基于共价有机框架材料构建生物催化剂及性能研究

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酶是具有专一性、高效性等优势的生物催化剂,在环境治理、油脂工业和食品加工等行业具有广泛的应用前景。但酶分子的结构易受环境的影响,在实际应用过程中操作稳定性差、难以回收再利用等缺点限制了其应用。仿酶和固定化酶等技术的提出可有效解决这些问题,其具有稳定性高和制备工艺简单的优势,是实现绿色化学过程的有效途径。本研究以共价有机框架为出发点,合成了具有催化活性的功能性材料和具有核壳结构的载体,分别以其为载体固定化脂肪酶,并应用于催化酯化反应。本研究主要包括以下三个方面:(1)在25 ℃条件下,将共价有机框架(RT-COF-1)与铁离子配位,合成了具有仿酶活性的催化剂Fe-COF。对RT-COF-1和Fe-COF进行了表征。优化了Fe-COF的催化条件,在缓冲溶液p H为5.0、温度为35 ℃、酶浓度为800μg·m L-1和过氧化氢(H2O2)浓度为100 m M时,Fe-COF的催化活性相对最高。研究发现,Fe-COF具有良好的p H稳定性和热稳定性,将其浸泡在水溶液中30天后,仍能保留80%以上的活性。在最优条件下,Fe-COF对H2O2和3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)的米氏常数分别为0.196 mmol·L-1和0.026 mmol·L-1,对H2O2的检测线性范围为10μM-2000μM,最低检测限为5.6μM。Fe-COF催化体系可快速、有效的检测牛奶中H2O2的残留量,得出该催化体系具有较高的可信度。此外,将Fe-COF催化体系用于染料罗丹明B的降解,30 min内的降解率达89.45%。(2)以Fe-COF为载体,脂肪酶CALB为模型酶,利用金属离子和酶分子的亲和作用,成功制备了具有催化活性的CALB@Fe-COF,对其进行了表征。研究表明,初始酶浓度和吸附时间分别为2.8 mg/m L和2 h时,CALB@Fe-COF的最大蛋白负载量为91.67 mg/gsupport,酶活为53.93 U/mgsupport。CALB@Fe-COF的p H稳定性、热稳定性、有机溶剂耐受性和储藏稳定性较游离酶明显提高。CALB@Fe-COF用于催化月桂酸和十二醇的酯化反应,在反应温度为55 ℃、酸醇摩尔比为1:1.5和反应时间为6h时,CALB@Fe-COF催化月桂酸和十二醇的转化率达90.7%。相同初始酶活的N435和CALB@Fe-COF重复使用10次后,CALB@Fe-COF催化月桂酸的转化率(55.89%)高于N435的催化转化率(29.6%),结果表明CALB@Fe-COF的重复使用稳定性高于N435。(3)在25 ℃条件下,成功制备了核-壳结构的磁性共价有机框架(Fe3O4@COF-SA),通过共价结合法制备了生物复合材料Fe3O4@COF-SA@CALB,并对其进行了表征。研究表明,Fe3O4@COF-SA@CALB具有良好的磁响应(34.69 emu/g)。当初始酶浓度和共价结合时间分别为4.2 mg/m L和3 h时,Fe3O4@COF-SA的最大蛋白酶负载量为237.1 mg/gsupport,酶活为27.8 U/mgsupport。Fe3O4@COF-SA@CALB的p H稳定性、热稳定性、有机溶剂耐受性和储藏稳定性较游离酶均有提高。在反应温度为50 ℃、底物摩尔比为1:1.5和反应时间为2.5 h时,Fe3O4@COF-SA@CALB催化月桂酸和十二醇的转化率达90.3%。相同初始酶活的N435和Fe3O4@COF-SA@CALB重复使用10次后,Fe3O4@COF-SA@CALB催化月桂酸的转化率(78.9%)高于N435的催化转化率(29.6%),表明Fe3O4@COF-SA@CALB的重复使用稳定性高于N435。
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