酶催化技术在工业上的应用进展

收作稿者日简期介：：! 孙""!#娜（$$$)#’!*%—；修），订女日，青期岛：!科""技&#大"学%#生$物%化工基专金业项硕目士：研国究家生自。然科学基金资助项目（!"$’("$)）。
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工业催化
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经多次诱变、发酵后从干菌体源自文库提取得来的生物油 脂，水解率达到!"#$%&［$］。 !"# 腈类的催化水解
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工业催化
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第$$卷 第(期
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专家综述与展望
酶催化技术在工业上的应用进展
孙 娜，杨丰科，刘均洪
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域中的研究热点。许多学者对有机介质中酶催化药 物的手性合 成［’!］、外 消 旋 体 的 拆 分［’5］和 活 性 多 聚 物的选择性合成［’1］等做了大量研究，已应用于工业 生产。在食品工业中，该技术已用于芳香酯、人造奶 油的生产等。 !7+7+ 芳香酯合成
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: 催化水解
:;: 含铬革屑的催化水解 全 世 界 制 革 业 每 年 产 生 的 含 铬 废 料 约 (""
K2［&］，我 国 约 有 !""K2［+］。含 铬 废 料 含 质 量 分 数 )"L的胶原蛋白。近年常用酶法（主要是蛋白酶）来 提取胶原蛋白及其降解产物。酶催化水解时，革屑 水解率和水解液中多肽浓度随起始HM 的增加而提 高，多肽分子量降低。实验测得，水解液起始HM 值 由 $$N" 升 高 到 $!N(，水 解 率 由 !!N%L 升 高 到
段。酶催化聚合反应可以在温和的条件下高效专一
地合成大分子，特别是一些普通方法难以合成的功
能高分子，且对环境无不良影响。因此，酶催化聚合
反应必将对未来工业聚合方法产生深远影响。目前
酶催化聚合研究主要集中在缩聚反应和开环聚合两 个方面［"!］。缩聚反应如多糖的合成、脂肪族聚酯的
合成、聚苯醚及其衍生物的合成等。开环聚合如聚 碳酸酯 的 合 成、脂 肪 内 酯 的 合 成 等。<?7@8等［"%］报 道了环 !,十五烷内酯（ABC）的开环聚合。在所采 用的几种脂肪酶中，以固定化酶 3<@-)催化效果最 佳。’) D时，聚合产物数均分子量达到$()))。当
腈的水解反应被广泛应用于氨基酸、酰胺、羧酸 及其衍生物的合成。腈的酶法水解具有高效、高选 择性、反应条件温和、环境污染小、成本低和产物光 学纯度高等优点，符合原子经济性和绿色化学的发 展方向，有着化学方法无法比拟的优越性［’］。催化 腈水解的酶有两种类型：一种是腈水解酶，它催化腈 直接水解，一 步 生 成 羧 酸 及 氨 气；另 一 类 是 腈 水 合 酶，它催化腈水解生成酰胺，在酰胺酶的作用下，进 一步转化成羧酸及氨气［!］。目前，已筛选出不少产 腈水 解 酶 类 的 微 生 物 菌 株，如 !"#$#%#%%&’’() *+(’)，!"#$#%#%%&’ ,"#$#%",#&’ -."*$$+，!) ,"#$#%",#&’+"，/0%122&’(0221$&’30%*("［%］等，有些 已应用 于 工 业 生 产。 腈 化 合 物 广 泛 应 用 于 化 学 工 业。腈除草剂如(，$,二氯苯腈、-，*,二碘,+,羟基苯 腈等也被大量地应用于农业。这些腈化合物不可避 免地存在于工业废水和残留农业化学品中，如不经 处理，必将对环境造成巨大污染。化学处理方法不 仅成本高、效率低，而且腈降解不彻底。用产腈水解 酶类的微生物催化腈水解，是迄今处理工业废水中 高毒性腈化合物最经济、最有效的方法［")］。
