CN107287183A - 一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α‑淀粉酶的制备方法 - Google Patents

一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α‑淀粉酶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α‑淀粉酶的制备方法，具体包括以下步骤：首先制备石墨烯/氧化钛复合多孔微球；然后制备α‑淀粉酶溶液，将上述制得的石墨烯/氧化钛复合多孔微球和α‑淀粉酶溶液混合搅拌1‑2h，然后300W功率下超声处理1‑4h，过滤，得到的固体采用柠檬酸和柠檬酸钠组成的缓冲溶液洗涤，干燥，得到固定化α‑淀粉酶。本发明制得的固定化α‑淀粉酶酶失活小，重复使用性能优异，热稳定性好。

Description

一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉 酶的制备方法
技术领域：
本发明涉及酶制剂制备领土，具体的涉及一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法。
背景技术：
α-淀粉酶普遍存在于动物、植物和微生物中，它能切断淀粉、糖原、寡聚糖或多聚糖分子内的α-1,4葡萄糖苷键，产生麦芽糖、低聚糖和葡萄糖等产物，被广泛应用于食品加工、粮食工业、酒精工业、发酵工业和纺织业等多种行业，是工业生产中应用得最为广泛的酶制剂之一。然而酶的高级结构对环境十分敏感，各种物理因素、化学因素和生物因素均有可能使酶丧失活力，并且反应所用的酶只能一次性使用，反应生成产物的分离和提纯都比较困难，生产的成本相对较高。对于现代化工业来说，单纯的生物酶并不是一种理想的催化剂。通过固定化技术来克服α-淀粉酶的应用局限性如今已经成为酶工程领域的研究热点。
与游离酶相比，画定化酶的优点显著：(1)固定化酶的使用效率更高，可以进行重复或连续使用，节约生产成本。(2)反应的产物与固定化酶易于分离，有利于产品的纯化、精制，有利于提高产品的质量。(3)在多数的情况下，利用固定化的手段可以提高酶的稳定性，并且能延长酶的使用期和保存期。(4)固定化酶对抑制剂的敏感程度有所降低，有的固定化酶还具有抗蛋白酶分解的特性。(6)固定化酶具有一定的机械强度，便于催化反应的自动化操作。(7)固定化酶可以适用于多酶体系，可以同时对两种及两种以上的酶进行固定。(8)使用固定化酶可对反应进行精确的控制，反应可以随时中止或启动。由于以上固定化酶的优点，使得固定化酶技术的发展越来越迅速，其中，固定化酶的关键技术之一在于载体的选择。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，该固定化α-淀粉酶酶活性高，载体与酶的结合性好，不易脱落，载体使用量小，成本低，重复使用性好。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氧化石墨烯和去离子水混合搅拌均匀后500W功率下超声处理1-5h，得到氧化石墨烯溶液；
(2)利用注射器将上述氧化石墨烯溶液逐滴加入到由低温冷冻浴控温的接收液中，然后依次经过冷冻干燥、100℃下真空干燥，得到氧化石墨烯多孔球；
(3)将环己烷、无水乙醇混合搅拌均匀后加入油酸，搅拌30min后，向混合溶液中滴入钛酸四丁酯、三乙胺，继续搅拌30min，然后加入上述制得的氧化石墨烯多孔球，搅拌混合后转移至反应釜中，150-180℃下反应10-20h，反应结束后冷却至室温，过滤，制得的固体依次用去离子水、无水乙醇洗涤，干燥，得到的固体加入到交联剂溶液中，55-75℃下水浴处理1-5h，然后再液相还原剂中处理，得到石墨烯/氧化钛复合多孔微球；
