磁性納米粒子固定化酶技術(shù)研究進(jìn)展

陳 靜, 冷 鵑, 楊喜愛(ài), 廖麗萍, 肖愛(ài)平, 劉亮亮

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類(lèi)研究所, 長(zhǎng)沙 410205

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磁性納米粒子固定化酶技術(shù)研究進(jìn)展

陳 靜, 冷 鵑, 楊喜愛(ài), 廖麗萍, 肖愛(ài)平*, 劉亮亮*

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類(lèi)研究所, 長(zhǎng)沙 410205

磁性納米粒子因兼具磁學(xué)特性和納米材料獨(dú)特性能，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。就磁性納米粒子的種類(lèi)、特性、制備和表面修飾四個(gè)方面展開(kāi)介紹,綜述了脂肪酶、漆酶、淀粉酶及其復(fù)合酶等生物酶固定化酶技術(shù)的最新研究動(dòng)態(tài)，針對(duì)磁性納米粒子在固定化酶技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，以期為磁性納米粒子固定化酶技術(shù)的應(yīng)用研究提供參考。

磁性納米粒子；脂肪酶；漆酶；淀粉酶；固定化酶

酶是具有生物催化功能的高分子物質(zhì)，具有高效性、專(zhuān)一性、反應(yīng)條件溫和、無(wú)污染等特點(diǎn)[1]，在食品加工、藥學(xué)和醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用潛力。然而，大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，其活性易受溫度、pH等因素影響，且與底物產(chǎn)物的混合物不利于其回收，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的分離純化和連續(xù)化生產(chǎn)[2]。20世紀(jì)60年代迅速發(fā)展起來(lái)的固定化酶技術(shù)很好的解決了這些問(wèn)題，有效提高了酶的利用率，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。其中，酶的固定載體和技術(shù)研究一直是酶固定化研究的核心問(wèn)題，重點(diǎn)是尋找新的載體，確保固定后的酶保持其催化活性、催化特性和穩(wěn)定性，同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高負(fù)載量和復(fù)合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)[3]。近幾年，新型載體和技術(shù)有：交聯(lián)酶聚集體[4]、“點(diǎn)擊”化學(xué)技術(shù)[5]、多孔支持物[6]和以納米粒子為基礎(chǔ)的酶的固定化[7]等。納米粒子作為酶固定化的新型載體，具有良好的生物相容性、比表面積大、顆粒直徑小、較小的擴(kuò)散限制、較高的載酶量及在溶液中穩(wěn)定存在等優(yōu)點(diǎn)[8]。粒子尺寸在1～1 000 nm范圍內(nèi)的球狀或囊狀結(jié)構(gòu)的粒子常被用于酶的固定化，用于酶固定化的納米載體材料可分為磁性納米載體和非磁性納米載體等[9]。本文綜述了磁性納米粒子的特性、制備方法及其在固定化酶技術(shù)研究領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為促進(jìn)磁性納米粒子固定化酶技術(shù)的應(yīng)用研究提供參考。

1 磁性納米粒子

納米材料[10,11]的粒徑尺寸為納米級(jí)，通常介于1～100 nm之間。磁性納米粒子[12,13]作為當(dāng)今最受關(guān)注的一類(lèi)納米材料，其多功能磁性復(fù)合微球常被用于藥物釋放、生物大分子靶向分離等生物醫(yī)學(xué)和分離工程相關(guān)領(lǐng)域的研究。

1.1 磁性納米粒子的特性

磁性納米粒子不僅具備表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)[14,15]4個(gè)基本普通納米粒子效應(yīng)，同時(shí)還具有特殊的磁學(xué)性質(zhì)：超順磁性、高矯頑力、低居里溫度與高磁化率等[16～19]。

1.1.1 超順磁性 超順磁性是指磁性納米顆粒尺寸小于臨界尺寸時(shí)具有單疇結(jié)構(gòu)，在較高溫度下表現(xiàn)為順磁性特點(diǎn)，但在外磁場(chǎng)作用下其順磁性磁化率比一般順磁材料大好幾十倍，稱(chēng)為超順磁性。超順磁性即在有外加磁場(chǎng)時(shí)，材料表現(xiàn)為有磁性，當(dāng)無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，材料無(wú)磁性。故超順磁性的納米顆粒具有較好的分散性。

