一种酵母细胞稳定的金纳米催化剂及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明提供一种酵母细胞稳定的金纳米催化剂及其制备方法和应用，涉及到酵母细胞的培养、处理和催化剂制备的方法，更进一步涉及通过该方法所制备的酵母细胞稳定的金纳米催化剂及其在催化硝基化合物中硝基的还原、氯代有机物加氢脱氯以及染料等有机污染物降解中的应用。
【背景技术】
[0002]纳米级别贵金属催化剂具有较大的比表面积和较高的催化活性，在炼油、石油化工、有机合成和环境污染物降解等催化领域具有广阔的应用前景。其中，均相纳米贵金属催化剂具有活性高的优势，却存在难于与反应体系分离和回收的问题，严重制约了其工业化应用。磁性负载型纳米金属催化剂能很好地解决催化剂的回收问题，但Fe304磁性粒子的惰性表面需要通过适当的表面包覆或者修饰后才能负载贵金属纳米颗粒，同时还应解决载体上纳米金属粒子的团聚增大和流失问题。将金属纳米颗粒负载到具有一定空间结构的载体上制成负载型催化剂则能有效地抑制金属纳米颗粒的聚集，提高催化剂的使用寿命。
[0003]化学还原法是目前广泛应用的金纳米材料制备方法，在保护剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)等高聚物及十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)等离子型表面活性剂存在下，通过加入硼氢化钠、甲醛、次亚磷酸钠、葡萄糖和抗坏血酸等作还原剂还原金的化合物，能在短时间内还原出大量的金纳米粒子，并通过这些保护剂的保护作用抑制纳米颗粒的团聚。但在合成过程中必须同时选择好特定的还原剂和合适的保护条件，有的还需要用到有毒的化学试剂甚至还要求高温高压的操作条件，具有很大的环境和生态风险。
[0004]直接利用生物分子或生物相容分子如脂质体、植物提取物或壳聚糖等作为还原剂和稳定剂制备金纳米粒子的绿色合成方法则实际操作复杂，对操作人员技术要求较高，而且大多要求反应温度必须达到70°C以上。为此，清洁、无毒、环境友好，反应条件温和可控，效率高的负载型金纳米催化剂的合成具有极高的推广应用价值。
【发明内容】
[0005]本发明涉及一种酵母细胞稳定的金纳米催化剂及其制备方法和应用。将酵母细胞优良的吸附性与金纳米粒子的高催化活性相结合，以酵母细胞为载体、稳定剂和还原剂制备了具有高催化活性的负载型金纳米催化剂。该酵母细胞稳定的金纳米催化剂可以快速催化硝基化合物中硝基的还原反应，将硝基转化为氨基，同时，该酵母细胞稳定的金纳米催化剂还能催化氯代有机物的加氢脱氯以及染料等有机污染物的降解反应。
[0006]本发明的技术原理是以酵母细胞或者改性酵母细胞为载体、稳定剂和还原剂，利用酵母细胞的氨基、羟基和羧基等吸附氯金酸后，原位还原为Au(0)，再利用细胞壁和细胞膜的双层网状多孔结构分散并防止金纳米颗粒团聚。通过调节酵母细胞载体与氯金酸的质量比、氢氧化钠浓度、反应温度、反应时间和搅拌或振荡速度达到控制金纳米颗粒粒径的目的。
[0007]因此，本发明的第一个目的是提供一种酵母细胞稳定的金纳米催化剂。该催化剂包括酵母细胞或经过改性处理的酵母细胞载体及其吸附或包覆的金纳米颗粒。其中所述金纳米颗粒是以酵母细胞为稳定剂和还原剂原位还原氯金酸所得。
[0008]本发明的第二个目的提供一种制备负载型金纳米催化剂的酵母细胞载体的方法，包括:
[0009](1)采用酵母细胞为出发菌株，经斜面培养和种子培养后，接种在发酵培养基中进行摇瓶培养；
[0010](2)将所得的酵母细胞离心，洗涤后，冷冻干燥或重新悬浮在具有促进酵母细胞自溶的化学试剂中，在40?60°C的温度下搅拌或振荡处理24?48小时进行化学处理。离心、洗涤后，冷冻干燥，即得经过化学处理的改性酵母细胞载体。其中所述的化学试剂任一选自吐温-80、TritonX-100、溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)、十二烷基硫酸钠、盐酸、氢氧化钠、乙醇、氯化钾或氯化钠溶液。
[0011]应当指出:加入化学试剂的作用在于促进酵母细胞自溶，使酵母细胞内部空化，改善酵母细胞的孔径结构并增强其吸附性能。如果加入低浓度的化学试剂则反应时间更长，如果加入高浓度的化学试剂则反应时间更短。因此在合适的浓度范围内，加入不同浓度的化学试剂，本领域技术人员显然可以通过控制时间长短来达到预期效果。
