聚合物涂覆的酶催化酯交換反應研究

段寶軒，李詩浩，王洪海，李春利，盧一凡

(1.河北工業大學化工學院，天津 300130；2.河北工業大學化工過程集成與資源利用節能國家地方聯合工程實驗室；3.天津大學化工學院生化工程系和系統生物工程重點實驗室(教育部))

基金項目：國家自然科學基金資助項目(21878066)；河北省自然科學基金項目(B2019202167)。

酶促反應精餾(ERD)技術采用固定化酶替代傳統的酸堿催化劑，具有反應條件溫和、底物選擇性高等優點，備受研究者們的青睞。但是ERD的工業應用受到酶催化劑成本和穩定性等因素的限制，研究人員開發了多種固定化酶的制備方法來克服上述限制因素[1-4]。固定化酶珠和溶膠-凝膠法是用于實驗室規模ERD的兩種常見的固定化酶制備方法[5-6]。固定化酶珠可以很好地保留酶的活性，因此其更適合于工業規模ERD的應用[5]。目前，用于實驗室規模ERD的固定化酶珠主要是商業固定化脂肪酶Novozyme435，但是由于其成本和長效性限制，以及工業ERD規模龐大且反應條件苛刻，有必要開發可替代Novozyme435的具有成本和穩定性優勢的新型固定化酶催化劑[7]，使其在嚴苛的工業反應條件下，也能發揮良好的催化性能。

聚乙二醇化定義為聚乙二醇(PEG)與生物活性物質的共價結合，是一種經典的化學修飾方法，可用于對酶的性能改善[8-10]。由于酶表面沒有足夠的PEG連接位點，對酶進行PEG修飾時通常需要引入額外的功能化基團。酶表面的聚乙二醇涂層不僅可以提高酶在有機介質中的溶解度，而且可以改變酶結構的遷移率和構象，從而提高酶的催化性能。并且，由于酶失活通常是因為其疏水位點的暴露，導致其不期望的聚集、變性和失活，聚乙二醇化修飾可以增強酶的親水性，從而減少其疏水位點的暴露，提高酶在反應過程中的穩定性。固定化酶良好的可重復利用性對于其工業應用尤為必要，通過開發可重復使用的酶催化劑來解決成本問題是經濟可行的工業過程的重中之重[11]。

在ERD過程中，常用的反應模型是脂肪酶催化的合成乙酸正丁酯的酯交換反應[12]。本研究引入了南極假絲酵母脂肪酶B(CALB)與PEG大分子涂層，將大孔吸附樹脂NKA用于固定CALB以制備具有成本優勢的固定化酶珠NKA-CALB。然后，NKA-CALB通過葡萄糖-醛基介導的PEG涂層進一步強化，得到了經過一系列物理化學修飾后的固定化脂肪酶NKA-CALB-PEG?？疾霳KA-CALB-PEG與商業固定化脂肪酶Novozyme435的穩定性，然后將此固定化脂肪酶用于乙酸乙酯-正丁醇酯交換反應，探究NKA-CALB-PEG催化酯交換反應的最優工藝條件，得出動力學方程，為模擬計算及ERD工業應用提供數據參考。

1 實 驗

1.1 試劑及材料

CALB，分析純，由丹麥Bagsvaerd Novozyme公司提供；乙酸乙酯(EtAC)和正丁醇(BuOH)均為分析純，購于中國天津市達茂化學試劑廠；右旋糖酐(40 000 Da)，由上海笛柏生物科技有限公司提供；高碘酸鈉和硼氫化鈉均為分析純，購于科密歐化學試劑技術有限公司；甲氧基聚乙二醇胺(mPEG-NH2，2 000 Da)，分析純，購于索羅門化學試劑技術有限公司；棕櫚酸4-硝基苯酯(pNPP)，分析純，購于天津HEOWNS生物科技有限公司。大孔吸附樹脂NKA，由天津騰盛化學試劑技術有限公司提供；聚乙烯亞胺，分析純，購于羅恩化學試劑技術有限公司。

