CN114405545A - 一种纤维素内切印迹模拟酶、构建方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纤维素内切印迹模拟酶、构建方法及其应用，属于新材料技术领域，本发明应用分子印迹技术，基于生物源交联功能单体、金属离子、硼酸基单体、可聚合离子液体，在聚苯乙烯微球表面仿生设计和构建高活性印迹模拟酶水凝胶，实现纤维素生物质的高效转化和利用。本发明的成果有助于充实模拟酶构建理论的内涵，破解天然酶所存在的难题，实现生物质高效转化和利用，推动生态环境和能源利用矛盾的解决，对于落实生态文明理念，转变产业结构，推动经济、社会和生态协调、绿色和可持续发展，均具有重要的理论和实践意义。

Description

一种纤维素内切印迹模拟酶、构建方法及其应用
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种纤维素内切分子印迹酶制备方法及其在纤维素类物质降解转化中的应用。
背景技术
纤维素是地球上分布最广、蕴藏量最丰富的生物质，也是最廉价的可再生资源。随着现代工业的快速发展，对能源的需求日益增加，化石能源日益短缺且不可再生，促使人们不断研究和开发新的可再生能源。在各种替代能源中，只有生物质能是直接以化学质能的形式存在，能在最大程度上适应现有的工业体系和社会应用，还可以有效降低温室效应，减缓环境污染，改善化石能源的供求关系，保障供求平衡。生物质一方面可以生产生物燃料替代化石能源，另一方面可以生产各种生物质化工产品，实现能源的间接替代。生物质能的开发和利用是解决人类未来能源需求的可行途径，但生物质能的开发利用水平仍然较低，未来的发展前景十分广阔。
在生物质能的开发利用过程中，纤维素的降解是纤维素生物质有效利用的关键环节，利用纤维素酶降解纤维素具有催化效率高、专一性强、反应条件温和及反应过程无污染等优点。但大多数天然纤维素酶的提纯困难、生产成本高、耐受性差、不易储存、难以回收和多次重复使用。通过生物技术进行遗传改良虽然能在一定范围内增加酶产量，提高酶活性，但改善幅度有限，难以从根本上解决天然纤维素酶所面临的各种难题。
分子印迹技术（Molecular Imprinting Technology，MIT）的出现及其在抗体或酶模拟物方面的突破性进展为新型高效催化剂的研制和开发提供了新的技术路径。该技术从仿生学的角度，采用化学方法合成对特定靶标分子有特异性识别作用的聚合物，具有构效预定性、识别专一性和制备便捷性。应用MIT可以简便高效地获得特异性强、稳定性好和催化效率高的生物模拟物，即分子印迹模拟酶（Molecularly Imprinted Catalyst，MIC）。通过对模板分子的印迹，可以使MIC内形成一个在空间结构上完全匹配的三维空腔结构，进而特异性识别和催化相应的化学反应。基于酶的生物学催化原理，运用MIT和相关的生物化工技术，构建高活性的MIC，已成为破解生物质能开发和应用难题的突破口和切入点。目前，MIC在Diels-Alder环加成、酯类和肽类水解、氧化、还原和消除等反应中均显示了令人鼓舞的催化活性。
在纤维素生物降解过程中，纤维素内切酶是水解的关键酶类，相关的催化机理和活性区域也较为明确。
本发明结合天然纤维素内切酶的活性结构域和催化机理，应用高分子化学方法，仿生设计和构建高活性MIC，实现纤维素生物质的高效降解和开发利用。本发明的成果有利于充实MIT技术的理论内涵，发展新型MIC，破解传统生物酶所存在的问题，实现生物质的高效循环利用，具有重要的理论价值和广阔的推广应用前景。相关成果的转化与应用有助于缓解环境破坏和资源枯竭矛盾，贯彻生态文明理念，创新发展模式，推动社会、经济和生态系统的协调、绿色与可持续发展。
发明内容
为了制备稳定性好、催化效率和专一性高的人工模拟酶，本发明应用分子印迹技术，基于生物源交联功能单体、金属离子、硼酸基单体、可聚合离子液体，在聚苯乙烯微球表面仿生设计和构建高活性印迹模拟酶水凝胶，实现纤维素生物质的高效转化和利用。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案如下：
本发明提供一种纤维素内切印迹模拟酶的构建方法，包括以下步骤：
（1）模板分子优选：
采用底物类似物麦芽糖、纤维二糖、纤维三糖和纤维四糖以及过渡态类似物麦芽糖环己烯衍生物、纤维二糖环己烯衍生物、纤维三糖环己烯衍生物和纤维四糖环己烯衍生物中的一种作为模板分子；
（2）生物源交联功能单体的制备：
