[发明专利]一种铁单原子纳米酶反应器的制备及其在合成α-酮戊二酸中的应用

说明书

一种铁单原子纳米酶反应器的制备及其在合成α‑酮戊二酸中的应用属于纳米材料制备及其生物化工应用领域。本发明通过表面包覆L‑谷氨酸氧化酶形成纳米酶反应器并将其应用于分解底物L‑谷氨酸钠，发挥其类过氧化氢酶活性，快速有效地清除系统产生的副产物H₂O₂，实现α‑酮戊二酸的生成，从而达到将廉价的L‑谷氨酸钠快速转化为市场价格昂贵的α‑酮戊二酸，有希望解决目前发酵合成法、酶法以及全细胞转化法时空产率低、稳定性差、反复使用性低及副产物多等难题，为后续工业合成提供了理论基础，具有较高的工业化生产应用价值。

技术领域

本发明属于纳米材料制备及其生物化工应用领域，特别涉及铁单原子纳米酶反应器构建。

背景技术

催化在科学研究和工业应用中均发挥了重要的作用，超过90％的化学品是通过催化过程制造的。截至目前，约有20项关于催化的研究获得诺奖。鉴于其巨大的潜力可以帮助创造可持续的未来，对催化的学术兴趣持续增长。近年来，无机纳米催化剂因成本低、易制备、环境友好等优点受到了广泛关注，该领域的最新突破是能够构建分散在许多不同类型载体上的孤立单原子位点，金属单原子与载体构成了新的催化剂家族，对总体催化性能有了空前影响，其特征是具有确定的活性中心和最大的原子利用率。这些催化剂中的金属位点通过与固态载体上的配位原子化学键锚定，金属位点的隔离导致原子利用率接近100％，该特点使其具有取代化学品绿色合成中的传统催化剂尤其是天然酶的经济性和实用性优势。此外，纳米酶具有比表面积大，活性位点可控、重复利用率高等优势，在化学品合成的纳米酶反应器构建中显示出巨大的潜力。

α-酮戊二酸作为一种化学中间体，在医药、有机合成、营养强化剂等领域有着重要的应用价值，目前合成该中间体的方法有化学合成法、全细胞转化法、酶法等，例如，CN103911400A、CN104152498A公开了一些基于微生物培养与合成生物学技术提高α-酮戊二酸转化率的体系建立，解决了化学合成法生产的步骤繁琐、产率低、环境污染严重的问题，但这些方法面临成本高、产物容易被微生物摄取利用、市场效益低等问题，工业化应用仍存在困难。

近年来，在生物催化工业生产体系中，以廉价的L-谷氨酸钠为底物，采用L-谷氨酸脱氨酶或L-谷氨酸氧化酶来催化生产α-酮戊二酸，如CN105331642A公开了一种L-谷氨酸氧化酶催化生产α-酮戊二酸的方法，其简单、快速、高效生产的优势引人注目，但酶的稳定性、中间产物的传递及底物、产物抑制等都是限制转化效率的重要因素。因此，在这里我们模仿天然的纳米酶反应器，构建人工铁单原子酶组装体，可有效负载L-谷氨酸氧化酶完成催化过程并原位清除副产物H₂O₂，防止终产物α-酮戊二酸被氧化为丁二酸，从而提高α-酮戊二酸产率。此外，经负载后的L-谷氨酸氧化酶热稳定性以及pH耐受性得到了改善，同时解决了将生物酶与催化产物分离回收困难的问题，有效提高了整个纳米酶反应器的催化效率。

发明内容

本发明旨在提供一种铁单原子纳米酶反应器，及其构建方法。

本发明另一个目的是提供一种高效合成α-酮戊二酸的铁单原子纳米酶反应器体系。

铁单原子纳米酶反应器具有如下特征：

(1)较为均一的尺寸，粒径约为140～180nm。

(2)较大比表面积，BET面积表面积为970.6383m²/g。

(3)较高的类过氧化氢酶活性。

本申请采用如下方案实现上述目的。