论文荐读
酶促酯交换反应中金属有机框架固定化脂肪酶的研究进展
作者：唐晨1，丛文杰1*，张建国1，王明轩1，李振海2，王继国2
单位：
1．上海理工大学 健康科学与工程学院
2．天筛(上海)科技有限公司
基金项目：
中国博士后科学基金第71批面上资助项目(2022M712140)；上海市“超级博士后”激励计划项目(2022472)；上海市国际科技合基金项目(19230742900)
摘要及关键词
摘要：酶促油脂转化为脂肪酸酯能同时满足食品安全和“双碳”战略的需求，然而游离脂肪酶性质脆弱、难回收、高成本等弊端限制了其大规模工业化应用。利用多孔材料为载体固定化脂肪酶能够克服上述问题，合理设计载体结构和功能是脂肪酶固定化的关键。金属有机框架（metal-organic frameworks，MOFs）因孔径可调、易修饰、生物相容性好等优势成为固定脂肪酶的优良载体。该文首先介绍了MOFs的种类及其不同的合成方式，并论述其优缺点，再详细阐明脂肪酶在MOFs上的固定化方法，最后对MOFs-脂肪酶作为催化剂在酯交换反应中的应用进行讨论与总结归纳，为固定化酶及油脂转化提供理论和技术支撑。
关键词：脂肪酶; 金属有机框架; 固定化; 酯交换; 酶促反应
主要结论
金属位点与合成方式的多样性使得MOFs具有不同的孔隙结构和催化性能。ZIFs类材料和MILs类材料（如图1）都是常见的MOFs，其合成方法简单并且具有稳定性能的拓扑结构。溶剂热合成法操作简单并且适用于各类MOFs材料，但合成时间较长。微波合成法和超声合成法都可以有效地缩短合成时间，但是对产物的晶粒尺寸有一定的限制。目前，MOFs材料都采用溶剂热合成法进行制备，同时也可以用微波或者超声进行辅助来缩短合成时间，提高合成效率。
图1 不同MILs-100(Fe)金属有机框架的合成示意图
Fig. 1 Schematic diagram of synthesis of different MILS-100 (Fe) metal-organic frameworks
MOFs-脂肪酶合成方法主要分为物理方式（如图2）和化学方式（如图3）。由于不同酶和MOFs的结构性质差异，用于脂肪酶固定化的MOFs的孔道结构需要差别化设计，所选择的固定化方法也不尽相同。相比较而言，封装法和共价键合法是效果最佳的两大类MOFs-脂肪酶合成方法。其中吸附法虽然是最典型简便的合成方法，但是其利用的化学键较弱并且容易在后续实验中断裂，造成酶分子从载体上脱落。而封装法能使酶分子被MOFs紧紧包围，依靠MOFs的空隙与底物进行反应从而提高催化效率。共价键合法依靠官能团将MOFs和脂肪酶进行连接，其间还可以利用荧光标记物将两者进行连接，有利于后续结果的判定统计。
a-吸附法；b-封装法
图2 脂肪酶与MOFs物理连接方法
Fig. 2 Physical connection between lipase and MOFs
a-共价连接法；b-交联法
图3 脂肪酶与MOFs化学连接方法
Fig. 3 Chemical ligation of lipase to MOFs
目前，对MOFs固定脂肪酶在酯交换中的应用正在不断研究发展，表1总结了近年来不同MOFs-脂肪酶催化剂投入到油脂催化的领域中的研究结果。
表1 不同MOFs-脂肪酶在酯交换反应中的性能表现
Table 1 Performance of different MOFs-lipases in transesterification reaction
脂肪酶在金属有机框架上进行固定化后形成的MOFs-脂肪酶表现出优良的活性和稳定性，因此逐渐广泛应用于酯交换反应中用以催化制备脂肪酸酯。利用MOFs材料为载体固定脂肪酶，不仅能提高酶的活性和稳定性，还有利于催化剂的回收和重复利用，提高油脂的转化率和脂肪酸酯的产率。MOFs载体的结构和亲疏水性对构建脂肪酶界面催化所需的微环境、提高催化效率和稳定性至关重要。因此，合理设计多孔 MOFs载体的结构以适应酶分子尺寸，构建脂肪酶界面催化所需要的亲疏水性微环境，进一步提高固定化酶的稳定性和重复使用性，是未来脂肪酶应用于工业油脂转化的重要方向。
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团队简介
通
信
作
者
丛文杰，女，博士，上海理工大学健康科学与工程学院讲师。主要从事油脂转化、生物化学催化和生物炼制相关研究。发表SCI收录论文十余篇，申请并已获授权中国发明专利3项；主持中国博士后科学基金面上项目1项，入选2022年度上海市“超级博士后”激励计划。相关研究成果被《中国青年报》、江苏教育频道等媒体报道。
第
一
作
者
唐晨，上海理工大学，健康科学与工程学院，2021级研究生。研究方向：金属有机框架固定化脂肪酶及其催化制备生物柴油的研究。
引用格式
唐晨, 丛文杰, 张建国, 等. 酶促酯交换反应中金属有机框架固定化脂肪酶研究进展[J/OL]. 食品与发酵工业, 2024. DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.037387.
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图文供稿| 作 者
编辑排版| 高春雨
内容审核| 陈雅薇
