《ACS OMEGA》酶固定化技术及其工业应用
文摘
科学
2024-10-30 22:47
江苏
2023年1月，Yasmin R. Maghraby等人在《ACS OMEGA》上发表了一篇题为Enzyme Immobilization
Technologies and Industrial Applications的综述性论文。
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通讯作者：Hassan Mohamed El-Said Azzazy通讯单位：Department of Chemistry, School of Sciences
& Engineering, The American University in Cairo, AUC Avenue, New Cairo
11835, Egypt
Abstract
酶在各种工业领域发挥着至关重要的作用，是许多工业产品的重要组成部分。固定化酶对环境变化具有更高的抵抗力，与游离形式相比，可以很容易地回收/再循环。固定化的主要好处是保护酶免受恶劣环境条件（如高温、极端pH值等）的影响。固定化酶除了用于水处理厂外，还可用于各种大型工业，如医疗、食品、洗涤剂、纺织和制药等工业。根据所需的应用，选择合适的酶固定化技术和合适的载体材料。酶固定化技术包括共价结合、包封、包埋、吸附等。本文主要介绍了1992年至2022年间各种技术固定化酶及其在不同工业应用中的应用。它还侧重于固定化酶的多尺度操作，以最大限度地提高某些产品的产量。最后，简要讨论了新冠肺炎流行对全球酶生产造成的严重后果。![]()
酶是动物、植物和几种微生物中无处不在的蛋白质催化剂。酶的使用可以追溯到古代，这些酶主要用于制造许多食品，如酸奶、奶酪、葡萄酒、啤酒、酸面团和醋，此外还用于制造常用产品（如亚麻、皮革、纺织品等）。长期以来，酶一直被用于简化几个工业部门复杂的生产步骤/程序。如今，对可持续工艺的需求大大的扩大了酶作为催化剂在几个工业部门的应用。此外，随着蛋白质提取/纯化技术的不断发展以及蛋白质工程的新发展，导致了某些具有高度增强和定制特性的分析纯度级别的酶得以高效制造。酶在不同工业部门的使用量不断增长，特别是在过去的二十年里。这些包括乳制品的制造、淀粉转化、烘焙和饮料生产（如葡萄酒、啤酒、浓缩水果等）。酶也用于纺织工业的多个制造步骤和纯化过程。此外，酶的使用已成为造纸、化妆品、医疗保健、化学制造和洗涤剂行业不可或缺的一部分。此外，由于某些酶对其靶生物标志物具有高度特异性，因此需要将其应用于特定的新的工业部门（如生物传感器制造）。酶还经常用于生物燃料制造以及废水的处理和回收。然而，酶预期的有用特性及其普遍应用受到其保质期短、稳定性差以及对许多过程设置/条件的极端敏感性的阻碍。许多缺点可以通过固定技术来阻止或缓解。自20世纪60年代以来，固定化酶的出现一直是一个有吸引力的话题。1916年，Nelson和Griffin注意到转化酶在吸附到木炭上后可以水解蔗糖，于是提出了酶固定化的想法。从那时起，人们相继提出了几种可逆/不可逆的酶固定方法，这些方法可以增强酶的物理化学性质，使其具有应用价值。酶的可逆固定需要吸附、金属结合和离子结合。然而，酶的不可逆固定包括包埋和共价结合。除了固定模式外，载体本身也是这些方法成功的关键。载体应具有良好的稳定性，具有相当大的多孔结构，并具有较大的表面积，以最大限度地提高固定效率。载体材料也应易于修饰，以促进酶的固定。此外，它应该具有低成本、丰富和环保的特点。酶固定化策略的发展导致了强大而稳定的定制酶的生产。它们还实现了酶的回收和再利用，减少了产品中的污染物，并改善了工业过程的控制。本文综述了酶固定化技术、酶在各个工业部门的应用以及世界工业酶市场的最新进展。还讨论了酶固定化方法及其优缺点，以及新冠肺炎对全球酶制备的影响。
