磁性酚类仿生粘附复合材料的制备及固定化脂肪酶研究

摘要

脂肪酶（lipase，EC3.1.1.3）作为一种重要的生物催化剂，可以催化酯化反应、酯交换反应、水解反应等多种化学反应，对手性底物的选择性识别具有重要作用。生物催化剂固定化技术可以改善自由酶催化剂的许多缺点（如稳定性差、易失活、不可重复利用且成本较高等），提高酶的稳定性，减少对产品的污染，实现酶的回收和重复使用，达到连续化操作、降低生产成本的目的。本论文依据上述目标，综述了固定化酶技术的发展及研究现状，利用邻苯二酚类衍生物所具备的仿生粘附特性，设计和制备了多种磁性酚类高分子复合材料，构建了高效、回收简便的固定化酶系统。主要研究内容总结如下：
　　（1）聚多巴胺改性的磁性纳米石墨片复合材料的制备及其固定化脂肪酶的研究
　　利用多巴胺的粘附特性将其聚合在溶剂热法制备的Fe3O4@石墨片上，合成了聚多巴胺改性的磁性纳米石墨片复合材料。采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、红外光谱、拉曼光谱、振动样品磁强计（VSM）等对所合成材料进行了表征。由于聚多巴胺的醌式结构可以和酶的氨基发生席夫碱反应，因而所得复合材料可直接用于共价固定化假丝酵母脂肪酶（CRL），避免了使用其它化学连接剂对酶蛋白造成的破坏。对制备固定化酶的条件进行了优化，并研究了固定化酶的各项性质。实验结果表明，由于结合了Fe3O4@石墨片优异的化学稳定性、高负载容量和聚多巴胺良好的生物相容性、易于功能化的特点，聚多巴胺改性的磁性纳米石墨片作为载体固定化酶可获得高酶负载量；与自由酶相比，该固定化酶具有更好的稳定性、pH及温度耐受性，同时也具有较好的重复使用性。
　　（2）聚乙二醇改性的磁性聚多巴胺纳米微球的制备及其固定化脂肪酶的研究
　　以氧化聚乙二醇对聚多巴胺包裹的磁性纳米微球进行表面改性获得具有刷状结构的磁性聚多巴胺载体材料。首先采用浸涂法合成了单分散性的磁性聚多巴胺纳米微球，然后采用氧化聚乙二醇对磁性聚多巴胺微球功能化，制备带有醛基功能基的磁性聚多巴胺微球载体。表征显示改性后的载体材料呈单分散结构，磁饱和强度达到55.35 emu g-1。分别将醛基功能化和未功能化的磁性聚多巴胺微球用于共价固定化 CRL，优化了固定化酶的条件。通过对两种固定化酶性质的测试发现，具有柔性链的醛基功能化的磁性聚多巴胺微球固定化酶的活力回收值更高，同时具有更加优异的稳定性和催化活力。这说明在具备聚多巴胺的多功能性和氧化聚乙二醇柔性链独特的生物特性和谐调性之后，所得的柔性功能化载体更有利于稳定目标酶的构象，能够有效减少刚性载体固定化酶对酶结构的破坏。
　　（3）氧化海藻酸钠改性的磁性聚多巴胺复合微球的制备及其固定化脂肪酶的研究
　　通过共价组装的方法将仿生聚合物（聚多巴胺）和氧化多糖（氧化海藻酸钠）组装在超顺磁性Fe3O4微球上。在合成了聚多巴胺改性的Fe3O4纳米微球的基础上，将氧化海藻酸钠结合到磁性聚多巴胺微球上，用作共价固定化酶的天然高分子连接剂。对所合成材料采用透射电子显微镜（TEM）、红外光谱、X-射线衍射（XRD）、热失重分析和振动样品磁强计（VSM）等进行表征，证明所得复合材料为核壳结构，形貌均一，且具有较高的磁饱和强度（57.62 emu g-1）。将氧化海藻酸钠改性的磁性聚多巴胺微球用作共价固定化 CRL，优化固定化酶条件，研究固定化酶的性质，结果表明，该生物粘附型复合材料固定化酶相对于游离酶具有更好的稳定性和环境耐受性。
　　（4）硬模板法合成磁性聚多巴胺杂化微囊及其固定化脂肪酶的研究
　　以碳酸钙微球为硬模板合成了结构强韧的有机-无机磁性杂化微囊固定化酶。首先采用共沉淀法制备球霰型碳酸钙微球，同时将CRL均匀包埋于碳酸钙微球内部。然后利用合成的碳酸钙微球表面孔径较大（20-60 nm）、在 pH=7条件下ξ电势大于零的特点，在其外表面及孔道内通过物理吸附和静电相互作用吸附荷负电的Fe3O4纳米颗粒（粒径＜20 nm，经柠檬酸改性）。然后在该磁性碳酸钙微球表面进行多巴胺的原位聚合，以获得磁性聚多巴胺-碳酸钙微球。最后，利用 EDTA去除碳酸钙即可获得有机-无机磁性杂化微囊固定化酶。通过一系列表征方法对微囊强韧的中空结构进行了表征，并对内部包裹的CRL具有的自由状态进行了佐证。在该聚合物微囊中引入磁性Fe3O4纳米颗粒具有双重的重要意义：既为固定化酶的回收和重复利用提供了便利又为微囊提供了刚性支架，避免聚合物微囊的塌陷、褶皱。通过对固定化酶的性质进行研究，发现该微囊固定化酶具有诸多优势：较高的酶包裹率，酶催化反应活力和贮存稳定性，同时也表现出优良的动力学行为和重复使用性。
　　（5）多酚-金属络合物构筑的磁性壳聚糖杂化微囊及其固定化脂肪酶的研究
　　通过在Fe3O4/壳聚糖聚集体表面包裹单宁酸-铁离子交联膜制备了金属-多酚膜加固的Fe3O4/壳聚糖杂化微囊。首先，通过离子交换作用将柠檬酸改性的Fe3O4纳米颗粒吸附在包裹有CRL的壳聚糖-柠檬酸钠微聚集体表面。持续搅拌一段时间后，由于外部 Fe3O4的吸附作用导致聚集体内部电荷分布不匀，使得壳聚糖-柠檬酸钠微聚集体内部的柠檬酸钠被释放到溶液中，引起了壳聚糖-柠檬酸钠聚集体的解组装，从而形成微囊。为了得到一个更加完整、强健的囊结构，将金属-多酚（单宁酸-铁离子）交联膜被包裹在Fe3O4/壳聚糖杂化微囊表面以形成粘附层。在制备壳聚糖-柠檬酸钠聚集体的同时将CRL包埋于聚集体内部。整个制备微囊固定化酶过程反应条件温和、高效，可在40 min之内完成。分别制备了未包裹和包裹了金属-多酚交联膜的两种 Fe3O4/壳聚糖微囊固定化酶，研究固定化酶的性质，结果表明单宁酸-铁离子加固的Fe3O4/壳聚糖微囊固定化酶在酶活力、稳定性、动力学以及重复使用性方面较未经包裹的固定化酶均具有更优异的性能。

