H2O/[BMIM]PF6微乳液中酶催化反应

论文摘要

随着石油资源的日益枯竭,世界各主要工业国的国民经济将从基于不可再生的“碳氢化合物”为能源和原材料的经济结构向基于可再生的“碳氢化合物”的经济结构转变,而微生物由于强大和多样化的代谢能力,将成为构筑可持续发展经济结构的最重要的战略资源和技术源泉。作为来源于微生物的一类特殊物质,酶的研究和应用必然日益受到人们的重视。室温离子液体（RTILs）一般由有机阳离子和无机阴离子组成,几乎无蒸汽压,具有较大的稳定温度范围、较好的化学稳定性及较宽的电化学稳定电位窗口等,被认为是潜在的“绿色溶剂”。已有研究表明,在有机溶剂中能保持催化活性的酶,一般也可以用离子液体作为反应介质,且在离子液体中酶的催化性能（包括活性、稳定性和立体选择性）要优于在传统的有机溶剂介质中。另外,离子液体用作反应介质还具有产物易分离、酶和离子液体可重复利用等优点。然而研究过程中也发现,除价格昂贵外,离子液体用作反应介质仍存在着粘度大、对非极性化合物溶解性能力差等问题,即使是亲水性化合物,也面临着同样的问题,并且,作为催化剂的酶在离子液体中一般呈悬浮状态,完全溶解在离子液体中的酶通常是没有催化活性的,如溶于[BMIM]PF6的嗜热菌蛋白酶。众所周知,油包水微乳液作为酶促反应介质具有许多单一有机溶剂缺乏的优越性,如反应界面积增大,底物溶解度提高,酶可以在单分子水平上分散,界面膜的保护作用使酶不易被有机溶剂失活等。因此,离子液体酶催化研究中存在的介质对底物溶解能力小、酶在其中分散不均匀及失活等问题似乎可以通过其形成微乳液而得以解决。本文基于由非离子型表面活性剂TritonX-100（TX-100）、H2O及疏水性的离子液体[BMIM]PF6组成的三元体系的相行为,首次研究了几种酶在H2O/[BMIM]PF6微乳液中的催化活性,为今后离子液体微乳液作为酶反应介质的深入研究提供良好的工作基础。这也正是本论文的主要创新之处。本文的第一章主要综述了RTILs基础知识,RTILs中生物酶催化反应,胶束酶学及木素过氧化物酶（LiP）,漆酶（laccase）及脂肪酶的研究进展。在论文的第二章中,研究了LiP酶在H2O/[BMIM]PF6微乳液中的催化活性,并研究了[BMIM]PF6对LiP及其活性中心氯化血红素（hemin）催化活力的影响。结果表明,LiP在H2O/[BMIM]PF6微乳液中能表达较高的催化活力,LiP催化氧化邻苯二胺（OPD）的最佳反应条件为:ω0=8.0,pH=3.2,[H2O2]=0.225 mM。研究发现,在乙醇与水摩尔比为1:1的乙醇水溶液体系中,LiP酶活力随[BMIM]PF6的加入明显降低,且随[BMIM]PF6加入量的增多,LiP酶失活现象越明显。另外,在固定非离子型表面活性剂TX-100的质量百分数分别约为15.0%与21.0%的水溶液中,加入少量[BMIM]PF6,同样也发现[BMIM]PF6对LiP酶有明显的失活作用。并且在纯[BMIM]PF6中,LiP酶几乎不能表达催化活力。我们认为离子液体反相微乳液中界面膜的保护避免了[BMIM]PF6对LiP酶的直接失活作用,从而使LiP在H2O/[BMIM]PF6微乳液中能表达较高的活力。并且深入研究发现[BMIM]PF6能激活LiP酶的活性中心hemin的催化活力,原因可能是由于[BMIM]PF6的富电子基团咪唑基与hemin配位,改变了hemin的氧化还原电位。由此推测[BMIM]PF6导致LiP酶失活是由于两者发生相互作用,改变了酶的构象。另外离子液体[BMIM]PF6微乳液的形成还降低了介质的微黏度,从而更有利于酶催化反应的进行。在论文的第三章中,研究了H2O/[BMIM]PF6微乳液中藜芦醇（VA）介导LiP催化氧化邻苯二胺的双底物反应。结果表明,在此体系中,VA也能增强LiP催化氧化OPD的反应,其反应机制与VA增强LiP氧化酚类物质的机理相似,即VA和OPD都是LiP的竞争底物,但是由于活性中心立体结构的限制,LiPⅠ更容易氧化VA,形成一个单电子氧化产物VA+.,VA+.是活性很高的中间体,但是其从苯环侧链碳上脱质子的反应与其和邻苯二胺之间的电子传递反应相比较是个慢反应,因此阻止了藜芦醛的生成,促进了胺的氧化。同时,值得注意的是在H2O/[BMIM]PF6微乳液中,无H2O2存在时,仍能进行反应,产物仍为2,3—二氨基吩嗪,且反应速率较大,原因为胶束催化或久置的非离子表面活性剂TX-100里面含有的乙基过氧化物导致了反应的发生还有待于确证。第四章中研究了离子液体[BMIM]PF6对漆酶（laccase）催化活力的影响,并研究了laccase酶在H2O/[BMIM]PF6微乳液中的催化活性。结果表明,乙醇与水摩尔比为1:1的乙醇水溶液体系中,随[BMIM]PF6的加入,laccase的活力降低;另外,在非离子型表面活性剂TX-100的水溶液中,加入的少量[BMIM]PF6对laccase也表现出很强的失活作用,且在纯[BMIM]PF6中,laccase几乎不能表达活力。但在H2O/[BMIM]PF6微乳液中,laccase能表达较高的催化活力,说明反相微乳液的界面膜对laccase催化活力起到了保护作用。由此看见离子液体微乳液的形成大大拓展了离子液体的应用潜力,尤其是作为酶催化反应介质。第五章研究了柱状假丝酵母脂肪酶（Candida rugosa lipase）在H2O/[BMIM]PF6微乳液中的催化性能。H2O/[BMIM]PF6微乳液中,脂肪酶Candidarugosa lipase催化转酯化反应的最佳反应条件为:ω0=10,pH=7.38,反应温度T=35℃。另外我们研究了Candida rugosa lipase在几种有机溶剂及[BMIM]PF6中的催化活性,对有机溶剂来说,极性越小,酶的活性越高,如在正己烷中的催化活力明显较二氯甲烷与丙酮中高,且在[BMIM]PF6中的催化活力较正己烷中高,但在这些体系中酶都是呈悬浮状态,没有进行单分子分散。H2O/[BMIM]PF6微乳液中脂肪酶的催化活力虽然较[BMIM]PF6中低,但酶能够单分子水平分散在体系中,故也暗示了离子液体微乳液作为脂肪酶催化反应介质的可行性,为后续研究提供一定的参考价值。

