磁性生物聚合物微球是一种新型复合材料，它将生物材料和无机磁性材料结合在一起，形成具有磁响应和生物活性的微球。其特性取决于无机磁性材料、生物材料及其相互作用方法。目前，应用最广泛、研究最多的磁性材料是 Fe3O4 磁性纳米粒子。由于其比表面积大、生物相容性好、磁响应高，可实现快速分离和定向移动，因此可广泛应用于食品和医疗、环保等领域。生物聚合物材料主要包括壳聚糖、海藻酸钠、明胶等。其中，壳聚糖因其良好的生物相容性、资源可再生性和生物可降解性等特点，成为研究最多的生物材料。由壳聚糖和磁性材料组成的新型复合材料兼具两者的优异性能，在各个领域都有广阔的应用前景。
1.磁性生物聚合物微球的结构和特性
磁性生物聚合物微球的结构包括三种类型：（1）核壳结构；（2）混合结构；（3）多层夹层结构，如图 1 所示。
图 1 磁性生物聚合物微球的结构
磁性生物聚合物微球具有许多突出特性，因此更适合用于酶固定。如：（1）表面积效应。一般来说，当磁性生物聚合物微球的粒径达到微米甚至纳米级时，随着比表面积的增大，微球的基团密度和选择性吸附性能也随之增大，微球的稳定性也明显提高。(2）磁效应。当 Fe3O4 小于 30 nm 的晶体具有超顺磁性，即在外加磁场条件下磁性很大。当外部磁场移除时，其磁性迅速消失，因此微球在外部磁场条件下具有磁性取向，能迅速与非磁性材料分离，在磁场中不会永久磁化，因此不影响后续使用。(3) 生物相容性。在自然界中，蛋白质和多糖等生物材料具有生物相容性，因此在生物医学工程中具有重要的应用价值。(4) 功能基础特性。壳聚糖、海藻酸钠等生物材料具有丰富的活性基团（-OH、-COOH、-NH2），可与生物活性物质共价结合或用某些化学基团修饰。
2.制备磁性生物聚合物微球
磁性生物聚合物微球的制备分为两个步骤。第一步是制备磁性纳米粒子。目前用于制备 Fe3O4 磁性纳米粒子的制备方法主要有化学共沉淀法、铁盐热分解法、微乳液法和水热法。其中，化学共沉淀法操作简单方便，是最常用的制备方法。化学共沉淀法合成铁的原理3O4 合成氧化铁的方法是加热和搅拌一定比例的 Fe2+ 和铁3+ (1:2），并迅速加入碱液（氨水或 NaOH）。Xu 等人采用化学共沉淀法，将 4.34 mmol FeCl2鑘4H2O 和 8.67 毫摩尔氯化铁3-6H2O，并在氮气环境下加热至 85 ℃。待其完全溶解后，迅速加入 25 mL 浓氨水，并加入一定量的柠檬酸钠，然后将 Fe3O4 合成的磁性纳米粒子具有良好的单分散性和磁响应性。
磁性纳米粒子制备完成后，需要与壳聚糖交联制备磁性壳聚糖微球。目前，磁性壳聚糖微球的合成方法主要有乳液交联法、喷雾干燥法、光化学法和原位法。其中，乳液交联法较为简单，应用也最为广泛。乳液交联法是将 Fe3O4 或磁性流体在含有壳聚糖、表面活性剂和油相的混合液体中形成油包水型微乳液体系，然后加入戊二醛，在该体系中戊二醛和壳聚糖会发生交联反应生成希夫碱，壳聚糖会交联成网状，然后包覆在铁基上。3O4 如图 2 所示）。Jiang 等人采用乳液交联法，分别以司盘 80、液体石蜡和戊二醛为表面活性剂、分散剂和交联剂，合成了球形规则、表面光滑的磁性壳聚糖微球。
图 2 乳液交联法合成磁性壳聚糖微球示意图
3.固定在磁性复合微球上的酶
