酶具有高选择性、高催化效率和反应条件温和等优势，是绿色化学和可持续制造中的重要催化工具。然而，在长期、连续及复杂环境下的实际应用中，酶通常面临稳定性不足、难以回收以及易失活等问题。如何在保持酶高催化活性的同时提高其环境稳定性和循环使用能力，是酶工程和生物催化领域长期关注的问题。

  酶固定化是解决上述问题的重要策略。传统水凝胶和金属有机框架等材料主要依靠空间限域提高酶稳定性，但相对刚性的微环境往往难以同时兼顾高酶负载、高效传质、高催化活性和长期稳定性。尤其在高盐、pH变化、有机溶剂及温度波动等复杂条件下，固定化载体自身及其中的酶均可能发生失稳。

  聚电解质凝聚体（polyelectrolyte coacervates，PECs）具有液态和动态可重构的特点，可以为酶提供柔性、自适应的微环境。然而，传统线性聚电解质凝聚体主要依靠静电作用维持，在高离子强度条件下容易受到电荷屏蔽作用影响而发生结构破坏。

  针对这一问题，复旦大学黄霞芸、聂志鸿团队设计了一类星形聚电解质凝聚体（star polyelectrolyte coacervates，SPEC），通过多臂星形拓扑构筑高度连接但仍具有动态重构能力的液态微环境，实现高效酶固定化、反应耦合传质、离子排斥及长期连续生物催化。

  2026年8月13日，相关研究以“Star Polyelectrolyte Coacervates Enable Adaptive and Robust Enzyme Immobilization for Efficient Biocatalysis”为题发表于Journal of the American Chemical Society。论文第一作者为复旦大学博士生朱杰。复旦大学肖志远、吴栋和赵欣然在聚合物合成与性能表征方面提供了重要协助，中国科学院长春应用化学研究所霍海洋和孙昭艳在模拟计算与机制解析方面提供了重要支持。

图1. 星形聚合物的化学结构以及SPEC实现高效酶固定化的示意图。

成果概述

1.星形拓扑构筑自适应酶固定化微环境

  通过简单混合带正电的星形聚电解质SQPDE和带负电的星形聚电解质SPSS构筑SPEC（图1）。与传统线性聚电解质不同，多臂星形结构能够形成更加紧密的多价连接网络，同时保留局部链段的动态重构能力。因此，SPEC可以根据酶表面复杂的亲水/疏水及电荷分布重新组织自身结构，为酶提供具有自适应性的液态微环境。实验结果显示，SPEC 对脂肪酶的负载效率达到97 ± 2%，明显高于线性聚电解质凝聚体LPEC的79 ± 8%。更重要的是，这种高效固定化并未以牺牲酶活性为代价，而是进一步提升了催化性能（图2）。

图2. SPEC固定脂肪酶的结构、催化与传质行为。

2.反应耦合传质显著提升催化效率

  在催化过程中，疏水底物优先富集进入酶富集的 SPEC 相，从而提高酶周围的有效底物浓度；与此同时，反应生成的带电产物能够持续向外部水相扩散，降低局部产物积累（图2）。由此形成的“底物富集—产物排出”反应耦合传质过程，有利于持续推动酶催化反应。Michaelis–Menten动力学显示，SPEC 固定化后脂肪酶的表观米氏常数从 0.419 mM 降低至 0.196 mM，表观催化效率提高约16.3倍。

3.星形拓扑赋予凝聚体优异的耐盐性和离子排斥能力

  高盐稳定性是传统聚电解质凝聚体面临的主要挑战之一。盐离子会屏蔽聚合物之间的静电作用，引起凝聚体溶胀甚至结构破坏，同时也会扰动酶的水合环境和构象。研究发现，星形拓扑显著改变了这一行为（图3）。随着外部 NaCl 浓度逐渐增加至接近饱和的4.88 M，线性LPEC出现明显结构破坏，而 SPEC 仍能够保持完整稳定的凝聚结构。更值得注意的是，SPEC不仅能够维持自身结构，还可以有效限制外部盐离子进入内部。石英晶体微天平、离子色谱和粗粒化分子动力学模拟共同表明，在SPEC外部NaCl浓度达到4.88 M时，SPEC内部盐浓度仅约0.32 M，离子分配系数仅为0.07。这种离子排斥效应同样适用于LiCl、KCl、NH₄Cl以及多种多价盐。离子排斥进一步转化为对固定化酶的保护作用。在1.5 M NaCl 中，SPEC固定化脂肪酶仍能够保持约80% 的初始活性。