1.2 NKA-CALB的制備

將一定量的CALB和10 g NKA加入到容量為1 L的錐形瓶中，并用等體積的pH 為5.0的緩沖液稀釋，然后將錐形瓶置于水浴振蕩器中，在溫度為30 ℃和轉速為120 r/min的條件下溫育8 h。用布氏漏斗對制備的產物進行純化，并真空干燥4 h，得到固定化脂肪酶命名為NKA-CALB。

采用質量濃度為5 g/L的pNPP/乙醇溶液測定干燥后產物的水解活性。通過Bradford方法分析獲得NKA-CALB的蛋白質含量[13]。NKA-CALB的水解活性為19 690 U/g，固定效率為82.5%，酶載量為49.5 mg/g。

1.3 NKA-CALB-PEG的制備

根據文獻[14]的方法進行物理胺化：將2 g聚乙烯亞胺和20 mL磷酸鹽緩沖液(摩爾濃度為25 mmol/L，pH為8.0)的混合物調節至pH為8.0后，向混合物中加入1 g NKA-CALB，并在4 ℃下孵育過夜。將混合物真空過濾，并用蒸餾水充分洗滌胺化的NKA-CALB。

采用聚乙二醇涂覆胺化的NKA-CALB：首先將右旋糖酐與高碘酸鈉混合后，在室溫下充分攪拌90 min，充分氧化后用蒸餾水透析得到葡聚糖-醛溶液；將胺化的NKA-CALB添加到此溶液中，并用硼氫化鈉還原；還原的NKA-CALB添加到mPEG-NH2的溶液中進行再氧化，最后用蒸餾水徹底洗滌得到固定化脂肪酶NKA-CALB-PEG。通過使用燒結的玻璃漏斗洗滌并干燥NKA-CALB-PEG，然后用于酶促反應。

1.4 NKA-CALB和NKA-CALB-PEG的表征

1.4.1 共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)將NKA-CALB和NKA樹脂分別在質量濃度為0.3 g/L的熒光胺/丙酮溶液中室溫下孵育10 min，然后通過離心分離除去過量的熒光胺。通過共聚焦激光顯微鏡檢測純化樣品的熒光信號。采用共聚焦激光掃描顯微鏡評估帶有熒光胺標記的NKA和NKA-CALB。熒光胺和蛋白質結合后顯示出熒光特性，可用于表征CALB是否成功固定在NKA樹脂上。

1.4.2 紅外光譜(FT-IR)將NKA-CALB和NKA-CALB-PEG分別按一定比例與溴化鉀混合，制成薄片，然后采用FT-IR光譜進行結構表征，波數范圍為4 000～500 cm-1。

1.5 酯化活性及穩定性

固定化脂肪酶的反應活性通過酯化活性來表示，定義為在試驗條件下每小時消耗1 μmol月桂酸的固定化脂肪酶的量。將反應前CALB，NKA-CALB，NKA-CALB-PEG，Novozyme435的酯化活性設定為100%，計算反應后CALB，NKA-CALB，NKA-CALB-PEG，Novozyme435的剩余活性。穩定性試驗通過考察固定化脂肪酶的剩余活性進行評價。

酯化活性試驗：將0.5 mmol月桂酸、2 mmol辛醇，5 mL環己烷均勻混合，向其中加入10 mg的固定化脂肪酶，在溫度為40 ℃下攪拌2 h。通過熱乙醇法測定月桂酸的剩余量，計算得到固定化脂肪酶的酯化活性。

穩定性試驗：采用間歇反應器，機械攪拌，反應溫度為70 ℃，分別考察NKA-CALB，NKA-CALB-PEG，Novozyme435在乙酸乙酯與正丁醇酯交換反應中的穩定性，固定化脂肪酶重復使用6次，每次反應2 h。每次反應后通過離心、洗滌和干燥回收固定化脂肪酶，然后進行下一次反應。

1.6 動力學試驗

在間歇反應釜中進行NKA-CALB-PEG催化乙酸乙酯與正丁醇酯交換反應的動力學試驗，考察各反應因素對反應物轉化率的影響，確定最佳的反應條件。采用水浴加熱，冷卻水冷凝。間隔1 h進行取樣分析。

