Las microesferas magnéticas de biopolímeros son un novedoso 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 de Fe3O4. Debido a su gran superficie específica, buena biocompatibilidad y alta respuesta magnética, pueden lograr una separación rápida y un movimiento dirigido, por lo que pueden utilizarse ampliamente en la alimentación y la medicina, la protección del medio ambiente y otros campos. Los materiales biopolímeros incluyen principalmente el quitosano, el alginato de sodio y la gelatina, entre otros. De 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 formado por quitosano y material magnético tiene ambas propiedades excelentes, por lo que tiene amplias perspectivas de aplicación en diversos campos.
1. Estructura y propiedades de las microesferas de biopolímeros magnéticos
La estructura de las microesferas de biopolímeros magnéticos incluye tres tipos: (1) estructura núcleo-cubierta; (2) estructura híbrida; (3) estructura sándwich multicapa, como se muestra en la figura 1.
Figura 1. Estructura de las microesferas de biopolímeros magnéticos
Las microesferas de biopolímeros magnéticos tienen muchas propiedades excepcionales que las hacen más adecuadas para la inmovilización de enzimas. Por ejemplo (1) Efecto de la superficie. Por lo general, cuando el tamaño de las partículas de las microesferas de biopolímeros magnéticos alcanza el nivel micrométrico o incluso nanométrico, al aumentar la superficie específica, también aumenta la densidad del grupo y el rendimiento de adsorción selectiva de las microesferas, y la estabilidad de estas últimas aumenta significativamente. (2) Efecto magnético. Cuando el diámetro del cristal de Fe3O4 es inferior a 30 nm, presenta un superparamagnetismo, es decir, el magnetismo es muy grande en condiciones de campo magnético externo. Cuando se elimina el campo magnético externo, su magnetismo desaparece rápidamente, de modo que la microesfera tiene orientación magnética en condiciones de campo magnético externo y puede separarse rápidamente de los materiales no magnéticos, y no se magnetiza permanentemente en un campo magnético, por lo que no afecta a su uso posterior. (3) Biocompatibilidad. En la naturaleza, los materiales biológicos como las proteínas y los polisacáridos tienen biocompatibilidad, lo que les confiere importantes aplicaciones en ingeniería biomédica. (4) Características funcionales básicas. 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 biopolímeros magnéticos
La preparación de microesferas de biopolímeros magnéticos se divide en dos pasos. El primer paso es la preparación de nanopartículas magnéticas. Los métodos utilizados actualmente para preparar nanopartículas magnéticas de Fe3O4 incluyen principalmente la coprecipitación química, la descomposición térmica de sales de hierro, la microemulsión y los métodos hidrotérmicos. Entre ellos, el método de coprecipitación química es sencillo y fácil de manejar, y es el método de preparación más utilizado. El principio del método de coprecipitación química para sintetizar Fe3O4 consiste en sintetizar óxido de hierro calentando y agitando una solución salina mixta de una proporción determinada de Fe2+ y Fe3+ (1:2) en condiciones anaeróbicas y añadiendo rápidamente lejía (amoníaco o NaOH). Xu et al. utilizaron el método de coprecipitación química para añadir 4,34 mmol de FeCl2鑘4H2O y 8,67 mmol de FeCl3·6H2O, respectivamente, y calentaron el sistema a 85 ℃ en nitrógeno. Una vez disuelto completamente, se añaden rápidamente 25 ml de amoniaco concentrado y una cierta cantidad de citrato de sodio, y se sintetizan nanopartículas magnéticas de Fe3O4 con buena monodispersión y capacidad de respuesta magnética.
Tras la preparación de las nanopartículas magnéticas, es necesario reticularlas con quitosano para preparar microesferas magnéticas de quitosano. En la actualidad, los métodos de síntesis de microesferas magnéticas de quitosano incluyen principalmente el método de reticulación por emulsión, el método de secado por pulverización, el método fotoquímico y el método in situ. Entre ellos, el método de reticulación por emulsión es más sencillo y el más utilizado. El método de reticulación por emulsión consiste en dispersar uniformemente Fe3O4 o fluido magnético en un líquido mixto que contiene quitosano, surfactante y fase oleosa para formar un sistema de microemulsión de agua en aceite, y luego añadir glutaraldehído, en el sistema el glutaraldehído y el quitosano tendrán una reacción de reticulación que generará una base de Schiff, y el quitosano se reticula formando una red que recubre el Fe3O4 (como se muestra en la figura 2). Jiang et al. utilizaron el método de reticulación por emulsión, utilizando Span 80, parafina líquida y glutaraldehído como tensioactivo, dispersante y agente reticulante, 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 por emulsión.
3. Enzima inmovilizada en microesferas compuestas magnéticas
Una vez preparadas con éxito las microesferas magnéticas de quitosano, la enzima puede inmovilizarse 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 se modifican por grupos para satisfacer las necesidades de diferentes inmovilizaciones. A continuación se presentan los métodos de preparación de enzimas inmovilizadas específicas por grupos funcionales.
1) Enzima inmovilizada en microesferas compuestas magnéticas modificadas con carboxilo
Las microesferas compuestas magnéticas modificadas con carboxilo pueden unirse covalentemente al grupo amino de la enzima tras ser activadas por acoplamiento con carbodiimida en una solución acuosa, inmovilizando así la molécula de la 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 metil acrilato a través del monómero de reticulación divinilbenceno, y luego utilizaron hidrólisis alcalina para obtener un compuesto magnético con buena monodispersión y ricos grupos carboxilo. Las microesferas se utilizan para inmovilizar la lactasa tras ser activadas por acoplamiento con 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 la enzima inmovilizada en microesferas compuestas magnéticas modificadas con carboxilo.
