介孔纳米薄膜构筑的整体型大孔SiO2的制备及在固定化酶中的应用

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脂肪酶因具有催化酯类水解和转酯化等反应的能力,已被广泛应用于食品、制药和生物柴油生产等工业领域中。酶固定化技术不仅可以解决游离脂肪酶在催化反应中因存在缺乏长期的操作稳定性、难以从反应体系中回收和循环使用的缺点而使其在工业化应用中受到阻碍的问题,而且能够保留酶的特性。载体材料的结构和性质是影响固定化酶性能的重要因素。本研究采用双模板法制备了介孔纳米薄膜构筑的整体型大孔SiO2材料(MNCMMS),并作为固定化荧光假单胞菌脂肪酶(PFL)的载体。使用MNCMMS固定化PFL,不仅改善了脂肪酶固定在介孔纳米材料上的局限性:易团聚、难回收循环利用;而且它兼具宏观尺寸大孔材料和纳米介孔材料的优点:高比表面积可提高酶固载量、短孔道的介孔有利于分子扩散、易回收重复使用。对MNCMMS表面改性后固定PFL,并应用于(R,S)-1-苯乙醇的手性拆分。1.以具有三维骨架结构的环氧树脂大孔聚合物作为形状和大孔结构导向剂,PEG20000为介孔致孔剂,通过双模板法制备了MNCMMS。应用各种表征技术研究了MNCMMS的结构和性能。结果表明,MNCMMS具有两套3D连续的大孔孔道,大孔孔壁厚度为40至50 nm,孔壁上存在丰富的介孔(介孔孔径为10.5nm);比表面积是317 m~2/g,孔隙率达89.2%,抗压强度为10.4 MPa。采用吸附法固定化PFL(PFL@MNCMMS),在优化条件下,PFL@MNCMMS的酶活为4897U/g,酶活回收率达到255%。与游离PFL相比,PFL@MNCMMS的稳定性和可重复使用性得到了显著提高。而且,可以很容易地从反应系统中回收固定化脂肪酶以进行再利用。2.以乙醇为溶剂,采用后嫁接法用硅烷偶联剂KH560对MNCMMS改性,制备了环氧基功能化修饰的MNCMMS材料(EMNCMMS)。应用SEM、FTIR和TG-DTA等技术对EMNCMMS进行表征。EMNCMMS同MNCMMS一样具有三维连续贯通的两组大孔,大孔孔壁上有丰富的介孔。在优化条件下,PFL@EMNCMMS的酶活和固载量分别为5698 U/g和4.5 mg/g,酶活回收率高达284%。相比PFL@MNCMMS,PFL@EMNCMMS表现出极佳的可重复使用性,循环使用5次后剩余酶活为初始酶活的93.3%。3.将PFL@EMNCMMS作为生物催化剂手性拆分(R,S)-1-苯乙醇,并对其拆分条件进行优化。研究发现以正己烷为溶剂、加入催化剂质量0.15 g(10 m L反应液)、(R,S)-1-苯乙醇与酰基供体摩尔比为1:4、使用水合盐对CuSO4·5/3调节体系水活度,50℃反应24 h后,此催化反应的ees值>99.9%,eep是98.7%,转化率C为50.3%,对映选择性E值是1140。
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