(4)制备α-淀粉酶溶液，将上述制得的石墨烯/氧化钛复合多孔微球和α-淀粉酶溶液混合搅拌1-2h，然后300W功率下超声处理1-4h，过滤，得到的固体采用柠檬酸和柠檬酸钠组成的缓冲溶液洗涤，干燥，得到固定化α-淀粉酶。
作为上述技术方案的优选，步骤(1)中，所述氧化石墨烯溶液的质量浓度为5-32mg/g。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述冷冻浴的温度为-30℃～-196℃，冷冻浴为液氮、干冰、液氮/乙酸乙酯、干冰/丙酮中的一种。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述接收液为乙酸乙酯、甲苯、正己烷、正庚烷中的一种。
作为上述技术方案的优选，步骤(2)中，所述冷冻干燥的条件为-5℃～-50℃，冷冻干燥时间为1-5天。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述环己烷、无水乙醇、油酸、钛酸四丁酯、三乙胺的体积比为50:3:1:1：(0.5-1)。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述钛酸四丁酯、氧化石墨烯多孔球的质量比为1：(0.1-0.5)。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，所述交联剂为三聚磷酸钠、戊二醛、戊二酸酐中的一种，交联剂溶液的的质量浓度为1-5wt％，交联温度为25-80℃，交联时间为5-35h。
作为上述技术方案的优选，步骤(3)中，液相还原剂为葡萄糖水溶液，其质量浓度为5-15wt％。
作为上述技术方案的优选，步骤(4)中，所述α-淀粉酶溶液的质量浓度为3-11mg/mL，其与石墨烯/氧化钛复合多孔微球的质量比为(80-120)：1。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用氧化石墨烯作为原材料，其在去离子水中有良好的分散性，本发明将氧化石墨烯水分散液滴入到低温接收液中，可以得到放射状大孔结构，结合冷冻浴温度设计，以及其他制备条件，使得孔状直径得以控制，其具有良好的吸附性，然后本发明在制备纳米氧化钛的过程中加入适量的氧化石墨烯多孔球，实现纳米氧化钛的原位包覆，制得的多孔石墨烯/氧化钛复合多孔微球稳定性好，机械性能优异，且对α-淀粉酶具有良好的吸附性，制得的固定化α-淀粉酶热稳定性好，重复使用性能优异。
具体实施方式：
为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
实施例1
一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氧化石墨烯和去离子水混合搅拌均匀后500W功率下超声处理1h，得到氧化石墨烯溶液；其中，氧化石墨烯溶液的质量浓度为5mg/g；
(2)利用注射器将上述氧化石墨烯溶液逐滴加入到由低温冷冻浴控温的接收液中，然后依次经过冷冻干燥、100℃下真空干燥，得到氧化石墨烯多孔球；其中，冷冻浴的温度为-30℃；冷冻干燥的条件为-5℃，冷冻干燥时间为1天；
(3)将环己烷、无水乙醇混合搅拌均匀后加入油酸，搅拌30min后，向混合溶液中滴入钛酸四丁酯、三乙胺，继续搅拌30min，然后加入上述制得的氧化石墨烯多孔球，搅拌混合后转移至反应釜中，150℃下反应20h，反应结束后冷却至室温，过滤，制得的固体依次用去离子水、无水乙醇洗涤，干燥，得到的固体加入到交联剂溶液中，55-75℃下水浴处理1h，然后再液相还原剂中处理，得到石墨烯/氧化钛复合多孔微球；其中，环己烷、无水乙醇、油酸、钛酸四丁酯、三乙胺的体积比为50:3:1:1：0.5；钛酸四丁酯、氧化石墨烯多孔球的质量比为1：0.1；交联剂溶液的的质量浓度为1wt％，交联温度为25-℃，交联时间为35h；液相还原剂为葡萄糖水溶液，其质量浓度为5wt％；
