CO2生物转化关键酶固定体系构筑研究进展与挑战

酶催化CO₂还原制备高值化学品对缓解全球环境和能源危机具有重要意义,利用甲酸脱氢酶(formate dehydrogenase,FDH)或多酶级联还原CO₂制备甲酸/甲醇具有选择性高、条件温和的优势,但关键酶活性低、稳定性差和重复利用率低的问题限制了其规模化应用,酶的固定化为这些问题提供了有效解决方案。本文总结了近年来利用膜、无机材料、金属有机框架和共价有机框架等载体对酶进行固定化的研究进展,阐释了不同固定材料和固定方式的特点和优势;进一步总结了固定化酶与电催化或光催化耦联反应体系对CO₂还原的协同效果及应用,同时指出酶固定化技术和耦联反应体系目前存在的问题并对其发展前景进行了展望。     

水/有机溶剂双相中固定化啤酒酵母细胞催化有机硅酮不对称还原

研究了水/有机溶剂双相中,固定化啤酒酵母细胞催化三甲基硅乙酮不对称还原成（－）-1-三甲基硅乙醇的反应,系统探讨了振荡速度、有机溶剂疏水性、水相与有机溶剂相体积比、水相pH值和反应温度对反应速度、产率和产物光学纯度的影响.结果表明,上述因素对固定化啤酒酵母细胞催化三甲基硅乙酮不对称还原反应均有较显著的影响.正己烷为该反应最好的有机溶剂,振荡速度以150 r/min为宜,水相与有机溶剂相体积比以1∶2较佳,适宜的pH值为8,最佳反应温度为25～30℃.在该优化反应条件下,反应最大产率和产物的光学纯度分别高达96.8％和95.7％(ee).     

海藻酸-SiO2杂化凝胶固定化洋葱伯克霍尔德茵脂肪酶的研究

利用四乙氧基硅烷（TEOS）原位水解法将SiO2掺杂于海藻酸（ALG）凝胶中,通过双交联制备出新型ALG—SiO2杂化凝胶以固定化洋葱伯克霍尔德菌脂肪酶。结果表明,固定化酶的最优条件：质量分数为2．0％的ALG、0．2mol／LCaCl2、V（ALG）／V（TEOS）为5、加酶量为1gALG加100mg酶粉、固定化60min、采用直径为0．8mm的针头滴定、真空冷冻干燥。在此条件下,酶蛋白的包埋率可达100％,酶活回收率可达91％。固定化酶的最适pH为8．0,最适作用温度为50℃,重复使用8次后,酶活性仍能保持80％以上。ALG—Si02杂化凝胶的场扫描电镜（FESEM）观察发现凝胶的整体构造仍然是海藻酸凝胶骨架;与ALG凝胶平滑的内部相比较,杂化凝胶仍具有完整的网络结构,但内部更为粗糙,结构更为致密。     

南海深海微生物酯酶EST12-7在制备(R)-2-氯丙酸乙酯中的应用研究

利用来源南海深海的微生物酯酶EST12-7不对称水解反应拆分制备（R）-2-氯丙酸乙酯。并探寻了温度、pH、底物浓度、有机溶剂和反应时间等因素对酯酶EST12-7催化制备（R）-2-氯丙酸乙酯的影响。结果表明,深海微生物酯酶EST12-7催化制备（R）-2-氯丙酸乙酯的最佳反应条件为：13.8 μg/ml酯酶EST12-7,50 mmol/L（±）-2-氯丙酸乙酯,2%正癸醇,pH8.5,30℃,0.05mol/L Tris-HCl,反应60 min。在最佳反应条件下,（±）-2-氯丙酸乙酯的转化率可达49%,所制备的（R）-2-氯丙酸乙酯的光学纯度为98%。通过对酯酶EST12-7拆分制备（R）-2-氯丙酸甲酯和（R）-2-氯丙酸乙酯进行比较,2-氯丙酸酯中的链长对酯酶EST12-7拆分反应有极大的影响。     

