新型载体材料固定化酶的制备、性能和应用研究

摘要

生物酶作为绿色环保型催化剂，具有高效的催化性能和底物专一性等特性，倍受科研人员的关注，并且已经广泛应用于食品、医药、化学化工、纺织、制浆造纸等行业。然而，酶是一种稳定性较差的功能性蛋白质，极易受外界环境变化的影响，导致酶的蛋白质构象发生变化，活性降低，甚至失去活性；不仅如此，酶难于从反应体系中与底物和产物分离，无法回收和重复利用。酶固定化是有效改善和解决上述问题的一种手段，酶固定化可提高酶的稳定性和实现循环利用性，赋予酶更广阔的应用领域和更优异的应用性能。本论文综述了酶固定化技术的发展历史和研究现状，以及新型载体材料用于固定化酶的研究现状。以此为依据，提出了本论文的选题指导思想和研究思路。本论文研究和设计了新型载体材料硅质中空微球（胶体体、硅质介孔中空微球）和智能高分子聚合物（温敏聚合物、pH敏感聚合物）及其固定化酶的制备方法，探讨了这几种新型载体固定化酶的催化活性、稳定性和循环利用性能及其相关应用性能。具体研究内容和取得的主要成果如下：
　　（1）成功利用基于Pickering乳液法制备的全硅胶体体中空微球为载体实现漆酶的同步包封固定化，并将其应用于非水有机介质中的催化和实现酶在有机溶介质中的循环利用。经疏水改性的纳米SiO2粒子（SiO2 NPs）自组装吸附排列在含漆酶的缓冲溶液和甲苯的两相界面，并形成稳定的W/O的Pickering乳液后，加入具有一定亲水性的超支化硅烷（PEOS），当PEOS到达两相界面遇酸性水溶液立即水解，在自身缩聚的同时与SiO2 NPs上的残键缩聚，将SiO2 NPs固定于W/O两相界面，从而制备出在有机溶剂中具有良好分散性的全硅胶体体中空微球包封固定漆酶。
　　该方法制备的水芯全硅胶体体载体包封固定漆酶理论包封率高；调整二氧化硅纳米粒子（SiO2 NPs）与水的质量比（Rs/w）可控制胶体体中空微球的壳壁结构和粒径尺寸，当Rs/w分别为0.2、0.3和0.4时，对应胶体体中空微球壳壁从单层SiO2 NPs壳壁至双层SiO2 NPs壳壁，粒径分别为1.39±0.22μm、0.99±0.17μm和0.75±0.12μm；全硅胶体体包封固定漆酶在有机介质中的活性和循环利用性能与制备参数Rs/w有关，即与壳壁结构有关，随Rs/w（0.2、0.3和0.4）的增加，胶体体中空微球壳壁结构越致密、越厚（单层SiO2 NPs壳壁至双层SiO2 NPs壳壁），从而抑制内外物质交换导致其在非水有机介质中催化活性越低，但其力学性能越来越稳定，保障其在多次循环利用后仍保持较高催化能力：其在非水有机介质中催化活性分别为131.08μmol/h、107.75μmol/h和14.40μmol/h，经6次循环使用后，对应残留活性分别约为30％，60%和70%。
　　（2）两亲性前驱体聚合物自模板法成功实现了水相中制备介孔硅质中空微球同步包封固定蛋白酶。以聚乙二醇单甲基醚（PEG）改性超支化硅烷（PEOS）获得两亲性PEG-PEOS自模板聚合物；连续搅拌含蛋白酶和PEG-PEOS的水溶液，两亲性PEG-PEOS自组装形成合围蛋白酶分子的中空囊泡，在碱性条件下该PEG-PEOS囊泡水解缩聚，从而获得可同步固定蛋白酶的介孔硅质中空微球。该包封固定蛋白酶的介孔硅质中空微球平均水合粒径为232.7 nm，壳壁厚度为15.0~40.0 nm且壳壁具有~3.8 nm的介孔；该介孔硅质中空微球同步固定蛋白酶的包封率约为50%，比活性~55 U/mg；由于胶囊壳壁的保护作用，其固蛋白酶的热稳定性和pH稳定性得到提高：80℃条件下保温1h后其活性仍保留~80%，不同pH值条件孵化后残留酶活差异不到10%；并且显著提高在离液剂表面活性剂（SDS）中的稳定性，其在不同浓度SDS溶液（0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%）中孵化30 min后残留活性分别为84.0%、58.7%、56.0%、52.1%、44.4%和46.3%，远远高于对应浓度下游离蛋白酶的残留活性（＜20%）；同时，该介孔硅质中空微球固定蛋白酶经8次循环使用后，其活性仍保持50%以上，具有良好循环利用性能。
　　（3）利用反相微乳液法在室温条件下制备智能凝胶粒子P(NIPAAm-co-AAc)，并在制备过程中加入EDC活化羧基，从而一步实现P(NIPAAm-co-AAc)共价固定漆酶。研究发现，共聚单体摩尔比和反应体系内漆酶的加入会影响形成的P（NIPAAm-co-AAc）凝胶粒子的形貌特征和响应性能；固定酶的P(NIPAAm-co-AAc)凝胶的VPTT向高温偏移，约为34℃，并且 pH响应性变弱；P(NIPAAm-co-AAc)凝胶粒子共价固定漆酶与包埋固定漆酶相比，有效的抑制了固定酶的逸出问题，在多次离心、洗涤处理后，共价交联固定漆酶的含酶量较凝胶包封固定漆酶的含酶量高~20%；该凝胶粒子共价固定漆酶的活性随共聚单体 AAc量的增加（NIPAAm:AAc=100:2、100:4和100:6)而增加，其比活性分别为49.6 U/mg，65.7 U/mg和125.5 U/mg；P(NIPAAm-co-AAc)凝胶粒子共价固定漆酶有效提高了酶的稳定性：P(NIPAAm-co-AAc)固定漆酶在50℃保温1 h后，残留活性~90%，而游离漆酶的残留活性约为65%；60℃保温1 h后，游离漆酶的残留活性约仅为37%，而应固定化漆酶的残留活性却高达~80%；70℃保温1 h后，固定化漆酶残留活性高于游离漆酶残留活性＞20%；与此同时，凝胶固定漆酶的pH稳定性也得到显著提高，并且经6次循环使用后其残留活性仍为~45%；研究发现，P(NIPAAm-co-AAc)凝胶本身虽具有吸附染料的能力，可在一定程度上实现对染液的脱色，但效果并不理想，其脱色率约为30%，而 P(NIPAAm-co-AAc)凝胶固定漆酶脱色率可达~60%，并且P(NIPAAm-co-AAc)凝胶固定漆酶在多次循环脱色使用后，仍具有良好的脱色效果。
　　（4）研究以pH敏感智能高分子聚合物尤特奇L100为载体固定蛋白酶的制备及其在羊毛织物防毡缩整理中的应用。深入优化了尤特奇固定蛋白酶工艺参数的变化（羧基活化剂的选择、用量、活化时间、蛋白酶用量、交联时间等）对固定化蛋白酶的活性、稳定性的影响，分析了其在羊毛防毡缩整理中的应用效果。研究发现当尤特奇/EDC摩尔比为1:10、蛋白酶用量为1.3 mL、反应60 min条件下可获得尤特奇共价固定的具有最佳比活性（13.69 U/mg）的固定蛋白酶产物；该蛋白酶固定化后分子量显著提高，主要分布在35 kDa以上；并且该尤特奇固定酶有效提高了酶的稳定性；该固定蛋白酶整理后羊毛织物结构清晰，鳞片层被有效去除，织物亲水性得到提高（亲水接触角降低到44.5°），水洗面积毡缩率仅为0.89%，织物失重率较游离蛋白酶整理降低了21.90%，克服了游离蛋白酶过度水解纤维的问题，为生物酶在羊毛织物防毡缩整理应用中提供了一种新的思路。然而，在研究过程中我们发现，该工艺固定化蛋白酶存在平行样品比活性差异较大、重现性不好等问题，不利于其在工业生产中应用。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 固定化酶概述及研究现状

