MOF材料固定化纤维素酶在离子液体中的失活规律开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

研究背景：（一）纤维素纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上。纤维素通常与半纤维素、果胶和木质素结合在一起，纤维素原料经过水解糖化 、发酵 ，可以转化为生物燃料 、生物材料等各类化学品。限制纤维素生物转化主要因素就是木质纤维类原料水解率低及酶的成本较高，由于分子间氢键以及范德华力等相互作用组成的广泛网络，木质纤维素不溶于水和普通有机溶剂，因此需要进行预处理以降低结晶度并增加溶解度。（二）离子液体预处理传统的木质纤维素预处理方法主要包括蒸汽爆破、稀酸处理、氨纤维膨胀、热水处理、以及石灰和有机溶剂预处理。目前，离子液体(IL)由于其温和高效的特性，已经作为可设计性的溶剂应用于木质纤维素的预处理中。事实证明，IL预处理在对木质纤维素进行酶促和化学水解方面具有环境友好性、高可设计性和高效率方面的优势。IL预处理对酶促木质纤维素糖化的优势可概括为降低木质纤维素的结晶度、增加纤维素水解表面积、去除木质素和减少非生产性酶的吸附等。因此，已经有很多报道关于用IL预处理纤维素来提高生物质转化效率。然而，ILs可能会引起不同程度的纤维素酶失活。为避免负面影响，彻底去除IL至关重要。但是，从酶解反应体系中去除IL是一个复杂且昂贵的过程。为实现离子液体中纤维素酶酶解木质纤维素“一锅法”处理，许多学者致力于改善纤维素酶与ILs的相容性。（三）固定化纤维素酶固定化酶可以有效提高纤维素酶的耐离子液体性能，随着酶载体和固定化技术的发展，固定化纤维素酶已成为目前纤维素酶稳定应用于IL相关系统的主要解决方法。已有研究表明固定化纤维素酶有利于改善ILs中纤维素酶的稳定性和活性。特别地，由于IL引起的纤维素酶的失活限制了生物质在原位酶促糖化中的实际应用。因此构建稳定的固定化纤维素酶系统以改善IL耐受性是非常有必要的。MOF是一种多孔配位聚合物，由含金属的节点和通过配位键连接的有机配体组成。通常，它具有高度独特的优异性能，例如可调节的超高孔隙率、较大的表面积、良好的的热/机械稳定性和良好的光电性能属性。因此，近年来，MOF材料开始被用于固定生物大分子。将生物大分子固定在MOF材料上有以下的优点，可以减少生物大分子的浸出；MOF的孔包封可以使生物分子彼此隔离，这可以防止它们的聚集，从而降低变性的可能性；一些MOF的分层孔结构，可以提供尺寸对特定底物的选择性，或适应不同种类的生物分子用于协同应用。 因此，MOF固定化纤维素酶的特性及其对微环境的耐受性值得进一步研究。 研究目的：（一）对比固定化酶在不同种类离子液体以及不同底物中的失活规律。（二）对比不同离子液体探究MOF固定化酶适宜条件。（三）怎样减轻IL对纤维素酶构象变化影响。 研究意义：农林废弃物中含有大量的木质纤维素，为了能更有效的将农林纤维废弃物的纤维素转化为葡萄糖、酒精等工业产品，采用条件温和、绿色高效的IL预处理降低纤维素的结晶度，增加其溶解度是一种有效方法。为了节约操作成本实现“一锅法”的酶解转化工艺，即不将纤维素从IL中移除或者再生，这就需要提高纤维素酶的耐IL性能。因此，本文拟通过探究MOF固定化纤维素酶，目的是提高固定化纤维素酶对于IL的耐受性，对于进一步实现离子液体系中纤维废弃物的原位酶解、以及今后将农林纤维废弃物进一步资源化利用都有积极重要的意义。

