或

多糖一类物质进行包埋成颗粒。

?优点：这样避免颗粒太细的缺点，同时制得的固定化酶稳定性好。

?（四）包埋法（entrapping method）

?定义：

?将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中，使酶固定化的方法称为包埋法。

?（四）包埋法

?包埋法分为网格型和微囊型

?1．网格型

?2．微囊型

?1．网格型

?(1) 概念：

?将酶或含酶菌体包埋在凝胶细微网格中，制成一定形状的固定化酶，称为网

格型包埋法。也称为凝胶包埋法。

?2．微囊型包埋法

?是将酶包埋在各种高分子聚合物制成的小球内，制成固定化酶。由于固定化形成的

酶小球直径一般只有几微米至几百微米，所以也称为微囊化法。

?微囊化法制备固定化酶有两种方法

?①界面沉淀法

?②界面聚合法

?①界面沉淀法

?这是一种简单的物理法，它是利用某些高聚物在水相和有机相的界面上溶解度较低

而形成的皮膜将酶包埋。此法条件温和，酶失活少，但要完全除去膜上残留的有机溶剂很麻烦。

?②界面聚合法

?是用化学手段制备微囊的方法。利用油水界面上发生聚合反应形成聚合体而将酶包

裹起来。

?②界面聚合法

?第三节提要

?一般方法及特点

?酶的固定化方法

?第三节结束

?点击返回

?第四节微生物、植物和动物细胞固定化

?细胞特性比较

?概念：

?固定在载体上并在一定的空间范围内进行生命活动的细胞称为固定化细胞.

