随着绿色化学和可持续发展理念的推进，酶催化反应作为一种温和、高效、无毒、高选择性的技术，已广泛应用于食品、制药及化工等领域。然而，酶的不稳定性和高成本一直是制约其应用的关键瓶颈。为了解决这一问题，酶固定化技术成为提高酶稳定性和可回收使用性的重要手段。酶固定化的载体和方法对固定化酶的性能具有决定性的影响。大多数已报道的酶固定化载体存在不可降解、结合位点少以及尺寸限制等缺点，因此开发绿色高效的酶固定化载体是亟需解决的问题。纤维素是地球上最丰富的生物高分子，纤维素纳米晶（CNCs）是从天然纤维素中提取的具有高结晶度的棒状纳米纤维。CNCs具有许多优异的特性，例如广泛且低成本的原料来源、可再生性、可降解性、大比表面积以及出色的皮克林（Pickering）乳化能力等，这使CNCs成为一种非常有前景的酶固定化纳米载体。酶固定化方法对酶的活性和可重复使用性也至关重要。受自然界中贻贝的启发，多巴胺氧化自聚合形成聚多巴胺（PDA）是一种可以对多种材料进行表面改性的简便且通用的方法。PDA含有丰富的儿茶酚和胺基，可通过迈克尔加成反应和席夫碱反应作为酶共价固定的结合位点。PDA涂层的黏附性以及静电吸附作用可以进一步促进酶的物理固定。因此，PDA涂层是一种很有潜力的酶固定化方法。
酶催化的另一挑战在于大多数酶只能在水相中分散，而其部分底物不溶于水，导致双相体系中酶与底物相互作用不足、传质受限。脂肪酶作为典型例子，具有界面激活特性，其在油水界面“盖子”结构打开，活性显著增强。因此，构建乳液体系增大油水界面的面积可有效提升酶催化效率。相比传统表面活性剂稳定的乳液，Pickering乳液更具环境友好性和高乳液稳定性。此外，酶还可以通过固定化酶载体作为皮克林乳化剂固定在油水界面上。溶解在油相中的底物分子可以直接与位于Pickering乳液油水界面的固定化酶的催化中心接触，显著提高酶的活性。皮克林界面生物催化（Pickering interface biocatalysis PIB）已成为双相酶催化反应的一个极具前景的催化平台。
![]()
周口师范副校长李俐俐教授和华南师范大学周国富教授团队张振副研究员提出了一种基于CNCs固定脂肪酶的新方法并且利用固定化酶（LPCs）优异的皮克林乳化性能构建了稳定的Pickering乳液界面催化体系，提高了脂肪酶的稳定性、可回收性和可循环利用性，并实现了酶催化性能的大幅提升。该研究通过迈克尔加成和席夫碱反应，将脂肪酶以化学共价结合方式固定在具有多巴胺涂层的CNCs表面，制备了LPCs。LPCs在不利条件下表现出比游离脂肪酶更强的稳定性和更高的催化活性，并且LPCs还具有出色的Pickering乳化能力。通过制备Pickering乳液将LPCs固定在油水界面，不仅大大提高了脂肪酶与底物的接触面积，同时达到对脂肪酶的界面活化作用，能够高效催化酯类的水解与合成反应。此外，LPCs还具有良好的可回收性，通过离心回收后，仍能保持较高的催化活性，为酶催化的可持续应用提供了可靠的保障。该研究为酶催化领域提供了一种创新的固定化方法，通过Pickering乳液界面催化提升了酶的催化效率和稳定性，拓宽了酶催化反应在绿色化学中的应用潜力。![]()
该研究成果以Cellulose nanocrystal immobilized lipase for Pickering interface biocatalysis为题发表在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》（中科院一区，JCR一区，IF 7.1）。周口师范学院副校长李俐俐教授为第一作者，华南师范大学华南先进光电子研究院张振副研究员为通讯作者，华师2022级研究生王晓静为共同一作。该研究得到广东省自然科学基金青年提升项目、面上项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金和闪思科技等大力支持。![]()
图1.（A）通过PDA制备CNC固定化脂肪酶（LPC）和（B）Pickering界面脂肪酶生物催化示意图。本研究采用CNC作为酶固定化载体，利用多巴胺氧化自聚合法制备了聚多巴胺包被的CNC（PC）。然后通过Michael加成反应和Schiff碱反应将脂肪酶固定在PC表面。通过SEM、TEM、FTIR、XRD、XPS、TGA等手段对合成的固定化脂肪酶LPC进行表征，验证了脂肪酶成功固定在PC上。![]()
图2. CNC、PC和LPC的形貌表征。（A）CNC、（B）PC、（C）LPC的SEM图像；（D）CNC、（E）PC、（F）LPC的TEM图像![]()
