利用氧化锆-脂肪酶簇从屠宰副产品脂肪中可持续生产生物柴油

《Process Safety and Environmental Protection》：Sustainable biodiesel production from slaughter byproduct fat using zirconia–lipase cluster

本研究首次利用zirconia固定的荧光假单胞菌脂酶在无溶剂条件下将屠宰副产品脂肪转化为生物柴油，固定化酶的比水解活性比自由酶高125%，100天后活性保留54%，产率达自由酶的4.16倍。

　　这是一项关于利用改良后的屠宰副产品脂肪生产生物柴油的研究，重点在于通过将脂酶与氧化锆结合形成氧化锆-脂酶复合体，以提高催化效率并减少对环境的影响。研究团队由来自韩国东明知大学食品生物技术系的Elizabeth Olufunmilayo Oladepo、Gwanyeong Ko、Jun Seop Lee、Hye Sun Lee和Ee Taek Hwang组成。他们的工作探索了一种全新的方法，利用氧化锆与脂酶的协同作用，实现了在无溶剂条件下的高效生物柴油合成。

研究的背景源于人类活动所造成的大量环境废弃物，尤其是工业废弃物、市政固体废弃物和制造过程产生的废弃物。这些废弃物中的有机成分对环境构成了严重挑战，因其数量庞大且管理复杂。传统的处理方式，如填埋、焚烧和埋藏，不仅加剧了环境退化，还对健康构成威胁。因此，寻找可持续的替代策略以管理工业废弃物，减少其对生态系统和人类福祉的影响变得尤为重要。在这一背景下，将有机工业废弃物转化为有价值的生物材料，如肥料、动物饲料和其他生物资源，成为研究的重点。特别是在屠宰场、肉铺、餐厅和家庭等场所产生的动物副产品，如脂肪，具有巨大的潜力用于生产生物燃料。

生物柴油作为一种替代化石燃料的能源，因其环保效益和卓越性能而备受关注。它是一种由长链脂肪酸的单烷基酯（FAME）组成的混合物，可以通过多种原料生产，包括食用油、非食用油以及来自废弃物的油。与传统化石燃料相比，生物柴油燃烧时排放的二氧化碳相对较少，而植物可以通过光合作用重新吸收这些气体，从而保护自然环境并维持生态平衡。此外，利用改良后的屠宰副产品脂肪作为生物柴油的原料，不仅满足了对替代燃料的需求，还避免了原料与食品行业之间的竞争，同时也减少了对土地填埋空间的依赖。

目前，生物柴油的生产主要依赖于酯交换反应，该反应可以在不同的催化系统或超临界条件下进行。酯交换反应能够有效地将油脂转化为生物柴油，进一步验证了其作为可持续和环保燃料选项的重要性。在这一过程中，三酰甘油与醇（甲醇或乙醇）反应，生成脂肪酸的甲基或乙基酯以及甘油。通常情况下，甲基酯是首选，因为甲醇的成本低于乙醇。使用催化剂可以显著提高酯交换反应的效率、选择性和环境效益。催化剂主要分为化学催化剂（酸或碱）和生物催化剂（如脂酶）两类。化学催化剂在酯交换过程中存在诸多缺点，如高能耗和难以处理含有高游离脂肪酸（FFA）的三酰甘油。此外，后续处理步骤，如甘油回收、去除无机盐和水分、催化剂去除以及处理碱性废水，既复杂又昂贵。相比之下，使用脂酶作为生物催化剂的酯交换反应提供了更具吸引力的替代方案，因为它们能够生成高纯度的产品，并且便于从副产物甘油中分离。

脂酶在酯交换反应中展现出独特的催化机制，即界面激活。这些酶的催化位点通常被一个保守的多肽段（称为“盖”）所保护，该段具有亲水的外层和疏水的内层。在均相介质中，大多数脂酶分子处于闭合构象，其中“盖”遮挡了催化位点，从而限制了底物对催化中心的接触。然而，当接触疏水界面时，酶会吸附到该界面上，导致“盖”打开并暴露催化位点，从而使底物分子能够接触催化中心并启动催化反应。在水性或均相系统中，这种打开构象往往不稳定，容易重新回到闭合状态，从而限制了持续的催化活性。除了这些机制上的限制，脂酶作为催化剂的成本较高、结构不稳定以及回收和再利用的困难也极大地阻碍了其在工业中的应用。为了解决这些问题，研究人员已经广泛探索了多种酶固定化策略。

