非水相條件下使用酶催化對(duì)納米纖維素表面進(jìn)行酯化改性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物催化合成領(lǐng)域，具體涉及非水相條件下使用酶催化對(duì)納米纖維素表面進(jìn)行酯化改性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]脂肪酶是一類(lèi)具有多種催化能力的酶，可以催化三酰甘油酯及其他一些水不溶性酯類(lèi)的水解、醇解、酯化、轉(zhuǎn)酯化及酯類(lèi)的逆向合成反應(yīng)，除此之外還表現(xiàn)出其他一些酶的活性，如磷脂酶、溶血磷脂酶、膽固醇酯酶、酰肽水解酶活性(Hara;Schmid)。脂肪酶不同活性的發(fā)揮依賴(lài)于反應(yīng)體系的特點(diǎn)，如在油水界面促進(jìn)酯水解，而在有機(jī)相中可以酶促合成和酯交換。脂肪酶是重要的工業(yè)酶制劑品種之一，廣泛應(yīng)用于油脂加工、食品、醫(yī)藥、日化等工業(yè)。不同來(lái)源的脂肪酶具有不同的催化特點(diǎn)和催化活力。其中用于有機(jī)相合成的具有轉(zhuǎn)酯化或酯化功能的脂肪酶的規(guī)?；a(chǎn)對(duì)于酶催化合成精細(xì)化學(xué)品和手性化合物有重要意義。
[0003]很多研究表明，在純有機(jī)溶劑體系中進(jìn)行生物催化反應(yīng)有操作簡(jiǎn)單方便、條件易控等優(yōu)點(diǎn)，并且催化劑在有機(jī)溶劑中的催化活性與有機(jī)溶劑的疏水性呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性，即疏水性小的溶劑中，很多酶、全細(xì)胞都會(huì)不同程度地失活，而在疏水性較大的溶劑中酶或生物催化劑的穩(wěn)定性較高，同時(shí)活性也高，然而，在常用的強(qiáng)疏水性溶劑中，往往不利于親水性底物的溶解，比如大部分多輕基化合物(Polyhydroxyl compounds)，包括核苷、多元醇、碳水化合物等。為了解決這個(gè)矛盾，Mutua等在1993年研究中首次采用了混合溶劑體系來(lái)合成糖酯，隨后，該體系在多羥基化合物的酯化反應(yīng)中得到越來(lái)越多的關(guān)注。
[0004]非水相溶劑體系中脂肪酶催化反應(yīng)除了具有高度的區(qū)域選擇性和立體選擇性，不需要基團(tuán)保護(hù)等傳統(tǒng)水解酶的優(yōu)點(diǎn)外，還可以催化酯交換、酯化、氨解等合成反應(yīng)，可進(jìn)行水不溶性物質(zhì)的催化轉(zhuǎn)化，大大拓展了酶的作用底物范圍，不僅如此，它還有利于酶的回收和重復(fù)利用、降低分離過(guò)程的能耗，提高了酶的熱穩(wěn)定性以及減少和防止水引起的副反應(yīng)和微生物污染，可以通過(guò)控制不同的反應(yīng)條件，可以在特定輕基上進(jìn)行反應(yīng)。自Klibanov首次報(bào)道非水相中的酶催化性能以來(lái)，非水酶學(xué)在最近20多年里取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。
[0005]納米纖維素來(lái)源于纖維素，是一種直徑在卜10nm之間，長(zhǎng)度為幾十到幾百納米之間的剛性棒狀纖維素。由于納米纖維素的高強(qiáng)度、高結(jié)晶度、高楊氏模量、高純度等優(yōu)異性能，加之納米纖維素具有生物材料的輕質(zhì)、生物相容性、可降解及再生等特性，使其在高性能復(fù)合材料中顯示出巨大的應(yīng)用前景。
[0006]但是，納米纖維素表面眾多的羥基決定了它不能很好地溶解在弱極性溶劑和聚合物介質(zhì)中，同時(shí)納米纖維素具有較大的比表面積，較高的熱力學(xué)勢(shì)能，晶體間極易發(fā)生團(tuán)聚，且溫度越高，不可逆團(tuán)聚程度越大。前改善纖維素微粒分散性的方法主要有兩種:一種方法是加入表面活性劑；另一種方法是對(duì)纖維素微粒表面進(jìn)行化學(xué)改性。常見(jiàn)的表面化學(xué)改性方法有磺化、酯化、醚化、交聯(lián)、接枝共聚、硅烷化等。通過(guò)對(duì)纖維素微粒表面進(jìn)行改性，可以改變其表面極性，避免其發(fā)生團(tuán)聚，提高其在有機(jī)溶劑和疏水性基體材料中的分散性，從而擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種環(huán)境友好、選擇性高、副反應(yīng)少、反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)物易分離的在雙溶劑體系中使用酶催化納米纖維素酯化改性的新方法。
[0008]本發(fā)明的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
脂肪酶催化納米纖維素酯化改性的方法，包括以下步驟:
(1)在二甲基亞砜(DMSO)中加入納米纖維素(NCC)和多聚甲醛(PF)，在90?130°C下油浴攪拌，制備成納米纖維素懸浮液；