1.1.2 高矯頑力 強(qiáng)磁物質(zhì)(如：鐵磁體)一般在外加磁場(chǎng)減小為零時(shí)，其磁化強(qiáng)度不為零，剩余的磁化強(qiáng)度稱(chēng)為剩磁。矯頑力是指使剩磁減至為零而添加的反向磁場(chǎng)。矯頑力與成分、晶體點(diǎn)陣和取向等因素?zé)o關(guān)，其主要影響因素為點(diǎn)陣缺陷，即偏離理想晶體結(jié)構(gòu)的程度。

1.1.3 低居里溫度 帶磁的磁性體會(huì)在某一溫度因熱失去磁性，這一溫度稱(chēng)為居里溫度。居里溫度是物質(zhì)磁性的重要參數(shù)，通常正比于交換積分，與間距和原子構(gòu)型有關(guān)。納米微粒的磁性常因小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)發(fā)生變化，故其居里溫度通常較低。

1.1.4 高磁化率 磁化強(qiáng)度M與磁場(chǎng)強(qiáng)度H之比稱(chēng)為磁化率，常用cm表示，即M=cmH。當(dāng)cm>0，為順磁質(zhì)，當(dāng)cm<0，為抗磁質(zhì)，其值一般都很小。

1.2 磁性納米粒子種類(lèi)

磁性納米粒子一般分為天然磁性納米粒子和人工合成磁性納米粒子。

人工合成磁性納米粒子主要有：Fe、Co、Ni等[20]金屬納米粒子；Co3O4、Mn3O4等金屬氧化物和各種鐵氧化體納米粒子等[21,22]。鐵的氧化物能定期排出體外，對(duì)人體健康危害較小，具有良好的生理安全性，因此Fe3O4磁性納米粒子多被用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域[23]。

1.3 磁性納米粒子制備

1.3.1 共沉淀法 共沉淀法[24]即向鐵鹽和亞鐵鹽混合液中，添加合適的沉淀劑，經(jīng)加熱發(fā)生共沉淀，制得超微粒的方法。共沉淀法制備得到的粒子尺寸較小，然而，制備過(guò)程中因水解平衡反應(yīng)復(fù)雜，粒子的成核過(guò)程和生長(zhǎng)過(guò)程會(huì)受到影響，因此得到的粒子有較寬的尺寸分布?？偟膩?lái)講，該方法有較低的反應(yīng)溫度、簡(jiǎn)單的設(shè)備要求，且反應(yīng)過(guò)程簡(jiǎn)單易控制，是制備磁性納米粒子的主要方法。

1.3.2 高溫分解法 高溫分解法[25]是以高沸點(diǎn)有機(jī)物為溶劑，有機(jī)金屬化合物為原料，經(jīng)加熱分解來(lái)制得納米粒子的方法。利用高溫分解法制備的磁性納米粒子表面光滑，結(jié)晶度高，粒徑小且粒徑可控，粒徑分布均勻。但此方法反應(yīng)條件(高溫高壓)苛刻，設(shè)備要求高，反應(yīng)體系為有機(jī)相，且經(jīng)過(guò)表面處理后的合成粒子才能被轉(zhuǎn)移到水相中。

1.3.3 沉淀氧化法 沉淀氧化法即二價(jià)鐵鹽在氧化劑作用下，發(fā)生部分氧化制備磁性納米粒子的一種方法，常見(jiàn)的是以空氣作為氧化劑氧化Fe(OH)2，李乾峰等[26]用NaNO3、NaClO3、KMnO4替代傳統(tǒng)的空氣作為氧化劑氧化Fe(OH)2制備Fe3O4磁性納米粒子，研究了氧化劑、反應(yīng)溫度、反應(yīng)液pH等工藝條件對(duì)制備的Fe3O4磁性納米粒子粒徑及磁飽和強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明：Fe3O4磁性粒子粒徑主要受氧化劑氧化能力和反應(yīng)液pH的影響。與空氣氧化制備的Fe3O4磁性粒子比較，采用NaNO3和NaClO3為氧化劑制備的Fe3O4磁性粒子均為球形，粒子形態(tài)與pH無(wú)關(guān)，且粒徑大小相近時(shí)，有較高的比飽和磁化強(qiáng)度。