海藻酸-SiO_2杂化凝胶固定化洋葱伯克霍尔德菌脂肪酶的研究

利用四乙氧基硅烷(TEOS)原位水解法将S iO2掺杂于海藻酸(ALG)凝胶中,通过双交联制备出新型ALG-S iO2杂化凝胶以固定化洋葱伯克霍尔德菌脂肪酶。结果表明,固定化酶的最优条件:质量分数为2.0%的ALG、0.2 mol/L CaC l2、V(ALG)/V(TEOS)为5、加酶量为1 g ALG加100 mg酶粉、固定化60 m in、采用直径为0.8 mm的针头滴定、真空冷冻干燥。在此条件下,酶蛋白的包埋率可达100%,酶活回收率可达91%。固定化酶的最适pH为8.0,最适作用温度为50℃,重复使用8次后,酶活性仍能保持80%以上。ALG-S iO2杂化凝胶的场扫描电镜(FESEM)观察发现凝胶的整体构造仍然是海藻酸凝胶骨架;与ALG凝胶平滑的内部相比较,杂化凝胶仍具有完整的网络结构,但内部更为粗糙,结构更为致密。     

锌7与镉7－金属硫蛋白清除羟自由基的比较

分离及纯化兔肝金属硫蛋白.制备去金属金属硫蛋白、锌₇与镉₇金属硫蛋白．在不同pH条件下,比较后二者清除羟自由基能力;在pH6条件下,比较锌₇－金属硫蛋白与有关蛋白和无机锌盐清除羟自由基效果．结论是在近生理pH条件下锌₇－金属硫蛋白清除羟自由基能力远强于镉₇－金属硫蛋白．金属硫蛋白清除羟自由基的能力主要来源于蛋白中处于还原态的流基．     

丹参酮IIA衍生物的合成

目的:丹参酮IIA是中药丹参的脂溶性成分,具有抗肿瘤、抗氧化、抗心脑血管疾病等多种生理活性。本文拟对其进行结构改造以获得活性更好的丹参酮IIA衍生物。方法:首先,以丹参酮IIA为原料,通过Vilsmeier反应在其16-位引入醛基,再与醋酸胺进行还原胺化反应,以较高收率得到16-位胺甲基取代的丹参酮IIA衍生物。接着,对其氨基进行修饰,得到10个不同N-取代的丹参酮IIA衍生物。同时考察反应温度、反应溶剂和反应时间等条件对还原胺化反应的影响,确定最佳反应条件。结果:通过1H-NMR、13C-NMR以及LC-MS对所有产物结构进行了确认。还原胺化反应的最佳反应条件为:以1,2-二氯乙烷为溶剂,温度保持40℃,反应时间为2h。结论:反应步骤简单、条件温和、产率较高,是合成16-位取代的丹参酮IIA衍生物的理想方法。     

基于环氧功能基团的杂化硅胶固定化酶反应器

在蛋白质组学研究中, 为解决自由溶液酶解时间长、蛋白酶自降解等问题, 各种类型的固定化酶反应器引起了人们的关注. 采用溶胶凝胶法, 在100 µm内径毛细管内, 以3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷为功能单体, 以四乙氧基硅烷为交联剂, 制备了一种新型的杂化硅胶整体材料. 并通过在整体柱表面由环氧功能团水解得到的二醇与胰蛋白酶(trypsin)的氨基进行一步反应, 实现了胰蛋白酶固定化. 利用该IMER, 在47 s内实现了牛血清白蛋白的酶解; 经反相色谱分离和质谱鉴定, 序列覆盖率在35%以上, 与自由溶液酶解12 h的效果相当. 结果表明, 基于亲水性杂化硅胶整体材料的IMER有望在蛋白质组学研究中发挥重要作用.     

