以含氢硅油疏水改性的二氧化硅为载体的固定化脂肪酶及其制备方法

摘要

本发明公开了一种以含氢硅油疏水改性的二氧化硅为载体的固定化脂肪酶及其制备方法。所述固定化脂肪酶包括以含氢硅油改性的SiO

说明书

技术领域

本发明属于固定在二氧化硅载体上的酶，具体地，涉及一种以含氢硅油疏水改性的二氧化硅为载体的固定化脂肪酶及其制备方法。 

背景技术

脂肪酶（Lipase, EC3.1.1.3）全称甘油三酯水解酶，其基本功能是催化甘油酯水解为甘油和脂肪酸，能在油水界面上催化酯水解和醇解、酯合成、酯交换、内酯合成、高聚物合成及立体异构体拆分等有机合成反应。脂肪酶作为一种重要的工业酶类，已广泛应用于食品与营养、化学工业、造纸工业以及药物合成等诸多领域。由于游离酶在催化过程中存在稳定性差、易失活、不能重复使用，且反应后混入产品，造成产物分离、纯化困难等，酶固定化技术被引入到脂肪酶的应用研究之中。20世纪60年代出现的酶的固定化技术克服了游离酶的许多不足，提高了酶的稳定性；酶促反应结束后，固定化酶与底物和产物易于分离；同时可回收及重复使用，反应条件容易控制，可实现连续自动化生产，有效降低了成本。传统的酶固定化方法主要有吸附法、包埋法、交联法及共价结合法。其中吸附法由于操作简单，固定化过程对酶活影响小，容易实现工业化，成为最常用的固定化方法。 

由于SiO₂具有廉价易得、机械强度好、稳定性好等优点，被广泛用在酶固定化领域，并且SiO₂表面含有大量的Si-OH，可以进行各种表面改性，因此我们选用廉价易得的SiO₂为载体来固定脂肪酶。根据文献报道，疏水性较强的载体有利于底物在酶周围环境的分配及产物的扩散，改善酶的催化性质（M. Shakeri, K. Kawakami. Enhancement of Rhizopus oryzae lipase activity immobilized on alkyl-functionalized spherical mesocellular foam: Influence of alkyl chain length. Microporous and Mesoporous Materials, 2008, 118:115-120），同时载体表面的疏水基团与酶相互结合，防止酶在使用过程中流失，可以提高酶的重复使用性。但是由于无机硅胶疏水性很差，既不利于脂肪酶在载体上的正确折叠，也不利于水不溶性酯类在载体上的传质和催化，从而使催化速率和产率出现下降，因此，我们要对SiO₂进行疏水处理，以改善固定化酶的催化性质。如公开号为CN102250871A的中国专利申请，加入表面活性剂（如十六烷基三甲基溴化铵等）对膨润土的表面结构及疏水性能调节，改善固定化脂肪酶的催化效果及稳定性，但其改善效果并不理想。使用这种固定方法，固定化酶重复使用6次后固载酶相对活力已降至80%以下。 

目前，商品化的固定化酶Lipozyme TL IM，其固定化载体为SiO₂，酶源为米曲霉脂肪酶，其水解三硬脂酸甘油酯的活力为170IUN/gl(Guat K. K. etal, Thermodynamics and inhibition studies of lipozyme TL IM in biodiesel production via enzymatic transesterification, Bioresource Technology 2010, 101: 6558–6561)。Sigma 公司出售的固定化酶Lipase immobilized on immobead 150，其固定化载体为Immobead 150，酶源为米根霉脂肪酶，其水解三丁酸甘油酯的活力大于300U/g。Wang 等用大孔树脂来固定米根霉脂肪酶重组体，其水解橄榄油的活力为168U/g(Wang Y.-d. et al. Immobilized recombinant Rhizopus oryzae lipase for the production of biodiesel in solvent free system, Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 2010,67: 45–51)。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种的催化效果及稳定性均较好的固定化脂肪酶及其制备方法。 

