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24TheUseofImmobilizedEnzymestoImproveFunctionality
24
Theuseofimmobilizedenzymesto
improvefunctionality
H.E.Swaisgood,NorthCarolinaStateUniversity,USA
24.1
Introduction
Thetechniqueofimmobilizationofenzymesbyattachmenttoasolidsurface
hasbeenthesubjectofextensiveresearchfornearlyhalfacentury.Thetopic
hasbeenreviewedbymanyauthors;asamplingofreviewsinclude(Mosbach,
1976,1987a,b;Chibata,1978;Pitcher,1980;Swaisgood,1985,1991,2003;
SwaisgoodandHorton,1989;Cheetham,1987;Kennedy,1987).Themany
methodsofattachmentorimmobilizationthathavebeendevelopedcanbe
categorizedas
酶的固定化技术,固体表面的附件.已受到广泛的研究近半个世纪。
这个话题
综述了由许多作者;一个抽样的评论包括(Mosbach,1976年,1987a,b,Chibata,1978;1980;Swaisgood投手,1985、1991、2003;
Swaisgood和霍顿,1989;齐特翰,1987;肯尼迪,1987)。
许多的附件或固定化方法已开发的可以
归类为
1
2
3
4
5
covalentbonding
adsorptivebinding,e.g.,ionicorhydrophobicattraction
entrapmentinapolymericmatrixorwithasize-exclusionmembrane
covalentcrosslinkingwithitselforothermacromoleculesorwithinthe
crystalform
bioselectiveadsorption.
共价键
吸附绑定,如。
、离子或疏水引力
截留在聚合物基体或凝胶排阻层膜
共价交联与自身或其他大分子或内部
晶体形式
bioselective吸附
Thetypesofsolidsupportsthathavebeenusedareasnumerousasthemethods
ofimmobilization.Thechoiceofsupportmustconsideritssurfacearea,its
porosity,itsstability,itscompatibilitywiththesubstrateandtheenzyme,its
resistancetomicrobialdegradation,itsregenerativecapacity,itsfluidflow
characteristicsand,ofcourse,itscost.
Useofimmobilizedformsofenzymesoffersmanyadvantagesoverthe
solubleenzyme.Amuchgreaterproductivityperunitofenzymeisachieved
becausethesameenzymeisusedoveranextendedperiodoftimesoamuch
largeramountofproductisproducedfromthesameamountofenzyme.
Immobilizationalsoallowstheextentofreactiontobepreciselycontrolled
这个类型的固体支持使用方法一样多固定的。
支持的选择必须考虑它的表面面积,其孔隙度、稳定性、兼容性与衬底和酶,它的抗微生物降解,其再生能力,其流体流动特点,当然,它的成本。
利用固定化酶的形式提供了许多优势溶酶。
一个更大的生产力是实现单位酶因为相同的酶是用在一段时间所以更大数量的产品是由相同数量的酶。
固定化也允许的程度,反应得到精确控制
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Proteinsinfoodprocessing
蛋白质在食品加工
withoutthenecessityofadownstreaminactivationprocess.Thisfeaturewould
beextremelyimportantforprocessesmodifyingproteinfunctionalityorflavor
development.Acorollaryofthisfeatureisthattheproductdoesnotcontainthe
enzyme,whichmaybeofsignificanceastheuseofrecombinantenzymes
increases.Furthermore,mostenzymepreparationscontainsmallamountsof
otheractivitiesthatovertimewillproduceundesirablecharacteristicsinthe
foodproduct.Anotherindustrialadvantageistheabilitytodevelopan
automatedcontinuousprocess.Consequently,materialshandlingandassociated
laborcostsaregreatlyreduced.Finally,itshouldbenotedthatbecauseofsome
ofthefeaturesmentioneditmaybepossibletoproduceuniqueproducts,
productionofhigh-fructosecornsyrupbeingthebestcommercialexample,
currently.Futureuseofimmobilizedenzymesmayallowproductionofproteins
withuniquefunctionalityorproductswithuniqueflavorcharacteristics.而不需要一个下游的失活过程。
这个特性将
是非常重要的对于流程修改蛋白质功能或风味
发展。
一个必然的结果是,这个功能的产品不包含
酶,可能的意义使用重组酶
增加。
此外,大多数酶制剂含有少量的
其他活动,随着时间的推移将会产生不良的特点
食品产品。
另一个工业优势是能够开发一个
自动的连续过程。
因此,材料处理和关联
劳动成本大大降低。
最后,应该指出的是,由于一些
提到的特性可以产生独特的产品,
高果糖玉米糖浆的生产是最好的商业例子,
目前。
未来使用固定化酶可能允许
Theeconomicsofanimmobilizedenzymeprocessaredeterminedbya
numberoffactors(Pitcher,1980;Swaisgood,1985,1991,2003;Daniels,1987).
