最新海藻酸钙固定化葡萄糖淀粉酶的研究毕业设计论文Word格式.docx
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1.1葡萄糖淀粉酶的简介
1.1.1葡萄糖淀粉酶的性质
葡萄糖淀粉酶是由微生物分泌的一种具有外切酶活性的胞外酶，在工业中广泛应用，作用重要，在葡萄糖制造、酿醋、酿酒、有机酸、氨基酸等工业中应用广泛。
葡萄糖淀粉酶的底物专一性比较低，可以将淀粉百分之百水解，生成的产物为葡萄糖[1]。
葡萄糖糖淀粉酶随作用的温度升高其酶活力逐渐增大，当超过65℃时又随着温度的升高酶活力急剧下降，其最适最适作用pH在4.0-4.5左右[2]。
1.1.2葡萄糖淀粉酶与淀粉的反应
葡萄糖淀粉酶，又称糖化酶（EC.3.2.1.3.），它能从淀粉的非还原性未端将α-1，4葡萄糖苷键水解产生葡萄糖，也可以缓慢水解α-1，6葡萄糖苷键，生成葡萄糖。
同时也能水解糊精、糖原的非还原性末端释放出β-D-葡萄糖。
1.1.3葡萄糖淀粉酶与α-淀粉酶
葡萄糖淀粉酶是外切酶，依次从淀粉分子非还原端切割α-1，4葡萄糖苷键和α-1，6葡萄糖苷键，逐个切下葡萄糖残基，有一定的次序性，水解后产生的游离半缩醛羟基发生转位作用，释放出β-葡萄糖。
无论是作用于直链淀粉还是支链淀粉，葡萄糖淀粉酶水解的最终产物均为葡萄糖。
α-淀粉酶[3]既作用于直链淀粉，也作用于支链淀粉，它的特点是能够无差别地随机切断糖链内部的α-1，4葡萄糖苷键。
水解直链淀粉时最终产物以葡萄糖为主，此外还有少量麦芽三糖及麦芽糖；
水解支链淀粉时，除麦芽糖，葡萄糖，麦芽三糖外，还有一定量的α-极限糊精的生成[4]。
1.2酶固定化的方法
酶固定化方法很多，主要有吸附法、包埋法、交联法、结合法等[5]。
1.2.1吸附法
吸附法是利用离子键、物理吸附等方法，所选的载体材料一般为天然或合成的无机、有机高分子材料，例如纤维素、琼脂糖等一些多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等，把酶固定在一种或者多种载体材料上。
因为吸附对酶的损害不是很大，尽管酶失活了，也可以重新活化，载体可以再生。
吸附法的吸附过程具有双重功效，既可以达到纯化，同时也可以达到固定化的目的。
1.2.2包埋法
包埋法是将单体与制备好的酶溶液进行混合，再借助引发剂的作用发生聚合反应，将酶包埋在载体材料的网格中，达到固定化的目的。
该法的优点是：
酶分子或细胞本身没有参加格子的形成，工业生产中的大多数酶都可用这种方法来固定化，并且方法比较简便；
酶分子没有受到化学作用，仅仅是被包埋起来了。
所以活力较高。
此法的缺点是不适用于大分子底物，大分子底物无法进入网格与酶接触。
1.2.3交联法
交联法是借助多功能试剂使酶分子之间发生交联作用，通过制成的网状结构来将酶固定化的方法。
酶分子和有特殊功能的试剂之间形成一种稳定的共价键，酶分子之间能发生交联作用，并且还存在着一定的分子内的交联作用。
交联法制备的固定化酶结合较为牢固，适合长时间的使用，但是由于在交联过程中酶分子的多个基团被交联，使得酶活力损失很大。
1.2.4结合法
结合法是通过酶蛋白分子上的功能团以化学共价键的形式连接到固相支持物表面上的反应基团上，达到固定化目的的一种方法。
结合法的优点是酶分子与载体之间通过化学键连接牢固，发生酶的脱落的可能性较小，生成的酶稳定性良好，并且具有较好的重复使用性，缺点是酶与载体的反应条件比较剧烈，酶容易失活，且制备起来比较复杂。
1.3载体材料的介绍
1.3.1海藻酸钠的性质
海藻酸钠是一种高粘性的高分子化合物。
它与淀粉、纤维素等的不同之处，是它具有羧基，是β-D-甘露糖醛酸的醛基以苷键形成的高聚糖醛酸。
海藻酸钠亲水性强，在冷水中和温水中都能溶解，形成非常粘稠的均匀的溶液。
