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聚乙烯亞胺/多巴胺改性氧化矽固定碳酸酐酶

2021-05-17 10:16:45 1578次浏覽

摘要

利用聚乙烯亞胺（PEI）/多巴胺（DA）共沉積法改性氧化矽，并以此為載體固定化碳酸酐酶（CA）。考察了PEI/DA質量比、沉積時間對沉積率的影響，用傅裡葉紅外光譜（FTIR）和掃描電子顯微鏡（SEM）對改性前後的微球進行了表征；研究了沉積率、載體用量、酶濃度及戊二醛（GA）濃度對固定化酶活回收率的影響；考察了固定化酶的儲存穩定性和重複利用性。結果表明，随PEI/DA質量比增加，沉積率先增加後降低，質量比為1∶1時最大；随沉積時間增加，沉積率線性增長，10 h後PEI/DA體系沉積率為單獨DA沉積改性的2.66倍，但沉積時間對N元素含量和酶活回收率影響不大；酶固定化時載體用量存在飽和值，CA和GA濃度的最優值分别為0.8 mg/ml和0.1%(質量)，此時酶活回收率可達78.8%。在25℃下儲存30 d後，固定化酶的保留活性為77.2%，而遊離酶隻有12%；重複使用10次後，固定化酶仍能保持88.3%的相對活性。

引言

近年來，利用生物酶法捕集CO2受到了越來越多的重視，碳酸酐酶（CA）快速有效地催化CO2的可逆水合反應，且反應條件溫和、高效專一、污染少和後處理簡單，是一種綠色工藝。然而，CA價格高、穩定性差且不易重複利用，需要對其進行固定化。

常用的載體材料可分為高分子材料、無機材料、聚合物-無機複合材料等。無機材料具有穩定性好、機械強度高、耐酸堿、造價低廉和使用壽命長等優點，應用廣泛。常用的有介孔分子篩、多孔玻璃（CPG）、磁性納米顆粒、二氧化矽（SiO2）等。為了與酶分子形成共價連接，固定化之前通常需用矽烷偶聯劑對載體表面功能化，引入活性基團。例如，Fei等分别以3-氨基丙基三乙氧基矽烷（APTES）和3-縮水甘油基氧丙基三甲氧基矽烷（GPTMS）改性得到氨基和環氧基功能化的介孔分子篩，前者通過戊二醛（GA）将CA交聯到載體表面，後者直接與CA反應，制備了兩種固定化CA，對熱、酸堿的穩定性和儲存穩定性都得到了很大提高，并具有良好的重複利用性。張朝晖等先利用APTES對CPG表面矽烷化處理，再用GA将其活化後固定化CA，固定化酶的最大活力為1.32 U/g CPG，固定化效率為33.4%。Al-Dhrub等先用SiO2包覆磁性納米顆粒，再用APTES在SiO2表面引入氨基，然後通過GA固定化CA，酶的穩定性提高。綜上所述，固定化後CA的穩定性及重複利用性通常可得到明顯改善，但固定化效率以及酶活較低。這是因為采用矽烷偶聯劑改性時，對載體表面的羟基數量和活性要求較高，存在一定的局限性；而且濕法改性過程比較煩瑣，常涉及甲苯等有機溶劑。因此，迫切需要尋找一種簡單、便捷、适用性更廣的表面改性及固定化CA方法。

近年來，以多巴胺（DA）為代表的贻貝仿生沉積技術引起了研究者的廣泛關注。在有氧和弱堿性條件下，DA可自發地在材料表面氧化自聚形成聚多巴胺（PDA）塗層。操作過程簡單易行、條件可控，适用于各種類型和形狀的材料，且成本低廉、易于大規模操作。然而，單純DA的自聚所需時間較長，形成的塗層不均勻、穩定性差，通過添加含有伯胺的聚合物如聚丙烯酰胺（PAM）、聚乙烯亞胺（PEI）等可以促進DA的均相聚合和沉積，大大縮短沉積時間并進一步改善表面親水性。這種方法已用于漆酶在納濾膜上的固定化，在酶負載量、活性以及固定化酶的穩定性方面均表現出更好的性能。尚未見到用于CA的報道。

本文将以SiO2微球為載體，采用PEI/DA共沉積法引入氨基，然後用GA固定化CA。研究載體改性條件包括PEI和DA的質量比、沉積時間對沉積率的影響，并對改性前後的微球進行表征；優化酶固定化條件，考察其儲存穩定性和重複利用性。

結論

（1）通過聚乙烯亞胺/多巴胺共沉積法改性得到PEI/PDA-SiO2，FTIR和SEM結果以及實驗現象都表明PEI/PDA沉積到SiO2微球表面。

（2）PEI/DA質量比和沉積時間對沉積率影響較大，質量比過低和過高都會造成沉積率下降；随沉積時間延長，沉積率呈線性增長，PEI/DA體系的沉積率高于DA單獨沉積的體系。

（3）沉積率對載體表面N 元素含量和固定化酶活回收率影響不大；制備的PEI/PDA-SiO2用于固定化CA時，載體用量、酶濃度和GA濃度都對固定化酶活回收率有影響，需要仔細調控。

（4）固定化後的CA具有較高的酶活回收率（接近80%），貯存穩定性大大提高，并且具有良好的重複利用性。

1 實驗材料和方法

1.1

材料

1.2

1.3

PEI/DA共沉積改性SiO2微球的制備