(4)制备α-淀粉酶溶液，将上述制得的石墨烯/氧化钛复合多孔微球和α-淀粉酶溶液混合搅拌1h，然后300W功率下超声处理1h，过滤，得到的固体采用柠檬酸和柠檬酸钠组成的缓冲溶液洗涤，干燥，得到固定化α-淀粉酶；其中，α-淀粉酶溶液的质量浓度为3mg/mL，其与石墨烯/氧化钛复合多孔微球的质量比为120：1。
用次碘酸钠法测定酶活回收率，酶活回收率为96.5％，对于重复使用性能，固定化的α-淀粉酶在重复使用5次后酶活为92.5％，而游离α-淀粉酶仅为49.5-60.5％。
实施例2
一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氧化石墨烯和去离子水混合搅拌均匀后500W功率下超声处理5h，得到氧化石墨烯溶液；其中，氧化石墨烯溶液的质量浓度为32mg/g；
(2)利用注射器将上述氧化石墨烯溶液逐滴加入到由低温冷冻浴控温的接收液中，然后依次经过冷冻干燥、100℃下真空干燥，得到氧化石墨烯多孔球；其中，冷冻浴的温度为-196℃；冷冻干燥的条件为-50℃，冷冻干燥时间为5天；
(3)将环己烷、无水乙醇混合搅拌均匀后加入油酸，搅拌30min后，向混合溶液中滴入钛酸四丁酯、三乙胺，继续搅拌30min，然后加入上述制得的氧化石墨烯多孔球，搅拌混合后转移至反应釜中，180℃下反应10h，反应结束后冷却至室温，过滤，制得的固体依次用去离子水、无水乙醇洗涤，干燥，得到的固体加入到交联剂溶液中，55-75℃下水浴处理5h，然后再液相还原剂中处理，得到石墨烯/氧化钛复合多孔微球；其中，环己烷、无水乙醇、油酸、钛酸四丁酯、三乙胺的体积比为50:3:1:1：1；钛酸四丁酯、氧化石墨烯多孔球的质量比为1：0.5；交联剂溶液的的质量浓度为5wt％，交联温度为80℃，交联时间为35h；液相还原剂为葡萄糖水溶液，其质量浓度为5wt％；
(4)制备α-淀粉酶溶液，将上述制得的石墨烯/氧化钛复合多孔微球和α-淀粉酶溶液混合搅拌2h，然后300W功率下超声处理4h，过滤，得到的固体采用柠檬酸和柠檬酸钠组成的缓冲溶液洗涤，干燥，得到固定化α-淀粉酶；其中，α-淀粉酶溶液的质量浓度为11mg/mL，其与石墨烯/氧化钛复合多孔微球的质量比为120：1。
用次碘酸钠法测定酶活回收率，酶活回收率为98.8％，对于重复使用性能，固定化的α-淀粉酶在重复使用5次后酶活为96.9％，而游离α-淀粉酶仅为49.5-60.5％。
实施例3
一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氧化石墨烯和去离子水混合搅拌均匀后500W功率下超声处理2h，得到氧化石墨烯溶液；其中，氧化石墨烯溶液的质量浓度为10mg/g；
(2)利用注射器将上述氧化石墨烯溶液逐滴加入到由低温冷冻浴控温的接收液中，然后依次经过冷冻干燥、100℃下真空干燥，得到氧化石墨烯多孔球；其中，冷冻浴的温度为-80℃；冷冻干燥的条件为-10℃，冷冻干燥时间为2天；
(3)将环己烷、无水乙醇混合搅拌均匀后加入油酸，搅拌30min后，向混合溶液中滴入钛酸四丁酯、三乙胺，继续搅拌30min，然后加入上述制得的氧化石墨烯多孔球，搅拌混合后转移至反应釜中，160℃下反应13h，反应结束后冷却至室温，过滤，制得的固体依次用去离子水、无水乙醇洗涤，干燥，得到的固体加入到交联剂溶液中，55-75℃下水浴处理2h，然后再液相还原剂中处理，得到石墨烯/氧化钛复合多孔微球；其中，环己烷、无水乙醇、油酸、钛酸四丁酯、三乙胺的体积比为50:3:1:1：0.6；钛酸四丁酯、氧化石墨烯多孔球的质量比为1：0.2；交联剂溶液的的质量浓度为2wt％，交联温度为30℃，交联时间为10h；液相还原剂为葡萄糖水溶液，其质量浓度为7wt％；
