碳酸酐酶固定及在二氧化碳捕集应用研究进展（二）

1.2 碳酸酐酶固定化载体

载体的选择会显著影响固定化酶的性质，制备理想的固定化酶既要选用合理有效的固定化方法，同时又要选择良好的载体。通常在选择固定化载体材料时需要考虑以下几点：1）载体的理化性质，比如形状、大小、孔径、机械强度、不易溶于反应介质、在强酸碱和高温条件下的稳定性、耐微生物降解能力等；2）载体的工业应用能力：材料价廉易得、可进行工业化大生产、可再生循环使用等。

传统的固定化载体主要是以动植物的结构蛋白为主的天然高分子产物，如从虾的甲壳中提取出的壳聚糖、甲壳素; 从海藻中可以提取海藻酸钠等。除此之外还包括琼脂糖珠、琼脂糖凝聚、卵清蛋白、木质纤等。近几年，包括碳基材料、硅基材料、金属氧化物等在内的无机载体材料研究较多，且大量研究利用化学试剂对材料改性后再用于固定 CA，使固定化 CA 的稳定性、可重复利用性更好。牛建杰等以 γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）为改性剂对纳米颗粒进行改性，得到了环氧基功能化的 Fe₃O₄-SiO₂
核壳纳米颗粒，随后将碳酸酐酶 CA 共价固定到纳米颗粒上，以实现 CA 固定化。结果表明，固定化酶的热稳定性、贮藏稳定性和循环使用性均优于同等条件下的游离酶，其在循环使用 10 次后仍保持 84.2%的相对酶活力。Jing 等成功将 CA 固定在磁性聚微球上，与游离 CA 相比，固定化 CA具有更好的酶活性、较好的可重用性、更高的热稳定性。经过 6 次重复使用后，活性为最初的47.6%。Suhyeok 等 将大肠杆菌核糖体蛋白 L2与海洋细菌海洋氢基因弧菌(hmCA)的 CA 基因融合，构建的融合蛋白成功地自固定到硅藻生物硅上，所制备的固定化酶具有较高的稳定性。Peirce等在存在碳化二亚胺的条件下，通过共价键将耐热的 CA 固定在顺磁性的 Fe3O4纳米粒子（NPs）上，最大载酶量为 40 mg CA/g NPs。Kumari 等将 Sulfurihydrogenibium azorense CA（SazCA）与纤维素结合模块(CBM3)融合后得到的重组蛋白BMC-SazCA 可与微晶纤维素珠子紧密结合，将固定化酶应用于催化 CO₂ 水合反应，10 个循环后，固定化的 BMC-SazCA 的活性约为新鲜制备的固定化 BMC-SazCA 的 90%。

2 碳酸酐酶在二氧化碳捕集中的应用

2.1 促进化学溶剂吸收二氧化碳

一般利用化学吸收法捕集二氧化碳常用的化学溶剂为醇胺和金属碱性试剂[。醇胺溶液包括一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DGA)、哌嗪(PZ)、二乙烯三胺(DETA)、甲基二乙醇胺(MDEA)和五甲基二乙烯三胺(PMDETA)等。金属碱性试剂有碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化镁等。利用醇胺溶液吸收 CO₂ 具有较大的吸收容量，较快的吸收速率，但是吸收速率慢、产物易降解，吸收焓较高。虽然利用碳酸钾K₂CO₃)溶液吸收 CO₂ 需要较低的再生能量，对环更友好，但其吸收动力学较慢，因此需要大型且昂贵的吸收柱才能操作。碳酸酐酶稳定性好，在加快CO₂的水合速率的同时又可以降低吸收焓。因此，近些年大量研究表明在醇胺或金属碱性试剂中加入碳酸酐酶，可以使 CO₂捕集工艺既具有高的吸收容量同时具有较快的吸收速率和较低的解吸能耗。

1988 年 Silverman 和 Lindskog[40]对碳酸酐酶的结构和催化机理进行了探讨，结果表明，尽管不同类型的 CA 具有不同的蛋白质序列，但催化的活性中心都是带羟基的 Zn2+离子，CA 的加入可明显地提高 CO₂ 水合的速率。图 2 为 CA 催化水合反应的机理图。在分子间质子转移中，CA 处于活性状态，氢氧离子结合到锌上，二氧化碳分子靠近氨基酸侧链，这里称为质子通道，向溶液中的缓冲分子释放质子。然后结合锌的羟基对碳原子进行亲核攻与附近的二氧化碳分子反应，产生结合锌的碳酸氢盐。水分子将碳酸氢盐交换到溶液后，酶处于不活跃状态，水与锌结合。为了恢复 CA 的催化活性，必须从与锌结合的水分子中去掉一个质子。质子通过质子通道完成分子内质子转移，这种转移发生在氢键水分子之间。

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