CN109097353A - 一种生物酶-化学复合催化剂及其制备方法 - Google Patents
一种生物酶-化学复合催化剂及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及生物酶制备技术领域，具体的讲涉及一种生物酶‑化学复合催化剂及其制备方法，该催化剂呈树枝状，且上连接有空心管状的化学催化剂，该化学催化剂为内外分层的二氧化硅结构，内层还负载了若干钌纳米粒子的介孔碳球，所述生物酶分子附着于树枝状、二氧化硅以及介孔碳球表面；该方法依次包括如下步骤：(1)将介孔碳球加入钌的盐溶液中超声分散15‑20分钟，静置后干燥，在冰点搅拌状态下加入还原剂水溶液，搅拌反应结束后洗涤至中性，得到黑色固体物；(2)将步骤(1)中得到的黑色介孔碳球以及空心管状的二氧化硅结构加入到至少一种生物酶的水溶液中，并与之充分混合2.0～24h，温度控制在20～52℃，浸埋结束后进行过滤，然后冷冻干燥。
Description
技术领域
本发明涉及生物酶制备技术领域，具体的讲涉及一种生物酶-化学复合催化剂及其制备方法。
背景技术
酶催化工艺已成功地应用于食品、医药品、农业化学品的生产，并且越来越多地应用于有机化学合成领域。但是酶催化法在实际应用中存在酶脱离其自然环境后，结构不稳定等问题，且大多数酶是水溶性的，酶溶于水后将污染产品，也难以回收利用。酶的固定化(EnzymaticImmobilization)是克服以上问题最成功的方法。如：固定化青霉素酰化酶(ImmobilizedPenicillinAcylase)，用于裂解青霉素生产6-氨基青霉烷酸(6-APA)的工艺显示出很大优越性。它不仅能克服可溶性酶或菌体在使用时稳定性差、不易回收、不能反复使用的缺点，而且由于此工艺不会将蛋白质和其它杂质带入产物，简化了提纯工艺、提高了产品产量和质量。同时固定化青霉素酰化酶还具有催化水解和合成青霉素及头孢霉素的能力。由于不同的酶具有不同的性质和组成，底物和产物的性质不同，以及产物的用途不同，因此对各种酶采用的载体和固定化方法不尽相同，其中载体材料的选择与制备是技术的关键，优异的载体可以提高固定化酶的催化性能，降低酶法生产的成本。
目前，已产业化的固定化酶多以有机聚合物作为载体，这些固定化载体很少能够重复利用，存在材料的后处理及废载体的闲置问题。Singh等[CurrSci1988；57(22)：1229-1231] 以琼脂-聚丙烯酰胺树脂为载体，采用双吸附工艺固定从E.coliNCIM2563提取的青霉素酰化酶。藻酸盐类和聚丙烯酰胺载体在其它方面地应用取得了一定的成功，但是它们并不适用于固定青霉素酰化酶，因为磷酸盐缓冲液的使用使得这类载体稳定性下降。
无机载体较有机载体存在着较大的经济优势，其较高的机械强度更有利于在生物反应器中进行工业生产。无机载体有二氧化硅和功能化硅烷的溶胶—凝胶、陶瓷、高岭土和大孔玻璃，见[Appl.ClaySci.2005，29，111-126；J.MembraneSci.2004，241，161-166；CurrentAppl.Physics2003，3，129-133]。但这些载体受载体材料孔径、比表面积、颗粒粒度等因素的限制，酶在载体上的包覆量一般不高；分子扩散阻力较大，影响底物和酶的有效接触，影响产物及时脱离反应体系而降低了酶的催化活性；并且有些载体与酶分子结合力较弱，固定化酶在重复使用过程中，酶很容易从载体上脱落流失，因而也限制了其工业应用。
