CN107475309B - 一种氧化还原刺激响应型Pickering乳状液中酶催化有机化学反应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氧化还原刺激响应型Pickering乳状液中酶催化有机化学反应的方法，其特点是在该乳状液体系中，酶负载到乳状液的界面上，极大增强了反应底物与脂肪酶的接触机会，促进反应高效地进行；反应过程中无需搅拌，静置反应，反应结束后将乳状液通电氧化或向其中加入微量的氧化剂，乳状液能实现可控分离，并能实现表面活性剂、纳米颗粒和酶的回收再用。

Description

一种氧化还原刺激响应型Pickering乳状液中酶催化有机化 学反应的方法

技术领域

本发明涉及一种氧化还原刺激响应型Pickering乳状液中酶催化有机反应，属于物理化学领域。

背景技术

酶是一类具有生物活性的重要催化剂，目前酶催化有机合成反应的研究较为普遍。但常规的酶催化反应是在纯有机溶剂或者有机/水两相体系中进行，有机溶剂直接与酶接触，导致酶活力下降，且酶回收难、循环利用率低，同时酶与反应底物的接触有限，导致反应的转化率较低，因此极大限制了酶在催化有机合成反应中的工业化应用。

Pickering乳状液是两种互不相溶的液体(如油和水)在表面活性固体颗粒界面膜作用下形成的分散体系。目前已在乳制品制备、日用化工、有机合成及纳米材料制备等领域有广泛的应用研究。在Pickering乳状液中进行酶催化有机/水两相反应，水相微环境不仅使得酶活力得以保持，也为反应提供了巨大的相界面。但由于乳状液的稳定性强，使得乳状液的破乳及固体颗粒回收成为难题。

为了满足应用需求，目前已开发出一系列具有开关性或响应性的胶体颗粒，其触发机制包括氧化-还原，CO₂/N₂，磁，pH，温度，光等。然而这类胶体颗粒大多为功能高分子颗粒，一般通过化学合成法得到且合成制备相当复杂，不具有普适性及较广的工业化应用前景。因此利用开关型Pickering乳状液作为酶催化有机/水两相反应的反应介质，不仅可以实现反应的高效转化，也可实现乳状液的简易破乳及固体颗粒、酶的回收利用。

发明内容

本发明的目的是为了解决常规酶催化反应效率低、酶回收难及循环利用率低等问题，利用一种具有氧化还原响应性能的Pickering乳状液作为脂肪酶催化有机/水两相反应的反应介质。一方面，该Pickering乳状液体系可以提供巨大的相界面来促进反应的高效进行；另一方面，当反应结束后，仅需在室温下向乳状液中通电氧化或加入微量的氧化剂，致使表面活性剂被氧化，从而实现乳状液的破乳分离，水相仍保留有酶和被氧化的表面活性剂，体系加入油相、通电还原或加入还原剂，均质后重新得到稳定的Pickering乳状液，并应用到新的反应循环中。

本发明的技术方案

本发明的技术方案：先利用二茂铁基季铵盐对无机纳米颗粒表面改性，使得纳米颗粒表面从强亲水性变成双亲性，以此改性颗粒制备Pickering乳状液，并将其应用于酶催化有机反应中，其中所用的无机纳米颗粒为二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、碳酸钙、水滑石中的一种或几种颗粒，原生粒径为2-200nm，以水相为基准的使用浓度(质量分数)为0.05％～10％；氧化还原刺激响应型表面活性剂的结构如下：

R＝C₆～C₂₀直链或支链、饱和或不饱和、含有或不含有羰基的烷基；X为卤素中的氯、溴、碘、氟中的一种元素；该表面活性剂以水相为基准的使用浓度为0mol·L^-1～3×10^{- 3}mol·L^-1。

首先配制一定浓度的二茂铁基季铵盐表面活性剂水溶液，然后将无机纳米颗粒，如纳米二氧化硅、氧化铝、碳酸钙等，超声分散在该刺激响应型表面活性剂的水溶液中，固体颗粒使用浓度(质量分数)为0.05～10％，加入一定浓度的酶溶液，然后加入一定量的油相和反应物，用均质机在5000-11000rpm转速下乳化2min，即可得到负载有酶的Pickering乳状液。将该乳状液放置在一定反应温度下静置反应，反应结束后将乳状液通电氧化或向其中加入微量的氧化剂，如图1所示，二茂铁基季铵盐被氧化后，二茂铁基团带一个正电荷，一头疏水一头亲水的结构被破坏，该分子整体变成类Bola型表面活性剂，表面活性大大降低，Pickering乳状液破乳，油水两相分层，收集油相得到产品；回收的纳米SiO₂颗粒和水相，通电还原或者加入微量的还原剂，将氧化的二茂铁基季铵盐还原，再加入一定量的油相和反应物，均质后可重新获得稳定Pickering乳状液，并在其中进行酶催化反应。

