CN1935994A - 一种有机基团功能化介孔分子筛酶固定化载体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固定化酶生物技术，特别涉及一种有机基团功能化介孔分子筛酶固定化载体及其制备方法。该载体包括介孔分子筛，其特征在于在介孔分子筛表面存在能与酶共价结合的有机基团官能团。该方法包括介孔分子筛的合成和介孔分子筛表面有机功能团的移植，载体的平均孔径为5－20nm，比表面积在340－600m2/g之间，载体固定化酶表观活性为1000－2000IU/g，重复使用次数10次后，载体固定化酶表观活性保留原始活性的90％以上。制备的功能化介孔分子筛借助自身的活性基团能够在温和的条件下以共价结合方式固定生物酶分子，获得的固定化青霉素酰化酶具有高的催化活性和使用稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种固定化酶生物技术，特别涉及一种有机基团功能化介孔分子筛酶固定化载体及其制备方法。
背景技术
酶作为一种生物催化剂，具有高度专一性——光学的、立体的或基团的选择性，在中性pH和常温下能够高效催化，其催化能力远远高于化学催化剂。尽管酶在生物体内能够催化许多化学反应，但用作工业催化剂却存在着严重的缺陷，对所处的环境十分敏感，在酸、碱、高温、有机溶剂中不稳定，容易丧失催化活性。游离酶直接用于催化反应过程，酶液不但不能回收，还造成产物分离、提纯困难，生产操作难以连续、可控。酶固定化技术既克服了游离酶的不足，又在一定程度上保持了酶特有的生物催化特性，因而越来越受到人们的普遍重视。
生物酶的固定化技术主要有包埋法、吸附法、交联法和化学共价法。包埋法分为网格型和微囊型两类，其制备工艺简便且条件温和，可获得较高的酶活力回收。但高分子网格或半透膜不利于底物与产物的扩散，导致固定化酶的活力减低。吸附法包括物理吸附和离子结合法，工艺简便且条件温和是其显著特点，可供选择的载体涉及天然或合成的无机与有机高分子材料。可是，由物理吸附、氢键以及离子键吸附固定的酶易受反应介质pH、离子强度等的影响而从载体上脱落，导致固定化酶的操作稳定性差。MCM-41等介孔分子筛表面存在大量的硅羟基，它们通过氢键及物理吸附固定青霉素酰化酶，可以获得活性达511IU/g的固定化青霉素酰化酶，如中国知识产权局2001年11月7日公告的，公开号为CN 1320688A的发明专利《用于青霉素酰化酶固定化的新型载体》，但该固定化酶的操作稳定性低，使用过程中酶分子不断脱落，这样固定化酶很难进行重复使用。交联法是先将酶吸附于不溶性载体上，然后使用双功能或多功能试剂，使酶分子之间进行分子间的交联，形成交联网状结构而使酶固定化。化学共价法则通过载体上的反应性活性基团，酶分子与载体之间产生共价结合实现酶的固定化。共价结合法的优点是酶与载体之间的结合很牢固，使用过程中不易发生酶的脱落，稳定性较好。缺点是酶分子氨基酸残基直接参与偶联反应，通常固定化反应比较剧烈，固定化过程对酶活力的损害严重。在载体设计上，与酶共价结合的功能基团可以直接在载体上形成；或者通过活化方法，如传统的重氮法、载体交联法、溴化氰法等，使载体表面形成能够使酶分子固定的功能基团。但不论经过上述哪种途径，若制备的载体既能在中性温和条件共价结合酶，又能为酶催化性能的发挥提供适宜的微环境，就很可能获得高活性高稳定性兼备的固定化酶。
目前用于酶固定化的载体有无机材料和有机材料。作为酶固定化载体，要求一定的化学稳定性，能抵抗微生物及酸碱等作用。与有机聚合物相比，无机材料在稳定性方面具有明显的优势，但传统的Al2O3、SiO2和TiO2等无机物用于固定化酶，始终没有获得高的催化活性。造成活性偏低的主要原因是上述普通无机物在绝大多数情况下是微孔材料，在酶的固定化过程中，体积较大的酶分子不能进入载体的孔道内，因而载体结合的酶量少，固定化酶的活性低。
新型M41S等介孔分子筛，具有规则纳米尺寸的孔道和高比表面积，是一种非常有潜力的生物酶催化剂固定化载体材料。然而用这类化学成分为SiO2(或掺有杂离子的SiO2)的多孔材料直接作生物酶固定化的载体时，酶与载体间结合的不牢固，使用中酶从载体上不断脱落，因而难以在实际中得到应用。
