基于有机-无机杂化的多级纳米花状固定化脂肪酶的设计及其催化作用机制

Nanoscale porous materials have been considered as a favorable carrier in enzymatic immobilization because of their large specific surface area. However, using pre-synthesized carriers for enzymatic immobilization lead to several drawbacks, such as complicated preparation process and lower activity of enzyme, which hinders the broad-ranging applications of immobilized enzymes. In recent years, the enzyme-inorganic hybrid nanoflowers have been reported. This kind of immobilized technology simplifies the process of preparation, which enables the synthesis of carrier and enzymatic immobilization in one step. Especially, in this method, not only the stability of immobilized enzyme is improved, enzymatic activity is also increased greatly. But the mechanism of active enhancement is unclear. In this project, the research system is self-assembly of lipase-inorganic hybrid nanoflowers. The influence rule of metal ions’ specie, the yield of entrapped enzyme, void ratio of nanoflowers and the enzyme conformation on catalytic activity of immobilized enzyme will be investigated systematically. The relationship between catalytic activity and pattern structure of immobilized enzyme will be explored. And according to the actual catalytic effect at specific reaction system, catalytic mechanism of immobilized lipase will be confirmed. This study is beneficial to rational design of enzyme-inorganic hybrid nanoflowers. It will also have a positive guiding function on a variety of nanoscale enzymatic immobilization.

纳米多孔材料因具有大的比表面积而被视为酶固定化的良好载体。但通常的制备过程为，先合成载体再进行酶的固载，此种方法虽然能够提高酶的稳定性，但工艺复杂且会导致酶活性降低，从而影响了固定化酶的应用。近几年出现了有机-无机杂化的多级纳米花状固定化酶制备技术，使载体的合成和酶的固定化一步完成，简化了制备流程，制备的固定化酶具有高度增强的催化活性。但其活性增强的机理尚不清楚。本项目以脂肪酶-无机杂化纳米花的自组装为研究体系，系统地研究金属离子的种类、酶的包埋率、纳米花孔隙率及酶的分子构象等因素对纳米花固定化酶催化活性的影响规律，确定纳米花固定化酶的催化活性与其花型结构的关系，并通过纳米花固定化酶在具体反应体系中的实际催化情况，探明纳米花固定化酶具有超高酶活力的确切原因，揭示其催化作用机制。该研究不仅为纳米花固定化酶的合理设计提供理论依据，也将对多种酶的纳米级固定化起到积极的指导作用。

酶在生物催化领域扮演着重要的角色，酶的性质和状态直接影响着催化反应的效率和成本。为了适应酶的工业化应用，固定化酶的技术不断被开发并改进，在一定程度上改善了酶的稳定性和重复利用性。随着纳米技术和超分子组装理论的快速兴起，纳米花固定化酶以其优良的催化活性和简便的制备过程备受青睐。然而，纳米花固定化酶的组装机理和高催化活性成因尚不明确，无法支撑纳米花固定化酶的产业化应用需求。本项目围绕纳米花固定化脂肪酶制备及应用过程中存在的相关科学问题展开。首先，本项目探索了金属离子的种类、酶的包埋率、纳米花孔隙率及酶的分子构象对纳米花固定化酶微观形貌形成过程的影响机制。证明了酶分子在固定化组装过程中起着重要的作用，酶分子作为无机片状结晶的交织点赋予了超分子固定化酶花形结构。在组装过程中脂肪酶主要存在于纳米花固定化酶复合材料的“花心”位置，而“花瓣”部分主要由无机物质组成。随后，本项目针对具有不同微结构的纳米花固定化酶，进行酶的活性和酶反应动力学测定，进一步研究具有纳米尺寸无机物质的加入对于酶的包埋率、纳米微结构和酶催化活性的影响。实验结果证明了组装体系中的无机材料的尺寸并不会对纳米花固定化脂肪酶的形貌及催化性质造成显著性影响。在组装过程中酶的多级结构被有效固定，环境刺激对于纳米花固定化脂肪酶中的酶结构影响较小。最后，为了进一步增加纳米花固定化脂肪酶的实际应用潜力，将磁性纳米粒子、物理交联水凝胶与纳米花固定化脂肪酶复合制备获得了易于回收的纳米花固定化脂肪酶复合材料，并尝试了诸多实际催化应用环境，获得了较好的应用效果。本项目围绕纳米花固定化脂肪酶制备及应用过程中存在的相关科学问题取得多项相关科技成果。发表与研究项目相关SCI收录论文34篇、申请发明专利5项、获得授权发明专利3项。项目执行过程中培养硕士研究生4名，进行学术交流16人（次）。2018年获大连市科技进步二等奖1项。