固定化酶、磁性碳材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種固定化酶、磁性碳材料及其制備方法和在固定化酶載體上的應(yīng)用，磁性碳材料包括介孔碳材料、分裝于所述介孔碳材料的孔洞內(nèi)的磁性顆粒、與所述介孔碳材料的孔洞口通過化學(xué)鍵合連接的修飾劑，制備方法包括：準(zhǔn)備介孔碳材料；將介孔碳材料處理為磁性碳材料復(fù)合物；對磁性碳材料復(fù)合物進(jìn)行修飾。本發(fā)明的磁性碳材料作為固定化酶載體，重復(fù)操作性及穩(wěn)定性好，克服了酶難回收的困難，同時修飾劑封口降低了磁性顆粒脫落材料對底物的污染；能夠?qū)⒚咐喂痰墓潭ㄔ谳d體表面，不易從固定載體表面脫落；該固體化酶載體，具有較大比表面積，與酶結(jié)合率較高；且酶在材料表面易與底物接觸，消除了底物的空間阻礙，從而提高了酶的催化效率。
【專利說明】
固定化酶、磁性碳材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及酶的固定技術(shù)，具體涉及一種固定化酶、磁性碳材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 酶作為具有特殊催化功能的生物催化劑，由于其催化高效性、高專一性及反應(yīng)條 件溫和等性質(zhì)被廣泛用于生物工程、食品工業(yè)、醫(yī)藥、精細(xì)化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域。脂肪酶是各種 生物酶反應(yīng)包括:對映選擇性水解和酯化、手性拆分、對映體單體制備及大分子聚合反應(yīng) 等，普遍存在的酶。但是游離酶在水溶液中很不穩(wěn)定，重復(fù)使用性差，同時對熱、高離子濃 度、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及部分有機(jī)溶劑等均不夠穩(wěn)定，容易降低甚至喪失其催化能力。另外，酶促反 應(yīng)后酶與底物和產(chǎn)物不易分離，產(chǎn)物中或多或少有酶的殘留，導(dǎo)致產(chǎn)品純度不高及酶回收 重復(fù)使用性變差。游離酶的這些不足極大制約了其實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。為了解決酶存在的 問題，人們將酶固定于載體材料中。目前固定酶的方法主要有物理法(吸附和包埋)和化學(xué) 法(交聯(lián)和共價結(jié)合）。吸附主要是通過氫鍵、靜電吸附、范德華力等微弱的分子間作用力將 酶吸附到載體表面，但吸附力弱，酶與載體易脫落，污染產(chǎn)物，不利于回收;包埋主要是將酶 捕獲到聚合物內(nèi)部空隙中，但這種孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)易使傳質(zhì)受到限制;共價結(jié)合主要是通過載 體的活性官能團(tuán)與酶分子中的部分官能團(tuán)形成共價鍵，由于這種共價結(jié)合力度強(qiáng)，從而大 大提高了酶的穩(wěn)定性，但這種共價結(jié)合有可能會造成酶變形而導(dǎo)致酶活性降低。通過調(diào)整 載體材料的結(jié)構(gòu)及活性官能團(tuán)，能夠在一定程度上抑制由于共價結(jié)合導(dǎo)致酶活性的降低。 綜合而言，共價結(jié)合的方法是固定方法中較穩(wěn)定且用途較廣的方法。與純介孔硅材料相比， 介孔碳材料表現(xiàn)出特殊的性質(zhì)，如具有高的比表面積，高孔隙率，機(jī)械強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好;孔 徑尺寸在一定范圍內(nèi)可調(diào);介孔形狀多樣，孔壁組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)可調(diào);合成簡單、易操作、 無生理毒性。