α-淀粉酶在D201GF樹脂上的吸附性能研究

李 湘，郭海福，李 妍，陳新鵬

（肇慶學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，廣東 肇慶 526061）

α-淀粉酶在D201GF樹脂上的吸附性能研究

李 湘，郭海福，李 妍，陳新鵬

（肇慶學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，廣東 肇慶 526061）

應(yīng)用D201GF陰離子交換樹脂吸附固載α-淀粉酶．研究了D201GF陰離子交換樹脂對水溶液中α-淀粉酶的吸附熱力學(xué)和吸附動力學(xué)特性．分析了體系溫度、pH值和離子強(qiáng)度對α-淀粉酶吸附的影響．熱力學(xué)研究表明，α-淀粉酶在D201GF陰離子交換樹脂上的吸附平衡數(shù)據(jù)遵循Langmuir吸附等溫方程，過程吸熱．較高的溫度、較低的pH值和離子強(qiáng)度均有利于α-淀粉酶的吸附．動力學(xué)研究顯示，D201GF陰離子交換樹脂對α-淀粉酶的吸附過程主要受內(nèi)擴(kuò)散控制．

D201GF樹脂；α-淀粉酶；吸附動力學(xué)；吸附熱力學(xué)

α-淀粉酶主要用作淀粉的液化劑，廣泛應(yīng)用于葡萄糖、酒精、發(fā)酵和紡織褪漿的生產(chǎn)上[1－2]．由于游離酶對環(huán)境十分敏感,各種物理及化學(xué)因素均有可能使酶喪失生物活力,因此較難回收,使用成本高．有研究者將酶吸附或者鍵合在高分子材料上[3－4]，賦予酶以下優(yōu)點(diǎn)：對熱及pH值等變化的穩(wěn)定性提高；反應(yīng)完成后經(jīng)簡單的過濾就可回收，便于重復(fù)使用，大大降低了生產(chǎn)成本；能實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動化生產(chǎn)；體系中較少代入甚至不帶入酶蛋白,簡化了后續(xù)分離純化工藝．目前，有關(guān)α-淀粉酶在高分子吸附材料上固化的吸附熱力學(xué)和吸附動力學(xué)研究報(bào)道還比較少見．

本文中，筆者擬用靜態(tài)吸附的方法考察α-淀粉酶在D201GF陰離子交換樹脂上的吸附熱力學(xué)性質(zhì)，研究體系pH值、離子強(qiáng)度以及反應(yīng)溫度對該相平衡的影響．同時(shí)，采用邊界模型考察α-淀粉酶在D201GF陰離子交換樹脂上的交換動力學(xué)，確定速度控制步驟．此外，擬從熱力學(xué)和動力學(xué)的角度揭示α-淀粉酶在D201GF陰離子交換樹脂上的吸附行為，為α-淀粉酶的固定化提供理論依據(jù)．

1 材料與方法

1．1 實(shí)驗(yàn)材料

α-淀粉酶購自廣東環(huán)凱微生物科技有限公司．D201GF購自南開大學(xué)化工廠，為強(qiáng)堿性苯乙烯系陰離子交換樹脂，功能基團(tuán)為－N＋(CH3)3，篩取平均粒徑為1．1 mm的樹脂，依次用體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇、1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl處理后，洗滌至中性，烘干備用．其他無機(jī)鹽試劑均為國產(chǎn)分析純產(chǎn)品．

實(shí)驗(yàn)所用儀器如下：UV/VIS916紫外－可見分光光度計(jì)（澳大利亞GBC公司）；PHS-25酸度計(jì)（上海雷磁儀器廠）；恒溫震蕩器（億通SHA-B型）等．

1．2 平衡吸附和動力學(xué)實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取適量經(jīng)過預(yù)處理的D201GF陰離子交換樹脂，置于250 mL的錐形瓶中，分別加入適量體積的系列濃度α-淀粉酶水溶液．在恒溫震蕩器中恒速振動超過24 h，確保達(dá)到吸附平衡．采用紫外分光光度法測定溶液中α-淀粉酶的初始濃度和平衡濃度，根據(jù)式（1）計(jì)算平衡吸附量q(mmol/g)．分別變化溫度、pH值和離子強(qiáng)度重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)．

式中：Qe為樹脂的平衡交換容量，mg/g；C0為α-淀粉酶溶液的初始濃度，mg/L；C為平衡時(shí)α-淀粉酶的濃度，mg/L；V為溶液的體積，L；ms為樹脂質(zhì)量，g．

