固定化酶是酶工程的核心技术之一,有利于实验酶的重复使用及产物与酶的分离,将酶工程提高到一个新的水平,极大地促进了酶工程的研究与应用,并广泛应用于各个领域。综述了固定化酶的制备方法,总结了其在食品工业中的应用,并对其的发展进行了展望。
《食品科学技术学报报》食品杂志，创刊于1983年，国内外公开发行。《食品科学技术学报报》宗旨是在立足原有的轻工行业特色的基础上，以繁荣科学文化，促进学术交流，促进生产技术水平提高以及发现和培养人才为办刊宗旨，是以轻工类科学技术研究为主要特色的学术理论性刊物。
固定化酶技术是20世纪60年展起来的一项生物工程技术。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,进行特有的催化反应,并可回收及重复利用的技术[1]。固定化酶的研究不仅在化学生物学、生物工程医学及生命科学等领域异常活跃,而且因为其节省能源与资源、减少污染的生态环境效应而符合可持续发展的战略要求[2]。
1固定化酶的定义与特点
固定化酶技术是将酶用人工方法固定在特定载体上,进行催化、生产,因而固定化酶一般可以被认为是不溶性酶。与水溶性酶相比,其优点如下:易于将固定化酶与底物、产物分高,便于后续的分离和纯化;可以在较长时间内连续生产;酶的稳定性和最适温度提高;酶反应条件容易控制;可以增加产物的收率,提高产物质量;酶的使用效率高,使用成本低;适于产业化、连续化、自动化生产。与此同时,由于酶的分离、固定化处理等原因,固定化酶也具有一些难以避免的缺点:在固定化过程中,酶活力会损失;生产成本提高,工厂初期投资大;只能用于水溶性底物,适合于小分子;不适宜于多酶反应,还需要需要辅助因子的协助才可以有效反应[3-4]。
2固定化酶的方法
酶的固定方法主要有吸附法、包埋法、共价键合法和一些其他方法,针对不同的酶、不同的载体,需要采用不同的方法,有时还需要将几种方法联合使用。
2.1吸附法
吸附法是通过非特异性物理吸附法或生物物质的特异吸附作用将酶吸附在炭、有机聚合物、玻璃、无机盐、金属氧化物或硅胶等材料上。该方法又分为物理吸附法和离子吸附法。此法简便,且酶变性的可能性较小。但是在酶和载体结合具有弱键的本质,在使用过程中易解吸,又由于载体具有非特异性吸附剂的本质,因此可能同时吸附除酶以外的其他物质[4]。
2.2包埋法
包埋法是指酶或细胞包埋在各种多种载体(如聚丙烯酰胺凝胶、矽酸盐凝胶、藻酸盐、角叉菜聚糖等)中发生聚合、沉淀或凝胶化使之固定的方法。主要分为凝胶包埋法和微胶囊包埋法,该方法操作简单,酶活回收率较高,但发生化学反应时,酶易失活,适用于小分子底物和产物的酶。
2.3结合法
结合法指选择适宜的载体,使之通过共价键或离子键与酶结合在一起的固定方法。包括离子键结合法和共价键结合法。离子键结合法操作简单,条件温和,酶活性损失少,但酶与载体结合力弱,酶易脱落,这也是最常用的方法之一。共价键结合法研究较为成熟,酶与载体结合牢固,一般不轻易脱落,但反应条件较剧烈,会引起酶蛋白空间构象的变化,破坏酶的活性部位。
2.4交联法
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,是酶分子和双功能试剂或多功能试剂之间形成共价键,得到三向德交联网状结构,除了酶分子之间发生交联外,还存在一定的分子内交联。根据使用条件和添加材料的不同,还能够产生不同物理性质的固定化酶。此法反应条件较剧烈,酶活回收率很低,故不常用。一般将吸附法和交联法2种方法结合起来使用。
3固定化酶在食品工业上的应用
3.1固定化酶在柑橘汁加工中的应用
柑桔加工产品出现过度苦味是柑桔加工业中较重要的问题,苦味物质主要由2类物质组成:一类为柠檬苦素的二萜烯二内酯化合物(A和D环);另一类为果实中多种黄酮苷,其中柚皮苷为葡萄柚和苦橙等柑桔类果汁中的主要黄酮苷,柚皮苷的苦味与鼠李糖和葡萄糖连接键的分子构象有关[5]。主要是利用不同的酶分别作用于柠檬苦素和柚皮苷生成不含苦味的物质。Manjon等使用空心玻璃床作为载体,分别使DEAE-Sephadex和单宁-氨基乙基纤维(tanninamino ethy1 cellulose)作为载体;Puri等使用海藻糖;Soures等使用醋酸纤维和三醋酸纤维制成膜固定酶,其试验结果都表明用固定化酶处理后的果汁苦味明显降低。
