综述：微生物酶固定化与化学修饰研究进展及其应用

这篇综述全面探讨了微生物酶稳定化的两大主流策略——固定化（immobilization）和化学修饰（chemical modification），系统分析了吸附、共价结合、交联、包埋和封装五种固定化技术的优缺点，并重点介绍了纳米多孔金（NPG）、微波辅助等新兴固定化方法。文章强调通过载体选择和修饰策略可显著提升酶的耐温性、pH稳定性和重复利用性，在生物传感器（biosensors）、生物柴油（biodiesel）生产和癌症治疗等领域具有重要应用价值。

　　

背景

作为生物催化剂的酶（enzymes）因其高效性和环境友好特性，在医疗、食品、能源等领域应用广泛。然而天然酶易受极端pH、温度和有机溶剂影响而失活，如何通过稳定化技术提升其工业适用性成为研究热点。固定化和化学修饰因其成本效益和操作简便性，成为最具产业化潜力的解决方案。

固定化技术

固定化通过将酶锚定于载体限制其移动性，显著增强稳定性。五大经典方法各具特色：

吸附法 凭借氢键、疏水作用等弱相互作用实现快速固定，但易发生酶泄漏。椰壳纤维、介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）等环保载体因高比表面积和生物相容性备受青睐。

共价结合法 通过酶分子氨基/羧基与载体形成稳定共价键，虽成本较高但能完全避免酶泄漏。戊二醛（glutaraldehyde）作为交联剂可构建自组装单层（SAM），实现高密度固定。

交联法 利用双功能试剂直接连接酶分子形成三维网络，但可能破坏活性位点。常与其他方法联用提升机械强度。

包埋与封装 分别通过半透膜（如海藻酸盐）和网格结构（如卡拉胶）物理约束酶分子，适合多酶共固定化，但存在传质阻力问题。

新兴的纳米载体（如石墨烯、金属有机框架MOFs）和无载体固定化技术（CLEAs/CLECs）突破传统局限：

• 纳米多孔金（NPG）凭借可调孔径成为生物传感器理想电极材料，葡萄糖氧化酶（GOD）固定后灵敏度提升1.39倍
• 交联酶聚集体（CLEAs）直接交联粗酶，避免纯化步骤且耐受80°C高温
• 光固定化技术利用紫外光触发硝烯共价结合，20分钟内完成固定

化学修饰策略

通过多糖（如壳聚糖、琼脂）的乙酰化、硫酸化等修饰引入新功能基团，与酶偶联后可：

• 提升热稳定性（如木聚糖酶结合羧甲基化果胶后循环使用20次活性不衰减）
• 赋予抗癌/抗菌等附加功能（如硫酸化多糖-酶复合物激活免疫应答）

产业化应用

医疗领域

• 生物传感器：尿素酶（urease）电极检测血液尿素浓度，胆固醇氧化酶（ChOx）构建自供能检测系统
• 靶向治疗：纳米固定化L-天冬酰胺酶（L-asparaginase）通过电穿孔技术（EPT）激活前药，精准杀伤肿瘤细胞

能源环保

• 生物柴油：脂肪酶（lipase）固定于磁性纳米颗粒催化藻类油脂转化，产率提升30%
• 废水处理：漆酶（laccase）包埋降解2,4-二氯苯酚（2,4-DCP），8周后活性保留89%

食品工业

• 乳糖酶（lactase）海藻酸盐微球生产无乳糖牛奶
• 固定化葡萄糖异构酶（glucose isomerase）制备高果糖浆（42% fructose）

未来展望

载体设计趋向智能化响应材料（如pH/温度敏感型凝胶），而CRISPR-Cas9辅助的定点修饰将推动"设计酶"定制化发展。纳米酶（nanozymes）与生物酶的杂化系统有望突破天然酶稳定性极限，在生物制造和精准医疗领域开辟新赛道。