背景

生物柴油是一种脂肪酸烷基酯,由于其可生物降解、无毒、低排放、可再生并且可作为柴油的替代燃料等特点在过去十年中引起了广泛关注。目前生物柴油的制备可大致分为化学法和酶法两大类,但是能耗高、催化剂和甘油回收困难、对环境的潜在污染等缺点限制了化学法工艺的发展。为了规避上述问题,利用脂肪酶生产生物柴油已经成为化学法生产生物柴油的替代选择。

由于成本高、操作稳定性差、天然脂肪酶的回收困难等原因,酶催化体系的工业化进程受到阻碍,然而固定化脂肪酶可以克服这些困难。因此相比于化学方法,使用稳定的固定化脂肪酶生产生物柴油将是一个有前景的方法。周期性介孔有机硅PMO材料因其优异的理化特性可作为固定化脂肪酶的理想载体,其介孔通道可促进蛋白质的重折叠同时在框架内规律分布的官能团可以促进脂肪酶的负载能力,防止脂肪酶渗漏,提高酶活性和稳定性。近年来,Pickering乳液作为一种由固体纳米颗粒稳定的水包油或油包水乳液,在酶固定化方面引起了人们的广泛关注。与传统的表面活性剂相比,将Pickering乳液用于生物催化体系,具有不影响酶活性、稳定性高、无污染、易于纯化等优点。然而,还没有关于由含脂肪的PMO稳定Pickering乳液稳定的研究报道。

本研究设计了合适孔径的疏水性PMO固定化脂肪酶,然后用含脂酶的PMO颗粒制备Pickering乳液,PMO纳米粒子的组装既能稳定乳液,又能保持脂肪酶在催化反应中的表面有效性,随后可用该体系进行催化酯化和酯交换反应生产生物柴油。

研究方法和结果

1)为了获得稳定的Pickering乳液,提高生物柴油的产率,研究了以磷酸盐缓冲液为水相,不同水分含量(0.45%~0.95%)对LP@PE进行催化制取生物柴油的关系(图1a)。乙醇与油脂的摩尔比是生物柴油生产中最重要的参数之一,其最优值取决于油脂的性质和脂肪酶的类型(图1b)。酶的用量是成功工业化应用的关键因素,颗粒浓度对乳液的平均滴度和稳定性有影响,本文考察了LP@PMO在25 ~ 250mg的投加量对生物柴油收率的影响(图 1c)。


图1a. 水分含量对生物柴油产率的影响(反应条件:油酸0.42 g,乙醇与油酸摩尔比3:1,LP@PMO 100 mg,磷酸盐缓冲液pH 8.0,35℃,200 r/min)。

图1b. 乙醇与油酸摩尔比对生物柴油产率的影响(反应条件:水分含量0.65%,油酸0.42 g,LP@PMO 100 mg,磷酸盐缓冲液pH 8.0,35℃,200 r/ min)。


图1c. LP@PMO用量对生物柴油产率的影响(反应条件:水分含量0.65%,油酸0.42 g,乙醇与油酸摩尔比2:1,磷酸盐缓冲液pH 8.0,35℃,200 r/min)。

2)研究者还确定了磷酸盐缓冲液的pH值(图2a)和反应温度对生物柴油产率的影响(图2b)。

图2a. 磷酸盐缓冲液pH对生物柴油产率的影响(反应条件:水分含量0.65%,油酸0.42 g,乙醇与油酸摩尔比2:1,LP@PMO 150 mg,35℃,200 rpm)。

图2b. 反应温度对生物柴油产率的影响(反应条件为:水分含量0.65%,油酸0.42 g,乙醇与油酸摩尔比2:1,LP@PMO150 mg,磷酸盐缓冲液pH 7.0,200 r/min)。 

   3)多相催化剂的可重用性是影响其工业应用的重要因素之一。因此,多次实验研究了LP@PE在油酸与乙醇酯化反应中的作用(图3a)。LP@PE的最高比活性(51.72U/mg)是LP@PMO43.1 U/mg)的1.2倍,是天然脂肪酶的2.8倍(18.68 U /毫克)。结果表明(如图3b),Pickering乳液体系更有利于提高假丝酵母脂肪酶的活性。

图3a. LP@PMO、LP@PMO和天然脂肪酶酯化反应(反应条件:水率0.65%、油酸0.42 g,乙醇与油酸的摩尔比2:1,LP@PMO 150 mg,磷酸盐缓冲液pH 7.0,30℃,200 r/min)。

图3b. 脂肪酶、LP@PMO以及LP@PE酯化反应活性

   4)由LP@PE 、LP@PMO和天然脂肪酶酯交换反应的条件为:水分含量0.65%,麻风树油0.42 g,乙醇:石油=4:1,LP@PMO 200毫克,在30℃条件下,磷酸盐缓冲pH值7.0。在第一个反应周期中,用LP@PE、LP@PMO和天然脂肪酶的最佳催化活性分别为87.1%、79.8%和76%(图4a)。经10次实验,LP@PE的生物柴油产率约为73.0%,优于LP@PMO(52.1%)和天然脂肪酶(16.8%)。LP@PE的比活性(27.1 U/mg)也高于LP@PMO(23.7 U/mg)和原生脂肪酶(5.05U/mg)(图4b)。

图4a. 研究了LP@PE、LP@PMO和天然脂肪酶在酯交换反应中的催化性能(反应条件:水分数0.65%,麻风树油0.42 g,乙醇与油的摩尔比4:1,LP@PMO 200 mg,磷酸盐缓冲液pH 7.0,30℃, 200 r/min)。

图4b. 10次实验测定酯交换反应中LP@PE、LP@PMO和天然脂肪酶的比活性。

创新性/应用前景/结论

本文首次证明了用含油脂的PMO颗粒稳定的Pickering乳液在生物柴油生产中的成功应用。与天然脂肪酶和LP@PMO相比,LP@PE的活性、稳定性和可重用性均有显著提高。尽管有一些值得注意的问题(例如酶的活性增强的确切机理、水相对反应平衡的影响、如何避免团聚现象等)值得进一步研究,但目前酶固定化体系仍有望成为各种生物技术中的一项重要技术。

 

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096085241301818X


供稿人:李薇


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发表日期:

2020-11-24

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