基于聚多巴胺的磁性纳米生物催化剂高效催化二氢杨梅素酰化

脂肪酶是一种三酰基甘油水解酶,目前广泛用于油脂化学、食品、有机合成和生物医药等领域.但是,游离脂肪酶在有机反应体系中容易失活,难以从反应体系中回收,导致其循环利用困难和生产成本增加.因此,需要对游离脂肪酶进行固定化,提高酶的稳定性和重复使用性,使其能够大规模用于工业生产.
　　磁性四氧化三铁纳米粒子(MNPs)具有其超顺磁性和大比表面积等性质,但MNPs需表面修饰才能进一步应用.近年来,仿生矿化法制备的聚多巴胺纳米材料受到人们关注.在仿生矿化过程中,单体多巴胺经自聚合作用后形成聚多巴胺,该反应活性高,能对各类有机和无机纳米材料进行表面修饰.而且,聚多巴胺表层中的活性基团能与含有氨基和巯基的生物大分子发生迈克尔加成或席夫碱反应,从而将生物大分子固定在材料表面.
　　本文利用聚多巴胺表面修饰MNPs,对所得聚多巴胺表面修饰的四氧化三铁纳米粒子(PD-MNPs)进行了结构表征.结果表明, PD-MNPs尺寸在14 nm左右.同时,成功将黑曲霉脂肪酶(ANL)固定在PD-MNPs上,结果显示在pH=8、固定化时间为12 h条件下,酶负载量为138 mg/g,酶活回收率达到83.6%,而且固定化酶的pH稳定性及热稳定性、储藏稳定性都优于游离酶.动力学研究表明,固定化酶Km值(63.2 mmol/L)低于游离酶(74.5 mmol/L),固定化酶的底物亲和性增强.进一步研究了固定化酶和游离酶在乙腈、二甲基亚砜、乙醇和[HMIm]BF4这四种溶剂中的溶剂耐受性,结果显示固定化酶的耐受性均强于游离酶.采用红外光谱对游离酶和固定化酶二级结构的分析表明,游离黑曲霉脂肪酶经固定化后,α-螺旋和β-折叠含量分别增加了0.84%和2.74%,使得固定化后α-螺旋和β-折叠中存在的氢键能够更好地保持酶结构刚性,避免因结构改变而引起酶失活,增强了固定化酶在溶剂中的耐受性.
　　二氢杨梅素是一种具有类黄酮结构的天然产物,具有抗氧化、抗菌、抗肿瘤和保护肝脏等作用,但其脂溶性很差,很难透过细胞膜被人体吸收.本课题组曾首次以乙酸乙烯酯为酰基供体,采用游离脂肪酶生物催化方法成功将二氢杨梅素酰化.本文考察了PD-MNPs固定化脂肪酶在二氢杨梅素酰化反应中的应用.结果表明,与游离酶相比,固定化酶在反应介质二甲基亚砜中的耐受性更强,反应48 h后其催化二氢杨梅素酰化的转化率接近80%,明显好于游离酶(69%).固定化酶催化二氢杨梅素酰化的最适底物摩尔比、温度和酶量分别为10：1(乙酸乙烯酯：二氢杨梅素)、45oC,和40 U.此外,固定化酶在外界磁场作用下能迅速从反应混合物中分离,从而可回收利用,在重复使用10次后,其活性仍保持在初始活性的55%以上,具有良好的工业应用前景.     

