摘 要

酶的催化过程具有高效性、专一性、反应条件温和等优势。但目前普遍存在游离酶催化不易回收，重复利用率低， pH、温度敏感，容易失活等缺陷，极大限制了其应用。固定化酶技术的出现有望解决上述难题。海藻酸钠凝胶微球以其良好的生物相容性和力学性能成为近年来酶固定化载体的研究热门。然而，由于凝胶材料固有的溶胀倍数高引起的酶泄露和材料重复利用批次低的问题，成为其工业化应用的瓶颈。本论文首先采用多巴胺改性海藻酸钠，并通过钙离子和钛离子双重配位作用构建双网络海藻酸钠凝胶微球，应用于D-阿洛酮糖-3-差向异构酶固定化生产健康糖D-阿洛酮糖研究。结果显示：当多巴胺接枝率为35.1%，海藻酸钠-多巴胺，氯化钙，钛离子浓度分别为2.25%、0.3mol/L、1‰时凝胶微球具有最佳固定化酶效果。1. 溶胀系数降低至42%，较前人报道水平（72%）有明显改善。2. 凝胶微球固定化载体重复利用次数达到7次时，酶活性仍可以保持58%；3. 在pH为6-8时，具有50%以上的酶活性；4. 在温度为50℃时，具有78%的酶活性。该方法有效提高了海藻酸钠凝胶微球的稳定性和酶固定化效率，具有较好的工业化应用前景。此外，该双网络凝胶材料有望适用于其他酶催化体系。

关键词：海藻酸钠 双网络 水凝胶 固定化酶 D-阿洛酮糖

Preparation of sodium alginate gel microspheres and study on immobilized enzyme

ABSTRACT

The catalytic process of enzymes has the advantages of high efficiency, specificity and mild reaction conditions. But at present, there are many defects, such as free enzyme catalysis is not easy to recover, low reuse rate, sensitive to pH and temperature, and easy to inactivate, which greatly limits its application. The emergence of immobilized enzyme technology is expected to solve the above problems. Sodium alginate gel microspheres, with their good biocompatibility and mechanical properties, have become the most popular research in enzyme immobilization vectors in recent years. However, due to the problem of enzyme leakage and low batch reuse of materials caused by the high swelling multiples inherent in gel materials, it has become a bottleneck in its industrial application. In this paper, dopamine modified sodium alginate was first used, and a dual-network sodium alginate gel microspheres were constructed by double coordination of calcium ions and titanium ions, which was applied to the study of the production of healthy sugar D-D-by the -3-differential to isomerase fixation of naloxone sugar. The results showed that the gel microspheres had the best immobilized enzyme effect when the grafting rate of dopamine was 35.1%, sodium alginate-dopamine, calcium chloride and titanium ion concentration were 2.25%, 0.3mol/L and 1‰. The swelling coefficient was reduced to 42%, which was significantly better than the previous reporting level (72%). 2. Enzyme activity can still remain 58%;3 when the repeated use of gel microsphere immobilized vectors reaches 7 times. When the pH is 6-8, it has more than 50% enzyme activity; 4. At a temperature of 50 ℃, it has a 78% enzyme activity. This method has effectively improved the stability and enzyme immobilization efficiency of sodium alginate gel microspheres, and has a good prospect of industrial application. In addition, the dual-network gel material is expected to be suitable for other enzyme catalysis systems.

Keyword：sodium alginate; double network ;hydrogel; immobilized enzyme; psicose

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 前言 1

1.1 选题背景 1

1.2 酶 2

1.2.1 酶的分类 2

1.2.2 固定化酶的作用 2

1.2.3 固定化酶的方法 2

1.2.4 固定化酶的发展历程 3

1.3 水凝胶 3

1.3.1 水凝胶的性质 3

1.3.2 水凝胶的分类 4

1.3.3 水凝胶的应用 4

1.4 海藻酸钠 5

1.4.1 海藻酸钠的应用与发展 5

1.5 多巴胺 5

1.6 本文思路 6

1.6.1 多巴胺改性海藻酸钠的合成 6

1.6.2 三种凝胶球的合成 6

1.6.3 凝胶球性能的测试 8

第二章 实验部分 9

2.1 药品与仪器 9

2.2 实验方法 10

2.2.1 多巴胺改性海藻酸钠的合成 10

2.2.2 海藻酸钠与多巴胺改性海藻酸钠的红外光谱测试 10

2.2.3 凝胶球的制备 10

2.2.4 凝胶球的机械性能测试 11

2.2.5 凝胶球的溶胀性能测试 11

2.2.6 凝胶球固定化酶性能的测试 11

第三章 结果与讨论 13

3.1 多巴胺改性海藻酸钠的接枝率 13

3.2 三种凝胶球的外观形貌 13

3.3 凝胶球的机械性能 13

3.4 钙离子浓度对溶胀性能的影响 14

3.5 溶胀性能实验 14

3.6 海藻酸钠与多巴胺改性海藻酸钠的红外谱图及分析 15

3.7 三种凝胶球固定化酶的效果 16

3.7.1 凝胶球重复利用率测试 16

3.7.2 凝胶球pH稳定性测试 17

3.7.3 凝胶球热稳定性测试 18

第四章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2 展望 20

参考文献 21

致谢 23

前言

选题背景

酶（enzyme）是一类重要的可再生生物催化剂，有良好的生物相容性，并且可生物降解。酶催化具有高效性，专一性，反应条件温和等优势^[1]。酶催化正在逐步取代化学催化在生产中的地位。相比于化学催化剂，酶催化更加经济环保，符合绿色可持续发展的原则^[2,3]。

得益于酶优秀的立体定向水平，区域选择性和化学选择性，酶在食品、医药等产业中被广泛使用。在这些进程中，酶可以作为一种高效率的生物催化剂直接在溶液中使用，但是由于酶从产品中分离的困难性，这样通常会提高生物催化剂的回收难度，降低重复利用率。为了提高生物催化剂的重复利用率，研究人员需要将酶固定在特定载体上或特定载体中，同时优化其活性和稳定性，固定化酶技术应运而生。固定化酶技术是利用化学或者物理方法将酶限制在一定的区域内，并使其可以保持催化活性及反复利用^[4]。固定化酶技术的产生大大促进了酶工业的发展。固定化酶技术解决了酶工程中的诸多问题，其巨大的发展潜力吸引了生物工程等方面研究人员的注意，固定化酶研究成为生物技术研究的重要领域。但是，大多数的载体只能为酶固定提供有限的表面积，且存在未连接的孔隙结构，这会阻碍酶的自由流动，这限制了酶催化效率，因此，研究制备一种良好的酶固定化载体极为重要。

固定化酶虽然一定程度上会使酶活性降低，但是其具有很多的优点：（1）能够增加酶的稳定性、（2）酶经过固定化能够重复利用，降低成本、（3）使酶催化反应过程更易控制、（4）方便储存和运输、（5）固定化酶相比于游离酶更适合多酶体系，且能够控制反应进行的顺序^[5]。

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