论文标题：Proteases: Importance, Immobilization Protocols, Potential of Activated Carbon as Support, and the Importance of Modifying Supports for Immobilization

论文链接：http://www.mdpi.com/2673-6284/13/2/13

期刊名：BioTech

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一、引言

蛋白酶（Proteases）是催化蛋白质肽键水解的一类重要酶，广泛应用于食品加工、洗涤剂、制药、皮革加工等多个工业领域。然而，蛋白酶在实际应用中面临成本高、稳定性差、难以回收等瓶颈问题。酶固定化技术通过将酶结合于不溶性载体上，可实现酶的重复使用、提高操作稳定性，并简化产物分离流程。在众多载体材料中，活性炭以其发达的孔隙结构、高比表面积、优异的机械强度和化学稳定性、丰富的表面官能团以及低廉的制备成本而备受关注。本文系统综述了近年来蛋白酶在活性炭上固定化的研究进展，重点讨论了物理吸附与共价结合两种主要方法，并总结了不同载体改性策略对固定化效率及酶活性的影响。

图1. 蛋白酶在活性炭上的固定化方法及活性炭表面改性策略总览

二、材料与方法

本文为一篇综述性研究，作者系统梳理了酶固定化领域的重要文献，重点聚焦于蛋白酶（包括胃蛋白酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶、无花果蛋白酶等）在活性炭及其改性载体上的固定化研究。文章首先介绍了蛋白酶的分类与结构特征，随后详细阐述了酶固定化的主要方法（物理吸附、交联、共价结合），并重点分析了活性炭作为载体的理化特性、表面改性策略（如戊二醛交联、京尼平修饰、金属离子修饰等）及其对固定化效果的提升作用。此外，文章还系统汇总了近年来活性炭固定化蛋白酶在水解酪蛋白、制备生物活性肽等方面的应用进展。

图2. 酶固定化的主要方法示意图

三、分析与结果

酶固定化技术自1916年首次报道以来已历经百余年发展，目前已形成物理吸附、共价结合、交联、包埋等多种成熟方法。蛋白酶固定化研究近年来持续增长，尤其在食品工业蛋白水解物的生产中备受关注。现有研究表明，活性炭作为载体具有以下突出优势：（1）可通过农业废弃物等廉价前驱体合成，经济环保；（2）表面富含含氧官能团，便于进一步功能化修饰；（3）孔隙结构发达，有利于酶分子的高负载量；（4）机械强度和化学稳定性优异，适合工业连续化操作。

在固定化方法方面，物理吸附操作简便、条件温和、对酶活性影响较小，但酶与载体间作用力较弱，易发生解吸脱落；相比之下，共价结合则通过化学键将酶牢固固定在载体表面，显著提高操作稳定性，但可能因活性中心被遮蔽或构象改变而导致部分活性损失。研究表明，通过载体表面功能化（如戊二醛活化引入醛基、京尼平交联、金属离子螯合等）可在保持较高固定化效率的同时，有效改善酶的催化活性和重复使用性能。

在活性炭改性策略方面，文章重点介绍了三种主要方法。首先是戊二醛修饰，该方法通过形成多点共价键显著提高酶的热稳定性和操作稳定性，但戊二醛本身具有一定毒性，且在水溶液中易发生自发聚合，导致活性醛基数量减少，影响后续与酶分子的结合效率。其次是京尼平修饰，这是一种天然来源的低毒交联剂，生物相容性好，被认为是戊二醛的理想替代方案。第三是金属离子修饰，通过金属亲和配位作用固定酶，同时金属离子还可作为辅因子增强酶活性。研究数据表明，经金属离子修饰的活性炭固定化胃蛋白酶活性可达游离酶的90%以上，且重复使用8次后仍保持较高活性。

图3. 活性炭表面可能进行的改性方式

四、讨论

基于文献综述，作者提出以下几点核心认识。首先，活性炭是蛋白酶固定化的理想载体，其独特的理化性质（高比表面积、丰富官能团、优异稳定性）与低廉成本使其在工业酶固定化领域具有广阔应用前景。其次，载体表面功能化是提升固定化效果的关键，通过戊二醛、京尼平、金属离子等改性手段，可在保持酶活的同时显著改善固定化酶的操作稳定性和重复使用性。第三，当前研究仍存在明显不足，活性炭固定化蛋白酶的研究报道相对较少，尤其缺乏系统的工业放大研究，不同蛋白酶与活性炭之间的适配机制尚需深入探索。最后，未来方向应聚焦于新型绿色改性试剂开发，以京尼平为代表的无毒交联剂以及更多绿色、可持续的表面修饰策略值得深入研究。

图4. 可在活性炭上固定的蛋白酶种类

五、展望与结论

本文系统综述了蛋白酶在活性炭上的固定化研究进展。研究指出，活性炭因其优异的理化特性和经济性，是蛋白酶固定化极具潜力的载体材料。通过表面功能化改性（戊二醛、京尼平、金属离子等）可显著提升固定化酶的负载量、活性和稳定性，为蛋白水解物的工业化生产提供了可行的技术路径。然而，目前该领域研究仍处于实验室阶段，未来应从以下几个方面深入推进：探索更多绿色、高效的新型载体改性方法；加强固定化蛋白酶在连续化反应体系中的工业应用验证；建立不同蛋白酶与活性炭之间的适配性评价体系；拓展活性炭固定化蛋白酶在其他高附加值肽类产品制备中的应用。随着绿色生物制造理念的推广和固定化技术的不断成熟，活性炭固定化蛋白酶有望在食品、制药及环境治理等领域发挥更大作用。

期刊介绍

主编：Prof. Dr. Massimo Negrini

期刊发表范围涵盖生物制药领域, 通过培育转基因植物、动物或水生生物来解决农业中食品的生产或质量问题，以及在医学领域中采用的新方法；在环境领域中的应用，旨在维护生物多样性并清除污染物；开发能够生产有用化学物质或销毁有害/污染化学物质的生物体或酶；生物信息学方法；以及与生物技术领域中的伦理、哲学和监管方面相关的论文。被ESCI、Scopus、PubMed、PMC等多个权威数据库收录。在JCR Biotechnology and Applied Microbiology 类别排名中位居Q2.

2025 Impact Factor：3.6

2025 CiteScore：5.6

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