[发明专利]一种具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒及其制备方法和在纤维素酶回收中的应用

说明书

本发明属于纤维素酶回收技术领域，公开了一种具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒及其制备方法和在纤维素酶回收中的应用。本发明制备方法包括以下步骤：(1)以木质素磺酸盐与季铵化试剂反应，得到具有pH响应性的木质素衍生物；(2)将具有pH响应性的木质素衍生物、铁盐及亚铁盐，在沉淀剂存在下通过化学共沉淀反应，得到具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒。本发明还提供上述方法制备得到的具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒，及其在纤维素酶回收中的应用。本发明的纳米颗粒可高效吸附固定纤维素酶并通过简单的调节pH使纤维素酶脱附，有效实现纤维素酶的高效回收，回收所得纤维素酶具有回收率高、活性高的特性，可循环利用。

技术领域

本发明属于纤维素酶回收技术领域，特别涉及一种具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒及其制备方法和在纤维素酶回收中的应用。

背景技术

当今世界仍然以化石资源和化石燃料作为主要能源，目前的石油化工工业发展模式具有不可持续性，化石资源作为不可再生资源造成资源危机，化石燃料作为不可再生能源造成能源危机，工业发展过程中的三废排放导致生态环境的破坏造成环境危机。因此，生物质资源的开发与高效利用是人类可持续发展的必然选择。利用纤维素酶催化水解纤维素从而转化为燃料乙醇是生物质高效利用的重要途径。然而纤维素酶在生产利用过程中，存在生产效率低、生产成本高、易失活的缺点。酶回收技术的发展为降低纤维素酶使用成本提供了有效解决方案。

纤维素酶的固定化可以保持纤维素酶的稳定性且有利于纤维素酶的回收利用。常见的纤维素酶固定化载体可分为可溶性载体材料，不可溶性载体材料和智能可溶-不可溶载体材料。可溶性载体对纤维素酶的固定化率高，但热力学稳定性并没有显著提高，并且存在纤维素酶与底物的分离困难和回收困难等问题。智能可溶-不溶性载体，是指利用化学改性得到在溶液中具有溶解-沉淀响应性的载体材料，此种载体溶解状态下对纤维素酶的固定化率高、沉淀状态下易于分离回收，但是其制备工艺复杂，对仪器、设备等要求较高。传统不可溶性载体材料由于比表面积小，因此对纤维素酶的固定化率相比前两种载体略低。分散性好的磁性纳米材料可作为一种优异的用于纤维素酶固定化的不溶性载体材料，纳米材料的比表面积大，表面原子数多等特点解决了传统不溶性载体材料传质阻力大的缺点，大大提高了纤维素酶的固定化率；并且由于其磁性的特点可利用外加磁场对其进行分离回收，操作简单、安全。

邱广亮等用氧化铁对明胶改性，制成纳米级磁性明胶颗粒，用于吸附固定纤维素酶，使用该固定化酶重复水解羧甲基纤维素(CMC)每次1h，9次后还原糖生成量下降了约50％。(药物生物技术，2001.8(4)：197～199.)

王玫等用氨水作共沉淀剂将硫酸亚铁和氯化铁共沉淀法制得磁性纳米颗粒四氧化三铁，然后用N-羰基二咪唑(CDI)共价结合纤维素酶，重复使用 10次后仍保留约80％的活性。(光谱学与光谱分析，2006.26(5)：895～898)

Kamyar等通过将纤维素酶通过物理吸附固定在超顺磁性纳米粒子上其固定效率达95％，研究表明，通过离子束缚将纤维素酶固定在超顺磁性纳米粒子上可以提高操作稳定性，并且使得固定化纤维素酶较游离酶具有更宽的pH反应活性。(Chemical EngineeringJournal,2011,171(2):669～673.)

Tao等以纤维素酶为模板，采用分子印迹法制备磁性Fe₃O₄@SiO₂纳米粒子。并且用精氨酸化学修饰纳米颗粒的表面，纤维素酶固定效率达70％以上，在重复使用7个循环后，固定化酶仍保留77％的原始活性。(Journal of Nanoscience&Nanotechnology,2016,16(6):6055～6060.)

但是这些研究都旨在将纤维素酶吸附固定在磁性纳米材料上，然后把酶和载体的结合体共同作用于底物，并没有将纤维素酶解析出来，这样，在纤维素酶水解木质纤维素过程中仍然存在较大的困难和阻碍。