天然硅酸盐纳米管作为酶固定化载体的研究

论文摘要

天然纳米管HNT是一种天然优良的粘土质硅酸盐矿物,在天然条件下由硅酸盐片层卷曲而成的多壁微管状结构。本文中的HNT纳米管产率极高,接近100%,作为酶固定化的载体材料,它具有传统无机材料的所有优势;另外,HNT为形态完整的中空管状结构,纳米管两端开口,尺寸分布均匀稳定,具有良好的热稳定性和与酶分子相适宜的孔直径范围,而且HNT纳米管高的比表面积具有许多优越的吸附性能,富含的羟基官能团也有利于提高酶的固载率。因此HNT是一种极具潜力和竞争力的固定化酶载体材料。a-淀粉酶（EC 3.2.1.1）是一种内切葡萄糖苷酶,是目前最重要的工业酶制剂之一,广泛应用于粮食加工、食品工业、发酵工业、纺织品工业和医药工业等领域。脲酶（EC 3.5.1.5）能将尿素水解为氨和二氧化碳,它在生物传感器、医疗诊断、环境监测等诸多方面有着广阔的应用前景。但是游离酶对环境十分敏感,活性不易保持,且回收困难,使用成本高。酶固定化技术是实现酶重复连续使用和稳定性改善的有效手段。本文以新型天然纳米材料HNT作为酶固定化的载体材料,采用物理吸附法,制备固定化a-淀粉酶和固定化脲酶,通过测定酶活和固载率,从给酶量、pH值、固定化时间三个因素优化了固定化条件,研究了固定化酶的酶学性能,并与游离酶进行了比较。结果表明HNT具有稳定的物理化学性能,是一种良好的酶固定化载体材料。本文首先研究了天然纳米管HNT的物理化学性能。利用Fourier红外光谱、TEM、SEM和比表面及空隙率测定仪等对其进行表征,结果表明HNT富含羟基官能团,为中空管状结构,长度在0.5～1.5μm之间,管外径约30～50nm,管内径约10～30 nm,比表面积可达146.34 m2/g;利用Netzsch热分析仪进行DSC-TG分析,研究表明HNT具有良好的热稳定性能,在400℃×2h煅烧数次循环未发现纳米管被破坏。其次,对以HNT为载体固定化a-淀粉酶和脲酶的最佳条件进行了研究。结果表明:0.25 g HNT细粉与10 mL浓度为15 mg/mL的a-淀粉酶酶液（由pH=6.07的缓冲溶液配制）固定结合,室温下振荡5 h后,酶的固定化效率最好,最大吸附量为15.4 mg/gHNT,固载率平均达到37.38%;用0.25 g HNT细粉与10 mL浓度为6 mg/mL的脲酶酶液（由pH=7.0的缓冲溶液配制）固定结合,室温下振荡8 h后,酶的固定化效率最好,最大吸附量为11.7 mg/gHNT,固载率平均达到33.13%。最后,研究了固定化酶的性质,并与游离酶进行了比较,结果表明:固定化酶的热稳定性和贮藏稳定性明显优于游离酶;固定化a-淀粉酶在80℃下保温15min后酶活仅下降19%左右;在4℃下保存15 d,仍保持90%的催化活性,并且连续7批次操作后其相对活力保持在56.2%左右,显示出良好的稳定性。固定化脲酶在80℃下保温15 min后酶活仅下降12%左右;4℃下保存15 d后,酶活力基本没有下降,并且连续10批次操作后其相对活力保持在65%左右,同样显示出良好的稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 酶与固定化酶概述
• 1.2 固定化酶技术及国内外研究进展
• 1.2.1 酶的固定化方法
• 1.2.2 已有固定化载体
• 1.2.3 固定化酶的应用领域
• 1.3 传统载体材料的弊端及天然矿物HNT的研究前景
• 1.4 本课题的研究意义及目的
• 1.5 本课题的研究内容及创新点
• 2 天然纳米管HNT的性能研究
• 2.1 HNT简介及国内外研究进展
• 2.2 实验仪器
• 2.3 天然纳米管HNT的物理性质和化学成分
• 2.4 天然纳米管HNT的红外吸收光谱特征
• 2.5 天然纳米管HNT的形貌特征
• 2.5.1 扫描电镜（SEM）研究
• 2.5.2 透射电镜（TEM）研究
• 2.6 天然纳米管HNT的孔结构特征
• 2.7 天然纳米管HNT的热稳定性研究
• 2.8 以HNT为载体固定化酶的反应原理简述
• 2.9 本章小结
• 3 a-淀粉酶的固定化研究
• 3.1 实验材料与仪器
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 载体的制备
• 3.2.2 固定化方法
• 3.2.3 固定化效率的测定
• 3.2.4 a-淀粉酶酶活力的测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 固定化后的红外分析
• 3.3.2 a-淀粉酶固定化条件的选择
• 3.3.3 a-淀粉酶原酶液与固定化a-淀粉酶的性质
• 3.4 本章小结
• 4 脲酶的固定化研究
• 4.1 实验材料与仪器
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 载体的制备
• 4.2.2 固定化方法
• 4.2.3 固定化效率的测定
• 4.2.4 脲酶酶活力的测定
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 固定化后的红外分析
• 4.3.2 脲酶固定化条件的选择
• 4.3.3 脲酶原酶液与固定化脲酶的性质
• 4.4 本章小结
• 5 结论
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