青霉素自问世以来，已为人类的健康事业做出了不可磨灭的贡献。然而伴随着青霉素日益广泛的甚至过度的使用，已经导致细菌对青霉素的耐药性也越来越严重。发展半合成青霉素和半合成头孢霉素正是对付病菌抗药性的唯一有效方法。6-氨基青霉烷酸(6-APA)是半合成青霉素的关键中间体，大多数新型半合成抗生素由6-APA转化得到，而6-APA主要由天然苄基青霉素以化学法或酶法去酰基得到。利用化学法生产6-APA，易造成环境污染，并且需要使用高毒性化学试剂如吡啶、PCl5、NOCl等。青霉素酰化酶(E C 3.5.1.11，penicillin G acylase，PGA)是半合成β-内酰胺类抗生素生产中最重要的工业用酶。上世纪70年代初，固定化青霉素酰化酶在水解青霉素G生产6-APA中的应用取代了传统的化学裂解法。酶法的高效、安全和低成本为化学合成提供了大量的6-APA，使化学法合成一系列新青霉素出现了突破性的发展。不久，青霉素扩环所得的头孢霉素G又应用固定化PGA催化裂解生产7-氨基脱乙酰头孢烷酸(7-ADCA)，推进了80年代从7-ADCA与酰基供体新侧链的化学缩合工艺，使头孢霉素成为临床消炎二线药物。90年代中期，固定化青霉素酰化酶又成功应用于Ampicillin，Amoxicillin，Cephalexin以及其它半合成抗生素的生产。固定化青霉素酰化酶生产工艺所具有的高效、低成本、安全无污染以及产品质量稳定等优点，极大地提高了生产和经济竞争力，从而引发了各国制药行业不惜花费大量资金和力量，对固定化青霉素酰化酶进行研究。目前，世界上每年固定化青霉素酰化酶的用量为30吨左右，国际上不少大的制药公司均有自己的固定化载体和固定化酶。我国对固定化酶技术的研究已取得了一定成就，但对固定化载体材料的研究起步较晚，至今还需要进口大量的固定化青霉素酰化酶和载体以满足半合成抗生素产业的需求，其原因是国内尚没有商品化固定化载体。因此，研究青霉素酰化酶固定化载体和固定化方法具有实际意义。
发明内容
本发明克服了现有技术的缺陷，提供了以共价结合方式固定化酶的载体材料及其制备方法。
为实现上述目的所采用的技术方案是：一种有机基团功能化介孔分子筛酶固定化载体，该载体包括介孔分子筛，其特征在于在介孔分子筛表面存在能与酶共价结合的有机基团官能团。
上述有机基团官能团是活性环氧基团或可进行交联的氨基。
上述载体的平均孔径为5.5-20nm，比表面积在340-600m2/g之间，载体固定化酶表观活性为1000-2000IU/g，重复使用次数10次后，载体固定化酶表观活性保留原始活性的90％以上。
上述有机基团官能团占载体总质量的2.0-9.0％。
制备一种有机基团功能化介孔分子筛酶固定化载体的方法，该方法包括介孔分子筛的合成和介孔分子筛表面有机功能团的移植，其制备工艺步骤为：
1)水热晶化：将聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚溶解于30-40℃的HCl溶液中，在搅拌下缓慢加入扩孔剂和正硅酸乙酯，所得溶胶持续搅拌24-48h后，转入晶化釜于80-120℃下静置晶化20-30h。
2)聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚和扩孔剂的脱除：将上述胶体经过滤、洗涤后，在90-110℃下进行干燥，在400-650℃下焙烧8-16h，得介孔分子筛原粉；或将上述胶体经过滤、洗涤后，用乙醇在索氏提取器中抽提除去聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚，得到介孔分子筛原粉。
3)嫁接：将上述步骤2制备的介孔分子筛原粉经真空脱气处理后装入反应釜中，加入其质量10-20％的3-含氧缩水甘油基-丙基-三甲氧基硅烷和甲苯溶剂，在90-120℃温度下，在氮气气氛下回流18-36h，或将上述步骤2制备的介孔分子筛原粉经真空脱气处理后装入反应釜中，加入γ-氨丙基三乙氧基硅烷与原粉之质量比在1∶5-10，在90-120℃温度下，在氮气气氛下回流18-36h。