2 結果與討論

2.1 NKA-CALB和NKA-CALB-PEG的表征

2.1.1 CLSM熒光胺標記的NKA和NKA-CALB的CLSM形貌如圖1所示。由圖1可以看出，NKA沒有產生熒光信號，而NKA-CALB卻顯示出明顯的熒光信號，這可以從宏觀上表明CALB被成功吸附在NKA大孔吸附樹脂上。

圖1 熒光胺標記的NKA和NKA-CALB的CLSM形貌

2.1.2 FT-IRNKA-CALB和NKA-CALB-PEG的FT-IR譜如圖2所示。由圖2可以看出，波數1 120 cm-1處對應于C—N鍵的拉伸振動吸收峰，NKA-CALB-PEG的峰明顯強于NKA-CALB的峰。甲氧基聚乙二醇胺中的氨基與葡萄糖醛中的醛基反應形成席夫堿，該席夫堿進一步還原成C—N鍵，證實NKA-CALB已成功地被聚乙二醇化。另外，由于蛋白質分子中存在伯胺基，因此在波數1 647 cm-1處有一個剪切狀的振動吸收峰，具有弱的N—H鍵，表明CALB負載在NKA樹脂中。

圖2 NKA-CALB 和 NKA-CALB-PEG的FT-IR譜

2.2 穩定性試驗

NKA-CALB，NKA-CALB-PEG，Novozyme435在乙酸乙酯與正丁醇酯交換反應中的穩定性試驗結果如圖3所示。由圖3可以看出，與Novozyme435和NKA-CALB相比，NKA-CALB-PEG顯示出最好的操作穩定性。在重復使用6次之后，Novozyme435的剩余活性為60.2%，NKA-CALB的剩余活性為78.6%，而NKA-CALB-PEG在重復使用6次后可以有效地將其剩余活性保持在92.4%，表明制備的NKA-CALB-PEG具備良好的穩定性，能夠適應嚴峻的工業生產條件，同時其可重復利用度高，具有極大的經濟優勢。

圖3 NKA-CALB，NKA-CALB-PEG，Novozyme435的穩定性試驗結果■—NKA-CALB； ■—NKA-CALB-PEG； ■—Novozyme435

2.3 反應動力學試驗

2.3.1 攪拌速率的影響攪拌速率對乙酸乙酯轉化率的影響如圖4所示。由圖4可以看出，在反應時間相同的條件下，攪拌速率從200 r/min升至300 r/min時，乙酸乙酯轉化率明顯提高；當攪拌速率從300 r/min 升至400 r/min時，乙酸乙酯轉化率提高幅度較小，因此可認為當攪拌速率大于300 r/min 時，外擴散作用已經消除，若繼續增大轉速，會對設備及催化劑帶來較大磨損，同時耗能也大，因此綜合考慮選定攪拌速率為300 r/min。

2.3.2 催化劑用量的影響催化劑的用量對反應的影響較大，用量過少會使反應速率減小，導致反應時間增長，催化劑過量又會造成資源浪費。催化劑用量以其與乙酸乙酯的質量比計，分別選取5%，10%，15%。催化劑用量對乙酸乙酯轉化率的影響如圖5所示。由圖5可以看出：在反應時間相同的條件下，催化劑用量由5%增至10%時，乙酸乙酯轉化率增加明顯；繼續增加催化劑用量至15%時，乙酸乙酯轉化率并未有明顯提升。因此催化劑用量選定為10%。

圖4 攪拌速率對乙酸乙酯轉化率的影響攪拌速率，r/min： ■—200； ●—300； ▲—400

圖5 催化劑用量對乙酸乙酯轉化率的影響■—5%; ●—10%; ▲—15%

2.3.3 乙酸乙酯和正丁醇摩爾比的影響分別考察正丁醇過量和乙酸乙酯過量對反應物轉化率的影響，結果見圖6。由圖6可以看出，在相同的乙酸乙酯和正丁醇摩爾比條件下，乙酸乙酯轉化率或正丁醇轉化率都是在反應進行到7 h時不再呈現上升趨勢，即認為達到反應平衡。由圖6(a)可知，在反應時間相同的條件下，隨著反應物中正丁醇占比的增加，乙酸乙酯轉化率總體呈現下降趨勢。由圖6(b)可知，在反應時間相同的條件下，反應進行到3 h后，正丁醇轉化率隨著乙酸乙酯加入量的增加才呈現下降趨勢。綜上所述，不論正丁醇過量或是乙酸乙酯過量，對固定化脂肪酶催化酯交換反應均產生了抑制作用。因此，選取乙酸乙酯與正丁醇摩爾比為1∶1時反應物的轉化率最大。

