响应性Pickering高内相乳液用于高效界面酶催化

背景介绍

酶是一种具有高特异性、高效率的生物催化剂，可以在相对温和的条件下加速化学反应，因此在生物技术和工业生产领域备受青睐。

由于酶需要在水环境中保持活性，而大多数底物是油溶性的，所以一般情况下酶催化主要在油水界面进行。但较小的界面面积和较大的传质阻力极大地限制了其催化速率和反应效率，而且非均相体系也极易导致酶的变性和失活。

因此，能在确保酶活性的前提下有效提高界面催化速率，对生物催化领域具有重要意义。

近日，中国科学院长春应用化学研究所徐昆研究员，在Chemical Science (Temperature-responsive Pickering high internal phase emulsions for recyclable efficient interfacial biocatalysis. DOI: 10.1039/d2sc01746f) 发表文章，针对油水界面传质距离长、传质阻力大的问题，理性设计并精准制备了具有温度响应性的淀粉颗粒来实现酶的固定化负载，并以此固定化负载酶的淀粉粒子成功稳定了具有温敏性的油水比为 8:2的水包油型Pickering 高内相乳液，应用于高效界面酶催化。

图文解读

图1 应用于循环界面生物催化的热响应性Pickering高内相乳液示意图。

作者借助丁基缩水甘油醚(BGE)和缩水甘油酯三甲基氯化铵(GTAC)改性淀粉(StBG)。其中疏水性的BGE取代基对淀粉粒子的热响应性起着重要作用。当温度较低，亲水基团（-OH）与水分子之间的氢键作用占主导，抵消了疏水基团（丁基）之间的相互作用，水分子在淀粉周围形成溶剂化层，淀粉粒子具有更强的亲水性。随着温度升高，亲水基团与水分子之间形成的氢键逐渐减弱，溶剂化层被破坏。此时丁基之间的疏水相互作用占主导地位，淀粉粒子相互聚集，粒径逐渐增大，粒子分散液的紫外光透过率迅速下降。因此所制备的Pickering高内相乳液具有良好的热响应性，在低温下保持乳化状态，当加热到一定温度后立即破乳，并且这个过程是完全可逆的。循环 10次后，仍然可以得到稳定的凝胶状高内相乳液，乳液的尺寸和微观结构也没有发生明显变化。

图2 淀粉粒子稳定的Pickering高内相乳液及其热响应性。

正电性的GTAC取代基则在实现酶在淀粉粒子上的固定化负载发挥关键作用。GTAC的季铵盐基团为淀粉粒子提供了强正电荷，因此在较宽pH范围内(3-11)淀粉颗粒的 Zeta电位均保持在 +30 mV以上。而脂肪酶在 pH 7.4时是带负电的，由于静电相互作用，它们之间很容易相互结合。因此，当淀粉粒子被吸附在油水界面上稳定乳液时，大多数酶也被吸附在油水界面上，从而极大地减少了传质距离。并且通过调节淀粉颗粒上GTAC的取代度，可以精确调节“开关温度”，从而满足不同种类酶对使用温度的需求 。

随后，以脂肪酶催化己酸己酯的水解反应为模型考察了固定化负载酶的淀粉粒子(lipase@StBG)在水包油 Pickering高内相乳液内的生物催化性能，并同时选取了另外四个体系作为对照。己酸己酯水解反应的转化率结果表明：在上述乳液体系中，将酶固定在淀粉颗粒上的体系具有更好的界面生物催化性能，它们的反应速度更快，转化率更高。说明在稳定剂的作用下，脂肪酶被固定在界面处，从而缩短了传质距离，提高了反应速率。值得注意的是，由于高内相乳液提供的超高比表面积，该体系在 2.5 h内的转化率就达到 80%，显著高于其他体系。另外脂肪酶的比活度数据为此结论进一步提供了证据，酶固定在淀粉粒子上的 Pickering 高内相乳液体系的比活度为 10.8867 U mg-1，明显优于其它现有的双相催化体系。

作者还证明了上述整个催化过程具有易分离性和可回复性。在固定化酶 Pickering 高内相乳液体系中反复进行了 10个循环的生物催化水解实验。在整个循环催化过程中，通过改变环境温度来实现脂肪酶固定化 StBG粒子的回收、产物的分离和乳液的回复，从而避免了使用传统的离心、过滤等耗时耗能的方法。在循环催化过程中己酸己酯的转化率均保持在 80%以上，且循环10次后脂肪酶的比活度还保持在 10.1022 U mg-1，说明固定在淀粉粒子上的脂肪酶在水解过程中几乎没有失活。

图3 固定化负载酶(a、b)；界面酶催化(c、d)；循环催化(e、f)。

小结

1. 以 BGE和 GTAC对淀粉分子进行疏水功能化修饰，BGE和 GTAC的引入不仅使淀粉粒子具有合适的亲疏水性，同时赋予了淀粉粒子温度响应特性；而且通过调节淀粉结构上 GTAC的取代度，可以精确调节“开关温度”，满足不同种类酶对使用温度的需求；

2. 利用淀粉粒子和脂肪酶之间的静电相互作用实现了酶在淀粉粒子上的固定化负载，并以此粒子调控制备具有温度响应性的水包油型Pickering高内相乳液；

3. 采用上述温度控制乳化和破乳的 Pickering 高内相乳液为支架，以脂肪酶催化己酸己酯水解为模型对其界面酶催化性能进行考察。结果表明：由于脂肪酶固定负载化淀粉粒子稳定的 Pickering高内相乳液具有较短的传质距离和较大的比表面积，因此拥有良好的生物催化性能；

4. 通过改变环境温度即可实现固定化负载酶的淀粉粒子的回收和产物的分离，大大避免了循环中酶的损失，同时保证了酶在循环过程中不会受到外界刺激而失活。这项工作为高效绿色生物催化平台的设计提供了创新性的思路。