花生壳粉作为生物吸附剂去除水溶液中偶氮染料的研究

用低值的花生壳粉作为生物吸附剂对苋菜红、日落黄两种偶氮染料进行了吸附研究,目的是寻求经济的染料废水处理方法。考察了PH、染料浓度、吸附剂量、吸附剂粒径、离子强度和吸附时间等因素对染料吸附的影响,确定了最佳吸附条件。结果显示,初始pH2,两种偶氮染料的去除率较高。吸附等温线符合Langmuir和Freondlich模式,吸附过程符合准一级反应动力学方程。研究结果表明,花生壳是一种很有前途的偶氮染料废水处理生物材料。     

固定化脂肪酶催化制备L-薄荷醇

用大孔树脂NKA固定高选择性的脂肪酶,催化有机相中转酯化反应,从而拆分八异构体消旋薄荷醇来制备L-薄荷醇。研究pH、载体与酶比例对固定化酶制备的影响及固定化酶的反应稳定性;考察温度、转酯化过程醇酯比例、及底物醇异构组成变化对拆分效果的影响。结果表明:固定化酶的最适pH为8,载体与酶的比例为5∶1时,所得固定化酶的反应稳定性比游离酶的反应稳定性提高了约50%;转酯化反应的最优温度为40℃,醇酯比例为1.5∶1时最佳,改进八异构体消旋薄荷醇组分比例后,非对映体选择率dep达到了95.1%。     

酶法拆分生物素中间体及其反应条件的优化

探讨多种具有水解酯键的商品化酶作用于生物素中间体1（1H-呋喃[3,4-d]并咪唑-6-氢-1,3-二苄基-2,4-二酮）的两种异构体,在水-有机相中进行选择性水解结果并进行了活性比较,从而找到一种活性较高的中性脂肪酶。最后对该酶最佳反应条件（水/有机相体积比、有机溶剂的选择、温度、pH值）作了研究,并建立快速鉴定两种异构体的方法。该酶的最佳反应条件为：在50ml苯或甲苯为介质,加水6ml,35℃ pH7,反应6h,产物的EE值为99%。     

高浓度CO2引起的海水酸化对小珊瑚藻光合作用和钙化作用的影响

为了探讨CO2海底封存潜在的渗漏危险对于海洋生物的可能影响,以大型钙化藻类小珊瑚藻(Corallina pilulifera)为研究对象,在室内控光控温条件下,通过向培养海水充入CO2气体得到3种不同酸化程度的培养条件(pH 8.1、6.8和5.5),24h后比较藻体光合作用和钙化作用情况。结果显示:相对于自然海水培养条件(pH 8.1),在pH 6.8条件下培养的小珊瑚藻光合固碳速率得到了增强,而在pH 5.5条件下光合固碳速率则降低;随着酸化程度的增强,藻体的钙化固碳速率越来越低,在pH 5.5条件下甚至表现为负值[(-2.53±0.57)mg C g-1干重h-1];藻体颗粒无机碳(PIC)和颗粒有机碳(POC)含量的比值随着酸化程度的加强而降低,这反映了酸化对光合和钙化作用的综合效应。快速光反应曲线的测定结果显示:随着酸化程度的增强,强光引起的光抑制程度越来越强;在酸化条件下,藻体的光饱和点显著降低,但pH 6.8和5.5之间没有显著差异;低光下的电子传递速率在pH 8.1和6.8之间没有显著差异,pH 5.5培养条件下显著降低;最大电子传递速率在pH 6.8时最大,在pH 5.5时最低。以上结果说明,高浓度CO2引起的海水酸化显著地影响着小珊瑚藻的光合和钙化过程,不同的酸化程度下,藻体的光合、钙化反应不同,在较强的酸化程度下(pH 5.5),藻体的光合和钙化过程都将受到强烈的抑制,这些结果为认识CO2海底封存渗漏危险对海洋钙化藻类的可能影响提供了理论参考。     

