摘要
化石燃料储备正在迅速枯竭，而全球能源需求持续增长，这促使研究人员寻找可持续的替代品。在这些替代品中，生物燃料，特别是生物柴油，作为一种生物相容性和环境友好的选择而脱颖而出。然而，通过酯交换反应生产生物柴油会产生大量的甘油（GOL）作为副产品。甘油被认为是从生物质中提取的十大高价值化学品之一，但其粗甘油含有杂质，这使得纯化过程成本高昂且对环境具有挑战性。因此，人们广泛研究将粗甘油直接转化为高价值产品的方法。本研究探讨了将甘油转化为四种主要产品：甘油醛、二羟基丙酮、1,3-丙二醇和甘油酸的过程，并总结了每种产品的选择性和转化数据。这些产品在聚合物、食品、制药、化妆品等行业的广泛应用也得到了概述。本综述独特地提供了对化学、电化学、光化学和生物催化系统的综合见解，特别强调了固定在金属-有机框架（MOFs）上的酶催化作用。鉴于关键甘油衍生物是通过氧化途径获得的，因此特别关注了天然催化剂漆酶，该催化剂与介体2,2,6,6-四甲基-1-哌啶-N-氧基（TEMPO）结合使用时，可以将甘油氧化为甘油醛和甘油酸等高价值化合物。对文献的全面回顾表明，酶催化是一种更可持续的方法，它在甘油氧化过程中表现出高选择性和环境友好性。
1 引言
全球能源需求的增长以及化石燃料储备的快速枯竭，加剧了对可持续能源来源的探索。对化石燃料的依赖是全球变暖的主要驱动力，这种持续的依赖带来了严重的环境威胁[1]。为应对气候变化，2016年《巴黎协定》设定了到2040年从可再生能源中获取60%能源的目标，这一目标特别强调了生物燃料的生产[2]。在可再生选项中，生物柴油因其可再生性、可生物降解性、能够显著减少温室气体排放、无毒性和环境友好性而脱颖而出[3]。生物柴油主要是通过酯交换反应从植物油中生产的[4]，因为这种方法效率高且操作条件温和[5-7]。在此过程中，甘油三酯在催化剂的存在下与醇（通常是甲醇或乙醇）反应，生成脂肪酸烷基酯（生物柴油）和甘油（GOL），如图1所示[8]。图1显示了通过酯交换反应生产生物柴油的过程，其中甘油作为副产品产生，约占总产量的10%-14%[9, 10]。2022年，全球生物柴油产量达到625万立方米，产生了约5520立方米的甘油[11]。供过于求导致市场积压和利用率降低[12]，价格降至每吨100美元以下[13]，预计2023年至2027年间其产量将以每年17.5%的速度增长[14]。除了生物柴油生产外，甘油还通过肥皂、脂肪酸和脂肪醇制造过程中的三酰甘油处理产生[15, 16]。然而，粗甘油含有杂质，这些杂质增加了纯化成本并带来了环境挑战，因此人们研究了将其直接转化为高价值化学品的方法[17]。由于其三个羟基，甘油是催化升级复杂生物质衍生分子的理想底物[18]。甘油可以转化为多种产品，包括1,3-丙二醇（1,3-PDO）、生物乙醇、乳酸、1,3-二羟基丙酮（DHA）[19]、L-酪氨酸[20]、丙醇[21]、丙烯醛、乙醛[22]、乙二醇、氢气[23]、缩酮、乙炔[24]、酒石酸、草酸、甲酸[25]、甘油碳酸盐[11]、烯丙醇、丙烯[26, 27]、烷基醚[28]、羧酸、酮[29]、3-羟基丙酸、琥珀酸、苹果酸[30]、环氧氯丙烷[31]、二氧环己烷[32]、甘油醛（GAD）[33]、柠檬酸[34]、羟甲基呋喃[35]、类胡萝卜素、γ-癸内酯、糖脂[36]、芳氧基丙二醇[37]、吡啶衍生物[38]、羟基丙酮酸[39]和甘油酸（GLA）[41, 42]。图3展示了甘油的氧化转化途径[43-45]。
2 甘油增值的一般策略
甘油可以通过多种策略转化为高价值产品，包括电化学、光化学、均相催化、非均相催化和生物催化。
2.1 电化学和光催化方法