其在分子篩，吸附，催化反應(yīng)，電化學(xué)等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價值。近年來，介 孔碳材料科學(xué)已經(jīng)成為國際上跨化學(xué)、物理、材料、生物等學(xué)科交叉的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。 多壁碳納米管(CNT)具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、機(jī)械穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性，對CNT表面進(jìn)行修飾或者功 能化，使得其表面具有特殊功能團(tuán)，如：-OH、-⑶0Η、-ΝΗ 2等；另外CNT是空心管狀，具有毛細(xì) 凝聚作用而起到吸附的效果；同時對CNT進(jìn)行處理，使其表面形成孔洞的結(jié)構(gòu)，利用其孔結(jié) 構(gòu)能夠進(jìn)行吸附及固定的相關(guān)應(yīng)用。
[0003] 為了解決游離酶存在的問題，人們提出了許多解決方法。主要是從載體材料固定 酶、酶分子修飾等方面著手。針對載體材料固定酶，中國專利CN102443579A公開了一種應(yīng)用 雙親性多孔中空碳微球制備固定化酶的方法，主要是將酵母碳化后得到雙親性中空碳微 球，利用吸附法將不同的酶包埋在中空碳微球的空腔里，實(shí)現(xiàn)酶的固定化。這種包埋酶的方 法雖然能夠提高酶的負(fù)載量，但對傳質(zhì)過程有很大影響，因此對底物的選擇性比較苛刻。中 國專利CN1975429B公開了一種氨基化納米磁性微球固定蛋白酶；中國專利CN102250869B公 開了一種用于生產(chǎn)植物留醇酯的磁性固定化酶，主要是用乙烯基磷酸對磁性基體進(jìn)行化學(xué) 改性，然后在其表面包裹含有環(huán)氧或磺酸根基團(tuán)的聚合物得到磁性聚合物微球，通過環(huán)氧 開環(huán)或者靜電吸附的方法實(shí)現(xiàn)酶在磁性聚合物微球表面的固定。但表面的共價鍵結(jié)合酶分 子，易導(dǎo)致酶分子結(jié)構(gòu)形變，降低酶表觀活性。專利CN104531888A公開了一種磁性碳納米 管，使用親水性溶膠-凝膠化合物包裹碳納米管一端形成富羥基殼，然后將其包覆磁性納米 顆粒固定酶。
[0004] 針對載體材料固定酶的專利及文獻(xiàn)，其載體材料主要是采用無機(jī)材料如:S i 0 2、磁 性Fe203/Fe3〇4、水滑石、Ti02等，其中多孔結(jié)構(gòu)材料如:介孔硅氧化物微球、石墨烯、碳納米管 等包埋;聚合物材料:多糖，苯乙烯樹脂，聚羥基丁酸戊酯等來固定酶。本發(fā)明提出了一類新 型載體材料，利用壁管表面多孔結(jié)構(gòu)的碳管分裝磁性顆粒，并用修飾劑將孔洞封閉，酶與碳 管表面的官能團(tuán)相互作用而固定，利用磁性顆粒易分離的特點(diǎn)可以有效的提高酶的重復(fù)使 用性及回收率;另外磁性顆粒分布在碳管內(nèi)部有利于降低多次分離后的磁損失，保護(hù)整個 固定酶材料的完整性，減少磁物質(zhì)對底物的污染；同時，磁顆粒分布在管內(nèi)部，使碳管表面 能提供更多酶固定位點(diǎn);進(jìn)一步酶與碳管表面的基團(tuán)相互作用，能有效的提高酶的穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種固定化酶、磁性碳材料及其制備方法。本發(fā)明將碳管進(jìn) 行處理形成表面多孔的結(jié)構(gòu)，磁性顆粒分裝到碳管內(nèi)部并用修飾劑封閉孔洞，碳管表面的 官能團(tuán)與酶分子相互作用形成穩(wěn)定的C/M/D-L構(gòu)型，這種固定酶的重復(fù)使用性、回收率、穩(wěn) 定性等均有很大提尚。
[0006] 本發(fā)明一方面提供一種磁性碳材料，其用于固定化酶的載體，包括介孔碳材料、分 裝于所述介孔碳材料的孔洞內(nèi)的磁性顆粒、與所述介孔碳材料的孔洞口通過化學(xué)鍵合連接 的修飾劑。