基于聚多巴胺的磁性纳米生物催化剂高效催化二氢杨梅素酰化（英文）

脂肪酶是一种三酰基甘油水解酶,目前广泛用于油脂化学、食品、有机合成和生物医药等领域.但是,游离脂肪酶在有机反应体系中容易失活,难以从反应体系中回收,导致其循环利用困难和生产成本增加.因此,需要对游离脂肪酶进行固定化,提高酶的稳定性和重复使用性,使其能够大规模用于工业生产.磁性四氧化三铁纳米粒子(MNPs)具有其超顺磁性和大比表面积等性质,但MNPs需表面修饰才能进一步应用.近年来,仿生矿化法制备的聚多巴胺纳米材料受到人们关注.在仿生矿化过程中,单体多巴胺经自聚合作用后形成聚多巴胺,该反应活性高,能对各类有机和无机纳米材料进行表面修饰.而且,聚多巴胺表层中的活性基团能与含有氨基和巯基的生物大分子发生迈克尔加成或席夫碱反应,从而将生物大分子固定在材料表面.本文利用聚多巴胺表面修饰MNPs,对所得聚多巴胺表面修饰的四氧化三铁纳米粒子(PD-MNPs)进行了结构表征.结果表明,PD-MNPs尺寸在14 nm左右.同时,成功将黑曲霉脂肪酶(ANL)固定在PD-MNPs上,结果显示在pH=8、固定化时间为12 h条件下,酶负载量为138 mg/g,酶活回收率达到83.6%,而且固定化酶的pH稳定性及热稳定性、储藏稳定性都优于游离酶.动力学研究表明,固定化酶Km值(63.2 mmol/L)低于游离酶(74.5 mmol/L),固定化酶的底物亲和性增强.进一步研究了固定化酶和游离酶在乙腈、二甲基亚砜、乙醇和[HMIm]BF_4这四种溶剂中的溶剂耐受性,结果显示固定化酶的耐受性均强于游离酶.采用红外光谱对游离酶和固定化酶二级结构的分析表明,游离黑曲霉脂肪酶经固定化后,α-螺旋和β-折叠含量分别增加了0.84%和2.74%,使得固定化后α-螺旋和β-折叠中存在的氢键能够更好地保持酶结构刚性,避免因结构改变而引起酶失活,增强了固定化酶在溶剂中的耐受性.二氢杨梅素是一种具有类黄酮结构的天然产物,具有抗氧化、抗菌、抗肿瘤和保护肝脏等作用,但其脂溶性很差,很难透过细胞膜被人体吸收.本课题组曾首次以乙酸乙烯酯为酰基供体,采用游离脂肪酶生物催化方法成功将二氢杨梅素酰化.本文考察了PD-MNPs固定化脂肪酶在二氢杨梅素酰化反应中的应用.结果表明,与游离酶相比,固定化酶在反应介质二甲基亚砜中的耐受性更强,反应48 h后其催化二氢杨梅素酰化的转化率接近80%,明显好于游离酶(69%).固定化酶催化二氢杨梅素酰化的最适底物摩尔比、温度和酶量分别为10:1(乙酸乙烯酯:二氢杨梅素)、45 ℃,和40 U.此外,固定化酶在外界磁场作用下能迅速从反应混合物中分离,从而可回收利用,在重复使用10次后,其活性仍保持在初始活性的55%以上,具有良好的工业应用前景.     

漆酶在纳米多孔金上的固定化及其酶学性质研究

利用纳米材料为载体对酶等生物大分子进行固定化近年来引起人们的浓厚兴趣. 以Au/Ag合金为原料, 通过控制浓硝酸的腐蚀时间再辅以退火处理得到了不同孔径的纳米多孔金(NPG), 利用扫描电镜(SEM)和N2气体吸附仪对孔性质进行了表征. 以NPG为载体, 用α-硫辛酸和N-乙基-N’-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)对金表面进行活化, 通过化学共价偶联的方法对产自Trametes versicolor的漆酶进行了固定化. 比较了孔径大小对酶固定化量及比活力的影响. 发现小孔径更有利于对该漆酶的固定化. 与游离酶相比, 固定化酶的最适pH没有改变, 但最适温度却从原来的40 ℃升到了60 ℃. 固定化后, 漆酶的pH和热稳定性都明显提高了. 重复使用8次仍能保持初始活力的65%, 且在4 ℃下保存1个月几乎观察不到酶活力的下降. 此外, 失活的固定化酶经浓硝酸处理后, NPG载体可重复利用. 本结果初步显示出了NPG在生物技术领域中的应用潜力.     

