酶的非水相催化

酶分子只有在空间构象完整的状态下，才 具有催化功能。在无水的条件下，酶的空间 构象被破坏，酶将变性失活。故此，酶分子 需要一层水化层，以维持其完整的空间构象。 维持酶分子完整的空间构象所必需的最低水 量称为必需水（essential water）。 有机介质中水的含量对酶催化反应速度有显 著影响。存在最适水含量。
（1） 天然香料的萃取，合成香料的分离，精制，（2） 烟 草脱烟碱（3） 化妆品原料的萃取，精制（界面活性剂，单
2． 仿水溶剂和印迹技术
（1） 仿水溶剂体系 （2） 分子印迹技术
（1） 仿水溶剂体系
原理: 可用二甲基甲酰胺（DMF），乙二醇，
丙三醇等极性添加剂部分或全部替代 系统中的辅助溶剂水，从而影响酶的 活性和立体选择性。
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。
二、有机相酶反应的优点：
① β可以控制由水引起的副反应。 ② 可提高酶的热稳定性。 ③ 提高脂溶性底物的溶解度，提高催化效率。 ④ 从低沸点溶剂中分离纯化产物比水中容易。 ⑤ 酶和产物易于回收。 ⑥ 酶易于实现固定化。
一、酶非水相催化的几种类型
• 有机介质中的酶催化 •气相介质中的酶催化 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。 •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。
•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
三、有机相酶反应具备条件
1． 保证必需水含量。 2． 选择合适的酶及酶形式。 3． 选择合适的溶剂及反应体系。 4． 选择最佳pH值。
四、有机相酶反应的研究进展
1． 超临界流体中的酶反应 2． 仿水溶剂和印迹技术
1． 超临界流体中的酶反应
超临界流体的概念: 指温度和压力均在本身的临界点以上的高
1. 必需水层图示
2. 干燥的酶水合过程：
（1）与酶分子表面带电基团结合达到00.07g/g（水/酶）
（2）与表面的极性基团结合(0.07-0.25g/g) （3）凝聚到表面相互作用较弱的部位（0.25－
0.38g/g） （4）酶分子表面完全水化，被一层水分子覆盖。
3．影响酶反应体系中必需水含量的因素
密度流体，具有和液体同样的凝聚力、溶 解力；然而其扩散系数又接近于气体，是 通常液体的近百倍。 超临界流体的有关性质感兴趣同学自学。
超临界流体萃取的应用实例
工业 类别
医药 工业
食品 工业
化妆 品
香料
应用实例
（1） 原料药的浓缩，精制和脱溶剂（抗生素等）（2） 酵 母，菌体生成物的萃取（r-亚麻酸，酒精等）（3） 酶，维 生素等的精制，回收（4） 从动植物中萃取有效药物成分 （生物碱，维生素E，芳相油等）（5） 脂质混合物的分离 精制（甘油酯，脂肪酸，卵磷酯） （1） 植物油的萃取（大豆，棕榈，花生，咖啡）（2） 动 物油的萃取（鱼油，肝油）（3） 食品的脱脂（马铃薯片， 无脂淀粉，油炸食品）（4） 从茶，咖啡中脱除咖啡因，啤 酒花的萃取（5） 香料的萃取（6） 植物色素的萃取（7） 油脂的脱色脱臭
应用举例：
通过适当地添加少量的DMF（二甲基酰 胺），脂肪酶催化布洛芬与正丁醇酯化 反应产物的得率从51%提高到91%，且 反应活性也有所提高。
（2） 分子印迹技术
分子印迹技术原理： 竞争性抑制剂诱导酶活性中心构象发生
变化，形成一种高活性的构象形式，而 此种构象形式在除去抑制剂后，因酶在 有机介质中的高度刚性而得到保持。 酶蛋白分子在有机相中具有对配体的 “记忆”功能。
7.5.1 非水相介质中水的作用
7.5.1.1 必需水对酶活性的影响
酶都溶于水，只有在一定量的水存在的条件 下，酶分子才能进行催化反应。所以酶在有机 介质中进行催化反应时，水是不可缺少的成分 之一。有机介质中的水含量多少对酶的空间构 象、酶的催化活性、酶的稳定性、酶的催化反 应速度等都有密切关系，水还与酶催化作用的 底物和反应产物的溶解度有关。
a．不同酶需水量不同 b. 同一种酶在不同有机溶剂中需水量不同 溶剂疏水性越强，需水量越少
胰脂肪酶活性与含水量的关系
7.5.1.2 水活度对酶活力的影响
Hailing建议用热力学水活度(Aw)来描述有机 介质中酶催化活力与水的关系。
水活度(Aw)是在一定温度和压力下，反应体 系中的水蒸汽压与相同条件下纯水的蒸气压 之比。该参数直接反应酶分子上水分的多少， 与体系中水含量及所用溶剂无关。
7.5 酶的非水相催化
水是酶促反应最常用的反应介质。 但对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶剂。 因为许多有机化合物(底物)在水介质中难溶或不溶。 由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和 分解等副反应的发生。
是否存在非水介质能保证酶催化？？
1984年，克利巴诺夫（Klibanov）等人在有机介质中进行了 酶催化反应的研究，他们成功地在利用酶有机介质中的催化 作用，获得酯类、肽类、手性醇等多种有机化合物，明确指 出酶可以在水与有机溶剂的互溶体系中进行催化反应。
7.5.2.1 有机溶剂对酶的结合水的影响
在水溶液中，酶分子均一地溶解于溶液中，可较好 地保持其完整的空间结构。在有机溶剂中，酶分子 不能直接溶解，而是悬浮在溶剂中进行催化反应。
极性较强的有机溶剂，如甲醇，乙醇等，会夺取酶 分子的结合水，影响酶分子微环境的水化层，从而 降低酶的催化活性,甚至引起酶的变性失活。因此 应选择好所使用的溶剂，控制好介质中的含水量， 或者经过酶分子修饰提高酶分子的亲水性，避免酶 在有机介质中因脱水作用而影响其催化活性。
7.5.2 有机溶剂
有机溶剂的类：
水溶性有机溶剂：甲醇、乙醇、丙醇、正 丁醇、甘油、丙酮、乙腈等
水不溶性的有机溶剂：石油醚、己烷、庚 烷、苯、甲苯、四氯化碳、氯仿、乙醚、 戊醚等。
有机溶剂的选择必须考虑3个因素:
(1)溶剂对酶反应的影响(包括对底物的溶解能 力,对反应平衡点、动力学及酶专一性的影响); (2)溶剂的毒性(对食品工业和药物生产特别重 要); (3)对酶稳定性的影响 可供试验选用的有:辛烷、甲苯、异丙基醚、甲 基异丁酮、乙酸乙酯、正丁醇、乙醇、四氢呋 喃和乙腈等。