加入葡萄糖淀粉酶溶液之后，形成具有一定的柔软性和均一性的溶液。
1.3.2海藻酸钠与氯化钙的反应
海藻酸钠的分子链上含有大量的羟基和羧基，将含有葡萄糖淀粉酶的海藻酸钠溶液用注射器逐滴滴加到氯化钙溶液中时，氯化钙溶液充当交联剂的角色。
海藻酸钠溶液电解产生海藻酸阴离子，氯化钙产生二价钙离子，钙离子与海藻酸阴离子发生静电作用而吸引，从而团聚沉淀，生成海藻酸钙聚合物[6]。
生成的海藻酸钙小球是一种多孔网状的凝胶，由顾旭炯[7]等人的研究可知，葡萄糖淀粉酶分子比海藻酸钙小球上的孔径大，淀粉经糊化后的糊精的分子量比海藻酸钙小球上的孔径小，这样葡萄糖淀粉酶才能很好地固定在海藻酸钙小球内，达到固定化的目的，糊精也能由小孔进入到海藻酸钙小球内与葡萄糖淀粉酶形成酶-底物复合物，并发生反应，生成葡萄糖。
这种方法生成的固定化酶制备比较简便，条件也较温和，酶本身的活性损失少。
但是，在有多价阴离子的溶液中、高浓度电解质溶液中，海藻酸钙凝胶中的钙离子容易脱落，变得很不稳定，使得形成的凝珠变软，长时间甚至会发生溶解[8]。
1.4总体操作流程
糖化酶2%的淀粉溶液
↓↓
缓冲液溶解糊精
↓↓
海藻酸钠→溶解→混合→造粒→固定糖化酶颗粒→混合→催化反应→葡萄糖
图1-1总体操作流程
依次研究氯化钙的浓度、给酶量、形成时间对固定化酶的影响，得出固定化酶的性质，包括动力学参数和重复使用稳定性。
采用斐林试剂快速滴定、DNS法测还原糖含量两种方法测定酶活力。
斐林试剂快速滴定利用的是在碱性条件下，含有自由醛基的还原糖，能将二价铜离子还原成氧化亚铜的性质来进行滴定的。
DNS法测还原糖的原理是还原糖和碱性二硝基水杨酸试剂一起共热，会产生一种棕红色的氨基化合物，在一定的浓度范围内，棕红色物质颜色的深浅程度与还原糖的量成正比。
1.5研究目的和意义
酶在工业中使用广泛，但是游离酶对反应的环境非常敏感，易受到温度、pH、搅拌等作用的影响，酶蛋白容易变性，从而会降低甚至丧失活性。
同时，游离酶反应后难于与底物和产物分离，这样不仅会影响生成的产物的纯度，而且酶也很难重复使用，这在很大程度上使酶的应用受到限制[9]。
固定化技术的应用，使酶应用过程中存在的很多问题得到解决，为酶的工业应用开辟了新的前景。
本次研究的目的是为工业上淀粉一步水解为葡萄糖的生产提供一个可靠的技术支持。
选取的是工业上比较常用、价格相对低廉的海藻酸钠作为载体。
海藻酸钙固定化葡萄糖淀粉酶是通过将葡萄糖淀粉酶酶包埋于凝胶内使酶分子局限在一个有限的空间内的过程。
正如上面介绍的包埋法，葡萄糖淀粉酶的活性中心的氨基酸残基并没有与载体发生作用[10]。
固定化酶可以反复使用，酶与底物、产物分离比较容易。
与游离酶相比，固定化酶不仅保持了高效、专一及温和的酶催化反应特性，也克服了游离酶的不足之处，具有储存稳定性高、可多次重复使用、操作连续可控、分离回收容易、工艺简便等优点。
因为酶经过固定化后，催化活性会有一定程度的丧失，而且，通过包埋法得到的固定化酶容易泄露，包埋在载体内不牢固，并且在反应过程中存在空间位阻的限制，使催化活性不高[11]。
所以本次研究是为了确定其最佳固定化条件，检验固定化后的理化性质及稳定性，尽可能降低酶的活性的丧失。
使固定化酶能在工业中大规模的使用，为工业生产降低大量成本。
2海藻酸钙固定化葡萄糖淀粉酶的方法研究
固定化酶的方法多种多样，如侯红萍等人用壳聚糖一海藻酸钠共混凝胶包埋固定糖化酶[12]和采用介孔分子筛SBA-15固定糖化酶[13]，董昭等人采用海藻酸铝固定化糖化酶[14]，郭海学用纤维素载体固定化糖化酶[15]。
本文采用的是海藻酸钠包埋法固定化葡萄糖淀粉酶，在郭桥等人的α-淀粉酶和糖化酶的共固定[16]中就是采用的海藻酸钠包埋法，而本次只是单独固定葡萄糖淀粉酶，对其中制备时的三个影响因素，包括给酶量、氯化钙的浓度、形成时间，进行了优化。
