一种磁性载脂肪酶的光酶催化剂及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种磁性载脂肪酶的光酶催化剂及其制备方法和应用 (Magnetic lipase-loaded photocatalyst and preparation method and application thereof ) 是由 叶勇 黄传庆 唐小月 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁性载脂肪酶的光酶催化剂及其制备方法和应用,该光酶催化剂以醛基改性氨基化核-壳结构Fe-3O-4@ZnO-ZnS为载体,以脂肪酶为活性成分；所述载体以Fe-3O-4为核,醛基改性氨基化ZnO-ZnS为壳。其制备方法包括如下步骤：先以硫酸亚铁和氯化铁合成纳米Fe-3O-4核,再与醋酸锌和硫代乙酰胺反应得到核-壳结构Fe-3O-4@ZnO-ZnS载体,用3-氨基丙基-三乙氧基硅烷和戊二醛修饰,得到醛基改性氨基化核-壳结构Fe-3O-4@ZnO-ZnS载体,再加入脂肪酶,冷冻干燥获得磁性载脂肪酶光酶催化剂。该光酶催化剂用5～100W白炽灯光照10～30min,可显著提高中长链甘油三酯的产率。(The invention discloses a magnetic lipase-loaded photocatalyst, a preparation method and application thereof 3 O 4 @ ZnO-ZnS is used as a carrier, and lipase is used as an active component; the carrier is made of Fe 3 O 4 The aldehyde modified aminated ZnO-ZnS is taken as a core and a shell. The preparation method comprises the following steps: firstly, ferrous sulfate and ferric chloride are used for synthesizing nano Fe 3 O 4 Reacting with zinc acetate and thioacetamide to obtain Fe with core-shell structure 3 O 4 The @ ZnO-ZnS carrier is modified by 3-aminopropyl-triethoxysilane and glutaraldehyde to obtain aldehyde group modified aminated core-shell structure Fe 3 O 4 And (2) adding the @ ZnO-ZnS carrier into the lipase, and freeze-drying to obtain the magnetic lipase-loaded photocatalyst. The photocatalyst is irradiated by a 5-100W incandescent lamp for 10-30 min, and can remarkably improve medium-long chain glycerolYield of triesters.)
技术领域
本发明属于光酶催化剂领域，具体涉及一种磁性载脂肪酶的光酶催化剂及其制备方法和应用。
背景技术
中长链甘油三酯(MLCTs)是由中碳链脂肪酸和长碳链脂肪酸结合于同一甘油分子上而形成。它存在于自然界中，也可以通过人工水解和酯化得到。MLCTs是一种极好的生物惰性能源，同时也是一种很好的控制血糖和增加体内酮的产生，从而促进新陈代谢的物质。由于具有被身体迅速吸收的能力，MLCTs可以用来控制肥胖和用于治疗各种吸收不良疾病。于是MLCTs在开发下一代食品和饮料中的应用开始受到重视。椰子油、棕榈油、橄榄油、樟树油、羊奶、黄油和乳制品脂肪中都含有MLCTs，但含量更小；此外，天然来源的MLCTs还含有一些长链脂肪和其他难以消化的化合物。因此，可以利用脂肪酸和甘油之间的酯化反应等化学途径合成所需的MLCTs。
