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聚乙烯亚胺/多巴胺改性氧化硅固定碳酸酐酶

2021-05-17 10:16:45    1413次浏览

摘 要

利用聚乙烯亚胺(PEI)/多巴胺(DA)共沉积法改性氧化硅,并以此为载体固定化碳酸酐酶(CA)。考察了PEI/DA质量比、沉积时间对沉积率的影响,用傅里叶红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)对改性前后的微球进行了表征;研究了沉积率、载体用量、酶浓度及戊二醛(GA)浓度对固定化酶活回收率的影响;考察了固定化酶的储存稳定性和重复利用性。结果表明,随PEI/DA质量比增加,沉积率先增加后降低,质量比为1∶1时最大;随沉积时间增加,沉积率线性增长,10 h后PEI/DA体系沉积率为单独DA沉积改性的2.66倍,但沉积时间对N元素含量和酶活回收率影响不大;酶固定化时载体用量存在饱和值,CA和GA浓度的最优值分别为0.8 mg/ml和0.1%(质量),此时酶活回收率可达78.8%。在25℃下储存30 d后,固定化酶的保留活性为77.2%,而游离酶只有12%;重复使用10次后,固定化酶仍能保持88.3%的相对活性。

引 言

近年来,利用生物酶法捕集CO2受到了越来越多的重视,碳酸酐酶(CA)快速有效地催化CO2的可逆水合反应,且反应条件温和、高效专一、污染少和后处理简单,是一种绿色工艺。然而,CA价格高、稳定性差且不易重复利用,需要对其进行固定化。

常用的载体材料可分为高分子材料、无机材料、聚合物-无机复合材料等。无机材料具有稳定性好、机械强度高、耐酸碱、造价低廉和使用寿命长等优点,应用广泛。常用的有介孔分子筛、多孔玻璃(CPG)、磁性纳米颗粒、二氧化硅(SiO2)等。为了与酶分子形成共价连接,固定化之前通常需用硅烷偶联剂对载体表面功能化,引入活性基团。例如,Fei等分别以3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)和3-缩水甘油基氧丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)改性得到氨基和环氧基功能化的介孔分子筛,前者通过戊二醛(GA)将CA交联到载体表面,后者直接与CA反应,制备了两种固定化CA,对热、酸碱的稳定性和储存稳定性都得到了很大提高,并具有良好的重复利用性。张朝晖等先利用APTES对CPG表面硅烷化处理,再用GA将其活化后固定化CA,固定化酶的最大活力为1.32 U/g CPG,固定化效率为33.4%。Al-Dhrub等先用SiO2包覆磁性纳米颗粒,再用APTES在SiO2表面引入氨基,然后通过GA固定化CA,酶的稳定性提高。综上所述,固定化后CA的稳定性及重复利用性通常可得到明显改善,但固定化效率以及酶活较低。这是因为采用硅烷偶联剂改性时,对载体表面的羟基数量和活性要求较高,存在一定的局限性;而且湿法改性过程比较烦琐,常涉及甲苯等有机溶剂。因此,迫切需要寻找一种简单、便捷、适用性更广的表面改性及固定化CA方法。

近年来,以多巴胺(DA)为代表的贻贝仿生沉积技术引起了研究者的广泛关注。在有氧和弱碱性条件下,DA可自发地在材料表面氧化自聚形成聚多巴胺(PDA)涂层。操作过程简单易行、条件可控,适用于各种类型和形状的材料,且成本低廉、易于大规模操作。然而,单纯DA的自聚所需时间较长,形成的涂层不均匀、稳定性差,通过添加含有伯胺的聚合物如聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯亚胺(PEI)等可以促进DA的均相聚合和沉积,大大缩短沉积时间并进一步改善表面亲水性。这种方法已用于漆酶在纳滤膜上的固定化,在酶负载量、活性以及固定化酶的稳定性方面均表现出更好的性能。尚未见到用于CA的报道。

本文将以SiO2微球为载体,采用PEI/DA共沉积法引入氨基,然后用GA固定化CA。研究载体改性条件包括PEI和DA的质量比、沉积时间对沉积率的影响,并对改性前后的微球进行表征;优化酶固定化条件,考察其储存稳定性和重复利用性。

结 论

(1)通过聚乙烯亚胺/多巴胺共沉积法改性得到PEI/PDA-SiO2,FTIR和SEM结果以及实验现象都表明PEI/PDA沉积到SiO2微球表面。

(2)PEI/DA质量比和沉积时间对沉积率影响较大,质量比过低和过高都会造成沉积率下降;随沉积时间延长,沉积率呈线性增长,PEI/DA体系的沉积率高于DA单独沉积的体系。

(3)沉积率对载体表面N 元素含量和固定化酶活回收率影响不大;制备的PEI/PDA-SiO2用于固定化CA时,载体用量、酶浓度和GA浓度都对固定化酶活回收率有影响,需要仔细调控。

(4)固定化后的CA具有较高的酶活回收率(接近80%),贮存稳定性大大提高,并且具有良好的重复利用性。

1 实验材料和方法

1.1

材料

1.2

1.3

PEI/DA共沉积改性SiO2微球的制备

1.4

固定化CA及表征

图1 PEI/DA共沉积改性微球及固定化CA示意图

2 实验结果与讨论

2.1

SiO2微球表面改性及表征

图2 PEI/DA质量比对沉积率的影响

图3 沉积时间对沉积率的影响

图4 SiO2微球改性前后的FTIR谱图

2.2

CA固定化及表征

图5 沉积率对N元素含量和固定化酶活回收率的影响

图6 PEI/PDA-SiO2用量对固定化酶活回收率的影响

图7 CA浓度对固定化酶活回收率的影响

图8 GA浓度对固定化酶活回收率的影响

图9 固定化酶和游离酶在25℃的储存稳定性