2. 研究的基本内容和问题

研究内容： 鉴于目前离子液体预处理后，因为离子液体对纤维酶的毒性问题，很难做到将离子液体和纤维素酶一起进行废弃纤维素资源的“一锅法”酶解 。

可采取金属有机框架（mof）材料将纤维素酶固定化，提高固定化酶在离子液体中的耐受能力。

（一）拟通过物理吸附法将纤维素酶固定于mof材料zif-8上，并通过表征手段评价固定化效果。

剩余内容已隐藏，您需要先支付后才能查看该篇文章全部内容！

3. 研究的方法与方案

研究方法： （一）活化mof材料：溶剂置换法，除去溶剂后真空干燥 （二）mof固定化纤维素酶：物理吸附法 （三）测定纤维素酶活性：dns法测定 实验步骤： （一）活化mof材料：将100mgmof材料和无水甲醇(99%)依次添加到离心管中，然后超声处理30分钟，然后将离心管放在水浴恒温震荡器中震荡24h。

离心后除去上清液甲醇，并将上述实验重复3次之后，将离心管放入真空冷冻干燥机中12h,即可获得活化的mof材料。

（二）利用mof材料固定化纤维素酶：mof材料活化后，将100mgmof载体与10mg/ml的纤维素酶溶液（0.1m柠檬酸盐缓冲液，ph5.0）在10ml系统中混合，并通过表征手段评价固定化效果。

4. 研究创新点

[1] Ana P.M. Tavares et al. Immobilization of laccase on modified silica: Stabilization, thermal inactivation and kinetic behaviour in 1-ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfate ionic liquid[J]. Bioresource Technology, 2013, 131 : 405-412.

[2] Weemaes C A et al. Influence of pH, benzoic acid, glutathione, EDTA, 4-hexylresorcinol, and sodium chloride on the pressure inactivation kinetics of mushroom polyphenol oxidase.[J]. Journal of agricultural and food chemistry, 1999, 47(9) : 3526-30.

[3] Léger Christophe et al. Inhibition and aerobic inactivation kinetics of Desulfovibrio fructosovorans NiFe hydrogenase studied by protein film voltammetry.[J]. Journal of the American Chemical Society, 2004, 126(38) : 12162-72.

[4] Sarkar Daipayan et al. Non-Arrhenius Reaction-Diffusion Kinetics for Protein Inactivation over a Large Temperature Range.[J]. ACS nano, 2019, 13(8) : 8669-8679.

[5] Kim M J et al. Thermal inactivation kinetics and application of phospho- and galactolipid-degrading enzymes for evaluation of quality changes in frozen vegetables.[J]. Journal of agricultural and food chemistry, 2001, 49(5) : 2241-8.

[6] Anthon Gordon E et al. Thermal inactivation of pectin methylesterase, polygalacturonase, and peroxidase in tomato juice.[J]. Journal of agricultural and food chemistry, 2002, 50(21) : 6153-9.

[7] Yongjun Ahn et al. Formation of cellulose-carbene complex via depolymerization in ILs: Dependence of IL types on kinetics, conformation and dispersity[J]. Carbohydrate Polymers, 2017, 159 : 86-93.

[8] Ingrid Grssereid et al. New dual functionalized zwitterions and ionic liquids; Synthesis and cellulose dissolution studies[J]. Journal of Molecular Liquids, 2019, 292.

[9] Julie M. Rieland and Brian J. Love. Ionic liquids: A milestone on the pathway to greener recycling of cellulose from biomass[J]. Resources, Conservation Recycling, 2020, 155.

[10] Zhen Liu et al. Saccharification of cellulose in the ionic liquids and glucose recovery[J]. Renewable Energy, 2017, 106 : 99-102.

[11] Zhou, M., Ju, X., Li, L., Yan, L., Xu, X., Chen, J., 2019. Immobilization of cellulase in thenon-natural ionic liquid environments to enhance cellulase activity and functionalstability. Appl. Microbiol. Biotechnol. 103 (6), 2483–2492.

[12]梁宇欣.MOF材料负载酶及其催化性能研究[D].2016.

[13]汪隆茜，喻珏，郑召浩，王雅文，杨孟楷.金属有机骨架材料负载酶的研究进展及应用[J]化工技术与开发,2020,49（11):34-38.