第七章-酶的非水相催化
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第7章 酶的非水相催化
4、（正）胶束体系
胶束也称为正胶束或正胶团，是在大量水 溶液中含有少量与水不相混溶的有机溶剂， 加入表面活性剂后形成的水包油（O/W）的 微小液滴。 表面活性剂是由亲水憎油的极性基团和亲 油憎水的非极性基团两部分组成的两性分 子，既能溶解水溶性物质又能增溶疏水性 物质。
正胶束是通过表面活性剂的极性端朝外， 与水结合，非极性端朝内，有机溶剂包在 液滴内部，形成一个非极性的核心形成。 正胶束水相是连续相，有机相是分散相。 酶催化反应时，酶在胶束外面的水溶液中， 疏水性的底物或产物在胶束内部，反应在 胶束的两相界面中进行。
6、pH“记忆”与pH“忘记”
在有机介质反应中，酶所处的pH环境与酶 的冻干或吸附到载体之前所使用的pH值相 同，这种现象称为pH“印记”或pH“记忆”。
第四节 反胶束体系的酶学研究
反胶束酶催化体系是指在非极性有机溶剂 中，酶分子溶解在由表面活性剂形成的含 水反向胶团内催化底物的转化。
一、反胶束的形成和酶的包覆
4、导电有机聚合物的合成
辣根过氧化物酶可以在与水混溶的有机介质（如
丙酮、乙醇、二氧六环等）中，催化苯胺聚合生 成聚苯胺。 聚苯胺-导电装置 塑料电池, 新型飞机上的电子器件,发光二极管、 太阳能电池以及移动电话和迷你电视的显示屏,导 电塑料制作分子大小的道路
5、发光有机聚合物的合成
辣根过氧化物酶可以在有机介质中催化对苯
当体系中水和有机溶剂同时存在时，两性 表面活性剂分子溶解于有机溶剂，并能够 增溶一定量的水，随水/表面活性剂/有机 溶剂三相浓度不同，会形成球状或椭球状 的胶束，形成所谓的“油包水”的结构， 即反胶束。
二、反胶束体系的制备方法
（1）注入法：将含有酶的水相注入到含有表 面活性剂的有机相中。 （2）液体萃取法：将含酶的水相与含表面活 性剂的有机相直接接触。 （3）固体萃取相：将酶的固体粉末与含水的 反胶束有机溶剂一起搅拌。
酶非水相催化的名词解释
酶非水相催化的名词解释酶非水相催化是一种特殊的生物化学反应过程，其特点是在无水环境中，通过酶作用催化生物分子的转化。
在酶非水相催化中，不同于传统的酶催化过程，水分子并不直接参与反应，而是由其他非水相溶剂来替代。
这种非水相催化的特性赋予了酶非常高的催化活性和选择性。
酶非水相催化的概念源于生物体内一些特殊的蛋白质，即金属蛋白和脱水酶。
这些蛋白质具有能够在缺水环境下活跃的特性。
在生物体内，金属离子可以起到酶的活性中心的作用，而脱水酶则可以在非常干燥的环境下，通过形成氢键网络来稳定酶的结构，并促进催化反应的进行。
酶非水相催化的研究对于认识生物体内酶催化反应的本质以及开发新型催化剂具有重要的意义。
通过研究酶非水相催化过程，科学家们可以揭示酶活性中心的结构和功能，以及介观生物学的规律。
此外，酶非水相催化还可以为合成有机化合物提供新思路和新方法，通过模拟生物体内的催化反应，可以设计和合成出高效、高选择性的催化剂。
在研究酶非水相催化的过程中，科学家们不仅仅关注酶本身，还对非水相溶剂的选择和影响进行了深入研究。
非水相溶剂可以影响酶非水相催化的活性和选择性，不同的溶剂性质会对酶的构象和催化效果产生直接的影响。
同时，科学家们还研究了不同非水相催化体系之间的相互作用，以及非水相溶剂的理论模拟和定量描述。
酶非水相催化的应用范围非常广泛。
在传统的酶催化反应中，水分子的存在常常会引起反应的副反应，限制了反应的效率和产率。
而在非水相催化反应中，由于水分子的排除，反应体系更为干燥，酶的活性得到了有效提升。
酶非水相催化可以应用于生物医学、制药、有机合成等领域，用于合成生物活性物质、开发新药物和催化有机反应等。
总结起来，酶非水相催化是一种在无水环境中利用酶催化生物分子转化的特殊过程。
