CN103937773B - 一种酶固定化蜂窝状膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种酶固定化蜂窝状膜的制备方法，包括：（1）选用双端基聚苯乙烯为成膜聚合物；（2）将双端基聚苯乙烯配置成溶液在高湿度环境下成膜制得具有双层结构的蜂窝状膜；（3）将酶通过物理吸附的方法固定于蜂窝状膜的下层大孔空间内；（4）洗去吸附于蜂窝状膜上表面的酶即制得酶固定化蜂窝状膜。本发明采用双端基聚苯乙烯制得的具有双层结构的蜂窝状膜允许酶通过上层小孔进入下层微米级别的大孔，吸附在大孔表面，进而存储在大孔空间内，不易透过上层小孔逸出，从而既保留了物理吸附法固定化酶保留活性高、操作简单的特点，又能有效防止酶的流失。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域，具体涉及一种酶固定化蜂窝状膜的制备方法。
背景技术
酶的固定化是用固体材料将酶束缚或限制于一定区域内，酶仍能进行其特有的催化反应并可回收及重复利用的一类技术。与未固定化的游离酶相比，固定化酶在保持其高效专一及温和的酶催化反应特性的同时，能一定程度克服游离酶的不足之处，具有热稳定性和储存稳定性提高、分离回收容易、可多次重复使用、操作连续可控、工艺简便等一系列优点。固定化酶在食品、化工、生物、医学及生命科学等领域得到了广泛的应用。酶的固定化方法多种多样，主要包括物理吸附法、包埋法、共价固定法等。其中包埋法一般是将酶与固定化载体材料混合加工而成。例如发明专利CN201110290426公开了一种将交联酶聚集体包埋在海藻酸钠中的方法；通过同轴静电纺丝等技术也可以实现酶的包埋。但是，包埋法也存在一些不足，例如酶包埋在载体内部会增加底物和产物的扩散阻力，多数酶只溶于水介质，限制了可加工材料的选择范围（参见：J.Mol.Catal.B:Enzym.,2009,56,189–195）。共价固定法指将酶通过化学键固定在载体材料表面，这方面的研究非常多，能较好地克服包埋法的上述不足。不过，共价固定法往往工序较为复杂，载体与酶之间的化学反应不可避免地会对酶的活性构象产生影响，导致酶的保留活性较低。物理吸附法对酶的构象改变较小，操作较为简单，因此在实际应用中受到广泛的关注，例如发明专利CN201110290429提供了一种以醋酸纤维素和聚四氟乙烯膜为材料制备醋酸纤维素/聚四氟乙烯复合膜并采用物理吸附法固定磷脂酶的方法。物理吸附法的本质在于通过疏水作用等弱作用力将酶吸附于载体材料表面，导致酶在使用过程中易于流失。因此，开发可用于物理吸附法固定化酶的新型载体材料具有重要的实际应用价值。
水滴模板法是一种可以简单有效地制备蜂窝状多孔薄膜的新技术，孔径往往在微米级别，具有应用于酶固定化的潜力。例如，在蜂窝膜表面可以引入羟基等基团（参见：Langmuir,2010,26,8946–8952），理论上这些基团可以用作共价法固定酶的位点。已经有工作报道了酶在蜂窝膜表面的固定化，其方法是先合成耐有机溶剂的酶纳米颗粒，然后将受保护的酶与聚苯乙烯等聚合物溶解在有机溶剂中，利用亲水性的酶纳米颗粒在成膜过程中自动富集于蜂窝膜膜孔孔壁这一现象，制得了包埋法固定化辣根过氧化物酶的蜂窝膜（参见：Chem.Commun.,2012,48,4417–4419）。如何设计和制备具有适合物理吸附法固定化酶的新型结构的载体材料仍然是需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种酶固定化蜂窝状膜的制备方法。
一种酶固定化蜂窝状膜的制备方法步骤如下：
（1）将浓度为8mg/mL~14mg/mL的聚合物溶液涂覆在基底表面，放置于相对湿度为60%~90%的常温大气环境中，静置30秒~4分钟，待溶剂挥发完全后即制得具有双层结构的蜂窝状膜；
所述的溶剂为二硫化碳、氯仿、二氯甲烷、甲苯中的一种；