(4)制备α-淀粉酶溶液，将上述制得的石墨烯/氧化钛复合多孔微球和α-淀粉酶溶液混合搅拌1.2h，然后300W功率下超声处理2h，过滤，得到的固体采用柠檬酸和柠檬酸钠组成的缓冲溶液洗涤，干燥，得到固定化α-淀粉酶；其中，α-淀粉酶溶液的质量浓度为5mg/mL，其与石墨烯/氧化钛复合多孔微球的质量比为90：1。
用次碘酸钠法测定酶活回收率，酶活回收率为97.2％，对于重复使用性能，固定化的α-淀粉酶在重复使用5次后酶活为93.5％，而游离α-淀粉酶仅为49.5-60.5％。
实施例4
一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氧化石墨烯和去离子水混合搅拌均匀后500W功率下超声处理3h，得到氧化石墨烯溶液；其中，氧化石墨烯溶液的质量浓度为20mg/g；
(2)利用注射器将上述氧化石墨烯溶液逐滴加入到由低温冷冻浴控温的接收液中，然后依次经过冷冻干燥、100℃下真空干燥，得到氧化石墨烯多孔球；其中，冷冻浴的温度为-120℃；冷冻干燥的条件为-20℃，冷冻干燥时间为3天；
(3)将环己烷、无水乙醇混合搅拌均匀后加入油酸，搅拌30min后，向混合溶液中滴入钛酸四丁酯、三乙胺，继续搅拌30min，然后加入上述制得的氧化石墨烯多孔球，搅拌混合后转移至反应釜中，170℃下反应14h，反应结束后冷却至室温，过滤，制得的固体依次用去离子水、无水乙醇洗涤，干燥，得到的固体加入到交联剂溶液中，55-75℃下水浴处理3h，然后再液相还原剂中处理，得到石墨烯/氧化钛复合多孔微球；其中，环己烷、无水乙醇、油酸、钛酸四丁酯、三乙胺的体积比为50:3:1:1：0.7；钛酸四丁酯、氧化石墨烯多孔球的质量比为1：0.3；交联剂溶液的的质量浓度为3wt％，交联温度为60℃，交联时间为20h；液相还原剂为葡萄糖水溶液，其质量浓度为9wt％；
(4)制备α-淀粉酶溶液，将上述制得的石墨烯/氧化钛复合多孔微球和α-淀粉酶溶液混合搅拌1.4h，然后300W功率下超声处理3h，过滤，得到的固体采用柠檬酸和柠檬酸钠组成的缓冲溶液洗涤，干燥，得到固定化α-淀粉酶；其中，α-淀粉酶溶液的质量浓度为7mg/mL，其与石墨烯/氧化钛复合多孔微球的质量比为100：1。
用次碘酸钠法测定酶活回收率，酶活回收率为97.8％，对于重复使用性能，固定化的α-淀粉酶在重复使用5次后酶活为96.9％，而游离α-淀粉酶仅为49.5-60.5％。
实施例5
一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氧化石墨烯和去离子水混合搅拌均匀后500W功率下超声处理4h，得到氧化石墨烯溶液；其中，氧化石墨烯溶液的质量浓度为29mg/g；
(2)利用注射器将上述氧化石墨烯溶液逐滴加入到由低温冷冻浴控温的接收液中，然后依次经过冷冻干燥、100℃下真空干燥，得到氧化石墨烯多孔球；其中，冷冻浴的温度为-150℃；冷冻干燥的条件为-40℃，冷冻干燥时间为4天；
(3)将环己烷、无水乙醇混合搅拌均匀后加入油酸，搅拌30min后，向混合溶液中滴入钛酸四丁酯、三乙胺，继续搅拌30min，然后加入上述制得的氧化石墨烯多孔球，搅拌混合后转移至反应釜中，170℃下反应18h，反应结束后冷却至室温，过滤，制得的固体依次用去离子水、无水乙醇洗涤，干燥，得到的固体加入到交联剂溶液中，55-75℃下水浴处理4h，然后再液相还原剂中处理，得到石墨烯/氧化钛复合多孔微球；其中，环己烷、无水乙醇、油酸、钛酸四丁酯、三乙胺的体积比为50:3:1:1：0.8；钛酸四丁酯、氧化石墨烯多孔球的质量比为1：0.4；交联剂溶液的的质量浓度为4.5wt％，交联温度为70℃，交联时间为30h；液相还原剂为葡萄糖水溶液，其质量浓度为11wt％；
(4)制备α-淀粉酶溶液，将上述制得的石墨烯/氧化钛复合多孔微球和α-淀粉酶溶液混合搅拌1.6h，然后300W功率下超声处理3.5h，过滤，得到的固体采用柠檬酸和柠檬酸钠组成的缓冲溶液洗涤，干燥，得到固定化α-淀粉酶；其中，α-淀粉酶溶液的质量浓度为10mg/mL，其与石墨烯/氧化钛复合多孔微球的质量比为110：1。
