非水相條件下使用酶催化對納米纖維素表面進行酯化改性的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及生物催化合成領域，具體涉及非水相條件下使用酶催化對納米纖維素表面進行酯化改性的方法。
【背景技術】
[0002]脂肪酶是一類具有多種催化能力的酶，可以催化三酰甘油酯及其他一些水不溶性酯類的水解、醇解、酯化、轉酯化及酯類的逆向合成反應，除此之外還表現出其他一些酶的活性，如磷脂酶、溶血磷脂酶、膽固醇酯酶、酰肽水解酶活性(Hara;Schmid)。脂肪酶不同活性的發(fā)揮依賴于反應體系的特點，如在油水界面促進酯水解，而在有機相中可以酶促合成和酯交換。脂肪酶是重要的工業(yè)酶制劑品種之一，廣泛應用于油脂加工、食品、醫(yī)藥、日化等工業(yè)。不同來源的脂肪酶具有不同的催化特點和催化活力。其中用于有機相合成的具有轉酯化或酯化功能的脂肪酶的規(guī)模化生產對于酶催化合成精細化學品和手性化合物有重要意義。
[0003]很多研究表明，在純有機溶劑體系中進行生物催化反應有操作簡單方便、條件易控等優(yōu)點，并且催化劑在有機溶劑中的催化活性與有機溶劑的疏水性呈現出一定的相關性，即疏水性小的溶劑中，很多酶、全細胞都會不同程度地失活，而在疏水性較大的溶劑中酶或生物催化劑的穩(wěn)定性較高，同時活性也高，然而，在常用的強疏水性溶劑中，往往不利于親水性底物的溶解，比如大部分多輕基化合物(Polyhydroxyl compounds)，包括核苷、多元醇、碳水化合物等。為了解決這個矛盾，Mutua等在1993年研究中首次采用了混合溶劑體系來合成糖酯，隨后，該體系在多羥基化合物的酯化反應中得到越來越多的關注。
[0004]非水相溶劑體系中脂肪酶催化反應除了具有高度的區(qū)域選擇性和立體選擇性，不需要基團保護等傳統(tǒng)水解酶的優(yōu)點外，還可以催化酯交換、酯化、氨解等合成反應，可進行水不溶性物質的催化轉化，大大拓展了酶的作用底物范圍，不僅如此，它還有利于酶的回收和重復利用、降低分離過程的能耗，提高了酶的熱穩(wěn)定性以及減少和防止水引起的副反應和微生物污染，可以通過控制不同的反應條件，可以在特定輕基上進行反應。自Klibanov首次報道非水相中的酶催化性能以來，非水酶學在最近20多年里取得了長足的發(fā)展。
[0005]納米纖維素來源于纖維素，是一種直徑在卜10nm之間，長度為幾十到幾百納米之間的剛性棒狀纖維素。由于納米纖維素的高強度、高結晶度、高楊氏模量、高純度等優(yōu)異性能，加之納米纖維素具有生物材料的輕質、生物相容性、可降解及再生等特性，使其在高性能復合材料中顯示出巨大的應用前景。
[0006]但是，納米纖維素表面眾多的羥基決定了它不能很好地溶解在弱極性溶劑和聚合物介質中，同時納米纖維素具有較大的比表面積，較高的熱力學勢能，晶體間極易發(fā)生團聚，且溫度越高，不可逆團聚程度越大。前改善纖維素微粒分散性的方法主要有兩種:一種方法是加入表面活性劑；另一種方法是對纖維素微粒表面進行化學改性。常見的表面化學改性方法有磺化、酯化、醚化、交聯、接枝共聚、硅烷化等。通過對纖維素微粒表面進行改性，可以改變其表面極性，避免其發(fā)生團聚，提高其在有機溶劑和疏水性基體材料中的分散性，從而擴大其應用范圍。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了解決上述現有技術存在的不足，提供一種環(huán)境友好、選擇性高、副反應少、反應條件溫和、產物易分離的在雙溶劑體系中使用酶催化納米纖維素酯化改性的新方法。
[0008]本發(fā)明的目的通過如下技術方案實現:
脂肪酶催化納米纖維素酯化改性的方法，包括以下步驟:
(1)在二甲基亞砜(DMSO)中加入納米纖維素(NCC)和多聚甲醛(PF)，在90?130°C下油浴攪拌，制備成納米纖維素懸浮液；
(2)在反應器中按疏水性有機溶劑與二甲基亞砜的體積比為1:1?1:9的比例配成雙溶劑反應介質，加入0.05?0.45g脂肪酶，按?；w與納米纖維素脫水葡萄糖單元(AGU)的摩爾比為1:1?30:1加入烯醇酯，在常壓下反應，得到液體，實現了對納米纖維素的酯化改性；
