CN102382811B - 一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法。一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：1)凹凸棒土的酸处理，得到酸处理后的凹凸棒土；2)凹凸棒土的表面化学改性，得到具有疏水和离子交换双重吸附能力的凹凸棒土颗粒；3)脂肪酶在凹凸棒表面的固定化：按化学改性的凹凸棒土颗粒∶脂肪酶溶液＝50-80mg∶1mL；将化学改性的凹凸棒土颗粒置于脂肪酶溶液中机械搅拌，进行脂肪酶的固定化，反应结束后，经蒸馏水清，用有机溶剂浸泡，离心分离后冷冻干燥，得到用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶。该凹凸棒土固定化酶具有成本低廉，催化活性高、反复使用性能好、制备过程环保的特点。

Description

一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法，具体涉及一种通过溶胶-凝胶法改性的凹凸棒土对酶进行吸附固定化方法，用于提高酶的固定化稳定性与催化活性，属催化材料与酶固定化技术领域。

背景技术

油脂酯交换反应是指油脂(包括各种天然的植物油、动物脂肪以及食品工业的废油)与低碳醇、脂肪酸或/和脂肪酸酯、植物甾醇等在催化剂作用下进行的化学反应，是油脂及脂肪酸衍生物改性的重要手段之一，可制备出一系列高附加值化工产品或者保健产品，如脂肪酸低碳烷基酯(生物柴油)、甾醇酯、蔗糖酯等。常用的酯交换催化剂主要有甲醇钠、乙醇钠等烷氧基碱金属化合物。这些化学催化剂易于工业化但容易腐蚀设备，且易产生副产物，还存在后处理复杂、易造成三废污染环境等严重缺点。酶催化合成法条件温和，避免了高温产生的副反应，且产物容易分离纯化，但是游离酶的稳定性和回收、重复使用问题仍制约着实际生产中的应用。

凹凸棒土是一种天然纳米层链状结构的含水富镁硅酸盐粘土矿物，在我国资源丰富。其表面和内部含有大量的硅羟基、镁羟基、铝羟基等羟基，易于进行表面改性。凹凸棒土结构内部含有大量的结构水、结晶水和吸附水。这一点对于作为酶载体，可为酶提供一定的水分，对保持酶完整的结构是非常具有优势的。另一方面，凹凸棒土作为一种无机矿物，不仅价廉易得，而且具备了一般无机载体均具有的优点即机械强度高、热稳定性好、抗有机溶剂、抗微生物腐蚀等。采用凹凸棒土作为固定化酶的载体报道尚不多见，专利200610039833.4公开了脂肪酶在凹凸棒土表面的吸附固定化，由于只采用了单一的物理吸附，脂肪酶在使用过程中容易逐渐脱落，造成固定化酶活性的下降。单良等采氨丙基硅烷改性的凹凸棒土结合戊二醛法对菠萝蛋白酶进行了固定化，但是传统的硅烷化修饰方法需要使用大量有毒的甲苯等有机溶剂，且反应温度较高，制备过程不够环保。此外，文献报道疏水载体有利于提高固定化脂肪酶酯交换的催化活性，然而纯粹的疏水材料(如辛基硅胶)在水溶液中无法浸润，在固定化过程中会出现操作困难以及酶固定化不均匀的现象。采用溶胶-凝胶的方法对凹凸棒土进行表面修饰，使其具有疏水和离子交换双重保留作用，既可以提高脂肪酶的吸附量和稳定性，又可以提高其转酯化的催化活性，目前此方面的研究还没有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法，该凹凸棒土固定化酶具有成本低廉，催化活性高、反复使用性能好、制备过程环保的特点。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1)凹凸棒土的酸处理(凹凸棒土先经过酸处理，以除去金属杂质，活化表面羟基)：按凹凸棒土：盐酸溶液＝1g∶10mL，选取凹凸棒土和盐酸溶液；其中盐酸溶液浓度为4-6mol/L；