?该细胞能进行正常的生长、繁殖和新陈代谢，又称固定化活细胞或固定化增殖细胞。

?细胞固定化方法

?吸附法

?包埋法

?吸附法

?它主要通过载体与细胞间的静电引力，即细胞表面与载体之间范德华作用力，离子

键和氢键作用力，才使细胞固定在载体上的。

?影响吸附法的主要因素

?（1）Z-电位：Z-电位能近似地代表表面电荷密度的大小

?（2）细胞的性质和细胞壁的组成：细胞壁的电荷性质

?（3）载体的性质：特别是玻璃、陶瓷等无机材料

?包埋固定法

?包理法是在细胞自身并不与凝胶基体发生化学键合的情况下将其包埋在半透性聚

合物颗粒（或膜）内的一种固定化方法。

?包埋法的最大优点是能较好的保持细胞内多酶系统的活力，可象游离细胞那样进行

产物的发酵生产。

?包埋法分类

?常用载体：琼脂、海藻酸钙、角叉菜胶、明胶、聚丙烯酰胺

?常用凝胶包埋法

?通过改变载体溶液参数包埋细胞

?改变载体溶液、操作温度、盐浓度、pH值和溶剂等参数时，亦可使其转变为凝胶状

态，将细胞包埋其中。

?研究热点——光交联树脂包埋法

?例：相对分子量为1000-3000的光交联聚氨酯预聚物等，加入1%左右的光敏剂，加

水配成一定浓度，加热至50℃，然后与一定浓度的细胞悬浮液混合均匀，摊成一定厚度的薄层，用紫外照射3min，就可制得

?固定化细胞的目的

?微生物菌体：不需多次培养、扩大，从而缩短了发酵生产周期

?植物细胞

?动物细胞

?第四节固定化细胞提要

?特点

?方法

?目的

?第四节结束

?点击返回

?第五节固定化原生质体和辅酶

?一原生质体固定化的方法

?制备原生质体——将原生质体重新悬浮在含有渗透压稳定剂的缓冲液中配成原生质

体悬浮液——包埋法固定化原生质体。

?关键：原生质体如何制备？

?二原生质体的制备

?将对数生长期的细胞收集——悬浮在含有渗透压稳定剂的高渗缓冲液中——去细胞

壁——分离纯化——得到原生质体-活性鉴定

?三酶解注意要点

? 1 酶解前要预处理：主要是为了使酶渗透到细胞器中去。

?采取的策略：先加入物质抑制或阻止某种细胞壁的成分合成，可以使酶插入。

?一般加入：巯基乙醇，Triton-100,甘氨酸、青霉素。

?三酶解注意要点

? 2 酶系选择：

?溶菌酶

?蜗牛酶

?β葡聚糖酶

?纤维素、半纤维素、和果胶酶

? 3 酶浓度选择（0.5%-1%）

?三酶解注意要点

? 4 酶解温度和pH

? 5 酶解终点确定

?四稳定剂（高渗溶液）要求

? 1 加入的化合物对细胞和原生质体无毒性

? 2 不会影响水解酶的活性

? 3 对代谢产物无不良影响

?四稳定剂加入操作注意点

? 1 一定pH （酶和菌体活性最高）

? 2 一定的浓度（过高浓度原生质体易脱水皱缩）

? 3 种类：无机盐-对细菌

?有机物糖和糖醇-酵母

? 4 易于渗入质膜、易于被原生质体和菌体分解的物质不宜作为稳定剂

?五原生质体细胞活性的检测

? 1 荧光素双醋酸盐（FDA) 染色法

? 2 酚藏花红染色法

? 3 伊文思兰染色法

?四辅酶固定化

? 1 原因

?有机辅因子中具有某些特殊的化学基团，参与酶的催化反应(递氢、递电子或递某些

化学基团的作用）

?有机辅因子在使用过程中要流失，并且不能自行再生

?有机辅因子价格昂贵

?——工业上应用全酶的关键是有机辅因子的保留和再生

?辅酶固定化的方法：

? 2 固定化方法与酶相似，一般采用溴化氰法，碳二亚胺法以及重氮偶联法等共价偶

联，或将其进行适当的化学修饰后固定在超滤器中。

? 3 辅酶固定化必须解决辅酶在多个酶之间传递的障碍。

?策略：先在辅酶的一定部位进行修饰--引入功能团和间隔臂（形成辅酶衍生物）-- 再

与水溶性高分子结合

?辅酶的固定化

?辅酶的固定化

?辅酶再生的形式：

?第五节固定化原生质体和辅酶的固定化

?原生质体

?辅酶固定化

?第五节结束

?点击返回

?第六节酶反应器和固定化酶（细胞）的应用

?酶反应器介绍

?酶反应器的选择和应用

?固定化酶和细胞的应用

?生物催化反应器工程

?一．酶反应器。

?分批搅拌反应器。

?搅拌罐型

?连续流搅拌桶反应器。

?固定床型（填充床反应器）

?流化床反应器

?连续搅拌桶-超滤反应器

?循环反应器

?膜式反应器

?鼓泡塔型

?分批搅拌反应器

?反应器结构简单，不需要特殊装置，适与小规模试验

?连续流搅拌桶反应器

?连续搅拌釜式反应器

?填充床反应器

?旋转填充床

?流化床反应器

?与连续流搅拌桶式反应器类似，是让适量的颗粒状酶悬浮于反应床中，不用搅拌器，

而是底物向上流过固定酶床，因此流速要适当控制。

?循环反应器

?高效内循环生物反应器（HCR）

?连续搅拌桶-超滤反应器

?膜式反应器

?定义：

?由膜状或板状固定化酶或固定化微生物组装的反应器均称为膜式反应器。

?类型：

?直接接触式酶膜反应器；

?扩散型膜反应器；

?多相酶膜反应器。

?鼓泡塔型反应器

?适用对象：反应中涉及气体的吸收或产生时适用。

?气体进入方式：

?与底物一起从底部进入，经过气体分散板分散。

?和循环液从底部以切线方向进入。

?生物催化反应－分离耦合反应器

?反应－

分离耦合反应器成功实现产物在线分离

?产物在线分离策略实现头孢克罗半连续制备

?减压式反应器用于生物催化反应中易挥发产物的在线去除

?反应器选择

?酶的形式：溶液酶

?颗粒状或片状固定化酶

?膜状和纤维状固定化酶

?底物的物理性质：溶解性、颗粒物质和胶体物质

?反应操作要求

?酶的稳定性

?应用和可塑性和成本

?酶反应器的应用

?控制酶反应器液态流动方式

?反应器中流动方式的改变会使酶与底物的接触不良，造成反应器生产能力降低。

?流动方式改变造成反混程度的变化，会发生程度不同的反应或副反应。

?物料粒子进入反应器后所经历的时间称为粒子的年龄。粒子离开反应器时的年龄称

为停留时间。

?反应器内不同年龄的粒子间的混合称为反混。

?酶反应器的应用

?酶反应器对底物恒定转化

?目的：反应器能平稳的进行工作，有利于实现自控操作

?方法：控制底物流速

?国外热点：将固定化酶反应器串联或并联操作。

?酶反应器的应用

?保持酶反应器的稳定性：

?防止酶变性、中毒、自溶或载体磨损。

?防止酶反应器中微生物污染

?向底物中加入杀菌、抑菌物质，或有机溶剂

?底物物料预先除菌

?在45度以上环境中或酸、碱缓冲液中进行反应

?酶反应器每次用后消毒

?二．固定化酶（细胞）的应用

?1．固定化酶（细胞）在工农业生产上的应用

?2．固定化酶在医药治疗上的应用

?3．固定化酶在分析化学中应用

?4．固定化酶和亲和色谱

?5．固定化酶与环境保护

?6．新能源开发中的应用

?7．固定化酶在基础理论研究中应用

?1．固定化酶（细胞）在工农业生产上的应用

?葡萄糖异构酶——世界上生产规模最大的一种固定化酶。

?用吸附法、结合法、凝胶包埋法等进行固定化。

?

?葡萄糖异构酶

?葡萄糖果糖果葡糖浆

?固定化酶在工业生产中的应用

?聚丙烯酰胺凝胶包埋含有延胡索酸酶的产氨短杆菌菌体，制得固定化延胡索酸酶。

工业化生产L-苹果酸

?利用固定化乳糖酶可以连续生产低乳糖奶

?固定化酵母细胞等微生物可用于生产各种酒类

?固定化原生质体的应用

?研究中：

?固定后化枯草杆菌原生质体生产碱性磷酸酶，使原来存在于细胞中的碱性磷酸酶，

全部分泌到发酵液中，提高产率36%，可连续使用37天。

?2．固定化酶在医药治疗上的应用

?例1

?固定化青霉素酰化酶，只要改变pH值等条件，就既可以催化青霉素或头孢菌素水

解生成6-氨基青霉烷酸酸或7-氨基头孢霉烷酸

?也可以催化6-APA或7-ACA与其他的羧酸衍生物进行反应

?合成新的具有不同恻链基团的青霉素或头孢霉素

?青霉素酰化酶催化合成头孢类抗生素

?青霉素酰化酶催化合成头孢类抗生素

?酶促合成头孢类抗生素

?-- Reversible reaction

?-- Hydrolysis of substrate or product by biocatalyst

?-- Difficulty of separation of product from reactants

?固定化酶在医药治疗上的应用

?例2：制造人工肾

?利用固定化脲酶透析液和活性炭一起制成的体外循环装置，大大提高了疗效。固定

化脲酶由酶与离子交换树脂一起制成微小胶囊尿酶可分解尿素为NH3和CO2，NH3被树脂吸附，CO2可由肺部排出，活性炭用以吸附尿素以外的代谢废物。

?3．固定化酶在分析化学中应用

?酶柱和酶管，可与分光光度计、荧光计或电量计结合，形成酶电极，进行某些物质

的自动分析。

?酶电极

?酶电极

?特点：快速、方便、灵敏、精确

?范围：

?糖类、抗生素、氨基酸、甾体化合物、有机酸、脂粉、醇类、胺类以及尿素、尿酸、

硝酸、磷酸等

?要求：

?酶必须有较强的专一性，并且要有一定的纯度。

?研究新方向-微生物传感器

?呼吸活性测定型：利用固定在高分子膜上的微生物细胞的呼吸作用，测定氧气的消

耗和二氧化碳的生成，从而确定被测定物质的量。

?电极活性测定型的微生物传感器是利用固定在膜上的微生物细胞的新陈代谢作用，

测定电极活性物质的量的变化。由固定化微生物膜与生物燃料电池、离子选择电极和气体电极等组成。

?4．固定化酶和亲和色谱

?亲和技术的基础：

?是生物活性化合物生物特异信息的综合；

?利用了生命现象中生物分子间特有的高亲和力、高专一性，可逆结合而设计的纯化

方法；

?是唯一能够体现待分离物质间生物学功能差异的分离方法。

?5．固定化酶与环境保护

?一：环境监测

?二：污染物处理。

?6．新能源开发中的应用

?H2是重要的能源物质，虽然有许多微生物可以产生H2，但产氢系统不稳定。有人利

用固定化丁酸梭菌连续产氢，稳定性比天然细胞好。

?将植物的叶绿体中的铁氧还原蛋白氧化酶系统用胶原膜包被，可用于水的光介产生

氢气和氧气。

?7．固定化酶在基础理论研究中应用

?阐明酶反应机理

?揭示酶原激活机理

?酶亚基性质的研究

?研究蛋白质-核酸分子结构

?例：用N,N-亚苯基双马来酰胺交联的肌球蛋白，手臂长度推算出活性中心两个必需

巯基间的距离是1.2-1.4 nm

?研究蛋白质-核酸分子结构

?连续的固定化酶柱进行DNA序列分析

?原理：是测定DNA聚合时，以掺入dNTP同时释放的焦磷酸判断是否发生了聚合反

应，进而确定掺入的是哪种核苷酸从而推导出序列

?——该系统由连续的6个固定化酶柱组成：

?焦磷酸酶、DNA聚合酶、甘油激酶、己糖激酶、

?ATP磷酸化酶，荧光酶柱

?第六节结束

?酶反应器

?应用

?第六节结束

?点击返回

各种酶固定方法

一、D380(功能基团为伯氨基)为载体戊二醒交联固定化α一淀粉酶 1、固定化载体的预处理 吸附树脂采用乙醇、丙酣、蒸馏水交替处理，最后用蒸馆水冲洗至中性备用；离子交换树脂先用蒸馆水漫泡胀润、去杂，然后用 HCl 、NaOH 交替处理，最后用蒸锢水冲洗至中性，置于 4 "C冰箱保存备用。 2、载体选择 取处理后载体(湿态)约1.0g，分别加入 20mL 酶液摇匀，在摇床上室温 (25°C摄氏度),100r/min 振摇，过夜(12h)，弃去上清，并以磷酸缓冲液反复洗涤至洗涤液中无蛋白检出。分别测定固定化酶和上清液的酶活，并计算固定化得率。根据其酶活和得率进行筛选。 ３、固定化条件的优化 取处理后载体(湿态)1.0g左右，加入一定量戊二醒，在摇床上定温(25°C) , 100r/min 振摇一定时间，弃去上清，蒸馏水反复冲洗至无戊二醛残留。处理后加入酶液进行固定化，条件同载体选择。 4、蛋白质含量测定 采用 Bradford 的方法，以牛血清蛋白为标准曲线。 5、酶活收率 指实际测定的总的固定化酶活与固定化时所用的全部游离酶活之比。 6、酶活测定 以 20.0mL 的 2% 可溶性淀粉为底物，加入 5.0mL 的缓冲液。在

