[发明专利]用于生物酶固定化的环氧基介孔分子筛及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于生物酶固定化的环氧基介孔分子筛及其制备方法，具体地说，通过用间氯过氧苯甲酸对含有乙烯基的立方相Ia3d结构的介孔分子筛和表面乙烯基功能化的介孔分子筛的环氧化，在介孔分子筛表面引入链长较短的环氧基官能团，然后使生物酶以共价结合方式固定在介孔分子筛表面，提高固定化酶的性能。

背景技术

将游离酶直接用于催化过程存在许多不足，如在高温、强酸、强碱和有机溶剂中不稳定，容易丧失催化活性；游离酶回收困难，经济上不合理，还造成产物难以分离提纯，严重影响产品质量；生产过程难以实现连续操作，只能一次性间歇操作等。固定化酶克服了游离酶的上述不足，不仅保持了游离酶特有的催化特性，还提高了操作稳定性，生产过程易于实现连续操作，反应完成后易于与产物分离且可以重复使用，所得的产品纯度高，生产成本低。因此，酶的固定化一直是催化化学、生物化学和材料化学等领域的研究热点。

固定化酶的常用制备方法可以分为四种：包埋法、交联法、吸附法和共价结合法。包埋法分为网格型和微囊型两类，可获得较高的酶活力回收，但必须巧妙设计反应条件，制得的固定化酶不适用于大分子底物，一般用于制备固定化细胞。交联法是指先将酶吸附于不溶性载体上，然后使用双官能团或多功能团交联剂使酶分子之间进行交联，形成网状结构，可得到酶蛋白单位浓度较高的固定化酶，但存在着反应条件剧烈、酶活损失等不足。吸附法包括物理吸附和离子吸附法，具有酶活性中心不易被破坏和酶高级结构变化较少等优点，但由于酶与载体之间是以离子键、范德华力和氢键等较弱的作用力相连接，酶容易流失。共价结合法是借助共价键将酶的活性非必需侧链基团和载体的功能性基团进行偶联制备固定化酶的方法，因酶与载体之间以共价键相结合，呈现良好的操作稳定性，是目前工业上广泛使用的酶固定化方法。

由上述固定化酶的制备方法可知，要想得到性能优异的固定化酶，载体必须满足以下要求：载体表面具有可与酶分子发生相互作用的功能性基团，或可以通过表面改性进行功能化；载体表面的功能性基团数量及其分布适当，而且容易接近；载体必须是多孔物质，具有较高的比表面积；载体具有较大的孔径，以降低酶催化反应过程中存在的扩散阻力；载体具有足够的机械强度和化学稳定性。

生物酶固定化载体可分为两类：无机载体和有机载体。与广泛使用的有机载体相比较，无机载体具有更高的机械强度和较好的化学稳定性，其结构和表面性质容易控制，其突出优势是负载的酶经焙烧等简单处理就可以除去，载体可以重复使用，这就大大降低了固定化酶的成本，也避免了已失活的固定化酶的后处理问题，减轻了对环境的压力。新型介孔分子筛具有较大连续可调的孔径、高的比表面积、较大的吸附容量和孔道内富含弱酸性羟基，可以使体积较大的酶分子固定于分子筛介孔中和反应产物及时扩散出孔道，保持固定化酶适宜的微环境，因而制得的固定化酶具有较高的催化活性，同时固定化酶的使用温度较低，可以避免介孔分子筛普遍存在的水热稳定性差的问题，因此，介孔分子筛是一类很有发展前途的酶固定化新型无机载体。

固定化酶的性能与介孔分子筛的结构(晶型、孔径、孔容和比表面积)密切相关。介孔分子筛的孔径是影响固定化酶活性的关键因素，当介孔分子筛的孔径大于生物酶的分子尺寸时，在酶的固定化过程中，酶分子就容易进入介孔分子筛孔道内与表面的功能性基团相结合，充分利用介孔分子筛的孔容，得到的固定化酶具有较高活性。介孔分子筛的晶型、孔容和比表面积对固定化酶活性都有较大影响。由于生物酶分子与介孔分子筛表面弱酸性羟基之间通常是以较弱的氢键作用力相结合，在使用过程中一部分酶会发生脱落，操作稳定性有待进一步提高，如何在基本保持固定化酶活性的前提下，提高固定化酶的操作稳定性，仍需要做进一步的研究。

固定化青霉素酰化酶(EC 3.5.1.11，酶分子尺寸：)是半合成β-内酰胺类抗生素生产中最关键的酶，它既能催化青霉素及其扩环酸水解去侧链，生产半合成β-内酰胺类抗生素的重要中间体6-氨基青霉烷酸(6-APA)和7-氨基-3-脱乙酰氧基头孢烷酸(7-ADCA)，又能催化6-APA和7-ADCA与侧链缩合，生产多种半合成β-内酰胺类抗生素(如Ampicillin，Amoxicillin，Cephalexin和Cefadroxil等)。