“Yolk-shell”结构中高效双酶级联催化体系的构筑

doi:10.7503/cjcu20240272

摘要/Abstract

摘要：

合成了一种生物-无机杂化材料ZIF-8@GOx-CPO@ZIF-8，该材料以具有“蛋黄-壳(Yolk-shell)”结构的金属有机框架(MOF)为载体，将葡萄糖氧化酶(GOx)和氯过氧化物酶(CPO)封装在不同隔离空间中构建了双酶纳米反应器. “Yolk-shell”结构可为封装的酶提供纳米邻近效应， GOx催化底物原位生成的H₂O₂可启动相邻的CPO催化反应，有效减少了反应物的扩散阻力和H₂O₂的分解和逃逸，同时避免了两种酶催化反应的相互影响. 与均相缓冲液中的游离酶相比， ZIF-8@GOx-CPO@ZIF-8的级联催化效率更高. 由于MOF的屏蔽效应，酶的热稳定性和有机溶剂耐受性显著提高. “Yolk-shell”结构还可有效抑制材料重复使用过程中酶分子的泄漏，经过20次重复使用后， ZIF-8@GOx-CPO@ZIF-8仍可保持初始级联催化效率的72%. 将ZIF-8@GOx-CPO@ZIF-8双酶级联反应生成的HClO应用于偶氮染料的高效脱色和水果保鲜. 在1 mg/mL ZIF-8@GOx-CPO@ZIF-8水溶液中，橙黄G(0.3 mmol/L)在15 min内可完成脱色(脱色率>98%). 在新鲜草莓的杀菌保鲜实验中， ZIF-8@GOx-CPO@ZIF-8也显示出良好效果. ZIF-8@GOx-CPO@ZIF-8双酶级联催化体系具有高效、稳定、温和及绿色的特点，极具应用潜力.

关键词: “Yolk-shell”结构, 氯过氧化物酶, 葡萄糖过氧化物酶, 双酶级联催化

Abstract:

This work proposes a bio-composite， ZIF-8@GOx-CPO@ZIF-8， which is constructed by “Yolk-shell” characteristic metal-organic framework（MOF） for specific division of glucose oxidase（GOx） and chloroperoxidase （CPO） by encapsulating them at different compartments. The structure of “Yolk-shell” can provide nano-proximity effect for encapsulated enzymes. H₂O₂ generated in situ by GOx immediately starts the enzymatic reaction of adjacent CPO， effectively reducing the diffusion resistance of reactants and the decomposition and escape of H₂O₂， and avoiding the interaction of the two enzymes during reuse. Compared with the free enzymes in the homogeneous buffer， the cascade catalytic efficiency of ZIF-8@GOx-CPO@ZIF-8 is improved. Owing to the shielding effect provided by the MOF， the thermal stability and organic solvent tolerance of the enzyme is also greatly improved. The “Yolk-shell” structure also effectively inhibits the leakage of enzyme molecules during the reuse process of the material. After 20 reuses， the bio-composite ZIF-8@GOx-CPO@ZIF-8 can keep 72% of the initial cascade efficiency. The cascade reaction of GOx-CPO can generate HClO， which is applied in efficient decolorization of azo dye and fresh-keeping of fruit. The decolorization of azo dye orange G（0.3 mmol/L） was almost completed in only 15 min with 98% decolorization efficiency by 1 mg/L of ZIF-8@GOx-CPO@ZIF-8. ZIF-8@GOx-CPO@ZIF-8 bienzyme cascade catalytic system is efficient， stable， mild and green with great application potential.

Key words: “Yolk-shell” structure, Chloroperoxidase, Glucose oxidase, Bienzymatic cascade catalysis

中图分类号:

O614.2

TrendMD:

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图/表 13

Fig.1 SEM images of ZIF⁃8(A) and ZIF⁃8@GOx@ZIF⁃67⁃CPO@ZIF⁃8(B), TEM images of ZIF⁃8@GOx@ZIF⁃67⁃CPO@ZIF⁃8(C) and ZIF⁃8@GOx⁃CPO@ZIF⁃8(D)

Fig.2 CLSM images of ZIF⁃8(A), ZIF⁃8@GOx⁃FITC⁃CPO@ZIF⁃8(B), ZIF⁃8@RhB⁃GOx⁃CPO@ZIF⁃8(C) and overlay(D)

Fig.3 EDS analysis of different enzyme reactor（A） ZIF-8；（B） CPO@ZIF-8；（C） ZIF-8@GOx@ZIF-67-CPO@ZIF-8；（D） ZIF-8@GOx-CPO@ZIF-8.

Table 1 Results of EDS analysis of different enzyme reactors

Element	ZIF⁃8		COP@ZIF⁃8		ZIF-8@GOx@ZIF-67-CPO@ZIF-8		ZIF-8@GOx⁃CPO@ZIF-8
Element	Mass fraction	Atomic fracrion	Mass fraction	Atomic fracrion	Mass fraction	Atomic fracrion	Mass fraction	Atomic fracrion
C	46.31	60.80	48.68	60.46	49.09	62.54	59.06	68.21
N	27.54	31.00	31.70	33.76	22.35	24.41	20.41	20.30
O	2.55	2.51	1.86	1.73	8.60	8.23	10.67	9.29
Zn	23.60	5.69	17.75	4.05	13.86	3.24	5.82	1.24
Co	—	—	—	—	6.09	1.58	4.04	0.96

Fig.4 XRD patterns of different enzyme reactor

Fig.5 Influencing factors of ZIF⁃8@GOx⁃CPO@ZIF⁃8（A） β-D-glucose substrate concentration is 56 mmol/L；（B） molar ratio of CPO to GOx is 1∶3.

Fig.6 Thermal stability of ZIF⁃8@GOx⁃CPO@ZIF⁃8 and free GOx+CPO

Fig.7 Tolerance of ZIF⁃8@GOx⁃CPO@ZIF⁃8 and free GOx+CPO to organic solventsThe solvents are DMF⁃H2O mixtures with different DMF volume fractions.

Fig.8 Reusability of ZIF⁃8@GOx⁃CPO@ZIF⁃8

Table 2 Contrast of the reusability of different enzyme reactors

Enzyme⁃（Carrier）	Recycle times	Relative activity（%）	Ref.
CBH&EG&BGL⁃（SA@yeast）	7	75.0	［19］
P450&GDH⁃（MENCs）	5	67.0	［20］
FDH&BDH⁃（SiO₂）	8	51.7	［21］
Xylan&FPase⁃（chitosan）	8	23.0	［22］
Xylan&&Lichenase⁃（SiO₂）	10	68.0	［23］
GOx&CPO⁃（ZIF⁃8）	20	72.0	This work

Fig.9 Decolorization effect of ZIF⁃8@GOx⁃CPO@ZIF⁃8 on orange G（A） Effect of ZIF-8@GOx⁃CPO@ZIF-8 concentration on degradation rate， the reaction time is 80 min. The inset shows the effect of decolorization at different time. （B） Effect of reaction time on degradation rate， the concentration of ZIF-8@GOx-CPO@ZIF-8 is 1000 μg/mL.

Table 2 Comparison of decolorization efficiency data of dyes

Enzyme	Dye type	Degradation rate（%）	Ref.
Ligninolytic enzyme	Congo red	96	［25］
Laccase	RB5	93	［26］
NADH⁃DCIP	Orange T4LL	90	［27］
Laccase	RBBR	94	［28］
GOx⁃CPO	Orange G	98	This work

Fig.10 Fresh⁃keeping effect of ZIF⁃8@GOx⁃CPO@ZIF⁃8 on strawberry

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