用于绿色高效生物催化酯转化的可磁回收琼胶基皮克林乳液

《International Journal of Biological Macromolecules》：Magnetically recyclable agar-based Pickering emulsions for green and efficient biocatalytic ester transformations

　　**摘要**- 开发出磁性琼脂纳米粒子作为绿色Pickering稳定剂。- 该界面体系使催化效率提高了4倍。- 实现了高苯乙酸酯转化率和良好的可回收性。- 分子动力学揭示了脂肪酶CALB的界面活化机制。---**引言**酯类转化的高效和可持续方法对于香料行业至关重要[1]。其中，酶催化，特别是利用脂肪酶，凭借其卓越的选择性和在温和条件下反应的能力，已成为一种理想的途径[2]。然而，脂肪酶的工业化应用面临着一个根本性挑战——酶维持其天然构象和活性需要水环境，而大多数相关的疏水性底物在水中的溶解度很差[3]。为了解决这一矛盾，溶剂工程作为一种关键策略被广泛探索[4]、[5]、[6]、[7]。溶剂工程中的一个重要方法是采用水-有机双相体系进行酶催化[8]、[9]。受生物细胞区室化结构的启发，研究人员尝试创建具有空间分离能力的人工微环境体系，以同时实现高效的物质交换和反应隔离[10]。在这些体系中，Pickering乳液微反应体系因其独特的双相结构而备受关注，该结构为脂肪酶催化提供了有利的微环境[11]。在Pickering乳液体系中，有机相用于溶解疏水性底物并提取反应产物，而水相则为维持脂肪酶活性提供了适宜的环境。界面稳定颗粒的引入增强了体系的结构完整性，为催化反应提供了持续稳定的微环境支持。此外，大量微小液滴的形成显著增加了可用于反应的界面面积[12]、[13]。各种颗粒已被用作生物催化Pickering乳液的稳定剂，包括无机纳米颗粒、合成聚合物颗粒、有机-无机复合颗粒和天然聚合物基颗粒[14]、[15]、[16]。无机纳米颗粒，如二氧化硅和金属氧化物，通常具有高的界面吸附能、优异的结构稳定性和良好的环境耐变性，但其有限的生物降解性和可能与生物分子的潜在不相容性可能限制其在生物催化领域的应用[17]、[18]。合成聚合物颗粒在控制粒径、表面润湿性和刺激响应性方面具有更大的灵活性；然而，其制备过程通常涉及相对复杂的合成程序，并可能引发环境可持续性方面的担忧[19]、[20]。近年来，天然聚合物因其可再生性、生物降解性、生物相容性和丰富的官能团（便于表面修饰和界面调控）而日益受到关注，成为Pickering稳定剂的候选材料[21]、[22]。这些特性对于酶催化体系尤其有利，因为在酶催化体系中，维持酶活性和尽量减少与稳定剂的不利相互作用是至关重要的。然而，天然聚合物基颗粒在可回收催化体系中的应用仍面临挑战。它们在油水界面的强吸附且往往不可逆，可能阻碍可控破乳、产物分离和催化剂回收，通常需要额外的处理步骤，如离心或超声处理。此外，反复的乳化和破乳可能影响颗粒完整性和乳液稳定性，从而影响长期可回收性。因此，在天然聚合物基稳定剂中引入刺激响应性功能，如磁性响应，提供了一种实用策略，能够在催化过程中实现稳定的界面组装，同时方便反应后的分离和回收。琼脂是一种来源于红藻的可生物降解多糖，因其可逆凝胶化特性、可再生性和生物相容性而被视为理想的绿色界面稳定剂[23]、[24]。作为一种亲水性多糖，经过修饰后，琼脂颗粒能够高效且稳定地稳定油水界面[25]。此外，其柔性的水化结构有助于维持酶的自然构象并抵抗界面剪切力[26]、[27]、[28]。然而，对于可回收催化应用而言，仅靠稳定的界面吸附是不够的，因为强吸附的颗粒会使破乳和催化剂回收变得困难且能耗较高。因此，需要额外的分离功能来实现反应相的稳定性和反应后的可回收性。Fe?O?纳米粒子因其强磁性响应、易于通过外加磁场操控和表面可修饰性而特别适合这一目的。