用次碘酸钠法测定酶活回收率，酶活回收率为98.8％，对于重复使用性能，固定化的α-淀粉酶在重复使用5次后酶活为96.5％，而游离α-淀粉酶仅为49.5-60.5％。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将氧化石墨烯和去离子水混合搅拌均匀后500W功率下超声处理1-5h，得到氧化石墨烯溶液；
(2)利用注射器将上述氧化石墨烯溶液逐滴加入到由低温冷冻浴控温的接收液中，然后依次经过冷冻干燥、100℃下真空干燥，得到氧化石墨烯多孔球；
(3)将环己烷、无水乙醇混合搅拌均匀后加入油酸，搅拌30min后，向混合溶液中滴入钛酸四丁酯、三乙胺，继续搅拌30min，然后加入上述制得的氧化石墨烯多孔球，搅拌混合后转移至反应釜中，150-180℃下反应10-20h，反应结束后冷却至室温，过滤，制得的固体依次用去离子水、无水乙醇洗涤，干燥，得到的固体加入到交联剂溶液中，55-75℃下水浴处理1-5h，然后在液相还原剂中处理，得到石墨烯/氧化钛复合多孔微球；
(4)制备α-淀粉酶溶液，将上述制得的石墨烯/氧化钛复合多孔微球和α-淀粉酶溶液混合搅拌1-2h，然后300W功率下超声处理1-4h，过滤，得到的固体采用柠檬酸和柠檬酸钠组成的缓冲溶液洗涤，干燥，得到固定化α-淀粉酶。
2.如权利要求1所述的一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述氧化石墨烯溶液的质量浓度为5-32mg/g。
3.如权利要求1所述的一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述冷冻浴的温度为-30℃～-196℃，冷冻浴为液氮、干冰、液氮/乙酸乙酯、干冰/丙酮中的一种。
4.如权利要求1所述的一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述接收液为乙酸乙酯、甲苯、正己烷、正庚烷中的一种。
5.如权利要求1所述的一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述冷冻干燥的条件为-5℃～-50℃，冷冻干燥时间为1-5天。
6.如权利要求1所述的一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述环己烷、无水乙醇、油酸、钛酸四丁酯、三乙胺的体积比为50:3:1:1：(0.5-1)。
7.如权利要求1所述的一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述钛酸四丁酯、氧化石墨烯多孔球的质量比为1：(0.1-0.5)。
8.如权利要求1所述的一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述交联剂为三聚磷酸钠、戊二醛、戊二酸酐中的一种，交联剂溶液的的质量浓度为1-5wt％，交联温度为25-80℃，交联时间为5-35h。
9.如权利要求1所述的一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，液相还原剂为葡萄糖水溶液，其质量浓度为5-15wt％。
10.如权利要求1所述的一种以石墨烯/氧化钛复合多孔微球为载体的固定化α-淀粉酶的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述α-淀粉酶溶液的质量浓度为3-11mg/mL，其与石墨烯/氧化钛复合多孔微球的质量比为(80-120)：1。
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