本发明解决上述问题所采用的技术方案是： 

一种固定化脂肪酶，包括以含氢硅油改性的SiO₂为载体，以及固定在所述SiO₂上的脂肪酶。

其中，所述含氢硅油为含Si-H键的液态聚硅氧烷，其结构如下： 

其中，-R为 C₁-C₂₂ 烷基、芳烷基、环烷基、或以上基团中任意两种或两种以上的组合；-R’为 C₁-C₂₂ 烷基，芳烷基，环烷基，氢基，或以上基团中任意两种或两种以上的组合；m为0-420，n为0-350。

其中，-R优选：-CH₃、-C₂H₅、 -C₈H₁₇、-C₆H₅、-C₆H₁₀、-C₁₂H₂₅、-C₁₆H₃₃、-C₁₈H₃₇，或以上基团中任意两种或两种以上的组合。 

其中，- R’优选：-H、-CH₃、-C₂H₅、 -C₈H₁₇、-C₆H₅、-C₆H₁₀、-C₁₂H₂₅、-C₁₆H₃₃、-C₁₈H₃₇，或以上基团中任意两种或两种以上的组合。 

具体地，所述含氢硅油优选自以下物质中的至少一种：甲基含氢硅油、乙基含氢硅油、苯基含氢硅油、辛基含氢硅油。 

其中，本发明所述的固定化脂肪酶的酶固载量为100-300mg/g，酶固载量指的是单位重量的载体上固定的酶的重量。 

其中，所述含氢硅油改性的SiO₂由以下步骤制备得到： 

将SiO₂加入到包括含氢硅油和惰性溶剂的混合溶液中，所述混合溶液的浓度为0.1-10wt%，搅拌均匀后，加入与SiO₂质量比为0-1000ppm 的Karstedt催化剂，0-100℃搅拌反应1-6h；离心，去除惰性溶剂，得到含氢硅油改性的SiO₂ 。

其中，含氢硅油与SiO₂的质量比为0.025-2.5。 

其中，所用含氢硅油的含氢量为0.01-1.60wt%。 

其中，所用含氢硅油的数均分子量为800-26000 g/mol。 

其中，所述惰性溶剂为正己烷或正庚烷。 

其中，用于固定化的脂肪酶包括：米根霉脂肪酶（ROL），华根霉脂肪酶（RCL），德氏根霉脂肪酶（RDL），雪白根霉脂肪酶（RNL）等根霉脂肪酶以及猪胰脂肪酶（PPL），洋葱假单胞菌脂肪酶（PCL），南极假丝酵母脂肪酶（CALB）、米曲霉脂肪酶（AOL）等，特别优选是：米根霉脂肪酶（ROL）及华根霉脂肪酶（RCL）。 

一种固定化脂肪酶的制备方法，包括如下步骤： 

将脂肪酶溶于磷酸缓冲液中，配制得到脂肪酶溶液；

将SiO₂加入含氢硅油中进行疏水改性；

将改性后的SiO₂浸泡在脂肪酶溶液中，改性后的SiO₂与脂肪酶的质量比为2：1-8：1，振荡反应，离心分离，磷酸缓冲液洗涤，室温干燥，得到固载在疏水改性的SiO₂上的固定化脂肪酶。

所述固定化脂肪酶的制备方法，可以具体为包括如下步骤： 

将脂肪酶溶于0.02-1.50mol/L pH=6.0-9.0的磷酸缓冲液中，配制浓度为5-15mg/ml 的脂肪酶溶液；

将SiO₂粒子加入到包括有含氢硅油和惰性溶剂的混合溶液中，所述混合溶液的浓度为0.1-10wt%，搅拌均匀后，加入与SiO₂质量比为0-1000ppm的Karstedt催化剂，0-100℃搅拌反应1-6h；离心，去除惰性溶剂，得到含氢硅油改性的SiO₂；

