Enzyme immobilization using two processing methods onto silica core-shell particles

Abstract

Two methods of enzyme immobilization onto silica core-shell particles were developed. The first method involved the immobilization of Candida rugosa lipase inside a previously synthesized mesoporous silica layer (deposited at 80 °C) surrounding a dense silica core. To prevent lipase leakage from the support, an outer mesoporous silica layer was deposited at 40 °C around the first silica layer containing the immobilized lipase. The deposition of the second layer was performed at a relatively lower temperature, to prevent thermal inactivation of the immobilized enzyme. The internal silica layer was obtained by assembling primary silica nanoparticles generated from highly basic sodium silicate solution at 80 °C on the surface of poly (diallyldimethylammonium chloride) (PDDA) functionalized silica core particles. The average shell thickness and pore size of the internal silica layer was ∼60 nm and 24 nm, respectively. The effect of process parameters on generation and aggregation of silica nanoparticles prepared from highly basic sodium silicate solution was also investigated. The aggregation of silica particles generated at 40 °C and 80 °C took place after 840 s and 570 of reactions, respectively. The immobilization efficiency of lipase on the mesoporous silica monolayer was 80%. A decline of immobilized lipase activity was approximately 6 times after 10 reaction cycles due to lipase leakage from the monolayered shell. An outer mesoporous silica layer was deposited at 40 °C onto the surface of previously PDDA-functionalized monolayered silica core-shell particles containing the immobilized lipase. The average thickness and pore size of outer mesoporous silica layer was ∼60 nm and 17 nm, respectively. The activity of lipase immobilized inside the bilayered shell was further reduced due to diffusion resistance within the outer silica layer and PDDA layer however, it was retained for the next reaction cycles.The pore size of mesoporous silica layer obtained at 80 °C was insufficient to allow invertase immobilization. Thus, the second method for the immobilization of invertase was developed. It involved the preparation of the mesoporous silica layer simultaneously with invertase immobilization at 40 °C. The immobilized invertase showed decreased activity, but it was not hampered by substrate inhibition, as in the case of the free enzyme, due to the location of the enzyme inside the mesoporous silica layer, where the mass transfer resistance for the substrate to the enzyme active site was present. Resumen: Han sido desarrollados dos métodos de inmovilización enzimática sobre las partículas de la núcleo-cubierta de sílice. El primer método implicaba la inmovilización de Candida rugosa lipasa dentro de una capa de sílice mesoporosa previamente sintetizada (depositada a 80 °C), la cual rodea un núcleo denso de sílice. Para evitar fugas de la lipasa del soporte, se depositó una capa externa mesoporosa de sílice a una temperatura de 40 °C sobre la superficie de las partículas de la núcleo-cubierta de sílice que contenían la lipasa inmovilizada. La deposición de la segunda capa se realizó a una temperatura relativamente más baja para evitar la inactivación térmica de la enzima inmovilizada. La capa interna de sílice se obtuvo ensamblando nanopartículas de sílice primaria generadas a partir de una solución de silicato de sodio altamente básica a 80 °C en la superficie de las partículas del núcleo de sílice funcionalizadas con poli (cloruro de dialildimetilamonio) (PDDA). El grosor medio de la cubierta y el tamaño de poro de la capa interna de sílice fue de ∼60 nm y 24 nm, respectivamente. También se investigó el efecto de los parámetros del proceso sobre la generación y agregación de las nanopartículas de sílice preparadas a partir de una solución de silicato de sodio altamente básica. La agregación de las partículas de sílice generadas a 40 °C y 80 °C tuvo lugar después de 840 s y 570 s de reacción, respectivamente. La eficiencia de la inmovilización de la lipasa en la monocapa de sílice mesoporosa fue del 80%. La disminución de la actividad de la lipasa inmovilizada fue de aproximadamente 6 veces después de 10 ciclos de reacción debido a la fuga de la lipasa de la cubierta monocapa. Se depositó una capa de sílice mesoporosa externa a 40 °C sobre la superficie de las partículas de la núcleo-cubierta de sílice monocapa previamente estratificadas de PDDA que contenían la lipasa inmovilizada. El grosor promedio y el tamaño de los poros de la capa de sílice mesoporosa externa fue de ∼60 nm y 17 nm, respectivamente. La actividad de la lipasa inmovilizada dentro de la cubierta bicapa se redujo aún más debido a la resistencia a la difusión dentro de la capa de sílice externa y la capa de PDDA y, sin embargo, se retuvo para los siguientes ciclos de reacción.El tamaño de poro de la capa de sílice mesoporosa obtenida a 80 °C fue insuficiente para permitir la inmovilización de la invertasa. Así, El segundo método para la inmovilización de la invertasa fue desarrollado debido a que la invertasa era mayor que el poro de la capa de sílice mesoporosa previamente sintetizada. Lo mismo implicaba la preparación de la capa de sílice mesoporosa simultáneamente con la inmovilización de la invertasa a una temperatura de 40 °C. La invertasa inmovilizada mostró una actividad disminuida, pero no fue obstaculizada por la inhibición del sustrato, como en el caso de la enzima libre, debido a la ubicación de la enzima dentro de la capa de sílice mesoporosa, donde existía resistencia a la transferencia de masa del sustrato a la enzima activa.

Keywords

• Sílice
• Partículas núcleo-cubierta
• Mesoporosa
• Lipasa
• Invertasa
• Inmovilización