1.3.4 溶膠凝膠法 溶膠凝膠法[27,28]是制備金屬氫氧化物及金屬氧化物超微粒的方法。被用于溶膠凝膠法中作為前驅(qū)物的化合物要具備易蒸餾、重結(jié)晶技術(shù)純化、可溶于普通有機(jī)溶劑、易水解等特性，金屬醇鹽作為前驅(qū)物被廣泛用于溶膠凝膠法制備納米氧化物材料。該方法具有反應(yīng)物豐富、顆粒粒徑均一、高純度、粒徑小、過(guò)程易控制等優(yōu)點(diǎn)。

1.4 磁性納米粒子表面修飾

磁性納米粒子不僅具有納米粒子特性，同時(shí)還具有特殊的磁學(xué)性能，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于生物分析等領(lǐng)域。但是，磁性納米粒子粒徑小、比表面積大、表面能高，為不穩(wěn)定體系，易發(fā)生團(tuán)聚，所以，需要對(duì)磁性納米粒子表面進(jìn)行功能化，降低其表面能，改善磁性納米粒子的分散性及穩(wěn)定性，同時(shí)使磁性納米粒子的磁響應(yīng)強(qiáng)度、表面活性和生物相容性等特性得到改善和提高。

1.4.1 有機(jī)小分子修飾 ①表面活性劑。表面活性劑含有長(zhǎng)鏈基團(tuán)，可以形成空間位阻，一方面可控制粒子的形態(tài)和尺寸，另外，可改善粒子的表面性能，從而起到穩(wěn)定磁性納米粒子的作用。油酸常被用來(lái)修飾Fe3O4，靳艷艷等[29]通過(guò)高溫?zé)峤夥ǖ玫接退岱€(wěn)定的磁性納米粒子，以高碘酸鈉為氧化劑，氧化其表面的油酸，制備得到單分散羧基化 Fe3O4磁性納米粒子，其粒徑為12 nm，且粒徑均一，在水中有良好的分散性，XRD和VSM表征結(jié)果顯示，磁性納米粒子的磁強(qiáng)度和成分在氧化制備羧基過(guò)程中基本不受影響。張曉聞等[30]采用改進(jìn)的溶劑熱法，以檸檬酸鈉為穩(wěn)定劑，制備出羧基功能化的Fe3O4磁性粒子，該粒子具有超順磁性和高飽和磁化強(qiáng)度，磁響應(yīng)性良好，可應(yīng)用于磁性粒子偶聯(lián)或復(fù)合。②硅烷化偶聯(lián)劑。硅烷化偶聯(lián)劑既有與磁性納米粒子結(jié)合的Si-OH，又含有-NH2、-COOH、-SH、-CHO等能與生物分子結(jié)合的官能團(tuán)。常被用于磁性納米粒子表面修飾的硅烷化偶聯(lián)劑有3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和3-巰丙基三乙氧基硅烷(MPTES)。付玉麗等[31]采用化學(xué)共沉淀法合成Fe3O4磁性粒子，通過(guò)APTES化學(xué)包裹得到有機(jī)硅表面修飾的Fe3O4磁性粒子，APTES-MNPs呈球形，粒徑約17 nm，APTES-MNPs對(duì)剛果紅染料的吸附符合Langmuir等溫吸附模型，該粒子吸附性能好、易回收。