動力學(xué)實(shí)驗(yàn)采用有限浴法，將一定量的D201GF陰離子交換樹脂和α-淀粉酶溶液同時(shí)放入錐形瓶中，置于恒溫震蕩器上振蕩，使吸附質(zhì)與吸附劑之間充分接觸并定時(shí)取樣，測定溶液中的α-淀粉酶濃度，可計(jì)算得出各時(shí)刻的吸附量．某一時(shí)刻的吸附分?jǐn)?shù)可由式（2）計(jì)算得到．

式中：Ci為第i次取樣測得的α-淀粉酶的濃度，mg/L；V0為α-淀粉酶溶液的初始體積，L；Vi為第i次取樣時(shí)α-淀粉酶溶液的體積，L；vj為第j次取樣的溶液體積，L；Q為樹脂的交換容量，mg/g．

2 結(jié)果與討論

2．1 靜態(tài)吸附熱力學(xué)研究

2．1．1 溫度對吸附相平衡的影響

圖1是D201GF樹脂對α-淀粉酶在溫度為293．0 K、303．5 K和313．2 K下的吸附等溫線．從圖1可以看出，在本文考察濃度范圍內(nèi)，D201GF樹脂對α-淀粉酶的吸附等溫線屬于優(yōu)惠型的I類等溫線．溫度越高，α-淀粉酶在D201GF樹脂上的吸附量就越大．這表明α-淀粉酶在D201GF樹脂上的吸附過程為吸熱反應(yīng)．

2．1．2 溶液pH值對吸附相平衡的影響

D201GF陰離子交換樹脂是強(qiáng)堿性樹脂，溶液pH值是影響樹脂交換容量的一個(gè)重要因素．pH值對吸附劑吸附性能的影響見圖2．由圖2可見，在本研究的pH值范圍內(nèi)，隨著pH值增大，D201GF陰離子交換樹脂對α-淀粉酶的吸附能力由大變小，總體上變化不超過7%．溶液pH值對離子交換樹脂α-淀粉酶的吸附能力的影響是多方面的[6]．首先，溶液pH值增大，α-淀粉酶作為一種兩性蛋白質(zhì)分子，堿性增強(qiáng)有利于α-淀粉酶陰離子化，帶負(fù)電荷陰離子化的α-淀粉酶濃度增大，使得其在D201GF陰離子交換樹脂上的吸附容量上升．這一點(diǎn)對α-淀粉酶在D201GF陰離子交換樹脂上吸附的影響占主導(dǎo)地位．其次，溶液pH值對蛋白質(zhì)分子的立體結(jié)構(gòu)有較大影響，隨著溶液pH值增大，會使得蛋白質(zhì)分子呈現(xiàn)膨脹擴(kuò)展的趨勢，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子的幾何尺寸變大[7]，從而使得吸附容量下降．另外，隨著溶液pH值的增加，陰離子交換劑中配基的離子化程度減弱，這也會導(dǎo)致吸附容量降低[8]，但對于強(qiáng)堿性樹脂D201GF，pH值對配基離子化程度的影響可以忽略．正是這3方面的協(xié)同作用，決定了α-淀粉酶在D201GF陰離子交換樹脂上吸附容量的變化．最后還必須考慮的是，對于生物活性分子而言，過強(qiáng)的吸附作用力以及劇烈的負(fù)載條件都會增加蛋白變性失活的機(jī)會，所以吸附時(shí)α-淀粉酶溶液的pH值不宜過低或過高．為此，在考察pH值對樹脂吸附α-淀粉酶的影響時(shí)，選擇pH值在5．0～7．0之間為宜，在此pH值范圍內(nèi)α-淀粉酶主要顯現(xiàn)負(fù)離子特性．

2．1．3 離子強(qiáng)度對吸附相平衡的影響

離子強(qiáng)度對吸附劑吸附性能的影響見圖3．由圖3可見，在本研究的離子強(qiáng)度值范圍內(nèi)，隨著離子強(qiáng)度的增高，α-淀粉酶在D201GF陰離子交換樹脂上的吸附容量有較大幅度的降低．這主要有2方面原因：一是溶液離子強(qiáng)度的提高掩蔽蛋白質(zhì)自身所帶的電荷，使之與陰離子吸附劑中配基的相互作用力減弱，導(dǎo)致吸附容量下降；二是溶液離子可能與α-淀粉酶的吸附點(diǎn)位競爭性結(jié)合，從而吸附容量下降．該實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，采用離子濃度梯度洗脫的方法，可以將α-淀粉酶從D201GF陰離子交換樹脂上解吸．

圖1 溫度對α-淀粉酶在D201GF樹脂上的吸附等溫線的影響(pH值為6．8，離子強(qiáng)度為0．6)

