[发明专利]一种生物酶‑化学复合催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，特别涉及一种生物酶-化学复合催化剂及其制备方法和在山梨醇制备中的应用。

背景技术

山梨醇是一种非常重要的食品、化工、医药等行业生产的原料，其制备主要以淀粉为原料，通过淀粉酶解制得葡萄糖，然后通过金属催化加氢将葡萄糖转化为山梨醇。其生产为两步法，即酶解和加氢步骤必须分别进行，这不仅造成了操作过程的复杂性，也增加了生产成本。不能直接使用金属催化剂与生物酶组合用于淀粉水解-加氢一锅法生产山梨醇的主要原因是金属催化剂会使生物酶中毒，而淀粉水解过程中产生的胶状淀粉糊会覆盖金属催化剂。使用核-壳的催化剂能够有效地使生物酶水解淀粉(壳外)和金属催化葡萄糖加氢(壳内)在两个隔离的区域中进行，实现淀粉水解-加氢一锅法生产山梨醇。

现有技术中，具有核-壳结构的催化剂的制备工艺复杂、合成周期长，而且刻蚀剂有一定的环境毒害性，不利于周围环境的绿色发展。制得的核-壳结构催化剂不能单独使用，需要与生物酶组合使用，才能实现淀粉水解-加氢一锅法生产山梨醇。但是，在淀粉水解-加氢一锅法生产山梨醇过程中生物酶呈游离状态，故每次重复使用过程中需重新添加生物酶，造成生物酶不能回收利用，增加了生产成本。

固载酶因比游离酶具有更高的热稳定性、化学稳定性、重复利用性以及易分离等优点，已被广泛应用于生物催化、生物传感器等众多领域。固定化酶的载体材料的性质以及结构对固载酶的催化活性及性质起着关键的作用。由于生物酶属于大分子酶，选择合适的材料和方法将其固定化成为一个关键问题。

因此，发现一种可循环的生物酶-化学复合催化剂，对于淀粉水解-加氢一锅法生产山梨醇具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物酶-化学复合催化剂，在淀粉水解-加氢一锅法生产山梨醇中表现出优异的催化活性，而且可循环利用，使用寿命长，大大降低了生产成本，具有良好的工业应用前景。

本发明的另一个目的是提供上述生物酶-化学复合催化剂的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种生物酶-化学复合催化剂，其特征在于：该催化剂为呈树枝状的生物酶催化剂上连接有圆球形的化学催化剂，该化学催化剂为核壳结构，壳层为二氧化硅，内核为负载了钌纳米粒子的介孔碳球。该化学催化剂的直径为400-500nm，壳层厚约50nm，内核为200-400nm直径的介孔碳球，且介孔碳球内负载了0.5-3.0nm的钌纳米颗粒。

上述生物酶-化学复合催化剂的制备方法，其步骤包括：

(1)将介孔碳球加入钌的盐溶液中超声分散15-20分钟，静置后干燥，在冰点搅拌状态下加入还原剂水溶液，搅拌反应结束后洗涤至中性，得到黑色固体物；然后加入到乙醇、水、表面活性剂、十二醇和氢氧化钠的混合溶液中超声分散15-20分钟，搅拌后加入正硅酸四乙酯、N-氨乙基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷，搅拌、离心，加入丙酮并搅拌回流；得到的二氧化硅壳层表面进行了氨基化修饰，便于和后续反应中的交联剂相结合。

优选的，所述还原剂水溶液为KBH₄、NaBH₄或两者的任意比混合物，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。优选的所述钌的盐溶液为NH₄RuCl₆水溶液，其稳定性比较好。

(2)将步骤(1)中的产品加入水中，90-100℃条件下搅拌100-120分钟，离心洗涤，得到核壳结构的化学催化剂；本发明的刻蚀剂为水，无毒、成本低，对环境无害。

(3)将步骤(2)中的化学催化剂中加入戊二醛，超声12-17分钟，搅拌后离心洗涤，加入水和糖化酶，冰水搅拌3-5小时，洗涤至中性；

(4)将葡聚糖在碘酸钠溶液中，遮光、0-4℃条件下，搅拌7-10小时，透析45-50小时，稀释；然后在溶液中加入步骤(3)中的产品，25-35℃下搅拌7-9小时，离心洗涤至中性；加入硼氢化钠溶液，搅拌20-40分钟，离心洗涤即可。

所述步骤(1)中，介孔碳球、钌离子和还原剂的加入量配比为1g：0.25-0.27mmol：1-3mmol。

所述步骤(1)中，介孔碳球、乙醇、水、表面活性剂、十二醇和氢氧化钠的加入量配比为1g：170-200mL：280-350mL：0.6-0.8g：200-300μL：0.18-0.25g。

所述步骤(1)中，介孔碳球、正硅酸四乙酯和N-氨乙基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷的加入量配比为1g：8-20mL：0.6-2mL。