(2)在反應(yīng)器中按疏水性有機(jī)溶劑與二甲基亞砜的體積比為1:1?1:9的比例配成雙溶劑反應(yīng)介質(zhì)，加入0.05?0.45g脂肪酶，按?；w與納米纖維素脫水葡萄糖單元(AGU)的摩爾比為1:1?30:1加入烯醇酯，在常壓下反應(yīng)，得到液體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米纖維素的酯化改性；
(3)將步驟(2)中的液體過(guò)濾除去脂肪酶，溶液在5000?IOOOrpm離心3~ I Omin，去除上層清液，得到的沉淀物用無(wú)水乙醇洗滌3~5遍，在真空干燥下去除殘余的有機(jī)溶劑和過(guò)量的烯醇酯，獲得納米纖維素酯化產(chǎn)物。
[0009]上述方法中，步驟(I)中，所述納米纖維素懸浮液的濃度在I?5w/w%。
[0010]上述方法中，步驟(I)中，所述納米纖維素與多聚甲醛的質(zhì)量比為1:1?3:1。
[0011]上述方法中，步驟(I)中，所述油浴攪拌反應(yīng)時(shí)間為0.5?2h。
[0012]上述方法中，步驟(2)中所述疏水性有機(jī)溶劑為乙腈、四氫呋喃、叔丁醇、叔戊醇、正己烷、石油醚或異辛烷。
[0013]上述方法中，步驟(2)中所述脂肪酶為Novozym435。
[0014]上述方法中，步驟(2)中所述烯醇酯為丙酸乙烯酯、月桂酸乙烯酯或棕櫚酸乙烯酯。
[0015]上述方法中，步驟(2)中，所述反應(yīng)的溫度為30?70 °C;反應(yīng)時(shí)間為I?48h。
[0016]上述方法中，步驟(3)中真空干燥條件為30?80°C下干燥12?72h。
[0017]本發(fā)明的原理:采用雙溶劑體系，以脂肪酶作為催化劑，催化納米纖維素和烯醇酯進(jìn)行酯化改性，對(duì)納米纖維素進(jìn)行表面修飾。
[0018]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn):
(1)采用高效、高穩(wěn)定性的脂肪酶催化劑來(lái)催化納米纖維素酯化改性，具有選擇性高、副反應(yīng)少、反應(yīng)過(guò)程簡(jiǎn)單可控、產(chǎn)物易分離等特點(diǎn)；
(2)固定化的脂肪酶催化劑可反復(fù)使用，操作穩(wěn)定性高，降低生產(chǎn)成本；
(3)利用了非水相酶催化的新技術(shù)，采用雙溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，得到的產(chǎn)品雜質(zhì)少；
(4)反應(yīng)條件溫和，環(huán)境友好。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明相關(guān)納米纖維素原樣及各實(shí)施實(shí)例中納米纖維素酯化改性后的紅外光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為更好理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例表示的范圍。
[0021 ] 實(shí)施例1
在20ml二甲基亞砜中加入I%(w/w)的納米纖維素，I%(w/w)的多聚甲醛，在110°C下恒溫?cái)嚢鐸h，制備納米纖維素懸浮液;將制備的納米纖維素懸浮液冷卻至室溫，再加入疏水性有機(jī)溶劑乙腈(乙腈:二甲基亞砜=1:9<>八))，脂肪酶(1'10￥027111435)0.258，丙酸乙稀酯:納米纖維素脫水葡萄糖單元(AGU)的摩爾比=3:1，在恒溫?fù)u床下反應(yīng)，反應(yīng)溫度30°C，反應(yīng)時(shí)間12h，轉(zhuǎn)速為180rpm。反應(yīng)后的液體通過(guò)過(guò)濾除去反應(yīng)體系中的脂肪酶，溶液在9800rpm離心5min，去除上層清液，得到的沉淀物用無(wú)水乙醇洗滌三遍，在40°C下真空干燥12h，去除殘余的有機(jī)溶劑和過(guò)量的丙酸乙烯酯，獲得納米纖維素酯化產(chǎn)物。
[0022]實(shí)施例2
在20ml二甲基亞砜中加入2.5%(w/w)的納米纖維素，1.5%(w/w)的多聚甲醛，在110°C下恒溫?cái)嚢?.5h，制備納米纖維素懸浮液;將制備的納米纖維素懸浮液冷卻至室溫，再加入疏水性有機(jī)溶劑叔丁醇(叔丁醇:二甲基亞砜=1:4(v/v))，脂肪酶(Novozym435)0.25g，丙酸乙烯酯:納米纖維素脫水葡萄糖單元(AGU)的摩爾比= 15:1，在恒溫?fù)u床下反應(yīng)，反應(yīng)溫度40°C，反應(yīng)時(shí)間12h，轉(zhuǎn)速為180rpm。反應(yīng)后的液體通過(guò)過(guò)濾除去反應(yīng)體系中的脂肪酶，溶液在9800rpm離心5min，去除上層清液，得到的沉淀物用無(wú)水乙醇洗滌三遍，在真空干燥下去除殘余的有機(jī)溶劑和過(guò)量的丙酸乙烯酯，獲得納米纖維素酯化產(chǎn)物。通過(guò)皂化滴定法測(cè)得產(chǎn)物的取代度為0.13。
[0023]實(shí)施例3
在20ml二甲基亞砜中加入2.5%(w/w)的納米纖維素，1.5%(w/w)的多聚甲醛，在110°C下恒溫?cái)嚢?.5h，制備納米纖維素懸浮液;將制備的納米纖維素懸浮液冷卻至室溫，再加入疏水性有機(jī)溶劑叔戊醇(叔戊醇:二甲基亞砜=1:4( v/v))，脂肪酶(Novozym435)0.35g，丙酸乙烯酯:納米纖維素脫水葡萄糖單元(AGU)的摩爾比= 15:1，在恒溫?fù)u床下反應(yīng)，反應(yīng)溫