超声波在酶催化中的应用

超声波的生物学效应（作用机制）
此外，高强度的超声波的机械作用所产 生的强大冲击波、快速溶液流，可使细胞破 碎；热学作用与瞬间空化作用所产生的高温 与高压，可杀灭细菌、抑制酶活性或使生物 大分子分解、断裂，形成自由基等。
超声波技术应用于酶催化的研究背景
上个世纪20年代，人们首次发现了超声波可以 加速化学反应。随后产生了研究在超声波作用下物 质进行化学反应的一门新兴交叉学科一声化学 (Sonochemistry)。自声化学诞生以来，化学工作者 们对超声场在化学各个领域中的研究工作从未间断。 尤其是近年来，随着功率超声设备的普及与应用， 使得声化学的研究工作蓬勃开展，国际及国内的研 究论文骤然增多，学术交流非常活跃。为促进这一 学科的发展，国际声化学界于1994年创办了《超声 化学》(Ultrasonics Sonochemistry)杂志。
超声波技术在酶催化中的应用

超声对酶活力的影响 目前利用超声技术对酶进行处理主要有 两 种方 式： 一种是超声预处理，即首先在超声介质中对酶 进行超声处理，酶干燥后再在反应介质中催化酶促 反应； 另一种是直接对反应介质中的酶进行超声处理， 超声处理同酶促反应同时进行。大量的研究表明， 不管采取何种方式，适宜的超声可提高酶促反应速 度。
超声波技术在酶催化中的应用
介质性质与酶在超声作用下的稳定性
大量的实验表明，与水溶液相比，酶在非 极性介质中对超声作用有较大的抗性。 例如枯草蛋白酶经超声处理2h后，水相 中酶活损失 50%，而戊醇中酶活几乎不变.
超声波技术在酶催化中的应用
宗敏华老师等在研究固定化脂肪酶水解三乙酸甘油酯时， 探讨了反应介质对脂肪酶稳定性的影响。 较大功率下（140W），超声对正己烷中脂肪酶催化三 乙酸甘油酯水解活力的影响甚小：超声时间少于 20min 时， 几乎未出现酶的失活现象；超声处理时间达到 40min 时，酶 活力损失仅为 11.8%。而在水溶液中，超声处理使酶迅速失 活，10min 时失活率就达到了 58.4%，处理 40min 后失活 率高达93.3%。而以四氢呋喃为介质时，失活率介于水和正 己烷之间。这表明介质疏水性越强，抗超声变性能力越强。 其他条件相同时，在正己烷中，140W 的超声作用对酶活的 影响较小；而在水中，即使超声的功率只有 20W，酶也表 现出明显失活。
超声波作用于固定化酶的影响因素
超波功率的影响
许多研究表明超声波的功率强度对酶活性有 较重要的影响。适当强度的超声波可以使酶活力 的表现达到最仕状态。相反，不适当强度的超声 波处理不但不会增强酶活力，甚至可以降低酶的 活力当然，超声波对不同的酶有一不同的作用效 果，因而不同的酶对超声波功率的要求是不同的。
超声波技术在酶催化中的应用
超声波技术在酶催化中的应用
Vulfson指出经超声处理，在丁醇中酯交 换反应速度提高了 50%，而在辛醇中提高了 6—8 倍。同时指出，在癸醇中，未经超声处 理几乎测不到酶活性，而经超声处理后酶活 大幅度提高。 结果表明，超声对酶活性提高的幅度与 有机溶剂的链长正相关。非极性介质的极性 越小，疏水性越强，超声对酶活的促进作用 就越明显。
超声波技术在酶催化中的应用
超声波影响酶活性的机理
超声对酶的作用来源于机械传质作用、 加热作用和空化作用。 酶的反应速度主要取决于2个因素：传质 效率和酶分子的构象。超声通过机械传质、 加热和空化3种作用影响着这2个因素。
超声波技术在酶催化中的应用
Vulfson认为超声波对酶的影响主要取决于超声波的波长 ( 频率) 、反应介质中的水含量及介质的疏水性。 由于超声波强大的辐射和热能可以改变生物大分子( 如 DNA 和蛋白质) 的结构, 往往会导致某些敏感的胞外酶活性 的损失。 而在低强度及适宜的频率条件下, 因其具有的空穴作用、 磁致伸缩作用和机械振荡作用, 又表现出对溶液化学反应、 结晶成核的促进功能及对酶催化的协同加速作用。超声波在 介质中传播时, 加速了介质中的质量传递作用, 这种微流效应 促进底物迅速进入酶的催化部位及产物进入介质, 表现出酶 催化活性的提高
超声波技术在酶催化中的应用