2.1材料
2.1.1实验材料和试剂
表2-1实验材料与试剂
药品名
纯度
生产厂家
海藻酸钠
化学纯
西陇化工股份有限公司
无水氯化钙
分析纯
成都市科农化工试剂厂
糖化酶
活性≧10万/克
柠檬酸
天津市恒兴化学试剂制造有限公司
柠檬酸钠
天津市科密欧化学试剂开发中心
可溶性淀粉
天津市广成化学试剂有限公司
硫酸铜（CuSO4·
5H2O）
成都市联合化工试剂研究所
酒石酸钾钠
天津市科密欧化学试剂有限公司
氢氧化钠（片状）
次甲基蓝
葡萄糖
2.1.2仪器与设备
表2-2实验仪器与设备
仪器名称
型号
产地
电热恒温水浴锅
H·
S21-28
上海医疗器械五厂
恒温水浴锅
B-220
上海亚荣生化仪器厂
电热恒温干燥箱
PH030A型
上海一恒科学仪器有限公司
循环水式真空泵
SHZ-D（Ⅲ）
巩义市予华仪器有限责任公司
电冰箱
BCD-174
博西华家用电器有限公司
万分之一电子天平
AR2140
梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司
2.2测定方法
2.2.1斐林试剂的标定
称取120℃烘干至恒重的葡萄糖配置3mg/ml的葡萄糖溶液。
取斐林溶液A、B各5.0mL，置于250ml的锥形瓶中，加10mL水进行稀释，加热使其于5min内沸腾，在沸腾状态下用酸式滴定管滴入3mg/ml的葡萄糖溶液至蓝色即将消失时，加1～2滴次甲基蓝指示液，继续滴定至蓝色消失，记录所用葡萄糖溶液的体积。
表2-3斐林试剂的标定
编号
1
2
3
4
平均值（V1）
葡萄糖用量（ml）
18.60
17.92
18.20
17.85
18.14
2.2.2游离酶活力的测定
按参考文献[17]中糖化酶活力测定的方法，也就是用斐林试剂快速滴定法来测定生成的葡萄糖的含量。
将糖化酶反应的最适温度和pH下，每小时生成1mg葡萄糖所需的酶量定为一个活力单位，即1IU=1mg/h。
游离酶活力的测定：
向250mL锥形瓶中加入50mL浓度为2%淀粉溶液，65℃保温10min，然后加入10mL用柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液（pH4.6）配置的一定浓度的酶液，准确反应1h，再放入沸水中煮沸10min将酶灭活，同上述斐林试剂滴定法一样，用反应液滴定斐林试剂，滴定至蓝色消失时，记录所用溶液的体积V。
酶活力计算的公式：
其中：
X为酶活力（U）；
V1为标定斐林试剂时所用的葡萄糖的体积，为18.14mL；
C为标定斐林试剂时所用的葡萄糖的浓度，为3mg/ml；
V总为酶作用的淀粉和缓冲液的总体积，为60mL；
V为反应1h后的反应液滴定斐林试剂所用的体积；
n为反应液稀释的倍数，当滴定量在15mL以下时应该适当稀释。
2.2.3固定化酶活力的测定
按参考文献[17],同游离酶活力的测定方法，向250mL的锥形瓶中加入50mL浓度为2%淀粉溶液和10mL柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液（pH4.6），65℃保温10min，然后加入一定量的固定化酶，准确反应1h，再放入沸水中煮沸10min将酶灭活，同上述斐林试剂滴定法一样，用反应液滴定斐林试剂，滴定至蓝色消失时，记录所用溶液的体积V。
所计算的公式同上。
2.3试验方法
2.3.1固定化酶的制备
（1）酶液的制备
糖化酶的最适pH在4.0-4.5之间[18]，故采用pH为4.6的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液配置不同浓度的酶溶液。
（2）固定化酶的制备
分别制取1%，2%，3%，4%的海藻酸钠溶液，制作时发现随着浓度的增大，粘稠度越大,4%时过稠，用注射器滴小球时，形成的小球不是特别规则。
