学术研究报告：二胺化纤维素微珠作为工业相关脂肪酶的可持续载体

第一作者及机构
本研究的通讯作者为Davide Califano（现就职于日本冲绳科学技术大学院大学）和Karen J. Edler（现就职于瑞典隆德大学），其他作者包括Rob Schoevaart（ChiralVision公司）、Katie E. Barnard（Naturbeads有限公司）、Ciarán Callaghan和Davide Mattia（英国巴斯大学化学工程系）。研究发表于《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》期刊，2024年5月8日在线发表，卷12，页码7703–7712。

学术背景
本研究属于生物催化与可持续材料交叉领域。工业中广泛使用聚苯乙烯或聚丙烯酸微珠作为酶固定化载体，用于大规模生物工艺（如葡萄糖异构化、乳糖水解和药物合成），但这些合成聚合物不可降解，存在微塑料污染风险。纤维素因其可再生性、低成本、化学稳定性和可降解性，被视为理想替代材料。然而，未修饰的纤维素与蛋白质相互作用弱，需通过化学功能化提升其吸附效率。本研究旨在开发一种新型二胺化纤维素微珠（diaminated cellulose beads, DAB），通过疏水和静电作用高效固定工业脂肪酶，并评估其催化性能与可回收性。

研究流程
1. 再生纤维素微珠制备
- 以微晶纤维素（MCC）为原料，溶解于1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐离子液体（[EMIM][OAc]），通过滴落法在去离子水中再生形成球形微珠（直径1.92±0.18 mm）。
- 关键创新：采用旋转床反应器（SpinChem）规模化制备微珠，避免了传统方法中溶剂回收的复杂性。

1. 二胺化功能化

   • 氧化步骤：用高碘酸钠（NaIO₄）氧化纤维素微珠，生成二醛纤维素（dialdehyde cellulose, DAC），通过酸-碱滴定测定氧化度（degree of oxidation, DO），最高达11±0.63%。
     
   • 还原胺化：将DAC与不同链长的二胺化合物（1,6-二氨基己烷、1,8-二氨基辛烷、1,10-二氨基癸烷）反应，经希夫碱中间体还原后形成DAB。
     
   • 表征技术：扫描电镜（SEM）显示DAB保持多孔结构；红外光谱（FTIR）证实胺基成功接枝（1580–1690 cm⁻¹处C=N和N-H键吸收峰）；茚三酮法测定胺基含量（1,10-DAB最高，达261.58±25.81 μmol/g）。
     

2. 酶固定化与性能测试

   • 脂肪酶吸附：测试三种脂肪酶（Candida antarctica lipase B, CALB；Thermomyces lanuginosus lipase, TLL；Amano PS lipase）在DAB上的吸附效率。TLL在1,6-DAB上吸附率达100%，CALB在1,8-DAB上吸附最佳。
     
   • 活性评估：以对硝基苯丁酸酯（p-nitrophenyl butyrate）水解为模型反应，测定固定化酶活性。1,6-DAB负载的TLL活性最高（270 U/g），且在有机相中酯化反应活性不受疏水链长影响。
     
   • 可回收性：TLL在1,6-DAB上经12次循环后仍保留87%活性，优于商用聚丙烯酸微珠（IB-COV-1，活性459 U/g）。
     

3. 降解性验证

   • 使用里氏木霉（Trichoderma reesei）纤维素酶降解DAB，1,6-DAB的纤维素组分95.97±6.72%被水解，表明化学修饰未阻碍酶解作用。
     

主要结果
- 氧化动力学：高碘酸钠浓度决定反应速率，20 mM NaIO₄时DO在24小时达平衡（17.12±0.76%）。
- 疏水链长效应：长链二胺（如1,10-DAB）降低纤维素酶解效率（62.1±4.25%），但增强脂肪酶吸附。
- 反应环境依赖性：水性介质中，短链DAB（1,6-DAB）更利于底物接触；有机相中链长无显著影响。

结论与价值
本研究开发的DAB载体兼具高酶负载量（100%吸附效率）、优异可回收性（12次循环）和完全生物降解性，其性能超越传统塑料载体。科学价值在于揭示了纤维素疏水修饰与酶活性的构效关系；应用价值为工业生物催化提供了可持续替代方案，有望减少微塑料污染。

研究亮点
1. 方法创新：首次通过还原胺化将脂肪酶非共价固定于纤维素微珠，避免了共价固定导致的酶构象变化。
2. 性能优势：1,6-DAB负载的TLL在旋转床反应器中活性（588 U/g）显著高于商用载体（459 U/g）。
3. 环境友好：DAB可被纤维素酶完全降解，解决了塑料载体残留问题。

其他价值
研究通过SpinChem反应器验证了DAB的规模化应用潜力，为工业化生产提供了可行性依据。此外，FTIR与SEM联用为纤维素基材料表征建立了标准化流程。