1.4.2 有機(jī)高分子修飾 ①天然生物大分子。目前，多糖類(lèi)聚合物和氨基酸類(lèi)聚合物是用于修飾Fe3O4磁性納米粒子主要的天然生物大分子，利用天然生物大分子修飾的磁性納米粒子其生物相容性得到大大的改善，且賦予復(fù)合材料新的生物活性。李璇等[32]以乙酰丙酮鐵為鐵源，聚乙二醇為溶劑，采用高溫?zé)峤夥ㄖ苽渚垡叶夹揎椀某槾判匝趸F磁性粒子PEG-SPIONs，后將糖酐Dex水溶液與PEG-SPIONs混合搖床培養(yǎng)得到Dex修飾的Dex/PEG-SPIONs復(fù)合粒子，該復(fù)合粒子為單晶體結(jié)構(gòu)且分散性較好，具有超順磁性，同時(shí)，Dex作為一種臨時(shí)的血漿替代品具有很好的生物安全性，故Dex/PEG-SPIONs在生物醫(yī)學(xué)等方面具有極好的應(yīng)用前景。吳志超等[33]采用高錳酸鉀為氧化劑氧化油酸包被的Fe3O4磁性粒子，制得表面包被有壬二酸的新型羧基磁性納米粒子，該粒子表面羧基含量高且在水中具有良好的分散性，其水解后帶負(fù)電荷，可與蛋白質(zhì)表面帶正電荷的氨基發(fā)生靜電相互作用，這一新型的羧基功能化的超順磁性納米粒子吸附牛血清蛋白對(duì)固定化細(xì)胞、蛋白藥物靶向載體和固定化酶載體的研究具有重要的指導(dǎo)意義。②合成高分子。利用不同的化學(xué)方法可合成不同需要的高分子修飾物用來(lái)修飾磁性粒子。鄧嘯[34]選用聚多巴胺修飾磁性納米粒子，首先采用堿共沉淀法合成MNPs，多巴胺單體可在類(lèi)似海水的堿性(pH 8.5)條件下發(fā)生自聚合作用，因此，通過(guò)調(diào)控pH可在MNPs表面形成一層聚多巴胺層，獲得聚多巴胺修飾的磁性四氧化三鐵納米粒子(PD-MNPs)，該功能化磁性微球可有效的固定黑曲霉脂肪酶，固定化脂肪酶催化活性及穩(wěn)定性較游離酶均有明顯提高。

1.4.3 無(wú)機(jī)材料 用于Fe3O4磁性納米粒子表面修飾的無(wú)機(jī)材料主要是SiO2，制備SiO2修飾的磁性納米粒子的方法主要有：溶膠凝膠法、氣溶膠高溫分解法和反相微乳法。張慧勇[35]采用溶膠凝膠法制備Fe3O4/SiO2核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合納米粒子，并對(duì)不同F(xiàn)e3O4制備方法(共沉淀法、還原沉淀法和水熱法)對(duì)應(yīng)的Fe3O4/SiO2復(fù)合納米粒子進(jìn)行性能比較。其步驟如下：首先采用檸檬酸鈉對(duì)納米粒子進(jìn)行表面修飾，然后在醇和水的混合體系中，堿性條件下催化正硅酸乙酯水解，磁性納米顆粒表面被生成物包裹，制得的二氧化硅磁性復(fù)合微球具備小粒徑核殼結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，利用水熱法制備Fe3O4粒子的分散效果最佳，包被效果較好，二氧化硅磁性復(fù)合微球在室溫下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。馬麗等[36]采用溶膠凝膠法制備Fe3O4/SiO2復(fù)合納米粒子，用3-APTES對(duì)Fe3O4/SiO2復(fù)合粒子進(jìn)行氨基修飾，并用于漆酶的固定化。固定化酶在熱穩(wěn)定性、重復(fù)穩(wěn)定性、pH穩(wěn)定性方面均優(yōu)于游離酶，同時(shí)，將固定化漆酶用于去除廢水中的2,4-二氯酚，反應(yīng)12 h，去除率最高為68.35%，該固定化酶重復(fù)使用12次后，對(duì)2,4-二氯酚的去除率可保持在52.85%。

