曹诗林
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徐培
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马永正
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姚潇晓
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姚远
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宗敏华
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李雪辉
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娄文勇
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(16)62528-7
催化剂是化学工业的重要基础，其中酶是重要的高效天然催化剂。近年来，酶被越来越多地应用于工业领域，如精细化工、食品工业、制药工业、纺织业和制浆造纸。然而，由于游离酶存在价格昂贵及操作稳定性(特别是回收与重复使用性能)低等缺点，其在工业上的进一步应用受到一定限制。对酶进行固定化是解决上述问题的有效途径。一个理想的酶固定化技术需要载体具有良好的生物相容性和高比表面积，能够负载适量的酶并且具有很好的重复使用性能，固定化酶的过程简单温和，所得到的固定化酶制剂具有良好的催化性能、稳定性以及工业应用价值。尽管固定化酶技术经过了多年的发展，但仍需进一步研究。近几年，人们研究了基于纤维素纳米晶类、聚多巴胺类纳米载体以及生物相容性合成有机物纳米胶等新型载体对酶的固定化，取得了较好的成果。本文综述了这些新型纳米载体的制备以及酶的固定化过程，阐述了纳米载体固定化酶的结构和催化性能，并展望了发展前景。纤维素是全球产量最高、来源最广的生物聚合物。纤维素经过一定的酸(常用硫酸和盐酸)水解处理后，剩下的是具有高结晶度的纤维素纳米晶。它具有高比表面积、高机械强度和高长径比等优异性能。因此，研究者利用纤维素纳米晶作为载体进行酶固定化，获得了高负载量、高催化性能的固定化酶制剂。基于仿生矿化法制备的聚多巴胺类材料近年来获得研究者越来越多的关注。多巴胺具有良好的自聚合能力，可以对无机、有机等各种材料进行表面修饰。同时，聚多巴胺中含有的活性官能团可以与酶发生交联，从而达到固定化酶的效果。基于合成性聚合物纳米胶载体的固定化酶技术同样是一个新兴的、有意义的研究领域。相关的固定化过程可分为两大类：(1)在酶分子表面通过原位聚合生成纳米胶(growing-from过程)；(2)将酶与预先合成的纳米胶进行交联(grafting-to过程)。其中， growing-from过程是先将酶分子丙烯酰化，再进行原位聚合。而原位聚合又可分为自由基聚合、原子转移自由基聚合(ATRP)和可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)。其中， ATRP和 RAFT主要用于制备环境响应型的酶-聚合物纳米凝胶。
关键词:
酶固定化
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纤维素纳米晶
,
聚多巴胺
,
生物相容性材料
张其坤
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康俊清
,
杨兵
,
赵雷振
,
侯昭升
,
唐波
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)61028-2
面对日益枯竭的化石能源和资源危机,科研工作者加速了对生物资源回收利用的研究.其中,作为生物资源主要成分的纤维素被证实是一种可以重新利用的原料,甚至可以作为工业产品潜在的前驱体.因此,回收利用富含纤维素的农作物副产品显得尤为重要.目前,多数纤维素资源并没有得到充分利用,例如玉米芯,全世界只有大约0.5％被利用.为了高效利用玉米芯资源,人们尝试各种分解方法将其主要成分纤维素和半纤维素转化成葡萄糖、木糖、糠醛以及酒精等.其中,最有效的策略是利用纤维素酶来分解玉米芯中的纤维素.然而,纤维素酶在实际应用过程中缺乏长久稳定性,将纤维素酶从反应体系中回收并重复利用非常困难.将纤维素酶负载到固体载体上是提高传统生物酶稳定性和可回收性的有效方法.固载纤维素酶在批生产处理和连续生产中比自由酶更具优势,可使生物酶催化剂从反应体系中分离出来变得容易和可操控.可以作为纤维素酶载体的物质有很多,例如浮石、静电纺丝的PAN纤维、纳米纤维膜、甲基丙烯酸甲酯共聚物和石墨烯等.一般来讲,任何含有表面功能基团从而提供了可以和纤维素酶形成强物理、化学作用的载体都可以采用.纳米尺寸的载体具有特殊性,一方面纳米颗粒提供了较大的比表面积从而可以拥有可观的负载能力,另一方面纳米颗粒可以轻易解决大颗粒载体应用中产生的反应底物和催化剂之间的扩散受阻问题.目前,纳米磁性颗粒已广泛用于负载蛋白质、多肽和生物酶.另外,用纳米磁性粒子作载体可方便地借助外加磁场实现生物酶催化剂的选择性分离回收,避免了传统载体所需的过滤或离心等单元操作,从而降低了生产成本,使生物酶催化技术实现连续化操作并用于规模化工业生产.本文通过水热法制备了颗粒均匀的纳米Fe3O4磁性颗粒,然后用3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)化学修饰,再用戊二醛作交联剂将纤维素酶通过键合作用负载到修饰后的磁性载体上,从而高效制备了一种可磁力回收的生物酶催化剂.采用透射电镜和X射线衍射表征了磁性纳米粒子、修饰后的磁性纳米粒子以及制备的生物酶催化剂的粒径、外观形貌和品格结构,用红外光谱验证了磁性纳米颗粒上固载化纤维素酶的存在,用热重分析了固载化酶和自由酶的热稳定性,计算了制备的生物酶催化剂负载量和磁性粒子含量.对影响负载酶活性的多种因素进行了考察,合适的负载温度和pH值分别为40℃和6.0,戊二醛最佳添加浓度为2.0％,适宜的固载时间为4h.在最优负载条件下得到的固载化生物酶的活性可以保持自由酶活性的99.1％.经过15次重复使用后,固定化酶活性仍能保持91.1％.将制备的生物酶催化剂用于玉米芯分解制葡萄糖反应,预处理后的玉米芯最大分解率可达61.94％.
关键词:
磁性纳米颗粒
,
纤维素酶
,
固定化酶
,
玉米芯
,
戊二醛
