一種生物酶-化學(xué)復(fù)合催化劑及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于催化劑技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種生物酶-化學(xué)復(fù)合催化劑及其制備方 法和在山梨醇制備中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 山梨醇是一種非常重要的食品、化工、醫(yī)藥等行業(yè)生產(chǎn)的原料，其制備主要以淀粉 為原料，通過淀粉酶解制得葡萄糖，然后通過金屬催化加氫將葡萄糖轉(zhuǎn)化為山梨醇。其生產(chǎn) 為兩步法，即酶解和加氫步驟必須分別進(jìn)行，這不僅造成了操作過程的復(fù)雜性，也增加了生 產(chǎn)成本。不能直接使用金屬催化劑與生物酶組合用于淀粉水解-加氫一鍋法生產(chǎn)山梨醇的 主要原因是金屬催化劑會(huì)使生物酶中毒，而淀粉水解過程中產(chǎn)生的膠狀淀粉糊會(huì)覆蓋金屬 催化劑。使用核-殼的催化劑能夠有效地使生物酶水解淀粉（殼外）和金屬催化葡萄糖加 氫（殼內(nèi)）在兩個(gè)隔離的區(qū)域中進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)淀粉水解-加氫一鍋法生產(chǎn)山梨醇。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，具有核-殼結(jié)構(gòu)的催化劑的制備工藝復(fù)雜、合成周期長，而且刻蝕劑 有一定的環(huán)境毒害性，不利于周圍環(huán)境的綠色發(fā)展。制得的核-殼結(jié)構(gòu)催化劑不能單獨(dú)使 用，需要與生物酶組合使用，才能實(shí)現(xiàn)淀粉水解-加氫一鍋法生產(chǎn)山梨醇。但是，在淀粉水 解-加氫一鍋法生產(chǎn)山梨醇過程中生物酶呈游離狀態(tài)，故每次重復(fù)使用過程中需重新添加 生物酶，造成生物酶不能回收利用，增加了生產(chǎn)成本。
[0004] 固載酶因比游離酶具有更高的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、重復(fù)利用性以及易分離等 優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于生物催化、生物傳感器等眾多領(lǐng)域。固定化酶的載體材料的性質(zhì)以及 結(jié)構(gòu)對(duì)固載酶的催化活性及性質(zhì)起著關(guān)鍵的作用。由于生物酶屬于大分子酶，選擇合適的 材料和方法將其固定化成為一個(gè)關(guān)鍵問題。
[0005] 因此，發(fā)現(xiàn)一種可循環(huán)的生物酶-化學(xué)復(fù)合催化劑，對(duì)于淀粉水解-加氫一鍋法生 產(chǎn)山梨醇具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種生物酶-化學(xué)復(fù)合催化劑，在淀粉水解-加氫一鍋法生 產(chǎn)山梨醇中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，而且可循環(huán)利用，使用壽命長，大大降低了生產(chǎn)成本， 具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。
[0007] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供上述生物酶-化學(xué)復(fù)合催化劑的制備方法。
[0008] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0009] 一種生物酶-化學(xué)復(fù)合催化劑，其特征在于：該催化劑為呈樹枝狀的生物酶催化 劑上連接有圓球形的化學(xué)催化劑，該化學(xué)催化劑為核殼結(jié)構(gòu)，殼層為二氧化硅，內(nèi)核為負(fù) 載了釕納米粒子的介孔碳球。該化學(xué)催化劑的直徑為400-500nm，殼層厚約50nm，內(nèi)核為 200-400nm直徑的介孔碳球，且介孔碳球內(nèi)負(fù)載了 0. 5-3.Onm的釕納米顆粒。
[0010] 上述生物酶-化學(xué)復(fù)合催化劑的制備方法，其步驟包括：
[0011] (1)將介孔碳球加入釕的鹽溶液中超聲分散15-20分鐘，靜置后干燥，在冰點(diǎn)攪 拌狀態(tài)下加入還原劑水溶液，攪拌反應(yīng)結(jié)束后洗滌至中性，得到黑色固體物；然后加入到乙 醇、水、表面活性劑、十二醇和氫氧化鈉的混合溶液中超聲分散15-20分鐘，攪拌后加入正 硅酸四乙醋、N-氨乙基-y-氨丙基三甲氧基硅燒，攪拌、離心，加入丙酮并攪拌回流；得到 的二氧化硅殼層表面進(jìn)行了氨基化修飾，便于和后續(xù)反應(yīng)中的交聯(lián)劑相結(jié)合。
