功能化离子液体修饰介孔材料在酶固定化中的应用研究

通过引入功能化有机基团对介孔材料的硅羟基表面进行化学修饰，增强酶与载体的结合力，改善固定化酶的酶学性质是当前酶固定化研究的重要内容。然而目前报道的修饰方法普遍存在酶固定化效率低，固定化酶稳定性和活性不高，反应过程中扩散限制效应明显等不足。离子液体具有环境友好和可设计性两大优点，作为绿色反应介质已在酶催化领域得到了广泛应用。本项目拟通过在SBA-15、MCM-48等介孔材料的表面引入带有烷基、氨基、羧基等特定官能团的离子液体，改善载体与酶的结合力，提高酶固定化效率及其稳定性，改变固定化酶所处的微环境，缓减扩散限制作用，改善固定化酶的酶学特性；通过固定化酶的酶学性质和催化反应动力学研究，揭示功能化离子液体表面修饰介孔材料和酶的作用机制。研究工作在发展一种新颖、高效的酶固定化用介孔材料表面化学修饰方法的同时，拓展了离子液体和介孔材料在酶工程领域中的应用，具有一定的科学研究价值和潜在应用前景。

为解决当前酶固定化过程中固定化效率低，固定化酶稳定性和活性不高，反应过程中扩散限制效应明显不足等问题，本研究项目制备了一系列不同结构特征的介孔材料（SBA-15、SBA-16以及无定形SiO2等），以各种咪唑类离子液体（侧链带不同链长的烷基、氨基、羧基等官能团，及不同的阴离子BF4-，PF6-以及氨基酸）对介孔材料表面进行化学修饰。所得到的新型固定化载体材料用于猪胰脂肪酶（PPL）、洋葱伯克霍尔德菌脂肪酶（BCL）等各种酶的吸附、共价交联、聚集包被固定。并通过元素分析、N2吸附-脱附（BET）、X-射线衍射（XRD）、红外光谱（FTIR）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、热重（TG）、核磁共振（NMR）等表征手段研究了离子液体修饰对介孔材料表面结构，以及对固定化酶微环境变化的影响，解析了固定化酶酶学性质变化的机理，发展了一种新型、高效的酶固定化方法。得出了一般性的规律：（1）离子液体修饰介孔材料固定化酶这一方法普遍适用于各种类型的介孔材料，修饰后载体固定的脂肪酶活力都得到提高，尤其以氨基、甲基咪唑类功能化离子液体修饰的载体材料最为明显，氨基和甲基咪唑功能化离子液体修饰载体固定化BCL与PPL的酶活分别提高了11.3和5.7倍；（2）修饰后的载体对酶的负载量普遍提高了，羧基功能化离子液体修饰的介孔材料表现出95%固载量，SBA-15经氨基酸功能化离子液体修饰之后对PPL的吸附量提高至98%；（3）各种离子液体修饰的介孔材料物理吸附固定化脂肪酶的稳定性都得到了很大的提高，尤其以烷基功能化离子液体修饰的载体效果最好，且随着烷基离子液体阳离子的碳链长度增长，固定化酶的稳定性提高程度越大；（4）在介孔材料载体表面引入导向官能团，并通过交联剂实现脂肪酶的共价交联及聚集包被固定，解决了吸附法固定化酶易脱附的问题，进一步提高了酶的固定化效率以及稳定性，如介孔材料经氨基酸功能性离子液体修饰后共价固定的PPL，固定化酶重复使用5次后，仍然保持96%的固载量，重复使用后相对酶活仍然保持78%，相对原粉交联固定化酶的60%，稳定性有显著提高。