【摘 要】
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甘蔗汁中的酚类化合物发生的酶促褐变是造成甘蔗汁浑浊的重要原因,其导致甘蔗汁品质下降。目前,常用的果汁澄清方法有物理方法、化学方法以及生物酶法,由于酶法高效和反应条件温和的特点使其成为研究的热点。利用漆酶去除酚类物质给甘蔗汁澄清带来了新的思路和策略。针对游离漆酶存在的不足,本论文首先采用磁性固定化漆酶进行甘蔗汁澄清的研究,获得磁性固定化漆酶澄清甘蔗汁的最佳条件;其次,通过交变磁场强化磁性固定化漆酶的
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甘蔗汁中的酚类化合物发生的酶促褐变是造成甘蔗汁浑浊的重要原因,其导致甘蔗汁品质下降。目前,常用的果汁澄清方法有物理方法、化学方法以及生物酶法,由于酶法高效和反应条件温和的特点使其成为研究的热点。利用漆酶去除酚类物质给甘蔗汁澄清带来了新的思路和策略。针对游离漆酶存在的不足,本论文首先采用磁性固定化漆酶进行甘蔗汁澄清的研究,获得磁性固定化漆酶澄清甘蔗汁的最佳条件;其次,通过交变磁场强化磁性固定化漆酶的甘蔗汁澄清过程,解决甘蔗汁澄清中粘度大和糖分高带来的酚类去除效率低的问题;最后,为了进一步提高催化效率,合成磁性光催化材料进行固定化漆酶的制备,并探索了光-酶联合催化澄清甘蔗汁的效果。本文主要结论如下:(1)在本课题组已有固定化漆酶研究的基础上,合成了Cu2+螯合磁性纳米二氧化硅颗粒,重点考察了不同漆酶浓度对固定化漆酶的影响,确定在载体浓度为2 mg/m L的条件下,最佳的漆酶浓度为0.1 mg/m L,酶活回收率达到62.1%,固定化效率为98.6%。利用磁性固定化漆酶对甘蔗汁进行澄清实验,研究了温度、p H、转速和磁性固定化漆酶用量对甘蔗汁澄清的影响,确定了磁性固定化漆酶澄清甘蔗汁的最佳条件为:温度35℃、p H 5.5、转速150 r/min、固定化漆酶用量1.0 mg/m L。在最佳条件下,反应30 min时甘蔗汁澄清效果最佳,总酚降解率为37.9%,浊度降低为80.3%,脱色率为47.6%。分析了甘蔗汁中各单体酚含量变化,其中咖啡酸降解量最低为3.1%,而花青素、儿茶素、没食子酸、阿魏酸和绿原酸的降解率分别为61.1%、31.1%、81.5%、94.7%和73.9%。在最佳甘蔗汁澄清条件下,磁性固定化漆酶表现出良好的重复使用性能,在连续使用10个循环后,其仍能保持初始活性的66.9%。(2)通过蔗糖浓度对游离漆酶和磁性固定化漆酶的酶催化特性影响的分析,发现蔗糖对游离漆酶和固定化漆酶均有抑制作用且属于混合型抑制,其中以竞争性抑制作用为主。对儿茶素的降解动力学研究表明,蔗糖浓度增加会导致游离漆酶和固定化漆酶的起始降解速率减小,降解率下降。将交变磁场引入磁性固定化漆酶的儿茶素催化降解中,研究了磁场强度、磁场频率、底物浓度和磁性固定化漆酶用量对儿茶素降解的影响,结果表明在磁场强度80 Gs,磁场频率400 Hz,底物浓度1.5 mmol/L和固定化漆酶用量1 mg/m L条件下,20 min儿茶素的降解率为61.1%。同时比较了交变磁场、机械搅拌和静置三种条件下儿茶素的降解效果,其中在交变磁场条件下降解率最好,在60 min时达到了77.2%。在最优的交变磁场条件下,优化了磁性固定化漆酶用量和处理时间对甘蔗汁的澄清效果,当磁性固定化漆酶用量为1 mg/m L,处理时间20 min时,甘蔗汁澄清效果最佳,脱色率54.4%,浊度降低89.7%,总酚降解率43.4%,相比摇床振动的方式,交变磁场的辅助能够缩短澄清时间,且澄清效果增加。(3)合成具有光催化活性的新型载体磁性石墨相氮化碳(Fe3O4-g-C3N4),采用扫描电镜、透射电镜、X晶体衍射等手段对材料进行了表征,证明了Fe3O4-g-C3N4的成功制备。以Fe3O4-g-C3N4为固定化载体,以戊二醛为交联剂进行漆酶的固定,SEM和FTIR表征表明了漆酶的成功固定化。对硫酸铵饱和度、戊二醛浓度、漆酶浓度和交联时间进行了优化,获得了最佳的漆酶固定化工艺:硫酸铵75%饱和度、戊二醛1.2%(v/v)、漆酶浓度0.15mg/m L、交联时间3 h,此条件下漆酶的酶活回收率可达60.3%。进一步研究了Fe3O4-g-C3N4固定化漆酶的酶学性质和稳定性。相比于游离酶,该固定化酶具有较宽的p H和温度适用范围,热稳定性和贮藏稳定性都显著提高,在模式催化体系中连续使用10个循环,仍保留初始漆酶活力的90.3%。制备的Fe3O4-g-C3N4固定化漆酶兼具酶催化和光催化特性,能够在可见光和紫外光下增强其催化活性,实现光-酶联合催化。该固定化漆酶在儿茶素的氧化降解中表现出光-酶协同效用,在可见光和交变磁场辅助下60 min降解率达到93.5%。在此条件下,将Fe3O4-g-C3N4固定化漆酶用于甘蔗汁的澄清,处理15 min,总酚降解率为45.8%,浊度下降95.9%,甘蔗汁色值下降69.6%,该方法的甘蔗汁澄清时间进一步缩短,澄清效果显著提升,重复处理甘蔗汁10批次后仍保留85.9%的初始酶活,具有很好的应用前景。
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