[0007] 優(yōu)選的，所述磁性碳材料內(nèi)修飾劑的質(zhì)量百分比為0.05-0.15 %。
[0008] 優(yōu)選的，所述介孔碳材料表面具有親水性官能團(tuán)，所述親水性官能團(tuán)為羥基或羧 基中的至少一種。
[0009] 本發(fā)明另一方面還提供一種上述磁性碳材料的制備方法，包括如下步驟， a、 準(zhǔn)備介孔碳材料； b、 將Fe(N〇3)3 · 9H20溶于乙醇溶液中形成飽和溶液，并緩慢分批少量加入處理后的介 孔碳材料中，且每批次加入后進(jìn)行抽真空處理，直至形成的鐵氧化物的質(zhì)量比達(dá)到15-30 wt%，然后在室溫下真空干燥； c、 將干燥后得到的混合物置于管式爐中，以N2為保護(hù)氣體，于400-700°C溫度下煅燒 2h，得到磁性碳材料復(fù)合物； d、 將磁性碳材料復(fù)合物均勻分散于修飾劑溶液中，然后將分散液轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜 中，于70-100°C反應(yīng)4-12h，反應(yīng)后過濾分離得到封口的磁性碳納米管材料。
[0010] 優(yōu)選的，所述介孔碳材料由碳納米管制備而成，制備方法為:將固態(tài)的Κ0Η與碳納 米管均勾混合后，置于管式爐中，以他為保護(hù)氣體，于700-850°C煅燒1.5-2h，然后將煅燒后 的物質(zhì)用稀鹽酸和去離子水洗至中性，干燥得到表面多孔的介孔碳材料。
[0011]優(yōu)選的，所述介孔碳材料為碳纖維、膨脹石墨、土狀石墨、CMK-3或碳納米球的其中 一種。
[0012]優(yōu)選的，所述介孔碳材料表面具有親水性官能團(tuán)，所述親水性官能團(tuán)為羥基或羧 基中的至少一種。
[0013] 優(yōu)選的，所述修飾劑為氧化鋯、β-環(huán)糊精、明膠、聚乙烯吡咯烷酮的其中一種。碳管 開口處的官能團(tuán)，由于處于缺陷狀態(tài)，使得此缺陷處的官能團(tuán)較活波從而有利于修飾劑的 結(jié)合，因此修飾劑能夠較好的封住孔洞結(jié)構(gòu)。修飾劑的添加量極少，這是為了其能夠修飾在 孔洞周圍而并不是覆蓋在碳管表面，不影響碳管表面的固定酶位點(diǎn)。
[0014] 同時，本發(fā)明還提供一種上述磁性碳材料在固定化酶載體上的應(yīng)用。
[0015] 而且，本發(fā)明還提供一種固定化酶，包括上述磁性碳材料，及與所述磁性碳材料的 親水性官能團(tuán)連接的酶分子，所述酶分子為動物的豬胰腺酶、微生物發(fā)酵的褶皺假絲酵母 酶、南極假絲酵母酶或米黑根毛霉脂肪酶的其中一種。
[0016] 其中，磁性顆粒分裝于介孔碳材料內(nèi)部的方式包含但不限于:磁性顆?？梢酝ㄟ^ 邊合成邊進(jìn)入材料孔洞中方式分裝復(fù)合，即先處理碳材料使其表面形成多孔結(jié)構(gòu)，磁性顆 粒前驅(qū)體溶液與其混合后進(jìn)入孔洞內(nèi)再生成磁性顆粒，從而形成磁性顆粒處于孔洞結(jié)構(gòu)內(nèi) 部的構(gòu)型；也可以采用先制備磁性顆粒再組裝碳材料分裝磁顆粒的方式復(fù)合，即先制備磁 性顆粒，再采用碳前驅(qū)體溶液與其混合后形成碳前驅(qū)體包覆碳顆粒的方式分裝;也可以采 用邊制備磁性顆粒邊組裝碳材料的方式分裝磁顆粒的方式復(fù)合，即磁性顆粒前驅(qū)體與碳前 驅(qū)體以一定比例混合，利用碳前驅(qū)體與磁性顆粒前驅(qū)體間的靜電或者螯合作用相互結(jié)合形 成碳包覆分裝磁性顆粒。這三種復(fù)合的方式均能將磁性顆粒分裝在碳材料內(nèi)部，與此同時， 用修飾劑將孔洞口封住以減少磁顆粒的外漏，從而在一定程度上提高了材料的重復(fù)使用 性、回收率并降低了磁性顆粒脫落后材料對底物的污染。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是： 1)該固定化酶載體，重復(fù)操作性及穩(wěn)定性好，采用介孔碳材料分裝磁性顆粒并通過修 飾劑封口，通過磁性分離回收酶，克服了酶難回收的困難，同時修飾劑封口降低了磁性顆粒 脫落材料對底物的污染。