将10 mmol的氨基酸置于300 mL的四口瓶中，加入100 mL的水和10 mmol-30 mmol的三乙胺，待完全溶解后，在冰水浴下搅拌20 min，缓慢滴加丙烯酰氯10 mmol-50 mmol，滴完后在冰水浴下反应1 h-3 h，放入微波反应仪器反应0.5 h-4 h，所得产物溶液调节pH值为1-6，用乙酸乙酯液液萃取3次，合并有机相，低温冷冻干燥，常温密封保存；
（3）氨基化聚苯乙烯微球：
将聚乙烯吡咯烷酮、烷基酚聚氧乙烯醚或聚乙二醇水溶液作为分散剂，加入苯乙烯单体，通入氮气保护，加热至60 ℃-80 ℃，搅拌，加入引发剂偶氮二异丁腈，恒温反应12h-72 h，得到聚苯乙烯微球；
将3-氨丙基三乙氧基硅烷加入硝基苯和二氯甲烷的混合溶剂中，涡旋震荡混匀，加入所述聚苯乙烯微球，通入氮气保护，加热至60 ℃-90 ℃，恒温反应5 h-9 h，即得到氨基化聚苯乙烯微球；
（4）分子印迹凝胶微球的制备
氨基化聚苯乙烯微球硼酸化：将氨基化苯硼酸类单体溶解于pH 7.2 0.01 mol/L的磷酸盐缓冲液中，室温下，磁力搅拌溶解，制得氨基化苯硼酸类单体溶液；将步骤（3）所得氨基化聚苯乙烯微球悬浮于50 mL-500 mL pH 7.2 0.01 mol/L的磷酸盐缓冲液，涡旋混匀，制得氨基化聚苯乙烯微球悬浮液；将氨基化苯硼酸类单体溶液和戊二醛水溶液分别同时缓慢逐滴加入氨基化聚苯乙烯微球悬浮液中，室温下搅拌反应，产物放入透析袋中，经去离子水透析5天，每天更换3次透析液，监测透析袋外液至透析完全，将产物混悬液静置，去除微球自偶联物沉淀，收集上层液体，离心，用去离子水离心洗脱7次，乙醇离心洗脱3次，真空冷冻干燥至恒重，对产物进行分析表征，制得硼酸化氨基聚苯乙烯微球；
聚苯乙烯凝胶微球的制备：将所述硼酸化氨基聚苯乙烯微球悬浮于50 mL-500 mL去离子水中，加入步骤（1）所述的模板分子，待模板分子与硼酸化氨基聚苯乙烯微球的硼酸基团形成可逆共价键后，再加入步骤（2）所得生物源交联功能单体、离子液体功能单体、金属离子、引发剂、增敏剂和交联剂，加热至40 ℃-60 ℃，恒温磁力搅拌，氮气氛下引发聚合12 h-24 h，产物经乙酸水溶液和乙醇依次离心洗脱后，除去未反应的组分和模板分子，直至洗脱液中无模板分子出现为止。
步骤（2）中，所述氨基酸为组氨酸、色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、脯氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸和精氨酸中的一种，构型为L型或D型。
步骤（3）中，所述分散剂的添加量为0.5%-12%，苯乙烯单体的添加量为13%-44%，引发剂偶氮二异丁腈的添加量为苯乙烯单体量20%- 50%；硝基苯和二氯甲烷混合溶剂中二者的体积比为1:3-10，每克聚苯乙烯微球所对应的3-氨丙基三乙氧基硅烷的添加量为1 mL/g-3mL/g。
步骤（4）中，所述氨基苯硼酸类单体的种类为3-氨基苯硼酸、4-氨基苯硼酸、2-氨基苯硼酸、2，3-二氨基苯硼酸、2，4-二氨基苯硼酸、3，4-二氨基苯硼酸和2，3，4-三氨基苯硼酸；所述的戊二醛水溶液的浓度为20%-35%；氨基苯硼酸类单体的添加量为3-氨丙基三乙氧基硅烷的等摩尔量；戊二醛的添加量为总溶液体积的10%-25%。
在步骤（4）所述聚苯乙烯凝胶微球的制备中，硼酸化氨基聚苯乙烯微球的添加量为3 g-5 g，去离子水100 mL-300 mL；生物源交联功能单体2 mmol/L-8 mmol/L；离子液体功能单体的添加量为1 mmol/L-10 mmol/L，种类为溴化1-（α-甲基丙烯酸）-3-甲基咪唑、溴化1-（α-甲基丙烯酸）-3-乙基咪唑、溴化1-（丁烯酸）-3-甲基咪唑、溴化1-（丁烯酸）-3-乙基咪唑、1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐、氯化1-乙烯基-3-羧甲基咪唑、1-乙烯基-3-乙酸乙酯咪唑氯、1-乙烯基-3-氨丙基咪唑盐、1-(3-巯基丙基)-3-乙烯基咪唑四氟硼酸盐、1-乙烯基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐、1-乙烯基-3-丙胺咪唑氢溴酸盐、1-乙烯基-3-丁烯咪唑溴盐、1-乙烯基-3-丁基咪唑氯盐、1-乙烯基-3-丙基咪唑磺酸盐、碘化1-乙烯基-3-甲基咪唑、溴化1-乙烯基-3-{3-[(2-氨乙基)氨基]丙基}咪唑、1-乙烯基-3-己基咪唑六氟磷酸盐或1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐。