介孔材料作为酶的固定化载体是最热门的研究对象，其中各种介孔材料由于其本身具有的较大孔径、高比表面积、较小扩散阻力，且孔道表面富含羟基功能基团而表现出优异的固定化性能。其中，二氧化硅系列材料因其具有强的物理、机械、化学性能以及较强的有机物和生物耐受性，更是引起国内外学者的关注和研究。目前文献报道的有序纳米介孔二氧化硅的可控孔径为20-500比表面积高达500-1000m2/g，介孔二氧化硅材料 MCM-41[J.Mol.Catal.B.2000，11，45-53]、SBA[Micropor.Mecropor.Mater.2001，44/45， 755-762]、FSM[J.Am.Chem.Soc.2002，124，1142-1149]被报道用于酶的固定化研究， J.He[J.Mol.Catal.B.2000，11，45-53]等人发现青霉素酰化酶在载体二氧化硅分子筛 MCM-41上具有高的负载量，他们采用了两种固定化方法：一种是物理吸附法也称为直接固定化法；另一种是共价交联法(戊二醛为交联剂)。研究结果表明通过物理吸附法制备的固定化酶的活性是共价交联法制备的固定化酶的5倍，但是在使用过程中吸附在载体上的酶容易脱落。通过交联剂和偶联剂对载体表面的修饰作用可以增强酶和载体之间的作用力，保证酶的有效吸附，又可以减少酶分子的脱落，从而延长固定化酶的使用寿命。研究表明载体材料的形貌、表面特性、孔径和孔结构影响酶的有效负载。本申请人(北京化工大学) 申请的中国专利CN1445311A和CN1511785A公开了以纳米碳酸钙为模板，以硅酸钠为硅源，通过反应在碳酸钙表面包覆二氧化硅，并根据碳酸钙的颗粒大小和形状来调控，制备出球状、管状等不同形状的空心二氧化硅介孔材料，该材料不仅具有介孔分子筛的优点，其独有的空心结构可以大大提高负载能力，还可以通过选择不同的载体形状，满足不同催化反应活性组分分布的要求，在催化剂领域有广泛的开发潜力，如：中国专利(申请号 200510085389.5)针对加氢催化反应活性中心的分布要求，提出利用这种空心二氧化硅介孔材料为载体，在其壁上负载金属活性组分，得到活性组分呈蛋壳型分布的金属催化剂及制备方法，提高了金属活性的利用率。除此之外，本申请人对该材料的应用进行了系列研究，以该空心二氧化硅介孔材料为载体，制备新的固定化酶生物催化剂是本发明的任务，具有广阔的开发前景。
发明内容
因此本发明提出一种生物酶-化学复合催化剂及其制备方法，用来解决上述背景技术中的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种生物酶-化学复合催化剂，该催化剂呈树枝状，且上连接有空心管状的化学催化剂，该化学催化剂为内外分层的二氧化硅结构，内层还负载了若干钌纳米粒子的介孔碳球，所述生物酶分子附着于树枝状、二氧化硅以及介孔碳球表面。
进一步地，以生物酶-化学复合催化剂重量百分比为基准的组成包括：0.01％～10.00％的生物酶、40.00％～50.00％管状空心二氧化硅结构、40～49.99％的介孔碳球、0～10.00％偶联剂。
进一步地，所述偶联剂选自对-β-硫酸脂乙砜基苯胺、溴化氰、均三氯三嗪、酰肼、硫芥子气和钛、锡、锌、钒及铁的氯化物中的一种或几种。
进一步地，所述生物酶选自蛋白酶、淀粉酶、葡萄糖异构酶、纤维素酶、果胶酶、脂肪酶、葡萄糖氧化酶、酰化氨基酸水解酶、L-天冬酰胺酶、青霉素酰化酶、天冬氨酸酶、多核苷酸磷酸化酶、右旋醣酐酶、细胞壁溶解酶、辣根过氧化物酶、乙酰胆碱脂酶中的一种或几种。
一种生物酶-化学复合催化剂的制备方法，该方法依次包括如下步骤：
(1)将介孔碳球加入钌的盐溶液中超声分散15-20分钟，静置后干燥，在冰点搅拌状态下加入还原剂水溶液，搅拌反应结束后洗涤至中性，得到黑色固体物；
(2)将步骤(1)中得到的黑色介孔碳球以及空心管状的二氧化硅结构加入到至少一种生物酶的水溶液中，并与之充分混合2.0～24h，温度控制在20～52℃，浸埋结束后进行过滤，然后冷冻干燥。
该方法依次包括如下步骤：将偶联剂加入到空心管状二氧化硅结构的胶体溶液中，并与之充分搅拌，搅拌速度控制在500～600r/min，维持体系的pH值在7～9之间，搅拌时间为16～18h；二氧化硅结构表面改性后进行洗涤，过滤，然后以5～10℃/min升温到50～80℃，干燥；改性后的粉体和至少一种结晶酶或溶液酶加入到的去离子水、醋酸盐溶液、磷酸盐缓冲溶液或卤化物的溶液中，并与之充分混合进行酶的负载，控制pH值在6～7.5 之间，温度控制在20～52℃；负载结束后进行洗涤，过滤，冷冻干燥3～6h。
