基于静电纺丝自组装的定向酶固定化技术及其催化性能增强机制研究

针对工业酶应用中稳定性差、回收困难等瓶颈问题，研究人员通过静电纺丝技术结合β-环糊精(β-CD)/金刚烷(ADa)主客体化学，开发了定向酶固定化系统。该研究优化了Cs-ADa:PVA:PEO(5:2:1)纺丝参数，使固定化酶在18天储存后仍保留60%活性，循环使用7次后活性损失仅为自由酶的1/4，为规模化制备高效生物催化剂提供了新策略。

　　

酶作为高效生物催化剂，在制药、食品和环保领域具有不可替代的作用，但自由酶易受温度、pH等环境因素影响而失活，且难以回收利用。传统固定化技术面临酶活性保留与负载效率难以平衡、规模化生产困难等挑战。针对这些问题，河南医科大学等机构的研究人员在《Molecular Catalysis》发表论文，通过整合静电纺丝技术与超分子自组装，开发出兼具高稳定性和催化效率的新型酶固定化系统。

研究采用静电纺丝（通过高压电场制备纳米纤维的技术）结合β-环糊精(β-CD)/金刚烷(ADa)主客体相互作用，将木聚糖酶、葡萄糖氧化酶(GOX)和辣根过氧化物酶(HRP)定向固定在壳聚糖(Cs)基纳米纤维上。关键技术包括：1）优化电纺参数（电压18 kV，接收距离21 cm）；2）核磁共振(NMR)和流变学表征材料性质；3）傅里叶变换红外光谱(FTIR)验证化学修饰；4）扫描电镜(SEM)分析纤维形貌；5）酶活测定评估催化性能。

材料制备与表征
通过TsCl活化法将ADa接枝到Cs上，FTIR在1560 cm^-1处出现ADa特征峰证实修饰成功。电纺优化显示Cs-ADa:PVA:PEO比例为5:2:1时，可获得直径370 nm的均匀纤维，储能模量提升3倍表明机械性能增强。

酶固定化机制
β-CD修饰的酶通过疏水空腔与ADa特异性结合，实现定向固定。X射线光电子能谱(XPS)显示N1s结合能位移证实酶-载体相互作用，且固定化酶的α-螺旋含量保持率超85%，远高于传统共价法。

催化性能评估
固定化GOX在50°C下活性保留率达92%，而自由酶仅剩47%。连续使用7次后，固定化酶活性为初始值的58%，自由酶则完全失活。分子动力学模拟揭示，主客体相互作用能(-28.6 kcal/mol)有效抑制了酶分子展开。

结论与意义
该研究创新性地将静电纺丝的规模化优势与主客体化学的分子识别精度相结合，解决了传统固定化技术中酶构象扭曲、负载不均等核心问题。所开发的系统具有三大突破：1）通过β-CD/ADa定向排列避免活性位点遮蔽；2）纳米纤维网络提供超高比表面积（达35 m²/g）；3）超分子作用在保持酶柔性的同时增强热稳定性（T_m提升12°C）。这种模块化设计适用于未知结构的工业酶，为生物制造提供了通用技术平台。研究获得西藏自治区自然科学基金（XZ202401ZR0088）等资助，Caixia Cui为通讯作者。