[发明专利]一种基于类沸石咪唑酯骨架材料的固定化酶催化膜及其制备与应用

说明书

本发明公开了一种基于类沸石咪唑酯骨架材料的固定化酶催化膜及其制备方法，属于膜材料领域。所述催化膜由混有锌盐的纳米纤维基膜，包覆于纤维表面的类沸石咪唑酯骨架材料功能层和吸附于功能层上的蛋白酶组成。以类沸石咪唑酯骨架材料为载酶功能体，具有稳定酶结构与促进酶活性的双重作用，ZIF‑8原位生长于纤维表面形成功能层，载酶吸附位点暴露率高，同时膜具有贯通孔结构，底物与产物在膜表面及孔内传质速率高，本发明在膜动态过滤过程中具有高效的蛋白水解性能，可用于蛋白水解分离领域。

技术领域

本发明涉及一种基于金属有机骨架的固定化酶纳米纤维膜及其制备方法，属于膜材料领域。

背景技术

蛋白水解是指蛋白质降解为较小分子量的多肽或氨基酸的过程，其中，采用生物酶对蛋白进行水解具有高效温和的特点，已成为蛋白质分析、鉴定以及功能化蛋白肽生产的重要手段。与游离酶相比，固定化酶可以增强酶的稳定性，可重用性，并促进产物在线分离。载酶功能膜将酶水解与膜过程耦合，不仅可以实现酶的固定化，还可以实现产物的在线分离，避免产物抑制作用，从而提高酶催化的效率，但仍存在酶活性易在载酶过程中被破坏，载酶后膜传质阻力过高，难以发挥动态过滤优势等问题。因此，载酶功能膜多集中于小分子底物的水解研究，如微污染物、糖类等。在蛋白水解体系中，由于底物分子尺寸较大，若要达到较好的水解效果，需要保证酶的高反应活性，同时，蛋白分于在膜通道内扩散阻力较大，因此对催化膜传质通道设计提出了更高的要求。

金属-有机骨架材料(MOFs)是一类新型纳米功能材料，由金属离子与有机配体经配位键结合而形成的立体网络结构，具有种类多、功能性强、孔隙率和比表面积大、孔尺寸可调控性强等优点，为酶的固定化提供了新思路。沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs)为金属有机框架材料中一类特殊的子类，是由Zn²⁺，Co²⁺等金属离子与咪唑类有机分子配位形成，其中，ZIF-8是最具代表性的ZIFs材料，具有较好的热稳定性和化学稳定性、高比表面积、丰富的活性位点、较高的生物相容性与更低的毒副作用，已被用于载酶、药物递送以及生物体内标志物检测等领域。ZIF-8结构中含有Zn²⁺活性位点，可对酶类分子进行螯合吸附，同时对酶催化生物反应过程具有促进作用，且其制备方法简单温和，可在室温下进行快速合成。

纳米纤维膜由纳米纤维无规排列堆叠形成，具有分布相对均匀的三维网状孔结构，常采用静电纺丝法制备，纳米纤维膜具有比表面积大、孔隙率高、纤维尺寸可调控等优点，在膜过滤过程中具有较低的传质阻力。本发明基于类沸石咪唑酯骨架材料，将混有用于制备ZIF-8的锌盐的纳米纤维膜作为基膜，将ZIF- 8原位生长于纤维表面，形成包覆于纤维表面的ZIF-8功能层，而后通过吸附作用将蛋白酶固定至膜表面及内部，制备载酶功能膜。迄今为止，基于类沸石咪唑酯骨架材料的固定化酶催化膜的制备及其蛋白水解应用，尚未见文献报道。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种基于类沸石咪唑酯骨架材料的固定化酶催化膜及其制备方法与应用。本发明提供的制备方法简单易操作，绿色环保，ZIF-8具有稳定酶结构与促进酶活性的作用，且原位生长的ZIF-8 功能层均匀包裹于纤维表面，载酶吸附位点暴露率高。催化膜以纳米纤维膜为基膜，具有较高的比表面积与孔隙率，利于底物与酶的接触且底物与产物在膜表面及孔内传质速率高，有利于在动态过滤过程中获得高效的蛋白水解性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于类沸石咪唑酯骨架材料的固定化酶催化膜，包括混有锌盐的纳米纤维基膜，包覆于纤维表面的类沸石咪唑酯骨架材料功能层和吸附于功能层上的蛋白酶；所述纳米纤维基膜由锌盐与聚合物共混组成，采用静电纺丝法制得；所述类沸石咪唑酯骨架材料原位生长于纤维表面，形成均匀包裹于纤维表面的功能层；所述蛋白酶与类沸石咪唑酯骨架材料通过螯合吸附固定于功能层表面，酶暴露面积高，载酶量可达0.35±0.09mg/cm²。