甘油的电化学转化提供了一种绿色、温和条件的替代方法[21, 46]。一种将甘油转化为高价值产品的电化学氧化方法是其脱氢生成DHA和GAD的混合物，随后DHA脱水生成丙二醛。这种中间体通过分子内的Cannizzaro反应生成乳酸[47]。在另一项研究中，开发了一种原子有序的Ni3Sn金属间催化剂用于甘油的电氧化，实现了1199 µmol h−1的高转化率和92%的GLA选择性[48]。同样，一种使用光活性中间体的双金属Pt–Bi电催化剂表现出高的质量活性、低起始电位以及强的抗毒性和抗失活性[49]。金属-半导体蛋黄@壳结构在甘油电氧化中表现出优异的性能。例如，Au@NiSx蛋黄@壳纳米结构在10小时内实现了约50.4%的甘油转化率，对C3产物的选择性为92.6%，并且能够在双电极配置下生成酒石酸和释放氢气[50]。这些研究表明，优化的催化剂设计可以提高甘油电氧化的选择性、稳定性和效率。然而，仍存在挑战，包括对温度效应的理解有限以及氢气释放和催化剂中毒等副反应，这些因素会阻碍产率和选择性[21]。光电化学（PEC）和光催化（PC）氧化甘油作为生产高价值化学品的可持续途径受到了关注[51]。PC系统利用太阳能，在温和、环保的条件下提高效率和选择性[52]。在PEC氧化中，半导体光阳极产生空穴来氧化甘油，并通过外部电路将电子传输到阴极，从而减少电荷复合，并部分替代电能[53, 54]。最近的进展包括具有富铋区域的BiVO4光阳极，实现了361.9 mmol m−2 h−1的DHA产率和80.3%的选择性[55]；WO3纳米片与Ni泡沫阴极结合使用，产生了H2和GAD[57]；Cu+修饰的WO3光催化剂在可见光下实现了五倍的转化率，达到3.81 mmol g−1，并选择了三糖[58]。总体而言，这些研究表明PEC和PC系统在提高选择性、集成氢气联产以及实现可见光驱动的氧化方面具有多功能性。然而，由于甘油的复杂反应途径产生多种产品[59]，以及光催化剂本身的局限性（如宽带隙、高电子-空穴复合和依赖紫外光），挑战仍然存在[60]。
2.2 均相和非均相催化方法
均相和非均相催化剂在甘油转化为高价值产品过程中都起着重要作用[61]。均相催化剂显示出高活性和选择性，但面临挑战，包括纯甘油的粘度高、在水介质中的溶解度低[47]、产品分离耗时且复杂、以及缺乏可回收性。非均相催化剂在酯交换过程中尤为重要，因为它们可以快速与反应产物分离[62]。这些催化剂通常包含Pt、Au和Pd等贵金属，具有优异的回收率和可回收性，但通常选择性较低，常常产生醇、酸和醚化产物的混合物[22, 47]。在工业应用中，非均相碱催化剂通常比均相催化剂更受青睐[63]。尽管化学催化剂（无论是均相还是非均相）在甘油增值中得到广泛应用，但它们往往与高能耗、低回收率和显著的环境影响相关[64]。相比之下，生物催化提供了一种更绿色的途径，具有高底物特异性、副产物生成少和低能耗的特点，在温和的反应条件下既可持续又高效[31]。除了实验工作外，理论方法，特别是密度泛函理论（DFT），可以通过阐明吸附模式、反应能量学和可能的反应途径来支持甘油的催化优化，从而指导更活跃和选择性更强的催化剂的合理设计[65]。
3 甘油转化为重要工业产品
甘油的增值不仅解决了废物管理问题，还提高了生物柴油生产的经济和环境可持续性[66]。以下小节讨论了关键的氧化产物（GAD、DHA、GLA）和一种重要的氢解产物（1,3-丙二醇）。
3.1 甘油转化为GAD
GAD是一种无色、甜味的单糖，也是最简单的醛类化合物，通过选择性氧化甘油的一级羟基获得[67, 68]。在甘油中，二级碳的键能最低，因此脱氢通常从这里开始。这可以通过两条途径进行：一级-OH的氧化生成GAD，或者二级-OH的氧化生成DHA[69]。通常更倾向于生成DHA，因为二级C-H键的断裂需要较低的活化能[70]。在脱氢过程中，由于H•自由基的复合会释放H2[69]。GAD作为一种无毒的交联剂在药物配方中很有价值，在化妆品中作为自晒剂[71]，也是可生物降解乳化剂和聚合物的前体[72]。它可以很容易地氧化为更稳定、具有工业价值的化合物，如GLA和甘油酸[73, 74]。表1显示了双金属和金属-有机框架（MOF）修饰的催化剂（如PdAg/CoFe2O4和Bi–MOF修饰的WO3）通常对GAD的选择性最高，明显优于TiO2或BiVO4和Ni(OH)2/C等简单氧化物[71, 75, 76, 77]。然而，转化率和选择性之间存在权衡，对于一些选择性最高的系统，尚未报告总体甘油转化率，表明真正最优的催化剂仍然缺乏[78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85]。
3.2 甘油转化为DHA
