摘要：金属有机骨架材料（MOFs）由于其独特的性质，如孔径可调节、孔隙率高、比表面积大和易于修饰等，是新型理想的酶固定化载体。文章阐述了近年来金属有机骨架（MOFs）固定化酶的部分研究进展，包括MOFs固定化酶的方法，以及MOFs-酶复合物在废水处理中的发展和应用前景。
关键词：金属有机骨架；酶；固定化；水处理
酶是一种生物催化剂，具有催化效率高、无害无毒等显著特点，但酶在工业应用中经常受到作用环境要求高，难以回收并利用，因此如何对裸露的酶进行固定化是目前解决上述问题的重要研究方向之一。
目前，酶的固定化是提高酶稳定性的有效手段，金属有机骨架材料（MOFs）已被广泛用于水解酶和氧化还原酶等的固定化。本文阐述了MOFs 固定酶的4 种方法和优缺点，以及酶-MOFs 复合物在废水处理中的应用现状。
1 酶在MOFs上的固定化方法1.1 表面吸附
MOFs 固定化酶最常用的方法之一是表面吸附法，因为利用吸附作用原理来制备酶-MOFs 的条件温和并且操作方法简单方便。表面吸附法是指MOFs 的配体与蛋白质游离的氨基、羧基，在疏水作用、范德华力和电荷作用力等多作用下形成酶-MOFs 复合物，或是带正电荷的MOFs 金属簇与带负电的蛋白质。Kim 等对POST-66（Y）进行整理，以水为溶剂，制备了一种载体材料，使得这种载体材料具有微孔和介孔双极孔结构，将HRP 固定在介孔POST-66（Y）内，固定化酶在游离的HRP 中比二甲基亚砜有机溶剂中具有更差的稳定性，多次使用以后可使固定化酶相对活性保持在90% 以上。
MOFs 的孔径大小和表面化学键对表面吸附法的研究实验并没有特别影响，因此表面吸附法适用于多种MOFs，该法对酶的结构影响较小，能够最大化地保持酶的活性，并且MOFs 较大的比表面积可以实现较高的载酶量。但酶与MOFs 之间形成的结合力相对弱，容易导致酶-MOFs复合物性能不稳定。
1.2 共价结合
共价结合法是通过酶或者MOFs 表面游离的氨基和羧基之间形成酰胺键，也可以是以戊二醛作为交联剂，通过氨基和醛基之间发生的席夫碱反应来达到酶在MOFs 上的固定效果。酶-MOFs 复合物之间形成的酰胺键往往需要经过羧酸活化分子对羧基进行活化，使之加快反应进程。Professor Chen 等以戊二醛作为交联剂，通过醛基和利用硫酸铵沉淀得到的猪胰脂肪酶（PPL）氨基之间发生的席夫碱反应，一方面达到了猪胰脂肪酶（PPL）在UiO-66-NH2 表面的共价固定的目的，并通过实验测量得出其固载率为98.31 mg/g，另一方面提高了PPL 在实验中的储存稳定性和可重复使用性。
酶与MOFs 之间通过共价键发生偶联作用，一方面提高了酶结构的刚性，增加再循环利用性；另一方面，共价结合固定增大了酶与底物的接触面积；再者共价键的合力与物理吸附相比，共价键的合力更强，使得酶的稳定性更高。但是，共价结合过程相对复杂，成本较高并且固定过程中酶表面的一些官能团可能会因此被破坏，从而使得官能团失活， 影响酶的催化效果。
1.3 孔道包埋
因为可以合理设计和调节来改变MOFs 的多孔结构，孔道包埋法利用这一优点通过扩散作用原理可将酶固定到MOFs 上。通常孔道包埋法操作简单快捷，只需在酶溶液中加入MOFs 搅拌使其混合。但这种方法对酶分子体积大小选择性较强，酶分子大小必须小于MOFs 结构孔径的大小。
大尺寸的酶无法进入微孔（<2nm）MOFs，致使酶分子只吸附固定在MOFs 的表面，使得酶分子无法包埋于MOFs 内部。因此，在实验中采用孔道包埋法固定化酶时一般选择介孔（2~50nm）MOFs 作为载体。为此，Lykourinou V 等研究了介孔MOFs 固定化酶分子的方法，研究并制备了Tb-mesoMOF。这种MOFs 可以固定MP-11（体积为3.3 nm×1.7 nm×1.1 nm）。在水溶液中游离的MP-11 容易发生团聚，从而失去活性，因此固定化MP-11 在实验中展现出更好的活性和重复利用性。与表面吸附法相比较，酶通过扩散作用进入孔道后由于受到了额外的保护，可以减少自身发生的团聚，提高了酶的稳定性。
1.4 原位合成
原位合成法是通过酶溶液、有机配体和金属离子的共同沉淀作用来达到生物酶固定的目的，因此原位合成法不受酶分子大小的影响，是实验中常用的一种快速且有效的固定方法之一。操作过程通常是在含有金属离子前体和有机配体的混合液中将酶加入，经过离心分离、洗涤和干燥后，得到酶-MOFs 的复合产物。合成过程中，可以将尺寸大于MOFs 孔或通道的酶分子包埋到MOFs 中。但由于受到酶的变性条件的影响，原位合成法通常只能适用于在温和条件下进行实验，如室温、水溶剂等环境温和的地方进行实验。时至今日，合成条件较温和的ZIFs 系列MOFs（尤其是ZIF- 8）作为固定化酶的载体一直是实验中原位合成法的选择。
2 MOFs固定化酶在废水处理中的应用近年来，污水处理引起外界广泛的关注，废水中的污染物难以降解。酶是一种极为高效的生物催化剂，其通过降低活化能，经常被用于废水污水中的有机污染物的处理，但裸露酶的催化性能极易受污水的复杂成分影响而失效。因此，MOFs 固定化酶（MOFs- 酶复合物）为此提供了一种解决方法。Jia YT 等用介孔的MOF-MIL-53（AI）固定化漆酶， 通过实验研究可得，在 120 min 内去除的5- 氯-2-（或2,4- 二氯苯氧基）苯酚的去除率可达99.24%。Mehta J 等则使用UiO-66-NH2 固定有机磷酸水解酶来降解废水污水中的有机磷农药。酶在复杂废水污水环境中由于MOFs 固定化酶的增强，使之增强了稳定性，可以有效提高回收率和循环利用率，使得酶在废水污水处理领域中的处理效率有效提高，发挥出更大的作用。
3 结语MOFs 是一种具有巨大潜力的酶固定化载体，在生活中还需要更多的研究与发现。MOFs 依靠着自身优越的性质和独特的结构，结合文中所提到的4 种固定化方法，使得酶的稳定性和循环利用性得到有效的改善和提高，并推动了MOFs- 酶复合物在多个领域的应用。目前，MOFs 固定化酶技术主要停留在实验室研究阶段，实际中的大规模应用仍然是一个巨大的挑战。
基金项目：2020 年南京工业大学“大学生创新创业与实践开放基金”项目（项目编号：2020DC0194）。
作者简介：罗小丽（1998-），女，广西百色人，南京工业大学，研究方向：给排水科学与工程。
参考文献
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