聚合物脂质纳米球的制备优化

目的:制备粒径均一且稳定、载药率和包埋率较高的聚合物脂质纳米球。方法:将HSPC(氢化大豆卵磷脂)与PLGA(聚乳酸-羟基乙酸共聚物)两种材料结合,利用超声复乳法制备聚合物脂质纳米球,采用响应面法优化最佳制备工艺;以HSPC(氢化大豆卵磷脂)与PLGA(聚乳酸-羟基乙酸共聚物)的比例、PVA浓度、超声功率为条件优化制备参数,以粒径为响应值。结果:优化后的最佳工艺参数为:HSPC与PLGA的比例为1:10,PVA浓度为0.66%,超声功率为51.34%(205.36 W)。结论:按最优工艺制备出的聚合物脂质纳米粒的粒径为230 nm左右,多分散系数(PDI)值为0.057,与预测值偏差较小,且粒径分布均一,可作为蛋白及多肽类药物的递送载体。     

双水相同时提取次烟叶中茄尼醇和烟碱的研究

研究新型双水相体系同时从次等烟丝中提取茄尼醇和烟碱的可行性和工艺条件。新型双水相体系为丙酮-磷酸氢二钾双水相体系,主要研究了丙酮与水不同体积比、磷酸氢二钾的加入量、料液比、浸提温度、浸提时间、双水相体系pH值对茄尼醇和烟碱得率的影响,确定了最佳提取条件:丙酮与水的体积为5∶5,磷酸氢二钾的加入量为3.0 g,料液比为0.025 g/mL(0.5 g/20.0 mL),浸提温度为50℃,浸提时间为4 h,pH值为10。     

黄芩素磺化物的合成、抗氧化活性及其与DNA作用的研究

以黄芩素为先导化合物利用磺化反应首次合成水溶性黄酮——黄芩素-8-磺酸钠,采用IR、1HNMR和元素分析对黄芩素-8-磺酸钠结构进行了表征;同时,对磺化反应条件进行了优化。通过DPPH(1,1-二苯基-2-苦肼基自由基)法对黄芩素-8-磺酸钠清除自由基作用进行了研究;以溴化乙錠(EB)为荧光探针,研究了黄芩素-8-磺酸钠与CT-DNA的相互作用。实验结果表明:最佳的磺化反应条件为:黄芩素与浓硫酸比例1∶8(g/mL),100℃时反应12h。黄芩素-8-磺酸钠具有强抗氧化活性,与DNA结合作用显著。     

一种新型蛋白类药物口服载体的海藻酸钠/巯基化果糖-壳聚糖复合水凝胶

壳聚糖经果糖修饰以改善其水溶性,再经半胱氨酸修饰得到巯基化果糖-壳聚糖。海藻酸钠与巯基化果糖-壳聚糖混合溶液经氯化钙及硫酸钠双重交联制得复合水凝胶珠。溶胀试验结果表明:该凝胶珠在pH值6.8及7.4时的溶胀率分别是pH值1.2时的7倍和10倍左右。牛血清白蛋白(BSA)包载试验结果表明:BSA重量为凝胶珠质量的20%时,包载率可达94%以上,随着巯基化果糖-壳聚糖在凝胶珠中比例增加,BSA包载率上升。BSA释放试验表明:pH值1.2时BSA的释放率很低,只有6%～10%的BSA从凝胶珠中释放出来,随后累积释放量基本不变;pH值6.8和pH值7.4时BSA的释放率迅速提高,因此这种复合水凝胶珠可作为一种潜在的口服蛋白类药物载体。     

溶胶凝胶法固定化黑曲霉脂肪酶的性质研究

近年来溶胶-凝胶法固定脂肪酶已成为研究热点。选用TMOS、MTMS、ETMS和PTMS 4种硅烷试剂对黑曲霉脂肪酶进行了固定化研究。固定化的最佳配方为ETMS/TMOS=5：1、水与硅烷试剂分子比为8;固定化脂肪酶的固定率为80.2%、相对活性为136.3%;以乳化橄榄油作为底物,在50℃和pH4.0的条件下,固定化脂肪酶与游离脂肪酶K_m分别为1.899×10^-4M和2.789×10^-4M;最适反应pH均为pH4.0,固定化脂肪酶在pH4.0~pH5.5之间其活性能保持95%以上;固定化脂肪酶最适反应温度为60℃,较游离脂肪酶提高了10℃;固定化脂肪酶的酸碱稳定性和热稳定性较非固定化酶有显著的提高。固定化脂肪酶的使用寿命和保存稳定性良好,使用12次后仍能够保留71.7%活性,在室温避光条件下保存180天后仍可保留79.2%活性。     