通过上述公开内容，本发明的有益效果为：本发明的固定化酶生物催化剂，以具有空心管状二氧化硅结构为载体，在空心管状二氧化硅结构的管内、外壁面、壁微孔内负载有酶分子，因此，很容易实现酶活性中心在载体上的分布，并能充分发挥酶活性中心的催化活性，而且能大大减少酶的用量，能有针对性地应用于液-固非均相酶催化反应体系；本发明的制备工艺简单、反应温和、原材料易得、价格低廉、对环境无污染。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种生物酶-化学复合催化剂及其制备方法。
一种生物酶-化学复合催化剂，该催化剂呈树枝状，且上连接有空心管状的化学催化剂，该化学催化剂为内外分层的二氧化硅结构，内层还负载了若干钌纳米粒子的介孔碳球，所述生物酶分子附着于树枝状、二氧化硅以及介孔碳球表面。
其中，以生物酶-化学复合催化剂重量百分比为基准的组成包括：0.01％～10.00％的生物酶、40.00％～50.00％管状空心二氧化硅结构、40～49.99％的介孔碳球、0～10.00％偶联剂，该偶联剂选自对-β-硫酸脂乙砜基苯胺、溴化氰、均三氯三嗪、酰肼、硫芥子气和钛、锡、锌、钒及铁的氯化物中的一种或几种。
其中，生物酶选自蛋白酶、淀粉酶、葡萄糖异构酶、纤维素酶、果胶酶、脂肪酶、葡萄糖氧化酶、酰化氨基酸水解酶、L-天冬酰胺酶、青霉素酰化酶、天冬氨酸酶、多核苷酸磷酸化酶、右旋醣酐酶、细胞壁溶解酶、辣根过氧化物酶、乙酰胆碱脂酶中的一种或几种。
实施例1
一种生物酶-化学复合催化剂的制备方法，该方法依次包括如下步骤：
(1)将介孔碳球加入钌的盐溶液中超声分散15-20分钟，静置后干燥，在冰点搅拌状态下加入还原剂水溶液，搅拌反应结束后洗涤至中性，得到黑色固体物；
(2)将步骤(1)中得到的黑色介孔碳球以及空心管状的二氧化硅结构加入到生物酶的水溶液中，并与之充分混合2.0～24h，温度控制在20～52℃，浸埋结束后进行过滤，然后冷冻干燥。
具体地生物酶水溶液中各成分的重量百分比为0.01％的生物酶、40.00％管状空心二氧化硅结构、49.99％的介孔碳球、10.00％偶联剂，生物酶选自蛋白酶，偶联剂选对-β-硫酸脂乙砜基苯胺。
实施例2
制备方法同实施例1，其中生物酶水溶液中各成分的重量百分比为0.05％的生物酶、 45.00％管状空心二氧化硅结构、48.00％的介孔碳球、6.95％偶联剂，生物酶选自淀粉酶，偶联剂选溴化氰。
实施例3
制备方法同实施例1，其中生物酶水溶液中各成分的重量百分比为0.50％的生物酶、40.00％管状空心二氧化硅结构、49.50％的介孔碳球、10％偶联剂，生物酶选自葡萄糖异构酶，偶联剂选均三氯三嗪。
实施例4
制备方法同实施例1，其中生物酶水溶液中各成分的重量百分比为5.00％的生物酶、 50.00％管状空心二氧化硅结构、45.00％的介孔碳球，生物酶选自葡萄糖异构酶。
实施例5
制备方法同实施例1，其中生物酶水溶液中各成分的重量百分比为6.00％的生物酶、 50.00％管状空心二氧化硅结构、40.00％的介孔碳球、4.00％偶联剂，生物酶选自果胶酶，偶联剂选酰肼。
实施例6
制备方法同实施例1，其中生物酶水溶液中各成分的重量百分比为10.00％的生物酶、 40.00％管状空心二氧化硅结构、40.00％的介孔碳球、10.00％偶联剂，生物酶选自脂肪酶，偶联剂选硫芥子气和钛。
实施例7
制备方法同实施例1，其中生物酶水溶液中各成分的重量百分比为6.00％的生物酶、 40.00％管状空心二氧化硅结构、49.00％的介孔碳球、5.00％偶联剂，生物酶选自葡萄糖氧化酶，偶联剂选硫芥子气和锡。
实施例8
