CdS-酶复合物光生物催化实现塑料衍生乳酸向手性化学品的高效转化

为解决塑料废弃物污染和手性化学品合成难题，新加坡国立大学团队开发了CdS-酶复合光生物催化系统，通过可见光驱动的一锅法级联反应，将聚乳酸(PLA)衍生的乳酸高效转化为(R)-乙酰丁酸、L-丙氨酸等手性化学品，产率高达90%，ee值>99%，且催化剂可循环使用4次保持81%活性。该研究为塑料升级回收和绿色合成提供了新思路。

　　

每年全球产生超过3.5亿吨塑料垃圾，其中生物基塑料聚乳酸(PLA)作为石油基塑料的替代品，2023年产量已达70万吨。然而传统PLA处理方式如填埋和焚烧造成资源浪费，现有化学转化方法又难以实现高附加值手性化学品的立体选择性合成。手性化学品市场规模高达700亿美元，在医药、农业等领域应用广泛，开发PLA向手性化学品的绿色转化技术具有重要意义。

新加坡国立大学（National University of Singapore）化学与生物分子工程系的Ning Yan团队创新性地将光催化与生物催化相结合，设计出CdS-酶复合物系统。研究人员通过将酶封装在藻酸盐微球中并表面涂覆CdS纳米片，构建了核壳结构催化剂，成功实现可见光驱动下PLA衍生乳酸向多种手性化学品的一锅法转化。该成果发表在《Green Energy》期刊。

关键技术包括：1) CdS纳米片光催化氧化乳酸生成丙酮酸；2) 酶在Ni-NTA树脂上的固定化及藻酸盐微球封装；3) 通过电子顺磁共振(EPR)验证自由基生成机制；4) 使用商业PLA杯水解液作为实际底物验证应用潜力。

【催化剂制备与表征】
通过将α-乙酰乳酸合成酶(ALS)和α-乙酰乳酸脱羧酶(ALDC)固定在Ni-NTA树脂上并封装于藻酸盐微球，再表面涂覆CdS纳米片，成功构建直径约4mm的CdS/IE@Bead复合催化剂。紫外-可见光谱和光致发光光谱证实CdS光学性质得以保持，EDX元素映射显示CdS均匀分布。

【催化剂活性与稳定性】
比较三种组合方式发现，CdS/IE@Bead在50mM DL-乳酸转化中产生10.4mM (R)-乙酰丁酸(42%产率)，显著优于游离体系。EPR检测证实光照下产生氧中心自由基。酶活性测试显示，复合设计使酶在20h光照后仍保留12%活性，而游离体系仅剩0.5%。催化剂循环4次仍保持81%产率。

【底物拓展与应用】
通过替换微球内的酶，系统可定向合成不同手性产物：转氨酶(BmTA)催化生成L-丙氨酸(>99% ee)，乙酰羟酸合酶(AHAS-I)催化苯甲醛与丙酮酸缩合生成(R)-苯乙酰甲醇(PAC，84% ee)。使用实际PLA杯碱水解液(含50mM乳酸)为底物，40h内(R)-乙酰丁酸产率达90%。

该研究开创性地解决了光催化剂与酶相容性难题，通过空间隔离设计有效保护酶免受光生自由基攻击。所开发的模块化系统可灵活适配不同酶促反应，为塑料废弃物升级回收和高值手性化学品绿色合成提供了普适性平台。特别是系统可直接处理实际PLA废弃物，且催化剂易于回收，展现出良好的工业化应用前景。研究不仅拓展了光生物催化在循环经济中的应用边界，也为开发其他多催化协同系统提供了重要参考。