将凹凸棒土浸泡于盐酸溶液中，浸泡时间10-20h(浸泡温度25-50℃)，处理完毕后，用纯水洗至中性，得到酸处理后的凹凸棒土；

2)凹凸棒土的表面化学改性：将酸处理后的凹凸棒土悬浮于反应溶剂中，得到浓度为20-50mg/mL的悬浮液；

按硅烷化试剂总量：反应溶剂＝30-50mmol∶1L，选取硅烷化试剂；其中，硅烷化试剂由硅烷偶联剂A和硅烷偶联剂B组成，硅烷偶联剂A与硅烷偶联剂B的摩尔比为1∶0.5-1∶2；

按催化剂的用量为反应溶剂体积的3％-6％，准备催化剂；

将硅烷化试剂和催化剂与上述悬浮液混合，得到混合物；混合物在40-60℃，氮气保护下机械搅拌反应10-20h，机械搅拌速度为200-400rpm；反应结束后，采用离心分离出颗粒状物，颗粒状物用蒸馏水和甲醇交替清洗3-5次后(各清洗3-5次)，得到清洗后的颗粒状物(另外，还可采用浓硝酸或H₂O₂将巯基氧化为磺酸根)；将清洗后的颗粒状物真空干燥，得到化学改性的凹凸棒土颗粒；

3)脂肪酶在凹凸棒表面的固定化：按脂肪酶：pH 5.0-7.0的磷酸盐缓冲溶液＝2-5mg∶1mL，将脂肪酶加入到20-100mmol、pH 5.0-7.0的磷酸盐缓冲溶液中进行酶的吸附固定，离心取上清液，得到脂肪酶溶液；

按化学改性的凹凸棒土颗粒∶脂肪酶溶液＝50-80mg∶1mL，选取化学改性的凹凸棒土颗粒和脂肪酶溶液；将化学改性的凹凸棒土颗粒置于脂肪酶溶液中机械搅拌，进行脂肪酶的固定化，反应温度15-30℃，机械搅拌速度100-300rpm，反应时间2-6h，反应结束后，经蒸馏水清洗3-5次，用有机溶剂浸泡1-3h，离心分离后冷冻干燥，得到用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶。

步骤1)所述的凹凸棒土的粒径为100-400目。

步骤2)所述的反应溶剂为乙醇或异丙醇。

步骤2)所述的硅烷偶联剂A为异丁基三甲(乙)氧基硅烷或辛基三甲(乙)氧基硅烷；硅烷偶联剂B为巯丙基三甲(乙)氧基硅烷或氨丙基三甲(乙)氧基硅烷。

步骤2)所述的催化剂为25％-28％的浓氨水。

步骤2)所述清洗后的颗粒状物(即含有巯基的凹凸棒土颗粒，或称化学改性后的凹凸棒土)需要采用氧化剂进行处理，按清洗后的颗粒状物∶氧化剂的配比＝20g-40g/100mL，选取清洗后的颗粒状物和氧化剂；将清洗后的颗粒状物置于氧化剂中，在30-40℃处理8-20h(将材料表面的巯基氧化成磺酸根)，然后用水清洗2-3次。

所述的氧化剂为浓硝酸或浓度为30wt％-50wt％的双氧水。

步骤3)固定化酶吸附完成后浸泡所需的有机溶剂为丙酮或异丙醇。

所述的脂肪酶，包括来源于动物的猪胰腺酶，或来源于微生物发酵的皱褶假丝酵母、解脂假丝酵母、南极假丝酵母、洋葱假单胞菌脂肪酶或米根霉等，优选来源于微生物发酵得到的脂肪酶。

步骤3)中吸附固定温度为15-30℃，吸附固定时间为2-6h。

可以通过调节溶液中两种硅烷偶联剂的比例和浓度以及反应时间控制凹凸棒颗粒表面两种化学基团结合量。

本发明的有益效果是：本发明采用溶胶-凝胶法对凹凸棒进行表面化学改性，可在其表面方便地引入异丁基、辛基等疏水基团和磺酸根、氨基等离子交换基团，从而制得具有双重吸附能力的混合模式固定化酶载体，与常规吸附材料相比更有利于酶的吸附固定化与活性保持。

