由蛋白稳定的二氧化碳响应Pickering乳液界面生物催化特性研究

背景介绍

酶是多种有机物的有效生物反应催化剂，提供必要的化学品和药品在可持续和温和条件下具有高区域、化学和立体选择性条件，通常更喜欢水性介质并在其中表现出高活性，而大多数底物在有机反应中不溶于水。因此，酶促反应通常是在水-有机双相系统中进行，而它们通常由于界面面积有限，催化效率较低。Pickering乳液是由固体颗粒稳定的乳液，可作为双相酶促催化反应的极佳平台。然而，开发简单和绿色的策略来避免酶变性、促进产品分离和实现酶和胶体颗粒稳定剂的回收仍然是一个挑战。

研究方法

本研究以酪蛋白酸钠（NaCas）为颗粒乳化剂稳定CO₂/N₂响应乳液。采用光学显微镜、冷冻扫描电子显微镜和共聚焦激光显微镜研究了乳液特性。通过交替鼓泡CO₂/N₂来开启或关闭乳液响应性，探究了不同油相和循环次数对乳液的影响。此外，评估酶在CO₂响应Pickering乳液界面生物催化特性。

结果与分析

仅由0.1 wt%的NaCas稳定的CO₂/N₂响应乳液，通过光学显微镜、冷冻扫描电子显微镜（cryo-SEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察是大小为20-50 μm的球形液滴（图1 a、1c、1d 和1e）。在图1f中，cryo-SEM 图像显示，乳液液滴表面由紧密堆积的NaCas胶体颗粒（直径20-40 nm)。此外，NaCas乳液稳定至少80小时（图1b）。

图1. NaCas稳定的CO₂/N₂响应乳液

通过交替鼓泡CO₂/N₂来开启或关闭乳液响应性，可切换过程经过五次循环后运行良好，且能使用多种有机溶剂作为油相（正庚烷图2a、b、c；乙酸乙酯图2d、e、f；角鲨烯图2g；正辛烷图2h）。有趣的是，这种二氧化碳可转换乳液可以可逆开启和关闭超过20个周期（图 2a）。乳化剂和NaCas的响应性能始终不受循环影响，因为再生的类型和粒度乳液与原始乳液的当量相似（图2b）。此外，CO₂/N₂响应循环在50mM NaCl下运行良好，至少运行5次（图2c）。以乙酸乙酯作为油相，循环过程在5M盐存在下至少运行了5次（图2f）。

图2. CO₂/N₂ 响应乳液转换循环的光学显微照片和外观

图3a是CO₂/N₂响应乳液机理示意图，在图3b液滴界面层清晰可见，而图 3（c-e）中观察到聚结甚至破乳。对不同pH值的NaCas进行界面吸附分析（图 4h），在pH 4.7和7.0 NaCas具有相似的界面张力（19.31 vs18.92 mN m^-1）吸附率（4.92 vs 5.77 mN m^-1S^-0.5）。NaCas结合成球形胶束在中性pH值下直径为20-40 nm（图3f）。它们通过鼓泡CO₂聚集成簇状结构，伴随着pH值变为4.7，并且最后在CO₂进一步鼓泡后沉淀。当CO₂被通入N₂，NaCas 溶液的pH值恢复到7.0（图4i）。胶体结构通过20-40 nm的亚胶束的絮凝在pH 4.7下形成，但没有凝聚（图3g）。

图3. NaCas稳定的CO₂/N₂响应乳液特性

酯化反应己酸和1-己醇之间的反应用作模型反应评估酶在CO₂响应中的催化性能基于乳液的双相生物催化平台（图4a）。三种策略用于进行生物催化反应：第一种方法是没有乳化的两相体系；第二种由表面活性剂（SDS）稳定的常规乳液；第三种方法是由CO₂响应的NaCas稳定的乳液。如图4b所示，30 min后，NaCas酶系统达到94.5%酯的转化，但在两相反应体系（9.9%）。特别地，在NaCas-酶乳液系统中的转化率比在两相系统增长了近2.4倍（图4c，转化率 38.4%）。

图4. 乳液界面生物催化特性

结论

本研究通过一种稳定的CO₂/N₂响应乳液Pickering水包油乳液来分析一种高效、可持续的生物催化系统。该乳液由NaCas稳定表现出更高的反应效率，通过交替鼓泡CO₂/N₂超过30次，可以容易地实现破乳、产物分离、NaCas乳化剂和酶的回收。此外，回收的酶仍然保持其催化活性，在每个循环后的转化率都超过90%。这一反应系统在许多不同类型的油中都能很好地实现，为食品、制药和生物医学行业开发更可持续、更绿色的化学转化过程提供了有效途径。

原文链接：

https://pubsrsc.53yu.com/en/content/articlehtml/2022/sc/d1sc06146a

供稿人：

刘哲