曹诗林
,
徐培
,
马永正
,
姚潇晓
,
姚远
,
宗敏华
,
李雪辉
,
娄文勇
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(16)62528-7
催化剂是化学工业的重要基础，其中酶是重要的高效天然催化剂。近年来，酶被越来越多地应用于工业领域，如精细化工、食品工业、制药工业、纺织业和制浆造纸。然而，由于游离酶存在价格昂贵及操作稳定性(特别是回收与重复使用性能)低等缺点，其在工业上的进一步应用受到一定限制。对酶进行固定化是解决上述问题的有效途径。一个理想的酶固定化技术需要载体具有良好的生物相容性和高比表面积，能够负载适量的酶并且具有很好的重复使用性能，固定化酶的过程简单温和，所得到的固定化酶制剂具有良好的催化性能、稳定性以及工业应用价值。尽管固定化酶技术经过了多年的发展，但仍需进一步研究。近几年，人们研究了基于纤维素纳米晶类、聚多巴胺类纳米载体以及生物相容性合成有机物纳米胶等新型载体对酶的固定化，取得了较好的成果。本文综述了这些新型纳米载体的制备以及酶的固定化过程，阐述了纳米载体固定化酶的结构和催化性能，并展望了发展前景。纤维素是全球产量最高、来源最广的生物聚合物。纤维素经过一定的酸(常用硫酸和盐酸)水解处理后，剩下的是具有高结晶度的纤维素纳米晶。它具有高比表面积、高机械强度和高长径比等优异性能。因此，研究者利用纤维素纳米晶作为载体进行酶固定化，获得了高负载量、高催化性能的固定化酶制剂。基于仿生矿化法制备的聚多巴胺类材料近年来获得研究者越来越多的关注。多巴胺具有良好的自聚合能力，可以对无机、有机等各种材料进行表面修饰。同时，聚多巴胺中含有的活性官能团可以与酶发生交联，从而达到固定化酶的效果。基于合成性聚合物纳米胶载体的固定化酶技术同样是一个新兴的、有意义的研究领域。相关的固定化过程可分为两大类：(1)在酶分子表面通过原位聚合生成纳米胶(growing-from过程)；(2)将酶与预先合成的纳米胶进行交联(grafting-to过程)。其中， growing-from过程是先将酶分子丙烯酰化，再进行原位聚合。而原位聚合又可分为自由基聚合、原子转移自由基聚合(ATRP)和可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)。其中， ATRP和 RAFT主要用于制备环境响应型的酶-聚合物纳米凝胶。
关键词:
酶固定化
,
纤维素纳米晶
,
聚多巴胺
,
生物相容性材料
邓啸
,
曹诗林
,
李宁
,
吴虹
,
ThomasJ. Smithd
,
宗敏华
,
娄文勇
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)61045-2
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.
关键词:
磁性四氧化三铁
,
纳米粒子
,
聚多巴胺
,
黑曲霉脂肪酶
,
二氢杨梅素
,
酰化
张媛媛
,
宗敏华
,
娄文勇
,
林颖敏
,
吴虹
催化学报
基于在反应体系中添加碳酸氢铵可有效地促进酶促外消旋对羟基苯甘氨酸甲酯不对称水解这一有趣现象的发现,探讨了利用有机介质中酶促外消旋对羟基苯甘氨酸甲酯不对称水解制备对映体纯D-对羟基苯甘氨酸及其衍生物的可能性,研究了不同来源的酶、摇床转速、水含量、对羟基苯甘氨酸甲酯浓度、反应介质及温度等因素对该反应的影响. 结果表明,在所研究的11种酶中脂肪酶Novozym 435对该反应的催化活性和对映体选择性较高,叔丁醇为最合适的反应介质,最适水含量为0.4%(V/V),对羟基苯甘氨酸甲酯的适宜浓度为20 mmol/L,最适摇床转速和反应温度分别为130 r/min和30 ℃. 在此优化条件下反应26 h后,底物转化率和产物ee分别为39.8%和95.2%.
关键词:
脂肪酶,Novozym 435,对羟基苯甘氨酸甲酯,不对称水解,D-对羟基苯甘氨酸,有机介质
娄文勇
,
郭强
,
郁惠蕾
,
宗敏华
催化学报
采用近平滑假丝酵母细胞用于催化乙酰基三甲基硅烷不对称还原反应,可高选择性地生成(R)-1-三甲基硅乙醇.结果表明,固定化于海藻酸钙的细胞催化该反应的产物收率比游离细胞的高.不同辅底物对该反应的影响显著,以葡萄糖为辅底物时,反应的初速率较快,产物收率较高.该反应的最适条件为:辅底物(葡萄糖)浓度110mmol/L,振荡速度180 r/min,缓冲液pH值6.0,反应温度30℃,底物浓度20mmol/L.在此反应条件下反应的仞速率、产物收率和产物的ee值分别为11.4μmol/h,96.5%和99.9%.
