酶催化反应研究进展1

1、酶催化反应研究进展摘要：简述了酶催化优点和不足及近年来五种不同体系（有机溶剂体系、反胶束 体系、低共熔体系、超临界流体体系、气相体系）屮酶催化反应的概况并阐明了 此反应体系的优势z处及还有那些不足。且酶作为一种生物催化剂，已经广泛应 用于各个领域中，酶工程是现代生物技术的重要组成部分，对各领域的技术性突 破具有一定的影响。随着酶工程不断地技术性突破，酶在医药工业方面、食品工 业方面、轻工业、有机合成方面等都的应用越来越广泛。作为一项新技术，它对 各领域势必会冇一定的推进作用。关键词 酶催化反应，反应体系，应用title xxxxx （4 号 times new roman,实词首字母大写）ab

2、stractx x x x x x x （小4号times new roman, 1.5倍行距，第一个字应顶格写）keywords1酶催化的介绍酶是一种具有特殊三维空间构象的蛋口质，它能在生物体内催化完成许多广泛 且具冇特异性的反应。随着生化技术的进展,酶催化反应越來越多地被冇机化学 家作为一种手段应用于有机合成。酶有专一的、有催化活性的性质，它们在体内 儿乎参与了所有的转变过程，催化生物分子的转化；也催化许多体内存在的物质 发生变化，使人体得以冇正常的新陈代谢。许洪高、高彦祥等人述发明了一种酶 催化反应的装置。1.1酶催化的优点酶作为一种生物催化剂自然具备其特冇的优点，如酶催化效率高，专一性

3、强， 可减少或避免副反应；可以利用酶通过有限的步骤实现许多化学方法难以完成的 反应；反应条件温和，可节省能源，减少设备费用；而11酶來自生物体本身，故 它是生物体可降解的无环境毒害性物质，符合将废弃物控制在最小限度，实现原 子经济的绿色化学要求。1.2酶催化的不足尽管酶催化反应有如此多的优点，以iw作为生物催化剂在工业生产屮的应用到口 前为止还不是很普遍主要有以下儿个原因：在催化反应环境中存在的热、酸、碱、 氧化剂、重金屈离子，而酶本身是生物大分子，且许多酶是胞内酶，细胞内部环 境通常比较稳定,故可能会因催化反应的环境中的因素导致酶分了失活破坏酶的 稳定性；一些酶对价格通常较昂贵的辅酶冇较强的

4、依赖性；在化学反应体系中应 用酶作催化剂，酶的催化活性和选择性往往并不i分理想汀悔的来源及成木问题, 许多工业用酶成本较高，而口种类有限。2酶催化与有机合成反应酶的催化效率很高，在可比较的情况下其催化效率一般是无机催化剂的10"倍 且酶对底物有高度的专一性，每种酶只促进一定的反应，生成-定的产物，产 物的纯度很高。故将酶催化反应用于一般的有机合成，并能像在有机体内那样可在温和条件卜高效地催化反应的进行，是许多有机合成工作者梦寐以求的，并 为此不懈努力着，使得酶在有机合成中的应用，已成为合成方法学中的一个新 的亮点。2. 1不同反应体系中的的酶催化反应近年來将酶催化反应的反应体系分为5

5、种，分别是有机溶剂体系、反胶束体系、 低共熔体系、超临界流体体系和气相体系屮的酶催化反应。2. 1. 1有机介质中的酶催化反应来自生物体内的酶，一般认为只能在水溶液屮发挥英催化作用，i佃冇机溶剂则 被认为是酶的变性剂，这种传统观念直到80年代中期才被打破。美国科学家首先 用实验证明，酶能在有机溶剂中进行酶催化反应，从而开辟了非水酶学这一崭新 的研究领域，大大扩展了酶的应用范围，也为酶学研究注入了新的生机与活力。有机溶剂中的酶有两种形式:一是分散在有机溶剂中;二是包埋在反相胶团中o 无论哪种形式酶都会冇一定的水分，故冇机溶剂屮酶实际上指的是低水含量介质 中的酶。研究表明，冇机溶剂中的酶和水溶液中

6、的酶一样具有高度的底物选择性。此外, 有机溶剂屮的酶述有以下一些特点：在有机溶剂屮，很多在水屮不溶的非极性底 物可以很好地溶解；有机溶剂可促使热力学平衡向合成方向移动，如蛋口水解酶 在水屮催化肤键水解，而在有机溶剂屮则催化肤键合成；在冇机溶剂屮，所冇冇 水参与的副反应将受到抑制"在有机溶剂中酶的热稳定性显著提高，可通过提 高温度加速催化反应进行；反应后产物纯化容易，酶容易回收再利用；在冇机溶 剂屮不易发牛微牛物污染低水环境可用于稳定具有未知催化性质的构象界构体 及在水中寿命极短的酶反应中间体，这对弄清酶反应机理i分重要。有些通常用 化学法难以完成的反应，现在可以用冇机溶剂屮的酶来完成