在化学途径合成MLCTs中，生物酶法由于底物特异性和效率更高，操作条件更温和、更容易控制，而且副产物更少，因而比化学方法更加受到人们的青睐。但是生物酶法中所用的游离的脂肪酶不易于与底物分离、容易失活、稳定性差，因此将脂肪酶固定化后可以增加脂肪酶的活力、稳定性和重复利用。中国专利CN108285910A公开了一种固定化脂肪酶生产1,3-甘油二酯的方法，但固定化酶后会导致酶活性的降低，且随着反应时间的延长，脂肪酶的活性显著降低。
以磁性Fe3O4纳米颗粒作为核，以ZnO-ZnS异质结构作为壳，构成核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底，在该基底表面修饰氨基和醛基作为固定位点来固定脂肪酶，可以形成新型光酶催化剂，通过光促进脂肪酶活性的提高。此类研究未见报道。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种磁性载脂肪酶的光酶催化剂。
本发明的另一目的在于提供所述磁性载脂肪酶的光酶催化剂的制备方法。
本发明的再一目的在于提供所述磁性载脂肪酶的光酶催化剂在中长链甘油三酯制备中的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现。
一种磁性载脂肪酶的光酶催化剂，所述光酶催化剂以醛基改性氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS为载体，以脂肪酶为活性成分，载体与脂肪酶质量比为100:(1～10)；所述载体以Fe3O4为核，醛基改性氨基化ZnO-ZnS为壳，核壳质量比1:(10～100)。
以上所述的一种磁性载脂肪酶的光酶催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按Fe3O4分散于乙醇水溶液中，加入醋酸锌和氢氧化钠水溶液，混合均匀后，离心，分离沉淀，获得Fe3O4@ZnO；再加入硫代乙酰胺，反应，得到Fe3O4@ZnO-ZnS载体；
(2)将Fe3O4@ZnO-ZnS载体分散于乙醇水溶液中，加入3-氨基丙基-三乙氧基硅烷，反应，过滤得到氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底；将氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底分散于磷酸钠缓冲液中，加入戊二醛溶液，搅拌，离心，分离沉淀，冷冻干燥获得醛基改性氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS载体；
(3)将醛基改性氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS载体分散于磷酸缓冲溶液中，加入脂肪酶，搅拌，离心，分离固体，冷冻干燥获得具有磁性载脂肪酶光酶催化剂。
优选的，步骤(1)所述Fe3O4与乙醇水溶液的质量体积比为1g:1～5mL；所述乙醇水溶液的体积浓度为60～80％；所述醋酸锌的用量为Fe3O4质量的10～100倍；所述氢氧化钠水溶液的用量为Fe3O4质量的5～50倍；所述氢氧化钠水溶液的质量浓度为20～30％；所述离心是8000～20000rpm离心15～30min；所述硫代乙酰胺的加入量为Fe3O4@ZnO质量的1～5倍；所述反应是60～80℃反应0.5～2h。
优选的，步骤(2)所述Fe3O4@ZnO-ZnS载体与乙醇水溶液的质量体积比为1g:1～10mL；所述乙醇水溶液的体积浓度为60～80％；所述3-氨基丙基-三乙氧基硅烷的加入量为Fe3O4@ZnO-ZnS载体质量的1～10倍；所述反应是50～60℃反应5～6h；所述氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底与磷酸钠缓冲液的质量体积比为1g:10～100mL；所述磷酸钠缓冲液的pH＝6.5～8；所述戊二醛溶液的加入量为氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底质量的0.2～1倍；所述戊二醛溶液的质量浓度为15～25％；所述搅拌是50～500rpm搅拌2～4h，所述离心是8000～20000rpm离心15～30min。
