α-淀粉酶在D201GF树脂上的吸附性能研究

李 湘，郭海福，李 妍，陈新鹏

（肇庆学院 化学化工学院，广东 肇庆 526061）

α-淀粉酶在D201GF树脂上的吸附性能研究

李 湘，郭海福，李 妍，陈新鹏

（肇庆学院 化学化工学院，广东 肇庆 526061）

应用D201GF阴离子交换树脂吸附固载α-淀粉酶．研究了D201GF阴离子交换树脂对水溶液中α-淀粉酶的吸附热力学和吸附动力学特性．分析了体系温度、pH值和离子强度对α-淀粉酶吸附的影响．热力学研究表明，α-淀粉酶在D201GF阴离子交换树脂上的吸附平衡数据遵循Langmuir吸附等温方程，过程吸热．较高的温度、较低的pH值和离子强度均有利于α-淀粉酶的吸附．动力学研究显示，D201GF阴离子交换树脂对α-淀粉酶的吸附过程主要受内扩散控制．

D201GF树脂；α-淀粉酶；吸附动力学；吸附热力学

α-淀粉酶主要用作淀粉的液化剂，广泛应用于葡萄糖、酒精、发酵和纺织褪浆的生产上[1－2]．由于游离酶对环境十分敏感,各种物理及化学因素均有可能使酶丧失生物活力,因此较难回收,使用成本高．有研究者将酶吸附或者键合在高分子材料上[3－4]，赋予酶以下优点：对热及pH值等变化的稳定性提高；反应完成后经简单的过滤就可回收，便于重复使用，大大降低了生产成本；能实现连续自动化生产；体系中较少代入甚至不带入酶蛋白,简化了后续分离纯化工艺．目前，有关α-淀粉酶在高分子吸附材料上固化的吸附热力学和吸附动力学研究报道还比较少见．

本文中，笔者拟用静态吸附的方法考察α-淀粉酶在D201GF阴离子交换树脂上的吸附热力学性质，研究体系pH值、离子强度以及反应温度对该相平衡的影响．同时，采用边界模型考察α-淀粉酶在D201GF阴离子交换树脂上的交换动力学，确定速度控制步骤．此外，拟从热力学和动力学的角度揭示α-淀粉酶在D201GF阴离子交换树脂上的吸附行为，为α-淀粉酶的固定化提供理论依据．

1 材料与方法

1．1 实验材料

α-淀粉酶购自广东环凯微生物科技有限公司．D201GF购自南开大学化工厂，为强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂，功能基团为－N＋(CH3)3，筛取平均粒径为1．1 mm的树脂，依次用体积分数为95%的乙醇、1 mol/L NaOH和1 mol/L HCl处理后，洗涤至中性，烘干备用．其他无机盐试剂均为国产分析纯产品．

实验所用仪器如下：UV/VIS916紫外－可见分光光度计（澳大利亚GBC公司）；PHS-25酸度计（上海雷磁仪器厂）；恒温震荡器（亿通SHA-B型）等．

1．2 平衡吸附和动力学实验

准确称取适量经过预处理的D201GF阴离子交换树脂，置于250 mL的锥形瓶中，分别加入适量体积的系列浓度α-淀粉酶水溶液．在恒温震荡器中恒速振动超过24 h，确保达到吸附平衡．采用紫外分光光度法测定溶液中α-淀粉酶的初始浓度和平衡浓度，根据式（1）计算平衡吸附量q(mmol/g)．分别变化温度、pH值和离子强度重复上述实验．

式中：Qe为树脂的平衡交换容量，mg/g；C0为α-淀粉酶溶液的初始浓度，mg/L；C为平衡时α-淀粉酶的浓度，mg/L；V为溶液的体积，L；ms为树脂质量，g．

动力学实验采用有限浴法，将一定量的D201GF阴离子交换树脂和α-淀粉酶溶液同时放入锥形瓶中，置于恒温震荡器上振荡，使吸附质与吸附剂之间充分接触并定时取样，测定溶液中的α-淀粉酶浓度，可计算得出各时刻的吸附量．某一时刻的吸附分数可由式（2）计算得到．