1.1.脂肪酶。脂肪酶广泛存在于地球上大多数动植物中，在真菌、酵母和细菌中含量丰富。脂肪酶是催化三酰基甘油转化为脂肪酸和甘油的水解酶。脂肪酶催化酯基转移、酯交换和酯化反应。脂肪酶底物多种多样，包括脂质、磷脂、醚类脂质、溶血磷脂等。这类酶在膳食脂质的运输、消化和加工中起着至关重要的作用。脂肪酶来源于微生物，是一种适应性强的酶，可以进行各种生物转化反应，即氨解、酯交换、醇解、酯化、水解等。它们的独特特征包括底物立体特异性、特异性和区域选择性。脂肪酶具有对映选择性催化特性和区域选择性能力。它们用于生产乳化剂、香料、香水、化妆品、热塑性塑料、农用化学品和许多其他常用产品。除了通过脂肪水解生产浓缩脂肪酸外，脂肪酶还用于通过甘油三酯酯交换制备几种生物柴油。脂肪酶还可用于从造纸步骤中产生的纸浆中提取沥青，从乳制品（如奶酪和酸奶）中提取脂肪，在棉花进一步加工和染色之前从棉花中提取杂质，以及在皮革制造过程中提取脂肪/脂肪衍生物。不幸的是，并非所有类别的脂肪酶都能在高温（即100°C）下运行；除此之外，酶的半衰期非常简洁。因此，生产能够耐受高生产温度并具有更长保质期的超稳定脂肪酶形式是可取的。固定化是获得稳定脂肪酶的方法之一。1.2.蛋白酶。蛋白酶广泛存在于所有动物、植物和病毒以及一些微生物中。蛋白酶是动物、人类、植物和一些微生物体内发生的生化过程中不可或缺的组成部分。蛋白酶可以从生物体中分离和纯化，具有高底物特异性和高效的催化活性。蛋白酶催化蛋白质水解，将蛋白质分解为氨基酸和/或小多肽。这类酶主要通过水解反应来切割蛋白质中的肽键。蛋白酶参与多种基本生物学功能，如蛋白质分解代谢、摄入蛋白质的消化和细胞信号传导。不同类型的蛋白酶能够通过完全不同的机制催化类似的反应。此外，蛋白酶具有参与细胞蛋白质周转的重要功能。蛋白酶可以通过有限的切割对蛋白质进行选择性修饰，如激活酶原、凝血和加工整个膜中的分泌蛋白质。蛋白酶主要分为内肽酶和外肽酶，内肽酶通过切割蛋白质内部的肽键起作用，外肽酶将氨基酸与蛋白质的末端分离。这些酶占全球酶市场的约60%。各种各样的蛋白酶引起了人们对利用其生物技术和生理功能的关注。蛋白酶对需要酶辅助/消化不同来源蛋白质的几个行业至关重要，例如制药、乳制品、皮革、食品、烘焙、纺织和酿造行业。此外，蛋白酶用于各种形式的医学治疗，被认为是实验室、医疗机构和医院使用的重要生物催化剂。对能够在冷水中催化反应的蛋白酶类的检查也受到了极大的关注，这将有助于它们在自来水（即室温）中用于洗涤剂。蛋白酶的半衰期很短，因此需要固定化才能获得稳定的酶形式，以扩大和简化其在全球的应用。1.3. 淀粉酶。淀粉酶存在于植物和动物体内；它们催化淀粉水解成糖。从微生物中获得的淀粉酶具有广泛的功能，因为它们比从植物和动物来源获得的淀粉酶更稳定。此外，来自微生物来源的淀粉酶具有很大的生产能力，可以产生具有某些所需特性的酶。淀粉酶是作用于α-1,4-糖苷键的糖苷水解酶。它们具有三维结构，能够与底物结合并支持糖苷键的断裂。淀粉酶占全球酶消费量的30%。淀粉酶的制备是通过固态发酵或深层发酵进行的。制造技术取决于某些物理化学因素。例如，由于温度、pH值、氧气转移、通气等参数的操作简单，深层发酵被应用于淀粉酶的制造。目前，市场上已有多种微生物淀粉酶可供选择。这些应用于食品、洗涤剂、发酵、纺织和制药等领域。淀粉酶应用于淀粉制造，用于淀粉水解，将淀粉转化为葡萄糖、果糖等糖浆。这些在食品加工领域得到了广泛应用，例如用于制备助消化剂和淀粉糖浆。在造纸工业中，淀粉酶用于通过制造高分子量和低粘度淀粉来改良涂布纸中的淀粉。最后但并非最不重要的一点是，淀粉酶可能对精细化学品的制造有用。然而，脂肪酶的应用往往受到其低稳定性、短保质期和对工艺条件极度敏感的阻碍。这些缺点可以通过固定方法大大减少。1.4. 纤维素酶。纤维素酶主要由细菌和真菌产生，它们催化大多数纤维素分解反应。纤维素酶将纤维素分子分解为低聚糖和β-葡萄糖。纤维素分解具有重要的经济意义，因为它是被消耗植物的主要成分。由于纤维素的分子结合力很强，与淀粉等其他多糖的分解相比，纤维素分解相对困难。存在不同种类的纤维素酶，它们在机制和结构上都不同。纤维素酶在几个工业部门至关重要。它们用于从果汁和果肉中提取不希望的颜色。纤维素酶也用于洗涤剂行业作为颜色增白剂和柔软剂，以及牛仔裤产品的生物调色。此外，这些酶用于预处理生物质以提高食物的营养价值，以及处理工业废物。它们在制药、动物饲料、纺织和造纸加工行业也有广泛的应用，这使它们成为全球最重要的酶之一。尽管如此，在所有这些行业中使用纤维素酶受到限制，因为它们的稳定性降低、货架寿命缩短、对许多工艺条件极其敏感等。这些缺点可以通过纤维素酶的固定化方法大大减少。