PCN-250固定化纤维素酶在离子液体中的稳定性研究开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景：

纤维素（cellulose）是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分，常与半纤维素、果胶和木质素结合在一起，其结合方式和程度对植物源食品的质地影响很大。而植物在成熟和后熟时质地的变化则由果胶物质发生变化引起的。人体消化道内不存在纤维素酶，纤维素是一种重要的膳食纤维。自然界中分布最广、含量最多的一种多糖。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上。纤维素的水解产物葡萄糖和酒精等工业产物应用也很广泛。微生物的生长需要合适的碳氮比，葡萄糖作为微生物的碳源，是发酵培养基的主料，如抗生素、味精、维生素、氨基酸、有机酸、酶制剂等都需大量使用葡萄糖，同时也可用作微生物多聚糖和有机溶剂的原料。目前结晶葡萄糖主要用于食品行业，随着生活水平的提高和食品行业科技的不断发展，葡萄糖在食品行业的应用越来越广泛，今后很长一段时间内食品行业仍是最大的市场。葡萄糖在工业上的应用也很广，在印染制革工业中作还原剂，在制镜工业、热水瓶胆镀银及玻璃纤维镀银等化学镀银工业也常用葡萄糖作还原剂。酒精在食品工业中有改善风味的作用，在临床医学上有消毒的作用，应用广泛。在一般而言，木质纤维素中可以利用的纤维素成分约占总质量的35%-50%^[1]。然而，由于纤维素内部存在的大量分子内、分子间氢键以及范德华力，使得纤维素很难溶于水以及大部分有机溶剂，因此水解效率不高。由于木质纤维素结构复杂，纤维素难溶于水和一般有机溶剂，纤维素的利用率不高），只有借助化学的、物理的方法进行预处理，比如用稀酸、稀碱处理法，蒸汽爆破法，生物法等^[2]，破坏木质纤维素的结构，使结晶纤维素成为无定形纤维素，这样才能更容易被纤维素酶水解。

国内外普遍认识到：离子液体作为“绿色、可设计”的溶剂，可以有效的溶解纤维素。离子液体（il)是一类熔点为较低温度（100℃）的有机盐类。类似与常规盐类，离子液体也是由阴离子和阳离子构成。常见的离子液体的阳离子离子一般为咪唑、嘧啶、吡啶、胆碱等，而阳离子则为简单的卤化物，如cl^-，也可以为无机离子或者有机离子。离子液体不仅具有常规有机溶剂的特性，还具有许多独特的性质，如极低到近乎为零的蒸汽等^[3]，压、较好的热稳定性、较宽的电化学窗口、较宽的溶解范围等。并且可以通过改变或者调整离子液体中阴、阳离子的种类来叫调节其性能（极性、清水性、憎水性以及与相关溶剂的相容性)^[4]。因为这些特性，离子液体被称为“绿色溶剂”^[5]。

纤维素酶（β-1,4-葡聚糖-4-葡聚糖水解酶）是降解纤维素生成葡萄糖的一组酶的总称，它不是单体酶，而是起协同作用的多组分酶系，是一种复合酶，主要由外切β-葡聚糖酶、内切β-葡聚糖酶和β-葡萄糖苷酶等组成，还有很高活力的木聚糖酶。作用于纤维素以及从纤维素衍生出来的产物。微生物纤维素酶在转化不溶性纤维素成葡萄糖以及在果蔬汁中破坏细胞壁从而提高果汁得率等方面具有非常重要的意义。但是纤维素酶在离子液体体系中往往容易失活。因此，本文研究将围绕pcn-250固定化纤维素酶在离子液体中的稳定性进行研究。

2. 研究内容和预期目标

纤维素酶的来源主要为自然界中的微生物的合成和分泌，而多种多样的微生物种群产生了在蛋白组成上差异明显的纤维素酶，其降解纤维素的能力也有所区别 ^[8]。1982年，纤维素酶（Cellulomonasfimi）基因的克隆首次被报道 ^[9]。1994年，在纤维素酶系被分离开后，已经有约一百多个纤维素酶基因被报道已经被克隆和研究^[10]。2011年，研究者们已经公布和报道了超过七千个纤维素酶基因序列以及相应的氨基酸序列，这些数据均公布在GenBank、EMBL和DDBJ等共享数据库中^[11]。

研究内容：探究PCN-250固定化纤维素酶在离子液体中的稳定性。酶的稳定性(enzyme stability)是指酶分子抵抗各种不利因素影响，维持一定空间结构，保持生物活性相对稳定的能力。研究了MOF固定化酶的酶活、最适反应条件（pH和温度）、对离子液体的耐受能力，离子液体中原位水解生物质。并通过XRD、扫描电镜（SEM）、BET、N₂吸附等温线等方法表征测定了固定化纤维素酶的特征以及对纤维素酶吸附方式的分析。

预期目标： 首先，实现MOF材料活化，再制备出MOF固定化纤维素酶，然后，进行纤维素酶的吸附量初步测定以及纤维素的预处理，最后，探究PCN-250固定化纤维素酶的性质、吸附性能、酶活、在离子液体中的稳定性。

3. 研究的方法与步骤

一、 一、实验研究方法

本文的研究方法包括mof活化、物理吸附法制备mof固定化酶，考马斯亮蓝法测定蛋白浓度、dns法测还原糖浓度等。

二、实验步骤

4. 参考文献

[1] 闫晓沛. 纤维素催化转化制备多元醇的研究[d]. 南京林业大学,2016.

[2]ben-ghedalia d,treatment on themiron j. the effect of combinedchemical and enzyme saccharification and in vitro digestion rate of wheatstraw.biotechnol. bioeng. 1981，23:823-831.

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5. 计划与进度安排

1、第17周（19-20-1学期）--第3周（2022年12月23日--2022年3月15日）接受任务、查阅和翻译文献、撰写及完成开题报告

2、第4周（2022年3月16日--2022年3月22日） mof材料的活化，固定化纤维素酶的制备；

3、第5周-第8周（2022年3月23日--2022年4月19 日）分析纤维素酶的表征：xrd、bet、sem、n2吸附曲线；

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