优选的，步骤(3)所述醛基改性氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS载体与磷酸缓冲溶液的质量体积比为1g:1～10mL；所述磷酸缓冲溶液的pH＝6.5～8；所述脂肪酶的加入量为醛基改性氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底质量的1～10％；所述搅拌是0～4℃、50～500rpm搅拌4～8h,所述离心是8000～20000rpm离心15～30min。
优选的，所述Fe3O4的制备包括以下步骤：
硫酸亚铁和氯化铁以质量比为1:1～3溶于水中，得混合液；再加热到80～90℃后，加入浓氨水，混合均匀后，8000～20000rpm离心15～30min，分离沉淀，获得Fe3O4；所述混合液中亚铁浓度为0.1～0.5M；所述浓氨水的加入量为混合液中铁质量的0.25～0.5倍。
优选的，步骤(3)所述的脂肪酶为Lipozyme 435,Lipozyme RMIM,Lipozyme TLIM，Lipase G50和Lipase F-AP中的一种以上。
以上所述的一种磁性载脂肪酶的光酶催化剂在制备长链甘油三酯中的应用。
优选的，所述的应用包括以下步骤；
将两种C8～C18脂肪酸以摩尔比1～3:1混合，再与甘油混合，加入磁性载脂肪酶的光酶催化剂，5～100W白炽灯光照10～30min，得中长链甘油三酯；
所述C8～C18脂肪酸与甘油的摩尔比为3～5:1；所述磁性载脂肪酶的光酶催化剂的加入量为C8～C18脂肪酸与甘油总质量的1～10％。
优选的，所述C8～C18脂肪酸为辛酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸、油酸和亚油酸中的两种。
本发明的原理：采用沉淀-沉积包裹的方式首先合成具有磁性核-壳结构的Fe3O4@ZnO-ZnS载体，通过氨基和醛基将该载体进行表面修饰得到表面具有多个固定位点的Fe3O4@ZnO-ZnS载体，这就有利于脂肪酶在改性的Fe3O4@ZnO-ZnS载体上共价结合。ZnO具有强氧化能力的光致空穴，ZnS具有大量的光生电子和高度负的还原电位，ZnO和ZnS具有相似的带隙和高电子迁移率；在可见光的条件下，基底当中ZnO-ZnS异质结构作为壳可以产生电子迁移，与脂肪酶发生协同效应，提高中长链甘油三酯的产率。
相对于现有技术，本发明具有如下的优点及效果：
(1)本发明对脂肪酶共价固定后，脂肪酶的稳定性提高，为后续的均相反应奠定基础。
(2)本发明以磁性Fe3O4纳米粒子为核，在外磁场的作用下可以方便、快速地将脂肪酶分离。
(3)本发明以ZnO-ZnS异质结构为壳，将光催化与酶催化结合，两者协同作用不仅不会降低酶活性，还可提高其催化活性。
附图说明
图1a为Fe3O4纳米颗粒核的TEM图；
图1b为Fe3O4@ZnO-ZnS的TEM图；
图1c为Fe3O4@ZnO-ZnS载脂肪酶的TEM图；
图1d为Fe3O4@ZnO-ZnS不同浓度的XRD图；
图2为实施例1中游离脂肪酶Lipozyme 435、Lipozyme/Fe3O4@ZnO-ZnS(载脂肪酶)、Lipozyme/Fe3O4@ZnO-ZnS(载脂肪酶并光照)和Lipozyme/Fe3O4催化剂的中长链甘油三酯产率的对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)硫酸亚铁和氯化铁以质量比为1:1的溶于去离子水中(使亚铁浓度为0.1M)，加热到80℃后，加入0.25倍溶液中铁的质量比的浓氨水，混合均匀后，8000rpm离心30min，分离沉淀，获得Fe3O4核；按其质量体积比1:1(g/mL)分散于乙醇水溶液(体积浓度60％)中，加入Fe3O4核质量10倍的醋酸锌和5倍的氢氧化钠水溶液(质量浓度20％)，混合均匀后，8000rpm离心30min，分离沉淀，获得Fe3O4@ZnO；按其质量1倍加入硫代乙酰胺，60℃反应2h，得到Fe3O4@ZnO-ZnS载体。