所述的聚合物为双端基聚苯乙烯，即B-PSn-A，见结构式I，其中B端基是疏水性的，为含2~12个碳原子的直链烷基的任一种，分别见结构式I中B1~B11端基，A端基是亲水性的，包括乙醇胺端基、二甘醇胺端基或二乙醇胺端基，分别见结构式I中A1、A2、A3端基；
所述的双端基聚苯乙烯的聚合度（n）为30~100；
所述的基底为硅片、玻璃、金片、银片、聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜；
所述的具有双层结构的蜂窝状膜，膜下层为六方形排列的孔径为2~6微米的死端大孔，膜上层为孔径100~200纳米的小孔薄膜；
（2）将步骤（1）制得的具有双层结构的蜂窝状膜在乙醇中浸泡30秒~60秒，然后浸入酶的缓冲溶液中，吸附10分钟~24小时，用缓冲溶液冲洗蜂窝状膜后即制得酶固定化蜂窝状膜；
所述的酶的种类没有限制，优选为辣根过氧化物酶、葡萄糖氧化酶、氨基转移酶、淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶、糖苷酶；
所述的缓冲溶液为磷酸缓冲溶液、磷酸二氢钠-柠檬酸缓冲溶液、磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲溶液、磷酸氢二钠-磷酸二氢钾缓冲溶液、三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液。
本发明最突出的优点是采用双端基聚苯乙烯制得的具有双层结构的蜂窝状膜允许酶通过上层小孔进入下层微米级别的大孔，吸附在大孔表面，进而存储在大孔空间内，不易透过上层小孔逸出，从而既保留了物理吸附法固定化酶保留活性高、操作简单的特点，又能有效防止酶的流失。
附图说明
图1为实施例1中制得的具有双层结构的蜂窝状膜的上表面的扫描电子显微镜图像；
图2为实施例1中制得的具有双层结构的蜂窝状膜的断面的扫描电子显微镜图像。
具体实施方式
通过以下实施例对本发明做更详细的描述，但所述实施例不构成对本发明的限制。
实施例1
以乙烷端基/二甘醇胺端基聚苯乙烯（聚合度为50，B1-PS50-A2）为成膜聚合物，溶解于二硫化碳制得浓度为10mg/mL的均一溶液，涂覆于聚酯薄膜表面，放置于相对湿度为85%的常温大气环境中，静置1分钟，待溶剂挥发完全后即制得具有双层结构的蜂窝状膜，下层孔直径约为4微米，上层小孔孔径约为180纳米；将膜在乙醇中浸泡50秒后浸入辣根过氧化物酶的磷酸缓冲溶液中，吸附2小时，用缓冲溶液冲洗蜂窝状膜表面残留的酶后即制得辣根过氧化物酶固定化蜂窝状膜，酶的保留活性约为94%。
实施例2
以乙烷端基/乙醇胺端基聚苯乙烯（聚合度为50，B1-PS50-A1）为成膜聚合物，溶解于二硫化碳制得浓度为8mg/mL的均一溶液，涂覆于聚酯薄膜表面，放置于相对湿度为85%的常温大气环境中，静置1分钟，待溶剂挥发完全后即制得具有双层结构的蜂窝状膜，下层孔直径约为6微米，上层小孔孔径约为200纳米；将膜在乙醇中浸泡30秒后浸入葡萄糖氧化酶的磷酸二氢钠-柠檬酸缓冲溶液中，吸附2小时，用缓冲溶液冲洗蜂窝状膜表面残留的酶后即制得辣根过氧化物酶固定化蜂窝状膜，酶的保留活性约为92%。
实施例3
以十二烷端基/二乙醇胺端基聚苯乙烯（聚合度为50，B11-PS50-A3）为成膜聚合物，溶解于氯仿制得浓度为14mg/mL的均一溶液，涂覆于硅片表面，放置于相对湿度为90%的常温大气环境中，静置4分钟，待溶剂挥发完全后即制得具有双层结构的蜂窝状膜，下层孔直径约为2微米，上层小孔孔径约为100纳米；将膜在乙醇中浸泡60秒后浸入氨基转移酶的磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲溶液中，吸附24小时，用缓冲溶液冲洗蜂窝状膜表面残留的酶后即制得辣根过氧化物酶固定化蜂窝状膜，酶的保留活性约为92%。
实施例4