式中：Ci为第i次取样测得的α-淀粉酶的浓度，mg/L；V0为α-淀粉酶溶液的初始体积，L；Vi为第i次取样时α-淀粉酶溶液的体积，L；vj为第j次取样的溶液体积，L；Q为树脂的交换容量，mg/g．

2 结果与讨论

2．1 静态吸附热力学研究

2．1．1 温度对吸附相平衡的影响

图1是D201GF树脂对α-淀粉酶在温度为293．0 K、303．5 K和313．2 K下的吸附等温线．从图1可以看出，在本文考察浓度范围内，D201GF树脂对α-淀粉酶的吸附等温线属于优惠型的I类等温线．温度越高，α-淀粉酶在D201GF树脂上的吸附量就越大．这表明α-淀粉酶在D201GF树脂上的吸附过程为吸热反应．

2．1．2 溶液pH值对吸附相平衡的影响

D201GF阴离子交换树脂是强碱性树脂，溶液pH值是影响树脂交换容量的一个重要因素．pH值对吸附剂吸附性能的影响见图2．由图2可见，在本研究的pH值范围内，随着pH值增大，D201GF阴离子交换树脂对α-淀粉酶的吸附能力由大变小，总体上变化不超过7%．溶液pH值对离子交换树脂α-淀粉酶的吸附能力的影响是多方面的[6]．首先，溶液pH值增大，α-淀粉酶作为一种两性蛋白质分子，碱性增强有利于α-淀粉酶阴离子化，带负电荷阴离子化的α-淀粉酶浓度增大，使得其在D201GF阴离子交换树脂上的吸附容量上升．这一点对α-淀粉酶在D201GF阴离子交换树脂上吸附的影响占主导地位．其次，溶液pH值对蛋白质分子的立体结构有较大影响，随着溶液pH值增大，会使得蛋白质分子呈现膨胀扩展的趋势，导致蛋白质分子的几何尺寸变大[7]，从而使得吸附容量下降．另外，随着溶液pH值的增加，阴离子交换剂中配基的离子化程度减弱，这也会导致吸附容量降低[8]，但对于强碱性树脂D201GF，pH值对配基离子化程度的影响可以忽略．正是这3方面的协同作用，决定了α-淀粉酶在D201GF阴离子交换树脂上吸附容量的变化．最后还必须考虑的是，对于生物活性分子而言，过强的吸附作用力以及剧烈的负载条件都会增加蛋白变性失活的机会，所以吸附时α-淀粉酶溶液的pH值不宜过低或过高．为此，在考察pH值对树脂吸附α-淀粉酶的影响时，选择pH值在5．0～7．0之间为宜，在此pH值范围内α-淀粉酶主要显现负离子特性．

2．1．3 离子强度对吸附相平衡的影响

离子强度对吸附剂吸附性能的影响见图3．由图3可见，在本研究的离子强度值范围内，随着离子强度的增高，α-淀粉酶在D201GF阴离子交换树脂上的吸附容量有较大幅度的降低．这主要有2方面原因：一是溶液离子强度的提高掩蔽蛋白质自身所带的电荷，使之与阴离子吸附剂中配基的相互作用力减弱，导致吸附容量下降；二是溶液离子可能与α-淀粉酶的吸附点位竞争性结合，从而吸附容量下降．该实验结果也表明，采用离子浓度梯度洗脱的方法，可以将α-淀粉酶从D201GF阴离子交换树脂上解吸．

图1 温度对α-淀粉酶在D201GF树脂上的吸附等温线的影响(pH值为6．8，离子强度为0．6)

图2 pH值对α-淀粉酶在D201GF树脂上吸附等温线的影响 (体系温度为293．0 K，离子强度为0．6)

图3 离子强度对α-淀粉酶在D201GF树脂上吸附等温线的影响(体系温度为293．0 K，pH值为6．8)