本发明具有制备过程绿色环保，成本低廉，固定化酶稳定性强，催化活性高(酯化率保持80％以上)，反复使用性能好(重复使用次数多，可达5次以上)的特点。

本发明制备的凹凸棒固定化酶应用范围较广。可以分别催化长链脂肪酸和醇的酯化反应，脂肪酸和植物甾醇的酯化反应以及甘油三酯与植物甾醇的转酯化反应，可满足生产不同产品的需要。

基于该凹凸棒固定化酶建立的长链脂肪酸酯和植物甾醇酯合成工艺，避免了有毒溶剂和腐蚀性催化剂的使用，反应副产物少，条件温和，制得的产品具有色泽浅、品质高的特点。

具体实施方式

下面来描述本发明的优选方案；它包含在本发明保护的范围之内，但不限制本发明。

实施例1：

一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法，它包括如下步骤：

1)凹凸棒土的酸处理(凹凸棒土先经过酸处理，以除去金属杂质，活化表面羟基)：50g凹凸棒土加入到500mL盐酸溶液中，盐酸溶液浓度为4-6mol/L，浸泡时间10h(浸泡温度25℃)，处理完毕后，用纯水洗至中性，得到酸处理后的凹凸棒土。所述的凹凸棒土的粒径为100目。

2)凹凸棒土的表面化学改性：将10g酸处理后的凹凸棒土悬浮于500mL异丙醇中，得到浓度为20mg/mL的悬浮液；

按加入硅烷化试剂总量为15mmol，硅烷化试剂由异丁基三甲氧基硅烷和巯丙基三甲氧基硅烷组成，其中异丁基三乙氧基硅烷与巯丙基三甲氧基硅烷的摩尔比为1∶0.5，加入15mL、25％-28％氨水作为催化剂，准备硅烷化试剂和催化剂；

将硅烷化试剂和催化剂与上述悬浮液混合，得到混合物；混合物在40℃，氮气保护下反应10h，机械搅拌速度为200rpm；反应结束后，采用离心分离出颗粒状物，颗粒状物用蒸馏水和甲醇交替清洗3次(各清洗3次)，采用50mL浓硝酸在30℃处理8h，纯水清洗2次后，真空干燥，即得到具有疏水和强阳离子交换基团的化学改性的凹凸棒土颗粒。

3)脂肪酶在凹凸棒表面的固定化：按脂肪酶：pH 5.0的磷酸盐缓冲溶液＝2mg∶1mL，将脂肪酶加入到20mmol磷酸盐缓冲溶液中，吸附固定温度为15℃，吸附固定时间为2h(充分溶解)，离心取上清液即为脂肪酶溶液。

所述的脂肪酶来源于微生物发酵的皱褶假丝酵母；

按化学改性的凹凸棒土颗粒∶脂肪酶溶液＝50mg∶1mL，选取化学改性的凹凸棒土颗粒和脂肪酶溶液；将化学改性的凹凸棒土颗粒置于脂肪酶溶液中机械搅拌，进行脂肪酶的固定化，反应温度15℃，机械搅拌速度300rpm，反应时间2h，反应结束后，经蒸馏水清洗3次，用丙酮浸泡1h，离心分离后冷冻干燥，用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶。

应用：植物油和甾醇转酯化合成甾醇酯∶称取植物甾醇4.2g，按菜籽油与植物甾醇摩尔比为1.5∶1称取菜籽油，2g凹凸棒土固定化酶(实施例1)，加入100mL异辛烷，置于55℃恒温水浴中反应12h，搅拌转速为300rpm。反应完毕后离心除去固定化酶，减压蒸出溶剂，酯化率为95.2％。

