CN107142255A - 一种以高内相pickering乳液为模板合成固定化酶材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用高内相Pickering乳液模板法制备固定化酶材料的方法，属于高分子材料技术领域。本发明以NaOH水溶液为连续相，有机溶剂为分散相，蔗渣木质素粒子为乳液稳定剂，以丙烯酰胺为单体，在引发剂、交联剂存在下，发生聚合反应，制作多孔聚丙烯酰胺材料。与传统方法合成聚丙烯酰胺相比较，本发明制作的材料有会有丰富的多孔结构，机械强度得到提高，具有重复使用性能，可用于蛋白酶的固定化。

Description

一种以高内相pickering乳液为模板合成固定化酶材料的 方法
技术领域
本发明涉及一种合成固定化酶材料的方法，具体涉及一种利用高内相 Pickering乳液模板法合成AM/BIS聚合物材料的方法，属于高分子材料技术领域。
背景技术
木质素是一种在自然界中广泛存在的可再生的有机资源，地球生每年会产生大量的木质素，由于木质素含多活性官能团的特点，主要用作混凝土减水剂、沥青乳化剂、稠油降粘剂、表面活性剂、橡胶补强剂、树脂胶粘剂等。国内外很多研究者，正致力于开发廉价的木质素吸附材料用于替代离子交换树脂和活性炭等昂贵的材料。高内相乳液是基于在高内相乳液的连续相中加入聚合物单体，通过引发聚合物反应形成交联网络而固化连续相，随后除去嵌入整个材料中的分散液滴而获得。其最大的特点就是高空隙率和低密度，可提供极好的液体吸附能力。但同时，高空隙率也使得材料的机械性能较差，如此薄弱的支撑结构大大限制了其应用的范围。Pickering乳液是由固体粒子代替表面活性剂稳定的乳液，相比传统的乳液，Pickering乳液模板具有更强的稳定性，能够有效防止自组装过程中，乳滴或聚电解质的团聚。所以用木质素作为原料，可以通过各种发应掺杂到材料中，使材料的性能有所提高，也可以作为一种粒子表面活性剂代替传统的表面活性剂制备Pickering乳液，节约成本，减少毒害。
本发明以蔗渣木质素粒子作为乳液的稳定剂，以丙烯酰胺作为单体，利用高内相Pickering乳液模板法，制作多孔的聚丙烯酰胺材料，与传统的方法比较，该方法制备的多孔材料有丰富的多孔结构，且机械强度性能强，重复使用性能好，可用于蛋白酶的固定化。
发明内容
本发明的目的是利用高内相Pickering乳液模板法合成固定化酶的材料。
一、木质素粒子稳定的高内相Pickering乳液的制备
本发明利用高内相Pickering乳液模板法合成固定化酶材料的方法，其特征在于，以NaOH水溶液为连续相，有机溶剂为有机分散相，蔗渣木质素粒子作为稳定剂，以丙烯酰胺为单体在引发剂和交联剂的存在下，合成固定化酶的材料。其具体制备工艺为：首先在800rpm搅拌24h下制备木质素粒子溶液，将 AM/BIS/APS混合液加入到经磁力搅拌后的木质素粒子溶液中，充分震荡混合得到高内相乳液的水相，在向水相中加入有机相，得到稳定的高内相乳液，最终高内相Pickering乳液体系转移到玻璃试管中，于30℃～90℃，反应12h～48h 后，索氏提取12h～48h，将材料切成碎片，置于表面皿中除去蓖麻油，最后材料冷冻干燥，得到固定化酶材料。
所述丙烯酰胺(AM)和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)的比例为29：5～ 29：12。
所诉有机分散相为正辛烷和液体石蜡，其内相体积分数为75％～85％。
所诉木质素粒子的浓度为4％～8％，其蔗渣木质素的活性官能团总羟基为9.38％、总酸性基4.48％、总羧基0.84％。
二、合成固定化酶材料的结构、形貌表征
下面通过扫描电镜(SEM)和红外光谱表征手段，对本发明的利用高内相Pickering乳液模板法合成固定化酶的材料结构形貌进行分析。
三、固定化酶/游离酶酶学性质考察
1、固定化酶/游离酶最适反应温度
改变酶催化水解的温度27℃、32℃、37℃、42℃、47℃、52℃，测定固定化酶/游离酶的酶活，以最大酶活为1，计算不同温度下的相对酶活。