7、。2.1.2反胶束体系中的酶催化反应反胶束是表面活性剂分子在非极性冇机溶剂中自发形成具冇热力学稳定性的 纳米级聚集体，其内部可溶解水和其它亲水性分子。反胶朿具有独特结构特征, 它能使表面活性剂分子组成的膜将油水两相分隔开，高度分散反胶束体系不仅为酶催化反应捉供巨大相界而，但述可避免酶与周围冇机溶剂直接接触，从而使保 持较高活性。且反胶束体系还可较好模拟酶的犬然环境，因此，在反胶束体系下大 多数酶可保持较高活性和稳定性，有时甚至表现出超活性。许多研究表明反胶束体系下酶催化反应与水介质中相比冇着许多优点。反胶束 酶体系优点主要包括：稳定微环境，可进行水不溶性化合物催化转化，拓宽酶催 化作用对象；在

8、反胶束体系下酶稳定性有很大提高，甚至出现超活性；优良物理 化学性质，例如热力学稳定性和光学透明性等；反胶束体系冇着非常高的比表而 积，使底物和产物相转移变得更为有利,使反应朝着期望方向进行；产物回收可通 过相变调节來实现，降低分离能耗；减少冇水引起副反应。影响反胶束酶体系形 成因素有:表面活性剂种类和浓度、体系小水含量、水相酸碱度、水相离子强度 和酶分子大小等。2.1.3低共熔体系中的酶催化反应低共熔体系中是低共熔混合物，所谓低共熔混合物是指将两种纯净物按不同比 例相混合，在一定组成下，相图上出现了一个最低熔化温度点，即低共熔点，此 吋形成的混合物叫低共熔混合物。低共熔点一般比任何一种纯净物的

9、熔点都低。 当体系温度高于低共熔温度时,体系中就会产牛包含各种反应物的液相。以该体 系为反应介质进行酶催化反应时，反应正是在低共熔混合物屮的液相发生的。另 外，在低共熔体系中加入一定量的辅助剂，可以加快低共熔体系中液相的形成， 提高反应速度。低共熔多相混合物体系屮的酶催化反应不需溶剂，成木低、污染少、纯化过 程容易，避免了有机溶剂对酶活性的影响，有广阔的应用前景，对食品，制约等 产品纯度耍求较高的行业来说更具冇深远的意义。2.1.4超临界流体中的酶催化反应酶在实际应用中还是会存在一些问题，如冇些酶的提取纯化繁琐，故其价格相 当昂贵；反应之后，要从反应混合物屮冋收有活性的iw以重复使用，在技术上

10、还 有一定的困难；酶的稳定性较差，一般认为不能在有机溶剂、强酸、强碱或者高 温下使用，而冃冇些酶即使在较温和的条件下使用，也会很快失去活性。为了克 服酶的这些固有缺点，可以从两方面入手。一方面是对酶本身的性能进行改进另 一方面是从改变酶反应的外部环境入手，这是应用较为广泛的一个方面。超临界流体是指某些气体或液体在一定的温度和压力下处于似液非液似气非 气状态时的流休。此时的流体同时具备液体与气体的性质，气相和液相具有相同 的密度，该密度也往往介于气体与液体z间。在超临界状态下，随温度、压力的 变化，流体的密度也随之变化。超临界流体具备一些常规流体所不具备的性质， 因此在科研与生产屮得到越来越广泛

11、的应用。超临界流体作为酶催化反应中间介质，具有的优点：有似液体的高密度、似气 体的高扩散系数、低粘度和低表而张力，因此显示出较大的溶解能力和较高传递 特性，从而大大降低酶反应的传质阻力，提高酶反应速率；反应底物的溶解性对 超临界的操作条件（如温度、压力）特别敏感，通过简单改变操作条件或附加其 他设备，就可达到反应物和底物分离的口的；无毒、不可燃、化学惰性、易与反 应物底物分离、价格便宜等。这些优点使其在工业上，尤其在食品与发酵行业上 的应用前景广阔。超临界流体中中酶催化的影响因素有：含水量的影响、压力对酶活的影响、温 度影响、壇压-减压对酶活的影响等。2. 1.5气相中的酶催化反应许多精细化学

