无需溶剂和能量的固态策略：用于将酶封装在ZIF（沸石诱导框架）中

《ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION》：Solvent- and Energy-Free Solid-State Strategy for Enzyme Encapsulation in ZIF

酶-ZIF生物复合材料的溶剂和能源-free固态合成策略及其催化性能研究。通过酸碱相互作用直接混合酶与ZIF前驱体，形成具有高孔隙率和多相结晶结构的复合材料，酶活性提升达四倍，较液相法提高三倍，且耐受有机溶剂、高温及蛋白酶解，稳定性优异且可循环使用。

　　酶是一种具有高度选择性和效率的生物催化剂，广泛应用于工业、生物医学和环境领域。然而，酶在实际应用中常常面临一些挑战，如对环境条件的敏感性、稳定性差以及容易受到反应物浓度高的抑制。为了克服这些问题，酶的固定化技术成为提升其稳定性和重复使用性的重要手段。酶固定化可以通过多种方法实现，包括共沉淀、后渗透、生物矿化以及牺牲模板法等。尽管这些方法在一定程度上提高了酶的性能，但它们通常需要溶剂和能量输入，这不仅增加了生产成本，还可能导致溶剂残留、环境污染和高能耗的问题。因此，开发一种无需溶剂和能量的固定化策略，对于推动绿色、高效和稳定的生物催化材料在工业中的应用至关重要。

在本研究中，科学家们提出了一种创新的固态合成策略，用于酶与沸石咪唑酯骨架（ZIF）材料的复合。这种策略通过直接混合酶与ZIF前驱体，利用酸碱相互作用来驱动酶-ZIF的成核过程，从而实现酶的固定化。与传统的液相方法相比，这种固态方法不仅避免了溶剂和能量的使用，还显著提升了酶的催化活性。实验结果显示，采用固态方法合成的酶-ZIF复合物，其催化活性比液相方法提高了四倍，比游离酶提高了1000倍。这一显著的活性提升主要归因于ZIF材料的多相晶体结构、较大的孔径、更高的比表面积和更大的总孔体积，以及在合成过程中形成的更有利于酶活性的构型，如开放的活性位点口袋。

此外，研究还发现，固态合成的酶-ZIF复合物在有机溶剂、蛋白酶和高温等恶劣条件下的稳定性远高于液相合成的产物。这种稳定性不仅提升了酶在实际应用中的耐受能力，还增强了其在多次循环使用中的表现。实验表明，经过五次催化循环后，酶-ZIF复合物仍能保持超过80%的初始活性，显示出良好的可回收性。这一特性使得固态合成方法在工业催化过程中具有重要的应用潜力。

ZIF材料是一种由金属节点和有机配体通过配位键连接而成的多孔材料，因其高比表面积、永久孔隙性和可调节的孔径，成为酶固定化的理想载体。然而，传统的酶-ZIF合成方法往往依赖于液相反应，这不仅增加了对溶剂和能量的需求，还可能导致产物中残留的溶剂影响其性能。为了验证这一新方法的可行性，研究团队对多种酶进行了测试，包括过氧化氢酶（HRP）、漆酶（LAC）、醇脱氢酶（ADH）和碳酸酐酶（CA），这些酶分别用于能源、食品、环境和制药领域。实验发现，在Zn(NO?)?·6H?O与2-甲基咪唑（HmIm）的摩尔比为1:4时，酶的封装效率达到最佳，此时酶的负载量为1.85 wt%。这一结果表明，ZIF前驱体的化学组成和反应条件对酶的固定化效果具有显著影响。

研究还进一步探讨了固态合成与液相合成在酶-ZIF复合物结构上的差异。通过透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）观察发现，固态合成的酶-ZIF复合物呈现纺锤形结构，而液相合成的产物则为扁平结构。此外，粉末X射线衍射（PXRD）分析表明，固态合成的酶-ZIF复合物具有更清晰的ZIF晶体特征，而液相合成的产物则在结构上存在一定的差异。这表明，固态合成方法能够更有效地控制ZIF的晶体生长，从而获得更均匀的结构和更高的催化效率。