“探究pH对H2O2酶活性的影响”实验创新及优化

利用滤纸片上浮法分别测定平菇、杏鲍菇、金针菇、土豆和猪肝中的H₂O₂酶在不同pH条件下的酶活性,缩短实验时间、放大实验现象,提高了实验成功率。实验显示,H₂O₂酶的最适pH在7.0左右;真菌尤其是平菇中的H₂O₂酶活性远高于教材推荐的土豆和猪肝,是本实验的理想材料。     

ALG-SiO2杂化凝胶固定化多酶体系催化CO2转化甲醇研究

采用甲酸脱氢酶（FateDH）、甲醛脱氢酶（FaldDH）和醇脱氢酶（ADH） 3种脱氢酶为催化剂,以原型烟酰胺腺嘌呤二核甙酸（NADH）作为电子供体,通过3步连串反应将CO2转化为甲醇。采用正硅酸甲酯原位水解方法将二氧化硅掺杂于海藻酸（ALG）溶胶中,通过双交联制备出新型ALG-SiO2杂化凝胶。与ALG凝胶相比,ALG-SiO2结构更加紧密,酶的泄漏率大大降低,酶活性得以很好保持。将酶包埋于ALG-SiO2后,存放60 d以后或重复使用10次以上,酶活性都能保持80%以上,与之相比,包埋于ALG凝胶中的酶活性几乎完全丧失。     

pH响应型蔗渣木质素水凝胶的制备及其对蛋白质的控释性能

该研究以蔗渣木质素和甲基丙烯酸为原料合成了pH敏感型蔗渣木质素/聚甲基丙烯酸水凝胶,对其合成条件、pH敏感性、溶胀-退溶胀性能以及对牛血清蛋白的控释等性质进行研究,并采用红外光谱、扫描电镜等对凝胶进行表征。结果表明:(1)对凝胶溶胀比影响的因素由大到小依次为甲基丙烯酸用量、交联剂用量、催化剂用量、反应的温度、木质素用量。当甲基丙烯酸单体浓度为1.75 mol·L~(-1)、木质素浓度为25 g·L~(-1)、交联剂浓度为3.25×10~(-2)mol·L~(-1)、引发剂浓度为1.25×10~(-2)mol·L~(-1)、反应温度为65℃时,所得水凝胶在模拟肠液中的溶胀比最大(28.16 g·g~(-1))。与不加木质素的聚甲基丙烯酸水凝胶相比,蔗渣木质素/聚甲基丙烯酸水凝胶的溶胀比有所下降,但其敏感pH由4~5碱移至6~8。(2)蔗渣木质素/聚甲基丙烯酸水凝胶的溶胀—退溶胀可逆性受组成的影响较大,但相对于聚甲基丙烯酸水凝胶,蔗渣木质素/聚甲基丙烯酸水凝胶对pH值的敏感响应性更强、响应速率更快,同时能在更短时间内达到溶胀平衡。(3)加入木质素可以提高水凝胶对牛血清蛋白的负载量,所试验的蔗渣木质素/聚甲基丙烯酸水凝胶样品对牛血清蛋白的最大负载量可达577 mg·g~(-1)。(4)牛血清蛋白在12 h后基本可达释放平衡;在模拟胃液中,牛血清蛋白的释放率仅10%,而在模拟肠液中释放率达92%。pH响应型蔗渣木质素/聚甲基丙烯酸水凝胶可以作为口服型蛋白类药物的潜在载体。