4)提纯：将上述物料经过滤和甲苯洗涤后，在索氏提取器中用乙醇抽提洗涤以除去未反应的3-含氧缩水甘油基-丙基-三甲氧基硅烷或γ-氨丙基三乙氧基硅烷，最后于60-100℃下进行真空干燥得到环氧基或氨基功能化分子筛载体材料。
上述扩孔剂为甲苯或芳香烃，扩孔剂的加入量为扩孔剂∶聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚为0.1-1.0∶1.0。
上述盐酸的浓度为1.0-2.0mol/L。
上述步骤3中3-含氧缩水甘油基-丙基-三甲氧基硅烷与甲苯的体积比为1∶60-80。
上述聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚∶正硅酸乙酯∶盐酸＝1.0∶1.5-4.5∶30-70。
本发明载体的特征之一在于，载体为有机基团功能化介孔分子筛，其表面存在能与酶共价结合的活性环氧基团或者可进行交联的氨基。
本发明载体的特征之二在于，其具有孔径5.5-20nm分布均一的孔道，孔道的尺寸接近或大于体积较大的青霉素酰化酶分子的尺寸。青霉素酰化酶分子的尺寸为：7.0nm×5.0nm×5.5nm。
本发明载体的特征之三在于，不仅具有酶分子能够进入的纳米尺寸孔道，且比表面积达340-600m2/g，载体偶联酶量高，制备的固定化酶活性高。
本发明载体的特征之四在于，固定化过程中，载体不需经预活化以共价结合方式一步实现酶的固定化，制备的固定化酶具有高的操作稳定性。
本发明载体的特征之五在于，其固定化反应条件温和，在～30℃的中性条件下即可进行，操作过程简易，适合于工业化应用。
本发明载体的特征之六在于，其表面在酶催化反应过程中表现惰性，而载体本身具有良好的耐酸性、耐有机溶剂性和化学稳定性。固定化酶可通过简单过滤与产物分离并回收。
本发明载体的特征之七在于，载体固定化酶表观活性和重复使用次数高。采用本发明生产的载体固定酶表观活性为1000-2000IU/g，重复使用次数10次后，载体固定化酶表观活性保留原始活性的90％以上。
本发明载体材料可用于胰蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等生物酶催化剂的固定化，特别适用于青霉素酶化酶的固定化。
附图说明
附图1为有机基团功能化介分子筛载体的高分辨率透射电子显微镜照片；
附图2为有机基团功能化介分子筛载体的孔径分布图。
具体实施方式
实施例1：
嫁接法制备环氧化介孔载体。
原料的质量配比为：甲苯∶聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚∶正硅酸乙酯∶盐酸＝1∶1∶1.5∶35。其中甲苯为扩孔剂。操作如下：将聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚溶解于30℃左右的HCl溶液中，HCl溶液的浓度为1.0mol/L，在搅拌下依次缓慢加入甲苯和正硅酸乙酯，所得溶胶持续搅拌24h后，转入晶化釜于110℃下静置晶化24h。所得胶体经过滤、洗涤，在90℃下进行干燥，在500℃下焙烧至少15h，得到介孔分子筛原粉。介孔分子筛原粉经真空脱气处理后装入三颈瓶中，加入其质量10％的3-含氧缩水甘油基-丙基-三甲氧基硅烷和甲苯溶剂，其中3-含氧缩水甘油基-丙基-三甲氧基硅烷与甲苯的体积比为1∶60。置于100℃油浴中，在氮气气氛下回流20h。样品经过滤和甲苯洗涤后，在索氏提取器中用乙醇抽提洗涤以除去未反应的3-含氧缩水甘油基-丙基-三甲氧基硅烷，最后于60℃进行真空干燥得到环氧基功能化分子筛载体材料。
载体中活性环氧基团含量为2-6％，其平均孔径为8.0nm左右，孔体积为0.7cm3/g左右，比表面积为510m2/g左右。
每克载体与40mL经0.1mol/L pH7.0磷酸盐缓冲溶液稀释的青霉素酰化酶溶液混合，在30℃水浴摇床中反应72h。滤出固定化酶，并用磷酸盐缓冲溶液充分洗涤至滤液中检不出酶蛋白质为止。采用碱滴定法测定载体固定化青霉素酰化酶水解青霉素G钾(4％)制备6-APA的表观活性为2000IU/g(均以载体干重表示)。
实施例2：