青霉素酰化酶交联酶聚体的制备及热失活动力学

以0.53 g/mL硫酸铵为沉淀剂, 0.35%(体积分数)戊二醛为交联剂制得青霉素酰化酶交联酶聚体(CLEAs), 酶活收率30.1%, 其最适温度(57 ℃)比游离酶提高10 ℃, 最适pH(10.0)向碱性偏移1.7个单位. 对比游离酶及其CLEAs的热稳定性和热失活动力学模型发现, 游离青霉素酰化酶制成CLEAs后, 其热失活动力学模型由一步失活转变为连串失活, 失活反应活化能由248.8 kJ/mol增加至549.2 kJ/mol, 对CLEAs热稳定性大幅提高的原因进行了解释. CLEAs重复利用7次后, 酶活保留56%以上, 具有良好的重复利用性.     

黑曲霉脂肪酶的耦合固定化及特性

研究了吸附-絮凝耦合的方法固定脂肪酶的工艺条件.结果表明:在33℃下,用0.03mol/L的磷酸二氢钾?氢氧化钠缓冲液控制体系pH为7.0,酶与树脂(质量比1∶8)作用吸附1h后,用0.2mL絮凝剂聚丙烯酰胺(w(PAM)=0.5%)处理,得到活力较高的固定化脂肪酶.固定化酶最适pH9.0,最适温度为45℃,活力为405U/g,酶活回收率可以达到40%.固定化脂肪酶制备简便,可重复使用,稳定性较高.     

醇脱氢酶在反胶束溶液中的酶学性质研究

以十六烷基三甲基溴化铵(CATB)-辛烷-戊醇反胶束体系对醇脱氢酶(ADH)进行固定化,考察了pH、含水量、表面活性剂和助溶剂浓度对ADH固定化的影响。对游离酶和固定化酶的催化动力学性质研究表明:酶促反应的最适pH值均为9.0,最适温度分别是28℃和20℃,对乙醇的米氏常数分别为8.8mmol/L和5.5mmol/L。25℃时,游离酶存放120min约失活90%,而固定化酶仅失活30%,表明反胶束固定化ADH具有较好的热稳定性。     

有机相酶催化转酯化反应拆分西酞普兰中间体

利用脂肪酶催化的不对称转酯反应成功远程拆分具有季碳手性中心的西酞普兰中间体4-[4-(二甲基氨基)-1-(4’-氟苯基)-1-羟基丁基]-3-(羟基甲基)苄腈(1). 以乙酸乙烯酯作为酰基供体, 通过筛选酶和溶剂, 确定最佳脂肪酶及溶剂分别为Candida antarctica lipase B (Novozym 435)和乙腈; 并在该反应体系中考察了反应温度、二醇1与酰基供体的比例、酶浓度和摇床转速等对反应的影响, 确定优化的反应条件为: 温度30 ℃, 二醇1与酰基供体的物质的量比为1∶5, 酶浓度为10 mg/mL, 摇床转速200 r/min. 分别考察二醇1浓度为60和180 mmol/L的反应情况, 均具有较高的选择性和反应速度. 实验结果表明酶能够多次重复利用.     

醇脱氢酶在反胶束溶液中的催化动力学性质

以十六烷基三甲基溴化铵(CATB)-辛烷-己醇反胶束体系对醇脱氢酶(ADH)进行固定化,试验了含水量、酶液pH值、CTAB和己醇浓度对ADH固定化的影响。对游离酶和固定化酶的催化动力学性质研究表明：酶促反应的最适pH值分别为8.2和8.8,最适温度分别是31℃和20℃,对乙醇的米氏常数Km分别为12mmol/L和7.4mmol/L。在30℃时,游离酶存放150min后失活90%,固定化酶失活50%,表明反胶束固定化ADH有较好的热稳定性。     

新型有机-无机纳米复合粒子的制备及其固定化漆酶研究

制备了四氨基酞菁钴(CoTAPc)-Fe3O4纳米复合粒子, 用红外光谱(IR)、X射线衍射(XRD)、X射线能谱(EDS)、场发射扫描电镜(FEG-SEM)及振动样品磁强计等对其进行了表征. 结果表明, 形成了CoTAPc包覆在Fe3O4纳米粒子表面的纳米复合粒子. 粒子呈现不规则球形, 平均粒径为70 nm, 矫顽力为316.4 A/m, 接近超顺磁性. 以此纳米复合粒子作为载体, 通过交联法固定漆酶, 固定化酶最适反应温度为45 ℃, 最适pH为3; 固定化酶比游离酶具有更好的热稳定性、贮存稳定性及操作稳定性, 且易于分离.     

