Las microesferas de biopolímero magnético son un nuevo material compuesto que combina materiales biológicos y materiales magnéticos inorgánicos para formar microesferas magnéticamente sensibles y biológicamente activas. Sus propiedades dependen de los materiales magnéticos inorgánicos, los materiales biológicos y su método de interacción. En la actualidad, el material magnético más utilizado y estudiado son las nanopartículas magnéticas Fe₃O₄. Debido a su gran superficie específica, buena biocompatibilidad y alta respuesta magnética, puede lograr una separación rápida y un movimiento específico, por lo que puede usarse ampliamente en alimentos y atención médica, protección ambiental y otros campos. Los materiales biopolímeros incluyen principalmente quitosano, alginato de sodio, gelatina, etc. Entre ellos, el quitosano es el material biológico más estudiado debido a sus propias características de buena biocompatibilidad, recursos renovables y biodegradabilidad. Un nuevo tipo de material compuesto compuesto por quitosano y material magnético tiene excelentes propiedades, por lo que tiene amplias perspectivas de aplicación en diversos campos.

Respuesta rápida: Una decisión práctica sobre enzimas o ingredientes alimentarios comienza con el objetivo del proceso, luego verifica la actividad, la ventana de aplicación, el impacto sensorial y la consistencia entre lotes antes de ampliarlo.

1. Estructura y propiedades de microesferas de biopolímero magnético

La estructura de las microesferas de biopolímero magnético incluye tres tipos: (1) estructura núcleo-cubierta; (2) estructura híbrida; (3) estructura tipo sándwich multicapa, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1 La estructura de las microesferas de biopolímero magnético

Las microesferas de biopolímero magnético tienen muchas propiedades excepcionales, lo que las hace más adecuadas para la inmovilización de enzimas. Como (1) efecto de área de superficie. Generalmente, cuando el tamaño de partícula de las microesferas de biopolímero magnético alcanza el nivel de micras o incluso nanómetros, con el aumento del área de superficie específica, la densidad de grupo y el rendimiento de adsorción selectiva de las microesferas también aumentan, y la estabilidad de las microesferas aumenta significativamente. (2) Efecto magnético.Cuando el diámetro del cristal Fe₃O₄ es inferior a 30 nm, tiene superparamagnetismo, es decir, el magnetismo es muy grande bajo la condición de un campo magnético externo. Cuando se elimina el campo magnético externo, su magnetismo desaparece rápidamente, de modo que la microesfera tiene orientación magnética bajo la condición de campo magnético externo y puede separarse rápidamente de materiales no magnéticos y no queda magnetizada permanentemente en un campo magnético, por lo que no afecta el uso posterior. (3) Biocompatibilidad. En la naturaleza, los materiales biológicos como las proteínas y los polisacáridos tienen biocompatibilidad, lo que les hace tener importantes aplicaciones en ingeniería biomédica. (4) Características básicas funcionales. Los materiales biológicos como el quitosano y el alginato de sodio tienen abundantes grupos activos (-OH, -COOH, -NH2), que pueden combinarse covalentemente con sustancias biológicamente activas o modificarse con determinados grupos químicos.

2. Preparación de microesferas de biopolímero magnético

La preparación de microesferas de biopolímero magnético se divide en dos pasos. El primer paso es la preparación de nanopartículas magnéticas. Los métodos utilizados actualmente para preparar nanopartículas magnéticas Fe₃O₄ incluyen principalmente coprecipitación química, descomposición térmica de sales de hierro, microemulsión y métodos hidrotermales. Entre ellos, el método de coprecipitación química es simple y conveniente de operar, y es el método de preparación más utilizado. El principio del método de coprecipitación química para sintetizar Fe₃O₄ es sintetizar óxido de hierro calentando y agitando una solución salina mixta de una cierta proporción de Fe²⁺ y Fe³⁺ (1:2) en condiciones anaeróbicas y añadiendo rápidamente lejía (amoniaco o NaOH). Xu et al. utilizó el método de coprecipitación química para agregar 4,34 mmol FeCl_2鑘4H2O y 8,67 mmol FeCl₃·6H₂O, respectivamente, y calentar el sistema a 85 ℃ bajo nitrógeno. Después de que se haya disuelto por completo, agregue rápidamente 25 ml de amoníaco concentrado y agregue una cierta cantidad de citrato de sodio, luego las nanopartículas magnéticas Fe₃O₄ se sintetizan con buena monodispersidad y capacidad de respuesta magnética.

