玉米秸秆芯穰吸附材料及其制备方法

专利名称：玉米秸秆芯穰吸附材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及吸附材料及其制备方法，具体涉及玉米秸秆芯穰 吸附材料及其制备方法。
背景技术：
酶作为一种特殊的生物催化剂，具有较高的选择性和催化效率、 反应条件温和、催化活性可以调节控制等优点。已在有机合成中利用 酶促反应的高活性和高度选择性进行不对称合成、光学活性化合物及 天然化合物的合成和拆分。但自由酶对所处环境十分敏感，在强酸、 强碱、高温、高离子浓度和部分有机溶剂中均不够稳定，容易导致酶 蛋白的变性，从而降低甚至丧失其催化活性。同时，自由酶反应后不易 与底物和产物分离，既影响反应产物纯度又难以重复使用，这在很大 程度上限制了酶促反应的广泛应用。固定化酶技术克服了自由酶的上 述不足，提高了酶的储存稳定性，实现了重复使用及连续自动化生产， 降低了成本，在生物工程、食品工业、医药和精细化学工业等领域有 着广泛的应用前景。
固定化酶的性能主要取决于固定化方法和所使用的载体材料。其 中，载体材料的性能直接影响其固定化酶的催化活性。酶的固定化对载体材料有很高的要求。理想的载体材料应具备良好的机械强度、热 稳定性和化学稳定性、耐生物降解性及对酶的高度亲和性、并能保持 较高的酶活性等。因此，设计、开发和制备性能优异的载体材料已成 为固定化酶领域研究的重点之一。
传统的无机载体材料来源方便、廉价、机械强度高，无毒且稳定 性好， 一般是借助吸附方法来制备固定化酶，或经小分子化学改性以 共价键合方式制备固定化酶。但无机载体的结构不易调控，影响传质 且键合酶的能力差。有机高分子载体是固定化酶研究及应用中倍受关 注的载体材料之一，对其改性则是人们获得理想固定化酶载体材料的 重要途径。但这种原料，需要在原高分子材料上，通过较复杂的合成 反应引入具有与酶作用的活性基团，再将酶附载在表面上。例如化学 通报(杨勇，李彦锋,拜永孝等酶固定化技术用载体材料的研究进
展[J]，化学通报，2007年第4期，257-262)上介绍的固定化e-半乳 糖苷酶方法，先将甲基丙烯酸甲酯MMA接枝聚合到尼龙膜上，再将MMA 接枝聚合到聚苯乙烯包覆层上，在膜表面引入了大量的反应性酯基， 再借助己二胺和戊二醛活化并共价。这一载体材料的制备要用到合成 有机高分子材料，且制备过程相当复杂。因而研究从资源丰富的天然 物，特别是可再生的天然废弃物进行加工，制备固定化酶载体材料， 将对充分利用自然资源、进行可持续发展具有重要的经济价值。
秸秆是附属农产品的废弃物，据资料表明，我国年产农作物秸杆 6.2亿吨，资源拥有量居世界首位，预计到2010年达到7.26亿吨。 但这些秸杆中30%用作农用燃料，25%用作饲料，2~3%作工副业生产原料，6~7%直接还田，还有35%约2.2亿吨剩余秸杆未被合理利 用。而作为燃料利用的，受消费观念和生活方式的影响，秸秆资源完 全处于高消耗、高污染、低产出的状况，相当多的一部分农作物秸秆 被弃置或者直接进行焚烧，没有得到合理开发利用。
在所有秸秆中，玉米秸秆、小麦秸秆和稻米秸秆占总量的76%， 而玉米秸秆又占三种秸秆量的50% (曹国良，张小曳，郑方成等. 中国大陆秸秆露天焚烧的量的估算[J].资源科学， 2006， 28(1) :9-13)。玉米秸秆是由叶、表皮及茎杆组成。三部分中茎 秆是主要部分。而茎秆又是由茎皮与芯穰组成。玉米秸秆茎皮的纤维 素、木质素大分子组成的物质结构具有紧密性和特殊性，使得其是提 取木质素和制备高纯纤维素的原料。玉米秸秆芯穰的木糖和葡糖组成 的半纤维素具有结构的疏松性，可以加工成为具有吸附性能的吸附材 料。

发明内容
本发明的目的是提供一种玉米秸秆芯穰吸附材料及其制备方 法，以玉米秸秆芯穰为原料制备吸附材料，吸附材料有效地对中性蛋 白酶和糖化酶进行吸附，且不使酶失活，为固定化酶的载体材料，充 分利用自然资源，简化制备方法，满足可持续发展要求。
本发明的目的由以下技术方案实现首先，玉米秸秆芯穰粉碎， 在高沸点醇和碱组成的混合溶剂中高压蒸煮，抽滤和洗涤；然后，所 得滤渣氧化剂H202氧化，快速冷却；最后，冷冻干燥得吸附材料。