凹凸棒土固定化酶回收后经异辛烷清洗2次后，重复上述反应5次后，酯化率仍大于85％。

实施例2：

一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法，它包括如下步骤：

1)凹凸棒土的酸处理步骤同实例1，所述的凹凸棒土的粒径为200目。

2)凹凸棒土的表面化学改性：将30g酸处理后的凹凸棒土悬浮于750mL乙醇中，得到浓度为40mg/mL的悬浮液；

加入硅烷化试剂总量为20mmol，硅烷化试剂由辛基三乙氧基硅烷和巯丙基三乙氧基硅烷组成，其中辛基三乙氧基硅烷与巯丙基三乙氧基硅烷的摩尔比为1∶1，加入20mL、25％-28％浓氨水作为催化剂；将硅烷化试剂和催化剂与上述悬浮液混合，得到混合物；混合物在50℃，氮气保护下反应15h，机械搅拌速度为300rpm；反应结束后，采用离心分离出颗粒状物，颗粒状物用蒸馏水和乙醇交替清洗4次，采用100mL、30wt％-50wt％双氧水在40℃处理20h，纯水清洗3次后，真空干燥，得到化学改性的凹凸棒土颗粒；

3)脂肪酶在凹凸棒表面的固定化：按脂肪酶：pH 6.0的磷酸盐缓冲溶液＝4mg∶1mL，将脂肪酶加入到50mmol磷酸盐缓冲溶液中，充分溶解(吸附固定温度为30℃，吸附固定时间为6h)，离心取上清液即为脂肪酶溶液。

所述的脂肪酶来源于微生物发酵的解脂假丝酵母。

按化学改性的凹凸棒土颗粒∶脂肪酶溶液＝60mg∶1mL，选取化学改性的凹凸棒土颗粒和脂肪酶溶液；将化学改性的凹凸棒土颗粒置于脂肪酶溶液中，进行脂肪酶的固定化，反应温度20℃，搅拌速度300rpm，反应时间4h，反应结束后，经蒸馏水清洗4次，用丙酮浸泡2h，离心分离后冷冻干燥，得到用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶。

应用：α-亚麻酸植物甾醇酯的合成：称取植物甾醇4.2g，按α-亚麻酸与植物甾醇摩尔比为2∶1称取α-亚麻酸，3g凹凸棒土固定化酶(实施例2)，加入100mL异辛烷，置于55℃水浴中8h，搅拌转速为200rpm，反应完毕后离心除去固定化酶，减压蒸出溶剂，酯化率为93.2％。固定化酶回收后经异辛烷清洗3次后，重复上述反应5次后，酯化率仍大于80％。

实施例3：

一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法，它包括如下步骤：

1)凹凸棒土的酸处理步骤同实例1，所述的凹凸棒土的粒径为300目。

2)凹凸棒土的表面化学改性：将25g酸处理后的凹凸棒土悬浮于500mL乙醇中，得到浓度为50mg/mL的悬浮液；

加入硅烷化试剂总量为25mmol，硅烷化试剂由中异丁基三甲氧基硅烷和氨丙基三甲氧基硅烷组成，其中异丁基三甲氧基硅烷与氨丙基三甲氧基硅烷的摩尔比为1∶1.5，加入30mL、25％-28％氨水作为催化剂；将硅烷化试剂和催化剂与上述悬浮液混合，得到混合物；混合物在60℃，氮气保护下反应20h，机械搅拌速度为400rpm；反应结束后，采用离心分离出颗粒状物，颗粒状物用蒸馏水和乙醇交替清洗4次，真空干燥，得到化学改性的凹凸棒土颗粒；

3)脂肪酶在凹凸棒表面的固定化：按脂肪酶∶pH 7.0的磷酸盐缓冲溶液＝5mg∶1mL，将脂肪酶加入到100mmol磷酸盐缓冲溶液中，充分溶解(吸附固定温度为15℃，吸附固定时间为6h)，离心取上清液即为脂肪酶溶液。