为了进一步验证固态合成方法的优越性，研究团队还通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和太赫兹-远红外光谱（THz-Far-IR）分析了酶与ZIF之间的相互作用。结果显示，固态合成的酶-ZIF复合物在Zn-N键的拉伸峰和配体结合峰上出现了明显的红移现象，这表明酶的引入对ZIF的结构产生了影响，改变了其原有的配位模式和键合特性。这种结构的变化不仅影响了ZIF的物理性质，还可能促进了酶的活性增强。

研究还发现，固态合成的酶-ZIF复合物在不同酶的固定化中表现出一定的通用性。例如，CA和LAC等酶在固态合成条件下能够被有效封装，其催化活性比游离酶提高了1.77倍和1.54倍。然而，对于分子量较大的酶如过氧化氢酶和过氧化物酶（CAT），由于其分子尺寸超过ZIF的孔径，无法被有效封装，导致催化活性未见显著提升。这一发现提示，酶的分子大小和亲水性可能是影响其在固态合成中封装效率的关键因素。

此外，研究团队还利用分子动力学（MD）模拟和X射线吸收光谱（XAS）等手段，深入分析了固态合成过程中酶与ZIF之间的相互作用机制。结果显示，酸性条件能够促使ZIF结构的改变，进而影响酶的活性位点构型。例如，在酸性环境下，酶的活性位点逐渐开放，增加了底物的可及性，从而提高了催化效率。这种构型的变化可能在固态合成过程中被ZIF的结构所稳定，使得酶在固定后仍能保持较高的活性。

固态合成方法的另一个显著优势在于其对环境条件的适应性。通过将酶封装在ZIF结构中，酶能够抵抗有机溶剂、高温和蛋白酶等外部因素的破坏。实验表明，在DMSO、60°C高温和蛋白酶处理后，固态合成的酶-ZIF复合物仍能保持44.2%、55.4%和78.3%的初始活性，远高于游离酶的保留率。这种稳定性使得酶-ZIF复合物在实际工业应用中具有更强的耐受性，尤其是在需要高温或有机溶剂参与的反应体系中。

在可重复使用性方面，固态合成的酶-ZIF复合物表现出优异的性能。经过五次催化循环后，其活性仍然保持在82%以上，说明这种合成方法不仅能够有效固定酶，还能在多次使用中维持其催化能力。这种可重复使用性对于工业应用至关重要，因为它能够显著降低催化剂的更换频率，从而提高生产效率和经济效益。

研究团队还通过圆二色光谱（CD）和傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）等技术，分析了酶在固态合成过程中结构的变化。结果表明，固态合成的酶-ZIF复合物中，酶的β折叠结构比例增加，而无序结构（随机卷曲）的比例减少，这表明酶在ZIF中形成了更有序和稳定的构型。相比之下，液相合成的酶-ZIF复合物中，酶的结构变化不明显，可能与其在ZIF表面的吸附方式有关。这一发现进一步支持了固态合成方法在提升酶活性方面的优势。

总的来说，这项研究提出了一种全新的、无需溶剂和能量的固态合成策略，用于酶与ZIF的复合。通过这种策略，酶不仅在结构上得到了更好的固定，其催化活性也得到了显著提升。同时，固态合成方法在环保性和经济性方面也展现出巨大潜力，为开发高效、稳定的生物催化剂提供了新的思路。未来，这一方法有望在更广泛的工业应用中得到推广，尤其是在需要高催化效率和良好稳定性的领域，如绿色化学、生物制药和环境治理。此外，进一步的研究可以探索不同酶与ZIF的相互作用机制，以及如何优化合成条件以提高催化效率和稳定性，从而推动该技术在实际应用中的落地。