60 °C预热 5min 后加入适量固定化酶或稀释至适当浓度的酶液，准确反应 5min 后，立即取出1.0mL 反应液置于稀腆液5.0mL 中摇匀显色。以稀腆液为空白，于 660nm 波长下测定其吸光度值。 二、D301 树脂固定化假丝酵母脂肪酶 1、固定化载体及其预处理 选择 7 种工业应用广泛的吸附和离子交换树脂： D301、D113、AB-8、D3520、D4020、D290、D280, 购自南开大学化工厂。其中 D301 为大孔弱碱性苯乙烯系阴离子交换树脂,D113 为大孔弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂, AB-8、D3520 和 D4020 为大孔吸附树脂, D290 和 D280 为大孔强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂。大孔吸附树脂: 采用乙醇、丙酮、蒸馏水交替处理,最后用蒸馏水冲洗至中性备用; 阳离子交换树脂:将树脂用水洗至流出清水后,用 2%-4% NaOH 浸泡4-8h 后用水洗至中性,再用 5%盐酸浸泡 4-8h,用水洗至 pH=6,待用;阴离子交换树脂:将树脂用水洗至流出清水后,用 5%盐酸浸泡 4-8h 后,用水洗至 pH=6,再用 2%~4%NaOH 浸泡 4~8h,用水洗至 pH 7-9,待用。 2、脂肪酶的固定化 采用单因素对比试验分别进行载体选择、5%戊二醛溶液的加入量、酶液浓度、pH 环境和反应时间等条件的优化试验。称取一定量脂肪酶粉溶解于 100 mL 设定 pH 值的磷酸缓冲液中,并倒入 250 mL 具塞三角烧瓶中, 再加入设定量的载体,在 5 °C-8 °C 低温冷却液循环

酶固定化方法及载体特性

酶固定化一般方法及载体特性 酶是重要的生物催化剂，具有专一性强、催化效率高、无污染、反应条件温和等特点，在制药、食品、环保、酿造、能源等领域都得到了广泛的应用。但在实际应用中，酶也存在许多不足，如大多数的酶在高温、强酸、强碱和重金属离子等外界因素影响下，都容易变性失活，不够稳定；与底物和产物混在一起，反应结束后，即使酶仍有很高的活力，也难于回收利用，这种一次性使用酶的方式，不仅使生产成本提高，而且难于连续化生产；并且分离纯化困难，也会导致生产成本的提高等。固定化酶（immobilized enzyme）这个术语是在1971 年酶工程会议上被推荐使用的。随着固定化技术的发展，出现固定化菌体。1973年，日本首次在工业上应用固定化大肠杆菌菌体中的天门冬氨酸酶，由反丁烯二酸连续生产L-天门冬氨酸。固定化酶技术为这些问题的解决提供了有效的手段，从而成为酶工程领域中最为活跃的研究方向之一。 1酶固定化的传统方法 关键在于选择适当的固定化方法和必要的载体以及稳定性研究、改进，酶载体推荐创科催化酶载体树脂。 1.1 吸附法 吸附法是利用物理吸附法，将酶固定在纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等载体上的固定方式。显著特点是：工艺简便及条件温和，包括无机、有机高分子材料，吸附过程可同时达到纯化和固定化；酶失活后可重新活化，载体也可再生。但要求载体的比表面积要求较大，有活泼的表面。 1.2包埋法 包埋固定化法是把酶固定聚合物材料的格子结构或微囊结构等多空载体中，而底物仍能渗入格子或微囊内与酶相接触。这个方法比较简便，酶分子仅仅是被包埋起来，生物活性被破坏的程度低，但此法对大分子底物不适用。 1)网格型 将酶或包埋在凝胶细微网格中，制成一定形状的固定化酶，称为网格型包埋法。也称为凝胶包埋法。 2)微囊型 把酶包埋在由高分子聚合物制成的小球内，制成固定化酶。由于形成的酶小球直径一般只有几微米至几百微米，所以也称为微囊化法。

2017高考生物一轮复习教案：专题27考点二 固定化酶和固定化细胞 含解析 精品

考点二固定化酶和固定化细胞 基础点 1固定化酶 (1)应用实例——果糖生产：葡萄糖异构酶将葡萄糖转化为果糖。 (2)固定化酶技术：将酶固定在颗粒状的载体上，再将酶颗粒装到反应柱内，反应柱底端的孔应满足酶颗粒无法通过而反应溶液可以自由通过。 2固定化细胞技术 (1)概念：利用物理或化学方法将酶或细胞固定在一定空间内的技术。 (2)方法：包埋法、化学结合法和物理吸附法。 (3)制备固定化酵母细胞的操作流程：酵母细胞的活化→配制0.05 mol/L CaCl2溶液→配制海藻酸钠溶液→海藻酸钠溶液与酵母细胞混合→固定化酵母细胞→冲洗→发酵。 重难点 1制备固定化酵母细胞及用固定化酵母细胞发酵 2直接使用酶、固定化酶和固定化细胞的比较

易错警示(1)固定化技术对酶的影响：固定化酶改变了酶的存在状态，不改变酶的特性，因此利用固定化酶仍要严格控制温度、pH 等环境条件，以利于酶发挥作用。 (2)正确理解固定化酶的优点：固定化酶能够连续使用，但不是永久使用。酶是具有生物活性的大分子，因此随着使用次数的增多，酶活性也会降低，如果酶活性降低到一定程度，就会失去使用价值。 1．思维辨析 (1)反应产物对固定化酶的活性没有影响。( ) (2)固定化细胞可以催化各种反应底物的一系列反应。( ) (3)从酶的固定方式看，物理吸附法比化学结合法对酶活性影响小。( ) (4)将海藻酸钠凝胶珠用无菌水冲洗，目的是洗去CaCl 2和杂菌。( ) (5)刚溶化的海藻酸钠应迅速与活化的酵母菌混合制备混合液。( ) (6)利用固定化酵母细胞进行发酵，糖类的作用只是作为反应底物。( ) 答案 (1)× (2)× (3)√ (4)√ (5)× (6)× 2．酶在大规模产业化应用中的核心问题是固定化技术，而酶固定化所依据的基本原理在于酶具有( ) A ．热稳定性 B ．催化高效性 C ．催化特异性 D ．可反复使用性 答案 D 解析 固定化酶是利用物理或化学方法处理水溶性的酶使之变成不溶于水或固定于固相载体的但仍具有酶活性的酶衍生物。在催化反应中，它以固相状态作用于底物，反应完成后，容易与水溶性反应物分离，可反复使用。固定化酶不但仍具有酶的高度专一性和高催化效率的特点，且比水溶性酶稳定，可较长期使用，具有较高的经济效益。

第 三 章 酶(试题与答案)

第三章酶 【测试题】 一、名词解释 1．酶13．最适pH 2．固定化酶14．不可逆性抑制 3．同工酶15．可逆性抑制 4．酶的特异性16．激活剂 5．酶的活性中心17．抑制剂 6．酶原及酶原激活18．核酶 7．抗体酶19．变构酶 8．活化能20．酶的共价修饰 9．诱导契合假说21．酶的Vmax 10．初速度22．结合酶 11．Km值23．酶活力 12．最适温度24．比活力 二、填空题 25．酶是由产生的对特异底物起高效催化作用的。 26．酶加速反应的机制是通过降低反应的，而不改变反应的。 27．结合酶，其蛋白质部分称，非蛋白质部分称，二者结合其复合物称。 28．酶活性中心与底物相结合那些基团称，而起催化作用的那些基团称。 29．当Km值近似ES的解离常数K S时，Km值可用来表示酶对底物的。 30．酶的特异性包括特异性，特异性和特异性。 31．米曼二氏根据中间产物学说推导出V与[S]的数学方程式简称为，式中的..为米氏常数，它的值等于酶促反应速度达到一半时的。 32．在其它因素不变的情况下，[S]对酶促反应V作图呈线，双倒数作图呈线，而变构酶的动力学曲线呈型。 33．可逆性抑制是指抑制剂与酶进行结合影响酶的反应速度，抑制剂与酶的活性中心结合，抑制剂与酶的活性中心外的必需基团结合。 34．反竞争性抑制剂使酶对底物表观Km ，Vmax 。 35．无活性状态的酶的前身物称为，在一定条件下转变成有活性酶的过程称。其实质是的形成和暴露过程。 36．丙二酸是酶的抑制剂，增加底物浓度可抑制。 37、同工酶是指催化化学反应，而酶蛋白分子结构、理化性质及免疫学性质的一组酶。 38．辅酶与辅基的区别在于前者与酶蛋白，后者与酶蛋白。 39．肌酸激酶的亚基分型和型。 40．最适温度酶的特征性常数，它与反应时间有关，当反应时间延长时，最适温度可以。 41．某些酶以形式分泌，不仅可保护本身不受酶的水解破坏，而且可输送到特定的部位与环境转变成发挥其催化作用。 42．不可逆抑制剂常与酶以键相结合使酶失活。 43．当非竞争性抑制剂存在时，酶促反应动力学参数如下Km ，Vmax 。 44．当酶促反应速度为最大反应速度的80%时，底物浓度是Km的倍。 三、选择题 A型题 45．关于酶概念的叙述下列哪项是正确的 A.所有蛋白质都有酶的活性 B.其底物都是有机化合物 C.其催化活性都需特异的辅助因子 D.体内所有具有催化活性的物质都是酶 E.酶是由活细胞合成具有催化作用的蛋白质