所述的脂肪酶来源于微生物发酵的南极假丝酵母。

按化学改性的凹凸棒土颗粒∶脂肪酶溶液＝70mg∶1mL，选取化学改性的凹凸棒土颗粒和脂肪酶溶液；将化学改性的凹凸棒土颗粒置于脂肪酶溶液中，进行脂肪酶的固定化，反应温度30℃，搅拌速度200rpm，反应时间6h，反应结束后，经蒸馏水清洗5次，用异丙醇浸泡3h，离心分离后冷冻干燥，得到用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶。

应用：油酸丁酯的合成：称取丁醇3.7g，按油酸与丁醇摩尔比为1.5∶1称取油酸，3g凹凸棒土固定化酶(实施例3)，加入100mL正己烷，置于50℃水浴中8h，搅拌转速为200rpm，反应完毕后离心除去固定化酶，减压蒸出溶剂，酯化率为88.2％。凹凸棒土固定化酶回收后经正己烷清洗3次后，重复上述反应5次后，酯化率仍大于80％。

实施例4：

一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法，它包括如下步骤：

1)凹凸棒土的酸处理步骤同实例1，所述的凹凸棒土的粒径为400目。

凹凸棒土的表面化学改性：将20g酸处理后的凹凸棒土悬浮于500mL乙醇中，得到浓度为40mg/mL的悬浮液；

加入硅烷化试剂总量为20mmol，硅烷化试剂由中异丁基三乙氧基硅烷和氨丙基三乙氧基硅烷组成，其中异丁基三乙氧基硅烷与氨丙基三乙氧基硅烷的摩尔比为1∶2，加入30mL、25％氨水作为催化剂；将硅烷化试剂和催化剂与上述悬浮液混合，得到混合物；混合物在50℃，氮气保护下反应15h，机械搅拌速度为300rpm；反应结束后，采用离心分离出颗粒状物，颗粒状物用蒸馏水和乙醇交替清洗4次，真空干燥，得到化学改性的凹凸棒土颗粒；

3)脂肪酶在凹凸棒表面的固定化：按脂肪酶：pH 7.0的磷酸盐缓冲溶液＝4mg∶1mL，将脂肪酶加入到100mmol磷酸盐缓冲溶液中，充分溶解(吸附固定温度为30℃，吸附固定时间为2h)，离心取上清液即为脂肪酶溶液。

所述的脂肪酶来源于微生物发酵的南极假丝酵母。

按化学改性的凹凸棒土颗粒∶脂肪酶溶液＝80mg∶1mL，选取化学改性的凹凸棒土颗粒和脂肪酶溶液；将化学改性的凹凸棒土颗粒置于脂肪酶溶液中，进行脂肪酶的固定化，反应温度20℃，搅拌速度150rpm，反应时间4h，反应结束后，经蒸馏水清洗5次，用异丙醇浸泡2h，离心分离后冷冻干燥，得到用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶。

应用：共轭亚油酸植物甾醇酯的合成：称取植物甾醇4.2g，按共轭亚油酸与植物甾醇摩尔比为1.5∶1称取共轭亚油酸，2.5g凹凸棒土固定化酶(实施例4)，加入100mL异辛烷，置于50℃水浴中10h，搅拌转速为300rpm，反应完毕后离心除去固定化酶，减压蒸出溶剂，酯化率为90.2％。固定化酶回收后经异辛烷清洗3次后，重复上述反应5次后，酯化率仍大于81％。

实施例5：

与实施例4基本相同，不同之处在于：“异丁基三乙氧基硅烷”由“辛基三甲氧基硅烷”代替。

应用：共轭亚油酸植物甾醇酯的合成：称取植物甾醇4.2g，按共轭亚油酸与植物甾醇摩尔比为1.5∶1称取共轭亚油酸，2.5g凹凸棒土固定化酶(实施例5)，加入100mL异辛烷，置于50℃水浴中10h，搅拌转速为300rpm，反应完毕后离心除去固定化酶，减压蒸出溶剂，酯化率为90.2％。固定化酶回收后经异辛烷清洗3次后，重复上述反应5次后，酯化率仍大于81％。