尽管与传统催化剂相比，使用酶具有巨大的优势，但以原始形式使用酶会出现一些并发症。在一些大规模应用中，酶的使用不是催化的最佳选择，因为这些生物通常不稳定，保质期短，并且可能很容易被多种机制灭活。酶对各种恶劣的工艺条件（如高温、极端pH值等）也高度敏感，此外，在工业应用中使用酶会出现几个技术问题，这使得它们实际上不可靠。例如，与传统的非均相化学催化剂不同，大多数类型的酶在均相催化系统中溶解在水中时效果更好。此外，传统的酶回收和再利用方法很难实现。如图1所示，这些不同的问题可以通过使用不同的固定技术来预防或至少减轻，这些技术将在下一节中详细介绍。![]()
图1.与酶使用相关的问题（左）和固定化过程的优点（右）
自20世纪60年代以来，酶固定化一直是一个引人入胜的研究课题。固定化技术已经逐步发展，但最近达到了一个平台。然而，最近生物技术/纳米技术进步的扩大在很大程度上重新激发了人们对酶固定化策略的兴趣。固定化策略需要将酶固定或包埋在固体支持材料中。除了许多有益的酶固定方法外，研究人员还提出了几种支持材料。支持物的主要功能是稳定酶的结构，并通过使其对周围环境更具抵抗力，从而在很大程度上保持其功效。酶固定化允许容易地回收用过的酶及其支持材料，这在食品、医疗和制药应用中特别有益。固定化形式的酶具有更高的稳定性，与游离形式相比也更容易处理。此外，酶反应可以在非水介质中发生，其中固体载体保留了酶的成分并使其更强，这增强了它们的催化活性并使其可重复使用多次。固定化过程的另一个好处是，催化剂在酶结合后可以从均相形式变为非均相形式，这有助于分离酶，产生高纯度的产物。到目前为止，已经应用了各种固定化方法，包括包封、交联、共价结合、吸附和包埋，如图2所示。![]()
图2.主要酶固定化方法示意图。可逆方法包括吸附、离子键合和亲和键合。不可逆的方法包括共价结合、包埋、包封和交联。
3.1.共价结合。共价结合是一种成熟的酶固定技术，如图1所示。与酶使用相关的问题（左）和固定化过程的优点（右）。通过高度稳定、牢固的连接将酶与载体材料（如多孔二氧化硅、聚丙烯酰胺、琼脂糖、多孔玻璃等）连接起来（图2）。共价结合具有许多优点，例如产生耐用的酶，并获得足够的酶回收率以供重复使用。共价结合增加了酶的立体特异性，提高了它们的稳定性。例如，与乙二酰琼脂糖共价结合的脂肪酶对映体选择性提高了3倍。通过应用这种方法，即使存在高浓度底物或强缓冲溶液，酶泄漏的可能性也很低，这通常会促进多种变性反应。共价结合基本上是通过添加反应性分子来激活载体，然后改变聚合物的骨架来激活整个基质。亲水性多糖聚合物是该策略中最常用的载体。此外，亲电基团也被使用，并在反应开始时在载体材料上产生，与蛋白质的亲核试剂发生强烈的相互作用。除了咪唑和吲哚基团外，氨基酸的几个官能团也适用于这种方法，如天冬氨酸的羧基、苏氨酸的羟基、精氨酸的氨基和硫醇的巯基。此外，使用具有环氧基的载体，因为它们在温和条件下容易与氨基反应，产生稳定的键。不幸的是，应用共价结合会出现一些局限性，例如，这种策略需要相对复杂的步骤和较长的孵育时间才能进行适当的固定。有时，需要对酶的结构进行额外的修饰，以暴露一些合适的功能，使共价结合发生，反应介质中的这些改变可能会导致酶变性。此外，通常少量的固定化酶与载体结合（约0.02g/g载体），这不利于大规模的工业应用。此外，附着在载体上的酶的流动性可能会受到一些限制，这可能会限制催化过程中所需的一些构象变化，导致酶活性降低。然而，这种固定化策略的优点大于缺点，特别是因为它获得了增强的酶稳定性和足够的酶回收/再利用。3.2. 交叉链接。交联固定化是一种酶在没有载体的情况下通过共价键相互连接的策略。分子间交联是通过连接剂的存在来实现的，连接剂用作两个相邻酶分子之间的桥梁，如图2所示。交联固定化在酶之间建立了牢固的连接，从而获得了优异的稳定性。报道了几种类型的交联策略，例如交联喷雾干燥酶、交联聚集体、交联溶解酶等。交联溶解酶是指使用戊二醛以晶体形式将酶分子间交联。这是一种独特的活性固定化酶技术，可产生可控的粒径（1-100μm）。它对有机溶剂和高温具有显著的耐受性。其高稳定性、具有最佳催化活性的再循环和容积效率使其非常适合工业生物转化。然而，这种策略非常昂贵，因为它要求酶呈结晶形式，这需要获得高纯度的酶。