酶的固定化

酶的固定化 固定化酶是酶工程的核心，利于实现酶的重复利用及产物与酶的分离。下面以酶的固定化方法为核心，介绍一些有关固定化技术的研究新进展。 1 吸附法 利用多种固体吸附剂将酶或含酶细胞吸附在其表面上而使酶固定方法。该方法最显著的优点是操作简便，条件温和，不会引起酶的变异失活，且载体价廉易得，可反复使用。但酶与载体结合不牢，极易脱落，所以它的使用受到一定的限制。因此，人们不断尝试使用新的载体来解决这易脱落的问题。 通常，吸附法分为物理吸附法和离子吸附法。 酶被载体吸附而固定的方法称为物理吸附法。从载体对酶的适应性来看，这个方法效果是好的，酶蛋白的活性中心不易受破坏，酶的高级结构变化也不明显，但其缺点是酶与载体的相互作用较弱，被吸附的酶极易从载体表面上脱落下来，不能获得较高活力的固定化酶。该方法常用的载体有活性炭、多孔陶瓷、纤维素及其衍生物、甲壳素及其衍生物等。纵伟、刘艳芳等(2008)以磁性壳聚糖微球作为新型载体，并采用物理吸附法固定化脂肪酶，对影响固定化的各种因素进行考察，确定了最优条件，同时比较了游离酶和固定化酶的pH值和热稳定性。结果表明，固定化的适宜条件为：加酶量600 U／g，温度5℃，pH 7．0，固定化时问2 h。固定化酶的pH值和热稳定性都优于游离酶，

固定化酶连续使用5次后，其相对酶活仍为使用前的57.8％，具有较好的操作稳定性。近年来，随着介孔分子筛制备技术的日臻成熟，人们正在考虑用其担当固定化酶的载体。与其他材料相比，介孔分子筛规则的孔道、大的比表面积、极强的吸附性能、稳定的结构等特点，使其具有担当固定化酶载体得天独厚的优势。 王炎等(2008)以介孔分子筛MCM一41作为载体，采用物理吸附法对漆酶进行了固定化，考察了时间、pH和给酶量对固定化效果的影响，并对固定化酶的活性及其稳定性进行了研究，讨论了影响固定化过程和固定化酶性质的主要原因。结果显示，在pH为3.0时，酶和载体比例为62.5 mg／g时吸附12 h固定化效果最好，固定化酶活性回收率为50％。与游离漆酶相比，MCM一41固定化漆酶的最适反应pH略有升高，最适温度没有变化，其pH稳定性和热稳定性都显著优于游离漆酶。固定化漆酶具有可重复操作的性质，与底物反应反复操作1O批次后剩余活性为4O％。 将酶与含有离子交换基团的水不溶性载体以静电作用力相结合 的固定化方法。该方法的处理条件温和，且酶的高级结构和活性中心的氨基酸很少发生变化，因而可以得到较高活性的固定化酶。采用此法固定的酶有葡萄糖异构酶、糖化酶、淀粉酶、纤维素酶等。陈姗姗等(2008)以阴离子交换树脂为载体、戊二醛为交联剂，对果胶酶进行固定化分析，探讨了温度、pH值、时间、加酶量、戊二醛浓度、交联温度、交联时问对果胶酶固定化效果的影响，同时对固定化果胶酶的酶学特性进行研究。研究结果表明，果胶酶的最佳固定化条件为：温

第三章 固定化酶与固定化细胞

?第三章固定化酶与固定化细胞 ?第一节概述 ?第二节固定化酶的性质及其影响因素 ?第三节固定化酶的制备 ?第四节固定化细胞 ?第五节固定化辅酶和原生质体 ?第六节酶反应器和固定化酶（细胞）的应用 ?第一节概述 ?什么是固定化酶？ ?第一节概述 二．固定化酶的优缺点 ?多次使用 ?可以装塔连续反应 ?优点：纯化简单 ?提高产物质量 ?应用范围广 ?缺点：首次投入成本高 ?大分子底物较困难 ?第一节结束 ?点击返回 ?第二节固定化酶的性质及其影响因素 ?一．影响固定化酶性质的因素 ?二．固定化后酶性质的变化 ?三．评价固定化酶的指标 ?一．影响固定化酶性质的因素 1．酶本身的变化，主要是由于活性中心的氨基酸残基、高级结构和电荷状态等发生了变化。 ?二．固定化后酶性质的变化 ?1．固定化对酶活性的影响： ?酶活性下降，反应速度下降 2．固定化对酶稳定性的影响 ?稳定性提高（原因） ?3．pH的变化（原因） ?载体带负电荷，pH向碱性方向移动。 ?载体带正电荷，pH向酸性方向移动。 ?催化反应的产物为酸性时，固定化酶的pH值比游离 ?酶的pH值高；反之则低 ?固定化后酶稳定性提高的原因： ? a. 固定化后酶分子与载体多点连接。 ? b. 酶活力的释放是缓慢的。 ? c. 抑制自身降解，提高了酶稳定性。 ?PH 对酶活性的影响： ?（1）改变酶的空间构象 ?（2）影响酶的催化基团的解离

?（3）影响酶的结合基团的解离 ?（4）改变底物的解离状态，酶与底物不能结合或结合后不能生成产物。 ?4．最适温度变化 一般与游离酶差不多，但有些会有较明显的变化。 5．底物特异性变化 ?作用于低分子底物的酶特异性没有明显变化 ?既可作用于低分子底物又可作用于大分子低物的酶 ?特异性往往会变化。 6．米氏常数Km的变化，Km值随载体性质变化 （链接） ?米氏常数Km的变化，Km值随载体性质变化 由于分配效应：ρ=[Si]微环境/[S]宏观环境 Km'=Km/ρ(表观米氏常数) ?（1）载体与底物带相同电荷，Si]<[S],ρ<1,Km’>Km固定化酶降低了酶的亲和力。 ?（2）载体与底物电荷相反，静电作用，[Si]>[S]，则ρ>1,Km'