1.3 新型载体材料用于固定化酶

1.4 目标酶的简介

1.5 本论文的研究意义和研究内容

参考文献

第2章 Pickering乳液法胶体体中空微球固定漆酶的制备及其性能研究

2.1 引言

2.2 实验材料

2.3 制备方法

2.4 表征方法

2.5 结果与讨论

2.6 本章小结

参考文献

第3章 自模板法介孔硅质中空微球固定蛋白酶的制备及其性能研究

3.1 引言

3.2 实验材料

3.3 制备方法

3.4 表征方法

3.5 结果与讨论

3.6 本章小结

参考文献

第4章 反相微乳液法智能高分子凝胶粒子固定漆酶的制备及性能研究

4.1 引言

4.2 实验材料

4.3 制备方法

4.4 表征方法

4.5 结果与讨论

4.6 本章小结

参考文献

第5章 pH敏感聚合物固定蛋白酶制备及其在羊毛防毡缩整理的应用

5.1 引言

5.2 实验材料

5.3 pH敏感智能高分子聚合物固定蛋白酶制备

5.4 pH敏感智能高分子聚合物固定蛋白酶整理羊毛织物

5.5 pH敏感智能高分子聚合物固定蛋白酶酶性能表征

5.6 pH敏感智能高分子聚合物固定蛋白酶整理羊毛织物的表征

5.7 结果与讨论

5.8 结论

参考文献

第6章 全文结论

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致谢