2 磁性納米粒子固定化酶技術(shù)的應(yīng)用

通過(guò)共聚合表面修飾可將-NH2、-COOH、-OH、-CHO等多種功能基團(tuán)賦予磁性納米粒子表面，實(shí)現(xiàn)其功能化，因而具有強(qiáng)的磁響應(yīng)性能、高比表面活性和良好的生物相容性，磁性納米粒子已被廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)領(lǐng)域，如天然產(chǎn)物中生物活性物質(zhì)的分離，有害化合物的降解等。固定化酶技術(shù)[37]，即將游離酶束縛或局限在固定載體內(nèi)，酶的生物活性及其特有的催化反應(yīng)保持不變，并可實(shí)現(xiàn)回收重復(fù)利用的一類(lèi)技術(shù)。固定化酶與游離酶相比有穩(wěn)定性好、不易失活、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，磁性納米粒子作為固定化酶使用的固體材料，較其他固體材料具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[38,39]：磁性納米粒子的超順磁性及強(qiáng)磁響應(yīng)性能，可實(shí)現(xiàn)酶/底物及產(chǎn)物的快速分離，提高酶的使用效率；將酶固定于磁性納米粒子可提高其穩(wěn)定性；而且磁性納米粒子巨大的比表面積可同時(shí)偶聯(lián)多種生物酶，因此將分離技術(shù)和生物酶磁偶聯(lián)用于多酶固定，可促進(jìn)多酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的研究應(yīng)用。

2.1 磁性納米粒子在脂肪酶抑制劑篩選分離研究中的應(yīng)用

Zhu等[40]采用共沉淀法制得Fe3O4磁性納米粒子，硅酸四乙酯(TEOS)、(APTMS)作為硅烷偶聯(lián)劑，-NH2/MNPs磁性粒子經(jīng)二甲基甲酰胺(DMF)和10%丁二酸酐作用發(fā)生羧基功能化，獲得-COOH/MNPs磁性復(fù)合粒子，此復(fù)合粒子可很好的與脂肪酶共價(jià)結(jié)合，酶活抑制實(shí)驗(yàn)表明，脂肪酶固定化酶(LMNPs)穩(wěn)定性及活性較游離酶有明顯提高。利用脂肪酶復(fù)合磁性粒子(LMNPs)成功的從蓮葉提取液中分離出quercetin-3-O-β-D-arabinopyranosyl-(1→2)-β-D-galactopyranoside和quercetin-3-O-β-D-glucuronide兩種脂肪酶配體。Sahoo[41]采用溶劑熱法，聚乙烯亞胺(PEI)、乙醇胺(EA)、(EDBE)為氨基前體，制得PEI-Fe3O4、EA-Fe3O4、EDBE-Fe3O4氨基化磁性粒子，分別與戊二醛交聯(lián)劑作用，獲得GLU-PEI-Fe3O4、GLU-EA-Fe3O4、GLU-EDBE-Fe3O4，磁性粒子表面的戊二醛與脂肪酶發(fā)生相互作用，實(shí)現(xiàn)脂肪酶的固定化。其中，EDBE-Fe3O4酶活性最高，是同等游離酶活性的83.9%，此外，EDBE-Fe3O4具有較好的熱穩(wěn)定性、儲(chǔ)藏穩(wěn)定性和重復(fù)利用性，其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)與游離酶一致。這為脂肪酶的固定化提供了技術(shù)支持，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了脂肪酶抑制劑的快速篩選分離，為研發(fā)新的治療肥胖的藥物提供母體化合物。