圖2 pH值對α-淀粉酶在D201GF樹脂上吸附等溫線的影響 (體系溫度為293．0 K，離子強(qiáng)度為0．6)

圖3 離子強(qiáng)度對α-淀粉酶在D201GF樹脂上吸附等溫線的影響(體系溫度為293．0 K，pH值為6．8)

2．1．4 吸附等溫線模型

表1 α-淀粉酶在D201GF樹脂上吸附的相平衡常數(shù)

2．1．5 α-淀粉酶在D201GF樹脂上吸附的熱力學(xué)性質(zhì)

α-淀粉酶在D201GF樹脂上吸附的焓變ΔH可采用Van’t Hoff方程進(jìn)行計(jì)算,如式(3)所示：

吸附熵變ΔS按式(4)的方程計(jì)算：

吸附自由能變ΔG按式(5)計(jì)算：

表2 α-淀粉酶在D201GF樹脂上吸附的熱力學(xué)參數(shù)

吸附過程的焓變ΔH、熵變ΔS及自由能變ΔG結(jié)果如表2所示．由表2可見，吸附過程的焓變ΔH為正值，說明α-淀粉酶在D201GF樹脂上的吸附過程為吸熱反應(yīng)．ΔS為正,說明α-淀粉酶在D201GF樹脂上的吸附是熵推動過程．根據(jù)吸附交換理論,對于固－液吸附,溶質(zhì)分子由液相吸附交換到固體表面時(shí)，其自由度降低,該過程屬于熵減少過程；但在液相中,溶質(zhì)的交換吸附往往使樹脂發(fā)生收縮,樹脂相中的交換基團(tuán)和反離子的部分水化水釋放到溶液相中,而水分子的脫附進(jìn)入液相是熵增大的過程,交換吸附過程的熵變是兩者的總和[5]．對于以水為溶劑的體系,由于大多數(shù)有機(jī)物的分子體積遠(yuǎn)大于水,故而它們的吸附過程ΔS常常大于零；因此,盡管吸附使α-淀粉酶分子的自由度減少,但由于存在表面的化學(xué)吸附,吸附質(zhì)在D201GF樹脂表面以化學(xué)鍵結(jié)合,最終導(dǎo)致ΔS＞0．自由能變 ΔG＜0，說明α-淀粉酶在D201GF樹脂上的吸附過程能夠自發(fā)進(jìn)行．

2．2 靜態(tài)吸附動力學(xué)研究

2．2．1 吸附動力學(xué)模型

采用Hellfrich的理論分析方法，運(yùn)用邊界模型研究α-淀粉酶在D201GF樹脂上吸附的傳質(zhì)控速步驟，以此為基礎(chǔ)計(jì)算相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)．根據(jù)該動邊界模型理論，離子交換反應(yīng)控速步驟有3種可能性，即液膜擴(kuò)散控制、顆粒擴(kuò)散控制和化學(xué)反應(yīng)控制．

當(dāng)離子交換過程為液膜擴(kuò)散控制時(shí)，

當(dāng)離子交換過程為顆粒擴(kuò)散控制時(shí)，

當(dāng)離子交換過程為化學(xué)反應(yīng)控制時(shí)，

在式(3)～(5)中：r0為樹脂粒徑，m；a 是化學(xué)計(jì)量常數(shù) 8．315，kc是化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)，m4/(mo1·s－1)；D 為顆粒擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；kf為液膜傳質(zhì)系數(shù)，m/s．

根據(jù)動力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以 t為橫軸，分別對函數(shù) F、[1－3(1－F)2/3＋2(1－F)]和[1－(1－F)2/3]作圖并進(jìn)行線性回歸，結(jié)果如圖 4 所示．圖 4 回歸結(jié)果顯示，t與[1－3(1－F)2/3＋2(1－F)]線性相關(guān)性最佳（R2＝0．992），可初步認(rèn)定α-淀粉酶在D201GF樹脂上的吸附過程主要受顆粒擴(kuò)散控制[5,9]．

圖4 α-淀粉酶在D201GF樹脂上吸附動力學(xué)模型線性擬合結(jié)果(pH值為 6．8，離子強(qiáng)度為0．59)

圖5 不同溫度下α-淀粉酶在D201GF樹脂上吸附動力學(xué)模型擬合結(jié)果(pH 值為6．8，離子強(qiáng)度為0．59)

