Advances In Engineering报道我校高内相乳液两相酶催化系统研究成果
发布人:助管  作者: 材料学院  发布时间:2019-12-30   动态浏览次数:47

近日,国际著名工程学网站“Advances in Engineering”(简称AIE)公开报道了我校材料科学与工程学院章圣苗副教授课题组在酶固定化聚合物纳米粒子稳定的Pickering凝胶乳液两相酶催化体系的研究成果。

酶作为绿色催化剂可以促进一系列具有高化学、区域和立体选择性的重要反应。然而,生物催化反应受两相反应环境的限制:在大多数情况下,脂肪酶在水中分散性好,反应底物则在有机溶剂中溶解性好。为了提高两相酶促反应的效率,通常需要稳定酶在水油界面处,同时增加有机相和水相之间的接触面,例如,通过形成乳液。然而,乳状液最终需要在相对温和条件下破乳,以分离含有产品的有机相,并允许在水相中回收酶。为解决这一双相问题,科研工作者已经做了许多努力,在这些工作中,通常使用两亲性分子,如表面活性剂和嵌段聚合物来稳定乳液。两亲性分子的存在会严重影响酶的活性,并且在制备和纯化方面也提出了挑战。近年来,Pickering乳液(即粒子稳定的乳液)被认为是双相酶催化生物反应器重要发展方向。粒子吸附在油水相界面上,防止液滴聚并,在不降低脂肪酶生物催化活性的情况下提高乳液稳定性。尽管Pickering乳状液具有许多优点,但由于其有机/水体积比小(一般小于1)和不稳定性(在反应中通常需要搅拌或摇动)限制了Pickering乳状液在两相催化中的工业应用。故具有高油水比、超稳定性和可循环再生的Pickering界面生物催化剂体系仍然是生物制造领域需要攻克的难题。

针对上述关键问题,章圣苗课题组研制了一种酶修饰共聚纳米粒子稳定的Pickering凝胶乳液(亦称高内相乳液),用于两相酶催化。成功地将Pickering高内相乳液(HIPEs)应用于两相酶催化体系,解决了两相酶催化反应的高通量、稳定性和可回收循环利用之间的平衡问题。作者通过苯乙烯和甲基丙烯酸缩水甘油酯的无皂乳液聚合制备了一种脂肪酶假丝酵母南极脂肪酶(CALB)修饰的聚合物纳米粒子;将反应底物的有机溶液分散于该纳米粒子水分散液中,形成水包油型Pickering 高内相乳液,再将Pickering凝胶体系静置于室温下,即可完成反应。对己酸与正己醇在油相中的酶酯化反应催化效率分析表明,在Pickering凝胶乳液中,纳米颗粒上的固定化CALB比游离CALB具有更高的酶活性。酶促反应后,仅通过低速离心,即可破乳,进而实现反应产物油溶液和固定化酶的水分散液的分离,将新的反应底物油溶液再次和固定化酶的水分散液简单混合,又可形成新的Pickering 高内相乳液两相酶催化反应体系。这一过程可多次重复,10个反应循环后的酶活性仍然保持92.5%以上。该成果发表于英国皇家化学会(RSC)旗下的Reaction Chemistry & Engineering, 2019, 4(8), 1459-1465.

Advances In Engineering编辑对此研究成果高度评价:章圣苗和他的研究团队通过开发一种高效的Pickering两相界面生物催化系统,从体积比、稳定性、可回收性和总体运行成本等方面有效促进两相催化的可持续应用。(The study by Professor Shengmiao Zhang and his research team will advance sustainable applications of biphasic catalysis by developing a highly efficient Pickering interfacial biocatalytic system in terms of volume ratio, stability, recyclability, and overall operating costs.)。除对上述成果详细报道外,Advances In Engineering网站还专门以图文方式详细介绍了章圣苗的科研经历。

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Advances in Engineering(AIE)报道原文链接:https://advanceseng.com/pickering-emulsion-stabilized-enzyme-immobilized-polymeric-nanoparticles-robust-recyclable-biocatalysts-system-biphasic-catalysts/