然而，裸露的Fe?O?纳米粒子容易氧化和团聚，可能降低磁性能并干扰酶-底物相互作用。通过将Fe?O?与修饰后的琼脂整合，所得复合颗粒结合了琼脂的生物相容性和可再生特性以及Fe?O?的磁性可回收性。这一设计使得颗粒在催化过程中能够稳定Pickering界面，同时在反应后允许快速磁分离，从而便于催化剂回收并减少对高能耗分离程序的依赖。这种整合为实现更可持续、可回收的生物催化平台提供了一条实用途径。为克服这些缺点，本研究将Fe?O?与琼脂整合，开发出磁性琼脂纳米粒子，赋予体系Pickering乳液稳定性和磁性响应能力，从而提高产物回收效率和工艺可持续性。首先，将Fe?O?接枝到修饰后的琼脂上制备磁性琼脂纳米粒子，并对其微观结构进行了系统表征。随后，利用这些磁性琼脂颗粒作为乳化剂构建Pickering乳液，并评估了其在各种条件下的稳定性和理化性质。然后，通过脂肪酶CALB催化苯乙酸酯水解的模型反应，验证了体系的催化效率和循环性能。此外，采用分子动力学模拟（MD）研究了脂肪酶CALB在油水界面的构象变化及其与催化活性的关联，揭示了界面微环境对分子水平上酶结构的影响。本研究突出了基于磁性琼脂的Pickering乳液作为绿色化学应用可持续高效生物催化平台的潜力，同时为双相体系中脂肪酶CALB的界面催化提供了机理层面的见解。---**各部分内容****材料**琼脂（Mw = 71.5 kDa，表S1）、四水合氯化亚铁（FeCl?·4H?O）、六水合氯化铁（FeCl?·6H?O）、氨水（25%-28%）、正硅酸乙酯（TEOS）、邻苯二甲酸酐（PTA）、二甲基亚砜（DMSO）和*N,N*-二甲基氨基吡啶（DMAP）由阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）提供。3-氨基丙基三甲氧基硅烷（APTMS）和甲苯由上海麦克林生化科技有限公司（中国上海）和广州提供。**磁性琼脂纳米粒子的合成与表征**磁性琼脂纳米粒子的合成路线如图1所示。首先，采用共沉淀法合成Fe?O?纳米粒子。然后将Fe?O?纳米粒子与TEOS反应形成SiO?包覆层。随后，通过APTMS的胺化反应在SiO?层表面引入氨基官能团，得到Fe?O?-SiO?-NH?纳米粒子。最后，将修饰后的琼脂与Fe?O?-SiO?-NH?纳米粒子结合制备…**结论**本研究成功开发了一种由新型磁性琼脂纳米粒子（Fe?O?@PA）稳定的可持续且磁性响应的Pickering界面生物催化体系。对Fe?O?@PA-1的综合表征确认了其成功合成、理想的超顺磁性和增强的热稳定性，使其成为一种理想的环保型稳定剂。所构建的Pickering乳液在优化条件下表现出优异的稳定性…**CRediT作者贡献声明****张聪：** 撰写-审稿与编辑、撰写-初稿、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念构思。**崔锐：** 监督、方法论、形式分析、概念构思。**谢伟：** 形式分析。**李广建：** 资金获取、形式分析。**曹玉飞：** 验证、项目管理、方法论、形式分析。**娄文勇：** 项目管理、资金获取。**利益冲突声明**所有作者声明无利益冲突。**致谢**本工作得到广东省重点领域研发计划（2024B1111160001）、国家自然科学基金委员会（22378146、22578142）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515011514）、先进制浆与造纸及其材料国家重点实验室项目（2025PT07）、中央高校基本科研业务费（2024ZYGXZR078、2025ZYGXZR046）以及中国石油天然气股份有限公司创新基金（2022DQ02-0407）的资助。---张聪 | 崔锐 | 谢伟 | 李广建 | 曹玉飞 | 娄文勇