磁性壳聚糖微球制备成功后，可将酶固定在微球上使用。由于壳聚糖富含活性氨基和羟基，它可以与羧基、氨基、环氧基、双官能团等发生反应。通过对磁性壳聚糖微球进行基团改性，可以满足不同的固定化需求。下面按官能团介绍特定固定化酶的制备方法。
1) 固定在羧基改性磁性复合微球上的酶
羧基修饰的磁性复合微球在水溶液中经碳化二亚胺偶联活化后，可与酶的氨基共价结合，从而将酶分子固定在磁性复合微球上（图3）。朱义华等人采用改进的悬浮聚合法，通过交联单体二乙烯基苯将苯乙烯处理过的磁性流体与单体丙烯酸甲酯共聚，然后用碱水解得到单分散性好、羧基丰富的磁性复合材料。经碳化二亚胺偶联活化后的微球可用于固定乳糖酶。最高活性约为 360 U-g-1该酶的交联效率约为 20%。
图 3 羧基修饰磁性复合微球上固定酶的制备示意图
2) 固定酶的氨基改性磁性复合微球
氨基修饰的磁性复合微球与适量戊二醛偶联活化后，可与酶上的氨基共价结合，从而将酶分子固定在磁性微球上（图 4）。刘宇等人先后制备了单分散磁性 SiO2 采用化学共沉淀法和溶胶-凝胶法制备了一种新型的固定化漆酶颗粒，用硅烷偶联剂对其进行氨基修饰，并用戊二醛作为交联剂对漆酶进行固定化。结果表明，固定化漆酶在60℃恒温条件下保持4小时，仍有60.9%的酶活，循环使用10次后，仍有55%以上的酶活，其热稳定性和操作稳定性明显提高。
图 4 氨基改性磁性复合微球上固定酶的制备示意图
3) 固定酶的环氧树脂改性磁性复合微球
环氧基是一种极其活跃的基团。它可以不经修饰直接与生物基团共价结合。因此，环氧基修饰的磁性复合微球与酶上的氨基共价结合后，酶分子就被固定在磁性微球上（图 5）。Yong 等人通过悬浮聚合法制备了油酸涂层磁性微球。用甲醇活化后得到的亲水性环氧基磁性微球用于固定脂肪酶。固定化酶活性的保留率为 64.2%，其稳定性显著提高。
图 5 环氧基磁性复合微球上固定酶的制备示意图
4) 固定在经双官能团修饰的磁性复合微球上的酶
在双功能磁性微球上，首先酶分子的羧基和微球上的氨基通过离子作用快速固定在载体上，通过离子作用固定的酶通过其巯基和氨基与载体上的环氧基团发生共价作用。使其进一步固定（如图 6 所示），具有离子作用快速固定和共价键牢固固定的双重特点。李秀涛等人在二乙烯基苯交联聚丙烯酸微球表面引入了三个无规共聚物刷，并与 Fe3O4 纳米颗粒，然后用于固定青霉素 G酰化酶。结果表明，同时引入环氧基和氨基的固定化酶的酶活性和酶活性恢复率最高，其固定化动力学性能优于仅含环氧基的磁性微球，其最佳 pH 值和温度稳定性高于游离酶，重复使用 10 次后酶活性仍能保持 70%。
图 6 双官能团修饰的磁性复合微球上固定酶的制备示意图
近年来，虽然学者们采用了不同的材料固定柚皮苷酶，如壳聚糖、海藻酸钠、丝蛋白等天然生物高分子材料，环氧树脂、聚乙烯醇等有机化合物，烯碳等活性炭和氧化石墨碳材料，并取得了一定的研究成果，但在实际脱苦应用中，存在固定化酶耐酸性差、与果汁分离慢或分离不彻底等问题。针对上述问题，接下来的文章将详细介绍一项研究工作。在这项研究中，研究人员使用了一种由壳聚糖、磁性 Fe3O4 纳米颗粒和二氧化硅，并用环氧基团对复合材料进行改性，然后将柚皮苷酶固定在其上。这项工作将为柚皮苷酶固定化技术的进一步研究提供数据基础。
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