[0012] 優(yōu)選的，所述還原劑水溶液為KBH4、似8氏或兩者的任意比混合物，所述表面活性 劑為十六烷基三甲基溴化銨。優(yōu)選的所述釕的鹽溶液為NH4RuC16水溶液，其穩(wěn)定性比較好。
[0013] (2)將步驟⑴中的產(chǎn)品加入水中，90-100°C條件下攪拌100-120分鐘，離心洗滌， 得到核殼結(jié)構(gòu)的化學(xué)催化劑；本發(fā)明的刻蝕劑為水，無毒、成本低，對(duì)環(huán)境無害。
[0014] (3)將步驟⑵中的化學(xué)催化劑中加入戊二醛，超聲12-17分鐘，攪拌后離心洗滌， 加入水和糖化酶，冰水?dāng)嚢?-5小時(shí)，洗滌至中性；
[0015] (4)將葡聚糖在碘酸鈉溶液中，遮光、0-4°C條件下，攪拌7-10小時(shí)，透析45-50小 時(shí)，稀釋；然后在溶液中加入步驟（3)中的產(chǎn)品，25-35°C下攪拌7-9小時(shí)，離心洗滌至中性； 加入硼氫化鈉溶液，攪拌20-40分鐘，離心洗滌即可。
[0016] 所述步驟（1)中，介孔碳球、釕離子和還原劑的加入量配比為lg:0. 25-0. 27mmol: l_3mmol〇
[0017] 所述步驟（1)中，介孔碳球、乙醇、水、表面活性劑、十二醇和氫氧化鈉的加入量配 比為lg:170-200mL:280-350mL:0? 6-0. 8g:200-300yL:0? 18-0. 25g。
[0018] 所述步驟（1)中，介孔碳球、正硅酸四乙酯和N-氨乙基-Y-氨丙基三甲氧基硅烷 的加入量配比為lg:8-20mL:0? 6-2mL。
[0019] 所述步驟（2)中，介孔碳球和水的比例為lg:450-700mL。
[0020] 所述步驟⑶中，介孔碳球、戊二醛和糖化酶的加入量比為lg:200-600yL: 80-120yL。戊二醛將糖化酶交聯(lián)在二氧化硅殼層表面，提高糖化酶穩(wěn)定性和重復(fù)利用率。
[0021] 所述步驟（4)中，介孔碳球、葡聚糖和碘酸鈉的重量比為1:0. 3-0. 5:0. 5-0. 7 ;所 述介孔碳球和硼氫化鈉的加入量比為lg:25-35mm〇l。葡聚糖可以將糖化酶又相互連接，呈 樹枝狀，提高了生物酶-化學(xué)復(fù)合催化劑的催化活性，合適的加入量，決定了最終產(chǎn)品的均 一性，不會(huì)發(fā)生團(tuán)聚的現(xiàn)象，導(dǎo)致催化活性降低。
[0022] 上述生物酶-化學(xué)復(fù)合催化劑可以應(yīng)用在淀粉水解-加氫一鍋法生產(chǎn)山梨醇中。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0024] (1)本發(fā)明制備的生物酶-化學(xué)復(fù)合催化劑由生物酶分子鍵合化學(xué)催化劑后再互 相交聯(lián)而成，在淀粉水解_加氫一鍋法生產(chǎn)山梨醇中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，將大分子生 物酶固載后，可循環(huán)利用，使用壽命長，重復(fù)6次后仍能保持99 %的淀粉轉(zhuǎn)化率及73 %以上 的山梨醇得率，降低了生產(chǎn)成本，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。
[0025] (2)本發(fā)明的制備工藝簡單、反應(yīng)溫和、原材料易得、價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境無污染。
【附圖說明】
[0026] 圖1為實(shí)施例中1中制備的生物酶-化學(xué)復(fù)合催化劑的SEM照片。
[0027] 圖2為實(shí)施例中1中制備的生物酶-化學(xué)復(fù)合催化劑的TEM圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0029] 實(shí)施例1
[0030] (1)、化學(xué)催化劑的制備
[0031] 將0?25g介孔碳球加入1.lmL0?06mol/L的NH4RuC1jK溶液中，超聲15分鐘，靜 置12小時(shí)，100°C干燥30分鐘。0°C和劇烈攪拌下，向上述溶液中滴加2. 5mL0. 5mol/L的 KBH4水溶液，滴加完畢繼續(xù)攪拌30分鐘。離心得到黑色固體，用去離子水反復(fù)洗滌至中性。
[0032] 將上述步驟得到的產(chǎn)品加入45mL乙醇、83mL水、0.17g十六烷基三甲基溴化銨、 62yL十二醇和1. 7mL30mg/mL氫氧化鈉的混合溶液中，超聲15分鐘。攪拌60分鐘后，緩 慢滴加2. 7mL正硅酸四乙酯和0. 2mLN-氨乙基-y-氨丙基三甲氧基硅烷。60°C下攪拌3 小時(shí)后，離心洗滌產(chǎn)品后加入170mL丙酮中，55°C攪拌回流48小時(shí)。然后加入到150mL水 中，90°C條件下攪拌120分鐘，離心洗滌，得到具有核殼結(jié)構(gòu)的化學(xué)催化劑。
[0033] (2)、一次交聯(lián)反應(yīng)