将改性后的SiO₂浸泡在脂肪酶溶液中，改性后的SiO₂与脂肪酶的质量比为2：1-8：1，0-40℃振荡反应0.5-12h，离心分离，磷酸缓冲液洗涤，室温干燥，得到固载在疏水改性的SiO₂上的固定化脂肪酶。

本发明中所述ppm指的是百万分之一。 

本发明中采用含氢硅油疏水改性SiO₂，Karstedt催化剂催化含氢硅油与SiO₂表面的Si-OH反应以达到疏水处理的效果，改性剂用量少且改性效果明显，采用该种改性方式改性的SiO₂为载体来固定化脂肪酶，明显改善了现有技术中制备的固定化酶的催化效果及稳定性较差的缺陷，得到催化效果及稳定性均较好的固定化脂肪酶。 

综上，本发明的有益效果是： 

1、使用新颖的含氢硅油疏水改性剂来改性SiO₂，改性剂及催化剂用量小，改性效果明显，载体结构可设计，操作简单，能耗低，便于实现工业化。

2、以含氢硅油疏水改性的SiO₂为载体，所制备的固定化脂肪酶具有良好的重复使用性。 

3、本发明提供的固定化酶制备方法简单，不需要特殊的设备，适合大规模工业化操作。 

附图说明

图1为使用含氢硅油改性SiO₂的过程示意图； 

图2为以SiO₂为载体的固定化脂肪酶的重复使用次数-相对酶活的曲线图，其中，A为以未改性的SiO₂为载体固定化的脂肪酶，B为以甲基含氢硅油改性的SiO₂为载体固定化的脂肪酶。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。 

本发明中所采用的原料均为市售产品，其中， 

甲基含氢硅油：成都晨光化工研究院生产；

乙基含氢硅油：成都晨光化工研究院生产；

苯基含氢硅油：成都晨光化工研究院生产；

辛基含氢硅油：成都晨光化工研究院生产；

正己烷：成都科龙试剂厂生产；

Karstedt催化剂：Aldrich公司生产；

磷酸二氢钾：成都科龙试剂厂生产；

氢氧化钠：成都科龙试剂厂生产。

本发明中制得的固化脂肪酶采用以下标准进行性能测试： 

酶活力：参考国标《GB/T 1803-93 工业酶制剂通用试验方法》中指示剂滴定法测定。

酶固载量：以紫外吸收法测酶固载量； 

（1）标准曲线的绘制

a.3.75g纯的米根脂肪酶, 溶解定容至250ml磷酸缓冲溶液中（pH=8，0.05mol/L），配成15mg/ml的酶溶液；

b.分别取2, 4, 6, 8, 10ml稀释定容至100ml, 测稀释液在265nm处的吸光度，做标准曲线; 以磷酸缓冲液为空白。

(2)测酶固载量 

通过固定化前后溶液中酶浓度差求固载量

a．固定化前酶溶液中蛋白质含量的测定

    8ml原酶液，定容至100ml，测265nm的吸光度(A₁)

b．固定化后酶溶液中蛋白质含量的测定

    8ml固定后的酶液+洗涤液定容至100ml，测265nm的吸光度(A₂)

c．根据固定化前后吸光度差，求酶固载量A。其计算公式如下：

A=(cV-c₀V₀)/m

其中，c, c₀—固定化前及固定化后酶溶液浓度（mg/ml）；V,V₀—固定化前及固定化后酶溶液体积（ml）；m—载体质量（g）。

以下根据具体的实施例对本发明作进一步说明。以下实施例及对比例中的脂肪酶均采用米根霉脂肪酶，其酶活力指的是水解橄榄油的活力，采用本发明中其他的脂肪酶同样能得到以下的有益效果，在此不一一阐述。 

