载酶胶体囊稳定Pickering乳液用作两相界面生物催化研究

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酶是生物催化的核心和关键,在温和且可持续的条件下,以高催化效率和高选择性催化生成人类需要的工业品。本研究,在水/正丁醇的乳液体系中,将脂肪酶分子与二氧化硅(SiO2)纳米颗粒分散于水相,随着水向正丁醇的扩散,而酶分子不能跨越水-正丁醇的界面,从而形成壳层中高效负载酶的中空胶体囊,实现了无化学交联的载酶过程(包封率高达95.2%,负载量为44.4 mg·g-1)。此外,通过调节该载酶胶体囊的润湿性,可稳定Pickering乳液(固体颗粒稳定的乳液),在油水界面进行生物催化。本论文探究了载酶胶体囊的形成机理及其稳定Pickering乳液并强化两相界面生物催化的机理。为了探究载酶胶体囊的催化性能,将其运用于强化水包油(O/W)型Pickering乳液界面生物催化。由于包埋在壳层中的两亲性脂肪酶改变了胶体囊表面的润湿性,因此无需表面改性,便使载酶胶体囊具有稳定油水界面的能力。以脂肪酶水解三丁酸甘油酯反应为研究对象。结果表明,载酶中空胶体囊催化三丁酸甘油酯的酶活是常规两相体系的6.67倍,这是由于Pickering乳液体系界面面积的增加和空心结构导致酶与底物的接触概率更大等多方面因素引起的。此外,载酶中空胶体囊具有良好的循环使用性,10次循环后仍保留80.4%的初始酶活,且形貌保持完整。而且,由于形成的载酶胶体囊在SiO2纳米颗粒之间具有较为均一的纳米孔道,利于底物/产物的传质,使得载酶胶体囊具有较高的传质系数(6.511×10-4 s-1)。此种载酶的方案为固定化酶领域提供了一种新思路,并且为绿色高效的生物转化过程提供了高性能、功能强大的平台。此外,为了进一步拓展载酶胶体囊的应用,设计了润湿性可定制的载酶胶体囊用于Pickering乳液界面,为酶法生产生物柴油提供了一种简单可行的方案。通过改变载酶胶体囊形成过程中亲、疏水纳米颗粒的比例,制备了不同润湿性的生物催化剂,运用于油水界面酯合成反应,结果表明疏水性的载酶胶体囊(11.94 U·m L-1)的催化效果是常规两相游离酶体系(1.46 U·m L-1)的8.18倍。且优于两亲性、亲水性载酶胶体囊(10.98 U·m L-1、10.10 U·m L-1),原因在于位于水相中的甲醇会引起蛋白酶的部分失活,因此偏向油相的载酶胶体囊的催化效果更好。在疏水性载酶胶体囊稳定的乳液体系下,生物柴油的的产率最高可达85.43%。重复10次后,生物柴油的产率仍能保持初始酶活力的96.44%,为工业规模的Pickering乳液界面催化过程提供一种高效、绿色且可持续的途径。
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