2、固定化酶/游离酶最适反应pH
调节反应中使用的溶液的pH为5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9，测定固定化酶/游离酶的酶活，以最大酶活为1，计算不同pH相对酶活。
3、固定化酶/游离酶的温度的稳定性
将固定化酶和游离酶酶液置于50℃、60℃、70℃保温，每隔1h取出一定量的固定化酶和游离酶酶液，在最适酶解反应pH和最适反应温度下，测定固定化酶/游离酶的酶活，以未经高温处理的固定化酶和游离酶酶液的酶活为1，测定不同温度下，随时间的增加剩余的相对酶活。
4、重复使用性
将固定化酶催化水解木瓜蛋白酶酶液后，测定酶活，回收固定化酶，洗涤，冷冻干燥，进行下一次固定化酶酶活测定，循环使用5次，测定每次使用后相对于第一次的酶活。
采用本发明合成固定化酶的材料的优点：
(1)本发明的制备的多孔材料会有丰富的多孔结构。
(2)机械强度较高，具有较强的重复使用性能。
附图说明
图1木质素粒子浓度6％、内相体积80％、AM水相中浓度16％、AM：BIS 29：5的配方扫描电镜图。
图2木质素粒子浓度6％、内相体积85％、AM水相中浓度16％、AM：BIS 29：5的配方扫描电镜图。
图3木质素粒子浓度6％、内相体积85％、AM水相中浓度24％、AM：BIS 29：5的配方扫描电镜图。
图4木质素粒子浓度6％、内相体积80％、AM水相中浓度16％、AM：BIS 29：12的配方扫描电镜图。
图5 AM、BIS和AM/BIS的红外光谱图。
图6温度对固定化酶/游离酶酶活力的影响。
图7 pH对固定化酶/游离酶酶活力的影响。
图8孵育时间对固定化酶/游离酶酶活力的影响。
图9固定化木瓜蛋白酶的重复使用稳定性。
具体实施方式
实施例1
稳定的AM/BIS高内相乳液配方为木质素离子浓度为6％、内相体积80％、 AM水相中浓度16％、AM：BIS 29：5制得的聚合物如图1，当木质素粒子的浓度为6％时，理论蛋白包埋率80％，酶活回收率8％。聚合物内部出现了明显的球形孔洞，这是由于AM与BIS聚合反应发生在水相当中，当除去水相包裹的蓖麻油时，形成这样球形孔洞，同时能观察到，在这球形孔洞上形成了明显的通孔结构，这是由于，在反应过程中AM聚合，体积收缩。一般来说，表面活性剂的量越多，形成的油水界面的膜越薄，在反应过程中，由于体积收缩导致的通孔越明显，木质素粒子在本实验中起到表面活性剂的作用，因此能观察到更多的窗孔的结构。
实施例2
稳定的AM/BIS高内相乳液配方为木质素粒子浓度6％、内相体积85％、AM 水相中浓度16％、AM：BIS 29：5制得的聚合物如图2，内相体积分数到85％时，理论蛋白包埋率78％，酶活回收率8％。孔状结构已经不明显，大部分为通孔，这是由于，随着内相体积分数的增大，需要更多的木质素去保持油水界面的稳定，如果木质素粒子的量不增大，乳液滴的平均尺寸将会增大，其油水界面膜会变的更薄，反应中会导致更多的通孔形成，作为油相的蓖麻油在通孔之间流动，使本应成孔状的结构发生形变，大的孔状结构不再明显。
实施例3
稳定的AM/BIS高内相乳液配方为木质素粒子浓度6％、内相体积85％、AM 水相中浓度24％、AM：BIS 29：5制得的聚合物如图3，理论蛋白包埋率85％，酶活回收率45％。明显可以看出，聚合物的结构的厚度高，其表面的通孔结构的直径较小，这是由于单体浓度增大，导致界面膜处的反应单体浓度增大，聚合过程的收缩对界面膜的影响相对较小。图5所示，1640cm-1是C＝C的震动吸收峰，当AM自身发生聚合发硬或者与BIS交联聚合后这个峰的吸收振动明显降低，在AM/BIS聚合物中只能观察到1680cm-1的C＝O振动吸收，因为这个集团不参与聚合反应，同样的3100cm-1的吸收峰也是由于聚合反应发生后导致 C-H振动消失。
实施例4
