缺陷型金属有机框架封装的植酸酶膜，用于从农业废弃物中的植酸中连续生产磷酸盐

庄莉|阮瑞|蔡伟伟

北京工业大学化学与化学工程学院，中国北京102488

摘要

利用植酸酶将农业废弃物中的植酸转化为磷酸盐，为无机磷酸盐的生产提供了一种可再生和环保的方法。然而，植酸酶的工业应用仍面临对环境变化高度敏感以及回收和再利用困难等重大挑战。在这项工作中，开发了一种植酸酶-MOF功能化膜，其中植酸酶被封装在缺陷的MIL-88A框架内，以提高植酸酶的应用稳定性而不影响其催化性能。制备的催化膜进一步用于膜反应器中进行连续磷酸盐生产。结果表明，植酸酶成功封装在缺陷的MIL-88A框架的通道中，形成了具有核壳结构的Phy@MIL-88A，在高达100°C的温度、2-7.5的pH范围和有机溶剂条件下，植酸酶的稳定性显著提高。在多巴胺和聚乙烯亚胺的帮助下，在多孔膜表面形成了超过15 μm的较厚的Phy@MIL-88A催化层。与游离植酸酶相比，功能化膜在60°C时表现出最佳的催化性能，这反映了MIL-88A带来的耐热性增强。通过Zn掺杂和Fe/FA比例调整引入结构缺陷后，膜的磷酸盐转化率显著提高，最大转化率达到69.26%，而完整的Phy@MIL-88A膜的转化率为52.24%。动力学分析显示，缺陷的引入增强了植酸酶与植酸之间的亲和力，从而提高了催化效率。缺陷的Phy@MIL-88A膜在连续七次操作循环中表现出高重复使用性，最大产率为6182 mmol/(m²·d)，磷酸盐浓度为6.44 mM。因此，这项工作拓宽了植酸酶的工业应用范围，并为从农业废弃物中绿色生产磷酸盐提供了一种有效策略。

引言

磷是生物体必需的营养素，在农业、化学工程和先进材料工业中得到广泛应用[1]、[2]、[3]。然而，目前磷酸盐生产的主要原料——磷矿石是一种不可再生资源，面临资源枯竭的问题[4]、[5]。在自然界中，植酸作为有机磷的主要形式，广泛存在于谷物、豆类及其加工副产品中[6]。植酸的六磷酸结构使其具有高磷含量，而植酸的磷酸酯键具有相当的稳定性，使得非生物降解几乎不可能实现[7]。

植酸酶是一种专门催化植酸水解为无机磷酸盐的酶。利用植酸酶将农业废弃物中的植酸转化为可利用的磷酸盐，为磷酸盐生产提供了一种可再生且环保的方法[8]。然而，游离植酸酶的实际应用受到其对操作条件（如pH值、温度、各种溶剂）的高度敏感性的限制，在不利条件下酶通常会发生变性[9]、[10]。这种较差的稳定性严重限制了植酸酶在工业催化效率和经济可行性方面的应用。

金属有机框架（MOFs）是一种多孔晶体材料，以其超高的比表面积、可调的孔径和灵活的配位环境而闻名[11]、[12]、[13]。这些结构特性使MOFs能够为酶提供保护性微环境，使其天然构象免受外部干扰。近年来，将MOFs作为酶的保护介质受到了广泛关注[14]。酶在MOFs中的固定主要通过表面接枝、物理吸附或酶在MOF通道内的封装来实现。表面接枝和物理吸附方法可以为酶提供一定程度的保护，但大多数酶仍然直接暴露在外部环境中[15]。相比之下，酶@MOF结构（其中酶被封装在MOF框架内）不仅可以为酶提供更好的保护，还能有效防止酶泄漏。例如，Martí-Gastaldo等人将蛋白酶封装在MIL-101-NH₂(Al)中，使蛋白酶的适用范围扩展到极端pH值和高达95°C的温度[16]。另一位研究者通过原位封装方法制备了lipase@NKMOF-101，该酶在80°C加热1小时后仍保持95%的催化活性[17]。

尽管开发酶@MOF复合材料在扩展酶的应用方面具有显著优势，但MOF有序通道的框架经常限制底物对封装酶的接近性，从而降低催化效率。例如，Wu等人通过生物矿化制备了辣根过氧化物酶@ZIF-8和南极假丝酵母脂肪酶B@ZIF-8复合物，其活性分别只有游离酶的12%和5%[18]。从这个角度来看，在MOF中引入适度的结构缺陷似乎是一种缓解这一限制的有希望的策略[19]、[20]。这些缺陷源于缺失的连接剂或金属节点，可以调节MOFs的孔径和配位环境，从而增强底物通过通道的传递和与酶的接触[21]。然而，据我们所知，目前还没有关于开发植酸酶@MOF复合材料的研究，特别是关于有意在MOF框架中引入结构缺陷以增强封装植酸酶催化性能的研究。此外，酶保护与催化活性之间的权衡以及MOF结构缺陷的程度仍是一个需要进一步研究的领域。

