[发明专利]固定生物酶的顺磁性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顺磁性的环氧基介孔分子筛及其制备方法，属于生物技术领域。

背景技术

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)。

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。

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。

我们研究发现(Micropor.Mesopor.Mater.，2008，114(1-3)：507-510；J Mol.Catal.B-Enzym.，2004，30(2)：75-81)，固定化青霉素酰化酶的性能与介孔分子筛的结构(晶相、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青霉素酰化酶的分子尺寸时，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。介孔分子筛的晶相、孔容和比表面积对固定化酶活性都有较大影响。SBA-15介孔分子筛与MCM-41介孔分子筛(固定化酶活性为402U/g)类似，都是六方相p6mm的一维孔道结构，以它为载体制备的固定化酶性能较差(固定化酶活性为1343U/g)；而具有较大孔径的立方相Ia3d结构的KIT-6介孔分子筛具有与MCM-48介孔分子筛(固定化酶活性为1509U/g)类似的比表面积、孔容以及双连续的三维孔道结构，但是前者比后者具有更大的孔径，对酶、底物以及产物分子的扩散具有优异的传输性能，以前者为载体制备的固定化酶具有较高的活性(固定化酶活性为3522U/g)。泡沫状介孔分子筛(Mesostructured Cellular Foams，MCFs)(J.Am.Chem.Soc.，1999，121(1)：254-255)，是一种具有超大孔径和3D泡沫结构的介孔氧化硅，其球形孔室由均一的窗口连通成为三维孔道结构，孔径为16～42nm，孔容为1.0～2.4cm³/g，由于具有较大的窗口直径和球形孔室，使得更多的酶分子可以进入球形孔室内部以及底物和产物的传输更加容易。我们研究发现，以MCFs介孔分子筛为载体制备的固定化青霉素酰化酶的活性可以达到9104U/g。因此，MCFs介孔分子筛有望成为性能优异的酶固定化无机载体。