通过研究酶非水相催化，我们可以认识酶的活性中心结构和功能，揭示生物催化的规律，为合成有机化合物提供新的思路和方法。
此外，酶非水相催化还有广泛的应用前景，可以应用于医学、制药和有机合成等领域。
酶的非水相催化考研考点总结
酶的非水相催化考研考点总结●水相酶反应的限制●仅限于水溶性底物●大部分有机物在水中溶解性差●水会引发副反应或造成产物分解●不利于反应平衡向产物推进●产物回收困难●非水相催化的优势●增加非极性底物的溶解度●使某些原本在水相不能进行的反应顺利进行，如肽的合成、酯的合成等●可减少在水相容易发生的副反应，如酸酐的水解、卤化物的水解等●容易分离回收●无微生物污染●相关问题●非水相并不代表完全无水，完全无水的情况下酶是无活性的●极性较强的溶剂可能剥离掉酶分子中必须的水，导致酶失活；而疏水性溶剂对水的溶解能力较低●在无水溶剂中，酶蛋白分子的刚性增加，空间构象较难发生改变●非水相催化的类型●有机介质中的酶催化●气相介质中的酶催化●超临界流体介质中的酶催化●离子液介质中的酶催化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●非水相催化的体系●与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系●（正）胶束体系●反胶束体系●与水溶性有机溶剂组成的均一体●微水介质体系●酶非水相催化的影响因素●水●水对酶分子构象的影响酶分子需要一层水化层，以维持其完整的空间构象●水对酶催化反应速度的影响●水活度在有机介质体系中，酶的催化活性随着结合水量的增加而提高●有机溶液●有机溶剂对酶结构与功能的影响在有机溶剂中，酶分子（经过修饰后可溶于有机溶剂者除外）不能直接溶解，而是悬浮在溶剂中进行催化反应●有机溶剂对酶分子表面结构的影响●有机溶剂对酶活性中心结合位点的影响溶剂有可能渗入到酶分子的活性中心，与底物竞争活性中心的结合位点●有机溶剂对酶活性的影响有机溶剂的极性越强，越容易夺取酶分子结合水●有机溶剂对底物和产物分配的影响●酶的催化特性●底物专一性可能受影响●对映体选择性●区域选择性酶能够选择底物分子中某一区域的基团优先进行反应●健选择性●热稳定性更好●pH值特性：pH记忆●非水相催化条件的控制●水含量●酶的选择●底物的选择和浓度控制●有机溶剂的选择●温度控制。
酶的非水相催化(5)
反胶束微粒的大小取决于反胶束的含水量（W0），即反胶束中水分子 数与表明活性剂分子数之比。不同酶有不同的最适W0值，该值取决于表明 活性剂和酶的性质，即反胶束的精品内医核学p体pt 积与酶分子体积要相适应。 6
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。
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。
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精系品医，学酶ppt催化反应的介质中都含有机溶剂5 和 一定量的水。它们都对催化反应有显著的影响。
7.2 有机介质反应体系（二）
（正）胶束体系 在大量水溶液中含有少量与水不相混溶的有机溶剂，加入表明活性剂
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。
第七章 酶的非水相催化
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。
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。
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精系品医，学酶ppt催化反应的介质中都含有机溶剂5 和 一定量的水。它们都对催化反应有显著的影响。
