一种生物酶-化学复合催化剂及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于催化剂技术领域，特别涉及一种生物酶-化学复合催化剂及其制备方 法和在山梨醇制备中的应用。
【背景技术】
[0002] 山梨醇是一种非常重要的食品、化工、医药等行业生产的原料，其制备主要以淀粉 为原料，通过淀粉酶解制得葡萄糖，然后通过金属催化加氢将葡萄糖转化为山梨醇。其生产 为两步法，即酶解和加氢步骤必须分别进行，这不仅造成了操作过程的复杂性，也增加了生 产成本。不能直接使用金属催化剂与生物酶组合用于淀粉水解-加氢一锅法生产山梨醇的 主要原因是金属催化剂会使生物酶中毒，而淀粉水解过程中产生的胶状淀粉糊会覆盖金属 催化剂。使用核-壳的催化剂能够有效地使生物酶水解淀粉（壳外）和金属催化葡萄糖加 氢（壳内）在两个隔离的区域中进行，实现淀粉水解-加氢一锅法生产山梨醇。
[0003] 现有技术中，具有核-壳结构的催化剂的制备工艺复杂、合成周期长，而且刻蚀剂 有一定的环境毒害性，不利于周围环境的绿色发展。制得的核-壳结构催化剂不能单独使 用，需要与生物酶组合使用，才能实现淀粉水解-加氢一锅法生产山梨醇。但是，在淀粉水 解-加氢一锅法生产山梨醇过程中生物酶呈游离状态，故每次重复使用过程中需重新添加 生物酶，造成生物酶不能回收利用，增加了生产成本。
[0004] 固载酶因比游离酶具有更高的热稳定性、化学稳定性、重复利用性以及易分离等 优点，已被广泛应用于生物催化、生物传感器等众多领域。固定化酶的载体材料的性质以及 结构对固载酶的催化活性及性质起着关键的作用。由于生物酶属于大分子酶，选择合适的 材料和方法将其固定化成为一个关键问题。
[0005] 因此，发现一种可循环的生物酶-化学复合催化剂，对于淀粉水解-加氢一锅法生 产山梨醇具有重要意义。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种生物酶-化学复合催化剂，在淀粉水解-加氢一锅法生 产山梨醇中表现出优异的催化活性，而且可循环利用，使用寿命长，大大降低了生产成本， 具有良好的工业应用前景。
[0007] 本发明的另一个目的是提供上述生物酶-化学复合催化剂的制备方法。
[0008] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0009] 一种生物酶-化学复合催化剂，其特征在于：该催化剂为呈树枝状的生物酶催化 剂上连接有圆球形的化学催化剂，该化学催化剂为核壳结构，壳层为二氧化硅，内核为负 载了钌纳米粒子的介孔碳球。该化学催化剂的直径为400-500nm，壳层厚约50nm，内核为 200-400nm直径的介孔碳球，且介孔碳球内负载了 0. 5-3.Onm的钌纳米颗粒。
[0010] 上述生物酶-化学复合催化剂的制备方法，其步骤包括：
[0011] (1)将介孔碳球加入钌的盐溶液中超声分散15-20分钟，静置后干燥，在冰点搅 拌状态下加入还原剂水溶液，搅拌反应结束后洗涤至中性，得到黑色固体物；然后加入到乙 醇、水、表面活性剂、十二醇和氢氧化钠的混合溶液中超声分散15-20分钟，搅拌后加入正 硅酸四乙醋、N-氨乙基-y-氨丙基三甲氧基硅烧，搅拌、离心，加入丙酮并搅拌回流；得到 的二氧化硅壳层表面进行了氨基化修饰，便于和后续反应中的交联剂相结合。
[0012] 优选的，所述还原剂水溶液为KBH4、似8氏或两者的任意比混合物，所述表面活性 剂为十六烷基三甲基溴化铵。优选的所述钌的盐溶液为NH4RuC16水溶液，其稳定性比较好。
[0013] (2)将步骤⑴中的产品加入水中，90-100°C条件下搅拌100-120分钟，离心洗涤， 得到核壳结构的化学催化剂；本发明的刻蚀剂为水，无毒、成本低，对环境无害。