上述方法中，所述的玉米秸秆芯穰是将玉米秸秆去除叶及剥去硬外壳后的剩余物。
上述方法中，所述的玉米秸秆芯穰粉碎至1-2. 8mm。 上述方法中，所述的高沸点醇为乙二醇。
上述方法中，所述的碱为NaOH、KOH、NaHC03、Na2C03、KHC03 或K2C03;质量分数为2-10%。
上述方法中，所述的混合溶剂由2~6体积的醇与1体积的碱组成; 优选醇与碱的体积比为4: 1。
上述方法中，所述的玉米秸秆芯穰与混合溶剂按照lg玉米秸秆 芯穰与10-20mL的混合溶剂进行浸提。
上述方法中，所述的高压蒸煮是在高压釜中进行，压力为 0, 10-0. 15MPa;蒸煮时间20-50min，优选30min;
上述方法中，所述的玉米秸秆芯穰高压蒸煮后，经抽滤和洗涤步 骤，洗涤用的洗涤剂为体积浓度60%-80%乙醇，优选80%乙醇。
上述方法中，氧化剂为质量分数2%-8%的H20" lg玉米秸秆芯 穰洗涤后滤渣与4-8mL的仏02搅拌均匀后置于高压釜中蒸汽蒸煮 20-40min后，快速冷却；优选lg玉米芯穰洗涤后滤渣与5mL的5%的
H202混合氧化。
本发明具有以下优点
1、玉米秸秆芯穰吸附材料对中性蛋白酶的吸附百分率为97%，
对糖化酶的吸附百分率为80%以上；将吸附酶后的吸附材料加入被酶
催化的反应中可与相等量的游离酶催化效果相同，玉米秸秆芯穰制备
的吸附材料可作为固定化酶的载体材料，且不使酶失活。2、玉米秸秆芯穰原料来源广泛，工艺简便，全生物降解，对环 境无污染。
具体实施例方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是 本发明只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范 围的限制，该领域的技术人员可以根据上述内容作出一些非本质的改 进和调整。
实施例1:将去除叶及剥去硬外壳后的玉米秸秆芯穰粉碎至lmin， 称取10g,用70mL的乙二醇和质量分数为2%的35mL NaOH组成的 混合溶剂混匀，在高压釜中压力O. 1-0. 15MPa下蒸煮20min，抽滤， 用体积浓度为60%的乙醇洗涤至中性；所得滤渣用质量分数为2%的 H202 40rnL搅拌均匀，置于底部盛有水的高压釜中进行蒸汽蒸煮 20min，快速冷却，冷冻干燥，得蓬松状的白色吸附材料。
实施例2:将去除叶及剥去硬外壳后的玉米秸秆芯穰粉碎至2mm， 称取10g，用120mL的乙二醇和质量分数为6%的30mLNa2CO3组成 的混合溶剂混合，在高压釜中压力为O. 1-0. 15MPa下蒸煮30min，抽 滤，用体积浓度为70%乙醇洗涤至中性；所得滤渣用质量分数为5%的 H2O250mL搅拌均匀，置于底部盛有水的高压釜中进行蒸汽蒸煮 30min，水快速冷却，冷冻干燥得蓬松状的白色吸附材料。
实施例3:将去除叶及剥去硬外壳后的玉米秸秆芯穰粉碎至 2.8mm，称取10g，用180mL的乙二醇和质量分数为10%的30mL KHC03组成的混合溶剂混合，在高压釜中压力0. 1-0. 15MPa下蒸煮50min，抽滤，用体积浓度为80%乙醇洗涤至中性；所得滤渣用质量 分数为8%的H202 80rnL搅拌均匀，置于底部盛有水的高压釜中进行 蒸汽蒸煮40min，快速冷却，冷冻干燥得蓬松状的白色吸附材料。 应用实施例1
糖化酶的吸附取0.30g实例1所得的玉米秸秆芯穰吸附材料， 加入30 mL 1.0g/L的淀粉酶于100 mL烧杯中，在常温下不断搅拌 2min,用事先经过相同浓度的酶饱和后的滤纸过滤，加入水合茚三酮 显蓝紫色，该有色化合物在560nm波长下有最大吸收波长，用光度 法测定吸附前后溶液中的糖化酶浓度；按照以下公式计算吸附百分率 W: W%= (A。 一A) /A。 X 100，其中，A。为原溶液的吸光度，A 为吸附后溶液的吸光度，^为吸附百分率，结果为在常温下吸附材料 对糖化酶的吸附百分率为82%。
