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介孔材料在酶固定化中的应用解析

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1、介孔材料在酶固定化中的应用,专业：生物化工学号：642081703002 姓名：承豪,Contents,孔径小于2nm,孔径在2-50nm之间,孔径大于50nm,微孔材料,介孔材料,大孔材料,根据国际纯粹与应用化学协会的（IUPAC）定义,介孔材料按其孔道特征可分为无序介孔材料和有序介孔材料，前者的孔径分布较宽，孔型形状复杂不规则，且互不连通。而有序介孔材料的孔在空间呈规则排列。一般生物大分子如蛋白质、酶、核酸等，当它们的分子质量大约在1100万之间时尺寸小于10nm。有序介孔材料的孔径可在250nm范围内连续调节和无生理毒性的特点使其非常适用于酶、蛋白质等的固定和分离。,介孔材料纳米孔的孔径大小会对固定化酶的吸附量、活力保留及稳定性产生直接影响。,酶分子对其周围环境条件非常敏感，酶所催化的生物化学反应都是在特定的微环境内发生的。,当载体的孔径远小于酶分子的直径时，酶分子不易被固载到载体的纳米孔中，而主要分布于载体的外表面，因此无法利用孔壁对酶分子起到保护作用。但当载体的孔径远大于酶分子的直径时，对于通过物理吸附作用（疏水作用、静电作用、氢键及范德华力）固载到纳米孔中的酶，酶与载体之

2、间的弱相互作用难以有效地将酶分子稳定在纳米孔中，酶的流失较严重。,孔径对酶固定化的影响,我们一般选取孔径略大于酶分子直径的介孔材料作为载体，并在将酶分子吸附到纳米孔中后，通过硅烷化处理大幅缩小载体的孔口直径，使其远小于酶分子的尺寸（同时大于底物及产物分子的尺寸），从而将酶分子物理限域在纳米孔内，防止其在反应过程中从纳米孔内流失到反应溶液中。,以具有三维联通笼形孔道结构的FDU-12材料（纳米笼直径为17 nm，孔口尺寸小于4 nm）为载体，以六甲基二硅氮烷（HMDS）为硅烷化试剂，在30 的温和条件下对吸附有PCL的FDU-12载体进行封口。,纳米孔微环境对酶固定化的影响,当酶分子被固载到介孔材料中后，介孔材料纳米孔内的环境就构成了固定化酶的微环境。纳米孔微环境会直接影响酶与载体之间的相互作用、酶分子的构型及空间取向、酶分子构象变化的自由度以及酶分子活性中心附近的微环境等。,因此，载体纳米孔的微环境是否适宜直接决定着固定化酶的活性、稳定性及选择性，要获得高催化性能的固定化酶，就需对介孔材料纳米孔的微环境进行精心设计，以尽可能接近细胞内酶分子的微环境。,最新的研究报告表明，2010年世界

3、范围内工业用酶的市场已超过33亿美元，且会以每年7%9%的增速在不断增长。可以预计，介孔材料固定化酶将会有很大的发展空间。,应用前景,固定化水解酶,固定化氧化还原酶,固定化水解酶,由于水解酶在生物柴油、生物质转化、手性药物及精细化学品的合成等领域具有很高的应用价值，因此目前水解酶在介孔材料上的固定化研究备受关注。而由于脂肪酶在生物催化剂中的重要性，在近些年的文献报道中，也以对脂肪酶在介孔材料上的固定化的研究报道为最多。,与化学法生产过程相比，通过脂肪酶催化的酯交换工艺，将自然界产生的油料作物、动物油脂以及餐饮垃圾油等制成可代替石化柴油的再生性柴油燃料，具有条件温和、醇用量小、无污染排放等优点，是工业化生产的发展方向。Salis等分别采用物理吸附和化学键合的方法将荧光假单胞菌脂肪酶固载到SBA-15介孔材料中，所得的固定化酶可在温和的反应条件下，7 h内将葵花籽油近100%地催化醇解转化。此外，他们还发现用化学键合法制得的固定化酶具有良好的稳定性，可以循环使用20次以上。,有人将将脂肪酶固载到甲基丙烯酸修饰的SBA-15介孔材料中，对外消旋扁桃酸甲酯进行手性拆分。以离子液体为反应溶剂，所

4、得产物（R）-（-）-扁桃酸甲酯对映体过量值（ee）高达99%。,（ee值：定义为在对映体混合物中一个异构体 a 比另一个异构体 b 多出来的量占总量的百分比。算式如下：ee=（a-b）/(a+b) 。它是用来表示一种手性化合物的光学纯度。ee值越高，光学纯度也越高。）,固定化氧化还原酶,氧化还原酶是一种催化电子由一个分子传送至另一个分子的酶。由于具有特殊的传递电子的性质，氧化还原酶在有机合成、生物降解、生物燃料电池及生物传感器等领域具有重要的应用价值。近年来，介孔材料对氧化还原酶的固定化也备受关注，已有多种氧化还原酶（如乙醇脱氢酶、单加氧酶、过氧化物酶、葡萄糖氧化酶等）被成功地固载到介孔二氧化硅载体中。,有人将GOx（葡萄糖氧化酶）和氯过氧化物酶（CPO）共同固载在SBA-15和MCF介孔材料中，利用两种酶催化的串联反应来合成重要的药物中间体2-吲哚酮。,在该反应中，CPO为主酶，H2O2为氧化剂，催化吲哚转化为2-吲哚酮。而该过程中所需的H2O2可通过GOx催化的葡萄糖氧化反应进行原位再生。采用共固定化两种酶的方法，可有效地避免过量的H2O2对CPO的毒化作用，提高反应体系的催化效率和稳定性。同时，在进行适当的交联处理后，所得的共固定化酶的连续操作稳定性明显提高，可应用于固定床反应。,酶的固定化能够实现酶的重复使用和连续化生产，同时可以改善酶的催化活性、稳定性和选择性，是现代生物技术及其工业化环节中的一项重要内容。虽然目前有序介孔材料固定化酶的实际应用还较少，但其在生物柴油、生物质转化、手性药物及精细化学品合成、生物传感器、生物燃料电池、废水处理等领域具有广阔的应用前景。随着研究的不断深入，介孔材料固定化酶的使用将更加经济可行，表现出更多的传统化学催化所不可比拟的优越性。,结语,

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