[0014] (3)将步骤⑵中的化学催化剂中加入戊二醛，超声12-17分钟，搅拌后离心洗涤， 加入水和糖化酶，冰水搅拌3-5小时，洗涤至中性；
[0015] (4)将葡聚糖在碘酸钠溶液中，遮光、0-4°C条件下，搅拌7-10小时，透析45-50小 时，稀释；然后在溶液中加入步骤（3)中的产品，25-35°C下搅拌7-9小时，离心洗涤至中性； 加入硼氢化钠溶液，搅拌20-40分钟，离心洗涤即可。
[0016] 所述步骤（1)中，介孔碳球、钌离子和还原剂的加入量配比为lg:0. 25-0. 27mmol: l_3mmol〇
[0017] 所述步骤（1)中，介孔碳球、乙醇、水、表面活性剂、十二醇和氢氧化钠的加入量配 比为lg:170-200mL:280-350mL:0? 6-0. 8g:200-300yL:0? 18-0. 25g。
[0018] 所述步骤（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 的加入量配比为lg:8-20mL:0? 6-2mL。
[0019] 所述步骤（2)中，介孔碳球和水的比例为lg:450-700mL。
[0020] 所述步骤⑶中，介孔碳球、戊二醛和糖化酶的加入量比为lg:200-600yL: 80-120yL。戊二醛将糖化酶交联在二氧化硅壳层表面，提高糖化酶稳定性和重复利用率。
[0021] 所述步骤（4)中，介孔碳球、葡聚糖和碘酸钠的重量比为1:0. 3-0. 5:0. 5-0. 7 ;所 述介孔碳球和硼氢化钠的加入量比为lg:25-35mm〇l。葡聚糖可以将糖化酶又相互连接，呈 树枝状，提高了生物酶-化学复合催化剂的催化活性，合适的加入量，决定了最终产品的均 一性，不会发生团聚的现象，导致催化活性降低。
[0022] 上述生物酶-化学复合催化剂可以应用在淀粉水解-加氢一锅法生产山梨醇中。
[0023] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0024] (1)本发明制备的生物酶-化学复合催化剂由生物酶分子键合化学催化剂后再互 相交联而成，在淀粉水解_加氢一锅法生产山梨醇中表现出优异的催化活性，将大分子生 物酶固载后，可循环利用，使用寿命长，重复6次后仍能保持99 %的淀粉转化率及73 %以上 的山梨醇得率，降低了生产成本，具有良好的工业应用前景。
[0025] (2)本发明的制备工艺简单、反应温和、原材料易得、价格低廉、对环境无污染。
【附图说明】
[0026] 图1为实施例中1中制备的生物酶-化学复合催化剂的SEM照片。
[0027] 图2为实施例中1中制备的生物酶-化学复合催化剂的TEM图像。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合实施例，对本发明作进一步说明：
[0029] 实施例1
[0030] (1)、化学催化剂的制备
[0031] 将0?25g介孔碳球加入1.lmL0?06mol/L的NH4RuC1jK溶液中，超声15分钟，静 置12小时，100°C干燥30分钟。0°C和剧烈搅拌下，向上述溶液中滴加2. 5mL0. 5mol/L的 KBH4水溶液，滴加完毕继续搅拌30分钟。离心得到黑色固体，用去离子水反复洗涤至中性。
[0032] 将上述步骤得到的产品加入45mL乙醇、83mL水、0.17g十六烷基三甲基溴化铵、 62yL十二醇和1. 7mL30mg/mL氢氧化钠的混合溶液中，超声15分钟。搅拌60分钟后，缓 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下搅拌3 小时后，离心洗涤产品后加入170mL丙酮中，55°C搅拌回流48小时。然后加入到150mL水 中，90°C条件下搅拌120分钟，离心洗涤，得到具有核壳结构的化学催化剂。
[0033] (2)、一次交联反应