纤维素酶在几种咪唑类离子液体中活性研究

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近年来,以纤维素为原料得到乙醇、氢气等替代能源的工艺路线受到了人们的广泛关注。这条工艺路线主要包括纤维素的预处理、酶水解、还原糖的发酵三部分。目前的水解工艺需要将预处理后的纤维素分离出来进行,效率不高。用离子液体这种新型溶剂溶解纤维素,其可行性已经在2002年被证实,由此为纤维素的处理开辟了新的思路。如果可以在离子液体中同时完成纤维素的溶解、酶水解,那么必然可以提高反应效率,更重要的是可以为清洁能源的生产提供更“绿色”的生产工艺。本实验研究了一系列离子液体中([C4mim]Cl, [C6mim]Cl, [C8mim]Cl,[C2mim]BF4, [C4mim]BF4, [C6mim]BF4, [C8mim]BF4, [C4mim]PF6, [C6mim]PF6,[C8mim]PF6)纤维素酶的活性和稳定性,以及体系中添加微量水后对纤维素酶稳定性的影响,并且初步试验了离子液体/纤维素酶回收重复利用的可能性。对纤维素酶在离子液体中的活性的研究表明:在疏水性的离子液体中([C4mim]PF6、[C6mim]BF4、[C8mim]BF4)纤维素酶能保持很高的初始活性(>85%缓冲液初始酶活)。其中在[C4mim]PF6中的初始酶活为纤维素酶本身活性的94%。而在亲水性离子液体中则有不同程度的失活现象。从溶液极性的角度看,纤维素酶在极性较高的离子液体中保持良好的活性。最佳的ENT范围在0.67~0.68之间。当离子液体的ENT低于0.65,纤维素酶在其中失活严重,而过高的极性也会对酶造成不利的影响。综合溶液的亲疏水性与极性这两个因素考虑,前者的影响大于后者。纤维素酶在与水不互溶、极性强的离子液体中能保持良好的活性。三种阴离子对酶活的影响不尽相同:Cl-会造成酶的严重失活,BF4-离子液体中纤维素酶较稳定,而PF6-离子不够稳定,容易分解,造成酶的失活。对纤维素酶在离子液体中稳定性的研究表明:七天的培养中,纤维素酶在离子液体中表现出了良好的稳定性。相比在缓冲液中20%的失活,离子液体中纤维素酶的剩余酶活波动不大。说明离子液体环境能够起到保护纤维素酶的作用。对体系中微量水分的影响的研究表明:向干燥后的离子液体中添加2%v/v的微量水分,并没有提高其中纤维素酶的活性,反而造成剩余酶活的损失,酶的稳定性变差。说明2%v/v的添加量已经超过了酶的必需水量,造成了活性结构的失去。这种现象在含PF6-的离子液体中更加明显。[C4mim]PF6/纤维素酶的回用效果不佳,可以接受的使用次数是两次,但是对于在离子液体对酶的固定化作用的研究,值得做进一步的努力。本实验通过一系列离子液体中纤维素酶活性和稳定性的研究,发现和揭示纤维素酶在离子液体中的活性和稳定性规律,为寻找、设计既可以溶解纤维素,又可以让酶在其中保持良好活性的新型离子液体,探索“一釜”反应器中离子液体处理纤维素的工艺路线奠定了实验基础。
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