适用的油相为：(1)与水不互溶的极性有机物，(2)烃类矿物油，(3)甘油三酯类动物油，乳状液中油相的体积分数为5％～80％。

氧化剂可以为臭氧、双氧水、过氧化苯甲酰、高锰酸钾中的一种或几种混合物，还原剂可以为硼氢化钠、硼氢化钾、维生素C、氢化锂铝中的一种或几种混合物。

酶为氧化还原酶、水解酶、转移酶、异构酶、裂和酶、连接酶等。

本方案中酶催化反应可以适用于大多数有机化学反应，如氧化还原反应、水解反应、异构反应、环氧化反应、Mannich反应、加成反应等。

本发明的有益效果：本发明将具有氧化还原响应性的Pickering乳状液应用到酶催化两相反应中，在该Pickering乳状液体系中，酶负载到乳状液的界面上，极大增强了反应底物与脂肪酶的接触机会，促进反应高效地进行；反应过程中无需搅拌，静置反应，反应结束后将乳状液通电氧化或向其中加入微量的氧化剂，Pickering乳状液能实现可控分离，并能实现表面活性剂、纳米颗粒和酶的回收再用。

附图说明

附图1为二茂铁基季铵盐氧化态结构式；

附图2为无机纳米颗粒、二茂铁基季铵盐(简写：FTMA)及酶共同制备的Pickering乳状液外观图，制备后立即拍摄；其中FTMA的浓度依次为0mmol·L^-1、0.01mmol·L^-1、0.03mmol·L^-1、0.06mmol·L^-1、0.1mmol·L^-1、0.3mmol·L^-1、0.6mmol·L^-1、1mmol·L^-1、3mmol·L^-1；

附图3为无机纳米颗粒、二茂铁基季铵盐(简写：FTMA)及酶共同制备的Pickering乳状液外观图，制备后72小时拍摄；其中FTMA的浓度依次为0mmol·L^-1、0.01mmol·L^-1、0.03mmol·L^-1、0.06mmol·L^-1、0.1mmol·L^-1、0.3mmol·L^-1、0.6mmol·L^-1、1mmol·L^-1、3mmol·L^-1；

附图4为无机纳米颗粒、FTMA及脂肪酶共同制备的Pickering乳状液显微镜照片，其中FTMA的浓度依次为0mmol·L^-1、0.01mmol·L^-1、0.03mmol·L^-1、0.06mmol·L^-1、0.1mmol·L^-1、0.3mmol·L^-1、0.6mmol·L^-1、1mmol·L^-1、3mmol·L^-1；

附图5为氧化还原刺激响应型Pickering乳状液中酶催化有机反应破乳、重新利用过程示意图，其中a)为破乳前，b)为破乳后，c)为均质重新乳化；

附图6为Pickering乳状液的氧化还原循环的溶液显微照片，其中(a)为破乳前；(b为破乳后，c)为均质重新乳化。

具体实施方式

实施例1：纳米SiO₂颗粒、FTMA及脂肪酶共同制备的Pickering乳状液。于一系列体积为25mL的柱状瓶中，准确称取质量分数为0.5％(相对于水相)的纳米SiO₂，加入7mL不同浓度的FTMA溶液。用超声波分散器将颗粒分散(90W，15s)，待纳米颗粒分散均匀，加入一定量脂肪酶溶液(水相中脂肪酶最终浓度为1mg·mL^-1)及7mL异辛烷，用均质机(IKA ULTRA-TURRAX T18basic)在11000rpm的均质速率下乳化2min，得到O/W型Pickering乳状液，该乳状液放置后拍摄其外观照片，如图2和图3所示。

实施例2：纳米碳酸钙颗粒、FTMA及还原酶共同制备的Pickering乳状液。分别取7mL一系列浓度的表面活性剂水溶液放入25mL柱状小瓶中，加入0.03g商品纳米碳酸钙颗粒(原生粒径约10nm，BET比表面积250m²/g)，用超声分散器将颗粒分散(50W,1min)，加入7mL正庚烷和一定量还原酶溶液(水相中还原酶最终浓度为1mg·mL^-1)，用高剪切乳化机乳化2min，得到稳定的O/W型Pickering乳状液。

实施例3：纳米二氧化钛颗粒、FTMA及转移酶共同制备的Pickering乳状液。分别取7mL一系列浓度的表面活性剂水溶液放入25mL柱状小瓶中，加入0.03g商品纳米二氧化钛颗粒(原生粒径约20nm，BET比表面积300m²/g)，用超声分散器将颗粒分散(50W,1min)，加入7mL异辛烷和一定量转移酶溶液(水相中还原酶最终浓度为1.5mg·mL^-1)，用高剪切乳化机乳化2min，得到稳定的O/W型Pickering乳状液。

实施例4：纳米氧化铝颗粒、FTMA及异构酶共同制备的Pickering乳状液。分别取7mL一系列浓度的表面活性剂水溶液放入25mL柱状小瓶中，加入0.04g纳米氧化铝颗粒(原生粒径约30nm，BET比表面积200m²/g)，用超声分散器将颗粒分散(50W,1min)，加入7mL异辛烷和一定量异构酶溶液(水相中还原酶最终浓度为1.5mg·mL^-1)，用高剪切乳化机乳化2min，得到稳定的O/W型Pickering乳状液。

