固定化壳聚糖酶膜的初步研究

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酶作为生物催化剂,具有催化效率高、专一性强、毒性小,易操作、使用范围宽的优点,广泛用于制药、食品、生化行业。多酚氧化酶作为一种氧化还原酶,已应用于生物传感器、红茶的加工、含酚废水的处理等领域,但应用中存在酶的成本高、易受外界环境因素的干扰、重复利用性差等问题。利用固定化酶技术为这些问题的解决提高了希望。在多酚氧化酶的固定化中,酶膜由于其分离与生化特性而受到人们的重视。开发利用膜作为多酚氧化酶固定化的材料,具有很大的意义。本文旨在利用壳聚糖(CS)膜作为载体实现对多酚氧化酶(PPO)的固定化,制备固定化壳聚糖酶膜,并进行初步的应用实验。利用CS分子上具有活性的羟基、氨基基团,通过配位健的方式与金属离子形成配合物,制备成CS-Cu(Ⅱ)膜,CS-Cu(Ⅱ)膜上的Cu2+可以与PPO上的游离氨基酸形成配位健,从而得到固定化壳聚糖酶膜。研究CS膜制膜条件,包括铸膜液组分及后处理条件对膜性能的影响,探讨pH值、吸附时间、金属离子浓度对CS膜吸附量的影响,利用响应面分析PPO酶固定化条件,考察了固定化酶膜上酶的最适pH值、最适温度、贮藏稳定性等特性,并利用CS酶膜,进行邻苯二酚、茶多酚的转化初步实验,为以后工业废水中邻苯二酚的去除以及酶膜在红茶转化中的应用提供理论参考和基础资料。结果表明:(1)利用正交实验研究CS膜制备过程中的主要参数Ccs(A)、CPEG(B)、tT(C)、CNaOH(D)对膜的截留率和纯水通量的影响,优化了膜的制备条件,得出四个因素对截留率的影响程度的主次为tT(C)>CCS(A)>CPEG(B)>CNaOH (D),四个因素对水通量的影响程度的主次为tT(C)>CCS(A)>CNaOH (D)>CPEG (B),这说明热处理时间tT对膜性能(截留率和水通量)的影响最大,而壳聚糖浓度Ccs对膜性能的影响次之。优化后的CS膜制备条件为:CS浓度为2.0%,PEG浓度为2%,热处理时间为15min,凝固浴NaOH溶液的浓度为2.0mol/L。(2)在CS膜吸附Cu(Ⅱ)的过程中,发现当pH值为5.0时,吸附量最大。吸附量随吸附时间的增加而增大,当吸附时间为8h达到吸附平衡,同时吸附量随金属离子浓度的增加而增大,当Cu2+初始浓度为5.6mg/mL时,可达到饱和吸附量。CS膜吸附Cu(Ⅱ)符合单分子层吸附机理,其吸附等温线符合Langmuir型吸附等温线。(3)在PPO的固定化过程中,随着固定化时间的增加,固定化酶的活力也逐渐增大,在35℃,pH 7.0-7.5下当酶浓度选为2.0-2.5mg/mL固定化时间增加到8h时,固定化酶活力最大。(4)以固定化多酚氧化酶的活力(U/cm2)为响应值,进行响应面分析得到最优的固定化条件为:铜离子螯合量为30.07 mg/mL,酶浓度2.12 mg/mL,pH为7.67,得到固定化PPO的活力为75.41U/cm2。(5)探索固定化酶膜的特性,得到酶膜上酶的最适pH为7.5、最适温度为40℃,米氏常数Km为29.02mmol/L。在70℃条件下,40min后溶液酶完全失活,而固定化酶膜仍具有40%的相对活力。酶的半衰期为30天左右。在重复使用8次以后,固定化酶膜仍能保持79%的活力。(6)在酶膜催化邻苯二酚和茶多酚的应用中,随着操作压力的增加,邻苯二酚和茶多酚的转化率都是先增加后减小,邻苯二酚在0.2MPa时达到最大转化率为55.8%,茶多酚在0.15MPa时有最大转化率为59.2%。在300r/min的转速下,酶膜的催化效率达到58.4%。
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