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研究生:張敏雲
研究生(外文):Min-Yun Chang
論文名稱:幾丁聚醣-活性白土製備複合圓珠之吸附特性與酵素固定化作用
論文名稱(外文):Adsorption Characteristics and Enzyme Immobilization on Complex Beads Prepared from Chitosan and Activated Clay
指導教授:柯文慶柯文慶引用關係
指導教授(外文):Wen-Chin Ko
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:食品科學系
學門:農業科學學門
學類:食品科學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:123
中文關鍵詞:幾丁聚醣複合圓珠β-葡萄苷酸性磷酸酶固定化
外文關鍵詞:chitosancomplex beadsβ- glucosidaseacid phosphataseimmobility
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幾丁聚醣為酵素固定化廣泛應用之優良材質,幾丁聚醣圓珠能克服立體障礙展現更多活性基座和輸送空間。因此在酵素固定化和吸附作用能有優良表現,如果將其機械性質和比重改善,更能增進在酵素固定化工程上之操作和重覆使用性。
本研究以幾丁聚醣膠體加入活性白土製成複合圓珠,吸附兩種染料和兩種有機化合物之行為,以等溫平衡式和動力學模式解析,並以兩種酵素在複合圓珠固定化之活性探討,評估量產之可行性。
所得結果如下:
1. 由複合圓珠之等溫平衡吸附數據,顯示腐植酸、reactive red 222 (RR222)、丹寧酸和亞甲基藍等四種吸附質之等溫平衡皆以Freundlich等溫式描述較為適宜。
2. 在攪拌槽中完全混合,進行批次接觸實驗,以擬一階動力學(pseduo- first order kinetic)、擬二階動力學(pseduo-second order kinetic)及顆粒內部擴散模式(intraparticle diffusion model)等三種簡單動力學模式,比較單一材料活性白土、幾丁聚醣圓珠以及二者所製複合圓珠之吸附作用,顯示吸附較大分子量之RR222和丹寧酸時適用擬一階動力學式;並獲得各種吸附劑之顆粒內部擴散常數ki (g·kg-1·min-0.5)。
3. 複合圓珠經5.0g /L戊二醛(glutaraldehyde)交聯後,分別固定化酸性磷酸酶(acid phosphatase)和β-葡萄苷酶(β- glucosidase),利用可逆Michaelis-Menten機構描述複合圓珠固定化酵素之活性與基質濃度之關係,起始實驗數據以 Lineweaver-Burk畫圖法估算Michaelis常數(Km)和最大速率(Vm),酸性磷酸酶之Km為1.653mM,Vm為30.944 µmol·min-1;β-葡萄苷酶之Km為5.945mM,Vm為144.4µmol·min-1。進行50次反覆操作後活性均仍維持穩定。
4. 熱穩定性可依循一階熱失活公式描述,並且得到固定化酸性磷酸酶失活活化能Ea值為66.44kJ/ mol。探討溫度和pH 值等操作變數對酵素活性之影響,發現β-葡萄苷酶之溫度與活性,於15℃至75℃間,呈線性上升關係,酸性磷酸酶在57℃具有最高之活性,pH值在3.5至5.8範圍,兩種酵素活性變化皆不大,其穩定性高。
5. 本研究證實所製備的幾丁聚醣-活性白土複合圓珠,應用於酵素固定化具有開發潛力,此結果可供複合圓珠在酵素固定化工程應用之參考。

Chitosan is known as an ideal support material widely used for enzyme immobilization. It has been proved that chitosan beads could conquer steric hindrance and exhibit more activated seats and transported spaces. Though chitosan beads have excellent characterization for enzyme immobility and adsorption, if the beads can be modified to promote mechanical property and specific gravity, the operation and reuse of enzyme immobility engineering will be increased.
In this study, activated clay was added in chitosan colloid to prepare complex beads. The adsorption action of the complex beads were analyzed by isotherm equations and kinetic models for two dyes and two organic compounds. The activity of two enzymes immobilized on the complex beads were also determined to evaluate the availability of the product.
The following results were obtained.
