酶工程原理及应用

第六章 酶的非水相催化 1、酶催化反应的介质 2、有机介质反应体系 3、酶在有机介质中的催化特性 4、有机介质中酶催化反应的条件及其控制 Go 1、酶催化反应的介质 Go 2、有机介质反应体系 Go 3、酶在有机介质中的催化特性 Go 4、有机介质中酶催化反应的条件及其控制 Go 5、酶非水相催化的应用

6.1 酶催化反应的介质 是否存在非水介质能保证酶催化？？ 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。

酶非水相催化的几种类型 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。 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。 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 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。 本章 目录

6.2 有机介质反应体系 不管采用何种有机介质反应体系，酶催化反应的介质中都含有机溶剂和一定量的水。它们都对催化反应有显著的影响。 非极性有机溶剂酶悬浮体系(微水介质体系) 用非极性有机溶剂取代所有的大量水，使固体酶悬浮在有机相中。但仍然含有必需的结合水以保持酶的催化活性(含水量一般小于2%)。 酶的状态可以是结晶态、冻干状态、沉淀状态，或者吸附在固体载体表面上。 与水互溶的有机溶剂水单相体系 有机溶剂与水形成均匀的单相溶液体系。酶、底物和产物都能溶解在这种体系中。 非极性有机溶剂水两相/多相体系 由含有溶解酶的水相和一个非极性的有机溶剂(高脂溶性)相所组成的两相体系。 不管采用何种有机介质反应体系，酶催化反应的介质中都含有机溶剂和一定量的水。它们都对催化反应有显著的影响。

反应体系含1-三甲基硅-1-乙醇10 mM，戊酸10 mM，内标正十五烷， 脂肪酶50 mg，30℃，120 rpm条件下振荡反应 反应体系对酶酯化反应的影响 反应体系含1-三甲基硅-1-乙醇10 mM，戊酸10 mM，内标正十五烷， 脂肪酶50 mg，30℃，120 rpm条件下振荡反应 1：水饱和正已烷10 ml，2∶pH7.2缓冲液5 ml+正已烷10 ml

反应体系中水对酶催化反应的影响 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。 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。

反应体系中有机溶剂对酶催化反应的影响 常用的有机溶剂有辛烷，正己烷，苯，吡啶，季丁醇，丙醇，乙腈，已酯，二氯甲烷等。 在水溶液中，酶分子均一地溶解于水溶液中，可以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。根据酶分子的特性和有机溶剂的特性的不同，保持其空间结构完整性的情况也有所差别。 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。 有机溶剂与水之间的极性不同，在反应过程中会影响底物和产物的分配，从而影响酶的催化反应。 本章 目录

6.3 酶在有机介质中的催化特性 底物特异性 立体选择性 区域选择性 键选择性 热稳定性 酶在有机介质中起催化作用时，由于有机溶剂的极性与水有很大差别，对酶的表面结构、活性中心的结合部位和底物性质都会产生一定的影响，从而显示出与水相介质中不同的催化特性 底物特异性 立体选择性 区域选择性 键选择性 热稳定性

有机介质酶催化反应的优点 酶在有机介质中由于水分子的减少，相对来说酶分子的构象表现出比水溶液中更具有“刚性”特点。因而使通过选择不同性质的溶剂来调控酶的某些特性成为可能。例如在有机溶剂中，可以利用酶与配体的相互作用性质，诱导改变酶分子的构象，调控酶的底物专一性,、立体选择性和手性选择性等。 由于引起酶变性的许多因素都与水的存在有关, 因此在有机介质中酶的稳定性得到显著提高。 由于有机溶剂的存在, 水量减少，大大降低了许多需要水参与的副反应，如酸酐的水解、氰醇的消旋化和酰基转移等。 在有机介质中进行的酶促反应，可以省略产物的萃取分离过程, 提高收率。

某些酶在有机介质与水溶液中的热稳定性 本章 目录 酶 介质条件 热稳定性 猪胰脂肪酶 三丁酸甘油酯 水， pH7.0 T1/2 < 26 h T1/2 < 2 min 酵母脂肪酶 三丁酸甘油酯/庚醇 水，pH7.0 T1/2 =1.5 h 脂蛋白脂肪酶 甲苯，90℃，400 h 活力剩余40％ 胰凝乳蛋白酶 正辛烷，100℃ 水，pH 8.0, 55℃ T1/2 = 80 min T1/2 = 15 min 枯草杆菌蛋白酶 正辛烷，110℃ 核糖核酸酶 壬烷，110℃，6 h 水，pH 8.0, 90℃ 活力剩余95％ T1/2 < 10 min 酸性磷酸酶 正十六烷，80℃ 水，70℃ T1/2 = 8 min T1/2 = 1 min 腺苷三磷酸酶 ( F1-ATPase) 甲苯，70℃ 水， 60℃ T1/2 > 24 h 限制性核酸内切酶 （Hind Ⅲ） 正庚烷，55℃，30d 活力不降低 β-葡萄糖苷酶 2-丙醇，50℃，30 h 活力剩余80％ 溶菌酶 环己烷，110℃ 水 T1/2 =140 min T1/2 = 10 min 本章 目录