SomeimportantfactorsaresummarizedinTable24.1.Aswithsolubleenzyme
processes,thespecificactivityofthepreparationdeterminestheamountof
enzymethatmustbeusedandthusthesizeofthebioreactor.However,thecost
ofpurificationusuallyincreasesexponentiallytoachievethehigherrangesof
puritysothesetwofactorsmustbeweighedagainsteachother.Thesurfacearea
经济学的一个固定化酶过程是由一个
许多因素(投手,1980;Swaisgood,1985,1991,2003,1987,丹尼尔斯)。
一些重要的因素归纳如表24.1。
与溶酶
流程,具体活动的准备决定数量的
酶,因此,必须使用生物反应器的大小。
然而,成本
通常呈指数增长的净化达到较高的范围内
纯洁所以这两个因素必须权衡每个其他。
面积
Table24.1
Somefactorsassociatedwiththecostofanimmobilizedenzymeprocess
一些相关因素的成本固定化酶过程
Enzymepreparation
·Costsforachievementofdesiredspecificactivity成本的预期特定活动的成就
·Costsforremovalofundesirablecontaminatingactivities去除不良的污染成本活动
Immobilization
·Costsofthesupportmaterial成本的支撑材料
·Costsassociatedwithanddeterminedbythecharacteristicsoftheimmobilizationprocess相关费用和由的特征固定化过程
·TheamountofenzymeloadingthatcanbeachievedOperationalstability酶加载的数量可以达到运行稳定
·Theinnatestabilityoftheenzymeundertheenvironmentalconditionsoftheprocess
固有的稳定的酶在环境条件的过程
·Thekineticsofenzymeleachingfromthesupportundertheprocess
conditions酶浸出动力学过程的支持下条件
·TheresistanceofthesupportmaterialtoattritionRegenerativecapabilityofthesupport支架材料的电阻来消耗再生能力的支持
·Numberoftimestheactivitycanberegeneratedonthesupportbyremovalofinactiveenzymeandadditionoffreshenzyme活动的次数可以再生的支持通过删除不活跃的酶和添加新鲜的酶
·NumberofstepsanddifficultyofeachstepoftheprocedureUpstreamprocessingrequirements数量的步骤和困难的每一步过程的处理需求,上游
·Thenumberandcomplexityofthesteps的数量和复杂性的步骤
·ThecostsofthematerialsaddedSanitationrequirements材料的成本添加卫生要求
·Frequencyoftherequiredcleaning频率所需的清洁
·Numberandcomplexityofthecleaningsteps数量和复杂性的清洗步骤
·Costsofthecleaningmaterials
成本的清洁材料
Theuseofimmobilizedenzymestoimprovefunctionality
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perunitvolumeofsupportwillalsoaffectthespecificactivityofthebiocatalyst
becausethisparameterdeterminestheamountofenzymethatcanbe
immobilizedperunitvolume.Enzymeactivityisalsoaffectedbythemethod
ofimmobilization.Becausethiseffectcanbepeculiartoaparticularenzyme,
themethodchosenshouldbematchedtotheenzymeused.Forexample,some
covalentattachmentmethodsoradsorptionmethodsmayreactwithorhinder
accesstotheactivesiteofcertainenzymes.单位体积内的支持也将影响特定活动的生物催化剂因为这个参数决定了数量的酶,可以固定化单位体积。
酶活性也影响的方法固定的。
因为这个效果可以限于一个特定的酶,方法的选择应该使用匹配的酶。
例如,一些共价附着方式或吸附的方法可能反应或阻碍访问某些酶活性部位
Operationalstabilityisaveryimportantparameterfortheeconomicviability
ofanimmobilizedenzymeprocess.Thisparameterdetermineshowlonga
bioreactorcanbeusedandthustheamountofproductproducedperunitof
enzyme.Themaincomponentsofthisparameterarethestabilityoftheenzyme
itself,resistanceofthesupporttoattrition,andtheresistanceoftheenzymeto
leachingfromthesupport.Theremaybeachoiceamongenzymeswiththe
desiredactivitysothattheenzymewiththegreateststabilityunderthe
operationalconditionscanbeselected.Also,thisarearepresentsopportunityfor