2．2．2 溫度對擴(kuò)散系數(shù)的影響

維持其他條件不變，分別測定了D201GF樹脂在不同溫度下吸附α-淀粉酶的吸附動力學(xué)曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5所示．在不同溫度下，t均與[1－3(1－F)2/3＋2(1－F)]呈良好的線性關(guān)系，這進(jìn)一步表明顆粒擴(kuò)散控制是該反應(yīng)過程的控速步驟．由圖5各直線斜率計(jì)算可知，隨著體系溫度升高，內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)也增大，分別為 5．82×10－12m2/s，7．63×10－12m2/s和 8．52×10－12m2/s．

3 結(jié)論

本文應(yīng)用D201GF陰離子交換樹脂吸附固載α-淀粉酶，研究了α-淀粉酶在D201GF陰離子交換樹脂上的吸附熱力學(xué)和吸附動力學(xué)特性．分析了體系溫度、pH值和離子強(qiáng)度對α-淀粉酶吸附的影響．研究表明，α-淀粉酶在D201GF陰離子交換樹脂上的吸附平衡數(shù)據(jù)遵循Langmuir吸附等溫方程．吸附過程ΔH＞0，ΔS＞0，表明此吸附過程吸熱，升高溫度有利于吸附反應(yīng)的發(fā)生；較低的溶液pH值及較低的離子強(qiáng)度都有利于α-淀粉酶的吸附．采用動邊界模型理論研究結(jié)果顯示，D201GF陰離子交換樹脂對α-淀粉酶的吸附過程主要受內(nèi)擴(kuò)散控制，擴(kuò)散系數(shù)數(shù)量級為10－12．

[1] SWETHA S,DHANYA G,KESAVAN M,et al.α-amylases from microbial sources[J].Food Technol Biotechnol,2006,44(2):173-184.

[2]SCHALLMEY M,SINGH A,WARD O P.Developments in the use of Bacillus species for industrial production[J].Can J Microbiol,2004,50(1):1-17.

[3] 玄光善,聶紅艷,吳效楠.α-淀粉酶的固定化及其在鄰硝基對甲基苯酚還原反應(yīng)中的應(yīng)用[J].化學(xué)與生物工程,2008,25(10):31-34.

[4] SZCZESNA-ANTEZAK M,ANTCZAK T,RZYSKA M,et a1.Catalytic properties Of membrane-bound Mucor lipase immobilized in a hydrophilic carrier[J].J Mol Catalysis B:Enzymatic,2002,19/20:261-268.

[5] WENMING W,VASILIS F.Kinetics study on separation of cadmium from tellurium in acidic solution media using ion-exchange resins[J].Journal of Hazardous Materials,2005,125(1/3):80-88.

[6] 陳衛(wèi)東,董曉燕,孫彥.陰離子交換劑DEAE-Spherodex M的蛋白質(zhì)吸附性能[J].化學(xué)工程,2004,32(6):57-61.

[7] TANFORD C,BUZZELL J G，RANDS D G,et a1.The reversible expansion of bovine serum albumin in acid solutions[J].J Am Chem Soc，1955，77：6 421-6 428.

[8] BAUTLSTA L F,MARTINEZ M,ARACIL J.Adsorption equilibrium of a-amylase in aqueous solutions[J].AIChE Journal,1999,45:761-768.

[9] 陶大峻,張磊,吳偉杰,等.陰離子樹脂D02吸附2-酮基-L-古龍酸的熱力學(xué)和動力學(xué)研究[J].離子交換與吸附,2007,23(6):498-505.

Study on Adsorption Thermodynamics and Kinetics of α-Amylase on D201GF Resin

LI Xiang,GUO Haifu,LI Yan,CHEN Xinpeng

（College of Chemistry and Chemical Engineering,Zhaoqing University,Zhaoqing,Guangdong 526061,China）

The aqueous adsorption thermodynamics and kinetics ofα-amylase on D201GF resin have been investigated by batch experiments.The influence of pH,ionic strength and temperature on the equilibrium of a-amylase adsorption was studied.The adsorption isotherms were fit well by the Langmuir equation within the concentration range studied.The results showed that the process of adsorption of α-amylase on D201GF resin was endothermic.A moderate higher temperature,lower pH or lower ionic strength is in favor of the adsorption of a-amylase on D201GF resin.The kinetics experiments showed that the particle diffusion was the rate-controlling step.

D201GF resin;a-amylase;adsorption thermodynamics;adsorption kinetics

O647．3

A

1009－8445（2011）02－0037－05

（責(zé)任編輯：陳 靜）

2010－11－22

廣東省科學(xué)技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目（2006B20330006）

梁廣堅(jiān)（1949－），男，廣東郁南人，肇慶學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院教授，碩士．