以十一烷端基/乙醇胺端基聚苯乙烯（聚合度为30，B10-PS30-A1）为成膜聚合物，溶解于二氯甲烷制得浓度为10mg/mL的均一溶液，涂覆于聚酰亚胺薄膜表面，放置于相对湿度为60%的常温大气环境中，静置30秒，待溶剂挥发完全后即制得具有双层结构的蜂窝状膜，下层孔直径约为2.5微米，上层小孔孔径约为120纳米；将膜在乙醇中浸泡30秒后浸入淀粉酶的磷酸氢二钠-磷酸二氢钾缓冲溶液中，吸附10分钟，用缓冲溶液冲洗蜂窝状膜表面残留的酶后即制得脂肪酶固定化蜂窝状膜，酶的保留活性约为80%。
实施例5
以癸烷端基/乙醇胺端基聚苯乙烯（聚合度为50，B9-PS50-A1）为成膜聚合物，溶解于甲苯制得浓度为10mg/mL的均一溶液，涂覆于玻璃表面，放置于相对湿度为60%的常温大气环境中，静置1分钟，待溶剂挥发完全后即制得具有双层结构的蜂窝状膜，下层孔直径约为2.5微米，上层小孔孔径约为130纳米；将膜在乙醇中浸泡50秒后浸入脂肪酶的三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液中，吸附2小时，用缓冲溶液冲洗蜂窝状膜表面残留的酶后即制得酶固定化蜂窝状膜，酶的保留活性约为87%。
实施例6
以壬烷端基/乙醇胺端基聚苯乙烯（聚合度为50，B8-PS50-A1）为成膜聚合物，溶解于二硫化碳制得浓度为10mg/mL的均一溶液，涂覆于金片表面，放置于相对湿度为80%的常温大气环境中，静置1分钟，待溶剂挥发完全后即制得具有双层结构的蜂窝状膜，下层孔直径约为3微米，上层小孔孔径约为130纳米；将膜在乙醇中浸泡50秒后浸入糖苷酶的磷酸缓冲溶液中，吸附2小时，用缓冲溶液冲洗蜂窝状膜表面残留的酶后即制得酶固定化蜂窝状膜，酶的保留活性约为85%。
实施例7
以辛烷端基/二甘醇胺端基聚苯乙烯（聚合度为50，B7-PS50-A2）为成膜聚合物，溶解于二硫化碳制得浓度为10mg/mL的均一溶液，涂覆于金片表面，放置于相对湿度为80%的常温大气环境中，静置1分钟，待溶剂挥发完全后即制得具有双层结构的蜂窝状膜，下层孔直径约为4微米，上层小孔孔径约为150纳米；将膜在乙醇中浸泡50秒后浸入辣根过氧化物酶的磷酸缓冲溶液中，吸附2小时，用缓冲溶液冲洗蜂窝状膜表面残留的酶后即制得酶固定化蜂窝状膜，酶的保留活性约为90%。
实施例8
以庚烷端基/二甘醇胺端基聚苯乙烯（聚合度为50，B6-PS50-A2）为成膜聚合物，溶解于二硫化碳制得浓度为10mg/mL的均一溶液，涂覆于银片表面，放置于相对湿度为80%的常温大气环境中，静置1分钟，待溶剂挥发完全后即制得具有双层结构的蜂窝状膜，下层孔直径约为4微米，上层小孔孔径约为150纳米；将膜在乙醇中浸泡50秒后浸入辣根过氧化物酶的磷酸缓冲溶液中，吸附2小时，用缓冲溶液冲洗蜂窝状膜表面残留的酶后即制得酶固定化蜂窝状膜，酶的保留活性约为91%。
实施例9
以己烷端基/二甘醇胺端基聚苯乙烯（聚合度为50，B5-PS50-A2）为成膜聚合物，溶解于二硫化碳制得浓度为12mg/mL的均一溶液，涂覆于玻璃表面，放置于相对湿度为80%的常温大气环境中，静置1分钟，待溶剂挥发完全后即制得具有双层结构的蜂窝状膜，下层孔直径约为3.6微米，上层小孔孔径约为140纳米；将膜在乙醇中浸泡50秒后浸入辣根过氧化物酶的磷酸缓冲溶液中，吸附2小时，用缓冲溶液冲洗蜂窝状膜表面残留的酶后即制得酶固定化蜂窝状膜，酶的保留活性约为87%。
实施例10
以戊烷端基/二甘醇胺端基聚苯乙烯（聚合度为50，B4-PS50-A2）为成膜聚合物，溶解于二硫化碳制得浓度为10mg/mL的均一溶液，涂覆于玻璃表面，放置于相对湿度为80%的常温大气环境中，静置1分钟，待溶剂挥发完全后即制得具有双层结构的蜂窝状膜，下层孔直径约为5微米，上层小孔孔径约为160纳米；将膜在乙醇中浸泡50秒后浸入辣根过氧化物酶的磷酸缓冲溶液中，吸附2小时，用缓冲溶液冲洗蜂窝状膜表面残留的酶后即制得酶固定化蜂窝状膜，酶的保留活性约为83%。
实施例11
