一种具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒及其制备方法和在纤维素酶回收中的应用技术

本发明专利技术属于纤维素酶回收技术领域，公开了一种具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒及其制备方法和在纤维素酶回收中的应用。本发明专利技术制备方法包括以下步骤：(1)以木质素磺酸盐与季铵化试剂反应，得到具有pH响应性的木质素衍生物；(2)将具有pH响应性的木质素衍生物、铁盐及亚铁盐，在沉淀剂存在下通过化学共沉淀反应，得到具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒。本发明专利技术还提供上述方法制备得到的具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒，及其在纤维素酶回收中的应用。本发明专利技术的纳米颗粒可高效吸附固定纤维素酶并通过简单的调节pH使纤维素酶脱附，有效实现纤维素酶的高效回收，回收所得纤维素酶具有回收率高、活性高的特性，可循环利用。

A pH-responsive lignin magnetic nanoparticle and its preparation method and application in cellulase recovery

The invention belongs to the technical field of cellulase recovery, and discloses a lignin magnetic nanoparticle with pH responsiveness, a preparation method thereof and its application in cellulase recovery. The preparation method comprises the following steps: (1) lignin derivatives with pH responsiveness are obtained by reacting lignin sulfonate with quaternary ammonium reagent; (2) lignin magnetic nanoparticles with pH responsiveness are obtained by chemical coprecipitation of lignin derivatives, ferrite and ferrous salts with pH responsiveness in the presence of precipitator. The invention also provides the lignin magnetic nanoparticles with pH responsiveness prepared by the above method and their application in cellulase recovery. The nanoparticles of the invention can efficiently adsorb and immobilize cellulase and desorb cellulase by simply adjusting pH, thus effectively realizing efficient recovery of cellulase. The cellulase recovered has the characteristics of high recovery rate and high activity, and can be recycled.

