固定化离子液体调控酶催化甘油解反应产物组成的机理研究

During the diacylglycerol production process, it is a key issue to curb the monoacylglycerol formation and accordingly increase the diacylglycerol content. Considering that product composition in equilibrium state can be altered by the functional groups grafted on the mesoporous materials, in this proposal, ionic liquids (IL) will be selected and immobilized on SBA-15, the obtained IL-SBA-15 will be further used for the immobilization of lipase CALB, and the obtained immobilized lipase CALB-IL-SBA-15 will be used to catalyze the glycerolysis. The effects of the structure and composition of ionic liquids on the enzymatic properties and the secondary structure of the immobilized lipase CALB, will be studied systematically. In addition, the product selectivity & reactant conversion of glycerolysis are influenced by the structure and composition of ionic liquids, silicon hydroxyl group of SBA-15 as well as the secondary structure of lipase CALB. The relationship between them would be studied extensively to uncover the law behind the regulation of the product composition by the immobilized ionic liquids. The law uncovered and the variation of the secondary structure of lipase CALB, would be combined and analyzed to look into the mechanism behind the immobilized ionic liquids regulating the product composition from enzymatic glycerolysis. The implementation of the present proposal is with the aid of multi-disciplinary crossing and integration, it will enrich and develop the related scientific theories, and provide theoretical foundation for the industrial development of nutritious oil at the same time.

如何抑制副产物甘油一酯的生成、提高目标产物甘油二酯的含量是甘油二酯生产过程中的一个关键问题。本项目从固定在介孔材料上的官能团能改变其所在反应体系的平衡组成的角度切入，拟将离子液体固定于介孔材料SBA-15，然后再负载CALB脂肪酶用以催化甘油解反应；研究固定化离子液体的组成和结构对固定化酶催化特性以及固定化酶的二级结构的影响；研究反应选择性及转化率与固定化离子液体的组成和结构、SBA-15孔道内硅羟基数及脂肪酶二级结构的内在变化关系，揭示固定化离子液体对甘油解反应产物的调控规律；结合脂肪酶二级结构的变化，阐明固定化离子液体调控酶催化甘油解反应产物组成的机理。本项目的研究借助于多学科的交叉与融合，将丰富和推动学科理论发展，并为我国营养性油脂产业发展提供理论依据。

甘油二酯（DAG）是一种营养健康的功能性油脂，其被人体摄入后不会产生脂肪堆积从而具有减肥的功效。酶促甘油解反应由于原料来源容易、反应过程简单、条件温和、不产生副产物，是制备DAG的主要途径。甘油解是多步骤的反应，DAG是反应的中间产物，受反应平衡的影响，DAG含量通常在30-40%之间。如何提高反应对DAG的选择性是DAG生成过程中的一个重要问题。.本项目（1）采用了SBA-15负载CALB，研究了固定化条件以及所得固定化酶的酶学性质；（2）采用了咪唑类离子液体修饰SBA-15，然后再负载CALB，研究了所得固定化酶的酶学性质；（3）研究了碱性离子液体催化甘油解制备DAG；（4）对比研究了离子液体修饰SBA-15前后再负载CALB，催化甘油解反应，研究了甘油三酯的转化率以及反应对DAG的选择性；深入探讨了固定化离子液体对酶催化甘油解反应产物的调控规律。.结果表明，（1）CALB直接负载SBA-15不会破坏SBA-15的有序六方结构；离子液体修饰SBA-15会破坏其部分有序结构。（2）离子液体修饰SBA-15后，再负载CALB所得的固定化酶活性极大地得以提高，尤其是1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐修饰后的SBA-15，其负载CALB的酶活是未修饰SBA-15负载CALB酶活的近3倍之多（5044 U/g与1855 U/g）。（3）在所选择的7种碱性离子液体中，1-丁基-3-甲基咪唑咪唑盐能有效催化甘油解反应，该离子液体在反应体系中同时起了助溶剂和催化剂的双重作用，在优化条件下，甘油三酯转化率达80%，DAG含量高达60%。（4）所选择的六种离子液体中，除1-丁基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐修饰的SBA-15负载CALB外，其余的离子液体修饰SBA-15负载CALB催化甘油解所得的DAG含量均比未经修饰的SBA-15直接负载CALB催化所得的DAG含量高；尤其是1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐修饰的SBA-15负载CALB，其DAG含量从53.60 ± 0.85升至67.15 ± 1.78 %，DAG的选择性由3.72 ± 0.11升至11.99 ± 1.76，说明1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐修饰的SBA-15负载CALB适于DAG制备。对比碱性离子液体催化结果，说明[1-丁基-3-甲基咪唑]+对DAG有较强的选择性。本研究也表明，固定化酶其表面适度的非极性有助于提高。