3.2制备和应用固定化酶

第三章酶的应用技术实践 3.2制备和应用固定化酶 探究目的： 1说出固定化酶和固定化细胞的作用和原理 2、尝试制备固定化酵母细胞，并利用固定化酵母细胞进行酒精发酵。探究预习： 固定化酶技术的发展也促进了固定化细胞技术的发展。20世纪70年代后期出现了固定化细胞 技术。通过各种方法将细胞与一定的载体结合，使细胞仍保持原有的生物活性，这一过程称为细胞固定化。固定化细胞仍能进行正常的生长、繁殖和代谢，由于保留了细胞内原有的多酶系统，这对多步催化的连续反应优势就更加明显。细胞固定化的方法也有多种，主要是吸附法和包埋法两大类。 吸附法是制备固定化动物细胞的主要方法。动物细胞大多数具有附着特性，能够很好地附着在容器壁、微载体和中空纤维等载体上。吸附法制备固定化植物细胞，是将植物细胞吸附在泡沫塑料的大孔隙或裂缝之中，也可将植物细胞吸附在中空纤维的外壁上。 包埋法是指将细胞包埋在多孔载体的内部而制成固定化细胞的方法。凝胶包埋法是应用最广泛的细胞固定化方法，适用于各种微生物、动物和植物细胞的固定化。凝胶包埋法所使用的载体主要有琼脂、海藻酸钠凝胶、角叉菜胶、明胶等。 海藻酸钠凝胶包埋法制备固定化细胞的操作简便，条件温和，对细胞无毒性。通过改变海藻酸钠的浓度可以改变凝胶的孔径，适合于多种细胞的固定化。用海藻酸钠凝胶制备的固定化细胞已用于多种酶的发酵生产与研究。 固定化细胞技术可以取代游离的细胞进行发酵，生产各种物质。 材料用具：干酵母，聚乙烯醇，海藻酸钠，无水CaC2，蒸馏水，烧杯，玻璃棒，酒精灯，三 角架，石棉网，注射器等。 探究过程： 探究反思： 固定化酵母菌技术有哪些优点? 探究示例： 请参照细胞固定化技术的相关基础知识，完成下列问题。 （1）细胞固定化技术一般采用包埋法固定化，采用该方法的原因是 （2）包埋法固定化是指___________________________________ 。 （3）_____________________________________________________________________ 包埋法固定化细胞常用的载体有 ________________________________________________________________ _______________________ 。（答出三种即可） （4）与固定化酶技术相比，固定化细胞技术的优点是 （5）制备固定化酵母细胞的步骤为: 【解析】（1）固定化细胞的方法有包埋法、化学结合法和物理吸附法，一般来说多采用包埋法固定化，因为个大的细胞难以被吸附或结合，且不易从包埋材料中漏出。 （2）（3）包埋法固定化即将微生物细胞均匀地包埋在不溶于水的多孔性载体中。常用的载体有明胶、琼脂糖、海藻酸钠等。 （4）与固定化酶技术相比，固定化细胞技术的成本更低?操作更容易。 （5）制备固定化酵母细胞的程序为：酵母细胞的活化T配制CaC2溶液T配制海藻酸钠溶液T海藻酸钠溶液与酵母细胞混合T固定化酵母细胞。 【答案】（1 ）细胞个大，不易从包埋材料中漏出；（2）将微生物细胞均匀地包埋在不溶于水的多 孔性载体中；（3）明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素、聚丙烯酰胺等；（4）成本更低，操作更容易；（5）①酵母细胞的活化②配制CaC2溶液③配制海藻酸钠溶液④海藻酸钠溶液与酵 母细胞混合⑤酵母细胞的固定化。 【矫正反馈】 1?固定化酶和固定化细胞是利用物理或化学方法将酶或细胞固定在一定空间内的技术，其中适合细胞固定的方法是（） A.包埋法 B.物理吸附法 C.化学结合法 D.高温冷却法 2.与固定化酶相比，固定化细胞制备的特点是（） A.成本高，但操作更容易 B.成本低，但操作更复杂 C.成本高，且操作更复杂 D.成本低，且操作更容易 3.固定化细胞技术在废水处理中有着重要作用，用于处理含氮、氨丰富的废水的固定化微生物通常是（） ①酵母菌②青霉菌③硝化菌④反硝化菌 ①③D.②④ 让酵母细胞在缺水状态下休眠 让处于休眠状态的酵母细胞重新恢复正常的生活状态 5.下面为制备固定化酵母细胞的步骤，其正确的操作程序是 （） ①海藻酸钠溶液与酵母细胞混合②配制海藻 酸钠溶液③酵母细胞的活化 ⑤配制物质的量浓度为0.05 mol/L的CaC2溶液 A.①②③④⑤ B.③①②⑤④ C.③⑤②①④ 6 .试分析下图中，哪一种与用海藻酸钠作载体制备的固定化酵母细胞相似（ 7 .下列有关固定化酵母细胞制备步骤叙述，不恰当的是（） A.应使干酵母与水混合并搅拌，以利于酵母菌活化 B.配制海藻酸钠溶液时要用小火间断加热的方法 C.向刚溶化好的海藻酸钠溶液中加入已活化的酵母细胞，充分搅拌并混合均匀 D.将与酵母混匀的海藻酸钠溶液注入CaC2溶液中，会观察到CaC2溶液中有球形的凝胶珠形成 8.用固定化酵母细胞发酵葡萄糖溶液时，为了能产生酒精，下列措施错误的是（） A.向瓶内泵入氧气 B.应将装置放于适宜的条件下进行 C.瓶内应富含葡萄糖等底物 D.将瓶口密封，效果更好 探究步骤探究记录结论或解释1.实验准备准备各种实验药品和器具。 2?制备麦芽汁称取一定质量的干麦芽粉，加入其质量4倍的水，在58~65C下 糖化3-4 h。每隔一定的时间用碘液测定，如果仍显蓝色，说明糖化还不完全，继续糖化直至不显色为止，得到麦芽汁。煮沸、冷却麦芽汁后用纱布过滤，再调节pH至6.0，在121 C下灭菌15min，制成无菌麦牙汁。 3.活化酵母菌细胞称取1g干酵母放入50 mL的小烧杯中，加入蒸馏水10 mL。用玻璃棒搅拌酵母菌液，使其活化1h左右。 4.制备固定化细胞称取4g聚乙烯醇（PVA）和0.2 g海藻酸钠，加入无菌水40 mL，适当加热至完全溶化，将溶液冷却至45 C，加入预热至35C的 酵母菌培养液，混合均匀形成酵母菌谒藻酸钠胶液；将酵母菌- 海澡酸钠胶液倒入带有孔径为 2 mm喷嘴的小塑料瓶或吸入注 射针筒中；以恒定的速度滴入预先盛有50 mL饱和硼酸-氯化钙 溶液的烧杯中，采用磁力搅拌器或手摇的方法使溶液不停地旋转；酵母菌-海藻酸钠胶液在溶液中逐渐形成凝胶珠。待凝胶珠在溶液中浸泡30 min后，取出用无菌水洗涤3次备用。 5.发酵麦芽汁将固定化酵母菌细胞凝胶珠加入300 mL无菌麦芽汁中，置于 25C下发酵7~9 d。待发酵结束后品尝其味道。A.①② B.③④ C. 4 .酵母细胞的活化是指（） A.让酵母细胞恢复运动状态 B. C.让酵母细胞内酶活性加倍 D. ④固定化酵母细胞 D.③②⑤①④ ）

固定化酶的研究进展

固定化酶的研究进展 固定化酶是20世纪60年代发展起来的一项新技术。最初主要是将水溶性酶与不溶性体结合起来，成为不溶于水的酶衍生物，所以曾叫过“水不溶酶”和“固相酶”。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，酶本身仍是可溶的，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再恰当。在1971年第一届国际酶工程会议上，正式建议采用“固定化酶”的名称[1]。 一固定化酶的发展历程[1] 酶参与体内各种代谢反应，而且反应后其数量和性质不发生变换。作为一种生物催化剂，酶可以在常温常压等温和条件下高效地催化反应，一些难以进行的化学反应在酶的催化作用下也可顺利地进行反应，而且反应底物专一性强、副反应少等优点大大促进了人们对酶的应用和酶技术的研究。近年来，酶被人们广泛应用于食品生产与检测、生物传感器、医药工程、环保技术、生物技术等领域。 1916年美国科学家NELSON和GRIFFIN最先发现了酶的固定化现象；直到20世纪50年代，酶固定化技术的研究才真正有效地开展；1953年，德国科学家GRUB-HOFER 和SCHLEITH首先将聚氨基苯乙烯树脂重氮化，然后将淀粉酶、胃蛋白酶、羧肽酶和核糖核酸酶等与上述载体结合制备固定化酶；到20世纪60年代，固定化技术迅速发展；1969年日本千畑一郎利用固定化氨基酰胺酶从DL-氨基酸生产L-氨基酸，是世界上固定化酶大规模应用的首例；在1971年的第一届国际酶工程会议上，正式建议使用固定化酶(mimobilizedenzyme)这个名称。我国的固定化酶研究开始于1970年，首先是中国科学院微生物所和上海生化所的酶学工作者同时开始了固定化酶的研究工作 二固定化酶的特点[2] [3] 固定化酶具有许多优点：极易将固定化酶与底物、产物分开；可以在较长时间内进行分批反应和装柱连续反应；在大多数情况下，可以提高酶的稳定性；酶反应过程能够加以严格控制；产物溶液中没有酶的残留，简化了提取工艺；较水溶性酶更适合于多酶反应；可以增加产物的收率,提高产物的质量；酶的使用效率提高，成本降低。但是，固定化酶也有其不足之处，如固定化时，酶活力有损失；增加了固定化的成本，工厂开始投资大；只能用于水溶性底物，而且较适用于小分子。 三固定化酶固定化方法[3] [4] 由于所固定的酶或细胞的不同，或者固定的目的及固定用的载体的不同，使固定化方法大相径庭。根据固定的一般机理，可将之分为如下几种方法。酶的固定化方法有：

