一种铜基金属有机框架材料固定化漆酶及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种铜基金属有机框架材料固定化漆酶及其制备方法和应用 (Copper-based metal organic framework material immobilized laccase and preparation method and application thereof ) 是由 程建华 袁宇航 杜克斯 周心慧 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及环保领域,具体公开了一种铜基金属有机框架材料固定化漆酶及其制备方法和应用,将醋酸铜和漆酶溶解于水中,制得A液；将对氨基苯甲酸溶液溶于乙酸缓冲液中,制得B液,然后将上述两种溶液混合,并搅拌4小时以上；离心收集固体,用水洗涤,冷冻干燥,即制得铜基金属有机框架材料固定化漆酶。本发明首次采用铜基MOF(Cu-PABA)固定化漆酶,使用共沉淀的方法一步合成,更加快捷绿色,使漆酶的稳定性大大提高,在降解双酚A之后可以进行8次以上的回收。本发明固定化漆酶之后可以保留41.7％的活性。本发明产品具有很好的双酚A去除能力,在ABTS存在的情况下,12h双酚A去除率可以达到80％左右。(The invention relates to the field of environmental protection, and particularly discloses a copper-based metal organic framework material immobilized laccase as well as a preparation method and application thereof, wherein copper acetate and laccase are dissolved in water to prepare solution A; dissolving a p-aminobenzoic acid solution in an acetic acid buffer solution to prepare a solution B, mixing the two solutions, and stirring for more than 4 hours; and (4) centrifuging, collecting the solid, washing with water, and freeze-drying to obtain the copper-based metal organic framework material immobilized laccase. According to the invention, copper-based MOF (Cu-PABA) immobilized laccase is adopted for the first time, and the method of coprecipitation is used for one-step synthesis, so that the method is quicker and more green, the stability of the laccase is greatly improved, and the recovery can be carried out for more than 8 times after the bisphenol A is degraded. The immobilized laccase of the invention can retain 41.7% of the activity after the immobilization. The product of the invention has good bisphenol A removal capability, and the removal rate of bisphenol A in 12 hours can reach about 80% under the condition of ABTS.)
技术领域
本发明涉及环保领域，具体涉及固定化酶的制备方法与其在去除双酚A领域中的应用。
背景技术
双酚A是一种典型的内分泌干扰物，广泛生产婴儿奶瓶，玩具和医疗设备，BPA在除了在地表水及地下水中被检测出来，在土壤、垃圾渗滤液、空气和食品中也陆续被检测出来。常见的处理方法有物理法、化学法以及生物法。物理法一般有吸附法和膜分离法，虽然比较快捷但是不彻底，难回用性等限制了其应用。化学法主要有光催化、电化学、Fenton法等，一般来说需要耗费较多能源，且生成的中间产物可能毒性更大，造成环境的二次污染。生物酶法由于其绿色高效的特点走入了大众的视野。
一般而言，酶制剂都是易溶于水的，在处理污染物之后几乎是不能回收利用的，且游离的酶稳定性(温度、化学、存储)较差，进一步限制了其应用。固定化酶的概念提出来之后，很大程度上解决了这个问题。水凝胶，多孔碳材料，聚合物微球，介孔磁性材料和介孔二氧化硅等被用于固定酶，金属有机框架材料由于其具有一些优异的特质(大比表面积、可调谐的官能团、孔洞及拓扑结构等)也被用于固定酶的工作。
