基于Pickering乳液模板的多酶胶体体的制备及其催化性能研究

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固定化酶作为生物催化剂具有重要的经济和技术价值,在工业应用方面有巨大的潜力。然而在许多反应中,单一的酶不能满足工业生产的需求,往往需要利用多种或多个酶协同催化完成。由于传统分步催化生产中,每个中间产物都要经过分离纯化,这样在操作过程中损失会比较大,产率也较低。因此,若对催化过程进行合理设计,在一定空间内实现多酶级联催化,可以有效减少反应步骤以及反应设备的初始投入,降低中间产物在分离过程中的损失。本文通过仿生矿化法将葡萄糖氧化酶(GOx)和辣根过氧化物酶(HRP)分别包封于类沸石咪唑酯骨架材料-8(ZIF-8)中制备了GOx@ZIF-8和HRP@ZIF-8。在此基础上,通过Pickering乳液模板法,以载酶ZIF-8为颗粒稳定剂制备了具有核-壳型中空结构的胶体体,并将GOx和HRP定向组装在胶体体的壁上和腔内,获得了两种不同酶分布位置的双酶胶体体。系统地分析了双酶胶体体的催化机理,揭示了双酶定位组装与催化过程的调控关系。得到的主要结论如下:(1)采用仿生矿化法分别制备了GOx@ZIF-8和HRP@ZIF-8,考察了制备过程中酶添加量与酶负载量和酶活回收率之间的关系。采用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和激光共聚焦显微镜(CLSM)等多种表征手段研究了ZIF-8、GOx@ZIF-8和HRP@ZIF-8的物化性质。研究了游离酶和固定化酶的酶学性质,结果表明游离和固定化GOx的最适温度都是45℃,最适p H都是6;游离和固定化HRP的最适温度都是35℃,最适p H都是7。此外,固定化酶的稳定性(热稳定性、p H稳定性、溶剂耐受性、储藏稳定性)均优于游离酶。GOx@ZIF-8和HRP@ZIF-8循环使用8次后仍然保留了76.71%和77.78%的初始酶活。(2)系统地研究了油水比、载酶ZIF-8添加量和司盘80(Span 80)添加量对Pickering乳液形貌的影响,得到制备乳液的最佳条件为:油水比=3:1,载酶ZIF-8添加量为30 mg,Span 80添加量为30 mg。采用Pickering乳液模板法制备了具有中空结构的胶体体并实现了GOx和HRP在胶体体的壁上和腔内的定位组装,通过CLSM验证了GOx和HRP在胶体体中的定向固定化。通过SEM观察了胶体体的形貌,验证了胶体体的中空结构,并证明了乳液固化过程中生长在乳滴外侧的小粒径ZIF-8涂层,为乳液提供了额外的结构稳定性。对游离双酶和SGOxLHRP(GOx位于胶体体壁上,HRP位于胶体体腔内)、SHRPLGOx(GOx位于胶体体腔内,HRP位于胶体体壁上)的酶学性质进行分析,得到游离双酶和SGOxLHRP、SHRPLGOx的最适温度都是35℃,最适p H都是6。同时,证明了SGOxLHRP和SHRPLGOx的温度稳定性、p H稳定性、储藏稳定性和溶剂耐受性都要显著强于游离双酶。(3)制备了SGOxLHRP和SHRPLGOx两种多酶生物微反应器,并用葡萄糖-邻苯二胺级联反应作为模型,通过分析中间产物H2O2在两种体系中的利用度差异,建立了双酶定位组装与反应效率之间的关系。通过SGOxLHRP、SHRPLGOx与其他单独固定化酶体系的比较,突出了共固定化相对于单独固定化的优势。
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