DHA是通过氧化甘油的二级羟基生成的，是一种在高价值化学品中需求量大的化合物，在化妆品、医疗保健和特种化学品领域有广泛应用[55, 82]。它用于自晒霜、白癜风治疗、膳食补充剂和甜味剂[83-85]。其市场价格为每公斤150美元，而粗甘油和精制甘油的价格分别为每公斤0.11美元和0.66美元。这种价格差异使得从甘油催化生产DHA在经济上具有吸引力[57]。虽然贵金属（Au、Pt、Pb）对DHA的生产非常有效，但它们的高成本促使人们关注更便宜的铜基催化剂。已知Cu+物种可以促进-OH氧化为-COOH，使Cu2O成为一种特别有前景的催化剂[86]。表2总结了用于甘油转化为DHA的催化剂[87, 88, 89]。基于BiVO4的光催化剂和Au/CuO–ZnO系统表现出最佳性能，提供了最高的DHA选择性（约70%-80%），并且对于Au/CuO–ZnO，还实现了高甘油转化率。相比之下，简单氧化物如TiO2、Cuδ+-修饰的WO3、Cu2O和聚合物碳氮化物显示出较低的DHA选择性，表明工程化的BiVO4材料和Au–Cu基催化剂在引导甘油氧化为DHA方面更有效[90, 91]。BiVO4光阳极
0.1 M GOL，0.5 M Na2SO4，pH 2，5小时
不适用
80.3
[55]
Au/CuO–ZnO催化剂
0.1 M GOL，12小时
76
70
[82]
Co-LDH纳米线修饰的TiO2纳米棒
0.1 M GOL，0.5 M Na2SO4，4小时
不适用
48
[87]
蒙脱石包覆的Cu2O纳米颗粒
70°C，0.5小时
47.6
27
[86]
钾掺杂的碱性聚合物碳氮化物
室温，6小时
>70
43
[88]
TiO2
27°C，10小时
35
8
[77]
Cuδ+修饰的WO3光催化剂
25°C，4小时，pH 4
不适用
32.9
[58]
WO3/BiVO4/Bi级联异质结构
不适用
不适用
60.6
[89]
纳米多孔BiVO4
0.1 M GOL，0.5 M Na2SO4，pH 2
不适用
51
[90]
BiVO4晶体表面
0.1 M Na2B4O7，0.1 M GOL，2小时
不适用
59
[81]
3.3 甘油转化为1,3-PDO
甘油（GOL）中次级羟基的选择性氢解生成1,3-PDO被广泛认为是一种环保且经济有效的GOL增值途径[91]。1,3-PDO是一种高价值的特种化学品，用作聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和其他聚酯、聚氨酯以及聚醚的合成单体。这些聚合物应用于多个行业，包括化妆品、油墨、层压材料、粉末涂料、制药、树脂、防冻剂和粘合剂[92-94]。1,3-PDO是一种无色的C3二醇，可与水、醚和醇等极性溶剂完全混溶。它可以通过生物发酵或化学合成获得[95, 96]。随着对可持续性和环境影响的关注增加，对生物基产品的需求也在增加，为绿色技术创造了强劲的市场动力[97]。表3显示，由钨物种促进的Pt基催化剂是GOL氢解为1,3-PDO的最有效系统。特别是Pt/Nb2W3O14和Pt–WOx/SBA-15结合了高GOL转化率和高1,3-PDO选择性，而其他配方如Ir–ReOx/H-ZSM-5则表现出较低的活动性和选择性。表3. GOL转化为1,3-PDO的催化剂和条件。
催化剂
条件
GOL转化率，%
1,3-PDO选择性，%
参考文献
Pt–WOx基催化剂
200°C，12小时
40
46
[95]
钨掺杂的二氧化硅介孔泡沫，负载铂
150°C，6小时
76
61
[98]
Pt/WO3/ZrO2
160°C，12小时
85.8
24.2
[99]
Ir–ReOx/H-ZSM-5催化剂
220°C，p = 8 MPa，4小时
14.9
19
[100]
Pt–WOx/Al2O3催化剂
220°C，p = 6 MPa，5小时
44.7
45.1
[101]
Pt/WO3/Al2O3
180°C，5 MPa，12小时
65.4
48.2
[102]
金属氧化物掺杂的Pt/TiO2催化剂
240°C，3 MPa H2，12小时
59.6
51.2
[103]
单钨原子修饰的Pt/Al2O3
5 MPa H2，12小时
42
64
[104]
Pt/Nb2W3O14催化剂
140°C，4 MPa，8小时