据不完全统计，全球酶催化技术的应用所产生 的工业产值已近$"""亿美元。近&"年来，新的有 应用价值的酶不断被开发出来。全世界工业用酶的 应用价值已 经 从 $))% 年 的 $" 亿 美 元 发 展 到 !""" 年的$%亿美元［$#!］。酶作为高效、专一性强、活性 可调、作用条件温和的生物催化剂，已广泛应用于各 类水解反应、有机合成以及医药和食品工业。
（"）水解酶（"4$,#20’5）：用于各种水解反应，如 酯、酰胺、肽、酸酐和糖苷等的水解；
（(）氧化,还原酶（#61$#,5$&%70’5’）：用于催 化 氧化,还原反应；
（-）转 移 酶（7,08’95,0’5’）：催 化 各 种 基 团 的 转 移或转化，如催化醛、酮、酰基、糖和磷酰基等基团的 转移或转化；
（青岛科技大学化工学院，山东 青岛!(("+!）
摘 要：综述了近期酶催化技术在水解、有机合成以及医药、食品等领域的应用进展。随着酶性质 的不断改善，它在工业催化中的应用会更加广泛。 关键词：酶；催化；降解；应用 中图分类号：,*$+-) 文献标识码：. 文章编号：$""*#$$+&（!""&）"(#"""’#"%
’""0年第1期
孙 娜等：酶催化技术在工业上的应用进展
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转化率达到!"#后，聚 $%& 的数均分子量变化很 小。水含量升高，$%& 聚合速率上升，但分子量下 降。’(（!(羧苯基）乙基异丁烯酸酯在 )*$ 催化下 能发生化学选择性聚合，得到可溶于氯仿等溶剂的 粉末状聚合物。由于侧链带异丁烯基，该聚合物很 可能成为一种新型感光材料［’"］。作为一种新兴的 聚合方法，酶催化聚合为高分子合成开辟了一条全 新的、环境友好的途径，是高效合成新型功能高分子 材料的有效方法，在医药、环保乃至国防等方面都有 着广泛的应用前景。
原为"，(,二醇时，光学活性极高，光学纯度几乎达 "))&，化学产率中等［"(］。用=0>5,?’450’7 作催化 剂，一般只选择地还原酮羰基，而不影响分子内的独 立双键和叁键［"-］。用酶作催化剂，可以使一些内消
旋化合 物 立 体 选 择 性 氧 化，在 分 子 中 引 入 手 性 中 心［"-］；21(0’5<3-!(还能催化外消旋体-，*,二羟基 酯，实现立体性内酯化［"+］。此外，还可在分子内不
’$N%L［%］。与传统的碱法和酸法相比，酶法操作简 单，通过控制操作条件可得到分子大小不同的水解 产物，且水解率高［%］。
:;< 生物油脂的催化水解 微生物油脂是继动植物油脂之后人类的一种新
型食用油脂。富含多不饱和脂肪酸的油脂有较高含 量的!O亚麻 酸、花 生 四 烯 酸 和 亚 油 酸，对 人 类 的 健 康极为有利。微生物油脂用脂肪酶催化水解的主要 目的是降低微生物油脂的水解温度，避免微生物油 脂中多不饱和脂肪酸在高温下因降解、氧化等遭到 破坏。酶催化水解均在比较温和的条件下进行，能 很好地保护这些多不饱和脂肪酸。当然，酶催化水 解工艺还 有 待 完 善，如 水 解 后 的 混 合 物 分 离 困 难。 由于脂肪酶本身就有乳化作用，加上它在水中的溶 解度较小，要想将其脱去较难。解决办法是采用固 定化酶技术，且固定化酶可循环利用。有人用脂肪 酶来催 化 水 解 由 孢 霉 菌 株（43567)5)88$79$:)887*$）