关键词:
近平滑假丝酵母细胞
,
乙酰基三甲基硅烷
,
(R)-1-三甲基硅乙醇
,
不对称还原
刘森林
,
宗敏华
催化学报
研究了水/有机溶剂双相中来源于郁李仁的(R)-醇腈酶催化2-三甲基硅-2-乙酮与2-甲基-2-羟基丙腈对映选择性合成(R)-2-三甲基硅-2-羟基丙腈,初步探讨了反应时间、酶粉颗粒大小、底物浓度、底物配比和酶添加量对转氰反应的影响. 结果表明,适宜的反应条件为: 反应时间96 h左右, 酶粉颗粒大小0.3～0.45 mm, 底物2-三甲基硅-2-乙酮浓度14 mmol/L, 底物2-甲基-2-羟基丙腈与2-三甲基硅-2-乙酮摩尔比2:1, 单位体积反应介质中的酶添加量43.5 g/L左右. 在该优化反应条件下,反应平衡转化率和产物的光学纯度(ee值)均可高达99%. 对比研究发现,郁李醇腈酶催化2-三甲基硅-2-乙酮反应在酶促反应初速率、底物转化率和产物光学纯度等方面均显著优于其碳结构类似物3,3-二甲基-2-丁酮.
关键词:
郁李仁
,
(R)-醇腈酶
,
2-三甲基硅-2-乙酮
,
氰基转移
,
对映选择性合成
,
(R)-2-三甲基硅-2-羟基丙腈
,
(R)-酮氰醇
,
有机硅
李南薇
,
吴虹
,
宗敏华
,
娄文勇
催化学报
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%.
关键词:
扩展青霉脂肪酶
,
固定化
,
生物柴油
,
玉米油
,
甲醇
,
转酯反应
罗涤衡
,
宗敏华
,
陈晓瑜
,
袁玉宇
,
许建和
催化学报
尽管含芳香基等较大取代基团的底物能被生物转化为高对映体纯手性有机硅醇,但生物催化其他底物还原反应的产物收率及对映体选择性均较低. 作者筛选到一株能高效催化羰基/羟基不对称转化的酵母菌株,探讨了用固定化酵母细胞高效催化乙酰基三甲基硅烷不对称还原制1-三甲基硅乙醇的可能性,系统研究了培养基碳源及其浓度对该反应的影响. 发现在水/正己烷两相体系中,固定化酵母细胞能催化乙酰基三甲基硅烷不对称还原成1-三甲基硅乙醇. 可通过调节培养基碳源的种类及其浓度在一定程度上控制反应的产物收率及对映体选择性. 以最适碳源(3.0%麦芽汁)培养的酵母细胞催化该反应的产物收率和对映体过量值分别为91.3%和72.8%,远高于文献报道值.
关键词:
Rhodotorula sp.AS2.2241,培养基,碳源,乙酰基三甲基硅烷,不对称还原,三甲基硅乙醇
刘森林
,
宗敏华
,
涂然
,
周番
催化学报
研究了水/有机溶剂双相中来源于杏仁的(R)-醇腈酶催化苯甲醛与HCN不对称合成(R )-苯乙氰醇,系统探讨了有机溶剂、水相与有机溶剂相体积比、水相pH值和反应温度对反 应速度、转化率和产物光学纯度的影响. 结果表明,上述因素对醇腈酶促不对称合成(R) -苯乙氰醇反应均有显著影响. 异丙醚为该反应最好的有机溶剂,水相与有机溶剂相体积比 以1/2为宜,适宜的pH值为3.4,最佳反应温度为0～5 ℃. 在该优化反应条件下,反应转化率 和产物的光学纯度均高达99%以上.
关键词:
苯甲醛
,
氰化氢
,
不对称合成
,
醇腈酶
,
(R)-苯乙氰醇
侯雪丹
,
张毅
,
刘欢
,
李宁
,
宗敏华
催化学报
doi:10.3724/SP.J.1088.2011.10739
考察了10 ml丙酮-四氢呋喃(85/15,体积比)混合溶剂体系中,各关键因素对脂肪酶Lipozyme TL IM催化5-氟尿苷5’-棕榈酸酯合成反应的影响.结果表明,添加分子筛能有效除去溶剂中的水分,从而极人地提高了目标产物收率.在最优反应条件下,该体系被成功放大至200 ml (5-氟尿苷克级用量),产物收率高达99％；同时脂肪酶Lipozyme TL IM表现出优异的操作稳定性,重复使用10批次后,产物收率仍可达97％.另外,填充床反应器的体积生产效率为22.4 g/(L·h),远高于批次反应时的0.5 g/(L·h).
关键词:
5-氟尿苷
,
5’-棕榈酸酯
,
固定化脂肪酶
,
区域选择性
,
棕榈酰化
,
填充床反应器
何俊
,
宗敏华
,
刘应瑾
,
张媛媛
,
吴虹
催化学报
对比研究了不同条件下苦杏仁醇腈酶催化乙酰基三甲基硅烷及其碳结构类似物3,3-二甲基-2-丁酮的转氰反应. 结果表明,苦杏仁醇腈酶催化乙酰基三甲基硅烷转氰反应的初速率及对映体选择性均高于其碳结构类似物在同一条件下的对应值. 动力学研究结果表明,苦杏仁醇腈酶催化乙酰基三甲基硅烷转氰反应的表观动力学参数为Km=27.12 mmol/L和vmax=7.05 mmol/(L*h),活化能为51.92 kJ/mol. 苦杏仁醇腈酶催化3,3-二甲基-2-丁酮转氰反应的表观动力学参数为Km=146.58 mmol/L和vmax=2.52 mmol/(L*h),活化能为75.04 kJ/mol. 根据硅原子的特性及酶反应机理合理解释了实验结果.
关键词:
有机硅化合物,苦杏仁,醇腈酶,乙酰基三甲基硅烷,3,3-二甲基-2-丁酮,不对称转氰