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第一章 文献综述及选题指导思想

1.1 固定化酶研究概述

1.2 固定化酶方法及国内外研究进展

1.3固定化酶载体及国内外研究进展

1.4 仿生粘附材料

1.5 本论文的选题思路及主要工作

参考文献

第二章 聚多巴胺改性的磁性纳米石墨片的制备及其固定化脂肪酶的研究

2.1引言

2.2 实验部分

2.3实验结果

2.4本章小结

参考文献

第三章 聚乙二醇改性的磁性聚多巴胺纳米微球的制备及其固定化脂肪酶的研究

3.1引言

3.2 实验部分

3.3实验结果

3.4小结

参考文献

第四章 氧化海藻酸钠改性的磁性聚多巴胺复合纳米微球的制备及其固定化脂肪酶的研究

4.1引言

4.2 实验部分

4.3实验结果

4.4小结

参考文献

第五章 硬模板法合成磁性聚多巴胺杂化微囊及其固定化脂肪酶的研究

5.1引言

5.2 实验部分

5.3实验结果

5.4小结

参考文献

第六章 多酚-金属络合物构筑的磁性壳聚糖杂化微囊及其固定化脂肪酶的研究

6.1引言

6.2 实验部分

6.3实验结果

6.4小结

参考文献

主要结论

在学期间的研究成果

致谢