(2)Fe3O4@ZnO-ZnS载体以其质量体积比1:1(g/mL)分散于乙醇水溶液(60％)中，加入Fe3O4@ZnO-ZnS载体质量1倍的3-氨基丙基-三乙氧基硅烷，50℃反应5h，过滤得到氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底；将其以质量体积比1:10(g/mL)分散于磷酸钠缓冲液(pH＝6.5)中，加入氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底质量0.2倍的戊二醛水溶液(质量分数25％)，室温下50rpm搅拌4h，8000rpm离心30min，分离沉淀，冷冻干燥获得醛基改性氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS载体。
(3)醛基改性氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底以其质量体积比1:1(g/mL)分散于磷酸缓冲溶液(pH＝6.5)中，加入醛基改性氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底质量1％的脂肪酶Lipozyme 435，0℃50rpm搅拌8h,8000rpm离心30min，分离固体，冷冻干燥获得具有磁性载脂肪酶光酶催化剂。
(4)将辛酸和硬脂酸以摩尔比1:1混合，再与甘油以摩尔比3:1混合，加入混合物质量1％的磁性载脂肪酶光酶催化剂，100W白炽灯光照10min，中长链甘油三酯的产率为82％。
实施例2
(1)硫酸亚铁和氯化铁以质量比为1:3的溶于去离子水中(使亚铁浓度为0.5M)，加热到90℃后，加入0.5倍溶液中铁的质量比的浓氨水，混合均匀后，20000rpm离心15min，分离沉淀，获得Fe3O4核；按其质量体积比1:5(g/mL)分散于乙醇水溶液(体积浓度80％)中，加入Fe3O4核质量100倍的醋酸锌和50倍的氢氧化钠水溶液(质量浓度30％)，混合均匀后，20000rpm离心15min，分离沉淀，获得Fe3O4@ZnO；按其质量5倍加入硫代乙酰胺，80℃反应0.5h，得到Fe3O4@ZnO-ZnS载体。
(2)Fe3O4@ZnO-ZnS载体以其质量体积比1:10(g/mL)分散于乙醇水溶液(80％)中，加入Fe3O4@ZnO-ZnS载体质量10倍的3-氨基丙基-三乙氧基硅烷，60℃反应5h，过滤得到氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底；将其以质量体积比1:100(g/mL)分散于磷酸钠缓冲液(pH＝8)中，加入氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底质量1倍的戊二醛水溶液(质量分数15％)，室温下500rpm搅拌2h，20000rpm离心15min，分离沉淀，冷冻干燥获得醛基改性氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS载体。
(3)醛基改性氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底以其质量体积比1:10(g/mL)分散于磷酸缓冲溶液(pH＝8)中，加入醛基改性氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底质量5％的脂肪酶Lipozyme RMIM和3％的脂肪酶Lipase G50，4℃500rpm搅拌4h,20000rpm离心15min，分离固体，冷冻干燥获得具有磁性载脂肪酶光酶催化剂。
(4)将月桂酸和油酸以摩尔比2:1混合，再与甘油以摩尔比5:1混合，加入混合物质量10％的磁性载脂肪酶光酶催化剂，5W白炽灯光照30min，中长链甘油三酯的产率为93％。
实施例3
(1)硫酸亚铁和氯化铁以质量比为1:2的溶于去离子水中(使亚铁浓度为0.3M)，加热到85℃后，加入0.4倍溶液中铁的质量比的浓氨水，混合均匀后，10000rpm离心20min，分离沉淀，获得Fe3O4核；按其质量体积比1:3(g/mL)分散于乙醇水溶液(体积浓度70％)中，加入Fe3O4核质量50倍的醋酸锌和10倍的氢氧化钠水溶液(质量浓度25％)，混合均匀后，10000rpm离心20min，分离沉淀，获得Fe3O4@ZnO；按其质量3倍加入硫代乙酰胺，70℃反应1h，得到Fe3O4@ZnO-ZnS载体。