固定化酶和固定化细胞技术

张 海 龙 山东教育学院 生物系 Shan Dong Institute of Education 第九章　第九章　固 固定化酶与固定化细胞技术

第一节固定化酶 ?固定化酶：是指在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利用。 ?酶的固定化是将酶与水溶性载体结合，制备固定化酶的过程。

固定化酶的特点（与游离酶相比） ?（1）极易将固定化酶与底物、产物分开，产物溶液中没有酶的残留，提纯工艺简化； ?（2）能够在较长时间 进行反应，便于实现连续化和自动化； ?（3）大多数情况下，能够提高酶的稳定性； ?（4）酶的反应过程能够严格控制； ?（5）酶的利用率提高，生产成本降低； ?（6）能够进行多酶反应； ?（7）可以增加产物收率，提高产物的质量； ?（8）增加了生产的成本； ?（9）只能用于可溶性小分子底物，对大分子的底物适应性差，与完整的菌体细胞相比，不适宜于多酶反应，特别是需要辅助因子的反应。

一、固定化酶的制备方法 ?根据不同应用目的和不同应用环境选择不同的方法，遵循如下原则： –（1）必须维持酶的催化活性以及专一性； –（2）有利于实现连续化和自动化； –（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，以便提高产品的质量； –（4）酶与载体必须结合牢固，便于回收贮存，反复利用； –（5）固定化酶应有最大的稳定性，所选载体不应与产物或反应液发生化学反应； –（6）成本要低，以便于工业使用；

实践中，可根据酶的性质，反应特征选择合适的方法。?（一）包埋法： –1、网格型 –2、微囊型：界面沉淀法、界面聚合、二级乳化法、脂质包埋法?（二）吸附法： –1、物理吸附法 –2、离子吸附法 ?（三）、共价偶联法 ?（四）、交联法 ?（五）、共价结合法 –1、结晶法 –2、分散法

高中生物第三章酶的应用技术实践第二节固定化酶的制备和应用学案苏教版选修1

第二节固定化酶的制备和应用 学习导航明目标、知重点难点 固定化酶和固定化细胞的应用。(重点) 固定化酶与固定化细胞的制备方法。(难点) [学生用书P43] 一、阅读教材P63分析固定化酶 1．概念：是指用物理学或化学的方法将酶与固相载体结合在一起形成的仍具有酶活性的酶复合物。 2．优点：在催化反应中，它以固相状态作用于底物，反应完成后容易与水溶性反应物和产物分离，可被反复使用，且保持了酶的催化性能，可实现酶促反应的连续化和自动化。 3．制备固定化酶的常用方法 目前，制备固定化酶的方法主要有物理吸附法、化学结合法、包埋法等。 二、阅读教材P64～65分析固定化细胞技术的应用 1．应用：固定化细胞可以取代游离的细胞进行发酵，生产各种物质。 2．优点 (1)固定化细胞技术无须进行酶的分离和纯化，减少了酶的活力损失，同时大大降低了生产成本。 (2)固定化细胞不仅可以作为单一的酶发挥作用，而且可以利用细胞中所含的复合酶系完成一系列的催化反应。 (3)对于活细胞来说，保持了酶的原始状态，酶的稳定性更高。 (4)细胞生长停滞时间短，反应快等。 3．缺点 (1)固定化细胞只能用于生产细胞外酶和其他能够分泌到细胞外的产物。 (2)由于载体的影响，营养物质和产物的扩散受到一定限制。 (3)在好氧性发酵中，溶解氧的传递和输送成为关键的限制因素。 4．酵母菌细胞的固定化技术的主要流程 准备各种实验药品和器材 ↓ 制备麦芽汁 ↓

活化酵母菌细胞 ↓ 配制物质的量浓度为0.05 mol/L的氯化钙溶液 ↓ 制备固定化细胞 ↓ 浸泡凝胶珠，用蒸馏水洗涤 ↓ 发酵麦芽汁 判一判 (1)酶在催化时会发生变化，不可反复利用。(×) (2)某种固定化酶的优势在于能催化一系列生化反应。(×) (3)固定化细胞所固定的酶都在细胞外起作用。(×) (4)制备固定化细胞的方法主要有包埋法、化学结合法和物理吸附法。(×) 连一连 固定化酶技术[学生用书P44] 由于酶的分离与提纯有许多技术性难题，造成酶制剂来源有限、成本高、不利于大规模使用。人们针对酶的这种不足寻着改善的方法之一是固定化酶技术的应用。结合教材P63内容完成以下探究。 (1)图A为物理吸附法，它的显著特点是工艺简便且条件温和，在生产实践中应用广泛。 (2)图B为化学结合法，它是利用多功能试剂进行酶与载体之间的交联，在酶和多功能试剂之间形成共价键，从而得到三维的交联网架结构。 (3)包埋法是将酶包埋在能固化的载体中。将酶包裹在聚丙烯酰胺凝胶等高分子凝胶中(如图C)，包埋成格子型；或包裹在硝酸纤维素等半透性高分子膜中(如图D)，包埋成微胶囊型。 各种固定化酶方法的比较

酶与细胞固定化技术样本

第五章酶与细胞固定化技术 教学目：使学生理解并掌握固定化酶（细胞、原生质体）概念及意义，掌握酶惯用固定化技术，理解固定化酶性质。 教学重点、难点：固定化酶（细胞、原生质体）范畴，各种固定化技术。固定化酶（细胞、原生质体）范畴,半透膜包埋法。 教学办法：讲授 教学手段：多媒体 第一节概述 一、游离酶使用中局限性: 1.提取纯化繁琐,价格昂贵 2.难以重复使用 3.稳定性差 二、固定化酶研究 克服游离酶缺陷办法之一 50年代开始 60年代后期，固定化技术迅速发展 1969年，千田一郎初次在工业生产规模应用固定化氨基酰化酶从DL-AA持续生产L-AA实现酶应用史上一大变革 三、基本概念 1、固定化酶（1971第一次国际酶工程学术会议） （Immobilized Enzyme) 指在一定空间范畴内呈闭锁状态存在酶，能持续地进行反映，反映后酶可以回收重复运用。涉及酶与不溶性载体结合“固相酶”“水不溶性酶”及包埋在凝胶或超滤装置中酶。 2、固定化细胞（原生质体）

指被限制自由移动细胞，即细胞受到物理化学等因素约束或限制在一定空间范畴内，但细胞仍保存催化活性并具备能被重复或持续使用活力。 四、固定化酶长处 增长了酶稳定性 能减少酶总体费用 酶分离和回收变得容易，并可重复使用 使反映过程持续操作成为也许 反映产物也易于提取纯化 有助于过程设计和优化 拓广了酶应用范畴（多酶系统酶反映，非水相酶反映，生物传感器探头等） 第二节、酶固定化办法 一、酶固定化办法 1、酶固定化办法（四大类办法） 1）吸附法 2）包埋法 3）交联法 4）化学共价法 其他（酶逆胶束包囊法） 一、酶固定化办法 2、选取办法根据： ⑴酶性质 ⑵载体来源、价格、机械性能、载体功能基团和交联度等 ⑶制备办法简便易行 ⒊衡量根据： ⑴测定固定化酶活力，以拟定固定化过程活力回收率；