1.All adsorption isotherms of humic acid, RR222, tannic acid and methylene blue from water onto complex beads could be well fitted by the Freundich equation.
2.Three simplified kinetic models including pseudo-first order equation, pseudo-second order equation and intraparticle diffusion model were selected to follow the adsorption processes. It was shown that the adsorption of larger molecules including RR222 and tannic acid could be best described by the pseudo-first order equation. A comparison of the kinetic parameter of intraparticle diffusion ki (g·kg-1 ·min-0.5) among such adsorbents was also obtained.
3.The immobilization of acid phosphatase andβ-glucosidase onto the complex beads was finished by cross-linking with 5.0 g / L glutaraldehyde. The activity of both immobilized enzymes could be described by reversible Michaelis-Menten mechanism applying the pseudo- steady- state hypothesis. The Michaelis constant (Km) and maximum velocity (Vm) were estimated according to the Lineweaver- Burk plot. The values of Km and Vm of acid phosphatase were obtained to be 1.65 mM and 30.9 µmol·min-1, respectively, and those of Km and Vm ofβ-glucosidase were 5.95 mM and 144.4 µmol·min-1, respectively. After 50 times reuse, the immobilized enzyme can keep stability of its activity.
4.The activated energy of thermal inactivation of the immobilized acid phosphatase, Ea, could be obtained if the inactivation was assumed to the first order, which was equal to 66.4 kJ/mol. It was show that the activity of the immobilized β-glucosidase increased with increasing temperature in the range 15-75 oC. The activity of the immobilized acid phosphatase at 57 oC reached maximum. The activities of both immobilized enzymes remained nearly constant at pH 3.5-5.8.
5.This work provided some basic data for solute adsorption and enzyme immobilization onto complex beads for further design of production process.

目 錄
中文摘要………………………………………………………………….Ⅰ
英文摘要………………………………………………………………….Ⅲ表次……………………………………………………………………….Ⅸ
圖次……………………………………………………………………….Ⅹ
壹、前言……………………………………………………. .…………... 1
貳、文獻整理……………………………………………………………. 3
一、 酵素固定化技術…………………………………… ……… ….……3
二、幾丁質、幾丁聚醣之來源、應用與製備…………………………. 4
三、幾丁聚醣之酵素固定化……………………………………………. .6
四、活性白土特性……………………………………………………….. 8
五、β-葡萄苷酶…….……………………………………………………. 8
六、酸性磷酸酶…………………………………………………… ……..9