6.4 有机介质中酶催化反应的条件及其控制 酶在有机介质中可以催化多种反应，主要包括：合成反应、转移反应、醇解反应、氨解反应、异构反应、氧化还原反应、裂合反应等。 主要应控制的条件有 酶的种类和浓度 底物的种类和浓度 有机溶剂的种类 水含量 温度 pH 离子强度 本章 目录

6.5 酶非水相催化的应用 酶 催化反应 应用 脂肪酶 肽合成 青霉素G前体肽合成 酯合成 醇与有机酸合成酯类 转酯 各种酯类生产 酶 催化反应 应用 脂肪酶 肽合成 青霉素G前体肽合成 酯合成 醇与有机酸合成酯类 转酯 各种酯类生产 聚合 二酯的选择性聚合 酰基化 甘醇的酰基化 蛋白酶 肽合成 合成多肽 酰基化 糖类酰基化 羟基化酶 氧化 甾体转化 过氧化物酶 聚合 酚类、胺类化合物的聚合 多酚氧化酶 氧化 芳香化合物的羟基化 胆固醇氧化酶 氧化 胆固醇测定 醇脱氢酶 酯化 有机硅醇的酯化

手性药物两种对映体的药理作用 药物名称 有效对映体的作用 另一种对映体的作用 普萘洛尔（Propranolol） 萘普生（Neproxen） 青霉素胺（Penicillamine） 羟基苯哌嗪(Dropropizine) 反应停（Thalidomide） 酮基布洛芬（Ketoprofen） 喘速宁（Trtoquinol） 乙胺丁醇（Ethambutol） 萘必洛尔（Kebivolol） S构型，治疗心脏病,β-受体阻断剂 S构型，消炎、解热、镇痛 S构型，抗关节炎 S构型，镇咳 S构型，镇静剂 S构型，消炎 S构型，扩张支气管 S,S构型，抗结核病 右旋体，治疗高血压,β-受体阻断剂 R构型，钠通道阻滞剂 R构型，疗效很弱 R构型，突变剂 R构型，有神经毒性 R构型，致畸胎 R构型，防治牙周病 R构型，抑制血小板凝集 R,R构型，致失明 左旋体，舒张血管 1992年，美国FDA明确要求对于具有手性特性的化学药物，都必需说明其两个对映体在体内的不同生理活性、药理作用以及药物代谢动力学情况。许多国家和地区也都制定了有关手性药物的政策和法规。这大大推动了手性药物拆分的研究和生产应用。目前提出注册申请和正在开发的手性药物中，单一对映体药物占绝大多数。

脂肪酶-位置选择性酯化反应 葡萄糖苷-6-O-酰基衍生物是一种可生物降解的非离子表面活性剂，它可以用脂肪酸和葡萄糖苷在脂肪酶催化下进行选择性酯化得到：

糖酯的合成

脂肪酶-消旋化合物选择性酯化 以2-取代-1,3-丙二醇和脂肪酸为原料，在有机溶剂介质中用脂肪酶(CCL)或猪肝酯酶（PLE）催化酯化反应，可得到较高光学纯度的R-或S-酯。

脂肪酶-消旋化合物的拆分 有机介质中用脂肪酶(PSL)催化酯化用于γ-羟基-α,β-不饱和酯的拆分。可以避免副反应的发生。

脂肪酶-内酯合成反应 -羟基酸或它的酯在脂肪酶催化下，发生分子内环化作用得到内酯化合物。内酯可继续反应形成开链寡聚物.内酯化产物形式主要取决于羟基酸的长度外，也取决于脂肪酶的类型、溶剂及温度等。

生物柴油 生物柴油是利用生物油脂生产的有机燃料，是由动物、植物或微生物油脂与小分子醇类经过酯交换反应而得到的脂肪酸酯类物质。可以代替柴油作为柴油发动机的燃料使用。 生物油脂的来源：菜子油，豆油，椰子油，棕榈油、蓖麻油、棉籽油，葵花籽 油，废食用油等 优点： （1） 具有良好的环境属性 （2） 具有较好的低温发动机启动性能。 （3） 具有较好的润滑性能。 （4） 具有较好的安全性能。 （5） 具有良好的燃料性能。 （6） 具有可再生性能。

生物柴油生产装备 从生物质到生物柴油

美国生物柴油发展趋势

生物柴油的生产方法 目前生物柴油主要是用化学法生产，采用酸、碱催化油脂与甲醇之间的转酯反应，而生成脂肪酸甲酯。反应时间短，成本低。但在反应过程中使用过量的甲醇，而使后处理过程变得较为繁杂。能耗高；色泽深，在高温下容易变质；酯化产物难于回收；生产过程有废碱液排放 新方法：生物酶法，在有机介质中，脂肪酶可以催化油脂与小分子醇类的酯交换反应，生成小分子的酯类混合物。条件温和，醇用量小、无污染排放。缺点：对甲醇及乙醇的转化率低，一般仅为40%～60%，酶的使用寿命短。副产物甘油和水难于回收，不但对产物形成抑制，而且甘油对固定化酶有毒性，使固定化酶使用寿命短。 本章 目录