活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭在水中增强脂肪酶催化反应

　　在工业规模的应用中，活性炭已被用于固定酶。近期发现转化酶水解对酶纳米颗粒生产中活性炭的吸附功能。活性炭的关键特性是其高孔隙率、吸附能力和独特的表面积，这使其成为适合去除各种化合物的吸附剂。本研究活性炭作为支持材料在水溶液中增强脂肪酶催化反应的作用，低共熔溶剂作为共溶剂。研究了碳化温度、浸渍比和碳化时间对脂肪酶活性的影响。

　　活性炭形态

　　测量了活性炭的表面积和孔隙特征。在扫描电子显微镜(SEM)下观察活性炭的表面形貌。放大1000倍的活性炭表面形貌如图1所示。研究了活性炭的N2吸附-脱附等温线，结果表明活性炭的微孔体积有利于为脂肪酶固定化提供更多的活性位点。这次制备的活性炭微孔体积适合脂肪酶吸附，也证实了微孔体积结构。发现来自水炭的广西人的平均孔宽为3.55，证实了NaOH活化形成中孔碳的趋势。假设增加活化剂与水炭的比例会增加活化剂在水炭表面的蚀刻深度，将更多的微孔转化为中孔。NaOH活化增强了活性炭表面的发展和均匀性。完成了组织良好的孔结构的形成。酶和支持物的形状、大小和结构变化通常通过识别和表征支持物来确定。良好的机械性能和大的表面积可以容纳足够的酶，扩散最少。

　　图1：制备的活性炭在1000倍放大倍率下的SEM图像(10µm尺度)。

　　活性炭对脂肪酶活性的影响

　　使用十三个活性炭样本，筛选了两种类型的脂肪酶，脂肪酶和猪脂肪酶。在2mL离心管中，将缓冲液与1mL游离脂肪酶或活性炭/脂肪酶样品混合。在对照样品中，以1:1的比例使用在磷酸盐缓冲液中制备的脂肪酶溶液(1mL酶在1mL缓冲液中浓度为0.5mg/mL)，而对于脂肪酶样品，使用1:1使用1mL酶溶液对1mL低共熔溶剂的比例。在继续以下步骤之前，对所有样品进行涡旋。所有样品都标记为A1至A13，然后相应地加载0.1g活性炭。将溶液在恒温混合器中以350rpm孵育2小时。离心2分钟(8000转/分)后收集上清液。图2显示了脂肪酶和猪脂肪酶在活性炭固定化后的相对活性，在进行脂肪酶测定之前将所有样品孵育2小时后。添加脂肪酶和猪脂肪酶对照以进行比较。从单因素方差分析，结果显示R平方为0.9980，均值之间存在显着差异(p<0.05)。这意味着可以根据记录的最高值来选择值。然而，我们观察到脂肪酶并没有因活性炭上的固定而增强，尽管活动保持在80%左右。然而，在A1和A2中观察到最高的红色阴影。

　　图2：(a)固定在A1至A13的活性炭样品上后，脂肪酶的相对活性。数据以95%的置信区间(误差线)呈现。(b)固定在活性炭样品上后猪脂肪酶的相对活性从A1到A13。

　　浸渍比效应

　　浸渍比是影响孔隙率形成和活性炭表面积发展的主要因素之一。图3显示了活化剂(例如NaOH)与其他的浸渍比。在600℃的碳化温度和90分钟的碳化时间下，研究了浸渍比(IR)对脂肪酶固定化的影响。在不同的浸渍比下，与脂肪酶相比，猪脂肪酶活性得到增强。在400℃时，活化对Teller(BET)表面积以及总孔体积的原材料比例的影响更为明显。在低活化温度下，活化剂与生物质的比例会显着影响BET表面积、微孔体积和微孔表面积。此外，猪脂肪酶活性在0.5浸渍比(A10)时记录到最高值。当浸渍比较高时，更多的Na分子扩散到孔隙中，使孔隙变大并形成大孔隙，这不适合酶固定化，可能会对反应产生负面影响。因此，活化机制通过增加浸渍比在孔隙生长中起着至关重要的作用，从而导致BET表面积和孔隙体积持续增加。

　　图3：与游离酶相比，浸渍比(活性炭A3和A6–A9)对两种固定化脂肪酶(脂肪酶和猪脂肪酶)相对活性的影响。

　　活性炭在水中增强脂肪酶催化反应究中，从活性炭的制备再成功地用于固定脂肪酶和猪脂肪酶。基于丙氨酸的DES首次用作增强酶活性的共溶剂。结果表明，活性炭可以显着提高猪脂肪酶的酶活性，表现优于脂肪酶。发现和结论证明使用活性炭和低共熔溶剂的固定方法是潜在实施的理想选择，特别适用于生物技术应用。动力学数据显示，与纯猪脂肪酶和用活性炭低共熔溶剂介质固定的脂肪酶相比，用活性炭固定化猪脂肪酶的催化活性分别高两倍和四倍。这些发现和结论证明使用活性炭和低共熔溶剂的固定方法是潜在实施的理想选择，特别适用于生物技术应用。

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