在步骤（4）所述聚苯乙烯凝胶微球的制备中，所述的金属离子的种类为为Fe2+、Ca2 +、Na+、Ni2+、Mg2+或Co2+，添加量为3 mmol/L-6 mmol/L；所述的引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾，添加量为0.2 mmol/L-1.2 mmol/L；所述的增敏剂为N，N-二甲基苯胺、三乙胺或N，N，N'，N'-四甲基乙二胺，添加量为0.2 mmol/L-0.6 mmol/L；所述的交联剂为N，N'-亚甲基双丙烯酰胺、乙烯基双丙烯酰胺、N，N'-双丙烯酰胺哌嗪、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、四乙二醇二甲基丙烯酸酯、羟甲基丙烯酰胺、3-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷或乙烯基壳聚糖，添加量为单体加入量的2-10倍。
本发明还提供利用上述构建方法构建所得的纤维素内切印迹模拟酶以及该酶在纤维素降解、转化和利用方面的应用。
进一步地，所述应用是指利用所述纤维素内切印迹模拟酶催化降解羧甲基纤维素，具体步骤如下：以羧甲基纤维素水溶液为底物，加入纤维素内切印迹模拟酶凝胶微球，室温孵育0.5 h-24 h；所述纤维素内切印迹模拟酶凝胶微球的添加量为羧甲基纤维素水溶液总质量的10%-30%；羧甲基纤维素溶液的浓度为5%-15%，体积为100 mL-500 mL；催化反应的pH值为1-5，反应温度为18 ℃-60 ℃。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
1. 与天然酶相比，本发明的MIC具有制备简便、性质稳定、可重复多次使用、催化效率高等优点。
2. 本发明所制备的分子印迹水凝胶微球，具有生物相容性好，传质速率快，催化效率高等优点。
3. 本发明基于生物源交联功能单体、金属离子和离子液体，改善了印迹水凝胶微球的机械性能和物理特征，能够确保模拟酶的催化活性。
4. 本发明所制备的纤维素内切印迹酶水凝胶微球，具有理化性质稳定，对极端环境耐受性好，无需特殊保存条件，在常规条件下能长期保存。
附图说明
图1是利用本发明所述纤维素内切印迹模拟酶催化降解纤维素的示意图。
具体实施方式
本发明应用分子印迹技术，基于生物源交联功能单体、金属离子、硼酸基单体、可聚合离子液体，在聚苯乙烯微球表面仿生设计和构建高活性印迹模拟酶水凝胶，实现纤维素生物质的高效转化和利用。本发明的成果有助于充实模拟酶构建理论的内涵，破解天然酶所存在的难题，实现生物质高效转化和利用，推动生态环境和能源利用矛盾的解决，对于落实生态文明理念，转变产业结构，推动经济、社会和生态协调、绿色和可持续发展，均具有重要的理论和实践意义。
本发明通过化学方法制备生物源交联功能单体，仿生设计和构建高活性MIC，用于纤维素的生物降解和转化。采用溶胶-凝胶法构建纤维素内切印迹酶，具体的制备步骤如下。
（1）模板分子优选
分别采用底物类似物麦芽糖、纤维二糖、纤维三糖和纤维四糖以及过渡态类似物麦芽糖环己烯衍生物、纤维二糖环己烯衍生物、纤维三糖环己烯衍生物和纤维四糖环己烯衍生物作为模板分子。
（2）生物源交联功能单体的制备
将10 mmol的氨基酸置于300 mL的四口瓶中，加入100 mL的水和10 mmol-30 mmol的三乙胺，待完全溶解后，在冰水浴下搅拌20 min，缓慢滴加丙烯酰氯10 mmol-50 mmol，滴完后在冰水浴下反应1 h-3 h，放入微波反应仪器反应0.5 h-4 h，所得产物溶液调节pH值为1-6，用乙酸乙酯液液萃取3次，合并有机相，低温冷冻干燥，常温密封保存。
（3）氨基化聚苯乙烯微球
将聚乙烯吡咯烷酮、烷基酚聚氧乙烯醚或聚乙二醇水溶液作为分散剂，加入苯乙烯单体，通入氮气保护，加热至60 ℃-80 ℃，搅拌，加入引发剂偶氮二异丁腈，恒温反应12h-72 h，得到聚苯乙烯微球。
将3-氨丙基三乙氧基硅烷加入硝基苯和二氯甲烷的混合溶剂中，涡旋震荡混匀，加入聚苯乙烯微球，通入氮气保护，加热至60 ℃-90 ℃，恒温反应5 h-9 h，即得到氨基化聚苯乙烯微球。
（4）分子印迹凝胶微球的制备
