酶催化反应研究进展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）中酶催化反应的概况并阐明了此反应体系的优势之处及还有那些不足。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，它对各领域势必会有一定的推进作用。

关键词 酶催化反应，反应体系，应用

Title

Abstract

×××××××（小4号Times New Roman，1.5倍行距，第一个字应顶格写）

Keywords

1 酶催化的介绍

酶是一种具有特殊三维空间构象的蛋白质,它能在生物体内催化完成许多广泛且具有特异性的反应。随着生化技术的进展,酶催化反应越来越多地被有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,它们在体内几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,使人体得以有正常的新陈代谢。许洪高、高彦祥等人还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有的优点，如酶催化效率高, 专一性强, 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；而且酶来自生物体本身，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，以酶作为生物催化剂在工业生产中的应用到目前为止还不是很普遍主要有以下几个原因：在催化反应环境中存在的热、酸、碱、氧化剂、重金属离子，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子失活破坏酶的稳定性；一些酶对价格通常较昂贵的辅酶有较强的依赖性；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十分理想；酶的来源及成本问题，许多工业用酶成本较高, 而且种类有限。

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1010倍且酶对底物有高度的专一性, 每种酶只促进一定的反应, 生成一定的产物, 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

在温和条件下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

近年来将酶催化反应的反应体系分为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中的酶催化反应。

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中发挥其催化作用，而有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。无论哪种形式酶都会有一定的水分，故有机溶剂中酶实际上指的是低水含量介质中的酶。

研究表明，有机溶剂中的酶和水溶液中的酶一样具有高度的底物选择性。此外，有机溶剂中的酶还有以下一些特点: 在有机溶剂中，很多在水中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，如蛋白水解酶在水中催化肤键水解，而在有机溶剂中则催化肤键合成；在有机溶剂中，所有有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；在有机溶剂中不易发生微生物污染低水环境可用于稳定具有未知催化性质的构象异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十分重要。有些通常用化学法难以完成的反应，现在可以用有机溶剂中的酶来完成。

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有机溶剂中自发形成具有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。反胶束具有独特结构特征,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提供巨大相界面,且还可避免酶与周围有机溶剂直接接触,从而使保持较高活性。且反胶束体系还可较好模拟酶的天然环境,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有着许多优点。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；反胶束体系有着非常高的比表面积,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来实现,降低分离能耗；减少有水引起副反应。影响反胶束酶体系形成因素有:表面活性剂种类和浓度、体系中水含量、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，此时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熔点都低。当体系温度高于低共熔温度时,体系中就会产生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中的液相发生的。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中的酶催化反应不需溶剂， 成本低、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，制药等产品纯度要求较高的行业来说更具有深远的意义。

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，如有些酶的提取纯化繁琐, 故其价格相当昂贵；反应之后, 要从反应混合物中回收有活性的酶以重复使用, 在技术上还有一定的困难；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, 而且有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体。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之间。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, 因此在科研与生产中得到越来越广泛的应用。

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、低粘度和低表面张力，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目的；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、增压- 减压对酶活的影响等。

2.1.5 气相中的酶催化反应

许多精细化学品、香料、农用化学品等都不溶于水相，于是，寻找其他系统用于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来的系统，也开展了很多工作。另一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:(l)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)酶及产物大多无毒。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。

酶催化反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已近千亿美元, 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面。

在制药工业上的应用

利用酶可制取多种药物氨基酸、核酸等，如青毒素、维生素C等。应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。

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；将固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子很多, 如各种酶测试盒层出不穷, 采用固定化酶柱反应器的FIA(流动注射法)可用于临床诊断检测尿酸、葡萄糖、氨、尿素、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、烘烤食品及啤酒发酵。与之有关的各种酶如淀粉酶、葡萄糖异构酶、乳糖酶、凝乳酶、蛋白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。

3.2.2 生产果葡糖浆

是将葡萄糖经葡萄糖异构酶催化生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磨成粉浆，调节浓度、温度及PH值，再加a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60一 70%的麦芽糖的怡糖。

3.2.4 在蛋白质制品方面

可使用凝乳蛋白酶制造奶酪，可用葡萄糖氧化酶除去全蛋粉、蛋黄粉或蛋白片中存在的少量葡萄糖，以防止褐变，提高产品质量。用木瓜蛋白酶制成嫩肉粉，使肉食嫩滑可口。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l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一淀粉酶和蛋自酶，可缩短发酵时间，制成更加松软可口、色香味俱佳的面包，且可防比面包老化，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l几业的脱毛和软化，既节约了时间，又改善了劳动卫生条件:制丝业及照像器材业利用蛋白酶使生丝和底片脱胶:在洗涤剂中添加适量的酶可以大大缩短洗涤时间，提高洗涤效果。

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，如日本研究将具有分解氰能力的产碱杆菌和无色杆菌制成氰分解酶，可将氰分解成氨和二氧化碳，对处理含氰电镀废水和丙烯睛废水很有效。

结论

酶催化反应是本世纪一个极具魅力的挑战性课题之一。目前, 许多研究工作者正致力于这一新领域的探索，相信这方面的研究无论在学术意义和应用价值方面, 都具有无限广阔的前景。随着生物学、化学及其他学科的发展,酶催化反应的机制将会被人们认识和掌握, 酶催化合成的应用也会越来越广泛，酶法与化学法将会很好地结合起来。酶催化技术将会不断地被完善，将会更加广泛的被应用与各个领域中去。

参 考 文 献

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