相比于异位法固定酶，原位法使用一锅合成的方式，直接将酶固定在MOF上，且能够保持相对温和的环境(水环境、常温常压)，对酶活的保留有一定的好处，更加绿色快捷。一种铜基MOF(Cu-PABA)其具有出色的酸耐受性，而用于降解双酚A的漆酶可以在酸性条件下发挥出其最大的活性，这样就为漆酶的固定化提供了一种可靠的材料。然而现有的固定化方法普遍存在漆酶保留活性较低的问题。根据前期文献调研，介孔二氧化硅固定漆酶保留活性为12.1％，铁基MOF固定化漆酶导致活性几乎丧失，ZIF-8固定化漆酶保留活性为12.3％、13.0％，MIL-53以及Mg-MOF-74固定漆酶保留活性为9.3％、14.9％。此外，现有的固定化方法还存在工艺复杂，成本较高、固定漆酶稳定性差等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可回用的处理双酚A的环保功能材料。通过原位法将漆酶固定在MOF材料上，实现酶制剂的多次利用及其稳定性，降低处理污水的成本。
本发明的目的通过下列技术方案实现：
一种铜基金属有机框架材料固定化漆酶的制备方法，将醋酸铜和漆酶溶解于水中，制得A液；将对氨基苯甲酸溶液溶于乙酸缓冲液中，制得B液，然后将上述两种溶液混合，并搅拌4小时以上；离心收集固体，用水洗涤，冷冻干燥，即制得铜基金属有机框架材料固定化漆酶。
优选地，所述A液中醋酸铜的浓度为10～100mM，漆酶浓度为0.1～3.0mg/mL；B液中对氨基苯甲酸的浓度为5～25mM。
优选地，所述A液中醋酸铜的浓度为50±25mM，漆酶浓度为0.5±0.3mg/mL；B液中对氨基苯甲酸的浓度为12.5±6.5mM。
优选地，所述A液与B液等体积混合。
优选地，所述的搅拌速度为200-500rpm。
优选地，所述的搅拌时间为4-12h。
优选地，所述搅拌8h，水洗3次。
优选地，所述冷冻干燥的温度为-40℃，时间为12-24h。
所述铜基金属有机框架材料固定化漆酶在降解双酚A中的应用，在降解体系中还加入ABTS。
本发明首次采用铜基MOF(Cu-PABA)固定化漆酶，使用共沉淀的方法一步合成，更加快捷绿色，使漆酶的稳定性(热、pH、有机试剂)大大提高，在降解双酚A之后可以进行8次以上的回收。本发明固定化漆酶之后可以保留41.7％的活性。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明产品具有很好的活性保留，在将漆酶通过原位一锅法固定化之后，其能够保留40％左右的相对活性。由于MOF材料的铜离子与漆酶的活性中心(铜离子簇)协同作用，可以使得固定化漆酶与愈创木酚更亲和，Km值减小。
(2)本发明产品具有很好的稳定性，考察了固定化漆酶与游离酶的pH，温度，有机试剂稳定性，都有所提高，说明Cu-PABA的刚性骨架对于漆酶空间结构有一定的保护作用，减少其构象改变从而失活。
(3)本发明产品具有很好的双酚A去除能力，在ABTS存在的情况下，12h双酚A去除率可以达到80％左右，ABTS的引入符合电子转移机制，增强体系的电子转移，使得双酚A更高效的去除率。
附图说明
图1为Cu-PABA及[email protected]的XRD图谱。
图2为Cu-PABA及[email protected]的TGA曲线。
图3为游离漆酶和固定化漆酶的Michaels-Menten图。
图4为游离漆酶和固定化漆酶的Lineweaverv-Burk图。
图5为Cu-PABA及[email protected]的温度稳定性图。
图6为Cu-PABA及[email protected]的pH稳定性图。
图7为Cu-PABA及[email protected]的有机试剂稳定性图。
图8为[email protected]在不同固定化酶投加量下12h双酚A的降解曲线。
图9为[email protected]在不同温度下12h双酚A的降解曲线。
图10为[email protected]在不同双酚A初始浓度下12h双酚A的降解曲线。
图11为不同情况下去除BPA的曲线图。
图12为[email protected]降解双酚A的回用性效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限定。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
[email protected]的合成方法：首先将乙酸铜(50mM)、漆酶(0.5mg/mL，购自sigma公司)溶解于水中；PABA(12.5mM)溶于乙酸缓冲液(ABS,pH＝7.0,50mM)中。然后将两种溶液等体积混合并在室温下搅拌4小时以上。离心收集固体，去离子水洗涤3次。
实施例2
Cu-PABA的合成方法：首先将乙酸铜(50mM)溶解于水中；PABA(12.5mM)溶于乙酸缓冲液(ABS,pH＝7.0,50mM)中。然后将两种溶液混合并在室温下搅拌8小时。离心收集固体，去离子水洗涤3次。
从图1的XRD谱来看，Cu-PABA和[email protected]生物复合材料的晶体结构没有明显差异。[email protected]的衍射峰强度降低，结果表明，成功负载漆酶且引入漆酶对Cu-PABA的结构影响不大。
图2的TGA曲线也可以证明漆酶加载的成功。从图2中可以看出，在Cu-PABA曲线中，160℃以下的质量损失(约10％)是由于水分蒸发造成的，260℃以上结构被破坏。而[email protected]的TGA曲线在240-260℃之间出现了明显的差异，这与漆酶的损失有关。
实施例3：固定化酶保留活性测定
50mmol/L琥珀酸钠为缓冲液(pH＝4.5)，在10mL反应混合液中含0.04mmol愈创木酚和漆酶/固定化酶，30℃反应30min后，于465nm处测定吸光度。以游离酶活性为100％，计算固定化酶保留酶活。实施例1中所得产物测定最大保留酶活为41.7％。
实施例4：酶促反应动力学