3.2固定化果胶酶在果汁加工中澄清的应用
在果汁加工中,果胶的存在会使压榨与澄清困难,而果胶酶是指分解果胶物质的多种酶的总称。Lozano等[6]将尼龙膜进行O-烷基化活化后与果胶酶共价偶联,然后置于微滤反应器中,被降解的小分子果胶随滤膜流出,贮液粘度降低88.14 %,从而破坏果汁的胶体状态。张来群等[7]将尼龙网经3-二甲氨基丙胺活化后,用戊二醛共价偶联果胶酶,所得固定化酶Km值与自然酶接近,在较宽的pH值范围内保持正常活力,对温度的稳定性有较大提高。Vaillant等[8]以虾壳几丁质为载体,以戊二醛为偶联剂共同固定PL和内切纤维素酶,发现其半衰期为407 h。
3.3固定化酶在啤酒澄清中的应用
啤酒以其清晰度高、泡沫适中、营养丰富和口感好成为人们的最佳选择。但是,由于啤酒中含有一定量的蛋白质,它与游离于啤酒中的多酚、单宁等结合产生不溶性胶体或沉淀,造成啤酒混浊,从而严重影响了啤酒的质量。温燕梅等[9]采用吸附—交联法,使胰蛋白酶先吸附于磁性胶体粒子表面,后用戊二醛双功能试剂交联,形成“酶网”裹着载体形成固定化酶,该磁性酶对啤酒澄清防止冷浑浊有明显效果。赵炳超等[10]在戊二醛做交联剂的条件下,以介孔分子筛MCm248作载体固定化木瓜蛋白酶,所得固定化酶的热稳定性有了显著提高,固定化酶的pH值稳定性和储藏稳定性也有了明显改善。
3.4固定化酶在乳制品中的应用
乳糖酶亦称为β-半乳糖苷酶,是工业中应用相当广泛的一种酶,较多地应用于乳制品加工中。很多人小肠黏膜内的乳糖酶活性严重降低,导致乳糖不耐受症。用乳糖酶处理部分乳糖,分解为葡萄糖和半乳糖,可以减少这种症状。
杨君等[11]应用海藻酸钠—壳聚糖固定化乳酸菌进行发酵乳清饮料研究。结果表明,固定化乳酸菌产酸和耐酸能力强,菌种活力持久并可多次重复利用。孙玉梅等[12]埋酵母乳糖酶间歇处理预先超高温消毒的牛奶,用戊二醛处理环状芽孢杆菌的乳糖酶,或把该菌用戊二醛交联固定于多孔硅胶,经处理或固定化后的乳糖酶,其生产活性从原来的21%提高至40%。李燕[13]用聚丙烯酰胺凝胶包埋米曲酶的乳糖酶,酶活力与机械强度都比较理想。固定化酶的稳定性范围扩大,热稳定性提高,同时底物乳糖在凝胶中扩散不影响固定酶的反应速度。使用该固定化酶处理脱脂牛奶,可以在保持原有风味的条件下,增加甜度,饮用时可减少蔗糖用量。
3.5固定化酶在制糖中的应用
在制备低聚果糖中,Hayashi等[14]用多孔硅石吸附Aureo-basidium sp.的果糖基转移酶,并用戊二醛交联后装柱可保留较高的酶活力。Hayashi等[15]用DEAE-纤维素固定果糖基转移酶,酶活力可保留95%。Yun等将果糖基转移酶固定在苯乙烯衍生的多孔离子交换剂上填入玻璃柱内,初始固定化酶的活性仅丧失8%。Chiang等[16]将Aspergillus niger和Aspergillus japoicus的果糖基转移酶纯化后共价结合在甲基丙烯酰胺高分子颗粒上,可保留酶活力达100%。
固定化葡萄糖异构酶可以用来催化玉米糖浆和淀粉生产高甜度的高果糖糖浆。用淀粉生产高果糖浆包含3步:一是用淀粉酶液化淀粉;二是用糖化酶将其转化为葡萄糖,即糖化;三是用葡萄糖异构酶将葡萄糖异构为果糖。由此可得到含高果糖浆与蔗糖同等甜度时,其价格低10%~20%,具有经济推动力。该固定化酶常用的制备技术是热处理法,将含葡萄糖异构酶的放线菌、芽孢杆菌或链霉菌等细胞用60~65 ℃热处理15 min,该酶就固定在菌体上制成固定化酶[17]。
3.6固定化酶在茶叶加工中的应用
在茶叶中含有种类繁多的酶,如多酚氧化酶、过氧化酶、单宁酶、果胶酶等,其对茶叶的加工或深加工有重要的意义。对重要酶类的固定化研究,可有效地改善茶叶的品质、拓展茶叶深加工的领域和应用范围。