Después de la preparación de nanopartículas magnéticas, es necesario entrecruzarlas con quitosano para preparar microesferas de quitosano magnéticas. En la actualidad, los métodos de síntesis de microesferas magnéticas de quitosano incluyen principalmente el método de reticulación en emulsión, el método de secado por aspersión, el método fotoquímico y el método in situ. Entre ellos, el método de reticulación en emulsión es el más sencillo y el más utilizado. El método de reticulación de la emulsión consiste en dispersar uniformemente Fe₃O₄ o fluido magnético en un líquido mixto que contiene quitosano, tensioactivo y fase oleosa para formar un sistema de microemulsión de agua en aceite, y luego agregar glutaraldehído, en el sistema el glutaraldehído y el quitosano tendrán una Se produce una reacción de entrecruzamiento para generar una base de Schiff, y el quitosano se entrecruzará formando una red y luego recubrirá Fe₃O₄ en ella (como se muestra en la Figura 2). Jiang et al. utilizó el método de reticulación en emulsión, utilizando Span 80, parafina líquida y glutaraldehído como tensioactivo, dispersante y agente de reticulación, respectivamente, para sintetizar microesferas magnéticas de quitosano con formas esféricas regulares y superficies lisas.

Figura 2 Diagrama esquemático de la síntesis de microesferas magnéticas de quitosano mediante el método de reticulación en emulsión

3. Enzima inmovilizada en microesferas compuestas magnéticas

Después de que las microesferas magnéticas de quitosano se hayan preparado con éxito, la enzima se puede inmovilizar en las microesferas para su uso. Dado que el quitosano es rico en grupos amino activos y grupos hidroxilo, puede reaccionar con grupos carboxilo, grupos amino, grupos epoxi, grupos bifuncionales, etc. Las microesferas magnéticas de quitosano están modificadas en grupo para satisfacer las necesidades de diferentes inmovilizaciones. Los métodos de preparación de enzimas inmovilizadas específicas se presentan a continuación por grupos funcionales.

1) Enzima inmovilizada en microesferas compuestas magnéticas modificadas con carboxilo

Las microesferas compuestas magnéticas modificadas con carboxilo se pueden unir covalentemente al grupo amino de la enzima después de activarse mediante el acoplamiento de carbodiimida en una solución acuosa, inmovilizando así la molécula de enzima en las microesferas compuestas magnéticas (Figura 3). Zhu Yihua y otros utilizaron un método mejorado de polimerización en suspensión para copolimerizar el fluido magnético tratado con estireno y el monómero acrilato de metilo a través del monómero reticulante divinilbenceno, y luego usaron hidrólisis alcalina para obtener un compuesto magnético con buena monodispersidad y ricos grupos carboxilo. Las microesferas se utilizan para inmovilizar la lactasa después de ser activadas mediante acoplamiento de carbodiimida. La actividad más alta es de aproximadamente 360 U·g^-1, y la eficiencia de reticulación de la enzima es de aproximadamente el 20%.

Figura 3 Diagrama esquemático de la preparación de enzima inmovilizada en microesferas compuestas magnéticas modificadas con carboxilo

2) Microesferas compuestas magnéticas amino modificadas enzima inmovilizada

Después de que las microesferas compuestas magnéticas modificadas con amino se acoplan con una cantidad adecuada de glutaraldehído y se activan, pueden unirse covalentemente al grupo amino de la enzima, inmovilizando así las moléculas de la enzima en las microesferas magnéticas (Figura 4). Liu Yu et al. Se prepararon sucesivamente partículas magnéticas monodispersas de SiO₂ mediante el método de coprecipitación química y el método sol-gel, se modificaron con grupos amino mediante un agente de acoplamiento de silano y se inmovilizó lacasa con glutaraldehído como agente de reticulación. Los resultados mostraron que la lacasa inmovilizada se mantuvo a una temperatura constante de 60 ℃ durante 4 horas, y todavía tenía un 60,9 % de actividad enzimática, y después de 10 ciclos de uso, todavía tenía más del 55 % de actividad enzimática, y su estabilidad térmica y operativa mejoraron claramente.

Figura 4 Diagrama esquemático de la preparación de enzima inmovilizada en microesferas compuestas magnéticas modificadas con amino

3) Microesferas compuestas magnéticas modificadas con epoxi enzima inmovilizada

El grupo

Epoxy es un grupo extremadamente activo. Puede unirse directamente de forma covalente a grupos biológicos sin modificaciones.Por lo tanto, después de que las microesferas compuestas magnéticas modificadas con epoxi se unen covalentemente al grupo amino de la enzima para unirse a la enzima, las moléculas se inmovilizan en las microesferas magnéticas (Figura 5). Yong et al. Se prepararon microesferas magnéticas recubiertas de ácido oleico mediante polimerización en suspensión. Las microesferas magnéticas hidrófilas basadas en epoxi obtenidas después de la activación con metanol se usaron para la inmovilización de la lipasa. La tasa de retención de la actividad enzimática inmovilizada es del 64,2% y su estabilidad mejora significativamente.