2.2 磁性納米粒子在α-淀粉酶配體篩選分離研究中的應(yīng)用

交聯(lián)酶聚集體(CLEAs)[42]是一種無(wú)載體固定化酶技術(shù)，是一種將基本純化的、高濃度的蛋白先沉淀后交聯(lián)形成不溶性的、穩(wěn)定的固定化酶技術(shù)。較其他酶固定方法，該固定化方法不需要結(jié)晶、無(wú)需高純度的酶，該方法可用于大多數(shù)酶或蛋白交聯(lián)酶(蛋白)聚集體的制備，操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用范圍廣；獲得的固定化酶活性高、穩(wěn)定性好；無(wú)載體、單位體積活性大、空間效率高； Tudorache等[43]將氨基功能化的磁性納米粒子加入酶溶液，將磁性粒子與酶液混合液進(jìn)行沉淀、交聯(lián)，制備了磁交聯(lián)酶聚集體(MCLEAs)。功能化的磁性粒子可減少酶內(nèi)賴(lài)氨酸殘基數(shù)，提高酶聚集體的穩(wěn)定性，同時(shí)賦予酶聚集體磁性以進(jìn)行磁分離，提高酶的使用率。Liu等[44]通過(guò)合成α-淀粉酶磁交聯(lián)酶聚集體從山茱萸果實(shí)中提取分離出Querciturone，其α-淀粉酶抑制活性IC50達(dá)22.5 μg/mL。

2.3 磁性納米粒子在漆酶固定化研究中的應(yīng)用

漆酶是一種對(duì)底物專(zhuān)一性要求較低且氧化還原能力較強(qiáng)的含銅多酚氧化酶，可氧化分解大部分有機(jī)污染物，如多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、芳氨及其衍生物、染料、色素、炸藥等[45]。漆酶主要分布在植物、菌類(lèi)和微生物中。由于漆酶氧化分解有機(jī)物所需條件溫和、最終反應(yīng)產(chǎn)物為水、無(wú)污染、來(lái)源豐富等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境保護(hù)、造紙業(yè)、生物傳感器等領(lǐng)域得到廣泛研究。然而，游離漆酶穩(wěn)定性差，且重復(fù)利用率低，限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。為克服游離漆酶的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)漆酶的工業(yè)化應(yīng)用，漆酶固定化技術(shù)研究尤為重要，磁性納米粒子作為近年來(lái)酶固定化材料之一，成為漆酶固定化研究的熱點(diǎn)。

歐陽(yáng)科等[46]通過(guò)化學(xué)交聯(lián)法將漆酶固定在磁性石墨烯載體上，對(duì)固定化漆酶的酶學(xué)特性及其對(duì)雙酚A(BPA)的降解功能進(jìn)行了考察。結(jié)果表明，經(jīng)石墨烯固定后漆酶的耐酸性、耐熱性和穩(wěn)定性有顯著提高，漆酶固定后其重復(fù)利用性得到改善，重復(fù)利用10次后，漆酶活性仍為最初活性的82.01%。固定化酶的米氏常數(shù)Km為5.38×10-4mol/L，較游離酶的大，說(shuō)明固定化酶與底物的親和力比游離酶小，固定化漆酶對(duì)雙酚A具有良好的分解能力，水中BPA質(zhì)量濃度為15 mg/L時(shí)，經(jīng)過(guò)18 h反應(yīng)，BPA的去除率能達(dá)到82.14%左右。

Xia等[47]分別制備了氨基化四氧化三鐵漆酶固定化酶(Fe3O4-NH2-laccase)和氨基-聚乙烯亞胺四氧化三鐵漆酶固定化酶(Fe3O4-NH2-PEI-laccase)，并分別考察了它們的酶學(xué)活性和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。結(jié)果表明，兩種固定化酶較游離酶，酶活性、酶穩(wěn)定性、酶利用率都明顯提高，且對(duì)酸的適應(yīng)能力、熱穩(wěn)定性、儲(chǔ)藏穩(wěn)定性等都有提高；Fe3O4-NH2-PEI-Laccase較Fe3O4-NH2-Laccase有較高的吸附容量和酶活性，F(xiàn)e3O4-NH2-PEI-Laccase可實(shí)現(xiàn)漆酶大量的固定化，更有希望實(shí)現(xiàn)漆酶的工業(yè)化。

