酶的非水相催化及其应用

天津科技大学《食品酶学》本科生课程论文酶的非水相催化及其应用non-aqueous enzymatic catalysis technology and its applications学生姓名：学号：专业：任课教师：摘要非水相酶催化反应是酶催化反应中的一个重要方面。

非水相溶剂通常可增加底物溶解度, 减少水相中的副反应, 加快生物催化的速率和效率, 在药物及药物中间体和食品等方面具有较大的应用价值。

以下主要分析了在非水介质中酶促反应的几个重要影响因素; 介绍了非水介质中酶催化反应的应用,以及其前景发展。

关键词：非水相催化，影响因素，实际应用，发展前景Abstract It is well known that non-aqueous enzymatic catalysis has emerged as animportant area of enzyme engineering with the advantages of highersubstrate solubility, increased stereoselectivity, modified substratespecificity and suppression of unwanted water-dependent side reactions.As a result, non-aqueous enzymatic catalysis has been applied in thebiocatalytic synthesis of important pharmaceuticals and nutriceuticals.The following main analyzed several important factors in non-aqueousenzymatic catalysis：introduced in non-aqueous enzymatic catalysis infront of the catalytic reaction，introduced the bright future ofnon-aqueous enzymatic catalysis technologyKey words：non-aqueous enzymatic catalysis；important factors；applications，Development prospect目录1 前言 (5)2酶非水相催化的几种基本类型介绍 (6)3 非水介质中酶促反应的几个重要影响因素3.1 反应溶剂的影响 (7)3.2 反应时间、温度和pH 值的影响 (8)3.3 不同反应试剂的影响 (8)3.4 反应时的物理因素 (9)3.5 超声对非水介质中酶促反应的影响 (9)4 非水介质中酶促反应的应用4.1 非水介质中酶促反应基本应用范畴4.1.1 在有机相中的应用 (10)4.1.2 低共熔多相混合物体系中的酶促反应 (10)4.1.3 固定化酶催化反应 (11)4.2 非水介质中酶促反应的具体应用进展4.2.1 微生物酶法拆分环氧丙醇丁酸醋 (11)4.2.2 非水相酶催化拆分外消旋2-辛醇 (12)4.2.3 固定化脂肪酶合成鲸蜡油工艺和设备 (13)4.2.4 酶法生产类可可醋的开发和中试 (14)4.2.5 非水相酶催化生产类可可脂技术 (15)4.2.6 非水相酶法单甘醋生产专用脂肪酶 (15)5 前景展望 (16)6 参考文献 (17)1、前言酶已经在医药、食品轻工、化工能源、环保等领域广泛应用。

这些应用大多数是在水溶液中进行的，有关酶的催化理论也是基于酶在水溶液中的催化反应而建立起来的，在其他介质中，酶往往不能催化，甚至使酶变性失活。

因此，以往人们普遍认为只有在水溶液中才具有催化活性。

1984年，克里巴诺夫等在有机介质中进行了酶催化反应的研究，成功获得了多种有机化合物，明确指出了酶可以在水与有机溶剂的互溶体系中进行催化反应。

在进行了一系列实验后，结果表明酶可以在有机介质中催化疏水性底物进行反应转化为产物，使酶在非水介质中的催化作用研究取得了进展［1］。

随后二十多年来, 非水相酶催化反应得到了快速的发展和应用。

研究表明, 非水相体系酶催化反应具有许多优点, 例如,增加有机底物的溶解性, 改变反应的平衡方向, 提高反应的立体选择性, 抑制水参与的副反应, 易于消除底物和产物的抑制作用等。

但是, 对于许多酶而言, 在有机溶剂中较易失活或降低活力。

因此, 大多数酶在非水相中的催化反应速率远远小于水相,非水相酶反应的应用从而受到了很大的限制。

为拓宽非水相酶反应的用范围, 提高酶在非水溶剂中的稳定性, 许多思路和方法已被运用于非水相酶催化领域, 主要包括蛋白质工程和溶剂工程。

2、酶非水相催化的几种基本类型介绍一．有机介质中的酶催化有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催化反应。

适用于底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的酶催化作用。

酶在有机介质中由于能够基本保持其完整的结构和活性中心的空间构象，所以能够发挥其催化功能。

二．气相介质中的酶催化酶在气相介质中进行的催化反应。

适用于底物是气体或者能够转化为气体的物质的酶催化反应。

由于气体介质的密度低，扩散容易，因此酶在气相中的催化作用与在水溶液中的催化作用有明显的不同特点。

三．超临界介质中的酶催化酶在超临界流体中进行的催化反应。

超临界流体是指温度和压力超过某物质超临界点的流体。

四．离子液介质中的酶催化酶在离子液中进行的催化作用。

离子液（ionic liquids）是由有机阳离子与有机（无机）阴离子构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类，挥发性低、稳定性好。