94
68.3
Pt–WOx催化剂，负载在SBA-15上
150°C，4 MPa
71
88
[105]
3.4 甘油转化为GLA
GLA，也称为2,3-二羟基丙酸，是GOL的一种高价值氧化衍生物，其市场价格远高于粗甘油和纯甘油[48]。它的手性异构体和功能基团能够形成多种酰基和葡萄糖基衍生物，这些衍生物具有重要的生物活性。因此，GLA被广泛用于护肤和化妆品配方[106]、功能性表面活性剂、聚合物合成的生物活性单体[107]、制药[108]、肌肉生理学研究以及有机合成[109]。它还是可生物降解聚酯、环保织物柔软剂[110]以及高价值产品（如抗胰蛋白酶和抗胆固醇甘醇酸盐）的关键构建块，这些产品的价格比GOL高出20倍以上[41]。由于氧化途径的复杂性、多种副产物的形成以及两种GLA对映体的存在，高效的GOL到GLA转化具有挑战性[111]。目前的生产方法包括均相催化、异相催化和生物发酵[42]。在水性碱性系统中，贵金属催化剂通常会产生GLA作为主要产品，尽管也有报道无碱系统能够实现高选择性[112]。如表4所示，基于Pt的系统（Pt纳米晶体负载在石墨碳和Zr@MCM-41上）具有最高的GLA选择性，而基于Au的催化剂如Au/Al2O3、Au–CeO2/CNT和MOF衍生的Au–Pt则实现了非常高的GOL转化率，在某些情况下甚至达到100%。表4. GOL转化为GLA的催化剂和条件。
材料
条件
GOL转化率，%
GLA选择性，%
参考文献
Ni3Sn催化剂
0.5 M KOH，0.5 M GOL，35小时
45
62 ± 3
[48]
Au/Al2O3催化剂
0.93 MPa，pH = 13.5–13.9，25°C
63.6
63.4
[113]
Ni–Zn–Co尖晶石铁氧体
100 mM GOL，30 mM TEMPO，pH = 4，50°C，96小时
70.1 ± 4.6
>50
[111]
Pt纳米晶体封装在石墨碳中
0.05 M GOL，1.0 M KOH，PE 0.3–0.7 V vs. RHE
不适用
81.8
[114]
钾掺杂的碱性聚合物碳氮化物
6小时
>70
54
[88]
钯纳米晶体
0.1 M GOL，1 M KOH，25°C，4小时
85
42
[115]
Au–CeO2/CNT催化剂
0.5 M GOL，1.0 M KOH在1.12 V（vs. RHE），12小时
99.7
50
[41]
WO3纳米片
0.1 M GOL，6小时
不适用
73
[56]
Zr@MCM-41负载的Pt催化剂
40°C，6小时
50.7
65
[42]
MOF衍生的MnxOyCz负载的双金属Au–Pt催化剂
60°C，2小时
100
57.3
[116]
表1–4总结了GOL转化为GAD、DHA、1,3-PDO和GLA的最新进展，突出了这些转化过程中探索的各种催化剂和反应条件。虽然化学途径占主导地位，但它们往往难以在高GOL转化率与强产品选择性之间取得平衡。例如，如Pt-WOx和MOF衍生的Au–Pt这样的催化剂表现出优异的转化效率，但在所有目标产品上提供一致的高选择性方面却有所欠缺。GOL氧化仍然是一个主要挑战，因为该过程会产生含有羰基和羧基的多种C1–C3化合物。这种多样性使得难以将反应导向特定的目标产品，并使催化剂设计变得复杂[117]。例如，GOL的选择性氧化可以依次进行，生成GAD、GLA、酒石酸，最终生成间氧酸[118]。
4 酶法
酶是天然的催化剂，能够以高达百万倍的效率加速特定反应，并且具有出色的选择性，同时在整个过程中不会被消耗[119]。它们的环保特性使酶成为实现联合国可持续发展目标的关键贡献者[120]。与传统化学催化剂相比，酶具有更好的生物降解性、生物相容性和成本效益，可用于生产药品、精细化学品和食品[121]。生物催化过程在温和的条件下进行，使用可再生的、无毒的酶，显著减少了环境影响[122]。它们提供了高区域选择性和立体选择性，通常不需要对功能基团进行保护性修饰[63, 123]。此外，与传统的化学方法相比，酶法可以减少30%–50%的污染物排放，包括水污染物和温室气体[61]。
4.1 用于甘油增值的酶