固载糖化酶的活力检测在3个已标号洁净的试管中加入1 mL 淀粉溶液，再向2号试管中加入稀释100倍的5g/L糖化酶4滴，向 3号试管中加入少许用蒸馏水洗涤3次的吸附糖化酶的玉米秸秆芯穰 吸附材料，2min后，向三只试管中再滴加相同量12溶液，结果加入 糖化酶溶液和吸附糖化酶的玉米秸秆芯穰吸附材料的溶液均无色，未 加糖化酶的溶液呈蓝色。
应用实施例2
中性蛋白酶的吸附取实例2所得的0. 30g玉米秸秆芯穰吸附材 料，30 mL 1.0g/L的中性蛋白酶于100 mL烧杯中，按照应用实施例 1相同的方法试验，测定滤液的浓度，计算吸附百分率；结果在常温下对中性蛋白酶的吸附百分率为97%。
固载中性蛋白酶的活力检测取3支试管编号，向3号试管中加 入少许用蒸馏水洗涤3次的吸附中性蛋白酶的玉米秸秆芯穰吸附材 料，1和2号试管中加入中性蛋白酶液lmL， 1号管立即加入0. 4mol/L 三氯乙酸溶液2mL，使酶失活；在3支试管中再加入lmLpH7.0、质 量分数为0.5%酪蛋白底物缓冲液，迅速混匀，并立即放入30'C恒温 水浴准确计时，保温15min后在2和3号试管中立即加入0. 4mol/L 三氯乙酸溶液2ml，使酶失活，终止反应，放置15min后，过滤，除 去剩余酪蛋白及酶蛋白沉淀物；同样l号试管即刻过滤，除去剩余酪 蛋白及酶蛋白沉淀物。然后取各试管滤液lmL，分别移入另3支试管 中，再加入0. 55mol/L碳酸钠溶液5ml和福林-酚试剂lmL，摇匀， 保温20min，观察颜色变化；结果加入中性蛋白酶溶液和吸附中性蛋 白酶的玉米秸秆芯穰吸附材料的溶液均呈蓝色，而使中性蛋白酶即刻 失活的1号试管溶液无色。
权利要求
1、玉米秸秆芯穰吸附材料，其特征在于该吸附材料由玉米秸杆芯穰制备而得。
2、 玉米秸秆芯穰吸附材料的制备方法，其特征在于该方法为-首先，将玉米秸秆芯穰粉碎，在高沸点醇和碱组成的混合溶剂中高压 蒸煮，抽滤和洗涤；然后，所得滤渣氧化剂H202氧化，快速冷却； 最后，冷冻干燥得吸附材料；所述的玉米秸秆芯穰是将玉米秸秆去除 叶及剥去硬外壳后的剩余物；所述的玉米秸秆芯穰粉碎至1-2. 8mm; 所述的高沸点醇为乙二醇；所述的碱为NaOH、 KOH、 NaHC03、 Na2C03、 KHC03或K2C03，质量分数为2-10%;所述的混合溶剂由 2~6体积的醇与1体积的碱组成;所述的玉米秸秆芯穰与混合溶剂按 照lg玉米秸秆芯穰与10-21mL混合溶剂进行浸提；所述的高压蒸煮 是在高压釜中进行，压力为0. 10-0. 15MPa,蒸煮时间20-50min;所 述的玉米秸秆芯穰高压蒸煮后，经抽滤和洗涤步骤，洗涤用的洗涤剂 为体积浓度60%-80%乙醇；所述氧化剂为质量分数2%-8%的H202， lg玉米秸秆芯穰洗涤后滤渣与4-8mL的仏02搅拌均匀，置于高压釜中 进行蒸汽蒸煮20-40min;蒸煮后快速冷却，冷冻干燥，得蓬松状的 白色吸附材料。
3、 根据权利要求2所述的一种玉米秸秆芯穰吸附材料的制备方 法，其特征在于混合溶剂中醇与碱的体积比为4: 1。
4. 根据权利要求2所述的一种玉米秸秆芯穰吸附材料的制备方 法，其特征在于在高压釜中用混合剂浸提蒸煮时间30min。
5. 根据权利要求2所述的一种玉米秸秆芯穰吸附材料的制备方 法，其特征在于在高压釜中用混合剂浸提蒸煮时间30min后抽滤和 洗涤，洗涤剂为体积浓度80%的乙醇溶液。
6. 根据权利要求2所述的一种玉米秸秆芯穰吸附材料的制备方 法，其特征在于氧化处理时，lg玉米秸秆芯穰洗涤后滤渣与5ml 的5%的^02混合。
全文摘要
本发明公开的玉米秸秆芯穰吸附材料及其制备方法，首先，玉米秸秆芯穰粉碎，在高沸点醇和碱组成的混合溶剂中高压蒸煮，抽滤和洗涤；然后，所得滤渣氧化剂H₂O₂氧化，快速冷却；最后，冷冻干燥得吸附材料。本发明方法以玉米秸秆芯穰为原料制备吸附材料，吸附材料有效地对中性蛋白酶和糖化酶进行吸附，且不使酶失活，充分利用自然资源，简化制备方法，满足可持续发展要求。
文档编号B01J20/24GK101524634SQ200810242760
公开日2009年9月9日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者燕 刘, 吕金顺, 宋远志, 徐继明, 纪丽莲, 褚效中 申请人:淮阴师范学院