12、品、香料、农用化学品等都不溶于水相，于是，寻找其他系统用 丁生产和纯化这些产品的努力日益增加。但是，迄今为止，大多数由生物酶或细 胞进行的催化反应在水相中发生，尽管在有机溶剂中的生物催化反应取得了很大 的进展。将水相和有机介质结合起來的系统，也开展了很多工作。另-条途径是 在气相中进行生物催化反应。3酶催化反应的应用酶催化反应的优点：（1）反应效率高、专一性强、不发生副反应；（2）反应条件温 和，一般不需要高温、高压、强酸、强碱条件:（3）m及产物大多无毒。由于酶催 化反应具有以上优越性，这就决定了这类反应在工业生产中有广泛的发展前途而 应用于食品、纺织、制革、石油、医药等行业。3.1酶催化反

13、应在医药工业方面的应用全球应用酶催化技术所产生的工业产值己近千亿美元，酶催化技术广泛应用 于医药工业，并主要体现在制药工业和临床诊断与治疗两个方而。3. 1. 1在制药工业上的应用利用酶口j制取多种药物氨基酸、核酸等，如青毒索、维生索c等。应用酶催化 技术可以生产许多成詁药及医药屮间体。它是通过以制造初级代谢产物、屮间代谢产物、次级代谢产物及催化转化和拆分等形式来进行的。这已成为当今新约开 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冇广 泛的应用前景。3.1.2在临床诊断及治疗上的应用固定化的细胞和酶在临床诊断及治疗上已得到了大量的应用，固定化酶技术可 用于治疗一些代谢障

14、碍疾病。其提供的方式主要有：将固定化酶用于体内作为治 疗药物；将同定化酶组装成体外生物反应器，通过体外循环作为临床治疗剂。将 固定化酶用于临床诊断的例了很多，如各种酶测试盒层出不穷，采用固定化酶 柱反应器的fm （流动注射法）可用于临床诊断检测尿酸、葡萄糖、氨、乐索、胆 街醇、谷氨酸、乳酸、无机磷等。3.2酶催化反应在食品方面的应用酶在食品工业中最大的用途是淀粉加工，其次是乳品加工、果汁加工、烘烤食 詁及啤酒发酵。与之有关的各种酶如淀粉酶、葡萄糖异构酶、乳糖酶、凝乳酶、 蛋口酶等占酶制剂市场的一半以上。3. 2.1酶法生产葡萄糖以淀粉为原料，先经。一淀粉酶转化成糊精，再用糖化酶催化生成葡萄糖。

15、3.2.2生产果葡糖浆是将葡萄糖经葡萄糖界构酶催化牛成部分果糖而得到的葡萄糖果的混合糖浆。3. 2.3生产饴糖怡糖的酶法生产是将人米或糯米濟成粉浆，调节浓度、温度及ph值，再加4一 淀粉酶、刀一淀粉酶，其机理是先生成胡精再转变为麦芽糖。可得含量为60 70%的麦芽糖的怡糖。3. 2.4在蛋白质制品方面可使用凝乳蛋口酶制造奶酪，可用葡萄糖氧化酶除去全蛋粉、蛋黄粉或蛋口片 屮存在的少量葡萄糖，以防止褐变，捉高产品质量。用木瓜蛋白酶制成嫩肉粉， 使肉食嫩滑可i i。用溶菌酶进行肉类制品的防腐保鲜等。3. 2. 5在果蔬加工方面果胶酶用于果汁和果酒的澄清方面效果极佳;抽首酶用于分解柑桔类果肉和果 汁中

16、的抽皮首，以脱除苦味:葡萄糖氧化酶可去除果汁、饮料罐头食品和干燥果蔬制品中的氧气，防止产品氧化变质，防1卜微生物生长，以延长食品保存期。3. 2.6在面包制造过程中加适量的a淀粉酶和蛋自酶，可缩短发酵吋间，制成更加松软可口、色香味 俱佳的面包，口可防比面包老化，延长保鲜期。3.3酶在轻工业方面的应用蛋白酶用于皮革一 1几业的脱毛和软化，既节约了吋间，又改善了劳动卫生条 件:制丝业及照像器材业利用蛋口酶使牛丝和底片脱胶:在洗涤剂中添加适量的 酶可以大大缩短洗涤时间，捉高洗涤效果。3.4酶在有机合成方面可用酶把犬然化合物转化为化卜产品，酶应用于石油工业，如以石油产品为原 料的酵母菌去合成饲料用的蛋白质等，同样酶亦用于工业废水生物处理，如日本