交联酶的聚集体是通过在水性介质中直接酶沉淀形成的，这会产生由蛋白质颗粒组成的物理聚集体。该系统对许多类别的酶都有用，因为它允许同时配制含有两种以上酶的交联酶聚集体。通过保持三级结构，形成的聚集体通过非共价键连接。随后，聚集体的交联使酶永远不溶，保留了它们的有序结构，从而保持了它们的催化效率。形成交联酶的聚集体是一种具有成本效益的重要策略；然而，它的机械稳定性较差。最后，交联喷雾干燥酶法也用于一些工业应用。然而，它的使用受到限制，因为必须进行喷雾干燥，这有时会可逆地使酶失活。3.3.吸附。吸附固定是一种简单的载体结合技术，可以实现可逆固定。这种技术主要依靠物理吸附。用于吸附的材料包括离子交换树脂、氧化铝、活性炭等。这种方法相对便宜且易于实施，但它在载体和酶之间的结合力较弱（即氢键、盐键、离子键、疏水键等）。根据蛋白质的排列和基质的电荷，可以产生强烈吸附/未变形的酶。在这种策略中，可以使用任何类型的载体材料，但并非所有类型的酶都可以固定在任何载体材料上，因为要进行适当的吸附，必须满足一些条件，即酶载体的亲和力至关重要。载体材料上存在的特定活性基团保证了成功的吸附。这些有助于酶和载体之间相互作用的发展。然而，如果不存在，这些相互作用可以通过添加载体修饰剂来修饰，使酶和载体之间能够连接，如图3所示。吸附固定化酶的优点是需要最少的活化步骤，需要的试剂很少，而且是一种廉价且易于实施的方法。![]()
图3.表面改性剂在吸附固定化中的作用。表面改性剂增强酶与其载体的结合
3.4.离子键合。离子键合是一种简单、廉价且可逆的固定技术，它需要酶和载体材料之间的离子相互作用。这种非共价固定的本质是，通过改变温度和离子强度，可以简单地逆转这一过程。这种固定技术中使用的载体材料通常是带电的，因为蛋白质应该具有相反的电荷才能结合在一起。通过改变pH值或盐析酶，可以简单地逆转离子键。为了在整个反应过程中维持最佳pH值，可以很容易地控制混合物中的酸碱度，因为固定酶的基质是稳定带电的。带电载体的出现会产生一些并发症，如酶结构的扭曲、酶动力学的变化等。此外，过多的电荷会使酶催化恶化，从而可能阻碍获得高的产物收率。3.5.包埋。包埋是一个不可逆的固定过程。它被简单地描述为酶通过共价或非共价键在纤维网络中的笼化。它也被描述为将酶包埋在具有晶格结构或聚合物膜的载体材料或纤维内。在使用这种方法时，通过控制允许反应内容物（底物或产物）自由扩散的聚合物网络的孔径，可以很容易地避免酶泄漏。在这种策略中，酶不与聚合物反应；因此通常防止变性。包埋技术具有多种优势，包括酶的高负载能力、低制造成本、包埋酶的机械稳定性增强和传质低。它还允许对封装材料进行改性，通过达到最佳pH值、合适的极性或两面性来获得最佳的微环境。在添加多价抗衡离子后，聚阳离子或聚阴离子聚合物的凝胶化是包埋酶最常用的技术。使用这种固定技术时会出现许多缺点。例如，当聚合反应的延伸增加基质厚度时，会出现传质阻力；因此，底物不能深入扩散到酶的功能位点。此外，如果载体的孔径较大，包埋的酶可能会泄漏。包埋也具有较低的酶负载能力，载体在聚合步骤中可能会被破坏。酶包埋有许多方法，如光聚合、溶胶-凝胶法和电聚合。3.6.包封。包封固定技术涉及将几种生物分子包埋到不同的聚合物基质中。包封类似于包埋，因为酶和细胞在溶液中是自由的，但在受控的空间中。包封的目的是将敏感的酶和细胞溶液固定在具有多孔膜的微小囊泡中。大量的酶不能移出或进入胶囊，但微小的底物/产物可以自由地穿过半透膜。封装将生物系统保持在精细的薄膜中，以避免生物催化剂与环境接触，这可能会损害其效率。因此，包封允许生物催化剂的活性持续很长时间。几种支撑材料（如硝酸纤维素和尼龙）用于制造尺寸为10至100μm的微胶囊。海藻酸盐和硅基纳米多孔溶胶-凝胶玻璃的离子凝胶化也显示出其对酶包封的效率。这种方法的特点是酶很容易被包封。材料科学的发展增加了形成的封装的性能，例如增强了形态稳定性、设计了物理化学渗透性和减少了酶泄漏。此外，还存在共固定化的可能性，其中酶可以以任何所需的组合固定以适应特定用途。然而，这种技术存在一些局限性。例如，扩散问题很严重，如果反应产物迅速聚集，可能会导致膜破裂。如今，许多工业应用在许多工业步骤中都依赖于酶，因为酶具有催化多种化学反应的能力。具有所需特定活性的酶可以通过蛋白质工程很容易地定制，以便用于特定的工业目的。