geneticengineeringoftheenzyme.Tominimizeattrition,asupportshouldbe
selectedforitsphysicalstabilityundertheconditionsofthedesiredprocess.操作的稳定性是一个非常重要的参数的经济可行性固定化酶的过程。
这个参数决定了多长时间可以使用生物反应器,因此大量的产品生产的单位酶。
主要的组件的参数是稳定的酶本身,电阻的支持和阻力的摩擦,该酶浸出从支持。
可能会有一个选择在酶的所需的活动,这种酶最稳定在操作条件可以选择另外,这个区域代表机会基因工程的酶。
减少摩擦,应该支持选择其物理稳定性条件下所需的过程
Finally,themethodofimmobilizationshouldbechosenwiththeprocessin
mind.Forexample,covalentimmobilizationshouldallowtheleastleaching;
however,regenerationofthebiocatalystactivityisnotpossible.Adsorptionof
theenzymeonanionexchangesupportwouldpermiteasyregenerationofthe
biocatalyst;however,thepHandionicstrengthoftheproductstreamwould
affectthestrengthoftheenzymebinding.最后,固定化的方法应选择的过程
介意。
例如,共价固定化应该允许至少浸出;然而,再生的生物催化剂的活动是不可能的。
吸附的这种酶在离子交换支持将允许容易再生的生物催化剂;然而,pH、离子强度的产品流将
影响强度的酶绑定
Thecapabilityofbioreactorregenerationbyremovalofinactiveenzymeand
immobilizationofafreshenzymepreparationwouldbeadefiniteadvantage
especiallyifthesupportisrelativelyexpensive.Mostadsorptiveimmobilization
methodswouldpermitregeneration;thusthedecidingfactorwouldbethe
complexityandcostoftheprocess.Otherfactorsaffectingthecostofan
immobilizedenzymeprocessincludethatofanyupstreamprocessing
requirementsandbioreactorsanitation.Forexample,itmaybenecessaryto
removeenzymeinhibitorsfromtheprocessstreamortoaddanenzymecofactor
thatisnottightlybound.生物反应器再生的能力,去除不活跃的酶和
固定一个新鲜的酶制剂将是一个明确的优势特别是如果支持是相对昂贵的。
大多数吸附固定化方法将允许再生,因此决定因素将是过程的复杂性和成本。
其他因素影响的成本固定化酶过程包括任何上游加工需求和生物反应器卫生。
例如,它可能是必要的去除酶抑制剂从流程流或添加一个酶辅助因子这不是紧密地绑定
Allofthesefactorscanbesummarizedinoneparameter,namely,thecostper
unitofproduct.Thisparameterisgreatlydependentononebioreactor
characteristic,namely,theproductivity,thatistheamountofproductperunit
ofbiocatalystperhalf-life.Theviabilityoftheprocesswilldependonthe
balanceofthiscostagainstthevalueaddedtotheproductasviewedbythe
consumer.
所有这些因素可以归纳为一个参数,即成本每单位的产品。
这个参数是极大地依赖于一个生物反应器特点,即生产力,这是产品的数量单位生物催化剂的每半衰期。
可行性的过程取决于这个成本的平衡和值添加到产品观察到的消费者
24.2
Modificationofcarbohydrates
改性的碳水化合物
24.2.1Productionofhigh-fructosecornsyrup高果糖玉米糖浆的生产
Theproductionofhigh-fructosecornsyruprepresentsthemajoruseofan
immobilizedenzymeintheworld.IntheUnitedStatesfortheyear2002,atotal
Theuseofimmobilizedenzymestoimprovefunctionality
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24.2.2Lactosehydrolysis乳糖水解
CorningGlassCo.wasthefirsttodevelopacommercialimmobilized-
galactosidase(-D-galactosidegalactohydrolaseEC3.2.1.23)usingaprocessof
covalentattachmenttoporoussilica(MessingandWeethall,1970).This
technologywasusedforseveralyearsbyNutrisearchtohydrolyzelactosein
wheythatwasthenusedtoproducebaker'syeast.However,thisventurewasnot
successful,apparentlyduetoproblemswithmicrobialcontaminationandcost.康宁玻璃公司是第一个开发一个商业固定化-半乳糖苷酶(d半乳糖苷galactohydrolaseEC32123)使用的一个过程共价连接多孔硅(杂乱和Weethall,1970)。
这技术使用数年,Nutrisearch水解乳糖在
乳清,被用来生产面包酵母。
然而,这种风险不是
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