氨基聚苯乙烯微球硼酸化：将氨基苯硼酸类单体溶解于pH 7.2 0.01 mol/L的磷酸盐缓冲液中，室温下，磁力搅拌溶解。将氨基化聚苯乙烯微球悬浮于50 mL-500 mL pH7.2 0.01 mol/L的磷酸盐缓冲液，涡旋混匀。将氨基苯硼酸类单体溶液和戊二醛水溶液分别同时缓慢逐滴加入氨基化聚苯乙烯微球悬浮液中，室温下搅拌反应，产物放入透析袋中，经去离子水透析5天，每天更换3次透析液，监测透析袋外液至透析完全，将产物混悬液静置，去除微球自偶联物沉淀，收集上层液体，离心，用去离子水离心洗脱7次，乙醇离心洗脱3次，真空冷冻干燥至恒重，对产物进行分析表征。
聚苯乙烯凝胶微球的制备：将硼酸化氨基聚苯乙烯微球悬浮于50 mL-500 mL去离子水中，加入模板分子，待模板分子与氨基聚苯乙烯微球的硼酸基团形成可逆共价键后，再加入氨基酸源交联功能单体、离子液体功能单体、金属离子、引发剂、增敏剂和交联剂，加热至40 ℃-60 ℃，恒温磁力搅拌，氮气氛下引发聚合12 h-24 h，产物经乙酸水溶液（体积比1:4）和乙醇依次离心洗脱后，除去未反应的组分和模板分子，直至洗脱液中无模板分子出现为止。空白印迹凝胶微球的制备除不加模板分子外，方法同上。
（5）分子印迹凝胶微球的催化活性表征
以羧甲基纤维素水溶液为底物，加入分子印迹凝胶微球，室温孵育0.5 h-24 h，分析催化反应温度、pH值和金属离子等因素对印迹凝胶模拟酶微球催化活性的影响，计算酶促动力学反应参数，分析催化动力学过程和特征。
所述步骤（1）中过渡态类似物麦芽糖环己烯衍生物、纤维二糖环己烯衍生物、纤维三糖环己烯衍生物和纤维四糖环己烯衍生物为上述各种糖的一环己烯衍生物。
所述步骤（2）中的氨基酸为组氨酸、色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、脯氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸和精氨酸中的一种，构型为L型或D型。
所述步骤（3）中分散剂的添加量为0.5%-12%，苯乙烯单体的添加量为13%-44%，硝基苯和二氯甲烷混合溶剂中二者的体积比为1:3-10，每克聚苯乙烯微球所对应的3-氨丙基三乙氧基硅烷的添加量为1 mL/g-3mL/g，引发剂偶氮二异丁腈的添加量为苯乙烯单体量20%- 50%。
所述步骤（4）中氨基苯硼酸类单体的种类为3-氨基苯硼酸、4-氨基苯硼酸、2-氨基苯硼酸、2，3-二氨基苯硼酸、2，4-二氨基苯硼酸、3，4-二氨基苯硼酸和2，3，4-三氨基苯硼酸；所述的戊二醛的浓度为20%-35%；苯硼酸类单体的添加量为3-氨丙基三乙氧基硅烷的等摩尔量；戊二醛的添加量为总溶液体积的10%-25%。
所述步骤（4）中硼酸化的氨基聚苯乙烯微球的添加量为3 g-5 g，去离子水100mL-300 mL；氨基酸源交联功能单体2 mmol/L-8 mmol/L；离子液体功能单体的添加量为1mmol/L-10 mmol/L，种类为溴化1-（α-甲基丙烯酸）-3-甲基咪唑、溴化1-（α-甲基丙烯酸）-3-乙基咪唑、溴化1-（丁烯酸）-3-甲基咪唑、溴化1-（丁烯酸）-3-乙基咪唑、1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐、氯化1-乙烯基-3-羧甲基咪唑、1-乙烯基-3-乙酸乙酯咪唑氯、1-乙烯基-3-氨丙基咪唑盐、1-(3-巯基丙基)-3-乙烯基咪唑四氟硼酸盐、1-乙烯基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐、1-乙烯基-3-丙胺咪唑氢溴酸盐、1-乙烯基-3-丁烯咪唑溴盐、1-乙烯基-3-丁基咪唑氯盐、1-乙烯基-3-丙基咪唑磺酸盐、碘化1-乙烯基-3-甲基咪唑、溴化1-乙烯基-3-{3-[(2-氨乙基)氨基]丙基}咪唑、1-乙烯基-3-己基咪唑六氟磷酸盐或1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐。
所述步骤（4）中所述的金属离子的种类为为Fe2+、Ca2+、Na+、Ni2+、Mg2+或Co2+，添加量为3 mmol/L-6 mmol/L；所述的引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾，添加量为0.2 mmol/L-1.2mmol/L；所述的增敏剂为N，N-二甲基苯胺、三乙胺或N，N，N'，N'-四甲基乙二胺，添加量为0.2 mmol/L-0.6 mmol/L；所述的交联剂为N，N'-亚甲基双丙烯酰胺、乙烯基双丙烯酰胺、N，N'-双丙烯酰胺哌嗪、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、四乙二醇二甲基丙烯酸酯、羟甲基丙烯酰胺、3-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷或乙烯基壳聚糖，添加量为单体加入量的2-10倍。
