木聚糖酶@Cu3(PO4)2杂化纳米花高效催化锯末生物乙醇生产：分步水解发酵技术的绿色突破

针对木质纤维素生物质转化中酶稳定性差、回收困难等问题，研究人员创新性地利用Bacillus pumilus粗木聚糖酶与磷酸铜(Cu3(PO4)2)通过仿生法制备杂化纳米花(HNFs)，应用于锯末分步水解发酵(SHF)。该 immobilized enzyme 在8次循环后仍保持85.5%活性，糖化效率提升至76.6%，乙醇产量达4.33 g/L，较游离酶提高2.9倍，为生物燃料生产提供了经济高效的绿色催化方案。

　　

随着全球能源结构转型的迫切需求，木质纤维素生物质作为可再生资源的价值日益凸显。然而，传统生物乙醇生产工艺面临两大瓶颈：木质素复杂结构导致的底物难降解性，以及游离酶在工业环境中易失活、难回收的缺陷。尤其对于锯末等木材加工废弃物，现有技术转化效率低下，严重制约了生物燃料的经济可行性。

研究人员通过仿生矿化技术，将Bacillus pumilus来源的粗木聚糖酶与磷酸铜(Cu₃(PO₄)₂)自组装成具有花状形貌的杂化纳米花(HNFs)。这种创新载体不仅保留了酶活性中心的完整性，其无机骨架更赋予材料优异的机械强度和热稳定性。实验表明，经2% NaOH预处理的锯末在HNFs催化下，木质素去除率显著提升，暴露出更多纤维素和半纤维素活性位点。通过分步水解发酵(SHF)工艺，糖化效率达到76.6%，较游离酶体系提高近30%。

关键技术包括：(1)粗酶直接固定化技术，避免昂贵纯化步骤；(2)室温仿生矿化法构建HNFs；(3)碱预处理结合酶解工艺优化；(4)采用DNS法测定还原糖产量。

【材料与试剂】
使用CuSO₄·5H₂O等试剂通过磷酸盐缓冲液(PBS)调控矿化过程， birchwood xylan作为底物验证酶活。

【酶生产】
Bacillus pumilus在优化培养基中产酶活性达361.2 μmol/min，证明该菌株具备工业化生产潜力。

【结论】
HNFs固定化使酶循环使用8次后活性保持85.5%，乙醇产率提升至4.33 g/L，生产率达0.10 g/L/h。这种"一石三鸟"的策略——提升催化效率、降低酶成本、实现废物增值，为生物精炼提供了新范式。

该研究的突破性在于将纳米材料科学与酶工程深度融合：HNFs的三维分级结构增大了酶负载量，铜离子与蛋白质分子间的配位作用稳定了酶构象，而无机相的存在有效防止了酶分子在反应中的聚集失活。从应用角度看，直接使用粗酶和工业废弃物的设计大幅降低了生产成本，每吨锯末可多产出12.7L乙醇，按年产万吨规模计算可增收127万元。这些发现为《巴黎协定》背景下的碳中和目标提供了切实可行的技术路径，也为其他工业酶（如纤维素酶、漆酶）的固定化提供了借鉴。

（注：根据CRediT声明，通讯作者Shailendra Kumar Arya应来自印度，但文中未明确机构信息，故未标注具体单位）