(2)Fe3O4@ZnO-ZnS载体以其质量体积比1:5(g/mL)分散于乙醇水溶液(70％)中，加入Fe3O4@ZnO-ZnS载体质量5倍的3-氨基丙基-三乙氧基硅烷，55℃反应5.5h，过滤得到氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底；将其以质量体积比1:50(g/mL)分散于磷酸钠缓冲液(pH＝7)中，加入氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底质量0.5倍的戊二醛水溶液(质量分数20％)，室温下300rpm搅拌3h，10000rpm离心20min，分离沉淀，冷冻干燥获得醛基改性氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS载体。
(3)醛基改性氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底以其质量体积比1:5(g/mL)分散于磷酸缓冲溶液(pH＝7)中，加入醛基改性氨基化核-壳结构Fe3O4@ZnO-ZnS基底质量3％的脂肪酶Lipozyme TLIM和2％的脂肪酶Lipase F-AP，2℃300rpm搅拌6h，10000rpm离心20min，分离固体，冷冻干燥获得具有磁性载脂肪酶光酶催化剂。
(4)将癸酸和棕榈酸以摩尔比3:1混合，再与甘油以摩尔比4:1混合，加入混合物质量5％的磁性载脂肪酶光酶催化剂，50W白炽灯光照20min，中长链甘油三酯的产率为95％。
测试1
实施例1制得的产物的结构表征
方法：将实施例1制得的Fe3O4纳米颗粒核、Fe3O4@ZnO-ZnS基底及其载脂肪酶光酶催化剂，取适量进行X晶体衍射(XRD)分析和透射电镜(TEM)观察。
结果：如图1所示。图1a为Fe3O4纳米颗粒核的TEM图，其Fe3O4纳米颗粒球状；图1b为Fe3O4@ZnO-ZnS的TEM图，明显可以看到纳米颗粒核外层包裹了一层ZnO-ZnS纳米壳，表明该基底具有核壳结构；图1c为Fe3O4@ZnO-ZnS载脂肪酶的TEM图，结构增大，其外形不规则，表明载酶成功；图1d为Fe3O4@ZnO-ZnS不同浓度的XRD图，表明Fe3O4@ZnO-ZnS载脂肪酶的光酶催化剂保留了较好的核壳结构，从而保证了其稳定的光酶催化活性。
测试2
实施例1制得的产物的中长链甘油三酯的含量进行分析。
方法：将实施例1制得的产物分别于配制低温型蒸发光散检测器的高效液相色谱测定中长链甘油三酯的含量。
结果：如图2所示。图中第1～6列分别为游离脂肪酶Lipozyme 435、Lipozyme/Fe3O4@ZnO-ZnS(载脂肪酶)、Lipozyme/Fe3O4@ZnO-ZnS(载脂肪酶并光照)、Lipozyme/Fe3O4、Lipozyme/ZnO-ZnS和纯载体Fe3O4@ZnO-ZnS催化生成的中长链甘油三酯产率的对比图，表明Lipozyme 435脂肪酶固定到Fe3O4@ZnO-ZnS载体上后，其活性优于为其未固定的游离脂肪酶、单纯Fe3O4或ZnO-ZnS载体固定的脂肪酶和纯载体Fe3O4@ZnO-ZnS；在光照条件下，Lipozyme/Fe3O4@ZnO-ZnS(图中标记为脂肪酶/Fe3O4@ZnO-ZnS-1)的中长链甘油三酯产率也比未光照提高了，说明酶催化和光催化产生了协同作用。
对比例1(加大酶用量)
本对比例与实施例1不同的是：步骤(3)中脂肪酶Lipozyme 435用量占基底的20％。按测试2方法测定其催化活性。
结果其催化生成的中长链甘油三酯的含量为68.5％，其产率降低是因为脂肪酶Lipozyme 435用量过大，导致不能被完全固定，形成过多的游离脂肪酶。
对比例2(降低核壳结构中壳的比例)
本对比例与实施例1不同的是：步骤(1)中醋酸锌的质量为纳米Fe3O4核质量5倍。按测试2方法测定其催化活性。
结果其催化生成产物中长链甘油三酯的含量为58.7％，其产率降低是因为核壳结构中壳比例过低，导致光催化活性低，从而不能有效激活脂肪酶的作用。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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