[0012]在一个具体实施方案中，所述的吐温-80的加入量为0.1?5%(质量百分比浓度，下同)；或
[0013]所述的TritonX-100的加入量为0.1?5% ;或
[0014]所述的溴化十六烷基三甲基铵的加入量为0.1?5%;或
[0015]所述的十二烷基硫酸钠的加入量为0.1?5%;
[0016]所述的盐酸的加入量为0.5?10%;或
[0017]所述的氢氧化钠的加入量为0.5?10%;或
[0018]所述的乙醇的加入量为1?20%;或
[0019]所述的氯化钾的加入量为1?20%;或
[0020]所述的氯化钠的加入量为1?20%。
[0021]在另一个具体实施方案中，摇瓶培养的步骤如下:斜面种子活化4h后接入种子培养基，培养24h后再按10%的接种量转接入装有50mL发酵培养基的250mL摇瓶中，在转速为180r/min，28 ?32°C 下发酵培养 24h。
[0022]在一个具体实施方案中，所述的菌株为酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiaeHan.)，斜面培养基为Η)Α培养基，种子培养基和发酵培养基为高糖培养基，组成为:蔗糖、酵母浸出物、无机氮源采用中心组合设计优化，再补充必要的矿物质。
[0023]在另一个具体实施方案中，所述的种子培养基和发酵培养基均为YH)培养基，组成如下:蛋白胨20.0g/L、酵母提取物10.0g/L、葡萄糖10.0g/L，pH4?5。
[0024]在另一个具体实施方案中，所述的种子培养基和发酵培养基均为产脂培养基，组成如下:蛋白胨3.0g/L、酵母提取物8.0g/L、鹿糖170.0g/L。
[0025]还在另一个具体实施方案中，种子培养基和发酵培养基都为豆芽汁蔗糖培养基，配制如下:取黄豆芽200.0g，洗净，放入水中煮沸30min，用纱布过滤，取豆芽汁加蔗糖30.0g,添水至 1 OOOmL，调节 pH=7.2。
[0026]在另一个具体实施方案中，酵母细胞处理的步骤如下:培养的酵母细胞离心、洗涤后，直接冷冻干燥，即得未经处理的酵母细胞载体。
[0027]本发明的第三个目的是提供利用所得的酵母细胞或改性酵母细胞载体制备金纳米催化剂(Au/S.cerevisiae)的方法:将一定量的氯金酸和氢氧化钠溶液加入到酵母细胞载体中，充分混匀后，在避光、20?50°C的温度下搅拌或振荡反应0.5h?7d，离心、洗涤后冷冻干燥即得酵母细胞稳定的金纳米催化剂。所述的酵母细胞载体质量为5?300mg，所述的氯金酸浓度为0.05?5mmol/L，所述的氢氧化钠浓度为0.05?2mol/L，所述的搅拌或振荡速度为 50 ?200r/min。
[0028]在一个具体实施方案中，利用所述的酵母细胞载体制备金纳米催化剂的步骤如下:在50mg经过化学处理的改性酵母细胞载体中加入5.0mL 2mmol/L的氯金酸溶液和5.0mLlmol/L氢氧化钠溶液，充分混匀后，置于25°C空气浴振荡器中，在lOOr/min下避光反应24h，3000r/min条件下离心lOmin，用二次蒸馈水洗涤3次后，冷冻干燥。该金纳米催化剂中金纳米颗粒粒径为14.44nm。
[0029]在另一个具体实施方案中，利用所述的酵母细胞制备金纳米催化剂的步骤如下:在100mg未经化学处理的酵母细胞载体中加入5.0mL 2mmol/L的氯金酸溶液、2.5mL水和2.5mL lmol/L氢氧化钠溶液，充分混勾后，置于35°C空气浴振荡器中，在50r/min下避光反应7d，3000r/min条件下离心lOmin，用二次蒸馈水洗涤3次后，冷冻干燥。该金纳米催化剂中金纳米颗粒粒径为23.74nm。
[0030]本发明的第四个目的是提供利用所制备的酵母细胞稳定的金纳米催化剂催化有机反应的方法，其中
[0031]在一个具体实施方案中，所催化的有机反应是硝基化合物中硝基的还原反应，所涉及到的硝基化合物包括氨基硝基苯、硝基苯酚、硝基苯、甲基硝基苯、二甲基硝基苯、氰基硝基苯、氯硝基苯、乙烯基硝基苯和硝基环己烷等，优选0.0lmol/L的对硝基苯酚。
[0032]硝基化合物中硝基的催化还原反应在一 10mL比色管中进行。依次往10mL比色管中加入9.00mL二次蒸馈水、1.00mL 0.lmol/L硝基化合物和lmg Au/S.cerevisiae催化剂，然后加入硼氢化钠固