多酚氧化酶是作为茶叶尤其是红茶必不可少的一种酶,李荣林[18]等人利用海藻酸钠包埋交联后其活力保持不变,而且热稳定性和对酸碱的适应性增强。单宁酶可以水解没食子酸单宁中的酯键和缩酚酸键,将单宁酶应用于茶饮料中可改善茶饮料的品质。Lauren[19]报道用固定化的单宁酶处理红茶,提高茶汤中可溶性铁和钙的含量。若在绿茶加工中使用单宁酶,可以部分消除夏秋茶的苦涩味道,提高茶饮料品质。茶叶中的水溶性果胶物质,对于促进红茶的品质具有积极作用。尹军锋等[20]用果胶酶对茶汁酶解作用进行研究,得出了果胶酶能提高茶汁膜分离性能的结论。
3.7 固定化酶在烟叶中的应用
在烤烟初烤和复烤后尚残留淀粉,淀粉在燃吸时影响燃烧速度和燃烧完全性,并产生糊焦气味,影响吸食品质。在一定条件下淀粉能水解为水溶性糖,使烟质改善。但这些反应并不充分,处理后的烟叶中淀粉含量仍很高,特别是低次烟叶中较高的淀粉含量影响了该类烟叶的可用性。加酶处理能加速淀粉水解,能将直链淀粉迅速降解为糊精和麦芽糖等,糖化酶能将直链淀粉和支链淀粉降解为葡萄糖。刘谋盛等[21]将固定化α-2淀粉酶和糖化酶制成乳状液,用以降低低档次烟叶中淀粉的含量。由于酶被水溶性载体所形成的保护层包膜,避免了与空气直接接触,其活力得以提高,即强化了发酵条件,从而提高了卷烟的抽吸品质。同时,对固定化酶乳状液添加剂与水溶液酶添加剂降低低档次烟叶中淀粉的质量分数进行了研究,结果表明,固定化酶处理烟叶淀粉降解率为25%~30%,优于水溶液酶的25%,特别在抽吸品质方面,前者处理明显优于后者处理。
3.8固定化酶在食品检测以及传感器中的应用
生物传感器被认为是一种由受体、抗体或酶构成的生物感应层于换能器紧密连接而能提供环境组成信息的感应器。如:测量电流以及电位的酶电极,酶热敏电阻装置,以场效应管为基础的生物传感器,以及生物发光及化学发光为基础的纤维—光学传感器等,不同的传感器都应用不同类型的固定化酶。
固定化葡萄糖氧化酶传感器是其中应用最为广泛的一种。1967年,Clark等[22]采用固定化酶技术,把葡萄糖氧化酶固定在疏水膜上再和氧电极结合,组装成第1个酶电极—葡萄糖电极。唐芳琼等[23]利用纳米颗粒引入到葡萄糖电极研究中,并用易成膜的PVB作辅助膜基质,进行GOD的固定化研究。试验结果表明,利用纳米颗粒的表面效应可以显著提高GOD酶电极响应灵敏度。目前,制药厂将葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶与一种显色剂一起固定在试纸上,制成检验妇女是否妊娠的试纸。这种检测技术简单,操作方便,应用极为广泛。用聚丙烯酰胺包埋葡萄糖氧化酶与氧电极组装成酶电极也可用来进行临床的血糖检测,并且可连续测定1 000次血糖样品,低温存放180 d仍可保持90%的酶活力。
食品中的农药残留分析越来越受到人们的关注,蔬菜中有机磷农药残留的快速检测已成为目前人们研究的热点。应用有机磷农药对胆碱酯酶特异性抑制的酶化学比色分析法已被广泛应用于有机磷农药的定性、定量检测。于基成等[24]将植物酯酶共价结合到微孔塑料板上,制成农药快速检测板,用于检测有机磷类农药。建立的方法方便、快捷、检测样本容量大,结果能满足蔬菜中有机磷农药残留检测的要求。张淑平等[25]利用固定化的乙酰胆碱酯酶(AChE)制作一种可用于农药残留检测的快捷灵敏的传感器,并探讨了AChE 的固定化技术。固定化酶传感器具有较高的灵敏度和稳定性,该检测方法可以满足对甲萘威农药残留的快速检测要求。
4固定化技术在食品工业中应用的前景和发展
固定化技术在食品工业中的应用还很多,如固定化氨基酰化酶生产L-谷氨酸;固定淀粉酶和葡萄糖淀粉酶以淀粉为原料生产葡萄糖;固定化酶法酿造调味品等,但用于食品工业的酶远远大于固定化酶。还有很多固定化酶和固定化细胞处于中试阶段,固定化原生质克服了固定化细胞的一些缺陷,但固定原生质体还处于研究之中,未用于生产。人们清楚地看到了固定化技术的一些优点,虽然很多还处于研究和开发中,但已经给人们指明发展方向。随着固定化技术的发展,将会有更多的固定化酶、细胞、原生质体应用于生产中,充分显示出固定化技术的优越性,开启固定化技术的新局面。
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