超声波对固定化酶活性的影响 用超声波处理时，固定化酶的适应性强，酶失活少。有 关超声波激活固定化酶的研究已有报道。 1981年Ishimori et al发现，利用超声处理固定化葡萄糖 氧化酶时，活性表现出来，而当停止超声处理时，活性则消 失。用20kHz声场处理固定于琼脂胶上的。a-胰凝乳蛋白酶 (以酪蛋白作底物)，活性提高2倍。用7MHz超声波辐照固定 于多孔聚苯乙烯上的a-淀粉酶时，酶活力也有提高。用频率 0.88kHz、声强0.05-1W/cm2的声波对肌酸激酶、乳酸脱氢 酶、己糖激酶、丙酮酸激酶所催化的反应进行多次，结果对 反应速率均没有明显直接影响。但将酶固定化以后，超声波 处理使固定化酶反应速率明显增加。
超声波技术在酶催化中的应用07发酵工程李日锋主讲内容?超声波的定义及特性?超声波的生物学效应作用机制?超声波技术应用于酶催化的研究背景?超声波技术在酶催化中的应用?超声波技术在酶催化中的研究及应用前景展望超声波的定义及特性?什么是超声波ultrasound
超声波技术在酶催化中的应用
07发酵工程 李日锋
超声波技术应用于酶催化的研究背景
众所周知，对化学反应过程当有催化剂 加入时，可以加速化学反应，缩短反应时间， 降低反应条件。但是即便如此，有些催化反 应过程所需的环境仍较为苛刻，如高温、高 压、反应时间长，产率较低。众多实验结果 表明，将超声波应用于催化反应过程，可进 一步提高其反应速度、缩短反应时间、提高 目的产物的产率、使反应在温和的条件下进 行。
超声波的生物学效应（作用机制）

空化作用： 这是超声波通过暴露介质中原先存在的气体核 或微气泡而产生的作用效应，包括:(1)稳态空化或非 崩溃性空化;(2)瞬态空化或崩溃性空化。 适宜的超声波在组织液或液体中传播时可产生 乳化作用或激活气泡，使物质分子的结构形态改变， 增加细胞膜、细胞壁的通透性，利于胞内、外物质 的流通；或使酶的活性中心更加暴露，促进酶与底 物的结合，利于酶促反应的进行。 强度高、作用时间短的超声主要产生空化效应。
超声波的生物学效应（作用机制）

热力学作用： 当超声波束通过机体组织介质时，介质中的摩 擦力可对超声引起的分子振动发生阻抗，部分超声 能被吸收并转化为热。 合适强度的超声波在机体组织内传播时，一部 分能量被组织吸收由机械能转变成热能，由于不同 组织细胞吸收热量不同可产生局部高温、高压，形 成胞内物质的微流、涡流，促进物质的扩散与传输， 有利于化学反应的进行，加速细胞新陈代谢等。 强度低、作用时间久的超声主要产生热效应。
超声波技术在酶催化中的应用
种种研究结果表明，适宜的超声波处理 固定化酶，可以在一定程度上提高酶活性。 但超声波对酶活性的改善依不同的酶而有不 同。某些酶可能对超声波的作用较为敏感， 在一定的超声波作用下，就会改变酶活性而 另一些酶可能就不太敏感，用超声波处理时， 其活力的改变就不会太大。
超声波技术在酶催化中的应用
超声波技术在酶催化中的应用
超声波产生的空化作用是酶活性提高的 另一主要原因。空化作用产生的冲击波改变 了酶分子的构象, 使其折叠更合理, 更易于与 底物结合形成中间产物, 从而影响酶促反应的 进程, 提高了酶催化效率。也有人认为, 超声 波是对酶活性部位的接触残基施加影响, 使失 去活性的酶复活或有活性的酶失活。
超声波技术应用于酶催化的研究背景
早期研究发现, 较高强度的超声波会导致 酶失活。新西兰白兔脑组织匀浆中的超氧化 物歧化酶(SOD) 经超声波处理后活性下降, 过 氧化脂质大幅度升高, 而 K- Na ATP 酶及 Ca- Mg ATP酶活性也大幅度下降。枯草杆菌 蛋白酶在 50 mmol/L、pH7.8 的磷酸缓冲液 中, 以波长 2～10 μm、功率 150 W 的超声波 处理 2h, 酶活性下降了 50%
超声波的生物学效应（作用机制）
机械力学作用：
超声波在媒质中传播，意味着超声波在 其传播空间内使媒质质点进入振动状态 。 超声波在生物介质中疏密相间的传播， 引起组织细胞容积变化及细胞液，反应介质 的流动，产生的冲击波和微射流等能增加传 质速度，提高分子间的碰撞几率，促进酶解 反应，从而加快组织、细胞代谢作用。
超声波技术在酶催化中的应用