(一)特性及應用…………………………………………………………9
(二)固定化之研究……….………………………………………….... 11
七、吸附技術…………………………………………………………… 11
(一)等溫平衡吸附……..……………………………………………… 11
(二)吸附之動力學……………………………………………………. 13
八、酵素反應………………………………………………………….. 15
(一)酵素反應動力學……………………………………………….. 15
(二)酵素失活速率與一階劣化定律………………………………. .16
參、材料與方法……………………………………………………….. 18
一、材料及儀器……………………………………………………….. 18
二、方法……………………………………………………………….. 19
(一) 魷魚軟骨製備幾丁聚醣………………..………………………… 20
(二) 分子量測定……………………………………..………………… 21
(三) 去乙醯化測定…………………………………..………………… 21
(四) 活性白土與幾丁聚醣之複合圓珠之製備……………………... 22
(五) 複合圓珠吸附能力……………………………………………... 24
1. 等溫平衡吸附……………………………………………… 24
2. 吸附動力學…………………………………………………………24
(六) 複合圓珠固定化β-葡萄苷酶……………...……………………..24
1. 戊二醛交聯…………………………………………………………24
2. 酵素固定化…………………………………………………………24
3. 酵素活性測定……………………………………………………....25
(七) 複合圓珠固定化酸性磷酸酶……………………………………...26
1. 酵素固定化…………………………………………………………26
2. 酵素活性測定………………………………………………………27
肆、結果與討論………………………………………………………….29
一、幾丁聚醣和複合圓珠之特性……………………………………….29
二、等溫平衡吸附……………………………………………………….32
(一) 吸附丹寧酸 ……………………………………….………………32
(二) 吸附亞甲基藍……………………………………………….……..37
(三) 吸附腐植酸……………………………………………….………..40
(四) 吸附反應性染料…………………………………………….……..45
三、吸附之動力學……………………….………………………………48
(一) 吸附腐植酸和反應性染料………………………………………...48
(二) 吸附丹寧酸和亞甲基藍……………………….…………………..58
四、複合圓珠固定化β-葡萄苷酶之活性探討………………………….71
(一) 固定化酵素重覆使用之活性……………………………………...69
(二) 固定化酵素反應速率……………………………….…….…….…69
(三) 固定化酵素熱穩定性…………………………………………...…73
(四) 固定化酵素反應溫度之活性……………………………………...73
(五) 固定化酵素在不同pH值之活性 ……………….………………..74
五、複合圓珠固定化酸性磷酸酶之活性探討……………………. ……80
(一) 固定化酵素重覆使用之活性……………………………………...80
(二) 固定化酵素反應速率……………………………………………...82
(三) 固定化酵素熱穩定性……………………………………………...88
(四) 固定化酵素反應溫度之活性…………………….………………..89
(五) 固定化酵素在不同pH值之活性………….………………………89
伍、結論……………………………………………………...…….……..95
陸、參考文獻……………………………………………………….……..97
柒、附錄…………………………………………………………………105
表 次
表一 各種幾丁聚醣圓珠比重與終端速度的關係……………..……….31
表二 吸附丹寧酸和亞甲基藍以Langmuir和Freundlich等溫式解析之常數和標準偏差( S.D. )……………………………………………...35
表三 活性白土、幾丁聚醣圓珠和複合圓珠吸附腐植酸和反應性染料以Langmuir和Freundlich等溫式解析之常數和標準偏差………...43
表四 活性白土、幾丁聚醣圓珠和複合圓珠吸附腐植酸和反應性染料以三種動力學模式解析之速率常數和偏差值……………………...52
表五 活性白土、幾丁聚醣圓珠、複合圓珠和片狀幾丁聚醣吸附丹寧酸和亞甲基藍以三種動力學模式解析之速率常數和標準偏差值...63
表六 複合圓珠固定化β-葡萄苷酶之基質濃度、初始反應速率和相關係數…………………………………………………………………...72
表七 複合圓珠固定化β-葡萄苷酶之熱失活速率常數………………..77
表八 複合圓珠固定化酸性磷酸酶反應之基質濃度、初始反應速率
和相關係數……………………………………………………….84
表九 複合圓珠固定化酸性磷酸酶之熱失活速率數……………...……91
圖次
圖一 魷魚軟骨製備幾丁聚醣之流程圖………………………………...20
