UCST型响应性高分子的调控制备及其负载纤维素酶的构效与机制研究
批准号:
52103008
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
朱兴
依托单位:
学科分类:
高分子材料制备
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
朱兴
中文摘要
纤维素的开发利用对于能源、经济与环境皆具有重要意义,而绿色的酶法纤维素转化技术已成为该领域的研究热点及发展趋势之一。在酶法中,将纤维素酶固定虽可稳定酶结构并实现其循环利用,但固定的酶与不溶性底物间所存在的传质障碍将致使纤维素水解效率较低。基于此,本项目提出了“液相水解促传质,固相回收稳酶构”的科学设想。根据甲基丙烯酸-丙烯酸共聚物与明胶分子间可形成多重氢键作用的原理,调控制备出具有高临界相转变温度(UCST)特征的响应性高分子。通过甲基丙烯酸-丙烯酸共聚物对纤维素酶分子的共价修饰以及明胶在聚乙烯膜表面的接枝调控,构建可逆固定酶体系,实现酶的液态高效催化与固态高效回收。本研究以纤维素高效转化需求为牵引,拟揭示共聚物结构与UCST间的构效关系;研究接枝聚合条件对明胶接枝密度的影响规律;阐明体系中影响酶释放回收效率的因素与机制。本项目从固液相变的角度突破传质瓶颈,具有很好的科学意义和应用价值。
英文摘要
Utilization of cellulose is of great significance to energy, economy and environment in which the green enzymatic cellulose conversion technology has become one of the research hotspots and the development trends. In the enzymatic method, immobilization of cellulase can stabilize its structure and realize its recycling. However, the mass transfer barrier between the immobilized cellulase and the insoluble cellulose always cause the cellulose hydrolysis in low efficiency. In this proposal, the applicant has proposed a scientific assumption, which cellulase can hydrolyze the cellulose in high efficiency in liquid phase while can be stabilized and recycled in solid phase. On the basis of that the multiple hydrogen bond can be generated between poly(methyl acrylic acid)/poly(acrylic acid) co-polymer and gelatin, a series of polymers with different upper critical solution temperature (UCST) will be prepared. By studying the covalent modification of cellulase with poly(methyl acrylic acid)/poly(acrylic acid) co-polymer and the grafting regulation of gelatin on polyethylene film, the reversible cellulase immobilization system will be constructed to realize the high catalytic efficiency and good operational stability of cellulase. In this proposal, based on the demand for high efficiency cellulose conversion, the structure-activity relationship and the influence rules of the co-polymer structure on the UCST of the modified cellulase will be revealed; the effect of reaction condition on the gelatin grafting density will be researched; and the influential factors and the mechanism of the releasing/recovering efficiency in the reversible cellulase immobilization system will be illustrated. The mass transfer barrier problem will be finally solved based on the liquid-solid phase transition. It is of great significance in both scientifically and industrially.
纤维素水解反应是实现其高值化利用的最关键步骤,而纤维素酶法是最具吸引力的水解手段。在酶法中,将纤维素酶固定虽可稳定酶结构并提高其操作稳定性,但固定的酶与不溶性底物间所存在的传质障碍将致使纤维素水解效率较低。基于此,本项目利用高分子共聚物与明胶分子间可形成多重氢键作用的原理,赋予纤维素酶理想的高临界相转变温度(UCST),构建可逆固定酶体系。升温至酶解温度时,被共聚物修饰的酶分子从基材释放,以液态高效水解纤维素。反应结束后,降温使酶重新键合在基材上,实现酶与产物的分离及酶的循环利用。主要结果和关键数据如下:.制备了一种受温度-pH调控相变的分子臂聚丙烯酸-丙烯腈共聚物(PAA-PAN),通过共价键将单个纤维素酶固定至每条分子臂制备PAA-PAN-CEL, PAA-PAN-CEL仍然具有UCST-pH双响应相变。利用此特征,能使纤维素酶在液相下高效水解滤纸,同时能够简单地分离葡萄糖与纤维素酶的回收。修饰后的纤维素酶分子在经过15个批次的使用以后,依然保有60%以上的活性。.利用聚丙烯酸(PAA)与聚甲基丙烯酸(PMAA)共聚物和明胶共混时可呈现UCST的特征,将纤维素酶与共聚物相连接,成功构建了UCST响应型固定化酶新体系(UCST-CEL)。在该体系中,酶分子通过温度的变化可逆的溶解与析出,对应实现了纤维素的高效水解及酶的重复利用。UCST-CEL的动力学分析表明纤维素酶共价固定后与底物的亲和力并没有发生明显的减弱。将接枝有明胶的低密度聚乙烯膜作为捕获及释放UCST-CEL的基体,成功在膜表面构建智能固定酶体系。以明胶为媒介,基于多重氢键的作用,使固定于聚乙烯膜上的UCST-CEL 以液体的形态高效水解滤纸纤维素,以固体酶膜的形式回收再利用。固定在膜表面的纤维素酶重复使用8个批次后,催化活性仍然能够维持在50%以上。.本研究揭示了共聚物结构对所修饰酶UCST的影响规律及构效关系,阐明体系中影响酶释放与回收效率的因素与机制。从固液相变的角度突破传质障碍,实现酶的高效催化及循环利用,兼具科学意义和应用价值。
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