稳定的AM/BIS高内相乳液配方为木质素粒子浓度6％、内相体积80％、AM 水相中浓度16％、AM：BIS 29：12制得的聚合物如图4，理论蛋白包埋率80％，酶活回收率7％。聚合物上的通孔结构比更小，更密集，这是由于BIS作为交联剂参反应，增强了材料的机械性能，使得界面膜在反应过程中能抵抗更大的由聚合过程产生的收缩的力，这会导致更小的通孔形成，同时整个材料的稳定性更好，不会由于蓖麻油在孔之间的流动产生大的形变，整个材料比较均匀，通孔直径相差不大。
实施例5
固定化酶/游离酶酶学性质的考察，测定不同温度下的相对酶活，其中F％表示游离酶的相对酶活，E％表示固定化酶的相对酶活，如图6，游离酶的酶活在37℃达到最高，升高或降低温度都会使其酶活有所下降，在52℃时，酶活只有70％左右，而固定化酶活随着温度的升高，酶活基本没有下降，其适用温度范围明显增大。
测定不同pH下的相对酶活，如图7，游离酶的最适pH在7.0，而固定化酶的最适pH在7.5，酶分子中含有-NH2和-COOH两种基团，在酸性环境中-NH2以-NH3+形式存在，在碱性环境中-COOH以-COO-形式存在，这两种粒子对酶的活性中心起到关键作用，当酶固定到载体上时，会造成酶分子上的-NH2和-COOH数目的改变，同时载体上的基团也会对反应溶液介质的pH值有一定的影响，因此游离酶和固定化酶的最适pH值一般会发生偏移。
测定固定化酶/游离酶的温度稳定性，如图7，同一高温下，随着孵育的时间延长，游离酶的相对酶活快速下将，70℃经过6h的孵育其酶活只剩13％，而固定化酶的酶活仍有55％，不同温度下，越高的温度使酶失活越严重。固定化酶能有效抑制因为高温带来的酶活减弱，在受热情况下，酶内部结构会从紧密有序的状态转变为随机松散的状态，内部的折叠结构被打开，导致酶催化的能力下降，固定化酶与载体结合以后，其内部结构变得具有刚性，不易受热打开，同时能够对由受热带来的内部基团的震动，而时酶的稳定增强。从图中也能看出，固定化酶比游离酶具有更好的热稳定性。
测定固定化酶重复使用后的相对酶活，如图8，在每次使用后固定化酶的活力都有一定的下降，这可能是使用过程中酶分子与载体分离，导致酶量的减少，酶活下降，但在使用五次以后仍有40％左右的酶活，说明AM/BIS聚合物作为固定木瓜蛋白酶的载体有一定的可行性的。

Claims (5)

1.利用高内相Pickering乳液模板法合成固定化酶材料的方法，以NaOH水溶液为连续相，有机溶剂为有机分散相，蔗渣木质素粒子作为乳液稳定剂，以丙烯酰胺为单体在引发剂和交联剂的存在下，合成固定化酶的材料。
2.如权利要求1所述利用高内相Pickering乳液模板法合成固定化酶材料的方法，其特征在于：是将丙烯酰胺(AM)/N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)/过硫酸铵(APS)混合液加入到经磁力搅拌后的木质素粒子溶液中，充分震荡混合得到高内相乳液的水相，在向水相中加入有机相，得到稳定的高内相乳液，最终高内相Pickering乳液于30℃～90℃，反应12h～48h，索氏提取12h～48h，材料冷冻干燥，得到固定化酶材料。
3.如权利要求1或2所述利用高内相Pickering乳液模板法合成固定化酶材料的方法，其特征在于，所采用的乳液稳定剂为蔗渣木质素，其在乳液中的浓度为4％～8％，其蔗渣木质素的活性官能团总羟基质量百分含量为9.38％、总酸性基质量百分含量为4.48％、总羧基质量百分含量为0.84％。
4.如权利要求1或2所述利用高内相Pickering乳液模板法合成固定化酶材料的方法，其特征在于，丙烯酰胺(AM)和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(BIS)的比例为29：5～29：12。
5.如权利要求1或2所述利用高内相Pickering乳液模板法合成固定化酶材料的方法，其特征在于，所诉有机分散相为正辛烷和液体石蜡中的一种，其在乳液中的体积分数为75％～85％。
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