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生物碳纤维的酶固定化研究

张巍巍  
【摘要】: 碳纤维具有优异的生物相容性、较高的比表面积、稳定的物理化学性能以及应用形态的多样化。目前作为吸附材料已广泛应用于废水处理,而作为生物酶载体材料应用的研究报道却并不多。 酶是一种高效专一的催化剂蛋白质。游离态酶一般溶于水、不稳定,将酶固定在载体上,有利于底物分子的扩散,提高酶的热力学稳定性,并方便分离和重复使用。目前酶载体材料在物化性能、力学性能、耐温性、活性范围和再生等方面已不能满足使用要求,限制了生化反应技术的推广与应用。本文试图探索一种以碳纤维作为新型酶固定化载体,提高现有酶热力学稳定性,重复使用性,保持或提高载酶活性、载酶量的新型酶固定化技术与方法。从而为生物化学反应领域提供耐热、高效、快捷、稳定的新载体、新方法和新技术。 本文首先选取了脂肪酶和果胶酶作为探索实验,确定了以脂肪酶作为固定化的研究对象,进而通过系列碳纤维为载体与传统载体壳聚糖固定化实验进行对比。研究了以新型碳纤维为载体固定化脂肪酶的效果,主要研究了优化固定化脂肪酶的条件和探索固定化前后的酶学性质的变化。通过扫描电镜和X-射线光电子能谱研究并解析固定化前后样品表面形态和结构变化,探讨酶活性变化、载酶量、以及热稳定性的变化规律及制约因素。 研究结果表明:以碳纤维作为载体固定化脂肪酶或果胶酶时吸附法为最佳固定化方法,所得到的固定化酶活性最高。残留活性表明,固定化脂肪酶残留活性为1.27%,而固定化果胶酶的残留活性为0.90%,说明脂肪酶在固定化时有效利用率比较高。采用不同固定化方法、不同载体进行脂肪酶固定化对比研究表明:吸附法得到的固定化酶的活力最高;T300级碳纤维为载体的载酶量与固定化酶活力的相关研究,说明以T300级碳纤维作为载体能提高脂肪酶的利用率。同时结果还表明固定化脂肪酶在50℃时仍能保持良好的活性,尤其以T300级碳纤维作为载体的固定化酶热失活缓慢。对sigma脂肪酶在T300级碳纤维上的固定进行的系统性研究与固定化反应条件优化,所确定的固定化反应条件为:给酶量0.1g、固定化水浴温度25℃、固定化时间2h;固定化sigma脂肪酶相对于游离酶的反应pH值向碱性偏移;最佳反应温度提高到50℃,并在50℃的酶催化反应环境中1 h仍能保持很好的活性和较好的热稳定性。 通过系统研究得出创新性结果:以碳纤维作为生物酶固定化载体是可行的。碳纤维是一种新型优质生物酶固定化载体。该结果经检索未发现国内外有报道,具有原创性,获得发明专利受理。该结果有望应用于生物化学反应与反应器,对于提高我国生化反应技术水平的起到促进作用。


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