[发明专利]两亲结构微球及其制备和应用

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种微球产品，具体地说是一种用于酶或细胞固定化的两亲结构微球产品及其在非水相生物催化领域的应用。

背景技术

生物催化的主要挑战是将生理状态下作用的酶转变为工业过程中苛刻条件下执行功能的催化剂,其中非水相生物催化是工业生物催化的一个重要方面。而生物催化剂酶或细胞的活性和稳定性保持是非水相生物催化需要解决的关键问题。

从工程学的角度，固定化技术是一个简单易行且行之有效的手段，可以保持或提高生物催化剂在非水相中活性和稳定性。但传统的亲水性固定化载体应用于非水相介质时，疏水底物或产物难以扩散传递，成为整个生物催化过程的限速步骤。

国际上关于两亲结构固定化载体的研究仅发现两种体系：①在四甲氧基硅烷中添加盐酸或氯铂酸的异丙醇溶液作为催化剂，经过水解或者升温至303K引发反应聚合，得到海藻酸钙凝胶网络包裹硅胶微球形式的亲、疏水骨架结构以包埋细胞或酶，用于生物转化 (Kawakami K and Furukawa SY, Alcohol-oxidation activity of whole cells of Pichia pastoris entrapped in hybrid gels composed of Ca-alginate and organic silicate. Applied Biochemistry and Biotechnology, 1997, 67: 23–31) ；②用聚羟乙基丙烯酸酯和聚硅氧烷复合材料，经紫外引发自由基聚合形成多孔膜，通过浸泡方式将酶吸附在纳米尺度的亲水区，而其中分布的疏水区用于疏水底物的扩散(Yi YY, Kermasha S, Neufeld R. Matrix physicochemical properties affect activity of entrapped chlorophyllase. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2005, 80(12): 1395-1402)。但是，上述两种体系反应条件苛刻，引入了非生物相容的化学催化剂、溶剂及疏水性成分，破坏了生物催化剂需要的温和水环境，导致其活性和稳定性明显下降。

因此，在传统的固定化载体技术中，如何既提供亲水环境以保持生物催化剂的活性和稳定性，又提供疏水环境以促进疏水底物/产物传递，仍是非水相生物催化研究面临的重要挑战。

发明内容

针对上述问题，本发明提出对传统的固定化水凝胶载体结构进行疏水性改造，在全生理条件下构建新颖的两亲扩散结构微球，即：亲水凝胶骨架中调控形成径向放射状疏水微区，实现亲水、疏水分子“各行其道”，在充分保持生物催化剂活性的前提下，提高疏水分子的传递速率，提高生物催化效率，并应用于非水相生物催化领域。

技术方案：

本发明将疏水高分子材料引入水凝胶体系，发明了一种含有疏水成分的两亲结构微球产品，实现亲水、疏水分子“各行其道”，在充分保持生物催化剂活性的前提下，提高疏水分子的传递速率，提高生物催化效率。

本发明的两亲结构微球产品，其结构分为亲水区和疏水区两部分，以亲水区为形成微球的主体，其中，疏水区从微球的中部向微球的表面呈放射状分布于亲水区中，疏水区从微球的中部至微球表面形成贯穿通道。产品粒径10-4000微米，疏水区通道内径从几十纳米到几微米，便于疏水分子的扩散传递；亲水区提供了保持酶或微生物细胞生物活性的水凝胶环境，酶或微生物细胞引入亲水区中，该微球产品可用于非水相生物催化。

微球产品中的亲水区水凝胶环境由天然高分子材料中的海藻酸盐、卡拉胶、壳聚糖、琼脂、琼脂糖、阿拉伯胶、明胶，合成高分子材料中的聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、光硬化树脂、聚丙烯酸，以及上述材料衍生物中的一种或二种以上材料形成的亲水性水凝胶组成；

微球产品中的疏水区由植物油、脂肪酸的酯、脂肪酸类、蔗糖酯类、液体石蜡中的一种或二种以上成分组成。

其中，植物油为大豆油、藏红花油、玉米油、橄榄油、蓖麻油、月见草油、土荆芥油、松节油、薄荷脑、丁香油、香柠檬油、山苍子油、香茅油、迷迭香油、樟脑、麝香草油、苦艾油、桂皮油、茴香油或洋甘菊油；

脂肪酸的酯为油酸乙酯C₂₀H₃₈O₂、癸二酸二丁酯、肉豆蔻酸异丙酯IPM:C₁₇H₃₇O₂ 或6-18个碳原子的脂肪酸甘油酯；