实施例1 

将脂肪酶溶于0.02mol/L pH=7.0的磷酸缓冲液中，配制浓度为15mg/ml的脂肪酶溶液；

2g SiO₂粒子分散于含氢量为0.1wt%的甲基含氢硅油（PMHS）的正己烷溶液中，该溶液的浓度为0.1wt%，PMHS的质量为0.05g，搅拌均匀，加入与SiO₂质量比为1000ppm的Karstedt催化剂，30℃反应3h，离心，正己烷抽提，得PMHS疏水改性的SiO₂粒子。将0.24g PMHS疏水改性的SiO₂粒子分散于8ml浓度为15mg/ml的脂肪酶溶液中，25℃振荡12h，磷酸缓冲液洗涤4次，得固定化酶，测试酶活力为181.3 U/g，酶固载量为232.5mg/g。重复使用12次后，酶活力为最初的79.6%。

实施例2 

将脂肪酶溶于1.10mol/L pH=6.0的磷酸缓冲液中，配制浓度为15mg/ml的脂肪酶溶液；

2g SiO₂粒子分散于含氢量为1.5wt%的乙基含氢硅油（PEHS）的正己烷溶液中，该溶液的浓度为0.5wt%，PEHS的质量为0.05g，搅拌均匀，加入与SiO₂质量比为450ppm的 Karstedt催化剂，30℃反应3h，离心，正己烷抽提，得PEHS疏水改性的SiO₂粒子。将0.24g PEHS疏水改性的SiO₂粒子分散于8ml浓度为15mg/ml的脂肪酶溶液中，25℃振荡12h，磷酸缓冲液洗涤4次，得固定化酶，测试酶活力为221.2 U/g，酶固载量为210.0mg/g。重复使用12次后，酶活力为最初的80.0%。

实施例3 

将脂肪酶溶于1.50mol/L pH=9.0的磷酸缓冲液中，配制浓度为15mg/ml的脂肪酶溶液；

2g SiO₂粒子分散于含氢量为0.2wt%的苯基含氢硅油的正己烷溶液中，该溶液的浓度为0.5wt%，苯基含氢硅油的质量为0.05g，搅拌均匀，加入与SiO₂质量比为1000ppm的Karstedt催化剂，30℃反应3h，离心，正己烷抽提，得苯基含氢硅油改性的SiO₂粒子。将0.24g 苯基含氢硅油疏水改性的SiO₂粒子分散于8ml浓度为15mg/ml的脂肪酶溶液中，25℃振荡12h，磷酸缓冲液洗涤4次，得固载酶。测试酶活力为207.6 U/g，酶固载量为202.5mg/g。重复使用12次后，酶活力为最初的81.3%。

实施例4 

采用与实施例1相同的方法配制脂肪酶溶液；

2g SiO₂粒子分散于含氢量为0.2wt%的辛基含氢硅油的正己烷溶液中，该溶液的浓度为0.3wt%，辛基含氢硅油的质量为0.05g，搅拌均匀，加入与SiO₂质量比为1000ppm 的Karstedt催化剂，30℃反应3h，离心，正己烷抽提，得辛基含氢硅油疏水改性的SiO₂粒子。将0.24g 辛基含氢硅油疏水改性的SiO₂粒子分散于8ml浓度为15mg/ml的脂肪酶溶液中，25℃振荡12h，磷酸缓冲液洗涤4次，得固定化酶，测试酶活力为256.6 U/g，酶固载量为190.5mg/g。重复使用12次后，酶活力为最初的82.4%。

实施例5 

采用与实施例1相同的方法配制脂肪酶溶液；

2g SiO₂粒子分散于含氢量为1.5wt%的PMHS的正己烷溶液中，该溶液的浓度为0.5wt%，PMHS的质量为0.05g，搅拌均匀，加入与SiO₂质量比为100ppm的Karstedt催化剂，30℃反应3h，离心，正己烷抽提，得PMHS改性的SiO₂粒子。0.24g PMHS疏水改性的SiO₂粒子分散于8ml浓度为15mg/ml的脂肪酶溶液中，25℃振荡12h，磷酸缓冲液洗涤4次，得固载酶。测试酶固载量为232.5mg/g，酶活力为277.8 U/g。重复使用12次后，酶活力为最初的75.9%。