化学合成的氨基酸均为 !、" 混合型产物，药 效差。,-./等［’0］开发了酶拆分(原位连续再生辅酶 系统(膜分离耦合工艺，可自动化控制及扩大规模生 产 "(氨基酸。南 京 化 工 大 学 国 家 生 化 工 程 研 究 中 心成功地利用多酶系统从 !(对羟苯海因转化合成 !(对羟苯甘氨酸，目前正在开发与膜分离相结合的 新工艺。他们还开发了酶法与原位结晶分离耦合技 术生产 "(丙氨酸的新工艺，并成功地进行了工业化 生产。 !"$ 有机酸
! 制药工业
采用酶催化技术可以生产许多成品药及医药中 间体。它是通过以制造初级代谢产物、中间代谢产 物、次级代谢产物及催化转化和拆分等形式来进行 的，这已成为当今新药开发和改造传统制药工艺的 重要手段，特别在手性药物及中间体的生产中更有 广泛的 应 用 前 景。 酶 催 化 技 术 在 制 药 领 域 中 的 应 用，主要集中在以下几个方面［’+］。 !"# 氨基酸［$$］
活泼的碳原子上立体选择性地引入羟基，获得手性
化合物。3’%&$#:#8#0’(07,125 可催化多种化合物 的羟基化反应，如由芳香族化合物羟基化制得邻二 醇［"*］，由非芳香族化合物羟基化制得手性单羟基化 合物［"$］。
$"$ 聚合反应 近年来，对酶催化聚合反应的研究十分活跃，主
要侧重于小分子。此类研究的报道占酶催化反应研 究报道总量的%*&以上［"’］。作为一类特殊的酶催 化反应，酶催化聚合反应的研究目前尚处于起步阶
（+）裂 解 酶（240’5’）：催 化 双 键 的 加 成 或 形 成， 如 .!. 、.!/ 和 .!0 等双键的加成；
（*）异构化酶（1’#:5,0’5’）：催化各种异构化反 应，包括消旋化反应、双键的转移和顺反异构化等；
（$）连 接 酶（21;0’5’）：又 称 合 成 酶，能 够 催 化 . / 、. 0 、. 1 和 . . 等 化 学 键 的 合成。
$ 有机合成
尽管酶作催化剂长期受到化学合成领域的关 注，但其在化学工业上的应用发展缓慢，远逊于其他 领域的应用。目前，酶催化工艺已被用于非对映异 构体药物中间体的合成等，包括非对映异构体酒精 和氨基化合物产品生产中脂肪酶的应用、非对映体 羧酸产品生产中氮酶的应用和新的半合成青霉素产 品生产中酰基转移酶的应用等。经常用于有机合成 的酶主要有以下几类：
酶催化技术已用于柠檬酸、"(苹果酸、"(酒石 酸和 "(乳酸等多种具有光学活性的有机酸的生产。 酶催化技术与原位结晶分离技术耦合生产 "(苹果 酸，底物的转 化 率 接 近 于 +""#，大 大 降 低 了 生 产 成本。 !"! 抗生素
多种青霉素酰化酶（如 1(氨基青酶烷酸、氨苄 青霉素和 羟 氨 青 霉 素）、头 孢 菌 素、酰 化 酶（ 如 2(烷 基头孢烷酸）和链霉素等都是酶催化技术应用大规 模抗生素工业生产的实例。 !"% 肽类药物
酶催 化肽键合成可用来生产多种多肽药物，如
胰岛素、环孢菌素 3等。催化合成甜味二肽是最成 功的例子。
此外，酶 催 化 还 广 泛 应 用 于 多 种 维 生 素（4’、 4+’）、甾体药物（氢化可的松、脱氢泼尼松等）及核苷 酸类药物（56(核苷酸）等的生产。
% 食品工业
%"# 非水介质中的酶催化 目前，非水介质中的酶催化已成为生物工程领
$"! 氧化还原反应 234567在合成抗癌药紫杉醇（849:;）的 ."(侧链
（(!，-<）,苯基异丝氨酸时，用=0>5,?’450’7 还原羰 基酯，对映选择地获得了所需要的立体异构体（(!， -<）,苯 基 异 丝 氨 酸［""］。 如 果 用 一 般 还 原 剂（ 如 04<=+）还原，则 得 到 非 对 映 异 构 体 的 混 合 物（(<， -!）,苯基异 丝 氨 酸 和（(!，-<）,苯 基 异 丝 氨 酸，二 者的比例 为 ’%>("［""］。 利 用 酶 催 化 立 体 选 择 性 还 原羰基化合物，可以得到一些手性醇。当羰基酮还