反胶束固定化乳酸脱氢酶的催化动力学性质研究

以十六烷基三甲基溴化铵(CATB)-辛烷-己醇反胶束体系对乳酸脱氢酶(LDH)进行固定化,试验了含水量、CTAB和己醇浓度对LDH固定化的影响。对游离酶和固定化酶的催化动力学性质研究表明:酶促反应的最适pH值分别为9.2和9.5,最适温度分别是37℃和43℃,对乳酸的米氏常数Km分别为1.4 mmol/L和2.3mmol/L。30℃时,游离酶存放2 h,约失活50%,而固定化酶仅失活10%,表明反胶束固定化LDH具有较好的热稳定性。     

乳化体系中脂肪酶催化合成环十五内酯

对筛选的假丝酵母菌株Candida.sp.GXU08所产脂肪酶催化15-羟基十五烷酸甲酯合成环十五内酯进行了研究,使用超声震荡将脂肪酶酶液分散到环己烷中,以此形成水/有机溶剂乳化体系,考察了不同因素对环十五内酯产量的影响。实验结果表明,在水/环己烷乳化体系中,脂肪酶催化15-羟基十五烷酸甲酯合成环十五内酯的最适条件为:在40℃、180r/min的条件下,1g脂肪酶(pH=7.0)催化8mmol/L的15-羟基十五烷酸甲酯反应72h,单位酶活生成环十五内酯的最大质量为47.77×10-3mg,是在纯有机溶剂环己烷中单位酶活生成环十五内酯最大质量14.54×10-3mg的3.285倍。反应后的脂肪酶重复使用1次能大大提高环十五内酯的生成量。直接使用一定浓度的酶液代替酶粉催化合成环十五内酯具有转化率高、省时、节能等优点。     

反胶束固定化醇脱氢酶的制备及应用研究

研究十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)-辛烷-己醇反胶束体系固定化醇脱氢酶(ADH)的制备及应用。考察了含水量、CTAB和己醇用量对于ADH固定化的影响。对游离酶和固定化酶的催化动力学性质研究表明:酶促反应的最适pH值分别为8.2和8.8,最适温度分别为31℃和20℃,米氏常数分别为12mmol/L和7mmol/L。30℃时,游离酶存放150min后失活90%,固定化酶失活50%,表明反胶束固定化ADH有较好的热稳定性。应用此体系测定了试样中乙醇的含量。     

贝壳状革耳菌漆酶酶活测定方法分析

酶活测定方法中所用的反应底物、反应条件以及酶活单位定义对漆酶酶活的测定结果有很大的影响。在对贝壳状革耳菌 (Panusconchatus)漆酶酶活测定方法的研究中发现 ,该酶与 2 ,2’ -连氮 -双 ( 3-乙基并噻- 6 -磺酸 ) (ABTS)反应的最适pH值为 3.0 ,而与紫丁香醛连氮、2 ,6-二甲氧基苯酚和邻甲联苯胺反应的最适pH值均为 4.0。上述底物与Panusconchatus漆酶反应的Km (米氏常数 )分别为 0 .0 1 1 6(mmol·L) - 1 ,1 4.1 0 95 (mmol·L) - 1 ,0 .1 0 1 1 (mmol·L) - 1 ,0 .1 41 5 (mmol·L) - 1 。该酶与ABTS、2 ,6-二甲氧基苯酚和邻甲联苯胺反应均表现为零级反应 ,而与紫丁香醛连氮反应时只在一定范围的酶浓度以及反应时间内才表现为零级反应。     