实施例6 

采用与实施例1相同的方法配制脂肪酶溶液；

2g SiO₂粒子分散于含氢量为1.0wt%的PMHS的正己烷溶液中，该溶液的浓度为0.3wt%，PMHS的质量为0.2g，搅拌均匀，加入与SiO₂质量比为1000ppm 的Karstedt催化剂，30℃反应3h，离心，正己烷抽提，得PMHS疏水改性的SiO₂粒子。将0.24g PMHS疏水改性的SiO₂粒子分散于8ml浓度为15mg/ml的脂肪酶溶液中，25℃振荡12h，磷酸缓冲液洗涤4次，得固定化酶，测试酶活力为265.6 U/g，酶固载量为196.5mg/g。重复使用12次后，酶活力为最初的83.6%。

实施例7 

采用与实施例1相同的方法配制脂肪酶溶液；

2g SiO₂粒子分散于含氢量为1.0wt%的PMHS的正己烷溶液中，该溶液的浓度为10wt%，PMHS的质量为5g，搅拌均匀，加入与SiO₂质量比为1000ppm 的Karstedt催化剂，30℃反应3h，离心，正己烷抽提，得PMHS疏水改性的SiO₂粒子。将0.24g PMHS疏水改性的SiO₂粒子分散于8ml浓度为15mg/ml的脂肪酶溶液中，25℃振荡12h，磷酸缓冲液洗涤4次，得固定化酶，测试酶活力为305.6 U/g，酶固载量为199.5mg/g。重复使用12次后，酶活力为最初的80.2%。

对比例1 

采用与实施例1相同的方法配制脂肪酶溶液；

0.15g HMDS（六甲基二硅胺）溶于100ml浓度为3wt%的二氧化硅乙醇溶胶中，加入0.5ml的氨水做催化剂，30℃搅拌2h，室温陈化7天，旋蒸，抽提，得HMDS疏水改性的SiO₂。将0.24g HMDS疏水改性的SiO₂粒子分散于8ml浓度为15mg/ml的脂肪酶溶液中，25℃振荡10h，磷酸缓冲液洗涤4次，得固定化酶，酶活力为127.1U/g。酶固载量为139.3mg/g。重复使用12次后，酶活力为最初的55.4%。

对比例2 

采用与实施例1相同的方法配制脂肪酶溶液；

0.30g 辛基三乙氧基硅烷（NOEO）溶于100ml浓度为3wt%的二氧化硅乙醇溶胶中，加入1ml的氨水做催化剂，30℃搅拌2h，室温陈化7天，旋蒸，抽提，得辛基三乙氧基硅烷疏水改性的SiO₂。将0.24g 辛基三乙氧基硅烷疏水改性的SiO₂粒子分散于8ml浓度为15mg/ml的脂肪酶溶液中，25℃振荡10h，磷酸缓冲液洗涤4次，得固定化酶，酶活力为189.5U/g。酶固载量为126.3mg/g。重复使用12次后，酶活力为最初的65.5%。

对比例3 

采用与实施例1相同的方法配制脂肪酶溶液；

向100ml浓度为3wt%的SiO₂乙醇溶胶中，加入浓度为5wt%的γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560) 做改性剂，1g 氨水做催化剂，30℃搅拌3h，室温陈化3天，旋蒸出乙醇，用乙醇洗涤固体，除去未反应的KH560，得KH560改性的SiO₂。将0.24g KH560疏水改性的SiO₂粒子分散于8ml浓度为15mg/ml的脂肪酶溶液中，25℃振荡10h，磷酸缓冲液洗涤4次，得固定化酶，酶活力为320.8U/g。酶固载量为130.0mg/g。重复使用12次后，酶活力为最初的32.9%。

