Aperçu des méthodes d'immobilisation des enzymes

Dans l'article précédent, nous avons mentionné que les substances amères dans les agrumes sont principalement la naringine, qui peut être progressivement décomposée en glucose et naringénine par la naringinase, et finalement atteindre l'objectif de désamérisation. Dans le processus de production et d'utilisation actuel, les enzymes immobilisées, comparées aux enzymes libres, ont non seulement une efficacité catalytique plus élevée et une meilleure spécificité, mais elles améliorent également la résistance aux conditions difficiles et prolongent la durée de vie des enzymes ; en même temps, les enzymes immobilisées sont faciles à séparer du produit de la réaction, elles simplifient le processus de production et réduisent le coût. Voici donc une brève introduction aux méthodes d'immobilisation des enzymes courantes.

 

Une enzyme immobilisée est une enzyme fixée sur un support donné pour la rendre insoluble dans l'eau, tout en conservant ses propriétés catalytiques. Dès 1954, Glubhofer et Schleith ont utilisé la méthode du diazo pour modifier la résine de polystyrène afin d'immobiliser la pepsine et la carboxypeptidase pour préparer des enzymes immobilisées. Puis, en 1969, le scientifique japonais Chi Yanichiro a utilisé un acide aminé acylé immobilisé pour réaliser pour la première fois une production continue d'acide aminé L, ce qui a favorisé le développement rapide de la technologie d'immobilisation dans le domaine de l'ingénierie enzymatique. Lorsque les enzymes immobilisées sont apparues, il existait de nombreux noms différents, mais lors de la première conférence internationale sur le génie enzymatique en 1971, il a été formellement proposé d'utiliser "enzymes immobilisées" comme terme approprié. La réaction catalysée par l'enzyme se déroule dans des conditions douces, avec une efficacité catalytique élevée et une grande spécificité. En même temps, l'enzyme est facile à dégrader et respecte l'environnement. L'enzyme immobilisée conserve non seulement ces caractéristiques de l'enzyme, mais possède également de nombreuses propriétés que les enzymes libres ont du mal à posséder, telles que : ① facile à séparer du système de réaction ; ② recyclable ; ③ amélioration de la stabilité de l'enzyme dans des conditions difficiles ; ④ possibilité de réaliser une catalyse enzymatique en phase non aqueuse ; ⑤ possibilité de produire un système multi-enzyme avec une réaction continue. Comme les enzymes immobilisées peuvent avoir une valeur d'application importante dans les domaines de la médecine, de l'alimentation, de la protection de l'environnement, etc., elles ont attiré l'attention des chercheurs ces dernières années et ont de nombreuses applications dans l'industrie.

 

Les méthodes courantes d'immobilisation des enzymes comprennent principalement la méthode d'adsorption, la méthode d'encastrement, la méthode de réticulation et la méthode de couplage covalent. Les deux premières appartiennent à la méthode physique et les deux dernières à la méthode chimique. Le principe de ces méthodes d'immobilisation des enzymes est illustré à la figure 1.

 

Figure 1 Méthode d'immobilisation de l'enzyme

1 Méthode d'adsorption

La méthode d'adsorption est une méthode permettant de compléter l'immobilisation par l'adsorption en surface du support sur l'enzyme ou par l'interaction des charges positives et négatives entre le support et l'enzyme, y compris l'adsorption physique et l'adsorption d'ions.

• adsorption physique

La méthode d'adsorption physique consiste à fixer l'enzyme à la surface du support en utilisant l'effet d'adsorption du support sur l'enzyme. Cette méthode est simple à mettre en œuvre, ne nécessite pas de modification ni d'activation, et le centre actif de l'enzyme est bien préservé, mais la force de liaison est faible, et sa force est principalement la force intermoléculaire et la tension superficielle. Les adsorbants couramment utilisés pour l'immobilisation des enzymes comprennent le charbon actif, le graphène, la terre de diatomée et d'autres adsorbants non solubles dans l'eau ayant une forte capacité d'absorption de l'eau. Zhao et al. ont utilisé de l'oxyde de graphène réduit comme support pour co-immobiliser la glucose oxydase et la glucoamylase afin de préparer une enzyme composite immobilisée.

• adsorption d'ions

La méthode d'adsorption ionique est une méthode d'immobilisation de l'enzyme par l'interaction des charges positives et négatives entre le support et l'enzyme. Les conditions de préparation de cette méthode sont douces et l'activité de l'enzyme n'est pas facile à perdre, mais la force de liaison est également faible et facile à perdre. Mateo et al. ont préparé un nouveau type de résine échangeuse d'ions pour fixer respectivement la lipase, la β-galactosidase et l'aminoacide oxydase. Dans les conditions de pH 7,0 et 4 ℃, l'enzyme peut atteindre la saturation d'adsorption en quelques minutes, et le taux de récupération de l'activité enzymatique peut atteindre 100%, ce qui montre un bon effet d'immobilisation.