圖 二 複合圓珠之製備………………………………………………….23
圖 三 活性白土、幾丁聚醣圓珠和複合圓珠吸附丹寧酸之吸附作用...34
圖 四 活性白土、幾丁聚醣圓珠與複合圓珠吸附丹寧酸之等溫平衡實 驗值和Freundlich等溫式計算值之比較….………….…………36
圖 五 活性白土和複合圓珠吸附亞甲基藍之吸附作用……………….38
圖 六 活性白土和複合圓珠吸附亞甲基藍之等溫平衡實驗值
和Freundlich等溫式計算值之比較……………………………39
圖 七 活性白土、幾丁聚醣圓珠和複合圓珠吸附腐植酸之吸附作用42
圖 八 活性白土、幾丁聚醣圓珠和複合圓珠吸附腐植酸等溫平衡實驗值和Freundlich等溫式計算值之比較…………………………..44
圖 九 活性白土、幾丁聚醣圓珠和複合圓珠吸附反應性染料之吸附
作用…………………………………………………………….….46
圖 十 活性白土、幾丁聚醣圓珠和複合圓珠吸附反應性染料之等溫平衡實驗值和Freundlich等溫式計算值之比較…………….…….47
圖 十一 活性白土、幾丁聚醣圓珠和複合圓珠吸附腐植酸以
pseduo- first order kinetic model解析……………….………..50
圖 十二 活性白土、幾丁聚醣圓珠和複合圓珠吸附humic acid以intraparticle diffusion model解析……………………………...51
圖 十三 不同時間變化下活性白土、幾丁聚醣圓珠和複合圓珠吸附腐植酸之實驗值和計算值比較……………………………...…..53
圖 十四 幾丁聚醣圓珠和複合圓珠吸附反應性染料以pseduo - first order kinetic model解析……………………………………….55
圖 十五 幾丁聚醣圓珠和複合圓珠吸附反應性染料以intraparticle diffusion model解析…………………………………………...56
圖 十六 不同時間變化下幾丁聚醣圓珠和複合圓珠吸附反應性染料之實驗值與計算值較…………………………...…………..57
圖 十七 活性白土、幾丁聚醣圓珠、複合圓珠和片狀幾丁聚醣吸附tannic acid以pseduo-first order kinetic model解析……….60
圖 十八 幾丁聚醣圓珠、複合圓珠和片狀幾丁聚醣以pseduo - second order kinetic model解析吸附tannic acid動力學……………61
圖 十九 活性白土、幾丁聚醣圓珠、片狀幾丁聚醣和複合圓珠吸附tannic acid以intraparticle diffusion model解析……………...62
圖 二十 不同時間變化下活性白土、幾丁聚醣圓珠、複合圓珠和片狀幾丁聚醣吸附tannic acid實驗值與計算值比較……………..64
圖 二十一 活性白土和複合圓珠吸附亞甲基藍以pseduo - second order kinetic model 解析……………………..…………………...66
圖 二十二 活性白土和複合圓珠吸附亞甲基藍以intraparticle diffusion
model解析…………………………………………………..67
圖 二十三 不同時間變化下活性白土和複合圓珠吸附亞甲基藍之實驗值與計算值比較…………………………………………...68
圖 二十四 複合圓珠和幾丁聚醣圓珠固定化β-葡萄苷酶重覆試驗之活性…………………………………………………………70
圖 二十五 複合圓珠固定化β-葡萄苷酶變化基質濃度的反應曲線…71
圖 二十六 複合圓珠固定化β-葡萄苷酶之Lineweaver-Burk圖….….75
圖 二十七 複合圓珠固定化β-葡萄苷酶之熱失活動力學……………76
圖 二十八 複合圓珠固定化β-葡萄苷酶之活性與反應溫度之關係…78
圖 二十九 複合圓珠固定化β-葡萄苷酶之活性與pH之關係………..79
圖 三十 複合圓珠和幾丁聚醣圓珠固定化酸性磷酸酶反覆使用之
活性…………………………………………………………….81
圖 三十一 複合圓珠固定化酸性磷酸酶變化基質濃度的反應曲線…82
圖 三十二 複合圓珠固定化酸性磷酸酶之基質濃度與初始反應速率關係…………………………………………………………….86
圖 三十三 複合圓珠固定化酸性磷酸酶之Lineweaver-Burk圖
(在25℃)………………………………………………...…..87
圖 三十四 複合圓珠固定化酸性磷酸酶之熱失活動力學…………….90
圖 三十五 複合圓珠固定化酸性磷酸酶之失活能…………………….92
圖 三十六 複合圓珠固定化酸性磷酸酶在各種反應溫度之活性…….93
圖 三十七 反應pH值對複合圓珠固定化酸性磷酸酶活性之影響…..94
附錄
附錄一 幾丁聚醣圓珠和複合圓珠吸附丹寧酸、亞甲基藍、腐植酸、RR222吸附前後之比較
附錄二 丹寧酸、RR222溶液被幾丁聚醣圓珠、複合圓珠吸附前後之比較
附錄三 固定化β-葡萄苷酶之幾丁聚醣圓珠反覆操作100次
附錄四 固定化β-葡萄苷酶之複合圓珠在50℃泡浸360分鐘後
附錄五 固定化β-葡萄苷酶之複合圓珠在60℃泡浸360分鐘後
附錄六 固定化β-葡萄苷酶之複合圓珠在70℃泡浸360分鐘後
附錄七 幾丁聚醣圓珠以戊二醛交聯後再固定化酸性磷酸酶

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