嫁接法制备环氧化介孔载体。
原料的质量配比为：三甲基苯∶聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚∶正硅酸乙酯∶盐酸＝0.1∶1∶4.5∶70。其中三甲基苯为扩孔剂。操作如下：将聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚溶解于40℃的1.8mol/L的HCl溶液中，搅拌下缓慢加入正硅酸乙酯，所得溶胶持续搅拌48h后，转入晶化釜于120℃下静置晶化30h。所得胶体经过滤、洗涤，在120℃下进行干燥，在650℃下焙烧至少8h，得到介孔分子筛原粉。介孔分子筛原粉经真空脱气处理后装入三颈瓶中，加入其质量20％的3-含氧缩水甘油基-丙基-三甲氧基硅烷和甲苯溶剂，其中3-含氧缩水甘油基-丙基-三甲氧基硅烷与甲苯的体积比为1∶80。置于120℃油浴中，在氮气气氛下回流36h。样品经过滤和甲苯洗涤后，在索氏提取器中用乙醇抽提洗涤以除去未反应的3-含氧缩水甘油基-丙基-三甲氧基硅烷，最后于100℃进行真空干燥得到环氧基功能化分子筛载体材料。载体中活性环氧基团含量为4-9％，其平均孔径为18.0nm，孔体积为0.8cm3/g，比表面积为590m2/g。
每克载体与40mL经0.2mol/L pH7.0磷酸盐缓冲溶液稀释的青霉素酰化酶溶液混合，在35℃水浴摇床中反应72h。滤出固定化酶，并用磷酸盐缓冲溶液充分洗涤至滤液中检不出酶蛋白质为止。采用碱滴定法测定载体固定化青霉素酰化酶水解青霉素G钾(4％)制备6-APA的表观活性为1200IU/g(均以载体干重表示)。
实施例3：
嫁接法制备氨基化介孔载体。
试剂的质量配比为：三甲基苯∶聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚∶正硅酸乙酯∶盐酸＝0.2∶1∶2.5∶45。其中三甲基苯为扩孔剂。操作如下：将聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚溶解于35℃1.8mol/L的HCl溶液中，搅拌下加入三甲基苯和正硅酸乙酯，所得溶胶持续搅拌24h后，转入晶化釜于100℃下静置晶化24h。所得胶体经过滤、洗涤，最后用乙醇在索氏提取器中抽提除去聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚得到介孔分子筛原粉。将介孔分子筛原粉分散于甲苯中，加入γ-氨丙基三乙氧基硅烷与原粉之质量比在1∶10至1∶5。在110℃下N2气氛回流反应24h。过滤分离出固体并用甲苯洗涤，在真空干燥箱中干燥至恒重。将得到的固体粉末分散于2.5％的戊二醛溶液进行活化交联，干粉与戊二醛溶液的质量比在1∶15至1∶25。室温下搅拌1h后分离出固体，去离子水洗涤5次，最后在80℃下真空干燥24h，得到醛基功能化介孔分子筛。载体的平均孔径为19.0nm左右，孔体积为0.60cm3/g左右，比表面积400m2/g左右。
与实施例1制备固定化酶的操作条件相同，测得该载体制备的固定化青霉素酰化酶表观活性为1600IU/g。
实施例4：
嫁接法制备氨基化介孔载体。
试剂的质量配比为：甲苯∶聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚∶正硅酸乙酯∶盐酸＝0.5∶1∶4.5∶70。其中甲苯为扩孔剂。操作如下：将聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚溶解于38℃1.4mol/L的HCl溶液中，搅拌下加入三甲基苯和正硅酸乙酯，所得溶胶持续搅拌48h后，转入晶化釜于90℃下静置晶化36h。所得胶体经过滤、洗涤，最后用乙醇在索氏提取器中抽提除去聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚得到介孔分子筛原粉。将介孔分子筛原粉分散于甲苯中，加入γ-氨丙基三乙氧基硅烷与原粉之质量比在1∶10。在96℃下N2气氛回流反应30h。过滤分离出固体并用甲苯洗涤，在真空干燥箱中干燥至恒重。将得到的固体粉末分散于2.5％的戊二醛溶液进行活化交联，干粉与戊二醛溶液的质量比在1∶15。室温下搅拌1h后分离出固体，去离子水洗涤5次，最后在80℃下真空干燥24h，得到醛基功能化介孔分子筛。载体的平均孔径为15.0nm左右，孔体积为0.60cm3/g左右，比表面积380m2/g左右。