所述步骤（5）中MIC微球的添加量为底物溶液总质量的10%-30%，羧甲基纤维素溶液的浓度为5%-15%，体积为100 mL-500 mL，催化反应的pH值为1-5，反应温度为18 ℃-60℃。
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
（1）模板分子优选
以纤维二糖作为模板分子，进行纤维素内切印迹酶的构建与表征。
（2）生物源性交联功能单体的制备
将10 mmol的L-组氨酸置于300 mL的四口瓶中，加入100 mL的水和10 mmol的三乙胺，待完全溶解后，在冰水浴下搅拌20 min，缓慢滴加丙烯酰氯10 mmol，滴完后在冰水浴下反应1h，放入微波反应仪器反应0.5 h，所得产物溶液调节pH值为1，用乙酸乙酯液液萃取3次，合并有机相，低温冷冻干燥，常温密封保存。
（3）氨基化聚苯乙烯微球
将2%的聚乙烯吡咯烷酮水溶液作为分散剂，加入15%的苯乙烯单体，通入氮气保护，加热至60 ℃，搅拌，加入引发剂偶氮二异丁腈，添加量为苯乙烯单体量20%，恒温反应12h，得到聚苯乙烯微球。
将3-氨丙基三乙氧基硅烷加入硝基苯和二氯甲烷的混合溶剂（1:3，v/v）中，涡旋震荡混匀，加入聚苯乙烯微球，每克聚苯乙烯微球所对应的3-氨丙基三乙氧基硅烷的添加量为1 mL/g，通入氮气保护，加热至60 ℃，恒温反应5 h，即得到氨基化聚苯乙烯微球。
（4）分子印迹凝胶微球的制备
氨基聚苯乙烯微球硼酸化：将4-氨基苯硼酸溶解于pH 7.2 0.01 mol/L的磷酸盐缓冲液中，单体的量为3-氨丙基三乙氧基硅烷的等摩尔量，室温下，磁力搅拌溶解。将氨基化聚苯乙烯微球悬浮于50 mL pH 7.2 0.01 mol/L的磷酸盐缓冲液，涡旋混匀。将4-氨基苯硼酸溶液和戊二醛水溶液分别同时缓慢逐滴加入氨基化聚苯乙烯微球悬浮液中，戊二醛的添加量为总溶液体积的10%，室温下搅拌反应，产物放入透析袋中，经去离子水透析5天，每天更换3次透析液，监测透析袋外液至透析完全，将产物混悬液静置，去除微球自偶联物沉淀，收集上层液体，离心，用去离子水离心洗脱7次，乙醇离心洗脱3次，真空冷冻干燥至恒重，对产物进行分析表征。
聚苯乙烯凝胶微球的制备：将硼酸化的氨基聚苯乙烯微球悬浮于50 mL去离子水中，加入2 mmol/L的N-丙烯酰基-L-组氨酸交联功能单体、1 mmol/L的1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐、3 mmol/L氯化亚铁、0.2 mmol/L的过硫酸铵、0.2 mmol/L N，N-二甲基苯胺和10 mmol/L聚乙二醇二甲基丙烯酸酯，加热至45 ℃，恒温磁力搅拌，氮气氛下引发聚合14h，产物经乙酸水溶液（体积比1:4）和乙醇依次离心洗脱后，除去未反应的组分和模板分子，直至洗脱液中无模板分子出现为止。空白印迹凝胶微球的制备除不加模板分子外，方法同上。
（5）分子印迹凝胶微球的催化活性表征
以羧甲基纤维素为底物，将印迹凝胶微球加入150 mL 5%的羧甲基纤维素溶液中，孵育2 h，印迹凝胶微球的添加量为底物溶液总质量15%，催化反应的pH值为3.5，反应温度为25 ℃，采用DNS法，测定反应前后还原糖的生成量，据此筛选测定模拟酶微球的催化性能，对还原糖生成量比较高的样本应用高效液相色谱-串联质谱方法进行确证分析，详细分析产物种类和反应体系的变化。结果显示酶活力为9.27 U mL-1，米氏常数为3.4 mg mL-1，对空白微球催化性能测定和分析结果显示，催化活性仅为印迹模拟酶的7.2%。
实施例2
（1）模板分子优选
以麦芽糖作为模板分子，进行纤维素内切印迹酶的构建与表征。
（2）生物源性交联功能单体的制备
将10 mmol的L-色氨酸置于300 mL的四口瓶中，加入100 mL的水和20 mmol的三乙胺，待完全溶解后，在冰水浴下搅拌20 min，缓慢滴加丙烯酰氯30 mmol，滴完后在冰水浴下反应2 h，放入微波反应仪器反应1 h，所得产物溶液调节pH值为2，用乙酸乙酯液液萃取3次，合并有机相，低温冷冻干燥，常温密封保存。
（3）氨基化聚苯乙烯微球