2.3.4 反應溫度的影響反應溫度對乙酸乙酯轉化率的影響如圖7所示。由圖7可以看出，在反應時間相同的條件下，反應溫度為65 ℃時，乙酸乙酯轉化率最高，為77.1%。在超過65 ℃時轉化率反而降低，是因為固定化脂肪酶在65 ℃下酯化活性最高，超過此溫度酶的酯化活性會下降。對可逆反應來說，溫度對反應速率的影響是最大的，升高溫度有利于加快反應速率，但是固定化脂肪酶長時間在高溫條件下酯化活性容易受損。因此，選擇65 ℃為反應的最適宜溫度。

正丁醇/乙酸乙酯摩爾比： ■—1∶1; ●—1.25∶1; ▲—1.5∶1

乙酸乙酯/正丁醇摩爾比： ■—1∶1； ●—1.5∶1； ▲—2∶1圖6 乙酸乙酯和正丁醇摩爾比對反應物轉化率的影響

圖7 反應溫度對乙酸乙酯轉化率的影響■—60 ℃; ●—65 ℃; ▲—70 ℃;

2.4 化學平衡常數的測定

化學平衡常數(K)可由平衡時混合物的組成得到，K由達到平衡時的混合物的活度表示，活度系數(α)由Wilson方程計算得到。K的計算公式見式(1)。

(1)

由反應溫度為333.15，338.15，343.15，348.15 K下得到的反應數據，求得相應平衡常數K分別為0.145 4，0.169 9，0.208 3，0.239 3。平衡常數與反應溫度(T)的關系曲線如圖8所示。

圖8 平衡常數與反應溫度的關系曲線

擬合出平衡常數與溫度的關系,如式(2)所示。

(2)

式中,T為反應溫度，K。

根據圖8和Van’t Hoff方程計算反應焓變，可得標準反應焓變(ΔH)為32.74 kJ/mol，證明該反應為吸熱反應。

2.5 動力學方程的擬合

乙酸乙酯與正丁醇酯交換反應為可逆二級反應[15]，反應速率如式(3)所示。

r=k+c(EtAC)c(BuOH)-k-c(BuAC)c(EtOH)

=k+[c(EtAC)c(BuOH)-c(BuAC)c(EtOH)/K]

(3)

式中：r為反應速率，mol/(L·min)；k為反應速率常數，L·mol/min；c為濃度，mol/L；下標+、-分別表示正、逆反應方向。

根據化學反應動力學模型，將試驗數據進行線性回歸擬合，如圖9所示。由圖9也可以看出，酯交換反應為吸熱反應。

圖9 反應速率常數與溫度的關系

由此得到該酯交換反應的Arrhenius方程為：

(4)

(5)

根據Arrhenius 方程線性回歸擬合得到相應的動力學參數，k+和k-分別為495.625 L·mol/min和0.025 L·mol/min，對應的反應活化能Ea+和Ea-分別為4.603×104kJ/mol和7.860×103kJ/mol。最終得到乙酸乙酯和正丁醇反應的動力學方程為：

(6)

其中

(7)

式中，R為氣體常數，J/(mol·K)。

3 結 論

(1) 通過聚合物涂層修飾固定化脂肪酶的策略制備新型固定化脂肪酶NKA-CALB-PEG，其重復使用6次后剩余活性為92.4%，與Novozyme435和NKA-CALB相比，NKA-CALB-PEG具有更好的穩定性。

(2) 通過乙酸乙酯和正丁醇酯交換反應動力學試驗確定的最優工藝條件為：攪拌速率300 r/min、催化劑用量10%、反應溫度65 ℃、乙酸乙酯/正丁醇摩爾比1∶1。

(3) 建立動力學模型，將動力學數據進行擬合，得到乙酸乙酯與正丁醇酯交換反應的動力學方程。比較試驗值和計算值，結果表明此宏觀動力學方程具備合理性，為該工藝進一步工業化提供了重要數據支撐。