几篇近期论文直接使用酶将甘油转化为更高价值的化学品。一项研究使用甘油脱氢酶和酒精脱氢酶将甘油转化为二羟基丙酮，提高了产率并简化了催化剂回收[124]。另一项研究筛选了四种商业化的漆酶，然后将最佳酶共价固定在功能化的磁性和尖晶石铁氧体载体上，实现了对GLA的选择性氧化，转化率超过50%，同时显著提高了热稳定性、pH稳定性和储存稳定性[111]。还有研究使用漆酶将甘油氧化为GAD，尽管转化率只有约5%，但在48小时后实现了100%的选择性[125]。这些研究以及其他使用不同酶进行甘油增值的研究总结在表5中。表5. 最近的甘油增值酶系统：生成的产品和主要优势。
酶
GOL的主要产物
主要优势
参考文献
甘油脱氢酶和酒精脱氢酶
DHA
高效率，易于催化剂回收
[124]
漆酶
GLA
>50%的选择性转化率；改善了热稳定性、pH稳定性和储存稳定性
[111]
漆酶
GAD
非常高的选择性（高达100%的GAD转化率），尽管转化率仅约为5%
[125]
修饰的甘油脱氢酶
1,3-丙二胺
分别从纯甘油和粗甘油中转化了77%和79%，展示了从废甘油中获取含氮特种化学品的酶法途径
[126]
脂肪酶
甘油碳酸酯
>99%的甘油转化率和>99%的甘油碳酸酯产率，在无溶剂的绿色条件下具有良好的脂肪酶可回收性
[127]
脂肪酶
单甘油酯
使用生物柴油衍生的粗甘油的无溶剂过程，单甘油酯产率约为29%，直接使用粗甘油
[128]
4.2 酶固定的通用要求
工业条件如高温和极端pH值可能导致酶变性及活性丧失[62, 129-132]。酶通常在水性介质中表现出最佳活性，但回收和再利用较为困难，并可能受到底物或产物的抑制。此外，它们的稳定性在工业或非传统条件下往往会降低。因此，为了应对这些问题，酶通常被固定在不同的载体上。为了成功固定和有效使用，需要适当的酶固定技术和符合系统要求的合适载体材料[133]。固定方法应保持酶的活性，同时提供高操作稳定性和实用性。固定的酶应保留大部分自由酶的活性，并显著增强对温度、pH值和溶剂变化的抵抗力。实际上，有效的固定生物催化剂可以很容易地从反应混合物中分离出来，并且可以多次重复使用，活性仅略有下降[134, 135]。载体的化学性质和结合方式必须牢固地固定酶，防止其泄漏，同时保持活性位点的暴露，以便底物能够容易地接触到它。此外，固定技术应该是可靠的、可扩展的且经济的，使用低成本的载体（如多孔硅胶、聚合物珠子或金属有机框架）和温和的条件，以提高整体过程效率[136]。
5 酶的固定
酶的固定涉及将一种或多种酶限制在特定的区域或载体基质上。固定的酶具有许多优点，包括易于回收和再利用、与各种反应器配置的更好兼容性，以及对降解和失活的更好稳定性[137]。主要的酶固定方法包括吸附、共价结合、包封和陷阱[111, 138-140]，如图4所示[141, 142]。
图4. 使用吸附、共价结合、陷阱和包封技术在载体（紫色矩形）上固定酶（黄色部分圆圈）。白色代表空隙。
5.1 吸附
吸附是一种简单且经济的方法，其中酶通过范德华力、静电吸引和疏水效应等弱相互作用附着在固体表面上[143-145]。吸附的强度取决于酶的结构和载体的表面电荷，因此酶-载体亲和力至关重要。重要的是，吸附可以最小化结构破坏和质量传递限制[133, 146]。Cu-BTC MOF和Cr-MOF成功合成并用于通过吸附固定漆酶，与自由酶相比，漆酶的稳定性得到了提高[143]。然而，吸附通常导致酶的附着较弱，容易受到温度、pH值或离子强度等条件的影响而泄漏[135, 147]。
5.2 共价结合
共价固定确保了酶的牢固和稳定附着，提高了稳定性、负载能力和在恶劣工业条件下的抗泄漏性。它增强了可重复使用性和催化性能，使其适用于大规模应用。然而，不可逆的键合可能会改变关键的催化残基（如氨基），可能影响酶的效率[148]。此外，多点共价固定可能会使酶结构变得僵硬，限制了某些情况下所需的构象灵活性，从而影响催化活性。通过共价结合固定在功能化硅胶上的漆酶在10次循环的甘油氧化后仍保持了90%的催化活性。固定的酶系统在60°C下选择性地将甘油转化为GLA，性能优于自由酶[111]。然而，对物理吸附和共价结合的比较分析表明，吸附提供了更好的催化性能，这与共价结合通常增强载体上酶稳定性的常见预期相反。这一观察结果归因于活性位点附近的构象变化和共价键合导致的转化率降低[150]。
