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。

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。

1.LPCs的制备和表征

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

2.LPC的活性和稳定性

3.LPC的乳化性能

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

  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。