【技术实现步骤摘要】
一种具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒及其制备方法和在纤维素酶回收中的应用
本专利技术属于纤维素酶回收
，特别涉及一种具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒及其制备方法和在纤维素酶回收中的应用。
技术介绍
当今世界仍然以化石资源和化石燃料作为主要能源，目前的石油化工工业发展模式具有不可持续性，化石资源作为不可再生资源造成资源危机，化石燃料作为不可再生能源造成能源危机，工业发展过程中的三废排放导致生态环境的破坏造成环境危机。因此，生物质资源的开发与高效利用是人类可持续发展的必然选择。利用纤维素酶催化水解纤维素从而转化为燃料乙醇是生物质高效利用的重要途径。然而纤维素酶在生产利用过程中，存在生产效率低、生产成本高、易失活的缺点。酶回收技术的发展为降低纤维素酶使用成本提供了有效解决方案。纤维素酶的固定化可以保持纤维素酶的稳定性且有利于纤维素酶的回收利用。常见的纤维素酶固定化载体可分为可溶性载体材料，不可溶性载体材料和智能可溶-不可溶载体材料。可溶性载体对纤维素酶的固定化率高，但热力学稳定性并没有显著提高，并且存在纤维素酶与底物的分离困难和回收困难等问题。智能可溶-不溶性载体，是指利用化学改性得到在溶液中具有溶解-沉淀响应性的载体材料，此种载体溶解状态下对纤维素酶的固定化率高、沉淀状态下易于分离回收，但是其制备工艺复杂，对仪器、设备等要求较高。传统不可溶性载体材料由于比表面积小，因此对纤维素酶的固定化率相比前两种载体略低。分散性好的磁性纳米材料可作为一种优异的用于纤维素酶固定化的不溶性载体材料，纳米材料的比表面积大，表面原子数多等特点解决了传统不溶性载体材料传质阻力大的缺点，大大提高了纤维素酶的固定化率；并且由于其磁性的特点可利用外加磁场对其进行分离回收，操作简单、安全。邱广亮等用氧化铁对明胶改性，制成纳米级磁性明胶颗粒，用于吸附固定纤维素酶，使用该固定化酶重复水解羧甲基纤维素(CMC)每次1h，9次后还原糖生成量下降了约50％。(药物生物技术，2001.8(4)：197～199.)王玫等用氨水作共沉淀剂将硫酸亚铁和氯化铁共沉淀法制得磁性纳米颗粒四氧化三铁，然后用N-羰基二咪唑(CDI)共价结合纤维素酶，重复使用10次后仍保留约80％的活性。(光谱学与光谱分析，2006.26(5)：895～898)Kamyar等通过将纤维素酶通过物理吸附固定在超顺磁性纳米粒子上其固定效率达95％，研究表明，通过离子束缚将纤维素酶固定在超顺磁性纳米粒子上可以提高操作稳定性，并且使得固定化纤维素酶较游离酶具有更宽的pH反应活性。(ChemicalEngineeringJournal,2011,171(2):669～673.)Tao等以纤维素酶为模板，采用分子印迹法制备磁性Fe3O4@SiO2纳米粒子。并且用精氨酸化学修饰纳米颗粒的表面，纤维素酶固定效率达70％以上，在重复使用7个循环后，固定化酶仍保留77％的原始活性。(JournalofNanoscience&Nanotechnology,2016,16(6):6055～6060.)但是这些研究都旨在将纤维素酶吸附固定在磁性纳米材料上，然后把酶和载体的结合体共同作用于底物，并没有将纤维素酶解析出来，这样，在纤维素酶水解木质纤维素过程中仍然存在较大的困难和阻碍。木质素是自然界中数量仅次于纤维素的天然高分子，每年我国因造纸工业得到的副产物工业木质素作为废弃物被大量堆积或直接焚烧以获取低量的热值，不仅没有发挥木质素本身的价值，还存在环境污染等问题。经季铵化改性的木质素磺酸盐含有磺酸根和季铵根等官能团，使其具有pH响应性，是一种天然高分子两性表面活性剂，可作为磁性纳米材料的分散剂，并且通过带电官能团与纤维素酶的作用，可以使纤维素酶吸附固定在木质素磁性纳米颗粒上。具有pH响应的木质素磁性纳米颗粒在固定纤维素酶后可通过调节溶液pH使纤维素酶脱附出来。提高了纤维素酶的使用效率。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒的制备方法。本专利技术制备方法以制浆造纸副产物木质素为原料，经过化学反应改性成具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒，将其用于纤维素酶的固定化回收。本专利技术另一目的在于提供上述方法制备得到的具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒，扩大了工业木质素的应用。本专利技术再一目的在于提供上述具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒在纤维素酶回收中的应用。本专利技术的木质素磁性纳米颗粒可吸附固定纤维素酶并通过简单的调节pH使纤维素酶脱附，有效实现纤维素酶的高效回收，克服了纤维素酶在使用过程中存在的生产效率低、生产成本高、易失活等缺陷和不足；而且，操作简单，绿色环保的利用具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒对纤维素酶进行酶回收。本专利技术的目的通过下述方案实现：一种具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：(1)以木质素磺酸盐与季铵化试剂反应，得到具有pH响应性的木质素衍生物；(2)将具有pH响应性的木质素衍生物、铁盐及亚铁盐，在沉淀剂存在下通过化学共沉淀反应，得到具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒。步骤(1)中，所述木质素磺酸盐与季铵化试剂的质量比优选为1:0.5～1:4。步骤(2)中，所用铁盐及亚铁盐以亚铁离子和铁离子的摩尔比为准，优选为1:1.5～1:2，更优选为1:2。步骤(2)中，所用具有pH响应性的木质素衍生物的量优选为铁盐及亚铁盐总质量的5～20％，优选为15％。步骤(2)中，所述共沉淀反应优选为在400～1000rpm搅拌下反应1～3h。步骤(2)中，所述共沉淀剂的用量与具有pH响应性的木质素衍生物的质量比例优选为0.5:1～2:1。所述共沉淀剂优选为配成溶液后再缓慢滴加到体系中，所述滴加速度优选为0.2～2mL/min。步骤(1)中，本专利技术通过与铵化试剂反应，引入阳离子基团和/或阴离子基团得到的具有pH响应的季铵化木质素磺酸盐，其中阴离子基团为羧基、磺酸基；阳离子基团为季铵基或胺基。步骤(1)中，所述木质素磺酸盐可为但不限于松木木钠、杨木木钠、俄罗斯木钠或磺化碱木质素等。步骤(1)中，所述的季铵化试剂可为但不限于(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵(CHPTAC)、四甲基氢氧化铵、乙烯基苯甲基氯化铵等，优选为(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵(CHPTAC)。步骤(1)中，所述反应在碱性条件下进行，所述碱性条件可通过加入氢氧化钠溶液等碱溶液进行调节。所用氢氧化钠溶液(浓度优选为20wt％)的量优选与木质素磺酸盐的质量比为0.15:1～1.5:1。步骤(1)中，所述反应优选为在80～90℃下反应2～4小时。步骤(2)中，所述铁盐为水溶性铁盐即可，优选为氯化铁或其水合物。步骤(2)中，所述亚铁盐为水溶性亚铁盐即可，优选为氯化亚铁或其水合物、硫酸亚铁或其水合物。步骤(2)中，所述的沉淀剂为本领域常规的无机碱、有机碱或碱性溶液即可，如可为氨水、氢氧化钠。本专利技术还提供上述方法制备得到的具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒。本专利技术还提供上述具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒在纤维素酶回收中的应用。本专利技术的木质素磁性纳米颗粒可吸附固定纤维素酶并通过简单的调节pH使纤维素酶脱附，有效实现纤维素酶的高效回收，克服了纤维素酶在使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)以木质素磺酸盐与季铵化试剂反应，得到具有pH响应性的木质素衍生物；(2)将具有pH响应性的木质素衍生物、铁盐及亚铁盐，在沉淀剂存在下通过化学共沉淀反应，得到具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)以木质素磺酸盐与季铵化试剂反应，得到具有pH响应性的木质素衍生物；(2)将具有pH响应性的木质素衍生物、铁盐及亚铁盐，在沉淀剂存在下通过化学共沉淀反应，得到具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述木质素磺酸盐与季铵化试剂的质量比为1:0.5～1:4；步骤(2)中，所用铁盐及亚铁盐以亚铁离子和铁离子的摩尔比为准，为1:1.5～1:2；步骤(2)中，所用具有pH响应性的木质素衍生物的量为铁盐及亚铁盐总质量的5～20％；步骤(2)中，所述共沉淀剂的用量与具有pH响应性的木质素衍生物的质量比例为0.5:1～2:1。3.根据权利要求1所述的具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述木质素磺酸盐包括松木木钠、杨木木钠、俄罗斯木钠和磺化碱木质素中的至少一种；所述的季铵化试剂包括(3-氯-2-羟丙基)三甲基氯化铵、四甲基氢氧化铵、乙烯基苯甲基氯化铵中的至少一种。4.根据权利要求1所述的具有pH响应性的木质素磁性纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述铁盐为水溶性铁盐，包括氯化铁...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱学青，董芮璟，郑大锋，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44