制备方法同实施例1，其中生物酶水溶液中各成分的重量百分比为3.00％的生物酶、 45.00％管状空心二氧化硅结构、45.00％的介孔碳球、7.00％偶联剂，生物酶选自酰化氨基酸水解酶，偶联剂选溴化氰。
实施例9
制备方法同实施例1，其中生物酶水溶液中各成分的重量百分比为8.00％的生物酶、 45.00％管状空心二氧化硅结构、42.00％的介孔碳球、5.00％偶联剂，生物酶选自L-天冬酰胺酶，偶联剂选对-β-硫酸脂乙砜基苯胺。
实施例10
制备方法同实施例1，其中生物酶水溶液中各成分的重量百分比为10.00％的生物酶、 40.00％管状空心二氧化硅结构、40.00％的介孔碳球、10.00％偶联剂，生物酶选自均青霉素酰化酶，偶联剂选均三氯三嗪。
以上实施例中均包括如下步骤：将偶联剂加入到空心管状二氧化硅结构的胶体溶液中，并与之充分搅拌，搅拌速度控制在500～600r/min，维持体系的pH值在7～9之间，搅拌时间为16～18h；二氧化硅结构表面改性后进行洗涤，过滤，然后以5～10℃/min升温到 50～80℃，干燥；改性后的粉体和至少一种结晶酶或溶液酶加入到的去离子水、醋酸盐溶液、磷酸盐缓冲溶液或卤化物的溶液中，并与之充分混合进行酶的负载，控制pH值在6～ 7.5之间，温度控制在20～52℃；负载结束后进行洗涤，过滤，冷冻干燥3～6h。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种生物酶-化学复合催化剂，其特征在于：该催化剂呈树枝状，且上连接有空心管状的化学催化剂，该化学催化剂为内外分层的二氧化硅结构，内层还负载了若干钌纳米粒子的介孔碳球，所述生物酶分子附着于树枝状、二氧化硅以及介孔碳球表面。
2.根据权利要求1所述的一种生物酶-化学复合催化剂，其特征在于：以生物酶-化学复合催化剂重量百分比为基准的组成包括：0.01％～10.00％的生物酶、40.00％～50.00％管状空心二氧化硅结构、40～49.99％的介孔碳球、0～10.00％偶联剂。
3.根据权利要求2所述的一种生物酶-化学复合催化剂，其特征在于：所述偶联剂选自对-β-硫酸脂乙砜基苯胺、溴化氰、均三氯三嗪、酰肼、硫芥子气和钛、锡、锌、钒及铁的氯化物中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的一种生物酶-化学复合催化剂，其特征在于：所述生物酶选自蛋白酶、淀粉酶、葡萄糖异构酶、纤维素酶、果胶酶、脂肪酶、葡萄糖氧化酶、酰化氨基酸水解酶、L-天冬酰胺酶、青霉素酰化酶、天冬氨酸酶、多核苷酸磷酸化酶、右旋醣酐酶、细胞壁溶解酶、辣根过氧化物酶、乙酰胆碱脂酶中的一种或几种。
5.一种如权利要求5所述的生物酶-化学复合催化剂的制备方法，其特征在于：该方法依次包括如下步骤：
(1)将介孔碳球加入钌的盐溶液中超声分散15-20分钟，静置后干燥，在冰点搅拌状态下加入还原剂水溶液，搅拌反应结束后洗涤至中性，得到黑色固体物；
(2)将步骤(1)中得到的黑色介孔碳球以及空心管状的二氧化硅结构加入到至少一种生物酶的水溶液中，并与之充分混合2.0～24h，温度控制在20～52℃，浸埋结束后进行过滤，然后冷冻干燥。
6.根据权利要求5所述的一种生物酶-化学复合催化剂的制备方法，其特征在于：该方法依次包括如下步骤：将偶联剂加入到空心管状二氧化硅结构的胶体溶液中，并与之充分搅拌，搅拌速度控制在500～600r/min，维持体系的pH值在7～9之间，搅拌时间为16～18h；二氧化硅结构表面改性后进行洗涤，过滤，然后以5～10℃/min升温到50～80℃，干燥；改性后的粉体和至少一种结晶酶或溶液酶加入到的去离子水、醋酸盐溶液、磷酸盐缓冲溶液或卤化物的溶液中，并与之充分混合进行酶的负载，控制pH值在6～7.5之间，温度控制在20～52℃；负载结束后进行洗涤，过滤，冷冻干燥3～6h。
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