学院省工程中心团队在洗涤用酶性能提升方向上取得新研究进展

碱性蛋白酶能够水解各类蛋白质污垢、释放因蛋白质包裹的污垢或因蛋白质加强对基底粘附力的污渍和协同强化表面活性剂的去污能力，被广泛应用于洗涤领域。然而，不同于生物体内环境，蛋白酶在洗涤条件下活性不稳定问题突出，液体洗涤剂中多种成分如表面活性剂、螯合剂、漂白剂等都能与酶相互作用，对酶的活性造成破坏。提高洗涤环境中酶活性、增强酶的稳定性、延长酶储存时间，使酶效能得到充分发挥是本领域亟待解决的应用难题。中山大学化学工程与技术学院的广东省海洋生物质化工原料及其功能化转化工程技术研究中心芮泽宝教授、曾晖高级工程师团队近期对碱性蛋白酶洗涤性能的影响因素、催化与失活机制和碱性蛋白酶洗涤稳定性提升策略进行了系统阐述 (日用化学工业, 2021, 51(11), 1109；日用化学工业, 2022, 52(2),180， 2022年度期刊优秀论文)。

相较于传统的洗涤酶稳定性提升策略，酶的固定化技术不仅能有效提升酶稳定性能，还具有能够使酶循环使用和易于与其它蛋白酶的稳定策略联用等优点，是酶洗涤过程绿色化、经济化的优先选项。针对制约该技术推广应用的技术瓶颈问题，如载体上的酶结合位点少、表面修饰复杂及传质效率低等，研究团队近期创新性地提出了“双致孔策略”制备具有蜘蛛网状交错连通网络孔的壳聚糖大球，并将其作为有效固定化碱性蛋白酶的新型酶载体的研究思路（图1）。利用SiO₂临时模板剂以及气致成孔剂CH₃COONH₄-Na₂CO₃生成的NH₃和CO₂的原位溢流效应，有效地抑制了壳聚糖链的过度交联，诱导壳聚糖球由致密结构向多孔结构转变，提升壳聚糖的内部孔隙率。

基于“双致孔策略”所开发的P₂CSM暴露更大的表面积，并具有丰富的用于碱性蛋白酶固定化的酶结合位点。通过将蛋白酶负载到具有优异力学性能的P₂CSM载体上，可显著提高蛋白酶分子的构象刚性，增强蛋白酶对多种失活因素的抵抗力，且能够分散蛋白酶的活性位点，通过“限域”效应有效遏制蛋白酶的聚沉现象，提升蛋白酶的利用效率和降低蛋白酶使用成本，为构建高活性酶复合材料提供了一条具有广阔应用前景的途径。所制备的多孔载体P₂CSM对碱性蛋白酶的最大负载能力为43.8 ± 0.8 mg/g，活性回收率高达92.4%。同时，其高效的共价结合能力和独特的酶亲和力，赋予固定化碱性蛋白酶具有比游离碱性蛋白酶更优异的pH稳定性、贮存稳定性、热稳定性和抗SDS能力。此外，Protease@P₂CSM还表现出优异的酪蛋白水解能力，在连续重复使用7次后Protease@P₂CSM的剩余酶活性仍高达70.3%（图2）。

该研究成果近期发表在本领域知名期刊Carbohydrate Polymers (Y. Tang, P. Wang, H. Zeng, and Z. Rui, Construction of porous chitosan macrospheres via dual pore-forming strategy as host for alkaline protease immobilization with high activity and stability. Carbohyd. Polym. 305 (2023) 120476)上(https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120476)，中山大学化学工程与技术学院22级博士生汤颖和20级硕士生王朋辉为该论文的共同第一作者，芮泽宝教授和曾晖高工为共同通讯作者。基于所开发的酶固定化技术和系列复合酶材料所展现出的优异性能和在洗涤领域里较好的应用前景，研究团队已申请多项发明专利(CN115058052A; CN114940776A)。该工作得到了广东省自然科学基金杰出青年基金项目(No. 2022B1515020098)和佛山市南海经济技术促进局项目(No. 20177611071010008)的资助，并得到了广东省浓缩洗涤剂工程技术研究中心的支持。