(3)將步驟(2)中的液體過濾除去脂肪酶，溶液在5000?IOOOrpm離心3~ I Omin，去除上層清液，得到的沉淀物用無水乙醇洗滌3~5遍，在真空干燥下去除殘余的有機溶劑和過量的烯醇酯，獲得納米纖維素酯化產物。
[0009]上述方法中，步驟(I)中，所述納米纖維素懸浮液的濃度在I?5w/w%。
[0010]上述方法中，步驟(I)中，所述納米纖維素與多聚甲醛的質量比為1:1?3:1。
[0011]上述方法中，步驟(I)中，所述油浴攪拌反應時間為0.5?2h。
[0012]上述方法中，步驟(2)中所述疏水性有機溶劑為乙腈、四氫呋喃、叔丁醇、叔戊醇、正己烷、石油醚或異辛烷。
[0013]上述方法中，步驟(2)中所述脂肪酶為Novozym435。
[0014]上述方法中，步驟(2)中所述烯醇酯為丙酸乙烯酯、月桂酸乙烯酯或棕櫚酸乙烯酯。
[0015]上述方法中，步驟(2)中，所述反應的溫度為30?70 °C;反應時間為I?48h。
[0016]上述方法中，步驟(3)中真空干燥條件為30?80°C下干燥12?72h。
[0017]本發(fā)明的原理:采用雙溶劑體系，以脂肪酶作為催化劑，催化納米纖維素和烯醇酯進行酯化改性，對納米纖維素進行表面修飾。
[0018]與現有的技術相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點:
(1)采用高效、高穩(wěn)定性的脂肪酶催化劑來催化納米纖維素酯化改性，具有選擇性高、副反應少、反應過程簡單可控、產物易分離等特點；
(2)固定化的脂肪酶催化劑可反復使用，操作穩(wěn)定性高，降低生產成本；
(3)利用了非水相酶催化的新技術，采用雙溶劑作為反應介質，得到的產品雜質少；
(4)反應條件溫和，環(huán)境友好。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明相關納米纖維素原樣及各實施實例中納米纖維素酯化改性后的紅外光譜圖。
【具體實施方式】
[0020]為更好理解本發(fā)明，下面結合實施例對本發(fā)明做進一步地詳細說明，但是本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于實施例表示的范圍。
[0021 ] 實施例1
在20ml二甲基亞砜中加入I%(w/w)的納米纖維素，I%(w/w)的多聚甲醛，在110°C下恒溫攪拌Ih，制備納米纖維素懸浮液;將制備的納米纖維素懸浮液冷卻至室溫，再加入疏水性有機溶劑乙腈(乙腈:二甲基亞砜=1:9<>八))，脂肪酶(1'10￥027111435)0.258，丙酸乙稀酯:納米纖維素脫水葡萄糖單元(AGU)的摩爾比=3:1，在恒溫搖床下反應，反應溫度30°C，反應時間12h，轉速為180rpm。反應后的液體通過過濾除去反應體系中的脂肪酶，溶液在9800rpm離心5min，去除上層清液，得到的沉淀物用無水乙醇洗滌三遍，在40°C下真空干燥12h，去除殘余的有機溶劑和過量的丙酸乙烯酯，獲得納米纖維素酯化產物。
[0022]實施例2
在20ml二甲基亞砜中加入2.5%(w/w)的納米纖維素，1.5%(w/w)的多聚甲醛，在110°C下恒溫攪拌0.5h，制備納米纖維素懸浮液;將制備的納米纖維素懸浮液冷卻至室溫，再加入疏水性有機溶劑叔丁醇(叔丁醇:二甲基亞砜=1:4(v/v))，脂肪酶(Novozym435)0.25g，丙酸乙烯酯:納米纖維素脫水葡萄糖單元(AGU)的摩爾比= 15:1，在恒溫搖床下反應，反應溫度40°C，反應時間12h，轉速為180rpm。反應后的液體通過過濾除去反應體系中的脂肪酶，溶液在9800rpm離心5min，去除上層清液，得到的沉淀物用無水乙醇洗滌三遍，在真空干燥下去除殘余的有機溶劑和過量的丙酸乙烯酯，獲得納米纖維素酯化產物。通過皂化滴定法測得產物的取代度為0.13。
[0023]實施例3
在20ml二甲基亞砜中加入2.5%(w/w)的納米纖維素，1.5%(w/w)的多聚甲醛，在110°C下恒溫攪拌0.5h，制備納米纖維素懸浮液;將制備的納米纖維素懸浮液冷卻至室溫，再加入疏水性有機溶劑叔戊醇(叔戊醇:二甲基亞砜=1:4( v/v))，脂肪酶(Novozym435)0.35g，丙酸乙烯酯:納米纖維素脫水葡萄糖單元(AGU)的摩爾比= 15:1，在恒溫搖床下反應，反應溫