实施例5：纳米水滑石颗粒、、FTMA及裂和酶共同制备的Pickering乳状液。分别取7mL一系列浓度的表面活性剂水溶液放入25mL柱状小瓶中，加入0.01g纳米水滑石颗粒(原生粒径约20nm，BET比表面积400m²/g)，用超声分散器将颗粒分散(50W,1min)，加入7mL十二烷和一定量裂和酶溶液(水相中还原酶最终浓度为1.6mg·mL^-1)，用高剪切乳化机乳化2min，得到稳定的O/W型Pickering乳状液。

实施例6：Pickering乳状液中脂肪酶催化橄榄油水解反应。在一系列体积为10mL的柱状瓶中，准确称取质量分数为0.5％(相对于水相)的纳米SiO₂，加入4mL浓度为0.2mmol·L^-1的FTMA溶液，用超声波分散器分散15s，待溶液冷却至室温后，加入一定浓度的脂肪酶溶液(浓度从0.2mg·mL^-1～8mg·mL^-1)，并加入4mL体积浓度为5vol％的橄榄油-异辛烷溶液作为油相。用均质机在11000rpm的均质速率下乳化2min。将反应体系静置于30℃的恒温水浴槽中反应30min后，向乳状液体系中加入微量H₂O₂或者通电一段时间，如图5b所示乳状液破乳，油水分层，取适量的上层油相，分析脂肪酸含量，并计算橄榄油的水解率，回收纳米SiO₂和水相，如图5c所示，重新加入4mL体积浓度为5vol％的橄榄油-异辛烷溶液，进行循环反应。

实施例7：Pickering乳状液中脱氢酶催化乳酸脱氢反应。在一系列体积为10mL的柱状瓶中，准确称取质量分数为0.5％(相对于水相)的纳米SiO₂，加入4mL浓度为0.2mmol·L^-1的FTMA溶液，用超声波分散器分散15s，待溶液冷却至室温后，加入一定浓度的脱氢酶溶液(浓度从0.2mg·mL^-1～8mg·mL^-1)，并加入4mL体积浓度为5vol％的乳酸-异辛烷溶液作为油相。用均质机在11000rpm的均质速率下乳化2min。将反应体系静置于30℃的恒温水浴槽中反应30min后，向乳状液体系中加入微量H₂O₂或者通电一段时间，乳状液破乳，油水分层，取适量的上层油相，分离产物并计算收率率，回收纳米SiO₂和水相，重新加入4mL体积浓度为5vol％的乳酸-异辛烷溶液，进行循环反应。

以上对本发明的具体实施例进行了描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都涵盖在本发明范围内。

Claims (5)

1.一种在 氧化还原刺激响应型Pickering乳状液中酶催化有机化学反应的方法，该Pickering乳状液为O/W型，其特征是，配制一定浓度的二茂铁基季铵盐表面活性剂水溶液为氧化还原刺激响应型表面活性剂，将无机纳米颗粒分散在该刺激响应型表面活性剂的水溶液中，其中所用的无机纳米颗粒为二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、碳酸钙、水滑石中的一种或几种颗粒，原生粒径为2-200nm，其中，无机纳米颗粒质量分数为0.05～10％，之后加入一定浓度的酶溶液、一定量的油相和反应物，均质乳化得到稳定的O/W型Pickering乳状液，将该乳状液放置在一定反应温度下静置反应，反应结束后将乳状液通电氧化或向其中加入氧化剂，乳状液破乳，油水两相分层，收集油相并分离得到产物；回收的无机纳米颗粒和水相，通电还原或者加入还原剂，再加入一定量的油相和反应物，均质后可重新获得稳定的O/W型Pickering乳状液，并进行下一次循环反应，所用二茂铁基季铵盐结构如下：

R＝C6～C20直链或支链、饱和或不饱和、含有或不含有羰基的烷基；X为卤素中的氯、溴、碘、氟中的一种元素；该刺激响应型表面活性剂被氧化后，二茂铁基团带一个正电荷，一头疏水一头亲水的结构被破坏，该分子整体变成类Bola型表面活性剂，表面活性大大降低；二茂铁基季铵盐所用浓度远低于其临界胶束浓度，以水相为基准的使用浓度为0.2×10^{- 3}mol·L^-1～3×10^-3mol·L^-1；

其中，乳状液中油相的体积分数为5％～80％。

2.根据权利要求1中所述的方法，其特征是所用酶为氧化还原酶、水解酶、转移酶、异构酶、裂和酶、连接酶中的一种或几种酶。

3.根据权利要求1中所述的方法，其特征是适用的油相为：(1)与水不互溶的极性有机物，(2)烃类矿物油，(3)甘油三酯类动物油。

4.根据权利要求1中所述的方法，其特征是所用氧化剂可以为臭氧、双氧水、过氧化苯甲酰、高锰酸钾中的一种或几种混合物；还原剂可以为硼氢化钠、硼氢化钾、维生素C、氢化锂铝中的一种或几种混合物。

5.根据权利要求1中所述的方法，其特征是所进行的有机反应为氧化还原反应、水解反应、异构反应、环氧化反应、Mannich反应、加成反应。

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