2 Méthode d'intégration

La méthode d'incorporation est une méthode dans laquelle l'enzyme est incorporée dans un matériau poreux, et comprend la méthode d'incorporation dans un gel et la méthode d'incorporation dans une membrane semi-perméable. La méthode d'inclusion dans un gel est une méthode de fixation dans laquelle l'enzyme est incorporée dans la structure interne du gel (figure 1B-a). Zhang Shuxiang et d'autres ont utilisé de l'alginate de sodium pour incorporer de la laccase fongique afin de traiter des eaux usées de fabrication de papier à faible concentration. Le taux de récupération maximal de l'activité enzymatique était de 48%, et l'activité enzymatique est restée de 64% après 8 essais. La méthode d'encastrement dans une membrane semi-perméable consiste à immobiliser les enzymes dans une membrane semi-perméable composée de polymères à haute teneur moléculaire (figure 1B-b). Cette méthode ne nécessite pas non plus de modification chimique et n'affecte pas l'activité de l'enzyme, mais il n'est pas facile de contrôler la taille de la membrane. Il est difficile de maintenir l'activité de l'enzyme tout en contrôlant la libre entrée et sortie des réactifs et des produits sans fuite de l'enzyme. C'est pourquoi cette méthode est généralement combinée à d'autres méthodes dans la pratique. Rilling P et al. ont utilisé un support pour immobiliser des molécules de protéines dans une microcapsule, ce qui a permis non seulement d'augmenter la stabilité de l'enzyme immobilisée, mais aussi d'améliorer ses propriétés.

3 Méthode de réticulation

La méthode de réticulation est une méthode dans laquelle les molécules d'enzymes sont réticulées les unes aux autres à l'aide de réactifs bifonctionnels ou multifonctionnels, et les molécules d'enzymes et les réactifs forment une liaison covalente et sont fixés. L'enzyme immobilisée préparée par cette méthode présente une bonne stabilité, mais certains groupes de l'enzyme tels que les groupes amino, sulfhydryle, imidazolyle, etc. peuvent participer à la réaction de réticulation. Si l'agent de réticulation et le groupe fonctionnel sélectionnés ne sont pas appropriés, la structure du centre actif de l'enzyme peut être détruite, ce qui entraîne une perte importante de l'activité de l'enzyme, c'est pourquoi cette méthode est généralement combinée à d'autres méthodes. Li Xiaojing et d'autres ont d'abord encapsulé la pepsine dans une solution d'alginate de sodium, puis l'ont ajoutée goutte à goutte à une solution contenant une certaine concentration de chitosane et de CaCl₂ pour obtenir des microsphères d'enzymes immobilisées, puis ajouter une certaine quantité de glutaraldéhyde pour la réticulation afin d'obtenir de la pepsine immobilisée. Cette méthode a permis d'obtenir une enzyme immobilisée présentant à la fois une bonne stabilité opérationnelle et une bonne stabilité thermique.

4 Méthode de couplage covalent

La méthode de couplage covalent (également connue sous le nom de méthode de liaison covalente) est une méthode d'immobilisation de l'enzyme par la formation d'une liaison covalente entre l'enzyme et le support (comme le montre la figure 2).

Figure 2 Enzyme immobilisée par la méthode de liaison covalente, A-résidu d'acide aminé actif ; B-groupe de liaison sur le support ; C-porteur.

Les méthodes de liaison covalente comprennent généralement trois types : (1) le support est modifié et activé, puis lié de manière covalente à la molécule d'enzyme ; (2) le support et la molécule d'enzyme sont liés de manière covalente par l'intermédiaire d'un agent de couplage ; (3) la molécule d'enzyme est modifiée après activation, puis combinée avec le support. Le premier type est le plus couramment utilisé. Après avoir activé le support pour relier certains groupes actifs tels que les groupes amino, époxy, etc., au résidu actif de la molécule d'enzyme (tel que l'amino, le carboxyle, l'hydroxyle, etc.), l'enzyme est immobilisée. Cette méthode est beaucoup plus fiable que la méthode d'adsorption. En même temps, comme le support est généralement plus grand, les résidus d'acides aminés impliqués dans la réaction sur l'enzyme sont généralement ceux qui sont exposés à la périphérie de l'enzyme, et l'effet sur le centre actif de l'enzyme est relativement faible. Il s'agit d'une excellente méthode d'immobilisation des enzymes. Yan Keliang et d'autres ont utilisé des nanoparticules magnétiques aminosilanisées pour immobiliser la pectinase. Le taux d'immobilisation et le taux de récupération de l'activité enzymatique étaient respectivement de 44,44% et de 40,86%, ce qui a permis d'obtenir un bon effet d'immobilisation. Le prochain article continuera à présenter en détail les différentes méthodes de préparation des microsphères magnétiques en biopolymère.

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Composé Glucoamylase	9032-08-0
Pullulanase	9075-68-7
Xylanase	37278-89-0
Cellulase	9012-54-8
Naringinase	9068-31-9
β-Amylase	9000-91-3
Glucose oxydase	9001-37-0
alpha-amylase	9000-90-2
Pectinase	9032-75-1
Peroxydase	9003-99-0
Lipase	9001-62-1
Catalase	9001-05-2
TANNASE	9025-71-2
Elastase	39445-21-1
Uréase	9002-13-5
DEXTRANASE	9025-70-1
L-Lactique déshydrogénase	9001-60-9
Déshydrogénase malate	9001-64-3
Cholestérol oxydase	9028-76-6