脂肪酶催化扁桃酸乙酯酯交换反应的研究

利用脂肪酶Novozym 435在正丁醇体系中催化酯交换反应,对(R,S)-扁桃酸乙酯进行了动力学拆分,考察了系统初始加水量,反应温度,振荡速度,底物浓度等因素对脂肪酶催化活性和对映体选择性的影响.研究结果表明,最适初始加水量为0.4%;在20℃~60℃范围内,酶催化活性随温度升高而增加,酶选择性随温度先升高后下降,最适温度45℃;底物扁桃酸乙酯浓度达5000 mmol/L时,未观察到底物抑制现象,反应初速度为2.78mmol.L-1.m in-1.     

壳聚糖-精氨酸树脂固定化胰凝乳蛋白酶及其性质

以具柔性亲水手臂的壳聚糖-精氨酸树脂为载体,用戊二醛交联胰凝乳蛋白酶,获得壳聚糖-精氨酸树脂固定化胰凝乳蛋白酶. 最佳固定化条件为:m(酶)∶ m(载体)=20∶ 1 000、戊二醛体积分数为1.0%、pH=5.20、30 ℃交联60 min. 固定化酶活力达850 U/g,Km为1.83 mmol/L,比游离酶增大33.6%,比交联壳聚糖固定化酶低24.0%. 壳聚糖-精氨酸树脂固定化胰凝乳蛋白酶水解时间进程曲线与游离酶基本一致,均在反应30 min达到最大速率,最适温度为70 ℃,比游离酶升高10 ℃;在75 ℃时的半衰期可达6.0 h,比游离酶提高约4.3倍;最适pH值为5.92,比游离酶向酸性偏移2pH单位. 4 ℃贮存半衰期为49 d.     

混合溶剂系统中固定化脂肪酶对酮基布洛芬的催化酯化反应

以硅藻土吸附的脂肪酶为催化剂,对外消旋酮基布洛芬[2-(3-苯甲酰苯基)丙酸]进行对映选择性酯化反应;考察了不同的脂肪酶制剂,固定化时所加缓冲液的体积与pH值,酰基受体(醇)的种类以及混合溶剂系统的组成等因素对酶活性的影响.结果表明,在所考察的7种脂肪酶中,以LipaseOF的酪化活性最高;用硅藻土吸附固定化酶时,缓冲溶液的最适pH为7.0左右,每克酶粉加1.0mL缓冲溶液为最佳;固定化酶催化酯化的活性比游离的脂肪酶高.在酮基布洛芬与不同酰基受体(醇)的酶促酯化反应中,以丙醇的反应速度为最快.在由一种主溶剂与一种助溶剂组成的混合溶剂系统中,酶促酯化的速度要比在单一的主溶剂或助溶剂系统中快.当以1gP值较大的环己烷或异辛烷等为主溶剂,甲苯为助溶剂时,脂肪酶催化酮基布洛芬酯化反应的活性最高.     

Burkholderia Cepacia脂肪酶在氨基功能化离子液体修饰的SBA-15上的共价固定

合成了氨基以及氨基功能化离子液体修饰的介孔材料SBA-15(NH₂-SBA和NH₂-IL-SBA), 并以戊二醛为活化剂对NH₂-IL-SBA进行活化处理(CA-NH₂-IL-SBA), 通过元素分析、 N₂吸附-脱附、 X射线衍射、 红外光谱等方法研究了修饰及活化对SBA-15结构的影响. 将所得新型固定化载体用于Burkholderia cepacia脂肪酶(BCL)的吸附固定、 共价交联固定及聚集包被固定. 以三乙酸甘油酯的水解为模型反应, 考察了固定化BCL的酶活、 最适反应条件、 稳定性等酶学性质. 结果表明, 离子液体修饰后的载体保持了原有的孔道结构, 与氨基修饰以及原粉SBA-15吸附固定的BCL(BCL-NH₂-SBA和BCL-SBA-15)相比, 其固定化酶的比活力和稳定性都得到了明显提高, 对温度及低pH的敏感性降低. 其中聚集包被固定的BCL在获得了相对较高酶负载量的同时显示了最好的稳定性, 其热稳定性和重复使用性分别为BCL-SBA-15的4倍和2倍.     