Figura 5 Diagrama esquemático de preparación de enzima inmovilizada en microesferas compuestas magnéticas a base de epoxi

4) Enzimas inmovilizadas sobre microesferas compuestas magnéticas modificadas por grupos bifuncionales

En las microesferas magnéticas bifuncionales, en primer lugar, los grupos carboxilo de la molécula de enzima y los grupos amino en las microesferas se inmovilizan rápidamente en el soporte mediante interacción iónica, y la enzima inmovilizada mediante interacción iónica interactúa covalentemente con los grupos epoxi en el soporte a través de sus grupos sulfhidrilo y amino. Hágalo más fijo (como se muestra en la Figura 6), que tiene la doble característica de fijación rápida por acción iónica y fijación firme mediante enlace covalente. Li Xiutao et al. introdujo tres cepillos de copolímero aleatorio en la superficie de microesferas de ácido poliacrílico reticulado de divinilbenceno con nanopartículas de Fe₃O₄ dispersadas en el interior y luego se usaron para inmovilizar la penicilina G acilasa. Los resultados muestran que la actividad y la tasa de recuperación de la actividad enzimática de la enzima inmovilizada con el grupo epoxi y el grupo amino introducidos al mismo tiempo son las más altas, su cinética de inmovilización es mejor que la de las microesferas magnéticas que contienen solo epoxi, y su valor de pH óptimo y su estabilidad de temperatura son más altos que los de la enzima libre, y su actividad enzimática retiene el 70% después de un uso repetido 10 veces.

Figura 6 Diagrama esquemático de preparación de enzima inmovilizada en microesferas compuestas magnéticas modificadas por grupos bifuncionales

En los últimos años, aunque los académicos han utilizado diferentes materiales para inmovilizar la naringinasa, como materiales de biopolímeros naturales como el quitosano, el alginato de sodio y la proteína de seda, compuestos orgánicos como la resina epoxi y el alcohol polivinílico, el carbón activado y los materiales de carbono de óxido de grafito como el eno, y se han obtenido ciertos resultados de investigación, pero en aplicaciones reales de desamargado, existen problemas como una baja resistencia a los ácidos de las enzimas inmovilizadas, una separación lenta del jugo o una separación incompleta. separación, etc. Con respecto a los problemas anteriores, el próximo artículo presentará un trabajo de investigación en detalle. En este wok, los investigadores utilizaron un material compuesto hecho de quitosano, nanopartículas magnéticas de Fe₃O₄ y sílice, modificaron el material compuesto con grupos epoxi y luego inmovilizaron naringinasa en él. Este trabajo proporcionará una base de datos para estudios posteriores de las investigaciones sobre la tecnología de inmovilización de naringinasa.

A lista de verificación práctica de abastecimiento para temas de enzimas, biotecnología e ingredientes alimentarios

En proyectos de procesamiento de alimentos y enzimas, el marco de decisión más útil suele ser el ajuste de la aplicación más la estabilidad del proceso: qué ingrediente funciona bajo las condiciones de pH, temperatura, tiempo y sustrato previstas sin crear un problema de calidad o cumplimiento posterior.

• Defina primero el objetivo de procesamiento: Las aplicaciones de sabor, hidrólisis, textura, fermentación, limpieza y bioprocesos a menudo necesitan perfiles de actividad muy diferentes.
• Compruebe la ventana operativa real: El pH, la temperatura, el tiempo de residencia y el tipo de sustrato a menudo importan más que la afirmación principal del producto.
• Revisar la consistencia y el impacto posterior:La dosis, la influencia sensorial, la filtración y el comportamiento de vida útil de pueden afectar el valor comercial final.
• Use validación piloto: las pequeñas pruebas de producción generalmente revelan las diferencias más útiles en actividad, eficiencia y ajuste del proceso.

Referencias de productos recomendados

• CHLUMICRYL HEMA: Una conocida referencia de monómero polar en sistemas basados en adhesión y reactividad.
• CHLUMIWE 3280: Una fuerte referencia de agente humectante para tintas, recubrimientos y sustratos difíciles de humedecer.
• CHLUMIWE 3071: Útil cuando se necesita soporte humectante de organosilicona en una pantalla de aplicación amplia.
• CHLUMIAG 3000: Una referencia práctica de nivelación y antiadherente en recubrimientos UV y sistemas relacionados con tintas.

Preguntas frecuentes para compradores y formuladores

¿Por qué una enzima de alta actividad no es automáticamente la mejor opción comercial?
Porque la mejor enzima es la que funciona de manera confiable en las condiciones reales del proceso y brinda el resultado final deseado sin crear nuevos problemas.

¿Deben seleccionarse los ingredientes alimentarios y biotecnológicos únicamente a partir de hojas de datos?
Por lo general, es más seguro combinar la revisión de especificaciones con una prueba piloto o de aplicación porque los sustratos reales y las ventanas de proceso pueden cambiar mucho el resultado.

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Glucoamilasa compuesta	9032-08-0
Pullulanasa	9075-68-7
Xilanasa	37278-89-0
Celulasa	9012-54-8
Naringinasa	9068-31-9
β-amilasa	9000-91-3
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Pectinasa	9032-75-1
Peroxidasa	9003-99-0
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Catalase	9001-05-2
TANNASE	9025-71-2
Elastase	39445-21-1
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L-Láctica deshidrogenasa	9001-60-9
Malato de deshidrogenasa	9001-64-3
Colesterol oxidasa	9028-76-6