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金属有机骨架固定化纤维素酶提高离子液体耐受性及甘蔗渣糖化性能研究
摘要：采用物理吸附法将纤维素酶固定在四种金属有机骨架材料上（ZIF-8、UTO-66-NH2、MIL-100Fe、PCN-250），以此来提高离子液体耐受性并促进生物质酶解转化。研究结果表明，ZIF-8对纤维素酶的吸附能力最强，可达176.6 mg/g-载体。此外，以微晶纤维素和滤纸为底物，测定了固定化纤维素酶在1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯（[Emim]DEP）中的酶活性。当离子液体的浓度从0%提高至50%（v/v）时，固定化纤维素酶的活性高于游离的纤维素酶。在50%（v/v）的[Emim]DEP溶液中，ZIF-8固定化纤维素酶对离子液体的耐受性最佳，羧甲基纤维素酶活性和滤纸酶活分别提高了112.59%和59.86%。动力学分析进一步证实，在离子液体反应体系中，固定化纤维素酶具有较低的平衡解离常数（kd）和更高的最终酶平台活性（ap），这表明纤维素酶经固定化后可有效降低其在离子液体中的失活水平。进一步研究发现，在50%（v/v）的[Emim]DEP溶液中，相较于游离的纤维素酶，经ZIF-8固定后的纤维素酶可将甘蔗渣的酶解效率提升92.92%。
关键词：纤维素酶；固定化；离子液体；失活动力学；木质纤维素；金属有机骨架
1、前言
木质纤维素是一种在自然界中广泛存在的可再生农林业资源，是植物细胞壁的组成部分。将木质纤维素经糖化后用于可溶性糖的生产是目前生物炼制的一种重要途径。
由于分子间的广泛网络和分子内氢键和范德华力的相互作用，木质纤维素在水和大多数有机溶剂中是不可溶的，证明了预处理来降低结晶度和增加溶解度的重要性。传统的木质纤维素预处理方法主要有蒸汽喷发、稀释酸、氨水纤维膨胀、水热、以及石灰和有机溶剂预处理技术。一般来说，离子液体预处理具有绿色环保、溶解能力强、熔点低、波动性小、易于设计等优势。然而，离子液体可能造成纤维素酶不同程度的失活。为了降低抑制作用，必须进行充分清洗来完全清除离子液体。然而，从酶系统中去除离子液体是复杂和昂贵的过程。为了更好的利用原位糖化的优势和实现一次制糖的过程，许多学者把重点放在提高纤维素酶和离子液体的相容性上。在离子液体中在载体上固定化纤维素酶有利于提高纤维素酶的稳定性和活性。先前关于在离子液体中酶载体的研究将重点放在壳聚糖、二氧化硅、磁性载体、复合载体以及一种新开发的载体及其修饰。到目前为止，关于固定化纤维素酶在离子液体中活性的研究很少，但已有的研究表明，固定化纤维素酶在离子液体中的研究具有令人满意的发展潜力。例如，在20%的[Mmim]DEP中，壳聚糖固定化纤维素酶的水解率是游离纤维素酶的2.3倍。在50%的[Emim]OAc 中，磁性二氧化硅固定化纳米颗粒纤维素酶残余的内切葡聚糖酶是游离纤维素酶的2倍。在25%的[Bmim]Cl中，聚乙二醇化石墨烯固定氧纤维素酶相对酶活性是游离纤维素酶的30.5倍，并且在15%的[C2OHmim]-OAc中，PEG-ALD固定化酶的活力相较于游离纤维素酶增加了17.11%。然而，固定化纤维素酶的研究仍然存在一个问题；尽管酶的用量不大，交联剂的抑制作用、纤维素酶在载体上的固定方式以及在离子液体中固定化纤维素酶的失活动力学，仍然是令人费解的。
金属有机框架（MOF）是一种由金属离子和具有三维孔结构有机配体配位的团簇的混合物，是继沸石、碳纳米管等新型固定化载体之后又一重要的新型多孔材料。MOF材料稳定的物理性质和结构已用于固定化各种生物大分子，如胰蛋白酶、脂肪酶和漆酶。此外，高比表面积的MOF材料使他们有显著的吸附趋势。最近，有尽管报道称纤维素酶通过物理吸附被固定在UIO-66-NH2上，纤维素酶被MOF材料物理吸附的行为中，比如孔吸附、表面吸附、官能团共价吸附等对其固定化行为的影响有待于进一步研究。特别地，在生物质酶原位糖化的应用中，离子液体引起的纤维素酶失活限制了其应用。因此，建立一个稳定的固定化纤维素酶系统以提高离子液体耐受性是非常必要的。
在本次的研究中，选择ZIF-8、UIO-66-NH2、MIL-100-Fe和PCN-250这四种MOF材料作为载体，因为它们具有良好的物理化学稳定性和水稳定性。用上述MOF材料对酶的负载量进行了详细的研究。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、N2吸附等温线表征了固定化纤维素酶的结构、形貌、SSA和孔隙特征。此外，本研究还首次阐述了MOF材料吸附纤维素酶可能的方式。特别地，固定化纤维素酶在离子液体中的活性和涉及到离子液体甘蔗渣的原位糖化反应系统将被深入探索。同时，还对固定化纤维素酶在离子液体中的失活动力学进行了详细的研究。据我们所知，本研究首次探索了在MOF载体上固定纤维素酶以增加其离子液体耐受性。
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