2.4 磁性納米粒子在多酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中的應(yīng)用

磁性納米粒子巨大的比表面積可實(shí)現(xiàn)多種生物酶的同時(shí)偶聯(lián)，將分離技術(shù)和生物酶磁偶聯(lián)應(yīng)用于多酶固定，促進(jìn)多酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的研究應(yīng)用。果汁生產(chǎn)中，顏色、澄清度、口感等是衡量果汁是否合格的重要指標(biāo)。影響這些指標(biāo)的因素主要有：細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)中果膠膠態(tài)分散體、淀粉、纖維素和半纖維素等多糖。這些大分子的存在是造成果汁渾濁、口感差的主要原因，而淀粉酶、果膠酶和纖維素酶可以將這些生物大分子分解為小分子，能夠有效改善果汁外觀和品質(zhì)。Sojitra等[48]通過(guò)共沉淀法合成Fe3O4磁性粒子，以3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)為氨基源對(duì)Fe3O4氨基化修飾，以戊二醛為交聯(lián)劑，將功能化磁性粒子與酶混合液混合孵育，淀粉酶、果膠酶、纖維素酶分別與磁性粒子結(jié)合并固定，制得磁性復(fù)合酶納米生物催化劑。該磁性復(fù)合酶納米生物催化劑在熱穩(wěn)定性、pH穩(wěn)定性、重復(fù)利用性等酶學(xué)活性及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)Km較游離酶都有明顯提高。利用該磁性復(fù)合酶納米生物催化劑分別進(jìn)行葡萄、蘋(píng)果和梨果汁渾濁實(shí)驗(yàn)，混合反應(yīng)150 min后，渾濁度分別降低為46%、41%和53%，結(jié)果表明，這一磁性復(fù)合酶納米生物催化劑可替代傳統(tǒng)果汁的生產(chǎn)方法應(yīng)用于果汁的工業(yè)化生產(chǎn)中。

3 展望

綜上所述，磁性納米粒子固定化酶技術(shù)已在生物醫(yī)藥、食品、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，并取得了一些重要成就，但仍存在一些需要解決的問(wèn)題，主要有以下幾個(gè)方面：①目前，關(guān)于磁性納米粒子固定化酶研究主要集中在脂肪酶和蛋白酶上，其他酶類(lèi)研究甚少，且磁性納米粒子固定化酶方法具有局限性，只適用于一類(lèi)酶或幾種酶的固定化；②功能化磁性粒子固定化酶通常存在固定化酶含量較高、而固定化酶活性較低的問(wèn)題，解決這一問(wèn)題，對(duì)于提高酶使用率、降低成本、實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模操作至關(guān)重要；③目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磁性粒子固定化酶條件優(yōu)化研究較多，針對(duì)磁性粒子與酶作用機(jī)制研究較少，磁性粒子固定化酶作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究，為磁性粒子的改性和選擇提供了重要依據(jù)；④以磁性粒子固定化酶為催化劑進(jìn)行催化反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)制需深入研究，以實(shí)現(xiàn)磁性粒子固定化酶技術(shù)的廣泛應(yīng)用?？傊?，磁性納米粒子固定化酶是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展的研究領(lǐng)域，發(fā)展更為高效的方法制備磁性納米粒子固定化酶仍是有待深入研究和具有挑戰(zhàn)性的研究課題。

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Progress on Magnetic Nanoparticles Immobilized Enzymes

CHEN Jing, LENG Juan, YANG Xiai, LIAO Liping, XIAO Aiping*, LIU Liangliang*

InstituteofBastFiberCrops,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Changsha410205,China

Magnetic nanoparticles with magnetism characteristics and the special performance of nanomaterials, are widely applied in many kinds of fields. This paper reviewed progress on the magnetic nanoparticles, including types, features, preparation and surface modification. The paper also summarized the latest development of immobilized enzyme technology of lipase, lactase, amylase and a combination of two or more, which was aimed to provide reference for the study of magnetic nanoparticles immobilized enzymes.

magnetic nanoparticles; lipase; laccase; amylase; immobilized enzymes

2017-03-31; 接受日期：2017-05-18

國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估項(xiàng)目計(jì)劃(GJFP201701003)資助。

陳靜，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)。E-mail：15616200178@163.com。*通信作者：肖愛(ài)平，研究員，主要從事農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。E-mail：xap5@sina.com;劉亮亮，助理研究員，主要從事天然產(chǎn)物活性成分分析研究。E-mail：liuliangliang@caas.cn

10.19586/j.2095-2341.2017.0022