第五章酶与细胞固定化技术

第五章酶与细胞的固定化技术 教学目的：使学生了解并掌握固定化酶（细胞、原生质体）的概念及意义，掌握酶的常用固定化技术，了解固定化酶的性质。 教学重点、难点：固定化酶（细胞、原生质体）的畴，各种固定化技术。固定化酶（细胞、原生质体）的畴,半透膜包埋法。 教学方法：讲授 教学手段：多媒体 第一节概述 一、游离酶使用中的局限性: 1.提取纯化繁琐,价格昂贵 2.难以重复使用 3.稳定性差 二、固定化酶研究 克服游离酶缺点的方法之一 50年代开始 60年代后期，固定化技术迅速发展 1969年，千田一郎首次在工业生产规模应用固定化氨基酰化酶从DL-AA连续生产L-AA实现酶应用史上的一大变革 三、基本概念 1、固定化酶（1971第一次国际酶工程学术会议） （Immobilized Enzyme) 指在一定空间围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利用。包括酶与不溶性载体结合的“固相酶”“水不溶性酶”及包埋在凝胶或超滤装置中的酶。 2、固定化细胞（原生质体） 指被限制自由移动的细胞，即细胞受到物理化学等因素约束或限制在一定空间围，但细胞仍保留催化活性并具有能被反复或连续使用的活力。 四、固定化酶优点 增加了酶的稳定性 能降低酶的总体费用 酶的分离和回收变得容易，并可重复使用 使反应过程的连续操作成为可能 反应产物也易于提取纯化 有利于过程设计和优化 拓广了酶的应用围（多酶系统的酶反应，非水相酶反应，生物传感器探头等） 第二节、酶的固定化方法 一、酶的固定化方法 1、酶的固定化方法（四大类方法） 1）吸附法 2）包埋法

3）交联法 4）化学共价法 其它（酶的逆胶束包囊法） 一、酶的固定化方法 2、选择方法依据： ⑴酶的性质 ⑵载体的来源、价格、机械性能、载体的功能基团和交联度等 ⑶制备方法简便易行 ⒊衡量依据： ⑴测定固定化酶的活力，以确定固定化过程的活力回收率； ⑵研究它的最适反应条件（底物浓度、pH 值、温度、离子强度等）； ⑶稳定性和不稳定原因的探究； ⑷对酶进行人工修饰，使其与载体的结合达到较为理想的构型和相容性。 （一）吸附法 1、原理：主要是利用细胞与载体之间的吸引力（德华力、离子键和氢键），使细胞固定在载体上，常用的吸附剂有玻璃、瓷、硅藻土、多孔塑料、中空纤维等。 此外还可利用专一的亲和力来固定细胞，例如伴刀豆球蛋白Ａ与ａ一甘露聚糖具有亲和力，而酿酒酵母细胞壁上含有ａ一甘露聚糖，故可将伴刀豆球蛋白Ａ先连接到载体上，然后把酵母连接到活化了的伴刀豆球蛋白上。 2、酶材料：酶或结合在菌体（死细胞）及细胞碎片上的酶或酶系。 3、优缺点：操作简便，条件温和，不会引起酶的变性失活，载体廉价易得，且可反复利用； 缺点是蛋白质与载体之间的结合相当弱,而且很多情况下,酶的非特异性吸附常常会引起部分或全部失活,高浓度的盐溶液或底物溶液又将加速蛋白质的脱附.因此当要求酶的固定绝对牢靠时,采用吸附法是很不可靠的. 4、常用吸附剂 各种矿物质以及无机载体(氧化铝，氧化铁，氧化钛，硅藻土，多空瓷，多空玻璃，羟基磷灰石等)，及天然高分子载体淀粉、白蛋白等，最常用的吸附剂是离子交换剂羧甲基纤维素，DEAE----纤维素、DEAE----葡萄糖，合成的阴离子和阳离子交换剂离子交换剂主要靠静电吸引，缺点是当离子强度增加或介质的pH、温度变化时，这种结合发生分解。 5、举例： 将伴刀豆球蛋白A-琼脂糖4B 50ml（在10mM PBS pH 7.4 含0.5M NaCl,1mM CaCl2和1mM MnCl2）与酶液(10mg/ml) 5ml,在4℃，搅匀过夜，便成琼脂糖复合物，用10mM NaAc pH4.5（1mMCaCl2 和1mMnCl2）充分洗涤，直至测不出活性为度，最后再悬浮于10ml NaAc PBS 中备用。 （二）包埋法 1、概念：指将酶或含酶菌体包埋在各种多空载体中，使酶固定的方法。可分为凝胶包埋法 （网格型）和半透膜包埋法（微囊型）两种。 2、优缺点：一般不需酶的AA残基进行结合反应，很少改变酶的高级结构，酶活回收率高； 缺点是包埋时发生化学聚合反应，酶易失活，须巧妙设计反应条件。另外网格结构影响底物和产物的扩散，有时，这种扩散会导致酶动力学行为的改变，所以此法只适合于小分子底物和产物的酶。 3、海藻酸盐包埋法 海藻酸钠与Ca2+,Mg2+,Al3+等多价离子间的转移凝胶作用,形成固定化细胞颗粒

固定化酶与固定化细胞

固定化酶 水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水的但仍具有酶活性的一种酶的衍生物。在催化反应中以固相状态作用于底物。 固定化酶（immobilized enzyme），酶本身还是溶于水的，只是是用物理的或化学的方法使酶与水不溶性大分子载体结合或把酶包埋在其中，使得酶在水中溶性凝胶或半透膜的微囊体从而导致流动性降低。酶固定化后一般稳定性增加，易从反应系统中分离，且易于控制，能反复多次使用。便于运输和贮存，有利于自动化生产，但是活性降低，使用范围减小，技术还有发展空间。 酶的固定化(Immobilization of enzymes)是用固体材料将酶束缚或限制于一定区域内,仍能进行其特有的催化反应、并可回收及重复利用的一类技术。与游离酶相比,固定化酶在保持其高效专一及温和的酶催化反应特性的同时,又克服了游离酶的不足之处,呈现贮存稳定性高、分离回收容易、可多次重复使用、操作连续可控、工艺简便等一系列优点。固定化酶不仅在化学、生物学及生物工程、医学及生命科学等学科领域的研究异常活跃,得到迅速发展和广泛的应用,而且因为具有节省资源与能源、减少或防治污染的生态环境效应而符合可持续发展的战略要求。 固定化酶的制备方法有物理法和化学法两大类。 物理方法包括物理吸附法、包埋法等。物理法固定酶的优点在于酶不参加化学反应,整体结构保持不变,酶的催化活性得到很好保留。但是,由于包埋物或半透膜具有一定的空间或立体阻碍作用,因此对一些反应不适用。 化学法包括结合法、交联法。结合法又分为离子结合法和共价结合法。是将酶通过化学键连接到天然的或合成的高分子载体上,使用偶联剂通过 酶表面的基团将酶交联起来,而形成相对分子量更大、不溶性的固定化酶的方法. 其中吸附法和共价键法又可统称为载体结合法。 具体方法 吸附法 利用各种吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面上而使酶固定的方法。通常有物理吸附法和离子吸附法。 常用吸附剂有活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃等。 采用吸附法固定酶，其操作简便、条件温和，不会引起酶变性或失活，且载体廉价易得，可反复使用。 载体结合法 最常用的是共价结合法，即酶蛋白的非必需基团通过共价键和载体形成不可逆的连接。在温和的条件下能偶联的蛋白质基团包括：氨基、羧基、半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基、酪氨酸的酚基、丝氨酸和苏氨酸的羟基。参加和载体共价结合的基团，不能是酶表现活力所必需的基团。以中国首先采用的双功能团试剂“对位-β-硫酸酯乙砜基苯胺”偶联载体和酶为例，载体结合的步骤如下页反应式。