水含量对超声作用的影响 邱树毅等研究了非极性介质中水含量对超声作用的影响。 他们认为，在水饱和的有机溶剂中，水分子进入酶分子周围， 补充了酶分子的必需水，因此水饱和非极性介质中酶催化反 应的初速度比脱水非极性介质中的初速度要高。 他们比较了在脱水正辛烷和水饱和正辛烷中脂肪酶催化 1-三甲基-1-丙醇与戊酸的酯交换反应中超声的促进作用，结 果却表明非极性介质水含量的影响甚小。 他们对这一现象的解释为超声使酶反应的初速度大大提 高，从而使非极性介质水含量对酶催化反应初速度的影响可 以忽略不计。
超声波技术在酶催化中的应用
目前普遍认为，在较低强度的超声作用 下，超声强度同酶活力呈正相关；随着强度 的增大，酶逐渐被激活，强度越高，酶的催 化活力越高。若进一步加大强度，酶催化活 力反而降低，酶变性失活，强度越高，失活 率越高
超声波技术在酶催化中的应用
介质性质与超声对酶的影响
研究发现，介质性质不同时，超声对酶 活力的促进效果不同。 Vulfson等认为，超声可提高枯草蛋白酶 在丁醇、己醇、辛醇中的酯交换反应活力。
超声波技术应用于酶催化的研究背景
然而近年来的研究则表明, 适当的超声波处理不但不会 使酶失活, 反而可促进酶的生物催化活性, 并可在酶生产中提 酶产量。用超声波处理有机溶剂中碱性蛋白酶催化 N- 乙酰苯丙氨酸乙酯的转酯反应, 发现超声波可增强该酶的活性, 其 结果与超声波的作用频率和强度有关。用微超声波处理酵母 过氧化氢酶(CAT) 和多酚氧化酶(PPO) , 结果表明, 在一定参 数范围内CAT 和 PPO 的活性都升高。对 CAT 来说, 其最适 当的超声波参数是 13.5 kHz、40 W/cm2、处理 10 min; 对 PPO 来说, 其最适当参数是 13.5 kHz、25 W/cm2、处理 10 min。此外还有不少研究表明, 超声波对于固定化酶的影响是 很大的。对固定化菊糖酶的研究表明, 20 kHz、20 W 超声波 可促进该酶的催化作用, 以蔗糖为底物时酶活性提高了 60%; 在以菊糖为底物的反应中, 超声波使水解效率提高了 70%。
主讲内容
超声波的定义及特性
超声波的生物学效应（作用机制） 超声波技术应用于酶催化的研究背景 超声波技术在酶催化中的应用 超声波技术在酶催化中的研究及应用前景展
望
超声波的定义及特性

什么是超声波（ultrasound）： 超声波是声波大家族中的一员。声波是物体机 械振动状态（或能量）的传播形式。 超声波是指振动频率大于20KHz以上的,其每秒 的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限 （20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声 波。 超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点 都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质 内传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声 频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良 好的束射性和方向性 。
超声波的定义及特性
超声波的特性： （1） 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质 中有效传播。 （2） 超声波可传递很强的能量。 （3） 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 （4） 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生 强烈的冲击和空化现象。

超声波的生物学效应（作用机制）
作用机制主要包括以下三个： 机械力学作用 热力学作用 空化作用
超声波技术在酶催化中的应用
他们推测，可能是由于酶在疏水性强 的非极性介质中具有较大的刚性，不易发生 构象变化而失活的缘故。
超声波技术在酶催化中的应用

非极性介质的含水量和酶的稳定性之间关系 非极性介质的含水量和酶的稳定性之间也存在 着一定的联系。 水含量对酶活力影响很大。用水含量分别为 0%， 1%，2%，5%和 10%的四氢呋喃作为超声介质， 脂肪酶活力随水含量的增加而急剧下降。含水量为 10%时，酶活力仅存 4.8%。因此，在利用超声提 高酶反应速度时需要严格控制非极性介质的含水量