卤素及卤代烷修饰SBA-15负载脂肪酶及催化甘油解的研究

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脂肪酶是一种可以水解甘油三酯(TAG)生成甘油二酯(DAG),甘油单酯(MAG)等产物的酶类。脂肪酶作为一种催化剂,除了可以催化水解反应外,还可以催化酯化、酸解、醇解及转酯化等反应,具有反应条件温和、选择性强、副产物少等优点。游离脂肪酶稳定性相对较差,通过介孔固体材料SBA-15固定游离脂肪酶,可以有效提高脂肪酶的稳定性和重复利用性。SBA-15为亲水材料,通过后嫁接法将含有卤族元素的疏水基团引入至SBA-15,可改变SBA-15的性质。本研究通过后嫁接法将有机官能团引入SBA-15后负载4种脂肪酶,研究了固定化酶的酶学性质以及应用于甘油解制备DAG,主要研究结果如下:1、采用9种不同卤素和卤代烷修饰SBA-15(SBA-15-R),然后负载CALB(CALB@SBA-15-R)。采用XRD、XPS、FT-IR、SEM、TEM、N2物理吸附-脱附分析对SBA-15、SBA-15-R、CALB@SBA-15以及CALB@SBA-15-R进行表征。采用荧光光谱分析固定化酶CALB的三级结构变化。结果表明:官能团1H,1H,2H,2H-十三氟代正辛基和1H,1H,2H,2H-十七氟癸基已经成功引入SBA-15表面,且脂肪酶CALB已经成功负载。官能团的嫁接和脂肪酶CALB的负载不会破坏SBA-15原有的孔道结构。荧光光谱分析固定化脂肪酶CALB的三级结构变化,游离CALB的最大发射波长为323.90±0.28 nm,在固定化酶中观察到最大发射波长的红移,尤其是CALB@SBA-15的最大发射波长从323.90±0.28 nm移动到343.15±0.49 nm。载体SBA-15-CH2CH2(CF2)5CF3和SBA-15-CH2CH2(CF2)7CF3固定CALB,也发现相同的现象,分别从323.90±0.28 nm红移到338.4±0.21 nm和329.85±1.34 nm。红移的发生表明,蛋白质中TRP周围环境的极性的增加,疏水性降低。脂肪酶被吸附到载体后其三级结构发生变化。2、采用9种不同卤素和卤代烷修饰SBA-15后,再负载4种脂肪酶,包括:CALB、AOL、RML和LU。结果显示1H,1H,2H,2H-十七氟癸基修饰的SBA-15负载CALB的酶活最高,为5577.80±200.00U/g;氯甲基修饰的SBA-15负载AOL酶活最高,为12000.00±581.19U/g;1H,1H,2H,2H-十七氟癸基修饰的SBA-15负载LU酶活最高,为2822.20±200.00U/g;1H,1H,2H,2H-十七氟癸基修饰的SBA-15负载RML酶活性最高,为11577.78±234.13U/g。修饰后的SBA-15负载脂肪酶,相比于未修饰的SBA-15负载脂肪酶,酶活性都有提高,说明卤素和卤代烷修饰SBA-15是提高固定化酶酶学性质的有效途径。3、采用卤素和卤代烷修饰SBA-15负载脂肪酶催化甘油解制备DAG。反应条件:甘油0.184 g,大豆油3.52 g,温度60℃,时间12h,加入固定化酶0.2 g。结果发现,1H,1H,2H,2H-十七氟癸基修饰SBA-15负载CALB(CALB@SBA-15-CH2CH2(CF2)7CF3)催化甘油解制备DAG,DAG含量为54.19±1.91wt%,DAG/MAG比值为2.75±0.59;3-氯丙基修饰的SBA-15负载AOL(AOL@SBA-15-(CH2)2CH2Cl)催化甘油解制备DAG,DAG含量为52.20±0.10wt%,DAG/MAG比值为2.83±0.11;1H,1H,2H,2H-十三氟代正辛基修饰的SBA-15负载LU(LU@SBA-15-CH2CH2(CF2)5CF3),DAG产率最高为52.55±0.73,DAG/MAG比值为1.59±0.02;氯甲基修饰的SBA-15负载RML(RML@SBA-15-CH2Cl)催化甘油解反应,DAG产量为59.22±0.23wt%,DAG/MAG的比值为3.96±0.13。同时探讨CALB@SBA-15-CH2CH2(CF2)5CF3和CALB@SBA-15-CH2CH2(CF2)7CF3催化甘油解反应的热力学方程,CALB@SBA-15-CH2CH2(CF2)5CF3和CALB@CALB@SBA-15-CH2CH2(CF2)7CF3在40-90℃之间的Arrhenius方程式,分别为ln V0=3.13-3.07/T和ln V0=7.90-4.64/T。4、为进一步提高DAG的产率,研究了不同反应温度、反应时间、固定化酶用量和大豆油/甘油的摩尔比对CALB@SBA-15-CH2CH2(CF2)5CF3催化甘油解制备DAG的影响。研究发现,大豆油3.52 g,甘油0.184 g,在体系中加入0.3 g CALB@SBA-15-CH2CH2(CF2)5CF3,在80℃恒温条件下经过12 h催化,DAG含量可达60.13±1.34 wt%,TAG的转化率为81.14%。同时,在此反应条件下,研究了CALB@SBA-15-CH2CH2(CF2)5CF3和CALB@SBA-15-CH2CH2(CF2)7CF3催化甘油解的重复利用性,经过10批次重复使用后,CALB@SBA-15-CH2CH2(CF2)5CF3和CALB@SBA-15-CH2CH2(CF2)7CF3催化甘油解的TAG转化率分别保持在初始TAG转化率的99.63±0.86%和93.06±5.80%。说明载体SBA-15-CH2CH2(CF2)7CF3负载脂肪酶是提高酶操作稳定性的有效途径。
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