由张浩等人的微胶囊法固定化糖化酶的研究[19]可知,当海藻酸钠浓度为2%时，制得固定化酶活力最高。
这是因为海藻酸钠浓度过低时，所形成的海藻酸钙凝珠不够致密，糖化酶不能很好地包埋在里面，其包埋率较低，随着海藻酸钠浓度的增加，海藻酸钙凝珠的机械强度增加，表面更加致密，其中的糖化酶很少泄漏，反应时底物扩散到小球内部也比较困难。
借鉴顾旭炯[20]等人制备固定化酶的方法，称取1g海藻酸钠加入到50mL的水中，放入到65℃的水浴中搅拌溶解，加入5mL一定浓度pH为4.6的酶溶液,待充分搅拌均匀后，用25mL的注射器[21]吸取10mL距离氯化钙溶液液面约10cm处滴入至一定浓度的CaCl2溶液中，形成直径为3-4mm的海藻酸钙凝胶珠[22]，制备过程中还要严格控制滴加的速度[23]，掌握滴加的力度，使溶液均匀滴出，每一份的制备必须在5min内完成。
制备完成之后，于4℃冰箱中静置一段时间，取出后滤干并用蒸馏水冲洗数次。
在使用之前，将制得的固定化酶放在40℃的干燥箱中干燥10min至表面的水分蒸干，测定其酶活力。
2.3.2海藻酸钙包埋法固定化葡萄糖淀粉酶的研究
按下表2-4进行固定化酶条件的优化
表2-4海藻酸钙包埋法固定化葡萄糖淀粉酶的实验方案
5
6
7
8
给酶量（mg）
10
15
20
25
30
-
CaCl2浓度
（%m/v）
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
形成时间（h）
—
（1）给酶量的确定
用pH为4.6的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液配置浓度分别为5mg/ml、10mg/ml、15mg/ml、20mg/ml、25mg/ml、30mg/ml的酶液。
取6份2%的海藻酸钠溶液，分别加入5mL上述浓度的酶液，65℃下混合均匀后，滴入到2%的CaCl2溶液中，于4℃下静置2h。
清洗干燥10min后测定酶活力。
（2）CaCl2浓度的确定
配置八份50mL浓度分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0%（m/v）的氯化钙溶液。
称取一份150mL浓度为2%的海藻酸钠溶液，加入15mL10mg/ml酶溶液，65℃下混合均匀后，分别滴入10mL于不同浓度的氯化钙溶液中，于4℃下静置2h。
清洗干燥10min后，分别测定酶活力。
（3）形成时间的确定
称取一份100mL浓度为2%的海藻酸钠溶液，加入10mL10mg/ml酶溶液，65℃下混合均匀后，滴入到2%的CaCl2溶液中，于4℃下分别静置0.5、1、2、3、4、5h后取出，清洗干燥10min后，分别测定酶活力。
2.3.3正交试验
在单因素试验的基础上选取各因素的最适条件，对海藻酸钙包埋法固定化葡萄糖淀粉酶做正交试验[24]，确定此法固定酶的最佳工艺，并对最佳组合进行试验来验证。
2.4结果与讨论
2.4.1固定化酶
图2-1制备的固定化酶
如上图所示，制备出来的固定化酶凝珠直径约为3-4mm，表面比较光滑，只是有少部分酶带有小小的尾部，球形不是很规则，刚刚滴进氯化钙溶液的凝珠呈透明状，形成一定时间抽滤出来后，呈白色半透明状，当所含的酶越多时，可以看出凝珠带有酶的浅棕色，形成的凝珠有一定的弹性，也有一定的硬度。
2.4.2给酶量的确定
表2-5不将上述六份含有不同酶量的海藻酸钙凝珠置于六份50mL浓度为2%的淀粉溶液中，并加入10mLpH为4.6的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液中，65℃下反应1h后，立即取出后放入沸水中煮沸10min，摇匀后用移液管取出所有液体，装入50mL的酸式滴定管中，另取取斐林溶液A、B各5.0mL，置于250mL锥形瓶中，加10mL水稀释，加热使其于5min内沸腾，在沸腾状态下用滴定管滴入上述溶液至蓝色即将消失时，加入1～2滴次甲基蓝指示液，继续滴定至瓶内蓝色消失，记录所用反应溶液的体积，并计算酶活力。