将4%的烷基酚聚氧乙烯醚水溶液作为分散剂，加入20%的苯乙烯单体，通入氮气保护，加热至70 ℃，搅拌，加入引发剂偶氮二异丁腈，添加量为苯乙烯单体量30%，恒温反应24h，得到聚苯乙烯微球。
将3-氨丙基三乙氧基硅烷加入硝基苯和二氯甲烷的混合溶剂（1:6，v/v）中，涡旋震荡混匀，加入聚苯乙烯微球，每克聚苯乙烯微球所对应的3-氨丙基三乙氧基硅烷的添加量为2 mL/g，通入氮气保护，加热至70 ℃，恒温反应7 h，即得到氨基化聚苯乙烯微球。
（4）分子印迹凝胶微球的制备
氨基聚苯乙烯微球硼酸化：将3-氨基苯硼酸溶解于pH 7.2 0.01 mol/L的磷酸盐缓冲液中，单体的量为3-氨丙基三乙氧基硅烷的等摩尔量，室温下，磁力搅拌溶解。将氨基化聚苯乙烯微球悬浮于300 mL pH 7.2 0.01 mol/L的磷酸盐缓冲液，涡旋混匀。将3-氨基苯硼酸溶液和戊二醛水溶液分别同时缓慢逐滴加入氨基化聚苯乙烯微球悬浮液中，戊二醛的添加量为总溶液体积的15%，室温下搅拌反应，产物放入透析袋中，经去离子水透析5天，每天更换3次透析液，监测透析袋外液至透析完全，将产物混悬液静置，去除微球自偶联物沉淀，收集上层液体，离心，用去离子水离心洗脱7次，乙醇离心洗脱3次，真空冷冻干燥至恒重，对产物进行分析表征。
聚苯乙烯凝胶微球的制备：将硼酸化的氨基聚苯乙烯微球悬浮于250 mL去离子水中，加入4 mmol/L的N-丙烯酰基-L-色氨酸交联功能单体、3 mmol/L的1-乙烯基-3-氨丙基咪唑盐、5 mmol/L硫酸钴、0.4 mmol/L的过硫酸铵、0.4 mmol/L N，N-二甲基苯胺和16mmol/L四乙二醇二甲基丙烯酸酯，加热至50 ℃，恒温磁力搅拌，氮气氛下引发聚合18 h，产物经乙酸水溶液（体积比1:4）和乙醇依次离心洗脱后，除去未反应的组分和模板分子，直至洗脱液中无模板分子出现为止。空白印迹凝胶微球的制备除不加模板分子外，方法同上。
（5）分子印迹凝胶微球的催化活性表征
以羧甲基纤维素为底物，将印迹凝胶微球加入300 mL 10%的羧甲基纤维素溶液中，孵育3 h，印迹凝胶微球的添加量为底物溶液总质量20%，催化反应的pH值为2.5，反应温度为45 ℃，采用DNS法，测定反应前后还原糖的生成量，据此筛选测定模拟酶微球的催化性能，对还原糖生成量比较高的样本应用高效液相色谱-串联质谱方法进行确证分析，详细分析产物种类和反应体系的变化。结果显示酶活力为15.66 U mL-1，米氏常数为8.7 mg mL-1，对空白微球催化性能测定和分析结果显示，催化活性仅为印迹模拟酶的6.3%。
实施例3
（1）模板分子优选
以纤维三糖作为模板分子，进行纤维素内切印迹酶的构建与表征。
（2）生物源性交联功能单体的制备
将10 mmol的L-酪氨酸置于300 mL的四口瓶中，加入100 mL的水和30 mmol的三乙胺，待完全溶解后，在冰水浴下搅拌20 min，缓慢滴加丙烯酰氯50 mmol，滴完后在冰水浴下反应3 h，放入微波反应仪器反应2 h，所得产物溶液调节pH值为3，用乙酸乙酯液液萃取3次，合并有机相，低温冷冻干燥，常温密封保存。
（3）氨基化聚苯乙烯微球
将6%的聚乙二醇水溶液作为分散剂，加入30%的苯乙烯单体，通入氮气保护，加热至80 ℃，搅拌，加入引发剂偶氮二异丁腈，添加量为苯乙烯单体量40%，恒温反应48 h，得到聚苯乙烯微球。
将3-氨丙基三乙氧基硅烷加入硝基苯和二氯甲烷的混合溶剂（1:9，v/v）中，涡旋震荡混匀，加入聚苯乙烯微球，每克聚苯乙烯微球所对应的3-氨丙基三乙氧基硅烷的添加量为3 mL/g，通入氮气保护，加热至80 ℃，恒温反应9 h，即得到氨基化聚苯乙烯微球。
（4）分子印迹凝胶微球的制备
氨基聚苯乙烯微球硼酸化：将2，4-二氨基苯硼酸溶解于pH 7.2 0.01 mol/L的磷酸盐缓冲液中，单体的量为3-氨丙基三乙氧基硅烷的等摩尔量，室温下，磁力搅拌溶解。将氨基化聚苯乙烯微球悬浮于400 mL pH 7.2 0.01 mol/L的磷酸盐缓冲液，涡旋混匀。将2，4-二氨基苯硼酸溶液和戊二醛水溶液分别同时缓慢逐滴加入氨基化聚苯乙烯微球悬浮液中，戊二醛的添加量为总溶液体积的20%，室温下搅拌反应，产物放入透析袋中，经去离子水透析5天，每天更换3次透析液，监测透析袋外液至透析完全，将产物混悬液静置，去除微球自偶联物沉淀，收集上层液体，离心，用去离子水离心洗脱7次，乙醇离心洗脱3次，真空冷冻干燥至恒重，对产物进行分析表征。