酶应用于洗涤剂、纺织、制药、医疗和食品等行业。这些也广泛应用于水处理和污水/废水回收。尽管酶在大多数工业领域都非常有益，但通过固定化，它们的益处和应用范围可以最大化。、4.1.食品工业。固定化酶因其各种益处而广泛应用于食品行业，包括其在细长食品加工步骤中的高热稳定性和耐久性。如表1所示，食品行业使用的酶使用了几种固定化方法和不同的载体材料。Kumari等人将碱性蛋白酶固定在介孔沸石/二氧化硅上，在短时间内（90分钟）将牛奶转化为奶酪。与保留50%初始活性的游离蛋白酶相比，在储存16天后，催化活性保持在74%。蛋白酶也通过与壳聚糖交联固定化，用于消除啤酒的面筋。固定化使酶在降低原始啤酒的面筋含量65mg/kg方面非常有效，处理10小时后达到15mg/kg。此外，壳聚糖共价固定化淀粉酶使共轭物的热稳定性提高了35%，提高了淀粉酶对pH失活的抵抗力，并将大麦水解的产物收率提高了1.5倍。许多固定化酶被用于加工果汁生产步骤，例如，使用聚乙烯醇固定化的果胶酶用于澄清苹果汁，经过3个循环后浊度降低了80%。该酶被重复使用8次，保持了其初始效率的20%。然后，相同的酶用于相同的目的，但它被固定在可回收的聚合物上。苹果汁得到了有效澄清，固定化果胶酶被重复使用10次，活性损失可以忽略不计，据报道<5%。![]()
固定化脂肪酶广泛应用于乳制品制造中，在脂肪水解过程中丰富奶酪风味，加速奶酪成熟，此外还应用于乳脂脂肪分解。α-乳清蛋白纳米管被用作脂肪酶的载体，与游离酶相比，它们可以释放更大量（即1.5倍）的游离脂肪酸。也就是说，与构成相似乳脂含量的普通低脂奶酪相比，低脂奶酪中的脂肪酶纳米管释放的游离脂肪酸量是其两倍，从而创造出风味增强的低脂奶酪。脂肪酶在饮料工业中也被用作增香剂，因为它们用于合成用作芳香添加剂的短链酯（乙酸甲酯）。通过吸附在羟基磷灰石上固定化脂肪酶后，脂肪酶得到了实质性的稳定，用作乙酸甲酯食品香精。在一项研究中，固定化酶的活性在60°C下3小时后得以保持，而游离脂肪酶仅在30分钟后就失去了50%的原始活性。β半乳糖苷酶广泛应用于乳制品中乳糖的水解。壳聚糖/二氧化硅载体固定化β-半乳糖苷酶对乳糖水解的效率很高，高达62%。此外，在固定床反应器中持续应用（200小时），该系统保持了90%的活性。使用聚乙烯醇固定相同的酶，并在5-6小时后有效水解乳糖（75%）。此外，使用30次后，转化率降至50%。此外，海藻酸钙用于固定β-半乳糖苷酶，纳米复合材料显著提高了奶酪乳清中乳糖的水解率，达到72%。所有这些相关研究都证明了固定化酶在各种食品/饮料生产领域的重要作用。4.2.洗涤剂行业。长期以来，酶一直被添加到洗涤剂的配方中，用于去除普通化学物质无法去除的某些类型的污渍。此外，基于酶的洗涤剂可以少量使用，因为它们能够在环境温度下去除污渍。例如，蛋白酶在去除血液、鱼类、蛋类、肉类和草品系方面至关重要；除此之外，这些可以有效地去除人体汗液中的蛋白质类。另一方面，淀粉酶被添加到洗涤剂配方中以去除淀粉污渍，例如肉汁、谷物、土豆和巧克力。脂肪酶能有效去除油渍和油渍。除了去除污渍外，酶基洗涤剂还有其他功能，例如纤维素酶可以增强棉基织物的柔软性并改善其颜色增亮。固定洗涤剂酶可以提高清洁效率，保持酶的催化活性，并且不会对羊毛基织物造成伤害，此外还有表2所示的其他优点。例如，蛋白酶水解天然蛋白质纤维（如丝绸和羊毛角蛋白），这会对服装的质量造成不可逆转的损害。在此背景下，Vasconcelos等人研究了与Eudragit共价结合的固定化蛋白酶对羊毛的功效。固定化蛋白酶保持了原始拉伸强度的76%，而含有游离酶的样品保持了37%。此外，固定化酶的应用对羊毛纤维没有损伤。除了对羊毛宽大处理外，固定化蛋白酶制备的纳米酶在12个循环中保持了显著的催化效果，在60°C下1小时后仍保持63.6%的活性，而游离酶则失去了全部活性。![]()
