活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭改性纤维对淀粉酶的吸附

　　α-淀粉酶属于广泛用于食品、造纸、纺织、酿酒、发酵和酿造行业的酶组。由α-淀粉酶(1,4a-d葡聚糖葡聚糖水解酶)催化的淀粉水解为低分子量产品是最重要的商业酶促过程之一。许多研究人员研究了α-淀粉酶的固定化。例如，α-淀粉酶通过吸附固定在氧化锆或氧化铝上并表现出更高的活性，它被共价固定在含有邻苯二甲酰氯的氨基官能化玻璃珠上，在蛋白质上的氨基和酰氯基团之间形成酰胺键在玻璃表面。α-淀粉酶也通过游离的-CHO(按照烷基胺和戊二醛程序)与酶的-NH2反应固定在改性有序介孔二氧化硅中，用于水解淀粉，提高了固定化酶的热稳定性和pH稳定性。活性炭纤维虽然表现出发达的孔隙结构，但由于其表面化学性质一般为疏水性，氧氮含量极少，不能与酶发生强烈的相互作用，因此并未广泛用作酶载体。因此有必要研究改性活性炭纤维作为酶载体材料的性能。

　　活性炭因其高表面积和大孔体积而被广泛用作吸附剂、催化剂/催化剂载体、电子材料和储能材料。活性炭纤维的优点是纤维直径较小，可最大限度地减少扩散限制并允许快速吸附/解吸，孔径分布更集中。新型活性炭已广泛用于分离、纯化和催化过程。活性炭纤维的化学氧化是将杂原子引入其表面的常用方法。各种试剂已被用作氧化剂：浓硝酸或硫酸、次氯酸钠、高锰酸盐、重铬酸盐、过氧化氢、过渡金属、臭氧基气体混合物等。在各种氧化处理中，硝酸的氧化是最广泛使用的方法用于增加湿氧化处理产生的总酸度。活性炭纤维表面的含氧和含氮基团可以在300℃下通过硝化纤维素燃烧氧化引入，改性后的活性炭对氨和二硫化碳具有更高的吸附能力。

　　活性炭改性纤维

　　活性炭纤维的氧化改性。在120℃下干燥2h以去除吸附的蒸汽和有机分子，然后用硝酸纤维素丙酮溶液浸渍，负载量固定为1wt.%的硝酸纤维素在室温下放置4小时。最后，将浸渍的活性炭纤维在空气中加热至300℃持续30分钟，并标记为活性炭改性纤维。活性炭-0在5M硝酸中改性12小时，然后用蒸馏水浸出，直至达到约7的pH值。最后，在80℃下干燥并命名为活性炭-HNO3。

　　淀粉酶的吸附和淀粉的水解。在吸附实验中，将1g活性炭纤维与等体积的0.1M磷酸盐缓冲液和α-淀粉酶溶液混合。在室温下振摇1小时，然后过滤。α-淀粉酶的吸附量为原酶液水解能力与滤液水解能力之差。

　　在间歇反应器中检测游离酶和固定化酶的水解活性。通过将可溶性淀粉溶解在蒸馏水中制备%淀粉溶液，并通过0.1M/HCl将pH值调节至4.7。然后将1g含有α-淀粉酶的活性炭纤维置于测试小瓶中。随后，加入100cm3的淀粉溶液，并将系统在40℃下不断摇动的水浴中孵育。每10分钟抽取1cm3溶液以确定水解麦芽糖的量。通过加入1cm3的3,5-二硝基水杨酸试剂终止反应。还在沸水浴中孵育5分钟。还原糖(麦芽糖)的量通过分光光度法在540nm处测定。

　　活性炭样品的SEM样貌

　　活性炭纤维的SEM图像如图1所示。活性炭-0的表面看起来很光滑，表面的斑点是吸附的污垢。活性炭-HNO3表面的污垢最少，大部分污垢在硝酸浸渍过程中被浸出。这也说明硝酸氧化不会损伤纤维表面。活性炭表面的污染比活性炭-0少，在硝化纤维浸渍过程中，一些杂质被洗掉，这表明所有的硝化纤维素都已完全燃烧。通过比较SEM图像，活性炭纤维表面在硝酸氧化和硝化纤维素燃烧后没有被破坏。这证明了在活性炭纤维表面引入氮/氧原子是一种简单的方法，并且不会对表面造成损伤。

　　图1：活性炭的SEM照片(a)活性炭-0(b)活性炭改性纤维和(c)活性炭-HNO3。

　　淀粉酶的吸附和淀粉的水解

　　三种活性炭对α-淀粉酶的吸附量为2.0mg/g，分别为9.9毫克/克和7.9毫克/克。由于活性炭的孔结构相似，表面含氧和含氮基团是表征a-淀粉酶吸附的唯一显着影响因素，尤其是酚羟基，它可以与a-淀粉酶的-NH2形成氢键分子。与游离α-淀粉酶相比，固定在活性炭-0、活性炭纤维和活性炭-HNO3上的α-淀粉酶的水解活性分别降低了20%、48%和34%。这表明α-淀粉酶的活性位点受活性炭纤维孔结构的影响，从而改变了α-淀粉酶与淀粉分子之间的相互作用。此外，固定化的α-淀粉酶分子固定在孔通道和传质也受到限制，因此表观水解活性降低。

　　图2：吸附在活性炭改性纤维上的α-淀粉酶水解淀粉：(a)1wt.%，(b)2wt.%和(c)5wt.%。

　　图3：吸附在活性炭-HNO3上的α-淀粉酶水解淀粉：(a)1wt.%，(b)2wt.%和(c)5wt.%。

　　固定化α-淀粉酶水解淀粉在相同活性炭上的α-淀粉酶水解的麦芽糖的量与淀粉浓度无关。麦芽糖也被α-淀粉酶水解：结果表明，如果固定发生在相同的活性炭上，则水解麦芽糖和水解淀粉的量保持不变。这表明淀粉浓度是足够的。固定在ACF上的淀粉酶的量越大，水解麦芽糖的量就越高。对于活性炭-0，第一次运行60分钟后水解麦芽糖的量为20mg。第二轮下降到12毫克，第三轮下降到8毫克。对于活性炭改性纤维，第一次运行60分钟后水解麦芽糖的量为100mg。吸附的淀粉酶在运行3次后仍保持较高的水解活性。第四次运行后其活性下降，麦芽糖量为50毫克。对于活性炭，第一次运行60分钟后水解麦芽糖的量为50mg。吸附的淀粉酶在两次运行后保持较高的水解活性。3次运行后其活性降低，麦芽糖量为20mg。固定化酶最重要的优点是它的可重复使用性。活性炭纤维的表面基团也影响α-淀粉酶的解吸行为。固定在活性炭-0上的α-淀粉酶在水解过程中大部分会被解吸，2次运行后固定在活性炭-0上的α-淀粉酶的保留活性为10%。然而，固定在改性活性炭和活性炭-HNO3上的α-淀粉酶在4次运行后表现出超过24%和14%的活性。

　　活性炭可以被硝酸氧化和硝化纤维素燃烧以改变其表面化学性质。活性炭纤维氧化后碳含量显着降低，氧含量显着升高。氢、氮含量也有一定程度的增加。Boehm滴定和FTIR结果表明，HNO3氧化引入了大量的羧基。而硝酸纤维素氧化可形成酚基和碱性基团(酰胺)。吸附分别增加了5倍和3.5倍。固定化淀粉酶在3次运行后显示出更高的淀粉水解活性。

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