5.3 陷阱
陷阱技术涉及将酶封闭在载体基质内而不形成化学键。这种方法提供了温和的条件，保护酶免受失活，减少了泄漏，并适用于广泛的工艺[133, 151, 152]。弱的化学相互作用有助于保持酶的天然构象和催化活性[153]，同时允许更高的酶负载量[146]。因此，陷阱被认为是工业酶固定的有前景的方法。然而，其优化需要平衡底物/产物的扩散与最小化的酶泄漏，同时保持简单的合成过程。基质还必须具有适当的孔径，以实现有效的扩散[154]。因此，这种方法的一个关键限制是由于基质厚度增加导致的底物扩散受限，以及当孔径过大时酶泄漏的风险[135]。在一项研究中，通过陷阱技术在Na-藻酸盐基质中固定漆酶，使用2,2,6,6-四甲基-1-哌啶-N-氧化物（TEMPO）作为介质，在25°C下孵育甘油，产生了90%的漆酶活性，但在24小时后GLA的产率仅为总产量的约7%。在类似的研究中，固定在氧化铝颗粒上的漆酶（Laccase）实现了约16%的GOL（甘油醇）转化率。这种性能的提升可能归因于固定策略的不同：前者采用包埋方法，而后者则采用了共价结合方式，后者可能提高了酶的稳定性和底物的可及性[145]。对包埋和共价结合的漆酶在GOL氧化中的比较评估显示，两种方法在经过八次重复使用后仍保留了超过60%的活性，并且在4°C下储存一个月后酶的泄漏量低于15%。与共价结合的漆酶相比，包埋的漆酶与TEMPO（过氧化氢TEMPO）结合使用表现出更优的催化性能，产生的GAD（甘油醛）和GLA（甘油酸）的量几乎是后者的两倍[155]。这些发现表明，物理包埋是TEMPO介导的GOL选择性氧化的一种更有效的方法。
5.4 包封技术
封装是一种将酶包裹在保护性基质中的技术，可以增强其稳定性和活性，同时防止酶的泄漏[156]。与包埋类似，封装也将酶限制在特定的空间内，同时允许它们保持溶解状态。然而，封装特别涉及将敏感的酶固定在具有多孔膜的小囊泡内，这些膜允许小分子底物和产物的通过，但限制了大分子的移动[157]。在一项研究中，漆酶通过一种对酶友好的水合合成方法迅速封装到了ZIF-8中，这是报道中最快的原位固定方法，仅用了5分钟。由此产生的Laccase@ZIF-8复合材料表现出增强的化学和热稳定性，在高达70°C的温度下仍能保持活性[158]。同样，封装在ZIF-L中的漆酶由于其生物激活作用，也表现出比未封装的漆酶更强的催化活性[159]。图5示意性地展示了原位封装在MOF（金属有机框架）中的漆酶过程。
6 酶固定的支持材料
理想的固定化酶应具有高催化活性、稳定性和可重复使用性。然而，在实际应用中，固定化酶的催化转化率通常低于其自由状态下的转化率，主要是由于底物和产物在固体支持材料的多孔基质中的传质受限[160, 161]。此外，固定过程中活性位点的构象变化或不利取向也可能导致活性降低，从而减少底物的可及性。操作因素如pH值、温度、缓冲液组成和功能化化学也进一步影响酶的稳定性和性能[162]。因此，选择合适的支持材料对于有效的酶固定至关重要。支持材料应具有成本效益、与酶相容、化学惰性以及机械稳定性，并且要能够抵抗压缩、磨损和微生物降解。满足这些标准可以提高酶在预期应用中的稳定性和活性[163]。已经成功使用了多种材料，包括纳米花、环氧树脂、生物聚合物和Fe3O4纳米酶[164, 165]。例如，固定在磁性二氧化硅纳米花上的南极假丝酵母脂肪酶B（Candida antarctica lipase B）实现了94.24%的GOL转化率和88.66%的GOL碳酸酯产率，在七次重复使用后仍保持79%的转化率[64]。在另一项研究中，自由的醛醇氧化酶（Aldo）仅实现了6.3%的GOL转化为GAD[166]，而固定在Fe3O4@OA纳米酶上的酶则将转化率提高到了84.8%[167]。然而，传统的支持材料往往受到酶负载量、稳定性和泄漏问题的限制。MOFs（金属有机框架）通过提供高表面积、可调的孔隙率和强的酶-支持相互作用，解决了这些限制，从而实现了催化性能的提高和长期稳定性，适用于可持续的生物催化[168]。
6.1 作为支持材料的MOFs
