纳米材料支架在酶促聚合物降解中的应用：推动液体配方聚合物生物降解评估的新工具

本研究针对当前聚合物生物降解评估方法耗时长、适配性差的问题，创新性地提出利用纳米材料作为酶固定化支架的技术方案。研究人员系统综述了纳米材料（0D-3D）作为酶（纤维素酶、淀粉酶、脂肪酶等）载体的优势，及其在聚糖、聚酯等可生物降解聚合物（PLFs）降解中的应用，为开发高通量生物降解测试平台提供了理论依据，对推动可持续聚合物工业发展具有重要意义。

　　

在全球每年消耗3630万吨液体配方聚合物(PLFs)的背景下，传统石化来源的合成聚合物因其环境持久性和潜在生态毒性正面临严格监管。欧盟REACH法规明确要求到2027年限制可能形成微塑料（<5mm不溶颗粒）的聚合物使用，这迫使行业亟需开发可生物降解替代品。然而，现行OECD 301标准测试方法（28天至2年的CO₂释放量测定）存在周期长、数据单一等缺陷，严重阻碍了新型聚合物的研发进程。

英国皇家化学学会(RSC)与过程创新中心(CPI)的研究团队在《Bioscience Nanotechnology》发表综述，系统阐述了纳米材料作为酶固定化支架在聚合物降解中的突破性应用。研究通过四大关键技术方法：（1）纳米材料维度分类体系（0D纳米颗粒至3D介孔材料）；（2）共价/非共价酶固定化技术；（3）连续流微反应器集成；（4）多酶协同降解系统构建，实现了对纤维素、淀粉等PLFs的高效降解监测。

【纳米材料作为酶固定化支架的优势】

研究比较了传统多孔载体与纳米材料的性能差异。以Fe₃O₄/壳聚糖纳米颗粒固定化里氏木霉(Trichoderma reesei)纤维素酶为例，虽活性降低59%，但15次循环后仍保持80%活性，显著优于游离酶。三维介孔二氧化硅纳米皱褶材料因其可及性表面结构，使β-1,4-葡萄糖苷酶的热稳定性提升3倍。

【0D纳米材料的应用】

银纳米颗粒(Ag NP)通过半胱氨酸巯基共价固定猪源α-淀粉酶，使淀粉降解效率提升1.5倍。磁性Fe₃O₄/氧化石墨烯(GO)复合物负载南极假丝酵母脂肪酶B(CALB)，对聚己内酯(PCL)降解展现出独特优势。

【1D纳米材料的突破】

单壁碳纳米管(SWCNT)固定化平菇(Pleurotus ostreatus)木质素过氧化物酶，比活性提升28倍。氧化锌纳米线(ZnO NW)载体使海栖热袍菌(Thermotoga maritima)β-葡萄糖苷酶在正己烷中保持91%活性。

【多维纳米材料的创新】

二硫化钼(MoS₂)纳米片共价固定β-淀粉酶，在pH8.5/90℃条件下活性保留80%，远超游离酶（下降70%）。埃洛石粘土纳米管(halloysite NT)的铝羟基内腔为酶提供pH3-10的稳定环境。

【连续流技术的整合】

在聚四氟乙烯微反应器中，硅包覆Fe₃O₄纳米颗粒固定化CALB实现连续4周稳定运行，生产率达2.04 μmol·min^-1·mg^-1。ZnO NW微流控系统使β-葡萄糖苷酶生产效率提升30倍。

该研究证实纳米材料支架通过（1）增加酶负载量（2）降低扩散限制（3）增强环境稳定性，可显著提升PLFs降解效率。特别值得注意的是，介孔二氧化硅固定化蛋白酶K使聚乳酸(PLLA)堆肥降解周期从166天缩短至106天，为生物降解加速测试提供了范式。作者建议未来应建立包含氧化还原酶（木质素过氧化物酶）和水解酶（脂肪酶/纤维素酶）的多酶纳米反应系统，以更真实模拟自然环境降解过程。这项技术突破不仅为PLFs生物降解性评估开辟了新途径，更为实现1250亿美元聚合物市场的可持续发展转型提供了关键技术支撑。