酶在离子液中的催化作用具有良好的稳定性和区域选择性、立体选择性、键选择性等显著特点。

3、非水介质中酶促反应的几个重要影响因素3.1 反应溶剂的影响首先, 非水介质并不是指完全没有水。

如果完全除去水将会导致酶构象的剧烈变化而失活研究表明, 只有与酶分子紧密结合的一层左右的水分子对酶的催化活性是至关重要的。

我们把维持酶活性这层水称为必需水( essent ial w ater)［2］。

不同酶与必需水结合的紧密程度及所结合的必需水数量是不相同的。

不同的脱水方式同样会影响转化率, 并且对产物产生一些影响。

有些情况下在反应体系中加入适当的添加剂代替必需水, 也有助于提高酶的柔性( flexibility ) , 从而提高酶的立体选择性。

其次, 在不同的溶剂中, 酶会表现出不同的甚至相反的立体选择性。

有机溶剂影响酶催化的途径有三种: 一是有机溶剂与酶直接发生作用, 通过干扰氢键和疏水键等改变酶的构象, 从而导致酶的活性被抑制或酶的失活; 二是有机溶剂和能扩散的底物或反应产物相互作用, 影响正常反应的进行; 三是有机溶剂还可直接和酶分子周围的水相互作用[ 3]。

一般认为, 在非水相反应体系中, 添加亲水性或水互溶性的有机溶剂对酶的催化活性不利, 因为它们会夺去酶表面微环境中的水从而使酶失活, 所以所选择的有机溶剂的疏水性越强越好。

例如, 在水相酶促酯化法拆分dl- 薄荷醇的连续操作中有机溶剂对酶性能的影响如下表所示[ 4]:有机溶剂对酶性能的影响表中: a) 反应条件: 100mmol/ Ld- 或l- 薄荷醇, 50mmo l/L 丙酸酐, 100mg 脂肪酶, 10微升去离子水, 10ml 有机溶剂; 30 , 24h; b) 相对活力测定采用纯l- 薄荷醇作底物,根据其转化率计算; c) 分别以l- 薄荷醇和d- 薄荷醇作底物,计算二者的转化率之比; d) 以l- 薄荷醇为底物, 计算其第二批反应的转化率与第一批之比。

3.2 反应时间、温度和pH 值的影响通常来说, 酶促反应需要在一定的温度下经过一定的时间才能达到最好的效果, 因此反应时间、温度及pH 值对酶促反应有显著的影响。

例如在研究不同的酶促反应条件及热处理对木聚糖酶的影响是得到如下结果: pH = 5. 85, 温度40时各酶样的最佳反应时间为10min; pH= 5. 85,反应时间为10min 时最佳反应温度为60摄氏度; 在40摄氏度反应10 min 的条件下, 1#---3# 酶样的最适pH 值为6. 35[ 5]。

可看出, 大多数酶制剂产品获得最高木聚糖酶活的酶促反应条件是10min、60 和pH6. 35.3.3 不同反应试剂的影响在酶促反应中, 不同的反应试剂也对酶的催化活性有显著影响。

在酶促酰化反应中, 酰化试剂的结构对酶的立体选择性有明显的影响。

实验结果表明, 不同的饱和直链脂肪酸对脂肪酶PSL ( Pseudomonassp. Lipase) 催化的2- 辛醇酰化反应的立体选择性有显著影响。

在正己烷、甲苯和环己烷中, 随着酰化试剂( 脂肪酸) 链长的增加酶的活性和立体选择性都呈现一个由低到高、再由高到低的变化趋势。

3.4 反应时的物理因素酶促反应所处的物理条件会影响酶的催化活性。

同样在非水相酶促合成癸酸偏甘油酯的实验中, 将酶粒抽干溶剂后在真空干燥箱中常温下干燥2h。

重复使用5 次后Candidaantarict ica 脂肪酶( CAL) 仍表现出较好的稳定性。

实验发现酶粒粒度渐次减小, 自第3 次起的反应现象提示酯合成酶活的降低可能与载体脱落有关。

用研钵将未使用过的酶颗粒研碎并筛分, 取不同目数的酶粒进行催化反应, 反应时间为8h。

在酶促反应合成蔗糖棕榈酸酯的研究中也发现摇床速度对转化率的影响[ 6]。

3.5超声对非水介质中酶促反应的影响一些实验表明, 许多酶促反应在有机溶剂中进行时如果在其上加以超声作用,反应速率明显增加。

Vulf son 等人报道了超声对有机溶剂中枯草杆菌蛋白酶催化N- 苯丙氨酸乙酯( APAEE)转酯反应的影响。

实验表明, 在几种不同的醇溶液( 丁醇、己醇、辛醇) 中, 超声处理对转酯反应的速率都有大幅的提高, 而且有机溶剂碳链越长, 处理效果越显著。

如在丁醇中反应速率约提高50% , 而在辛醇中反应速率可提高6- 8 倍。

超声处理能提高有机溶剂中酶活力, 其原因可能有: ( 1) 超声作用使酶的有效表面积增加; ( 2) 持续的超声作用会导致有机溶剂中少量水分子的重新分布, 阻止了酶分子周围水膜的形成[ 7 ]。

4、非水介质中酶促反应的应用4.1 非水介质中酶促反应基本应用范畴4.1.1 在有机相中的应用酶可以催化酯化反应。

如脂肪酶在非水介质中催化酯化反应以及酯交换反应。

Shuji Akai、To shiaki T sujino 等人在研究2- 糠酸盐在酶催化酯化中的应用时, 发现脂肪酶催化形成酯时, 非对映异构产物的产率达到79%, 而对映异构产物则为21%, 且ee 值为77%[ 8]。