固定化酶的四种方法

1吸附法:利用各种吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面上而使酶固定的方法。通常有物理吸附法和离子吸附法。常用吸附剂有活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃等。 采用吸附法固定酶，其操作简便、条件温和，不会引起酶变性或失活，且载体廉价易得，可反复使用。该方法最显著的优点是操作简便，但酶与载体结合不牢，极易脱落，所以它的使用受到一定的限制。因此，人们不断尝试使用新的载体来解决这易脱落的问题。通常，吸附法分为物理吸附法和离子吸附法。 物理吸附法:酶被载体吸附而固定的方法称为物理吸附法。从载体对酶的适应性来看，这个方法效果是好的，酶蛋白的活性中心不易受破坏，酶的高级结构变化也不明显，但其缺点是酶与载体的相互作用较弱，被吸附的酶极易从载体表面上脱落下来，不能获得较高活力的固定化酶。该方法常用的载体有活性炭、多孔陶瓷、纤维素及其衍生物、甲壳素及其衍生物等。离子吸附法:将酶与含有离子交换基团的水不溶性载体以静电作用力相结合的固定化方法。该方法的处理条件温和，且酶的高级结构和活性中心的氨基酸很少发生变化，因而可 以得到较高活性的固定化酶。采用此法固定的酶有葡萄糖异构酶、糖化酶、B一淀粉酶、纤维素酶等。 2交联法是用双功能试剂或多功能试剂进行酶分子之间的交联，使酶分子和双功能试剂或多功能试剂之间形成共价键。常用的交联剂是戊二醛，但单用戊二醛等试剂交联制备的固定化酶活力较低，因此常将此法与吸附法、包埋法结合使用，可以达到既提高固定化酶的活力，又起到加固的效果.酶蛋白的游离氨基、酚基、咪唑基及巯基均可参与交联反应。 3载体结合法 最常用的是共价结合法，即酶蛋白的非必需基团通过共价键和载体形成不可逆的连接。在温和的条件下能偶联的蛋白质基团包括：氨基、羧基、半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基、酪氨酸的酚基、丝氨酸和苏氨酸的羟基。参加和载体共价结合的基团，不能是酶表现活力所必需的基团。此法曾先后用于3′-核糖核酸酶、5′-磷酸二酯酶和葡萄糖淀粉酶等的固定化。此外酶通过物理吸附或离子吸附于载体制备固定化酶也是常用的方法。共价键结合法:共价键结合法是将酶与水不溶性载体以共价键结合的一种方法。此法研究较为成熟，其优点是酶与载体问连接牢固，即使用高浓度底物或离子强度的溶液进行反应，也不会导致酶和载体的分离，因此具有良好的稳定性及重复使用性。缺点是反应条件比较苛刻，常常会引起酶蛋白高级结构发生改变，导致酶的活性中心受损。 4包埋法是将聚合物的单体与酶溶液混合，再借助于聚合助进剂的作用进行聚合，酶被包埋在聚合物中以达到固定化。包埋法一般不需要与酶蛋白的氨基酸残基进行结合反应，很少改变酶的空间构象，酶活回收率较高，因此可以应用于许多酶的固定化。但是此法只适用于小分子底物和产物的酶催化反应，因为只有小分子反应底物或产物，才可以通过高分子聚合物进行扩散。包埋法制备固定化酶除包埋水溶性酶外还常包埋细胞，制成固定化细胞，例如可用明胶及戊二醛包埋具有青霉素酰化酶活力的菌体，可连续水解帤基青霉素，工业生产6-氨基青霉烷酸。 酶经过固定化后，比较能耐受温度及pH的变化，最适pH往往稍有移位，对底物专一性没有任何改变，实际使用效率提高几十倍（如5′-磷酸二酯酶的工业应用）甚至几百倍（如青霉素酰化酶的工业应用）。本实验中为什么选用石英砂来固定化酶？ 本实验中为什么选用石英砂来固定化酶？答：固定化酶有许多方法，本实验中采用的是吸附法。吸附法有物理交换法和离子交换法两种。其中本实验采用的又是物理交换法。该方法是将酶蛋白的分子吸附在惰性载体上，但要选择不引起变性且能保持一定酶活力的载体，且对蛋白质要有高度吸附能力。自然界中有机硅胶、活性炭和石英砂等都可以被用于做载体。现已了解其中石英砂对固定化α-淀粉酶、胰蛋白酶作用较好。

高二生物酶的固定化

第四节 酶的固定化 【课标要求】 1．掌握固定化酶和固定化细胞的作用和原理 2．尝试制备固定化酶，并检验酶的活性 【知识梳理】 （向下移动位置） 实践案例：木瓜蛋白酶的固定化 1．木瓜蛋白酶的作用：可以使蛋白质水解成 ，供酵母菌 所需，从而 发酵时间，提高啤酒 ，使酒质 醇和。 2．材料器具：见课本49页 3．活动程序： （1）酶的固定化 方法： ↓ 载体： 经一系列操作后，即可得到 。 （2）检验酶的活性 最适宜温度 ↓ 双缩脲试剂A 液和B 液 1号烧杯颜色： 2号烧杯颜色： 原因 （3）酶的再利用 3号烧杯颜色 ↓ 说明了 。 （向下移动） （4）结果记录 小结： 和 技术的应用，大大提高了酶在生产上的利用率。 定义：通过 或 的方法，将水溶性的 与不溶性的 结合，使酶固定在 上，并在一定的空间范围内进行 ， 这样制成的酶称为 。 ① ：将酶通过 以 结合到 等 上。 方法 ② :将酶均匀 在 等多孔性的 中的固定化方法。 ③ ：将酶吸附在载体表面上而被固定。 优点：固定化酶活性 ，可以 使用 次。 工业生产可以实现 、 、 极大降低生产成本。 1．固定化酶 2．固定化细胞 定义：利用适当的 将合成酶的 固定起来。 方法：多采用包埋固定法。（原因：细胞个大，而酶分子较小；个大的细胞难以被吸附或结合，而个小的酶容易从包埋材料中漏出。 优点：操作更容易更 ，使用 更长。 固定化细胞不需要酶的提取，减少了酶活力的损失和操作。

探究活动：大肠杆菌细胞的固定化 1．用培养基培养大肠杆菌，取1ml 加入烧杯中，再加入8ml 和体积分数为9%的1．6ml，搅拌均匀，待凝固后，切成小块，用和洗涤，即得到固定化大肠杆菌细胞。 2．胰凝乳蛋白酶的固定化 从提取，并以为载体，将胰凝乳蛋白酶固定化。 【复习指要】 1．学法指导：本节课应初步学会固定化酶的方法，引导学生理解固定化细胞和固定化酶这两种技术的区别与联系，辩证地认识这两种技术的优势与不足。本节课的固定化酶的方法和制备固定木瓜蛋白酶的操作过程应引起重视，在高考选择题和实验题中都有可能体现。 2．疑难解析： 辩证地认识固定化细胞和固定化酶两种技术的优势与不足。如：固定化细胞操作容易，对酶活性的影响更小，可以催化一系列的反应，容易回收等，但由于大分子物质难以自由通过细胞膜，因此固定化细胞的应用也受到限制。 【典题解析】 1．关于固定化酶技术说法正确的是（） A．固定化酶技术就是固定反应物，将酶依附着载体围绕反应物旋转的技术 B．固定化酶的优势在于能催化一系列的酶促反应 C．固定化酶中的酶无法重复利用 D．固定化酶是将酶固定在一定空间的技术 [解析]固定化酶是利用物理或化学方法将酶固定在一定空间内的技术，其优点是酶被固定在一定装置内可重复利用，不足是无法同时解决一系列酶促反应。 [答案]D 2．研究认为，用固定化酶技术处理污染物是很有前途的。如将从大肠杆菌得到的磷酸二酯酶固定到尼龙膜上制成制剂，可用于降解残留在土壤中的有机磷农药，与用微生物降解相比，其作用不需要适宜的（） A．温度B．PH C．水分D．营养 [解析] 固定化酶技术是利用物理或化学方法将酶固定在一定空间内的技术,利用了酶的高效性和专一性．酶与微生物比较来说,它的活性发挥不需要营养． [答案]D 【聚焦高考】