酶固定化是指将酶分子固定在一种不同于底物或产物存在的固相载体或支持物上。可以作为支持物的材料种类繁多，通常分为有机、无机、复合或混合材料。这些材料可以来源于不同的来源，并根据其特性进行分类。与游离酶相比，固定化酶具有许多优势，如易于分离和再利用、增强的催化活性、改善的结构稳定性、对各种环境变化的更高耐受性、生物相容性和非毒性。然而，在固定化过程中，脂酶与疏水支持物之间的相互作用，或者脂酶分子之间的相互作用，可能导致部分酶失活。因此，固定化酶的功能表现受到载体材料性质、固定化方法和酶本身的特性影响，选择合适的载体材料和优化的固定化方法是实现成功酶固定化的关键。

氧化锆（ZrO?）是一种高性能陶瓷材料，具有天然的白色、高韧性、出色的机械强度、化学稳定性和强耐腐蚀性。这些特性使其在生物相容性植入物和其他生物医学应用中具有广泛的应用前景。由于其多功能性，氧化锆在多个领域受到关注，包括燃料电池技术（作为催化剂或催化剂支持物）、氧气传感器、保护性光学涂层、纳米电子设备、热障涂层、陶瓷生物材料和热释光紫外线剂量计。在医学领域，氧化锆最近成为各种光催化和压电应用的材料，特别是在治疗牙科中的应用。尽管其应用范围广泛，但关于氧化锆纳米颗粒的生物功能，如抗癌、抗氧化和抗菌特性，的研究仍较为有限。此外，氧化锆也被用于酶固定化，作为固相载体，与脂酶等酶结合，以提高其热稳定性和pH稳定性。通过吸附方式固定的氧化锆-脂酶表现出更好的热稳定性和可重复使用性。类似地，通过生物模拟矿化过程使用蛋白质（如精氨酸）将氧化锆与 Burkholderia cepacia 脂酶结合，也实现了在不同条件下更高的稳定性。然而，一个关键挑战仍然存在：固定化过程往往会导致酶的比活性下降。此外，大多数用于之前研究的氧化锆材料具有相对较低的比表面积（<50 m2/g），这限制了其有效性。为了解决这个问题，研究人员尝试将氧化锆与二氧化硅结合，形成二元氧化物，以增加比表面积并改善支持特性。有趣的是，最近发现基于氧化锆的金属有机框架（MOFs）展现出类似脂酶的活性，这表明氧化锆材料不仅可以作为被动载体，还可能主动增强催化性能。这些发现暗示了氧化锆在酶系统中的双重作用——既作为支持材料，也作为活性增强剂。

本研究旨在评估将氧化锆与 Pseudomonas fluorescens 脂酶（PFL）结合形成的氧化锆-脂酶复合体在无溶剂条件下的催化性能，以实现改良后的屠宰副产品脂肪向生物柴油的高效转化。PFL 被选为研究对象，因其具有较高的耐热性，适合处理在低于60°C时固化的废油，同时相比其他商业脂酶更具成本效益。这种方法代表了一种新型的生物柴油生产策略，利用了氧化锆与脂酶之间的独特协同作用，这一协同作用尚未被广泛研究。研究采用了一种无溶剂且环保的工艺，使用改良后的屠宰副产品脂肪作为底物，以展示该催化系统在可持续生物柴油生产中的潜力。脂酶在氧化锆上的固定化预计能够生成具有更高催化活性的氧化锆-脂酶复合体，从而在重复使用过程中保持稳定性并提高催化效率。此外，无溶剂方法不仅有助于生物柴油的合成，还符合可持续和环保的生产实践。除了提高生物柴油的生产效率，本研究还强调了改良后的屠宰副产品脂肪的再利用，将一种低价值的副产品转化为有价值的生物燃料资源。此外，该催化系统在塑料增塑剂、生物表面活性剂和功能性脂肪酸的生产中也具有潜在的应用价值。通过详细描述氧化锆-脂酶复合体的合成过程和催化性能，本研究提出了一种有前景的策略，适用于工业规模的生物柴油生产和可持续废弃物资源化利用。