[0018] 2)該固定化酶載體，能夠?qū)⒚咐喂痰墓潭ㄔ谳d體表面，不易從固定載體表面脫落。
[0019] 3)該固體化酶載體，具有較大比表面積，與酶結(jié)合率較高;且酶在材料表面易與底 物接觸，消除了底物的空間阻礙，從而提高了酶的催化效率。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明的固定化酶的復(fù)合構(gòu)型示意圖； 圖2為本發(fā)明的實(shí)施例1的固定化酶的熱穩(wěn)定性曲線； 圖3為本發(fā)明的實(shí)施例1的固定化酶的重復(fù)使用性曲線； 其中，Μ為磁性顆粒，C為介孔碳材料，D為修飾劑，L為酶分子。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面的實(shí)施例描述了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，但本發(fā)明不僅僅局限于以下實(shí)施 例。
[0022] 實(shí)施例1 制備h-CNT/Fe2〇3/Zr02復(fù)合磁性負(fù)載材料。選擇多壁碳納米管(CNT)為碳材料，鐵氧化 合物為磁性物質(zhì)，Zr〇2為修飾劑制備固定化酶載體材料。碳納米管的處理:5g Κ0Η與lg CNT 研磨均勻后置于管式爐中，在N2氣氛下，以10°C/min的升溫速率從室溫升至850°C下煅燒 90min。煅燒后的產(chǎn)物用稀鹽酸洗滌至中性后，真空干燥得到表面腐蝕多孔的碳管h-CNT。
[0023] 取0.75g Fe(N03)3 · 9H20的乙醇飽和溶液分批緩慢浸潤0.5g處理后的碳管h-CNT，且每次浸潤后抽真空處理5min，如此反復(fù)多次。加入乙二醇浸潤此混合材料后，置于管 式爐中，在N 2氣氛下，以10°C/min的升溫速率從室溫升至450°C下煅燒120min。煅燒后即得 到h-CNT/Fe 2〇3復(fù)合材料。
[0024] 取 10 mg ZrOCl2 · 8H20溶于20ml去離子水中，超聲5min。取上述0.5 g h-CNT/ Fe2〇3磁性復(fù)合材料分散于配置好的鋯的水溶液中，超聲15min后于60°C烘箱中烘干。10ml氨 水(28%)倒入反應(yīng)釜中，將烘干后的混合物平鋪于濾紙上懸掛于反應(yīng)釜中（不與氨水接觸）。 反應(yīng)釜置于70 °C烘箱內(nèi)保溫4h。反應(yīng)結(jié)束后，取出材料于60 °C下干燥12h得到h-CNT/Fe2〇3/ Zr02復(fù)合磁性負(fù)載材料。
[0025] 取5ml戊二醛溶于20ml磷酸緩沖液(PBS，PH=5.0, 0.1M)中超聲2min。將0.5 g上 述h_CNT/Fe2〇3/Zr〇2復(fù)合磁性負(fù)載材料分散于戊二醛溶液中，超聲lmin，置于65°C搖床中反 應(yīng)12h。反應(yīng)結(jié)束后過濾，用去離子水洗滌至中性后室溫真空干燥得到磁性負(fù)載材料。
[0026]取100mg上述磁性負(fù)載材料分散于皺褶假絲酵母脂肪酶(CRL)的磷酸緩沖液中，置 于37°C搖床中，在160rpm速率下反應(yīng)6h。反應(yīng)結(jié)束后將混合物磁分離，過濾，磷酸緩沖溶液 洗滌后凍干干燥得到固定化酶。
[0027]將所獲得的固定化酶測定其催化活性及其熱穩(wěn)定性、重復(fù)使用率。固定酶的熱穩(wěn) 定性、重復(fù)使用率結(jié)果如附圖2、3所示。將制備的固定化酶通過PNPP顯色法測定催化活力， 結(jié)果顯示：固定化酶每克蛋白的單位酶活力相對于游離酶每克蛋白的單位酶活力為 75.36%。在酶催化完成后，采用外加磁場方式實(shí)現(xiàn)固定化酶的快速分離，操作簡單，分離徹 底。在固定化酶重復(fù)多次使用后，磁分離效果仍較好，固定化酶催化活性保持穩(wěn)定;在50°C 下，隨反應(yīng)時間的增加，固定化酶的相對活性較游離酶穩(wěn)定，這說明酶固定在本發(fā)明的載體 材料上，其熱穩(wěn)定性有所提高。