2．1．4 吸附等温线模型

表1 α-淀粉酶在D201GF树脂上吸附的相平衡常数

2．1．5 α-淀粉酶在D201GF树脂上吸附的热力学性质

α-淀粉酶在D201GF树脂上吸附的焓变ΔH可采用Van’t Hoff方程进行计算,如式(3)所示：

吸附熵变ΔS按式(4)的方程计算：

吸附自由能变ΔG按式(5)计算：

表2 α-淀粉酶在D201GF树脂上吸附的热力学参数

吸附过程的焓变ΔH、熵变ΔS及自由能变ΔG结果如表2所示．由表2可见，吸附过程的焓变ΔH为正值，说明α-淀粉酶在D201GF树脂上的吸附过程为吸热反应．ΔS为正,说明α-淀粉酶在D201GF树脂上的吸附是熵推动过程．根据吸附交换理论,对于固－液吸附,溶质分子由液相吸附交换到固体表面时，其自由度降低,该过程属于熵减少过程；但在液相中,溶质的交换吸附往往使树脂发生收缩,树脂相中的交换基团和反离子的部分水化水释放到溶液相中,而水分子的脱附进入液相是熵增大的过程,交换吸附过程的熵变是两者的总和[5]．对于以水为溶剂的体系,由于大多数有机物的分子体积远大于水,故而它们的吸附过程ΔS常常大于零；因此,尽管吸附使α-淀粉酶分子的自由度减少,但由于存在表面的化学吸附,吸附质在D201GF树脂表面以化学键结合,最终导致ΔS＞0．自由能变 ΔG＜0，说明α-淀粉酶在D201GF树脂上的吸附过程能够自发进行．

2．2 静态吸附动力学研究

2．2．1 吸附动力学模型

采用Hellfrich的理论分析方法，运用边界模型研究α-淀粉酶在D201GF树脂上吸附的传质控速步骤，以此为基础计算相应的扩散系数．根据该动边界模型理论，离子交换反应控速步骤有3种可能性，即液膜扩散控制、颗粒扩散控制和化学反应控制．

当离子交换过程为液膜扩散控制时，

当离子交换过程为颗粒扩散控制时，

当离子交换过程为化学反应控制时，

在式(3)～(5)中：r0为树脂粒径，m；a 是化学计量常数 8．315，kc是化学反应速率常数，m4/(mo1·s－1)；D 为颗粒扩散系数，m2/s；kf为液膜传质系数，m/s．

根据动力学实验结果，以 t为横轴，分别对函数 F、[1－3(1－F)2/3＋2(1－F)]和[1－(1－F)2/3]作图并进行线性回归，结果如图 4 所示．图 4 回归结果显示，t与[1－3(1－F)2/3＋2(1－F)]线性相关性最佳（R2＝0．992），可初步认定α-淀粉酶在D201GF树脂上的吸附过程主要受颗粒扩散控制[5,9]．

图4 α-淀粉酶在D201GF树脂上吸附动力学模型线性拟合结果(pH值为 6．8，离子强度为0．59)

图5 不同温度下α-淀粉酶在D201GF树脂上吸附动力学模型拟合结果(pH 值为6．8，离子强度为0．59)

2．2．2 温度对扩散系数的影响

维持其他条件不变，分别测定了D201GF树脂在不同温度下吸附α-淀粉酶的吸附动力学曲线，实验结果如图 5所示．在不同温度下，t均与[1－3(1－F)2/3＋2(1－F)]呈良好的线性关系，这进一步表明颗粒扩散控制是该反应过程的控速步骤．由图5各直线斜率计算可知，随着体系温度升高，内扩散系数也增大，分别为 5．82×10－12m2/s，7．63×10－12m2/s和 8．52×10－12m2/s．

3 结论

本文应用D201GF阴离子交换树脂吸附固载α-淀粉酶，研究了α-淀粉酶在D201GF阴离子交换树脂上的吸附热力学和吸附动力学特性．分析了体系温度、pH值和离子强度对α-淀粉酶吸附的影响．研究表明，α-淀粉酶在D201GF阴离子交换树脂上的吸附平衡数据遵循Langmuir吸附等温方程．吸附过程ΔH＞0，ΔS＞0，表明此吸附过程吸热，升高温度有利于吸附反应的发生；较低的溶液pH值及较低的离子强度都有利于α-淀粉酶的吸附．采用动边界模型理论研究结果显示，D201GF阴离子交换树脂对α-淀粉酶的吸附过程主要受内扩散控制，扩散系数数量级为10－12．

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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

（责任编辑：陈 静）

2010－11－22

广东省科学技术攻关项目（2006B20330006）

梁广坚（1949－），男，广东郁南人，肇庆学院生命科学学院教授，硕士．