同时，酶或酶@MOF复合材料的工业应用仍面临生产不连续和难以将复合材料与底物分离等重大挑战，导致催化效率低和运营成本增加。因此，将固定化酶应用于连续流反应器引起了广泛关注。最近，已经成功开发了壁涂层和填充床反应器，实现了酶的连续生产和长期重复使用[22]、[23]。然而，通常以微米级颗粒存在的酶@MOF复合材料容易在这些类型的连续流反应器中丢失和聚集，导致压力降增加和催化性能下降[24]。相比之下，膜反应器在酶@MOF基催化系统中具有明显优势。光滑的膜表面有利于定向生长或形成更厚的酶@MOF复合层，具有较高的酶负载密度。此外，酶@MOF颗粒在膜上均匀分散，从而减少了聚集。此外，膜的均匀孔结构使得在恒定流量下可以连续操作，从而提高了催化过程的稳定性。此外，膜反应器设计紧凑，占地面积小，有利于大规模工业应用[25]、[26]。不幸的是，关于开发酶-MOF功能化膜及其在膜反应器中的集成以用于连续催化应用的研究很少。

本研究的目标是通过制备缺陷的MOF封装植酸酶膜，并将其用于膜反应器中进行高效和连续的催化反应，从而开发一种高效且具有工业应用价值的磷酸盐生产系统。选择MIL-88A(Fe)来封装植酸酶，因为MIL-88A可以在温和条件下在水溶液中合成，并表现出优异的生物相容性，从而避免对植酸酶活性的不利影响。同时，MIL-88A(Fe)在酸性环境中具有良好的稳定性，涵盖了植酸酶的最佳pH范围。此外，可以通过异金属掺杂或调节连接剂与金属的比例，轻松在MIL-88A中引入结构缺陷，从而研究酶保护与底物接近性之间的权衡。在这项工作中，采用了两种缺陷工程策略，包括Zn掺杂和Fe/富马酸(FA)比例调整，以结构修饰MIL-88A(Fe)，旨在系统比较它们对酶稳定性和催化性能的影响。随后，通过化学接枝在多孔膜表面形成了多层结构的植酸酶@MIL-88A复合材料(Phy@MIL-88A)，然后将其用于膜反应器中高效转化植酸为磷酸盐。总体而言，这项工作为绿色生产基于生物的可再生磷酸盐提供了一种新颖且有效的策略。

章节摘录

Phy@MIL-88A复合材料的合成

从中国上海旭硕生物技术有限公司购买了来自黑曲霉的植酸酶（EC 3.1.3.8，100 U/mg）。通过原位一锅合成方法将植酸酶封装在MIL-88A框架内，得到了具有核壳结构的植酸酶@MIL-88A复合材料(Phy@MIL-88A)。如图1(a)所示，为了合成完整的Phy@MIL-88A，将25 mg的植酸酶溶解在30 mM的FeCl₃溶液中，体积为25 mL。另外准备了30 mM的FA溶液

缺陷Phy@MIL-88A的合成与表征

在这项工作中，通过两种不同的方法将结构缺陷引入Phy@MIL-88A。基于异价金属掺杂策略，成功地将Zn掺入MIL-88A框架中，部分替代了Fe位点，导致有机配体可用的金属配位位点减少[29]、[30]。或者，通过增加Fe/FA比例来阻止FA与Fe的充分配位，从而产生配体缺失的缺陷[31]。这两种方法都

结论

本研究开发了缺陷的Phy@MIL-88A膜，并将其用于膜反应器中，从农业废弃物中的植酸连续且绿色地生产磷酸盐。主要结论如下：

• (i)
  在温和的水性条件下，植酸酶成功封装在缺陷的MIL-88A框架内，形成了具有核壳结构的Phy@MIL-88A复合材料。封装后，植酸酶的稳定性在高温下显著提高

CRediT作者贡献声明

阮瑞：研究。庄莉：撰写——初稿、可视化、验证、方法学、研究、数据管理。蔡伟伟：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法学、资金获取、概念化

利益冲突

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

数据将根据请求提供。

资助

本研究未获得任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者非常感谢中国北京北京工业大学的分析与测试中心对完成这项工作的支持。