MOFs是由金属离子与有机配体协调形成的多维网络构成的晶体材料。它们具有极大的表面积、高孔隙率和结构稳定性，使其成为酶固定的理想候选材料[169]。酶可以通过两种主要方法固定在MOFs中：原位固定或后合成固定[170, 171]。在原位固定中，MOFs是在酶存在的情况下合成的，从而实现了MOFs的形成和酶的同时固定。相反，后合成固定是在MOFs完全形成后引入酶的，通常通过共价结合或吸附来实现。由于许多MOFs的微孔性质，酶分子往往被限制在外部表面，因为它们难以扩散到内部空间[172, 173]。表6总结了这两种固定技术的优点和缺点。
最近的研究进一步优化了MOFs中的酶固定稳定性、可重复使用性和催化效率。例如，MOFs通常能提高酶的活性和可回收性[177]。表7总结了这些基于MOFs的酶固定策略，突出了关键材料、酶及其各自的优点。
6.2 作为漆酶固定支持材料的MOFs
漆酶是一种多铜氧化还原酶，能够催化各种芳香化合物的氧化，并将分子氧还原为水作为唯一的副产物。它们能够利用溶解氧作为绿色氧化剂，并作用于广泛的底物，因此具有高度的通用性和价值[183]。然而，漆酶的广泛应用受到生产成本高、稳定性有限、操作寿命短以及酶重复使用困难等因素的阻碍[184]。为了解决这些问题，已经使用了多种MOFs，包括MIL-100、MIL-101、MIL-68、UiO-66–NH2、MIL-53、ZIF-90、ZIF-L和ZIF-8作为漆酶的固定基质，从而制备出了性能优异的生物催化复合材料[158, 159, 185]。例如，一项研究将漆酶封装在ZIF-L中，发现该酶的催化活性显著提高了ZIF-L从水溶液中去除布洛芬的吸附效率[159]。另一项研究将漆酶固定在介孔ZIF-8上，通过戊二醛交联提高了结构稳定性，使得复合材料能够在恶劣的环境条件下高效稳定地降解双酚A[186]。同样，漆酶通过温和的水合合成方法迅速封装在ZIF-8中，制备出了具有增强热稳定性和化学稳定性的强效生物催化剂，实现了精确的酶负载（2.1 wt%）[158]。值得注意的是，有一种方法是在室温下仅使用水作为溶剂合成了酶@MOF复合材料。通过原位一步固定漆酶在半结晶Fe-BTC MOF中，实现了快速高效的封装（≥87%–98%），并且酶的泄漏量极少，活性保留良好。这种方法优于后合成固定和其他MOF支持材料[187]。总体而言，这些研究表明，将漆酶固定在MOFs中，尤其是通过原位封装，显著提高了酶的稳定性、催化活性和底物选择性。因此，漆酶-MOF复合材料在具有挑战性的条件下具有显著的生物催化应用潜力，优于传统的固定技术。尽管如此，许多MOFs仍然存在电导率低、电荷重组快以及在某些操作条件下结构不稳定的问题。必须解决这些问题，才能充分利用基于MOFs的系统实现高效和稳健的GOL（甘油醇）转化[188]。酶促氧化反应，如漆酶催化的反应，在各种有机化合物的转化中起着关键作用。然而，许多底物由于空间位阻或氧化还原电位超过了酶的固有氧化能力，导致直接氧化存在挑战[111, 189]。
7 介质在酶催化中的作用
介质是小分子有机化合物，它们促进了底物之间的电子转移，为氧化反应提供了另一种机制途径[190]。它们对于克服某些底物的空间位阻和高氧化还原电位尤为重要，通过桥接底物和酶活性位点之间的差距来提高酶促氧化效率[191]。高效的氧化还原介质作为合适的酶底物，具有高周转率，产生自由基以促进远离活性位点的氧化，从而提高催化效率[192]。常用的氧化还原介质包括TEMPO[193]、1-羟基苯并三唑（HBT）[194]、n-羟基邻苯二甲酰亚胺（HPI）[195]和2,2'-偶氮-二-3-乙基苯并噻唑啉（ABTS）[197]，如图6所示。其中，TEMPO被认为是醇氧化最有效的介质[198]。HBT在氧化过程中被广泛使用，特别是在漆酶系统和高锰酸盐氧化中。它的-NH₃OH功能团能够激活过氧化氢、过硫酸盐和臭氧等氧化剂[199]。ABTS作为一种变色指示剂，在GOL被氧化时发生变化，使研究人员能够轻松追踪酶活性并评估GOL的转化情况[200]。像HBT和ABTS这样的氧化还原介质还可以恢复被Pb²⁺、Hg²⁺和Li⁺等金属离子抑制的酶活性[201]。然而，它们的高成本和潜在的环境影响，以及对其生态毒性和转化产物的了解有限，仍然是值得关注的问题[202]。