[0028] 實(shí)施例2 制備h-CNT/Fe2〇3/PVP復(fù)合磁性負(fù)載材料。選擇多壁碳納米管(CNT)為碳材料，鐵氧化 合物為磁性物質(zhì)，PVP為修飾劑制備固定化酶載體材料。碳納米管的處理:5g Κ0Η與1 g CNT 研磨均勻后置于管式爐中，在N2氣氛下，以10°C/min的升溫速率從室溫升至850°C下煅燒 90min。煅燒后的產(chǎn)物用稀鹽酸洗滌至中性后，真空干燥得到表面腐蝕多孔的碳管h-CNT。
[0029] 取0.75g Fe(N03)3 · 9H20的乙醇飽和溶液分批緩慢浸潤0.5g處理后的碳管h-CNT，且每次浸潤后抽真空處理5min，如此反復(fù)多次。加入乙二醇浸潤此混合材料后，置于管 式爐中，在N 2氣氛下，以10°C/min的升溫速率從室溫升至450°C下煅燒120min。煅燒后即得 到h-CNT/Fe 2〇3復(fù)合材料。
[0030] 取10 mg PVP溶于20ml去離子水中，超聲5min。取上述0.5 g h-CNT/Fe2〇3磁性復(fù)合 材料分散于配置好的PVP水溶液中，超聲15min后于60°C烘箱中烘干。
[0031] 取5ml戊二醛溶于20ml磷酸緩沖液(PBS，PH=5.0, 0.1M)中超聲2min。將0.5 g上 述h_CNT/Fe2〇3/PVP復(fù)合磁性負(fù)載材料分散于戊二醛溶液中，超聲lmin，置于65°C搖床中反 應(yīng)12h。反應(yīng)結(jié)束后，過濾，用去離子水洗滌至中性后室溫真空干燥得到磁性負(fù)載材料。 [0032]取100mg上述磁性負(fù)載材料分散于CRL酶的磷酸緩沖液中，置于37°C搖床中，在 160rpm速率下反應(yīng)6h。反應(yīng)結(jié)束后將混合物磁分離，過濾，磷酸緩沖液洗滌后凍干干燥得到 固定化酶。
[0033]將所獲得的固定化酶測定其催化活性及其熱穩(wěn)定性、重復(fù)使用率。
[0034] 實(shí)施例3 制備h-CNT/Fe2〇3/i3-⑶復(fù)合磁性負(fù)載材料。選擇多壁碳納米管(CNT)為碳材料，鐵氧化 合物為磁性物質(zhì)，β-環(huán)糊精為修飾劑制備固定化酶載體材料。碳納米管的處理:5g Κ0Η與lg CNT研磨均勻后置于管式爐中，在N2氣氛下，以10°C/min的升溫速率從室溫升至850°C下煅 燒90min。煅燒后的產(chǎn)物用稀鹽酸洗滌至中性后，真空干燥得到表面腐蝕多孔的碳管h-CNT。
[0035] 取0.75g Fe(N03)3 · 9H20的乙醇飽和溶液分批緩慢浸潤0.5g處理后的碳管h-CNT，且每次浸潤后抽真空處理5min，如此反復(fù)多次。加入乙二醇浸潤此混合材料后，置于管 式爐中，在N 2氣氛下，以10°C/min的升溫速率從室溫升至450°C下煅燒120min。煅燒后即得 到h-CNT/Fe 2〇3復(fù)合材料。
[0036] 取10 mg β-CD溶于20ml乙二醇中，超聲5min。取上述0·5 g h_CNT/Fe2〇3磁性復(fù)合 材料分散于配置好的β-CD乙二醇溶液中，超聲15min后于60°C烘箱中烘干。
[0037] 取5ml戊二醛溶于20ml磷酸緩沖液(PBS，PH=5.0, 0.1M)中超聲2min。將0.5 g上 述h-CNT/Fe2〇3/0_⑶復(fù)合磁性負(fù)載材料分散于戊二醛溶液中，超聲lmin，置于65°C搖床中反 應(yīng)12h。反應(yīng)結(jié)束后，過濾，用去離子水洗滌至中性后室溫真空干燥得到磁性負(fù)載材料。 [0038]取100mg上述磁性負(fù)載材料分散于CRL酶的磷酸緩沖液中，置于37°C搖床中，在 160rpm速率下反應(yīng)6h。反應(yīng)結(jié)束后將混合物磁分離，過濾，磷酸緩沖液洗滌后凍干干燥得到 固定化酶。
[0039] 將所獲得的固定化酶測定其催化活性及其熱穩(wěn)定性、重復(fù)使用率。
[0040] 實(shí)施例4 制備CMK-3/Fe2〇3/PVP復(fù)合磁性負(fù)載材料。選擇有序介孔碳CMK-3為碳材料，鐵氧化合 物為磁性物質(zhì)，PVP為修飾劑制備固定化酶載體材料。