以丁烷端基/二甘醇胺端基聚苯乙烯（聚合度为100，B3-PS100-A2）为成膜聚合物，溶解于二硫化碳制得浓度为8mg/mL的均一溶液，涂覆于玻璃表面，放置于相对湿度为85%的常温大气环境中，静置2分钟，待溶剂挥发完全后即制得具有双层结构的蜂窝状膜，下层孔直径约为6微米，上层小孔孔径约为190纳米；将膜在乙醇中浸泡50秒后浸入辣根过氧化物酶的磷酸缓冲溶液中，吸附2小时，用缓冲溶液冲洗蜂窝状膜表面残留的酶后即制得酶固定化蜂窝状膜，酶的保留活性约为84%。
实施例12
以丙烷端基/二甘醇胺端基聚苯乙烯（聚合度为50，B2-PS50-A2）为成膜聚合物，溶解于二硫化碳制得浓度为10mg/mL的均一溶液，涂覆于玻璃表面，放置于相对湿度为85%的常温大气环境中，静置2分钟，待溶剂挥发完全后即制得具有双层结构的蜂窝状膜，下层孔直径约为5微米，上层小孔孔径约为140纳米；将膜在乙醇中浸泡50秒后浸入辣根过氧化物酶的磷酸缓冲溶液中，吸附2小时，用缓冲溶液冲洗蜂窝状膜表面残留的酶后即制得酶固定化蜂窝状膜，酶的保留活性约为82%。
实施例13
以十二烷端基/二甘醇胺端基聚苯乙烯（聚合度为50，B11-PS50-A2）为成膜聚合物，溶解于二硫化碳制得浓度为10mg/mL的均一溶液，涂覆于玻璃表面，放置于相对湿度为85%的常温大气环境中，静置2分钟，待溶剂挥发完全后即制得具有双层结构的蜂窝状膜，下层孔直径约为5.6微米，上层小孔孔径约为160纳米；将膜在乙醇中浸泡50秒后浸入辣根过氧化物酶的磷酸缓冲溶液中，吸附2小时，用缓冲溶液冲洗蜂窝状膜表面残留的酶后即制得酶固定化蜂窝状膜，酶的保留活性约为86%。
Claims (5)
1.一种酶固定化蜂窝状膜的制备方法，其特征在于它的步骤如下：
（1）选择合适的溶剂，配置浓度为8mg/mL~14mg/mL的聚合物溶液；将聚合物溶液涂覆在基底表面，放置于相对湿度为60%~90%的常温大气环境中，静置30秒~4分钟，待溶剂挥发完全后即制得具有双层结构的蜂窝状膜；所述的溶剂为二硫化碳、氯仿、二氯甲烷或甲苯；所述的基底为硅片、玻璃、金片、银片、聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜；所述的具有双层结构的蜂窝状膜，膜下层为六方形排列的孔径为2~6微米的死端大孔，膜上层为孔径100~200纳米的小孔薄膜；
（2）将步骤（1）制得的具有双层结构的蜂窝状膜在乙醇中浸泡30秒~60秒，然后浸入酶的缓冲溶液中，吸附10分钟~24小时，用缓冲溶液冲洗蜂窝状膜后即制得酶固定化蜂窝状膜；
步骤（1）中，所述的聚合物为双端基聚苯乙烯，即B-PSn-A，见结构式I，
。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述双端基聚苯乙烯中的B端基是疏水性的，为含2~12个碳原子的直链烷基的任一种，分别见结构式I中B1~B11端基，A端基是亲水性的，包括乙醇胺端基、二甘醇胺端基或二乙醇胺端基，分别见结构式I中A1、A2、A3端基。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述双端基聚苯乙烯的聚合度为30~100。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的酶为辣根过氧化物酶、葡萄糖氧化酶、氨基转移酶、淀粉酶、脂肪酶、蛋白酶或糖苷酶。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的缓冲溶液为磷酸缓冲溶液、磷酸二氢钠-柠檬酸缓冲溶液、磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲溶液、磷酸氢二钠-磷酸二氢钾缓冲溶液、三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲溶液。
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