聚苯乙烯凝胶微球的制备：将硼酸化的氨基聚苯乙烯微球悬浮于500 mL去离子水中，加入6 mmol/L的N-丙烯酰基-L-酪氨酸交联功能单体、5 mmol/L的1-乙烯基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐、6 mmol/L氯化钙、0.6 mmol/L的过硫酸铵、0.6 mmol/L N，N-二甲基苯胺和36 mmol/L N，N'-亚甲基双丙烯酰胺，加热至55 ℃，恒温磁力搅拌，氮气氛下引发聚合21h，产物经乙酸水溶液（体积比1:4）和乙醇依次离心洗脱后，除去未反应的组分和模板分子，直至洗脱液中无模板分子出现为止。空白印迹凝胶微球的制备除不加模板分子外，方法同上。
（5）分子印迹凝胶微球的催化活性表征
以羧甲基纤维素为底物，将印迹凝胶微球加入450 mL 15%的羧甲基纤维素溶液中，孵育4 h，印迹凝胶微球的添加量为底物溶液总质量30%，催化反应的pH值为1.5，反应温度为55 ℃，采用DNS法，测定反应前后还原糖的生成量，据此筛选测定模拟酶微球的催化性能，对还原糖生成量比较高的样本应用高效液相色谱-串联质谱方法进行确证分析，详细分析产物种类和反应体系的变化。结果显示酶活力为23.22 U mL-1，米氏常数为10.5 mg mL-1，对空白微球催化性能测定和分析结果显示，催化活性仅为印迹模拟酶的4.7%。
需要说明的是，以上所述的实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种纤维素内切印迹模拟酶的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）模板分子优选：
采用底物类似物麦芽糖、纤维二糖、纤维三糖和纤维四糖以及过渡态类似物麦芽糖环己烯衍生物、纤维二糖环己烯衍生物、纤维三糖环己烯衍生物和纤维四糖环己烯衍生物中的一种作为模板分子；
（2）生物源交联功能单体的制备：
将10 mmol的氨基酸置于300 mL的四口瓶中，加入100 mL的水和10 mmol-30 mmol的三乙胺，待完全溶解后，在冰水浴下搅拌20 min，缓慢滴加丙烯酰氯10 mmol-50 mmol，滴完后在冰水浴下反应1 h-3 h，放入微波反应仪器反应0.5 h-4 h，所得产物溶液调节pH值为1-6，用乙酸乙酯液液萃取3次，合并有机相，低温冷冻干燥，常温密封保存；
（3）氨基化聚苯乙烯微球：
将聚乙烯吡咯烷酮、烷基酚聚氧乙烯醚或聚乙二醇水溶液作为分散剂，加入苯乙烯单体，通入氮气保护，加热至60 ℃-80 ℃，搅拌，加入引发剂偶氮二异丁腈，恒温反应12 h-72h，得到聚苯乙烯微球；
将3-氨丙基三乙氧基硅烷加入硝基苯和二氯甲烷的混合溶剂中，涡旋震荡混匀，加入所述聚苯乙烯微球，通入氮气保护，加热至60 ℃-90 ℃，恒温反应5 h-9 h，即得到氨基化聚苯乙烯微球；
（4）分子印迹凝胶微球的制备：
氨基化聚苯乙烯微球硼酸化：将氨基化苯硼酸类单体溶解于pH 7.2 0.01 mol/L的磷酸盐缓冲液中，室温下，磁力搅拌溶解，制得氨基化苯硼酸类单体溶液；将步骤（3）所得氨基化聚苯乙烯微球悬浮于50 mL-500 mL pH 7.2 0.01 mol/L的磷酸盐缓冲液，涡旋混匀，制得氨基化聚苯乙烯微球悬浮液；将氨基化苯硼酸类单体溶液和戊二醛水溶液分别同时缓慢逐滴加入氨基化聚苯乙烯微球悬浮液中，室温下搅拌反应，产物放入透析袋中，经去离子水透析5天，每天更换3次透析液，监测透析袋外液至透析完全，将产物混悬液静置，去除微球自偶联物沉淀，收集上层液体，离心，用去离子水离心洗脱7次，乙醇离心洗脱3次，真空冷冻干燥至恒重，对产物进行分析表征，制得硼酸化氨基聚苯乙烯微球；
聚苯乙烯凝胶微球的制备：将所述硼酸化氨基聚苯乙烯微球悬浮于50 mL-500 mL去离子水中，加入步骤（1）所述的模板分子，待模板分子与硼酸化氨基聚苯乙烯微球的硼酸基团形成可逆共价键后，再加入步骤（2）所得生物源交联功能单体、离子液体功能单体、金属离子、引发剂、增敏剂和交联剂，加热至40 ℃-60 ℃，恒温磁力搅拌，氮气氛下引发聚合12 h-24 h，产物经乙酸水溶液和乙醇依次离心洗脱后，除去未反应的组分和模板分子，直至洗脱液中无模板分子出现为止。
2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于：步骤（2）中，所述氨基酸为组氨酸、色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、脯氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸和精氨酸中的一种，构型为L型或D型。