另一方面，HPI被证明是一种多功能的介质，但不溶于水[203]。TEMPO介导的氧化能够在温和的水性条件下选择性地将一级羟基转化为羧酸基团，无论底物是否可溶[204]。TEMPO还被广泛认为是将醇转化为羧酸或酮的化学计量介质，在碱性介质中，它可以选择性氧化一级醇[205]。在这种机制中，漆酶将TEMPO氧化为其氧胺阳离子（TEMPO⁺），后者再氧化GOL，从而实现连续的催化循环[145, 206]。TEMPO作为高效的氧化还原介质，用于选择性醇氧化。在GOL氧化中，发现TEMPO浓度显著影响GOL的转化率和产物的分布。在较低浓度（<6 mM）下，GAD是主要产物；3 mM的TEMPO浓度下转化率为35%，同时产生GAD和GLA的混合物。将浓度增加到6 mM时，转化率提高到55%，并且两种产物的生成更加平衡。在更高的TEMPO浓度（>6 mM）下，转化率进一步提高，但选择性降低[207]。这些观察结果表明，仔细优化TEMPO浓度对于实现高GOL转化率和所需的产品选择性至关重要。
8 漆酶/TEMPO催化的甘油氧化
在一种更环保的方法中，采用了TEMPO/Lacase催化系统进行GOL氧化。由于漆酶本身的氧化还原电位不足，因此使用TEMPO作为氧化还原介质。将酶固定在固体支持材料上，实现了7 wt%的GOL转化为GLA的转化率，表明漆酶作为一种高效、环保且可再生的氧化剂，优于传统的化学计量氧化剂[145]。使用纳米沸石作为支持材料，在TEMPO介导的GOL氧化中，固定化的酶在48小时内实现了高达5%的GOL转化率和100%的GAD选择性[125]；而自由酶虽然转化率更高（高达82%），但缺乏选择性[125]。多项研究表明，漆酶/TEMPO系统能够依次氧化GOL为GAD、GLA、酒石酸，最终生成间苯二酸。氧化产物的类型和分布强烈依赖于TEMPO的浓度。较低浓度（<6 mM）有利于GAD的形成，而较高浓度则促进GLA的生成。在TEMPO存在下，将漆酶包埋在海藻酸钠中也能产生GAD和GLA[155]。此外，该系统已被用于合成具有药用价值的甲氧沙林酸，证实了受控的GOL氧化可以选择性地产生GAD、GLA、酒石酸和甲氧沙林酸[118]。总体而言，漆酶/TEMPO催化系统代表了一种选择性高且环保的GOL氧化方法。与传统化学氧化剂相比，它在温和的条件下运行，减少了副产物的生成，并具有优异的选择性和可重复使用性，尤其是在酶被固定在合适的载体上时。
9 结论与展望
生物柴油生产的迅速扩张使得粗GOL从一种有价值的副产品变成了过剩的废弃物，这推动了对其催化升级的深入研究。化学、电化学和光催化途径可以将GOL转化为关键产品，如GAD、DHA、1,3-PDO和GLA，但这些方法仍难以在单一过程中同时实现高转化率、高选择性、低能耗和低催化剂成本。生物催化为GOL氧化提供了一种互补且更可持续的途径，天然酶具有高化学选择性和区域选择性、生物相容性以及温和的操作条件。然而，游离酶在工艺条件下往往不稳定，且难以回收和重复使用。将酶固定在合适的载体上，特别是金属有机框架（MOFs）上，可以显著提高其稳定性和可回收性，而漆酶/TEMPO系统已经证明了GOL可以选择性地氧化为高附加值产品。尽管在使用MOFs进行酶固定方面取得了显著进展，但仍存在一些关键挑战，需要进一步的研究。
9.1 对酶友好的MOF合成与处理
大多数MOFs是在苛刻条件下合成的或干燥的，例如高温（约100°C），这可能会使敏感的酶发生变性。开发能够在温和、对酶友好的条件下制备、洗涤和干燥的MOFs（理想情况下是在室温下）仍然是一个关键挑战。
9.2 减少有毒溶剂的使用
许多原位封装策略依赖于DMF等苛刻的有机溶剂，这些溶剂会损害酶的稳定性和活性。未来的研究应优先考虑基于水或绿色溶剂的系统，以实现安全和有效的酶结合。
9.3 平衡酶活性与稳定性
固定化通常可以提高酶的稳定性和可重复使用性，但可能会降低其催化活性。设计既能保持高活性又能维持稳定性的MOF载体和固定化策略对于优化整体性能至关重要。
致谢
本论文的开放获取出版得到了阿拉伯联合酋长国大学的支持，这是Wiley与阿拉伯联合酋长国大学协议的一部分。
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
