[发明专利]聚胺辅助天然多酚快速、稳定修饰磁性纳米固定化酶载体及应用

说明书

本发明提供了一种聚胺辅助实现天然多酚快速且稳定修饰的磁性纳米固定化酶载体，包括磁性纳米颗粒，表面经天然多酚和聚胺类修饰。本发明提供了相应的制备方法、固定化酶及制备方法、应用。本发明提供了一种利用聚胺加速天然多酚聚合且稳定沉淀的仿生黏附策略制备天然多酚/聚胺二元体系修饰的磁性纳米颗粒固定化酶的方法，为固定化酶技术提供了新方法。本发明首次合成了天然多酚/聚胺二元体系修饰的磁性四氧化三铁纳米颗粒，用于酶的固定化，具有超顺磁性、良好的生物相容性以及高的酶负载量，为固定化酶提供了新的酶固定化载体。本发明将固定化的脂肪酶在交变磁场中催化废弃食用油生产生物柴油，具有较高的催化效率，表现出巨大的工业应用前景。

技术领域

本发明涉及酶的固定化技术，具体涉及一种聚胺辅助实现天然多酚快速且稳定修饰的磁性纳米酶固定化载体的制备及应用，属于高分子材料及生物催化科学领域。

背景技术

近年来，生物柴油作为一种可生物降解、环境友好以及可再生的生物燃料越来越受到人们的重视。它可以在生物催化剂或者化学催化剂的作用下，通过酯交换反应利用废油、动物脂肪和植物油来生产。目前，生物柴油的供应主要来自于碱或酸催化转化，但潜在的环境污染、能源需求高以及反应不理想等缺点严重降低了生物柴油的质量和收率。与化学催化相比，酶法(例如：脂肪酶)催化以其环境友好、操作条件温和以及能耗低等优点越来越受到人们的重视。然而，游离脂肪酶由于难以回收再利用、易在有机溶剂中失活以及操作成本高，因而在工业应用中存在诸多问题。

为了克服以上瓶颈问题，近年来研究者们一直在寻找适合脂肪酶的高效酶固定化载体，以提高酶的稳定性，显著降低成本，实现酶的重复利用。目前，介孔材料、磁性材料以及聚合物材料等多种纳米材料作为酶固定化载体被成功设计和合成。

在各种纳米材料中，磁性纳米颗粒因其高比表面积、低传质阻力、良好的生物相容性和易于分离回收等优点，在酶固定化领域具有广阔的应用前景。然而，酶直接固定化在磁性纳米颗粒表面会严重影响固定化酶的催化性能和负载能力，这主要是由于其固有的化学惰性和缺乏酶固定化的活性位点。此外，磁性纳米颗粒表面与固定化酶之间存在空间位阻和高的传质阻力。因此，利用具有多活性官能团的、可生物降解的且具有良好生物相容的天然聚合物对磁性纳米颗粒进行表面修饰，可以显著提高酶的固定化效率。

到目前为止，绿色化学为制备功能纳米结构提供了一种环境友好型策略。其中，利用天然多酚对磁性纳米颗粒进行修饰，增强其与酶的相互作用，或为载体提供额外的酶共价固定化功能基团，受到了越来越多的关注。其中，单宁酸是一种从植物中提取的天然多酚类化合物，已被广泛应用于功能化纳米颗粒。具体来说，单宁酸可以氧化自聚在磁性纳米颗粒表面形成一层聚(单宁酸)层，这已被证明是一个酶固定化的通用平台，它通过迈克尔反应或者席夫碱反应实现酶的固定化。然而，纯单宁酸表面修饰技术在酶固定化方面存在的一些缺点限制了其广泛应用，如聚(单宁酸)层的形成耗时长，形成的单宁酸聚合物层机械稳定性较差。和纯单宁酸相比，聚多巴胺可以通过共价和非共价作用快速、紧密地粘附在各种基底材料上。此外，已有研究指出，氨基和酚基是在聚多巴胺层中形成共价键的两个关键成分。受此启发，本研究可以有把握地推断，含有酚基和氨基的分子可能具有粘附性能，能够迅速氧化聚合形成类似于聚多巴胺的稳定聚合物层。考虑到单宁酸含有丰富的酚基和聚胺还有丰富的氨基，这两者的组合可以具有与多巴胺相似的化学结构，因此单宁酸/聚胺二元体系可以氧化聚合，形成稳定的聚合物层用于酶的固定化。

针对单宁酸层修饰基底材料耗时长，且在基底材料上机械稳定性差，严重阻碍了其在固定化酶领域的实际应用这些问题，本专利提出了一种聚胺辅助实现单宁酸快速、稳定地修饰在磁性纳米颗粒表面用于酶固定化的策略，并成功合成了单宁酸/聚胺二元体系修饰的四氧化三铁纳米颗粒复合物(Fe₃O₄-pTAPA)。该复合物载体具有良好的机械稳定性、生物相容性、分散性、磁响应性及与酶共价连接、对酶负载量高的优点，因而为酶提供了一种性能优异的固定化酶载体，在酶催化领域具有巨大的工业应用潜力。

发明内容