通过改变琥珀酸钠缓冲液中愈创木酚的浓度来评价动力学参数。图3为不同愈创木酚浓度与酶促反应初速度作图，图4是由图3双倒数作图而来。Km值是指酶与底物之间的亲和力。因此Km值越小，底物与漆酶的亲和力越高。Vmax值是指最大酶促反应速率。
由图3可得，随着底物浓度的增加，酶促反应速率先增加后趋于平稳。此外，与游离漆酶相比，由于传质受限，固定化漆酶的反应速率较低。
如图4所示，游离漆酶的Km为0.0024mM，而[email protected]显示了Km的减小(0.0014mM)，说明固定化酶对底物的亲和力增强。固定化后Vmax从1.80mM·min-1下降到0.76mM·min-1，这是由于Cu-PABA壳层阻碍了底物与漆酶活性位点的接触。
实施例5：固定化酶稳定性实验
将Cu-PABA以及[email protected]浸泡于30-70℃条件下1h，测定浸泡前后的活性，并以最高活性作为100％，计算不同温度下固定化漆酶以及游离酶的相对活性。
如图5所示，[email protected]的热稳定性在30-70℃均高于游离漆酶，这是由于Cu-PABA的刚性骨架和MOF与酶之间的相互作用(MOF的金属离子、有机配体以及漆酶游离氨基、羧基羰基)，保护漆酶的空间构象不受改变。
实施例6：固定化酶稳定性实验
将Cu-PABA以及[email protected]浸泡于pH＝3.5-9.5(醋酸盐缓冲液及磷酸盐缓冲液)条件下1h，测定浸泡前后的活性，并以最高活性作为100％，计算不同pH下固定化漆酶以及游离酶的相对活性。
如图6所示，随着pH值的增加，[email protected]与游离漆酶表现出相同的趋势，相对活性在浸泡1h后呈现先升高后降低的趋势，而固定化漆酶的pH稳定性明显优于游离漆酶。特别是在酸性条件下，[email protected]生物复合材料表现出更好的稳定性。可能是由于Cu-PABA的配体4-氨基苯甲酸的胺官能团吸引H+离子，从而形成更适合漆酶的酸性微环境。
实施例7：固定化酶稳定性实验
将Cu-PABA以及[email protected]浸泡于不同有机试剂(甲醇、乙醇、DMF、乙腈)中1h，测定浸泡前后的活性，并以在水中活性作为100％，计算不同有机试剂环境下固定化漆酶以及游离酶的相对活性。
同样，如图7所示[email protected]比游离漆酶具有更高的有机试剂稳定性。一般来说有机溶剂吸附了漆酶的“必需水”，导致了游离漆酶的变性。在Cu-PABA保护壳的存在下，有机试剂与漆酶接触传质受阻，从而保留了更高的活性。
实施例8-10：双酚A降解实验
50mL体系中，含有ABTS和固定化漆酶(0.7-5.6U·mL-1)以及双酚a(10-100mg·L-1)，在不同温度(15-55℃)下降解12h。在特定的时间间隔，用注射器采集样品，用0.22微米膜过滤器过滤。然后用比色法(4-氨基安替比林)在510nm下测定样品浓度。
其中所述4-氨基安替比林法操作为取1mL样品稀释至25mL，加入0.5mL氯化铵缓冲溶液(pH＝10.7)，1mL2％4-氨基安替比林溶液，1mL8％铁氰化钾溶液，摇匀，10min后于紫外分光光度计λ＝510nm测试。
随着固定化漆酶初始投加量的增加，12h后双酚A的降解率也随之增加，最大可达到79.4％(图8)。这显然是由于初始剂量的增加增强了给定浓度(20mg·mL-1)下双酚A的降解能力。但是，增加几倍的初始投加量并没有使降解速率呈现相应的增加，这可能是由于材料的堆积导致双酚A与漆酶接触不良所致。
温度对降解的影响如图9所示。从15℃到55℃，去除率呈先升高后降低的趋势，35℃时去除率达到最大值(85.7％)。在25℃、35℃和45℃下，降解效率相差不大，在15℃和55℃下，降解效率较低。这可能与漆酶在低温和高温下活性下降有关。与55℃相比，15℃时反应的初始降解速率较慢，但最终降解程度较高。造成这一现象的原因是低温条件下漆酶活性受到抑制，降解速度较慢，而高温条件下漆酶活性随着时间的推移而丧失，最终降解能力受到影响。
图10显示了BPA浓度的影响，可以看出，在20mg·mL-1和30mg·mL-1时，[email protected]对双酚A的降解率最高(84.3％和84.6％)。在低浓度下(10mg·mL-1)，双酚A的降解下降可能是由于驱动力低，导致双酚A与漆酶没有更好的接触。10mg·mL-1和20mg·mL-1达到降解平衡更快，无论浓度为10mg·mL-1、20mg·mL-1还是30mg·mL-1,12h后BPA的残留浓度(约3mg·mL-1)基本相同。这些现象与上述结论一致。随着双酚a浓度增加到50mg·mL-1和100mg·mL-1，降解率明显下降，原因是双酚a过多和中间体的产生导致漆酶活性位点被阻断。
图11可以看出，在只存在ABTS的情况下，BPA的变化不明显。测定了纯Cu-PABA的吸附能力，12h只去除10％左右。固定化漆酶后，材料表现出更好的BPA去除性能，大约26％，说明漆酶的存在对降解BPA是有益的。当ABTS(终浓度为0.2mM)加入体系后，12h BPA降解率接近84.7％。
实施例11：为了测定[email protected]生物复合材料的可重复使用性，在多次降解实验后计算BPA的去除率，初始去除率定义为100％。
为了评估制备的[email protected]的重复使用性，将一定数量的生物复合材料与BPA和ABTS混合，然后离心收集。如图12所示，随着循环次数的增加，BPA降解率逐渐减弱，循环8次后降解率仍能保持将近70％。这对于漆酶的回收使用以及降低处理成本有着很大的意义。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
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