化工系工业酶催化团队研发出可长周期运行的气相反应用酶催化剂

发布时间:2019-06-21

  6月18日,清华大学化学工程系刘铮教授带领的工业酶催化团队在《自然·通讯》 (Nature Communications)上发表题为《应用氧化石墨烯实现绝干气体工况下的长周期酶催化酯交换反应》(Graphene Oxide Enabled Long-Term Enzymatic Transesterification in an Anhydrous Gas Flux)的研究论文。

  该文介绍了一种以氧化石墨烯(GO)为载体制备用于气相酶催化的固定化酶方法。首先将脂肪酶CALB溶液与GO溶液充分混合,利用静电和氢键相互作用形成水凝胶,再经冷冻干燥形成多孔结构的酶-GO催化剂(LGA)。热重分析和圆二色性光谱分析结果表明,GO置换出酶分子表面的部分必需水分子,LGA中的CALB保持着其天然活性结构。在采用LGA催化香叶醇和乙酸乙烯酯生成乙酸香叶酯的案例中,LGA持续催化500小时保持酶活不变,而CALB冻干粉则不呈现催化活性。将该方法应用于另外两种脂肪酶也取得提高酶稳定性和活性的效果,证明该方法具有通用性,在气相酶催化反应中具有广阔的应用前景。


图.(a)气相酯交换反应:香叶醇和乙酸乙烯酯在脂肪酶CALB催化下生成乙酸香叶酯,气相反应装置;酶-氧化石墨烯(GO)气凝胶(LGA)的微观结构图;(b)无水工况下500小时连续催化,内图为LGA和CALB的活性对比;(c)热重分析;(d)圆二色光谱分析。

  酶是生物催化剂,催化着自然界丰富多样的生命繁衍和物质转化过程,具有活性高、选择性高和反应条件温和的优点。将酶催化应用于化工产业,对于推进其绿色安全和可持续发展具有重要意义。气相酶催化研究始于上个世纪60年代末,其特殊难点是反应器的反应物/产物/载气气流会持续剥除酶分子表面必需水分子,使酶丧失结构柔性而导致表观催化活力很低。目前所采用的各类对反应系统进行“加湿”的措施可提高酶的催化活性但难以兼顾酶稳定性。本研究成果提供了一个解决上述应用困境的新方案,以GO负载酶制备气相催化剂的方法便捷并具有通用性,GO所构建的稳定的亲水微环境免除“加湿”步骤,使得反应系统得到简化并更易控制。上述成果可望重新点燃学术界和工业界对于气相酶催化技术的热情,推进气相酶催化技术的创新和应用。

  清华大学化学工程系刘铮教授是该文通讯作者,博士生徐伟娜为第一作者,清华大学蒋国强副教授和卢滇楠副教授,美国加州大学河滨分校(UC Riverside)吴建中教授,美国哥伦比亚大学博士后张一飞(本课题组毕业博士生)等参加了该项研究工作。该研究得到国家自然科学基金国际合作重点项目资助。

  刘铮教授领导的工业酶催化团队长期致力于面向化工应用的固定化酶技术和酶催化工艺研究,探索采用纳米材料来提高酶在生产工况下的稳定性和催化活性,发展出多种面向水相和有机相化学反应的固定化单酶和多酶催化剂,培养出多名优秀青年人才。本项成果是该团队在工业酶催化剂方面的又一项新突破。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-019-10686-z