2) Enzima inmovilizada en microesferas compuestas magnéticas modificadas con amino
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. prepararon sucesivamente partículas magnéticas monodispersas de SiO2 mediante un método de coprecipitación química y un método sol-gel, las modificaron con grupos amino mediante un agente de acoplamiento de silano e inmovilizaron la lacasa con glutaraldehído como agente reticulante. Los resultados mostraron que la lacasa inmovilizada se mantuvo a una temperatura constante de 60 ℃ durante 4 horas y aún conservaba el 60,9 % de la actividad enzimática, y después de 10 ciclos de uso, aún conservaba más del 55 % de la actividad enzimática, y su estabilidad térmica y operacional mejoraron notablemente.
Figura 4. Diagrama esquemático de la preparación de la enzima inmovilizada en microesferas compuestas magnéticas modificadas con amino.
3) Microesferas compuestas magnéticas modificadas con epoxi y enzima inmovilizada
El grupo epoxi es un grupo extremadamente activo. Puede unirse covalentemente de forma directa a grupos biológicos sin necesidad de modificación. Por lo tanto, tras la unión covalente de las microesferas compuestas magnéticas modificadas con epoxi al grupo amino de la enzima para unir la enzima, las moléculas quedan inmovilizadas en las microesferas magnéticas (Figura 5). Yong et al. prepararon microesferas magnéticas recubiertas de ácido oleico mediante polimerización en suspensión. Las microesferas magnéticas hidrófilas basadas en epoxi obtenidas tras la activación con metanol se utilizaron para la inmovilización de la lipasa. La tasa de retención de la actividad enzimática inmovilizada es del 64,2 % y su estabilidad ha mejorado significativamente.
Figura 5. Diagrama esquemático de la preparación de la enzima inmovilizada en microesferas compuestas magnéticas basadas en epoxi
4) Enzimas inmovilizadas en microesferas compuestas magnéticas modificadas por grupos bifuncionales
En las microesferas magnéticas bifuncionales, en primer lugar, los grupos carboxilo de la molécula enzimática y los grupos amino de las microesferas se inmovilizan rápidamente en el soporte mediante interacción iónica, y la enzima inmovilizada por interacción iónica interactúa covalentemente con los grupos epoxi del soporte a través de sus grupos sulfhidrilo y amino. Se fija aún más (como se muestra en la figura 6), lo que le confiere la doble característica de fijación rápida por acción iónica y fijación firme por enlace covalente. Li Xiutao et al. introdujeron tres cepillos de copolímeros aleatorios en la superficie de microesferas de ácido poliacrílico reticulado con divinilbenceno con nanopartículas de Fe3O4 dispersas en su interior, y luego los utilizaron 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 grupos epoxi y amino introducidos al mismo tiempo son las más altas, su cinética de inmovilización es mejor que la de las microesferas magnéticas que solo contienen epoxi, y su valor de pH óptimo y su estabilidad a la temperatura son más altos que los de la enzima libre, y su actividad enzimática se mantiene en un 70 % después de 10 usos repetidos.
Figura 6. Diagrama esquemático de la preparación de la enzima inmovilizada en microesferas compuestas magnéticas modificadas por grupos bifuncionales
En los últimos años, aunque los investigadores han utilizado diferentes materiales para inmovilizar la naringinasa, como materiales biopolímeros naturales como el quitosano, el alginato de sodio y la proteína de seda, compuestos orgánicos como la resina epoxi y el alcohol polivinílico, carbón activado y materiales de carbono de óxido de grafito como el ene, y se han obtenido ciertos resultados de investigación, en las aplicaciones reales de eliminación del amargor se presentan problemas como la escasa resistencia al ácido de las enzimas inmovilizadas, la separación lenta del jugo o la separación incompleta, etc. En relación con los problemas mencionados, en el siguiente artículo se presentará en detalle un trabajo de investigación. En este trabajo, los investigadores utilizaron un material compuesto fabricado con quitosano, nanopartículas magnéticas de Fe3O4 y sílice, modificaron el material compuesto con grupos epoxi y, a continuación, inmovilizaron la naringinasa sobre él. Este trabajo proporcionará una base de datos para seguir investigando la tecnología de inmovilización de la naringinasa.
¡Póngase en contacto con nosotros ahora!
Si necesita información sobre precios, rellene el siguiente formulario con sus datos de contacto y nos pondremos en contacto con usted en un plazo de 24 horas. También puede enviarme un correo electrónico a info@longchangchemical.com durante el horario laboral (de 8:30 a 18:00, UTC+8, de lunes a sábado) o utilizar el chat en vivo de la página web para obtener una respuesta inmediata.
| Compound 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 oxidase | 9001-37-0 |
| alpha-Amylase | 9000-90-2 |
| Pectinase | 9032-75-1 |
| Peroxidase | 9003-99-0 |
| Lipase | 9001-62-1 |
| Catalase | 9001-05-2 |
| TANNASE | 9025-71-2 |
| Elastase | 39445-21-1 |
| Urease | 9002-13-5 |
| DEXTRANASE | 9025-70-1 |
| L-Lactic dehydrogenase | 9001-60-9 |
| Dehydrogenase malate | 9001-64-3 |
| Cholesterol oxidase | 9028-76-6 |