[发明专利]一种生物基金属有机框架组装酯酶催化剂、制备方法及其在生物柴油合成中的应用

说明书

一种生物基金属有机框架组装酯酶催化剂、制备方法及其在生物柴油合成中的应用，属于生物技术领域。本发明将嗜热酯酶QLM固载进生物基MOF材料之中，通过活性检测发现固载进MOF之中的酯酶依然具有很好的催化活性，能够成功催化酯类p‑NPC(4‑硝基苯基辛酸酯)的水解；以上述酯酶‑MOF组装体为催化剂，催化葵花籽油与甲醇的转酯反应，成功合成了性能良好的生物柴油。嗜热酯酶QLM酶担载进入生物基MOF中后，具有更好的热稳定性及pH耐受性；以该固定化酶为催化剂，能够成功实现生物柴油的合成，在高的油/甲醇比例下具有较游离酶更高的催化效率，同时具有良好的操作稳定性及重复利用能力。

技术领域

本发明属于生物技术领域，具体涉及基于仿生矿化技术构建的一种生物基金属有机框架组装酯酶催化剂、制备方法及其在生物柴油合成中的应用。

背景技术

生物柴油是指植物油(如葵花籽油、菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉籽油等)、动物油(如鱼油、猪油、牛油、羊油等)、废弃油脂或微生物油脂与醇类经过转酯化而形成的脂肪酸甲酯或乙酯。生物柴油是典型的“绿色能源”，具有环保性能好、发动机启动性能好、燃料性能好、原料来源广泛、可再生等特性。大力发展生物柴油对经济可持续发展、推进能源替代、减轻环境压力等具有重要的战略意义。传统的生物柴油主要通过碱催化的策略来进行制备，与传统的生物柴油合成方法相比，酯酶催化合成生物柴油的方法具有合成过程简单、能源消耗少、产生的气泡少等优点，具有广阔的应用前景。

酯酶(Esterase，EC 3.1.1.1)是一类广泛分布于组织和器官的丝氨酸水解酶类，能水解许多含有酯键、硫酯键、酰胺键的内源性及外源性物质。其主要功能是参与脂质代谢、信号传导及维持生物膜结构的完整性，还可以在有机相中完成转酯、酯化及酯交换等众多反应。近年来，人们从嗜热微生物中分离得到了嗜热酯酶，由于其稳定性高、制备成本低等优点而备受关注，在现代酶工程技术领域中具有重要的应用价值。本专利中所采用的嗜热酯酶QLM，来源于产碱杆菌属Alcaligenes sp.中，具有良好的热稳定性和催化活性，最适温度在65～70℃。

尽管酯酶有上述如此多的优点，但是它在工业生物催化中的应用依然面临很大的挑战，例如在工业生产条件下低的稳定性和重复利用率等。酶固定化技术是解决上述瓶颈的一条有效途径，其能够赋予酶分子良好的催化活力、稳定性、对环境的高度抗性及重复利用能力。在酶固定化的材料中，由金属离子与有机配体通过配位形成的晶体材料――金属有机框架(Metal–organic framework，MOF)，由于其具有组成和形貌的多样性、孔径大小的可调节性、优良的比表面积等等优点而被广泛应用。近年来，关于以MOF为基质进行酶固定化的报道主要集中在两个方面：通过物理吸附的方式将酶吸附到MOF孔径之中；通过共价连接方式将酶偶联到MOF上。但是，这两种方式都分别有自己的缺陷，例如物理吸附方式，酶容易从MOF骨架脱落，而共价连接方式则会影响酶的催化活性。与上述两种策略相比，仿生矿化技术是近年来新开发的一类基于MOF基质的新型酶固定化策略，其模仿诸如软体动物的壳、哺乳动物的牙床、骨骼等形成过程，先合成生物分子(蛋白质、脂质、核酸等)的自组装体，然后在自组装体模板的作用下，形成有机/无机复合物。与传统的固定化策略相比，仿生矿化固定化策略能够将较大的生物分子固载进MOF分子中，并且对酶分子的构象和活性影响较小，具有良好的稳定性。

发明内容

本发明通过仿生矿化固定化的方法，将嗜热酯酶QLM固载进生物基MOF材料之中，通过活性检测发现固载进MOF之中的酯酶依然具有很好的催化活性，能够成功催化酯类p-NPC(4-硝基苯基辛酸酯)的水解；以上述酯酶-MOF组装体为催化剂，催化葵花籽油与甲醇的转酯反应，成功合成了性能良好的生物柴油。