图3.（A）CNC、PC、LPC和脂肪酶的FTIR光谱、（B）XRD图、（C）TGA图；（D）DLS流体动力直径分布图；（E）CNC、PC、LPC和脂肪酶的XPS光谱；CNC、PC、LPC和脂肪酶的（F）C 1s，（G）N 1s和（H）O 1s高分辨率XPS光谱；（1）PC与脂肪酶质量比对脂肪酶固定化效率和产率的影响在不利条件下，LPC酶的活性明显高于游离脂肪酶。因此，固定化可以提高脂肪酶的pH和温度稳定性。![]()
图4.（A）初始脂肪酶浓度对LPC活性的影响；（B）pH和（C）温度对LPC和游离脂肪酶活性的影响。LPC对油相和水相均表现出润湿性，并且在不添加盐的情况下，LPC的Zeta电位绝对值相比CNC减小，因此，LPC具有更好的Pickering乳化能力。随着LPC用量的增加，LPC稳定的皮克林乳液的液滴尺寸逐渐减小。在超声法制备皮克林乳状液的过程中，成功将LPC固定在乳液的油水界面。![]()
图5.（A）CNC、（B）PC和（C）LPC表面的水接触角和油接触角。![]()
图6.（A）CNC、PC、LPC和脂肪酶（pH值为7）的Zeta电位；（B）在不额外添加盐的情况下，分别以（C）CNC、（D）PC和（E）LPC为皮克林乳化剂（6 mg/mL），皮克林乳液的宏观图像和光学显微镜图像。![]()
图7.（A-E）由不同浓度（0.1、0.3、0.6、0.9、1.2%）LPC稳定的油水体积比为7:3的Pickering乳液的光学显微镜图像；（F）平均液滴直径随LPC浓度的变化统计。![]()
图8.（A）FITC标记的LPC稳定的Pickering乳液的光学显微镜图像和（B-C）CLSM图像；（D）LPC稳定的二十二烷皮克林乳液的光学显微镜图像和（E-F）SEM图像。4.LPC在Pickering界面生物催化中的应用LPC稳定的Pickering乳液由于大幅增加了酶与底物的接触面积，减少了底物的扩散距离，以及发挥了脂肪酶的界面激活作用，为脂肪酶界面催化水解和酯化提供了理想的微反应器。以脂肪酶催化p-NPP水解和己酸己酯合成为例，比较了LPC和游离脂肪酶的活性。LPC在Pickering乳液油水界面的催化活性显著高于传统双相体系中的游离脂肪酶。固定化后的脂肪酶经离心处理后易于回收，回收后的脂肪酶经多次重复使用后仍具有较高的催化活性。![]()
图9.（A）LPCs催化p-NPP水解成p-NP的示意图；（B）游离脂肪酶在传统油水双相体系和LPC稳定的皮克林乳液体系中的比活性和转化率；（D）皮克林乳液体系下重复使用LPCs的相对活性。![]()
图10.（A）LPCs催化1-己醇与己酸酯化反应示意图；（B）己酸己酯浓度标准曲线；（C）两种反应条件下反应转化率（24 h）
![]()
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssuschemeng.4c07051
Lili Li#, Xiaojing Wang#, Yali Hu, Wang Sun, Yugao Ding, Nisha He, Guofu Zhou, Zhen Zhang*. Cellulose Nanocrystal-Immobilized Lipase for Pickering Interface Biocatalysis. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2024.
作者简介
张振，华南师范大学华南先进光电子研究院副研究员，华南师范研究生院副院长，借调周口师范学院校长助理，华东理工广东校友会副会长，化学会纤维素专委会委员，ACS Sustainable Resource Management青年编委，主要研究纳米纤维素的制备、功能化改性和应用，功能复合高分子材料，生物质可降解材料等。在Advanced Functional Materials，Chemical Engineering Journal, Carbohydrate Polymers, ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, Science China Materials等期刊发表一作和通讯作者学术论文40篇，论文被引用超过2755次，H指数30；授权专利16项。
相关进展
![]()
高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn
![]()
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。