图3. 高盐条件下 SPEC 的结构稳定性、离子排斥作用及酶保护效应。

4.低极性微环境导致离子排斥

  研究进一步从界面能和水合结构解析了SPEC的离子排斥机制（图4）。与LPEC相比，SPEC表现出更低的极性表面能组分和更高的色散组分，形成更加致密、低极性的内部微环境。对于外部水合盐离子而言，进入这一微环境需要付出较大的部分脱水合能量代价，因此能够显著降低盐离子向凝聚体内部的分配。Raman OH伸缩振动分析进一步显示，即使外部处于高盐环境，SPEC 内部水结构仍受到较小扰动，并保持较高的自由水/结合水比例。这说明外部盐离子难以大量进入 SPEC 内部并重构其氢键网络。

图4. SPEC的盐排斥机制。

5.实现约 200 h 长期连续流生物催化

  SPEC的保护能力并不限于盐环境（图5）。在10%乙醇条件下，游离脂肪酶的表观反应速率常数仅为 0.01 min^-1，而SPEC固定化后提高至 0.52 min^-1。此外，SPEC 固定化酶在pH 5–10、不同温度以及反复温度循环条件下均表现出优于游离酶的催化稳定性。在此基础上，研究进一步构建了连续流反应器，对SPEC的长期运行能力进行验证。SPEC固定化脂肪酶能够在连续流条件下保持高催化活性长达约200 h。这一策略也具有较好的酶适用性。不同生物来源的脂肪酶在SPEC固定化后均表现出更快的反应动力学，同时该平台还能够扩展至碱性磷酸酶和胰蛋白酶，表明星形聚电解质凝聚体可以作为一种具有一定普适性的酶固定化平台。

图5. 基于SPEC的酶固定化策略实现连续稳定的催化过程。

总结与展望

  该工作提出了一种不同于传统“刚性限域”的酶固定化策略，即通过聚合物拓扑设计构筑动态液态催化微环境。星形聚电解质的多价连接一方面能够提高凝聚体内部的组织化和内聚程度，使其在极高离子强度环境下仍保持稳定，并产生显著的离子排斥作用；另一方面又保留局部动态重构能力，使凝聚体能够适应酶表面的复杂化学结构，并实现高效的反应耦合传质。这一研究为连续流生物制造、复杂介质中的酶催化以及下一代自适应生物催化材料的设计提供了新的思路。

  论文信息

  Jie Zhu, Zhiyuan Xiao, Dong Wu, Xinran Zhao, Haiyang Huo, Zhaoyan Sun, Xiayun Huang, Zhihong Nie; Star Polyelectrolyte Coacervates Enable Adaptive and Robust Enzyme Immobilization for Efficient Biocatalysis. Journal American Chemical Society 2026.

  https://doi.org/10.1021/jacs.6c10930

第一作者

朱杰，复旦大学2023级高分子化学与物理专业直博生。曾获全国大学生化工设计竞赛全国冠军、杜邦创新创业大赛全国铜奖，并获英国皇家化学会RSCStudent Club Fund资助。研究兴趣主要聚焦于聚电解质及其在生物催化、太阳能界面蒸发等领域的应用，同时关注人工智能与高分子材料设计、性能预测及实验优化的交叉研究。以第一作者或共同第一作者身份在J. Am. Chem. Soc.、JACS Au、Macromolecules、Adv. Funct. Mater.等期刊发表论文。

通讯作者

黄霞芸，复旦大学副教授，主要从事聚电解质组装及界面分子调控研究。主持国家自然科学基金面上基金、青年基金，参与国家重点研发计划青年项目，入选上海市浦江人才计划。以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc., JACS Au, Adv. Funct. Mater., Macromolecules等期刊上发表论文40余篇。

聂志鸿，复旦大学教授，主要研究聚合物和粒子的合成与自组装。迄今在Science等期刊发表学术论文170余篇，论文被引23000余次，成果入选2020年“中国十大技术进展”。曾获国家杰出青年基金、美国国家科学基金会Career Award、英国皇家化学会会士、美国3M公司青年教授奖、高分子成型加工及其产业发展“新锐创新奖”等荣誉。