介孔氧化硅仿生固定化酶的构筑及性能
固定化酶由于在有机合成、医学诊断、能源开发和环境工程上的广泛应用而倍受关注。同时实现酶的高活性和稳定吸附是固定化酶的主要挑战。介孔材料由于比表面高、孔结构有序可调、表面含丰富的活性羟基等特点成为固定化酶的优良载体,本实验室前期工作利用固酶后孔口再改造构筑了高效纳米生物反应器。但是对于介孔固定化酶仍有一些关键问题亟待解决,如明确酶在介孔材料中的分布、应用于大体积底物催化以及连续操作等。本论文针对上述问题开展工作,主要创新性研究内容及结论如下:
一、为明确酶在介孔材料的扩散行为和分布,利用荧光共聚焦显微技术(CLSM)和X-射线粉末衍射(XRD)表征,结合限制性扩散模拟、粒内扩散模型分析和表观动力学计算对猪胰脂肪酶(PPL)在SBA-15的吸附进行了研究,阐明了适合于PPL的最小孔径和最佳孔径。限制性扩散模拟与CLSM观察一致,表明了PPL在较大介孔内分布更加均匀；粒内扩散模型分析表明,除孔内扩散还存在边界层扩散效应；以粒内扩散模型进一步推算了颗粒内外表面的酶含量。孔内吸附量与XRD结果均表明了“限域效应”的存在,并通过表观动力学计算得到了证实。
二、针对介孔材料固定化酶在应用于大体积底物时由于扩散阻力底物无法进入孔道接触催化中心的问题,提出了一种pH触发介孔释放酶分子作用于底物后再回收的设想。研究发现,通过调控pH敏感的界面作用,溶菌酶可以有效释放,对细菌细胞的消解显示了100％的活性,并实现完全回收,CLSM和XRD直接证实了该吸.脱附过程；研究中还发现,存在底物增强的酶脱附效应和酶优先吸附效应,而且在吸.脱附过程中酶二级结构不变,保证了介孔固定化溶菌酶在消解细菌中的高效性和重复使用性。
三、为实现固定化酶催化过程的连续操作,提出在阳极氧化铝(AAO)孔内合成介孔氧化硅,结合介孔氧化硅在固酶上的优势和AAO的膜结构,构筑结构化生物催化剂。研究表明,对于三维立方、六方环状和六方直型三种不同孔结构的AAO-silica杂化材料,酶负载量均高于AAO,可实现酶催化的连续反应；其中三维立方结构由于孔的三维连通性和较多开口数而具有最好的水通量,同时该结构还有利于酶的保留和活性表达。针对六方环状结构的AAO-silica杂化材料酶流失性较大问题,进一步提出以介孔纳米粒子(MNP)对膜进行修饰,构筑AAO-silica—enzyme—MNP的多级结构固定化酶。研究发现,该固定化酶显示出类似于生物膜的选择透过性、高效催化活性、连续运转等多种功能,对胰蛋白酶等多种酶能抑制流失同时保持活性,在催化反应中具有很好的重复使用性。
介孔氧化硅;生物无机杂化材料;多级结构;仿生固定化酶;酶催化
北京化工大学
博士
化学工程与技术
何静
2011
中文
Q814.2;TQ127.2
114
2011-08-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）