脂肪酶是仅次于蛋白酶的第二大洗涤剂酶。脂肪酶被添加到洗衣和洗碗洗涤剂中，专门用于去除油渍，它们在不同的温度/pH范围内工作。然而，由于酶和油之间的传质障碍，脂肪酶在普通水中的清洁效果较低。在此背景下，使用戊二醛通过吸附/交联固定脂肪酶，在羊毛布上的实验显示出优异的油污去除能力，在洗涤循环后保留了80%的催化效率。脂肪酶也用芳胺玻璃珠固定，共轭物有效地去除了棉衣上的油渍。固定化酶的初始活性保留率高达75.59%，可重复使用100次。Shukla和Singh通过离子结合、吸附和包埋将α-淀粉酶固定在六种不同的基质上。戊二醛交联剂是应用的最佳基质，显示出最高的操作稳定性。固定化α-淀粉酶的水解效率为15.55%，证明它能有效去除布料上的淀粉污渍。4.3.纺织工业最近，纺织行业酶的使用量大幅增加。酶固定化技术是非常优选的，即使在纺织行业也是如此，因为它们在很大程度上稳定了酶并延长了其保质期，如表3所示。例如，角蛋白酶通过交联使用壳聚糖-β-环糊精固定，最终的偶联物显示出很高的热稳定性（70°C）。与游离纤维素酶相比，储存稳定性显著提高，30天后可达53.5%。此外，纤维素酶因其能够改性纤维素纤维、生产更高质量的纺织品而广泛应用于纺织加工步骤。然而，纤维素酶的回收/再利用较差；随后，有人提出通过共价键合/吸附将纤维素酶固定在高岭土上，以提高针织物的质量。固定化为织物提供了优异的抗起球性和更好的抗拉强度，并使纤维素酶在连续3个循环中得到了更好的回收/再利用。Yu等人用Eudragit L-100和Eudragit S-100非共价固定化纤维素酶。固定化酶具有较高的稳定性，在Eudragit s-100和Eudragit L-100的第三个循环中分别保持了51%和42%的酶效率。弯曲刚度结果表明，用固定化酶处理的织物比对照样品柔软。Sankarraj和Nallathambi通过吸附在海藻酸钙淀粉上固定纤维素酶，研究人员观察到其重量损失较小。此外，还实现了拉伸强度的最小降低和更大的白度指数。此外，将环氧树脂固定化纤维素酶用于织物的生物抛光，有效地进行了6次循环，没有拉伸强度损失。此外，壳聚糖用聚乙烯醇包覆，纤维素酶固定在其上；8次循环后，酶的活性保留了52%。![]()
羊毛加工行业采用对环境有害的氯化程序来实现羊毛成品的抗收缩性。添加蛋白酶而不是氯化过程显示出有希望的抗缩水性结果，同时提高了羊毛的白度、易处理性和可染性；最重要的是，它没有损害生态系统。尽管有这些优点，蛋白酶处理可能会对羊毛纤维造成一定的损伤。另一方面，蛋白酶的固定化提高了酶的分子大小，限制了对角质层的蛋白水解攻击，不会对羊毛造成损害。在此背景下，研究了与聚乙二醇共价结合的蛋白酶在羊毛中的扩散模式。观察到经修饰的蛋白酶停留在角质层的表面，从而产生更高的抗拉强度和更少的纤维毡化。此外，Silva等人89表明，与Eudragit
S-100共价结合的Esperase蛋白酶在60°C下保持了45%的稳定性。重复使用5次后，共轭物的效率为初始值的72%。因此，固定化系统是羊毛抗收缩性的良好替代品，可以替代标准的氯预处理。漆酶在纺织行业被过度用于纺织废水的脱色和聚合物染料合成。共价结合用于生产固定化漆酶，其中用3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷硅烷化的绿椰子纤维用作载体。固定化漆酶用于纺织染料脱色，共价结合增强了酶在50°C下的热稳定性。实现了活性纺织染料的高效脱色。4.4.废水处理。水污染是当今世界面临的一个令人担忧的障碍。水污染造成了几个令人担忧的问题，包括威胁公众健康、破坏各种农产品以及对世界经济产生负面影响。将大量未经处理的工业废物丢弃到水体中是水污染的主要原因之一。由于酚类和染料的致癌和诱变特性、毒性和较差的生物降解性，其处置最近引起了科学界的广泛关注。最近介绍了通过酶固定化系统提取染料和酚类物质的许多进展，并证明是成功的。4.4.1. 染料去除。几家工厂生产含染料的废水，对海洋、河流、湖泊等产生负面影响。据报道，漆酶、预氧化酶和偶氮还原酶等几种酶在水处理步骤中可以去除染料。然而，这些酶具有一些局限性，特别是在以天然形式使用时会失去活性。因此，如表4所示，应用酶的固定化技术来克服这些缺点。结合金属配体Cu（II）离子的交联漆酶壳聚糖已被应用于降解废水中的三种染料，其中西巴克伦蓝、甲基橙和活性黑5的去除率分别为69%、87%和43%。此外，固定化酶在20次水处理循环后的剩余效率为81%。另一份报告讨论了固定化漆酶对使用介体（即甲基丙烯酸缩水甘油酯官能化聚丙烯酰胺-藻酸盐）处理废水的影响。采用共价键结合进行固定化，去除率为55%。此外，通过包封在海藻酸铜珠中的固定漆酶氧化染料的复合聚合物，显示出水颜色降低了66%。固定化酶在连续15天的储存中保持了95%的活性。吸附在TiO2-ZrO2-SiO2上的漆酶用于降解纺织品中的染料。TiO2−ZrO2−SiO2−漆酶的固定化效率估计为96%，而活性黑、茜素红S和remazol亮蓝R的染料降解率分别高达77%、100%和91%。![]()