[0041 ] 取0.75g Fe(N〇3)3 · 9H20的乙醇飽和溶液分批緩慢浸潤0.5g CMK-3介孔碳材料， 且每次浸潤后抽真空處理5min，如此反復(fù)多次。加入乙二醇浸潤此混合材料后，置于管式爐 中，在N2氣氛下，以10°C/min的升溫速率從室溫升至450°C下煅燒120min。煅燒后即得到 CMK-3/Fe2〇3復(fù)合材料。
[0042] 取5 mg PVP溶于20ml去離子水中，超聲5min。取上述0.5 g CMK-3/Fe2〇3磁性復(fù)合 材料分散于配置好的PVP水溶液中，超聲15min后于60°C烘箱中烘干。
[0043] 取5ml戊二醛溶于20ml磷酸緩沖液(PBS，PH=5.0, 0.1M)中超聲2min。將0.5 g上 述CMK-3/Fe2〇3/PVP復(fù)合磁性負(fù)載材料分散于戊二醛溶液中，超聲lmin，置于65°C搖床中反 應(yīng)12h。反應(yīng)結(jié)束后，過濾，用去離子水洗滌至中性后室溫真空干燥得到磁性負(fù)載材料。 [0044]取100mg上述磁性負(fù)載材料分散于CRL酶的磷酸緩沖液中，置于37°C搖床中，在 160rpm速率下反應(yīng)6h。反應(yīng)結(jié)束后將混合物磁分離，過濾，磷酸緩沖液洗滌后凍干干燥得到 固定化酶。
[0045] 將所獲得的固定化酶測定其催化活性及其熱穩(wěn)定性、重復(fù)使用率。
[0046] 實(shí)施例5 制備h-CNT/Fe2〇3/Zr02磁性負(fù)載材料，制備方法如實(shí)施例1所示。
[0047]取lOOmg上述磁性負(fù)載材料分別分散于皺褶假絲酵母脂肪酶(CRL)、豬胰脂肪酶 (PPL)、米黑根毛霉脂肪酶(RML)的磷酸緩沖液中，置于37°C搖床中，在160rpm速率下反應(yīng) 6h。反應(yīng)結(jié)束后將混合物磁分離，過濾，磷酸緩沖液洗滌后凍干干燥得到固定化酶。
[0048]分別測定實(shí)施例5所獲得的三種固定化酶的催化活性及其熱穩(wěn)定性、重復(fù)使用率。 結(jié)果如表1所示。
[0049] 分別測定實(shí)施例1~5獲得的固定化酶的熱穩(wěn)定性、重復(fù)使用率，并將測定結(jié)果進(jìn)行 對比，具體對比結(jié)果如表2所示。
[0050] 表 2
對于游離酶而言，在溫度為50°C，反應(yīng)時間為250min時，酶相對活性(此條件下的酶與 初始酶的百分比）為56%。從表2可見，磁性碳管材料為載體固定酶的各實(shí)施例，固定酶熱穩(wěn) 定性值均大于游離酶，這說明固定化酶的熱穩(wěn)定性得到了很大的提升。從圖3可見，隨著重 復(fù)使用次數(shù)的增加，固定化酶的活性在前四次循環(huán)中損失的比較大，但是在之后的循環(huán)使 用中酶活性較穩(wěn)定。這可能是由于在前四次循環(huán)中，部分通過物理吸附在碳管表面的酶，由 于吸附力較弱容易脫離，導(dǎo)致了活性的降低，當(dāng)固定酶體系穩(wěn)定后，酶活性穩(wěn)定。將磁性顆 粒Μ分裝于表面多孔的介孔碳材料C內(nèi)部，并將孔洞用修飾劑D封閉構(gòu)成載體材料，酶分子L 與載體材料表面官能團(tuán)相互作用制得磁性固定化酶(C/M/D-L)。該固定化酶具有如下優(yōu)良 的效果：1)利用磁性顆粒易分離的特點(diǎn)可以有效的提高酶的重復(fù)使用性及回收率;2)磁性 顆粒分布在碳管內(nèi)部降低了磁性顆粒脫落后材料對底物的污染，保護(hù)整個固定酶材料的完 整性;4)磁性顆粒分布在碳管內(nèi)，使碳管表面提供更多固定酶的位點(diǎn)；3)酶與碳管表面的 基團(tuán)相互作用，能有效的提高酶的穩(wěn)定性。如在溫度為50°C，反應(yīng)時間為250min時，游離酶 CRL相對活性為56%，h-CNT/Fe203/Zr02為載體的固定化酶CRL相對活性為73%;另外，h-CNT/ Fe203/Zr02為載體的固定化酶CRL重復(fù)8次后的酶相對活性為65%。
