离子液体体系下修饰纤维素酶降解纤维素的研究

论文摘要

本文设计合成了7种中碱性离子液体，利用FT-IR、1H-NMR和13C-NMR等表征技术确定了其结构。筛选出一种对纤维素酶有良好生物相容性的新型离子液体-1-羟乙基-3-甲基咪唑醋酸盐[C2OHmim][OAc]。采用XRD、SEM、FT-IR和TG/DTA等技术手段对离子液体溶解前后的纤维素结构形貌惊醒了表征，结果表明，离子液体溶解后的纤维素结构松散，结晶度下降，稳定性降低。分别采用分子量5000的单甲氧基聚乙二醇马来酰亚胺（mPEG-MAL5k）、分子量5000的单甲氧基聚乙二醇琥珀酰亚胺（mPEG-SPA5k）和分子量5000、10000、20000的单甲氧基聚乙二醇丙醛（mPEG-ALD5k、10k、20k）对商品级纤维素酶（Cellulase）进行化学修饰。制备了五种修饰纤维素酶，分别标记为Cell-ALD5k、10k、20k，Cell-SPA5k和Cell-MAL5k。以Cell-ALD5k为例，详细考察修饰温度、修饰反应时间、修饰体系pH、纤维素酶浓度和修饰剂与纤维素酶的质量比等修饰条件对修饰纤维素酶催化活性的影响，确定最佳修饰条件。考察了修饰酶在[C2OHmim][OAc]中稳定性和催化活性，结果表明修饰酶在离子液体中稳定性和催化活性明显提高。在纤维素/[C2OHmim][OAc]均相溶解体系中，研究天然纤维素酶和五种修饰纤维素酶对微晶纤维素的原位降解。采用DNS显色法检测15%（w/v）的[C2OHmim][OAc]-缓冲溶液酶解体系中得到的还原糖浓度，以表征酶解效果。发现Cell-ALD5k在15%（w/v）的[C2OHmim][OAc]-缓冲溶液酶解体系中对微晶纤维素的降解效果最好，24h后还原糖量达到3.94mg/mL，转化率达到93.8%。将其应用于天然纤维素秸秆、滤纸和棉花的降解中，对滤纸的降解效果最佳，24h转化率达到99.5%。在纤维素/[Bmim]Cl（1-丁基-3-甲基咪唑盐酸盐）均相溶解体系中，研究天然纤维素酶和五种修饰纤维素酶对微晶纤维素的原位降解。发现Cell-ALD20k在15%（w/v）的[Bmim]Cl-缓冲溶液酶解体系中对微晶纤维素的降解效果最好，24h后还原糖量达到4.09mg/mL，转化率达到97.4%，可见修饰酶在[Bmim]Cl中仍能保持良好稳定性和催化活性。将其应用于天然纤维素的降解中，对棉花的降解效果最佳，24h转化率达到97.0%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 文献综述
• 1.1 纤维素
• 1.1.1 纤维素的组成与性质
• 1.1.2 国内外对纤维素的利用现状及展望
• 1.2 纤维素酶解
• 1.2.1 纤维素酶组成和作用机制
• 1.2.2 纤维素酶的活性影响
• 1.2.3 国内外对纤维素酶解的研究现状
• 1.3 离子液体
• 1.3.1 离子液体的制备和纯化
• 1.3.2 离子液体的性质及表征
• 1.3.3 离子液体在溶解纤维素方面的应用
• 1.3.4 离子液体中生物催化的应用
• 1.3.5 国内外酶在离子液体中降解纤维素的应用
• 1.4 酶分子修饰
• 1.4.1 酶分子修饰的目的
• 1.4.2 酶分子修饰剂的类型
• 1.4.3 酶分子的氨基修饰
• 1.4.4 酶分子的巯基的修饰
• 1.4.5 国内外对纤维素酶化学修饰的研究现状
• 1.5 课题的意义和研究内容
• 1.5.1 课题的目的和意义
• 1.5.2 课题主要研究内容
• 2 离子液体的制备及其对纤维素的溶解性能
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料和方法
• 2.2.1 实验试剂与仪器
• 2.2.2 离子液体的合成
• 2.2.3 纤维素组成测定
• 2.2.4 纤维素的溶解
• 2.2.5 纤维素的再生
• 2.2.6 纤维素溶解前后表征方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 纤维素原料的组成分析
• 2.3.2 离子液体的表征
• 2.3.3 离子液体溶解纤维素的情况
• 2.3.4 纤维素溶解前后表征分析
• 2.4 本章小结
• 3 纤维素酶的化学修饰
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料和方法
• 3.2.1 实验试剂与仪器
• 3.2.2 绘制标准葡萄糖曲线
• 3.2.3 化学修饰纤维素酶的方法
• 3.2.4 单因素考察最佳修饰条件
• 3.2.5 常规条件下天然酶与修饰酶降解微晶纤维素
• 3.2.6 修饰纤维素酶的表征方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 标准葡萄糖曲线
• 3.3.2 修饰条件对Cell-ALD 5k催化活性的影响
• 3.3.3 常规条件下修饰酶与天然酶降解微晶纤维素比较
• 3.3.4 修饰纤维素酶的表征
• 3.4 本章小结
• 2OHmim][OAc]-缓冲液体系中修饰纤维素酶降解纤维素'>4 [C₂OHmim][OAc]-缓冲液体系中修饰纤维素酶降解纤维素
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料和方法
• 4.2.1 实验试剂与仪器
• 4.2.2 天然酶和修饰酶在离子液体中的稳定性测定
• 4.2.3 温度和时间对修饰酶降解微晶纤维素的影响
• 2OHmim][OAc]-缓冲液体系中酶解纤维素的方法'>4.2.4 [C₂OHmim][OAc]-缓冲液体系中酶解纤维素的方法
• 4.2.5 纤维素转化率计算方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 天然酶和修饰酶在离子液体中的稳定性
• 4.3.2 温度和时间对修饰酶降解纤维素的影响
• 4.3.3 修饰剂分子量对修饰酶降解纤维素的影响
• 4.3.4 修饰基团对修饰酶降解纤维素的影响
• 4.3.5 天然酶和修饰酶降解天然纤维素
• 4.4 本章小结
• 5 [Bmim]Cl-缓冲液体系中修饰纤维素酶降解纤维素
• 5.1 引言
• 5.2 实验材料和方法
• 5.2.1 实验试剂与仪器
• 5.2.2 实验方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 修饰剂分子量对修饰酶降解纤维素的影响
• 5.3.2 修饰基团对修饰酶降解纤维素的影响
• 5.3.3 天然酶和修饰酶降解天然纤维素
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录