锰过氧化物酶在降解有机污染物方面具有很高的效率。如表4所示，各种研究调查了固定化锰过氧化物酶在废水处理中的有效性。例如，与Fe3O4/壳聚糖共价结合的锰过氧化物酶在消除亚甲基蓝和活性橙16方面表现出显著的效率，而其活性在5次染料去除循环后保持稳定。另一份报告研究了相同酶在染料去除中的效率，但这次是在戊二醛/壳聚糖上交联的。染料降解率达到97%，在10次重复脱色循环后，共轭物的有效性保持在60%。此外，辣根过氧化物酶通过聚苯胺链固定在聚丙烯腈薄膜上，然后用戊二醛交联。固定化过氧化物酶对直接蓝53和直接黑38的提取效率分别为91%和95%。Šekuljica等人将辣根过氧化物酶固定在高岭土/戊二醛上，并使用该偶联物对蒽醌酸紫进行脱色，脱色率达到76%。另一份报告研究了使用聚酰胺6通过共价键合和吸附固定的相同酶对染料脱色的影响。最高染料（孔雀石绿和活性黑5）的脱色效率达到≥70%。显然，酶的固定化可以支持生物催化剂的应用，用于连续降解多种环境污染物和去除废水中的染料。4.4.2.苯酚降解。酚类化合物是一种毒性高、生物降解性低的水污染物。使用耐用且环保的酶，特别是固定化酶，是从废水中提取酚类物质的一种很好的策略。几种氧化还原酶，包括漆酶和酪氨酸酶，由于其高催化活性、高选择性、良好的热稳定性等，被固定化用于去除酚类物质（表5）。例如，涂有酪氨酸酶的磁性氧化铁纳米颗粒用于从废水中提取酚类化合物，其中纳米偶联物显示出很高的苯酚去除能力，据报道为70%。使用戊二醛将相同的酶与聚丙烯腈珠交联，最终的结合物提取了96%的总酚（470mg/L），而游离酪氨酸酶仅去除了80%。此外，固定化系统被重复使用了6个循环，其活性保持在约78%。另一份报告讨论了使用固定在硅质载体上的酪氨酸酶降解苯酚，去除效率高达60%。漆酶也被用于苯酚降解，但需要对载体材料进行一定的改性。例如，Ameri等人通过化学方法改变了沸石载体（即具有更好的孔径），使其与漆酶共价结合，显示出高效性，并可重复使用10次用于苯酚降解。结果与Taghizadeh等人的报道一致，他们除了使用改性的脱硅形式外，还使用Y型沸石钠固定漆酶。所形成的系统显示，漆酶脱硅和漆酶-钠Y沸石的固定化效率分别提高了94.50%和74.39%。此外，漆酶在固定化后对双酚A的生物降解能力很高（86.7%）。漆酶也通过吸附固定在Cu（II）壳聚糖纳米颗粒上，其中提取了>96%的总酚，8次循环后固定化漆酶的效率保持在>50%。此外，环氧官能化二氧化硅通过共价键固定漆酶。该系统对邻苯二酚的去除效率很高（约95%），可重复使用5次。另一份报告使用双醛淀粉修饰的磁性纳米粒子作为漆酶固定化的交联剂，在更宽的pH/温度范围内有效地去除酚类物质。据报道，苯酚、4-氯酚和2,4-二氯酚的提取率分别为86.1%、93.6%和100%。6次循环后，效率保持率为83.5%。![]()
辣根过氧化物酶，特别是其固定化形式，是一种重要的生物催化剂，用于废水处理中苯酚的降解（表5）。在这种情况下，固定在生物炭表面的过氧化物酶显示出90%的苯酚去除效率。经过4次循环后，固定化辣根过氧化物酶的活性保持在79%以上，苯酚去除效率为64%同样的酶，但被封装在酪胺-藻酸盐珠中，在4个循环后显示出96%的去除效率和60%的可重复使用性。同样，氧化石墨烯被用作通过交联固定辣根过氧化物酶的载体，处理1小时后，92%的总酚被降解。这与Besharati