本发明所列举的各原料(如脂肪酶的各具体原料)，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数(如温度、时间等)的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims (6)

1.一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1） 凹凸棒土的酸处理：按凹凸棒土：盐酸溶液= 1g:10mL，选取凹凸棒土和盐酸溶液；其中盐酸溶液浓度为4-6 mol/L；

将凹凸棒土浸泡于盐酸溶液中，浸泡时间10-20 h，处理完毕后，用纯水洗至中性，得到酸处理后的凹凸棒土；

2）凹凸棒土的表面化学改性：将酸处理后的凹凸棒土悬浮于反应溶剂中，得到浓度为20-50 mg/mL的悬浮液；

按硅烷化试剂总量：反应溶剂＝30-50 mmol：1L，选取硅烷化试剂；其中，硅烷化试剂由硅烷偶联剂A和硅烷偶联剂B组成，硅烷偶联剂A与硅烷偶联剂B的摩尔比为1：0.5-1：2；

所述的硅烷偶联剂A为异丁基三甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷、辛基三甲氧基硅烷或辛基三乙氧基硅烷；硅烷偶联剂B为巯丙基三甲氧基硅烷、巯丙基三乙氧基硅烷、氨丙基三甲氧基硅烷或氨丙基三乙氧基硅烷；

所述的反应溶剂为乙醇或异丙醇；

按催化剂的用量为反应溶剂体积的3%-6%，准备催化剂；

将硅烷化试剂和催化剂与上述悬浮液混合，得到混合物；混合物在40-60^oC，氮气保护下机械搅拌反应10-20 h，机械搅拌速度为200-400rpm；反应结束后，采用离心分离出颗粒状物，颗粒状物用蒸馏水和甲醇交替清洗3-5次后，得到清洗后的颗粒状物；所述清洗后的颗粒状物需要采用氧化剂进行处理，按清洗后的颗粒状物：氧化剂的配比＝20g-40g/100mL，选取清洗后的颗粒状物和氧化剂；将清洗后的颗粒状物置于氧化剂中，在30－40℃处理8－20 h，然后用水清洗2-3次；将清洗后的颗粒状物真空干燥，得到化学改性的凹凸棒土颗粒；

3)脂肪酶在凹凸棒表面的固定化：按脂肪酶：pH 5.0-7.0的磷酸盐缓冲溶液= 2-5 mg：1 mL，将脂肪酶加入到20-100 mmol、pH 5.0-7.0的磷酸盐缓冲溶液中进行酶的吸附固定，得到脂肪酶溶液；

吸附固定温度为15-30℃，吸附固定时间为2-6 h；

按化学改性的凹凸棒土颗粒：脂肪酶溶液= 50-80 mg：1 mL，选取化学改性的凹凸棒土颗粒和脂肪酶溶液；将化学改性的凹凸棒土颗粒置于脂肪酶溶液中机械搅拌，进行脂肪酶的固定化，反应温度15-30℃，机械搅拌速度150-200 rpm，反应时间2-6 h，反应结束后，经蒸馏水清洗3-5次，用有机溶剂浸泡1-3 h，离心分离后冷冻干燥，得到用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶。

2.根据权利要求1所述的一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法，其特征在于：步骤1）所述的凹凸棒土的粒径为100-400目。

3.根据权利要求1所述的一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法，其特征在于：步骤2）所述的催化剂为25-28%的浓氨水。

4.根据权利要求1所述的一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法，其特征在于：所述的氧化剂为浓硝酸或浓度为30wt%-50wt%的双氧水。

5.根据权利要求1所述的一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法，其特征在于：固定化酶吸附完成后浸泡所需的有机溶剂为丙酮或异丙醇。

6.根据权利要求1所述的一种用于酯交换反应的凹凸棒土固定化酶的制备方法，其特征在于：所述脂肪酶来源于皱褶假丝酵母、解脂假丝酵母、南极假丝酵母、洋葱假单胞菌脂肪酶或米根霉发酵得到的脂肪酶。