论文目录

• 符号与缩写
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1 离子液体的基本性质及在生物酶催化方面的应用
• 1.1 离子液体的概念、种类及合成方法
• 1.2 离子液体的溶解特性
• 1.3 离子液体在酶催化反应中的研究进展
• 1.4 离子液体微乳液的研究进展
• 2 胶束酶学
• 2.1 正胶束
• 2.2 反胶束
• 2.3 胶束酶学简介
• 3 酶性质简介
• 3.1 木素过氧酶简介
• 3.2 漆酶简介
• 3.3 脂肪酶简介
• 4 芳香污染物的降解
• 4.1 白腐菌对环境芳香污染物的降解及表面活性剂在污染物降解中的作用
• 4.2 VA在LiP降解污染物中的作用
• 5 论文的研究内容
• 2O/[BMIM]PF₆微乳液中木素过氧化物酶催化性能研究'>第二章 H₂O/[BMIM]PF₆微乳液中木素过氧化物酶催化性能研究
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 仪器与试剂
• 2.2 菌种、培养条件及酶液的制备
• 2.3 酶活力的测定
• 2O/[BMIM]PF₆微乳液的配制'>2.4 H₂O/[BMIM]PF₆微乳液的配制
• 2.5 溶液的配制
• 2.6 实验过程
• 2.7 环境微粘度的表征
• 3 结果与讨论
• 2O/[BMIM]PF₆微乳液中LiP酶的催化活力'>3.1 H₂O/[BMIM]PF₆微乳液中LiP酶的催化活力
• 3.2 酸度和结构参数对LiP催化活力的影响
• 6对LiP催化活性的影响'>3.3[BMIM]PF₆对LiP催化活性的影响
• 6对氯化血红素催化性能的影响'>3.4[BMIM]PF₆对氯化血红素催化性能的影响
• 3.5 介质微环境粘度测定
• 4 结论
• 2O/[BMIM]PF₆微乳液中VA介导LiP催化氧化邻苯二胺的双底物反应'>第三章 H₂O/[BMIM]PF₆微乳液中VA介导LiP催化氧化邻苯二胺的双底物反应
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 仪器与试剂
• 2.2 溶液的配制
• 2.3 菌种、培养条件及酶液的制备
• 2.4 实验过程
• 3 结果与讨论
• 3.1 离子液体微乳液中双底物反应
• 3.2 VA对LiP催化氧化OPD反应初速率的影响
• 2O₂体系反应的光谱特征'>3.3 几种无H₂O₂体系反应的光谱特征
• 4 结论
• 2O/[BMIM]PF₆微乳液中漆酶催化反应活性的研究'>第四章 H₂O/[BMIM]PF₆微乳液中漆酶催化反应活性的研究
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 仪器与试剂
• 2.2 漆酶活力的测定
• 2.3 微乳液及溶液的配制
• 2.4 实验过程
• 3 结果与讨论
• 6对漆酶活力影响的研究'>3.1[BMIM]PF₆对漆酶活力影响的研究
• 2O/[BMIM]PF₆微乳液中漆酶催化活力的研究'>3.2 H₂O/[BMIM]PF₆微乳液中漆酶催化活力的研究
• 3.3 结构参数对反应初速率的影响
• 3.4 酸度对反应初速率的影响
• 3.5 底物浓度对反应初速率的影响
• 3.6 漆酶活力对反应初速率的影响
• 3.7 温度对反应初速率的影响
• 4 结论
• 2O/[BMIM]PF₆微乳液中脂肪酶催化反应'>第五章 H₂O/[BMIM]PF₆微乳液中脂肪酶催化反应
• 1 引言
• 2 实验部分
• 2.1 仪器与试剂
• 2.2 微乳液及溶液的配制
• 2.3 酶催化转酯化反应
• 3 结果与讨论
• 3.1 检测波长的确定
• 3.2 物质保留时间谱图
• 3.3 底物浓度与峰面积的标准曲线
• 3.4 结构参数对反应转化率的影响
• 3.5 pH值对反应转化率的影响
• 3.6 TX-100浓度对反应转化率的影响
• 3.7 脂肪酶浓度对反应转化率的影响
• 3.8 温度对反应转化率的影响
• 3.9 几种体系中反应转化率的比较
• 4 结论
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表