铁氨基黏土-葡萄糖氧化酶纳米复合催化剂的构筑及多酶级联反应研究

以铁氨基黏土(FeAC)为载体, 通过共价交联固定葡萄糖氧化酶(GO_x), 构筑了铁氨基黏土-葡萄糖氧化酶纳米复合催化剂(FeAC-GO_x). 利用FeAC的过氧化物酶活性, 与GO_x结合进行级联反应, 可催化葡萄糖转化为过氧化氢并产生显色反应; 采用扫描电子显微镜(SEM)、 X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)对FeAC-GO_x进行了形貌和结构表征, 并评价了其酶动力学参数、 催化稳定性和重复使用性等. 结果表明, GO_x的固定化率可达到76.4%, 所构筑的纳米结构酶复合体系具有高效的级联催化能力. 与天然酶体系相比, FeAC-GO_x具有更优异的温度和pH耐受性, 且在重复使用6次后, 酶催化活性无明显降低. 该体系不仅为新型葡萄糖传感器的开发奠定了基础, 还为多酶级联纳米结构酶的构筑提供了新思路.     

修饰脂肪酶催化水解反应的动力学和热力学研究

采用邻苯二甲酸酐(PA)对猪胰脂肪酶(PPL)进行了化学修饰,以三硝基苯磺酸法测定修饰酶的平均氨基修饰度,并比较了酶修饰前后的紫外光谱和荧光光谱;采用动力学方法考察了酸碱和热对修饰酶水解活性和稳定性的影响,并计算了一系列动力学和热力学参数.实验结果表明:PA对PPL的修饰度为30%,脂肪酶PPL经PA修饰后,其紫外特征吸收峰发生红移,吸收强度降低,而且最大荧光发射峰发生蓝移,荧光强度增大;PPL经PA修饰前后,催化水解反应的最适pH和最适温度未发生变化,仍为pH7.5和40℃,但修饰后酶催化水解的效率和酶与底物的亲和力得到有效提高,反应的活化能Ea、自由能ΔG≠、活化焓ΔH≠及活化熵ΔS≠均明显降低,如最适条件下修饰酶PA-PPL和脂肪酶PPL的转化数kcat和反应的活化能Ea分别为39.8 s-1、25.8 kJ/mol和34.4s-1、43.8kJ/mol;PPL经PA修饰后,酶分子热变性的热力学参数(变性活化能Ea,d、变性自由能ΔGd≠、变性活化焓ΔHd≠及变性活化熵ΔSd≠)均增大,半衰期t1/2延长,酶分子的热稳定性也得到有效提高.     

固定化扩展青霉脂肪酶的制备及其在玉米油转酯反应中的应用

采用吸附法对来源于扩展青霉Penicillium expansum的脂肪酶进行了固定化.从20种不同来源的树脂中筛选出固定化效率高且价格低廉的D4020树脂作为载体,系统研究了固定化条件对固定化效率及固定化酶转酯活力的影响.结果表明,最适加酶量、缓冲液pH和吸附时间分别为0.7 g/g、9.4和4 h.冻干时添加0.5%的半乳糖有助于提高固定化酶的转酯活力.在上述优化条件下,固定化酶的转酯活力为404.0 U/g,而所用的游离酶不能催化该转酯反应.利用该固定化酶催化玉米油转酯反应生产生物柴油时,叔戊醇为适宜的反应介质,其最适添加量为0.5 ml/g;适宜的酶量、加水量和反应温度分别为60.6 U/g、油重的1.2%和35℃.按醇/油摩尔比为1的比例分别在反应0、2和6 h时加入甲醇,在优化反应条件下,反应24 h后甲酯产率达85.0%;固定化脂肪酶具有较好的操作稳定性,反应10批次时,相对酶活力为62.8%.