可磁力回收的Fe3O4纳米颗粒负载纤维素酶生物催化剂用于玉米芯降解

doi:10.1016/S1872-2067(15)61028-2

催化学报 ›› 2016, Vol. 37 ›› Issue (3): 389-397.DOI: 10.1016/S1872-2067(15)61028-2

可磁力回收的Fe₃O₄纳米颗粒负载纤维素酶生物催化剂用于玉米芯降解

张其坤, 康俊清, 杨兵, 赵雷振, 侯昭升, 唐波

山东师范大学化学化工与材料科学学院, 化学成像功能探针协同创新中心, 教育部分子与纳米探针重点实验室, 山东济南 250014

收稿日期:2015-12-02 修回日期:2015-12-08 出版日期:2016-02-29 发布日期:2016-02-29
通讯作者: Qikun Zhang
基金资助:
国家重点基础研究发展计划(973计划,2013CB933800);山东省自然科学基金(ZR2013EMM004);济南市高校自主创新计划(201401245);国家级大学生创新训练项目(201410445074).

Immobilized cellulase on Fe₃O₄ nanoparticles as a magnetically recoverable biocatalyst for the decomposition of corncob

Qikun Zhang, Junqing Kang, Bing Yang, Leizhen Zhao, Zhaosheng Hou, Bo Tang

College of Chemistry, Chemical Engineering and Materials Science, Collaborative Innovation Center of Functionalized Probes for Chemical Imaging, Key Laboratory of Molecular and Nano Probes, Ministry of Education, Shandong Normal University, Jinan 250014, Shandong, China

Received:2015-12-02 Revised:2015-12-08 Online:2016-02-29 Published:2016-02-29
Contact: Qikun Zhang
Supported by:
This work was supported by the National Basic Research Program of China (973 Program, 2013CB933800), the Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2013EMM004), the Jinan University Independent Innovation Program (201401245), and the College Students, Innovation Training Program of Ministry of Education (201410445074).

摘要/Abstract

摘要：

面对日益枯竭的化石能源和资源危机, 科研工作者加速了对生物资源回收利用的研究. 其中, 作为生物资源主要成分的纤维素被证实是一种可以重新利用的原料, 甚至可以作为工业产品潜在的前驱体. 因此, 回收利用富含纤维素的农作物副产品显得尤为重要. 目前, 多数纤维素资源并没有得到充分利用, 例如玉米芯, 全世界只有大约 0.5% 被利用. 为了高效利用玉米芯资源, 人们尝试各种分解方法将其主要成分纤维素和半纤维素转化成葡萄糖、木糖、糠醛以及酒精等. 其中, 最有效的策略是利用纤维素酶来分解玉米芯中的纤维素. 然而, 纤维素酶在实际应用过程中缺乏长久稳定性, 将纤维素酶从反应体系中回收并重复利用非常困难.
将纤维素酶负载到固体载体上是提高传统生物酶稳定性和可回收性的有效方法. 固载纤维素酶在批生产处理和连续生产中比自由酶更具优势, 可使生物酶催化剂从反应体系中分离出来变得容易和可操控. 可以作为纤维素酶载体的物质有很多, 例如浮石、静电纺丝的 PAN 纤维、纳米纤维膜、甲基丙烯酸甲酯共聚物和石墨烯等. 一般来讲, 任何含有表面功能基团从而提供了可以和纤维素酶形成强物理、化学作用的载体都可以采用. 纳米尺寸的载体具有特殊性, 一方面纳米颗粒提供了较大的比表面积从而可以拥有可观的负载能力, 另一方面纳米颗粒可以轻易解决大颗粒载体应用中产生的反应底物和催化剂之间的扩散受阻问题. 目前, 纳米磁性颗粒已广泛用于负载蛋白质、多肽和生物酶. 另外, 用纳米磁性粒子作载体可方便地借助外加磁场实现生物酶催化剂的选择性分离回收, 避免了传统载体所需的过滤或离心等单元操作, 从而降低了生产成本, 使生物酶催化技术实现连续化操作并用于规模化工业生产.
本文通过水热法制备了颗粒均匀的纳米Fe₃O₄磁性颗粒, 然后用 3-氨丙基三乙氧基硅烷 (KH550) 化学修饰, 再用戊二醛作交联剂将纤维素酶通过键合作用负载到修饰后的磁性载体上, 从而高效制备了一种可磁力回收的生物酶催化剂. 采用透射电镜和X射线衍射表征了磁性纳米粒子、修饰后的磁性纳米粒子以及制备的生物酶催化剂的粒径、外观形貌和晶格结构, 用红外光谱验证了磁性纳米颗粒上固载化纤维素酶的存在, 用热重分析了固载化酶和自由酶的热稳定性, 计算了制备的生物酶催化剂负载量和磁性粒子含量. 对影响负载酶活性的多种因素进行了考察, 合适的负载温度和 pH 值分别为 40 ℃和 6.0, 戊二醛最佳添加浓度为 2.0%, 适宜的固载时间为 4 h. 在最优负载条件下得到的固载化生物酶的活性可以保持自由酶活性的 99.1%. 经过 15 次重复使用后, 固定化酶活性仍能保持 91.1%. 将制备的生物酶催化剂用于玉米芯分解制葡萄糖反应, 预处理后的玉米芯最大分解率可达 61.94%.

关键词: 磁性纳米颗粒, 纤维素酶, 固定化酶, 玉米芯, 戊二醛

Abstract:

A magnetically recoverable biocatalyst was successfully prepared through the immobilization of cellulase onto Fe₃O₄ nanoparticles. The magnetic nanoparticles were synthesized by a hydrothermal method in an aqueous system. The support (Fe₃O₄ nanoparticles) was modified with (3-aminopropyl)triethoxysilane, and glutaraldehyde was used as the cross-linker to immobilize the cellulose onto the modified support. Different factors that influence the activity of the immobilized enzyme were investigated. The experimental results indicated that the suitable immobilization temperature and pH are 40 ℃ and 6.0, respectively. The optimal glutaraldehyde concentration is ~2.0 wt%, and the appropriate immobilization time is 4 h. Under these optimal conditions, the activity of the immobilized enzyme could be maintained at 99.1% of that of the free enzyme. Moreover, after 15 cyclic runs, the activity of the immobilized enzyme was maintained at ~91.1%. The prepared biocatalyst was used to decompose corncobs, and the maximum decomposition rate achieved was 61.94%.

Key words: Magnetic nanoparticle, Cellulase, Enzyme immobilization, Corncob, Glutaraldehyde

张其坤, 康俊清, 杨兵, 赵雷振, 侯昭升, 唐波. 可磁力回收的Fe₃O₄纳米颗粒负载纤维素酶生物催化剂用于玉米芯降解[J]. 催化学报, 2016, 37(3): 389-397.

Qikun Zhang, Junqing Kang, Bing Yang, Leizhen Zhao, Zhaosheng Hou, Bo Tang. Immobilized cellulase on Fe₃O₄ nanoparticles as a magnetically recoverable biocatalyst for the decomposition of corncob[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2016, 37(3): 389-397.

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可磁力回收的Fe₃O₄纳米颗粒负载纤维素酶生物催化剂用于玉米芯降解

Immobilized cellulase on Fe₃O₄ nanoparticles as a magnetically recoverable biocatalyst for the decomposition of corncob

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