[0051]本發(fā)明所提出的將磁性顆粒分裝于表面多孔結(jié)構(gòu)的碳材料中，采用修飾劑將孔洞 封口形成的載體材料，利用酶分子中的官能團(tuán)與碳材料表面的活性官能團(tuán)相互作用形成的 磁性碳管固定化酶，一方面利用磁性顆粒易分離的特點(diǎn)，使得固定酶易回收;另一方面磁性 顆粒分布在碳管內(nèi)部有利于降低多次分離后的磁損失后材料對底物的污染，保護(hù)整個固定 酶材料的完整性；同時，磁性顆粒分布在管內(nèi)有利于使碳管表面能提供更多的固定酶位點(diǎn)； 進(jìn)一步，酶與碳管表面的基團(tuán)相互作用，能有效的提高酶的穩(wěn)定性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種磁性碳材料，其特征在于，包括介孔碳材料、分裝于所述介孔碳材料的孔洞內(nèi)的 磁性顆粒、與所述介孔碳材料的孔洞口通過化學(xué)鍵合連接的修飾劑。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性碳材料，其特征在于，所述磁性碳材料內(nèi)修飾劑的質(zhì)量百 分比為0.05-0.15 %。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁性碳材料，其特征在于，所述介孔碳材料表面具有親水 性官能團(tuán)，所述親水性官能團(tuán)為羥基或羧基中的至少一種。4. 一種權(quán)利要求1所述磁性碳材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟， a、 準(zhǔn)備介孔碳材料； b、 將Fe (N〇3)3 · 9H20溶于乙醇溶液中形成飽和溶液，并緩慢分批少量加入處理后的介 孔碳材料中，且每批次加入后進(jìn)行抽真空處理，直至形成的鐵氧化物的質(zhì)量比達(dá)到15-30 wt%，然后在室溫下真空干燥； c、 將干燥后得到的混合物置于管式爐中，以N2為保護(hù)氣體，于400-700°C溫度下煅燒2h， 得到磁性碳材料復(fù)合物； d、 將磁性碳材料復(fù)合物均勻分散于修飾劑溶液中，然后將分散液轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜 中，于70-100°C反應(yīng)4-12h，反應(yīng)后過濾分離得到封口的磁性碳納米管材料。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述介孔碳材料由碳納米管制備而 成，制備方法為:將固態(tài)的KOH與碳納米管均勻混合后，置于管式爐中，以N 2為保護(hù)氣體，于 700-850°C煅燒1.5-2h，然后將煅燒后的物質(zhì)用稀鹽酸和去離子水洗至中性，干燥得到表面 多孔的介孔碳材料。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述介孔碳材料為碳纖維、膨脹石墨、 土狀石墨、CMK-3或碳納米球的其中一種。7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制備方法，其特征在于，所述介孔碳材料表面具有親水性 官能團(tuán)，所述親水性官能團(tuán)為羥基或羧基中的至少一種。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述修飾劑為氧化鋯、β-環(huán)糊精、明 膠、聚乙烯吡咯烷酮的其中一種。9. 一種權(quán)利要求1所述磁性碳材料在固定化酶載體上的應(yīng)用。10. -種固定化酶，其特征在于，包括權(quán)利要求3所述的磁性碳材料，及與所述磁性碳材 料的親水性官能團(tuán)連接的酶分子，所述酶分子為動物的豬胰腺酶、微生物發(fā)酵的褶皺假絲 酵母酶、南極假絲酵母酶或米黑根毛霉脂肪酶的其中一種。
【文檔編號】H01F1/36GK105969758SQ201610324746
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】黃鳳洪, 時杰, 張珊, 鄭明明, 鄧乾春
【申請人】中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所