磁性納米二氧化鈦顆粒固定化漆酶的分子設計與調控

《磁性納米二氧化鈦顆粒固定化漆酶的分子設計與調控》是依託江蘇大學，由王鋒擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：磁性納米二氧化鈦顆粒固定化漆酶的分子設計與調控
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王鋒
• 依託單位：江蘇大學

項目摘要

針對漆酶催化氧化過程中底物與漆酶間電子傳遞受限的問題，本課題基於漆酶催化氧化和二氧化鈦光催化的電子傳遞原理，結合漆酶分子氧還原速率快和二氧化鈦光催化供電子能力強的雙重優勢，構建磁性納米二氧化鈦固定化漆酶體系，加速生物催化氧化過程的電子傳遞。通過穩態和前穩態動力學分析以及介觀分子動力學模擬，確立了磁性納米二氧化鈦固定化漆酶催化氧化過程中的電子傳遞機制，獲得了磁性納米二氧化鈦-漆酶固定化體系的分子設計和催化反應調控的原則。利用磁性納米載體在交變磁場中的微觀自旋轉耦合振動，解決磁性納米顆粒的團聚問題，增強傳質，提高催化效率，並將交變磁場流化床套用於磁性納米二氧化鈦固定化漆酶的催化氧化反應。本課題兼具納米固定化酶高運動性和高反應效率的優勢、光催化節能環保的特點及外加磁場強化反應過程傳質和方便回收利用的特色，其研究成果創立了高效環境友好的生物催化過程，為磁性納米材料大規模工業化套用奠定了基礎。

結題摘要

本項目利用二氧化鈦光催化供電子能力強和漆酶分子氧還原速率快的雙重優勢，解決了水中分子氧與二氧化鈦表面電子的結合慢和漆酶催化氧化過程中底物與漆酶間電子傳遞受限的問題，製備了能夠加速電子傳遞的磁性納米二氧化鈦固定化漆酶，同時建立了交變磁場輔助的酶催化裝置，加速反應速率，提高催化劑使用壽命。為了實現研究目標，本項目首先進行了用於磁性納米固定化酶的高純漆酶的製備；通過多種調控手段的研究，漆酶的表達量提高1倍以上；結合磁性納米親和吸附載體的合成以及磁穩定流化床的套用，製備了回收率為108.9%、純化倍數為62.4倍的漆酶。在此基礎上，本項目進行了磁性納米二氧化鈦親和吸附載體的合成和表面修飾，其粒徑為170 nm，表面螯合銅離子；以此為固定化載體，漆酶的最佳吸附量為38.9 mg/g載體，酶活回收率為60.8%；磁性納米二氧化鈦固定化漆酶在pH和溫度適用範圍及熱穩定方面均優於游離漆酶。磁性納米二氧化鈦固定化漆酶對不同酚類化合物光酶複合催化降解的結果表明，最適pH在4-5範圍內，最適溫度在25-35℃範圍內，過高或過低的底物濃度對降解是不利的；催化動力學的研究表明，同等用量條件下，磁性納米二氧化鈦固定化漆酶比同時使用磁性納米TiO2和磁性納米二氧化矽固定化漆酶的催化初速度提高51%，達到完全降解所需時間減少一半；對中間產物超氧陰離子自由基的分析顯示，該體系超氧陰離子自由基的含量比同時添加兩種催化劑的體系減少55%，該結果表明通過磁性納米二氧化鈦固定化漆酶體系的構建，其催化氧化過程中的電子傳遞路徑發生了改變，並提高了電子傳遞速率，改善了催化能力，達到了預期的結果。磁性納米固定化漆酶在交變磁場輔助的酶反應裝置中對苯酚的降解能力較常規振盪反應提高100%以上，達到完全降解時所需固定化酶的用量較振盪反應減少一半，重複使用10次，仍能保持80%以上的降解能力，有效提高了固定化酶的使用壽命。本項目研究成果為固定化酶催化氧化還原反應時提高電子傳遞速率提供了一種有效手段和新思路，具有很好的示範作用；交變磁場輔助的酶催化裝置為磁性納米材料在生物催化中的套用提供了一個高效平台，具有較好的套用前景。