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研究人员为解决纤维素酶在工业应用中稳定性差、可重复使用性低等问题，开展了将源自黑曲霉（Aspergillus niger）的纤维素酶固定在环氧连接的壳聚糖 - 锆金属有机框架（CS@ZMOF - 66）上的研究。结果显示，固定化酶性能提升，该方法用于稻壳水解效果良好。这为木质纤维素生物质原料水解提供了高效方案。
在能源与环境问题日益严峻的当下，传统化石燃料过度使用，不仅导致资源枯竭，还引发了严重的环境污染。在此背景下，木质纤维素类废弃物因其产量巨大、环境友好，成为极具潜力的可持续燃料替代来源。将木质纤维素转化为生物燃料，需要经过多个关键步骤，其中纤维素酶在将纤维素水解为游离糖的过程中发挥着核心作用。黑曲霉产生的纤维素酶，因具有高 β - 葡萄糖苷酶活性和在酸性条件下的稳定性，在工业中应用广泛，如食品加工和生物乙醇生产等领域。
然而，纤维素酶在工业应用中存在诸多难题。它的热稳定性和储存稳定性差，可重复使用性有限，容易受到极端 pH 和温度条件的影响，并且还存在杂质问题，这些因素严重阻碍了其在木质纤维素废弃物生物转化过程中的效率，使得大规模应用受到限制。为了解决这些问题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项研究，旨在寻找一种更有效的方法来固定化纤维素酶，提高其性能。该研究成果发表在《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》上，为相关领域带来了新的突破。
研究人员采用了多种关键技术方法。通过场发射扫描电子显微镜 - 能量色散 X 射线光谱（FESEM - EDX）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、原子力显微镜（AFM）和能量色散 X 射线光谱（EDX）等技术，对合成的材料和固定化酶进行了详细的表征分析，以确认固定化的成功以及材料的结构完整性。
在研究结果方面：
- 材料表征：通过 FESEM 观察到，壳聚糖纳米粒子（CSNPs）平均粒径为 56.40nm，呈近似椭圆形；合成的 ZMOF - 66 呈现完美的菱形形态，平均粒径为 211.34nm；而 CS@ZMOF - 66 纳米复合材料在边缘和角落出现轻微变形，平均粒径减小到 78.12nm 。
- 固定化酶性能：固定化纤维素酶的结合产率高达 0.68 ± 0.01mg/cm2，能够保持 85.00 ± 0.04 % 的比酶活性，催化效率得到显著提升。该固定化酶在 pH 5.0、温度 65°C、底物浓度为 0.8×10?2mg/ml 时表现出最佳活性。固定化过程降低了反应的活化能、焓变和吉布斯自由能变，同时增加了熵变，这表明固定化增强了酶催化反应的效率、稳定性和自发性。
- 应用效果：环氧连接的 CS@ZMOF - 66 / 纤维素酶组件成功应用于稻壳水解，实现了高达 95 % 的惊人转化效率。该方法在 0.1 - 0.9 %（0.1×10?2 - 0.9×10?2mg/ml）范围内呈线性关系，并且与广泛使用的 3,5 - 二硝基水杨酸（DNS）方法具有很强的相关性（R2 = 0.998）。此外，固定化酶展现出卓越的热稳定性，在 80°C 时仍能保留 50 % 的活性，而游离酶仅为 33 %；在 4°C 储存后，固定化酶的半衰期为 24 天，游离酶仅为 9 天。在 pH 4.5 和 5.0 的条件下处理 12 小时后，固定化酶仍能保留 90 % 以上的活性，并且具有出色的可重复使用性，可维持活性超过 25 个循环。
综合研究结果和讨论部分，这项研究意义重大。它成功克服了纤维素酶在工业应用中的关键难题，如酶的渗漏、结构不稳定和复杂的回收过程等。环氧连接的 CS@ZMOF - 66 / 纤维素酶系统显著提高了酶的稳定性和可重复使用性，简化了操作过程，为大规模生物质转化提供了一种极具前景的生物催化剂。通过将金属有机框架（MOFs）和壳聚糖的独特性质相结合，该研究为木质纤维素废弃物的增值利用提供了一种高效且经济的解决方案，有望推动生物燃料和相关工业领域的可持续发展，在减少环境污染、促进能源转型等方面发挥重要作用。