与实施例1制备固定化酶的操作条件相同，测得该载体制备的固定化青霉素酰化酶表观活性为1900IU/g。
Claims (9)
1、一种有机基团功能化介孔分子筛酶固定化载体，该载体包括介孔分子筛，其特征在于在介孔分子筛表面存在能与酶共价结合的有机基团官能团。
2、根据权利要求1所述的一种有机基团功能化介孔分子筛酶固定化载体，其特征在于上述有机基团官能团是活性环氧基团或可进行交联的氨基。
3、根据权利要求1或2所述的一种有机基团功能化介孔分子筛酶固定化载体，其特征在于上述载体的平均孔径为5.5-20nm，比表面积在340-600m2/g之间，载体固定化酶表观活性为1000-2000IU/g，重复使用次数10次后，载体固定化酶表观活性保留原始活性的90％以上。
4、根据权利要求3所述的一种有机基团功能化介孔分子筛酶固定化载体，其特征在于上述有机基团官能团占载体总质量的2.0-9.0％。
5、制备权利要求1所述的一种有机基团功能化介孔分子筛酶固定化载体的方法，该方法包括介孔分子筛的合成和介孔分子筛表面有机功能团的移植，其制备工艺步骤为：
1)水热晶化：将聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚溶解于30-40℃的HCl溶液中，在搅拌下缓慢加入扩孔剂和正硅酸乙酯，所得溶胶持续搅拌24-48h后，转入晶化釜于80-120℃下静置晶化20-30h。
2)聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚和扩孔剂的脱除：将上述胶体经过滤、洗涤后，在90-110℃下进行干燥，在400-650℃下焙烧8-16h，得介孔分子筛原粉；或将上述胶体经过滤、洗涤后，用乙醇在索氏提取器中抽提除去聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚，得到介孔分子筛原粉。
3)嫁接：将上述步骤2制备的介孔分子筛原粉经真空脱气处理后装入反应釜中，加入其质量10-20％的3-含氧缩水甘油基-丙基-三甲氧基硅烷和甲苯溶剂，在90-120℃温度下，在氮气气氛下回流18-36h，或将上述步骤2制备的介孔分子筛原粉经真空脱气处理后装入反应釜中，加入γ-氨丙基三乙氧基硅烷与原粉之质量比在1∶5-10，在90-120℃温度下，在氮气气氛下回流18-36h。
4)提纯：将上述物料经过滤和甲苯洗涤后，在索氏提取器中用乙醇抽提洗涤以除去未反应的3-含氧缩水甘油基-丙基-三甲氧基硅烷或γ-氨丙基三乙氧基硅烷，最后于60-100℃下进行真空干燥得到环氧基或氨基功能化分子筛载体材料。
6、根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于上述扩孔剂为甲苯或芳香烃，扩孔剂的加入量为扩孔剂：聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚为0.1-1.0∶1.0。
7、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于上述盐酸的浓度为1.0-2.0mol/L。
8、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于上述步骤3中3-含氧缩水甘油基-丙基-三甲氧基硅烷与甲苯的体积比为1∶60-80。
9、根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于上述聚氧乙烯醚-聚氧丙烯醚-聚氧乙烯醚∶正硅酸乙酯∶盐酸＝1.0∶1.5-4.5∶30-70。
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