当滴定体积在15mL以下时，将反应液稀释2倍，滴定体积记为V2。
同给酶量对固定化糖化酶酶活力的影响
滴定体积（ml）
36.23
16.30
V2（ml）
26.15
21.03
21.81
21.58
酶活力（U）
90.12
200.32
249.73
310.53
299.42
302.61
如图2-2所示，随着给酶量的增大，酶活力逐渐增大，当给酶量由5mg增加到10mg时，酶活力增加了约2.2倍；
当给酶量由10mg增加到20mg时，酶活力的增加幅度明显减小，仅增加了1.55倍；
但是当给酶量达到20mg时，酶活力变化幅度几乎不变。
这是由于每个海藻酸钙凝珠的体积是一定的，其中所含的酶结合位点也是一定的，当给酶量达到近20mg时，载体的结合位点几乎已经被糖化酶饱和，尽管继续增加给酶量，所能被包埋的酶量已经达到饱和状态，所以固定化酶活力不会持续增大。
2.4.3CaCl2浓度的确定
酶活力的测定方法同上，数据如表2-6所示。
表2-6不同CaCl2浓度对固定化糖化酶酶活力的影响
CaCl2浓度（%m/v）
16.52
15.91
12.30
11.50
11.92
12.34
14.00
14.95
33.24
32.02
25.04
23.41
24.05
25.60
27.63
26.82
196.46
203.95
260.80
278.96
271.53
255.09
236.35
243.49
通过观察制备出来的八组海藻酸钙凝珠发现，当氯化钙浓度为0.5%时，滴出的小球不能立即成形，在4℃下形成2h后，可以看出第一组的凝珠的体积明显比后面几组的大，硬度也不及后面的凝珠，经过1h的反应过后，凝珠的体积又胀大一点，而且有些凝珠已经破碎。
故反应中酶从破碎的凝珠中泄露出来，使结果中比1%固定的酶的活力大一些。
但是工业生产中存在机械搅拌，酶也不利于回收利用。
由图2-3可以看出，随着氯化钙浓度的增加，固定化酶活力逐渐增加；
当氯化钙浓度为2%时，制得的固定化酶活力最高；
当氯化钙浓度继续增加时，固定化酶活力反而下降。
由文献[19]可知，当使用的氯化钙浓度过高时，氯化钙溶液中的钙离子通过三个水分子达到与糖化酶络合的目的，使固定化酶与底物作用的活性部位被封闭，从而是固定化酶的活力降低了；
另一方面，太高的氯化钙浓度，会使得形成的凝珠较硬，海藻酸钙网孔过小[25]，阻碍了底物与酶的反应。
而氯化钙浓度过低时，形成的网孔比较大，每次用蒸馏水冲洗后，流失了一定的酶，导致酶活力较低。
2.4.4形成时间的确定
表2-7不同形成时间对固定化糖化酶酶活力的影响
12.25
25.84
22.50
21.21
24.68
25.25
25.03
260.90
126.36
145.12
153.95
132.30
129.31
由图2-4可知，当形成时间为0.5h时，酶活力最大，为260.90U；
当形成时间从1h变到5h时，酶活力呈现先增加后减小的趋势，在形成时间为3h时达到最大酶活力，为153.95U。
形成时间很短的时候，酶活力最大，可能由于海藻酸钠和氯化钙中的钙离子反应生成致密的海藻酸钙凝胶，将酶包埋在内，是一个过程，需要一定的时间来完成，如果时间过短，酶没有很好地包埋，所形成的网状结构的孔隙也比较大，在反应的过程中，酶容易从载体中泄漏出来；
但是如果时间过长，形成的网状结构会更致密，使得底物进入海藻酸钙凝珠内与糖化酶反应受到阻碍，所以体现出酶活力的
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