对比例4 

采用与实施例1相同的方法配制脂肪酶溶液；

向100ml 浓度为3wt%的SiO₂的乙醇溶胶中，加入浓度为5wt%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)做改性剂，30℃搅拌3h，室温陈化3天，旋蒸出乙醇，用乙醇洗涤固体，除去未反应的KH550,得KH550改性的SiO₂。将0.24g KH550疏水改性的SiO₂粒子分散于8ml浓度为15mg/ml的脂肪酶溶液中，25℃振荡10h，磷酸缓冲液洗涤4次，得固定化酶，酶活力为177.8U/g。酶固载量为103.0mg/g。重复使用12次后，酶活力为最初的46.3%。

如图1所示，为本发明采用含氢硅油改性SiO₂粒子，该改性后的SiO₂粒子表面覆有一层疏水的含氢硅油层，利于酶的固化及分散，含氢硅油用量小，改性效果明显。 

如实施例1-7所示，本发明所述的含氢硅油改性后的SiO₂固载的脂肪酶，酶活力达到180 U/g以上，酶固载量达到190 mg/g以上，重复使用12次后，相对酶活为75%以上，更进一步地为80%以上。 

对比例1-4为现有技术中较常采用的硅烷偶联剂来改性SiO₂载体，可以看出，虽然其得到的固定化脂肪酶的酶活力能达到120U/g以上，较佳时能达到300U/g以上，但其酶固载量及多次使用后的酶活力较差，尤其是重复使用12次后，相对酶活降低尤为明显，而本发明所述的固定化脂肪酶则能明显改善上述问题，得到综合性能均较好的固定化脂肪酶。 

从上述实施例1-7与对比例1-4对比，可以看出，本发明所述的含氢硅油改性后的SiO₂固载的脂肪酶，无论是在固载酶活力、酶固载量以及重复使用性上都有较好的效果，且从综合来看，甲基含氢硅油（PMHS）改性后的SiO₂固载的脂肪酶效果最佳。 

现有技术中还常采用PEG（聚乙二醇）等来改性SiO₂载体，但该种改性方法不是直接反应改性，而是通过包埋固载脂肪酶，与本案的固定化方法在概念、制备方法上均有所不同。 

另一种采用如十六烷基三甲基溴化铵等表面活性剂来改性SiO₂载体，得到的固定化脂肪酶酶活力及重复使用性均较本发明所述的固定化脂肪酶酶活力及重复使用性明显降低。 

以上实施例1-7中的改性后的SiO₂与脂肪酶的质量比均为2：1，发明人经过多次试验发现，改性后的SiO₂与脂肪酶的质量比在2-8的范围内，改变改性后的SiO₂与脂肪酶的质量比，对固定化脂肪酶的酶活力、酶固载量以及重复使用性的影响并不显著，因此，并不一一阐述。 

本发明所制得的固定化酶载体为含氢硅油疏水改性的SiO₂，酶源为米根霉脂肪酶，其水解橄榄油（主要成分是三油酸甘油酯）活力最佳达305U/g，具有良好的水解活力。重复使用性实验表明，在最优条件下，以含氢硅油疏水改性的SiO₂为载体的固定化酶重复使用12次后，酶活仍保持最初的80%以上，同样的方法，测以未修饰的SiO₂为载体的固定化酶，重复使用12次后，酶活降为最初的50%以下，疏水改性有效的提高了固定化酶的重复使用性。 

图2是PMHS改性前后固载酶的重复使用情况，纵坐标为重复使用后的酶活力与初始酶活力的百分比。其中A为未改性的二氧化硅固载的米根霉脂肪酶重复使用情况，B为PMHS改性二氧化硅固载米根霉脂肪酶重复使用情况。从图2，可以看出，多次重复使用后未改性的二氧化硅固载的脂肪酶活力迅速下降，而PMHS改性的二氧化硅固载的脂肪酶活力下降较为平缓。经过12次重复使用，PMHS改性的固定化酶相对酶活为80.2%，未改性的固定化酶相对酶活为45.5%，提高了接近一倍，因此，采用含氢硅油改性的SiO₂的稳定性有显著改善。本发明中所述的稳定性指的是经过多次使用后，仍能保持较高的酶活力。 

如上所述，可较好的实现本发明。 

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。