Vineh等人报告的结果一致，他们应用了精确的共轭物，显示出100%的苯酚降解效率，10次循环后的可重复使用性保留了70%的原始活性。因此，固定化酶可以在短时间内有效地提取废水中的酚类化合物。酶市场的主要驱动力包括为提高生物催化剂的成本效益和效率而引入的创新技术。此外，消费者越来越意识到用天然和可生物降解的产品取代合成化学品和石化产品。推动酶市场发展的其他因素包括洗涤剂生产商、制药厂、纺织业、动物饲料生产商、生物乙醇生产商和化妆品制造商对这些环保替代品的高需求。据报道，2021年全球酶市场为114.7亿美元，预计从2022年到2030年将以6.5%的复合年增长率增长。2002年，全球酶市场估计为16亿美元。这些酶分为食品酶（29%）、饲料酶（约15%）和一般技术酶（56%）。蛋白酶在全球使用的所有酶中排名第一，而淀粉酶占世界市场的近30%。脂肪酶占全球酶产量的约10%，因为它们在水性或非水性介质中催化多种化学反应。2017年，脂肪酶世界市场以6.2%的年增长率发展，预计到2025年将增长到7.977亿美元。据报道，2021年全球氨基酸市场为261亿美元，预计从2022年到2030年将以7.4%的速度增长。此外，预计市场对氨基酸的需求将不断增加，特别是在营养保健品/制药行业，这需要使用酶。据报道，2021年膳食补充剂市场为1519亿美元；此外，预计2022年至2030年，这一数字将以每年8.9%的速度增长。提高消费者的健康意识是膳食补充剂的主要驱动因素，这也需要使用酶。据报道，2021年营养保健品市场规模为4545亿美元，预计2021年至2030年将以9%的复合年增长率增长。2016年，全球洗涤剂市场达到1330亿美元。此外，2021年全球菠萝蛋白酶市场规模为2420万美元，预计2022年至2030年将以7.1%的复合年增长率增长，因为它用于医疗保健、海鲜加工和膳食补充剂行业。据报道，2018年全球功能性食品市场为1614.9亿美元，因为强化食品添加剂的需求正在增长。所有这些工业部门都在其制造步骤中使用酶。Novozymes, BASF, DuPont, 和DSM被认为是主要的酶制造商，可以生产约75%的工业酶。北美和欧洲的利润估计高达65%，而亚太市场份额占收入的30%。预计这一收入将增加，特别是随着酶的广泛应用和对新酶技术的不断探索。新冠肺炎大流行是本世纪发生的最令人震惊的全球卫生紧急事件。除了影响全球健康外，新冠肺炎大流行还对经济、社会、心理/心理、环境、文化和政治方面产生了许多不利影响。酶市场的增长取决于对酶最终用途的需求，例如清洁、生物燃料、食品/饮料、制药、动物饲料等。尽管工业酶市场在过去十年中的收入发生了重大变化，但由于冠状病毒疫情，它在2020年受到了巨大的不利影响。据报道，在2020年疫情年，酶的市场份额最高的是食品和饮料行业，以及家庭护理产品和清洁剂。过去两年，由于全球供应链中断，工业应用对酶的需求大幅下降。然而，该领域的大多数先锋公司都试图恢复生产强度，并加强其他相关产品（如消毒剂和洗手液）的生产。新冠肺炎大流行的影响是毁灭性的，在大流行期间，市场认为全世界都存在负面需求。全球酶市场从2020年的77亿美元大幅增长到2021年的89亿美元；这些值以14%的复合年增长率记录。一份比较2019年至2020年全球酶市场的报告显示，2020年酶市场规模下降了1%。该市场持续增长，预计2025年将达到132.5亿美元，年增长率为14%。因此，预计到2027年，消费率将继续大幅增长，达到177亿美元；然而，在即将到来的冠状病毒浪潮中，这一估计可能会再次受到干扰。蛋白质提取技术的不断发展以及蛋白质工程的新进展导致了某些具有增强特性的酶的熟练制造。许多工业部门对生物催化剂的需求正在稳步增长。酶相对于化学催化剂的几个优点使其成为几乎所有工业应用的有利替代品。酶固定化具有几个经济、生态和技术优势，包括操作稳定性和可重复使用性。酶固定化广泛应用于各种工业部门，如食品、制药、动物饲料、纺织、医疗和洗涤剂部门，以及生物修复/水修复。几种酶使用不同的策略（例如共价结合和包埋）固定在新型载体上，并用于各种大规模过程。开发新的固定策略仍有空间。全球酶市场的主要驱动力主要涉及洗涤剂、制药、纺织品、动物饲料、生物燃料和化妆品制造商对这些环保替代品的高需求。尽管工业酶市场在过去十年中实现了显著增长和收入，但由于冠状病毒疫情，它在2020年受到了不利影响。由于全球供应链的中断，过去两年对工业应用酶的需求大幅下降。在不久的将来，固定化形式的酶显然将得到更广泛的应用。
原文：Enzyme
Immobilization Technologies and Industrial ApplicationsDOI: http://pubs.acs.org/journal/acsodf