3.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于：步骤（3）中，所述分散剂的添加量为0.5%-12%，苯乙烯单体的添加量为13%-44%，引发剂偶氮二异丁腈的添加量为苯乙烯单体量20%- 50%；硝基苯和二氯甲烷混合溶剂中二者的体积比为1:3-10，每克聚苯乙烯微球所对应的3-氨丙基三乙氧基硅烷的添加量为1 mL/g-3mL/g。
4.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于：步骤（4）中，所述氨基苯硼酸类单体的种类为3-氨基苯硼酸、4-氨基苯硼酸、2-氨基苯硼酸、2，3-二氨基苯硼酸、2，4-二氨基苯硼酸、3，4-二氨基苯硼酸和2，3，4-三氨基苯硼酸；所述的戊二醛水溶液的浓度为20%-35%；氨基苯硼酸类单体的添加量为3-氨丙基三乙氧基硅烷的等摩尔量；戊二醛的添加量为总溶液体积的10%-25%。
5.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于：在步骤（4）所述聚苯乙烯凝胶微球的制备中，硼酸化氨基聚苯乙烯微球的添加量为3 g-5 g，去离子水100 mL-300 mL；生物源交联功能单体2 mmol/L-8 mmol/L；离子液体功能单体的添加量为1 mmol/L-10 mmol/L，种类为溴化1-（α-甲基丙烯酸）-3-甲基咪唑、溴化1-（α-甲基丙烯酸）-3-乙基咪唑、溴化1-（丁烯酸）-3-甲基咪唑、溴化1-（丁烯酸）-3-乙基咪唑、1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐、氯化1-乙烯基-3-羧甲基咪唑、1-乙烯基-3-乙酸乙酯咪唑氯、1-乙烯基-3-氨丙基咪唑盐、1-(3-巯基丙基)-3-乙烯基咪唑四氟硼酸盐、1-乙烯基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐、1-乙烯基-3-丙胺咪唑氢溴酸盐、1-乙烯基-3-丁烯咪唑溴盐、1-乙烯基-3-丁基咪唑氯盐、1-乙烯基-3-丙基咪唑磺酸盐、碘化1-乙烯基-3-甲基咪唑、溴化1-乙烯基-3-{3-[(2-氨乙基)氨基]丙基}咪唑、1-乙烯基-3-己基咪唑六氟磷酸盐或1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐。
6.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于：所述的金属离子的种类为为Fe2+、Ca2+、Na+、Ni2+、Mg2+或Co2+，添加量为3 mmol/L-6 mmol/L；所述的引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾，添加量为0.2 mmol/L-1.2 mmol/L；所述的增敏剂为N，N-二甲基苯胺、三乙胺或N，N，N'，N'-四甲基乙二胺，添加量为0.2 mmol/L-0.6 mmol/L；所述的交联剂为N，N'-亚甲基双丙烯酰胺、乙烯基双丙烯酰胺、N，N'-双丙烯酰胺哌嗪、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、四乙二醇二甲基丙烯酸酯、羟甲基丙烯酰胺、3-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷或乙烯基壳聚糖，添加量为单体加入量的2-10倍。
7.根据权利要求1-6任意一种所述的构建方法构建所得的纤维素内切印迹模拟酶。
8.根据权利要求7所述的纤维素内切印迹模拟酶在纤维素降解、转化和利用方面的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述应用是指利用所述纤维素内切印迹模拟酶催化降解羧甲基纤维素，具体步骤如下：以羧甲基纤维素水溶液为底物，加入纤维素内切印迹模拟酶凝胶微球，室温孵育0.5 h-24 h；所述纤维素内切印迹模拟酶凝胶微球的添加量为羧甲基纤维素水溶液总质量的10%-30%；羧甲基纤维素溶液的浓度为5%-15%，体积为100 mL-500 mL；催化反应的pH值为1-5，反应温度为18 ℃-60 ℃。
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