7.2 有机介质反应体系（二）
（正）胶束体系 在大量水溶液中含有少量与水不相混溶的有机溶剂，加入表明活性剂
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。
第七章 酶的非水相催化
第七章_酶的非水相催化
第七章 酶的非水相催化
Enzymatic catalysis in Non-aqueous system
拒接翻版
Go Go Go Go Go
1、酶非水相催化的主要内容 2、有机介质中水和有机溶剂对催化反应的 影响 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 5、酶非水相催化的应用
非水酶学的研究主要内容
第一，非水酶学基本理论的研究，影响酶催 化的主要因素以及非水介质中酶学性质； 第二，阐明非水介质中酶的催化机制，建立 和完善非水酶学的基本理论； 第三：应用
一、非水介质中酶的结构与性质
(一) 非水介质中酶的状态 存在状态有多种形．主要分为两大类 第一类为固态酶 它包括冷冻干燥的酶粉或固定化酶，它们以固 固态酶， 固态酶
(二)非水介质中的酶学性质
有机溶剂的存在，改变了疏水相互作用的精 细平衡，从而影响到酶的结合部位，有机溶 剂也会改变底物存在状态。因此酶和底物相 结合的自由能就会受到影响，而这些至少会 部分地影响到有机溶剂中酶的底物特异性、 立体选择性、区域选择性和化学键选择性等 酶学性质。
第二节:水对非水相介质中酶催化的影 响
第一节： 第一节：酶催化水相的主要内容
酶在非水介质中，酶存在状态与酶结构发生改变。 用于酶催化的非水介质包括 非水介质包括
有机溶剂体系
• • • • ①含微量水的有机溶剂单相体系； ②与水混溶的有机溶剂和水形成的单相体系； ③水与有机溶剂形成的两相或多相体系： ④胶束与反胶束体系；
超临界流体 气相 低共熔混合体系 又称为非常规介质。
体形式存在有机溶剂中。还有利用结晶酶进行非水介质中催化反应和酶 结构的研究，结晶酶的结构更接近于水溶液中酶的结构，它的催化效率 也远高于其他类型的固态酶。
Enzymatic catalysis in Non-aqueous system
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1、酶非水相催化的主要内容 2、有机介质中水和有机溶剂对催化反应的 影响 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 5、酶非水相催化的应用
非水酶学的研究主要内容
第一，非水酶学基本理论的研究，影响酶催 化的主要因素以及非水介质中酶学性质； 第二，阐明非水介质中酶的催化机制，建立 和完善非水酶学的基本理论； 第三：应用
一、非水介质中酶的结构与性质
(一) 非水介质中酶的状态 存在状态有多种形．主要分为两大类 第一类为固态酶 它包括冷冻干燥的酶粉或固定化酶，它们以固 固态酶， 固态酶
(二)非水介质中的酶学性质
有机溶剂的存在，改变了疏水相互作用的精 细平衡，从而影响到酶的结合部位，有机溶 剂也会改变底物存在状态。因此酶和底物相 结合的自由能就会受到影响，而这些至少会 部分地影响到有机溶剂中酶的底物特异性、 立体选择性、区域选择性和化学键选择性等 酶学性质。
第二节:水对非水相介质中酶催化的影 响
第一节： 第一节：酶催化水相的主要内容
酶在非水介质中，酶存在状态与酶结构发生改变。 用于酶催化的非水介质包括 非水介质包括
有机溶剂体系
• • • • ①含微量水的有机溶剂单相体系； ②与水混溶的有机溶剂和水形成的单相体系； ③水与有机溶剂形成的两相或多相体系： ④胶束与反胶束体系；
超临界流体 气相 低共熔混合体系 又称为非常规介质。
体形式存在有机溶剂中。还有利用结晶酶进行非水介质中催化反应和酶 结构的研究，结晶酶的结构更接近于水溶液中酶的结构，它的催化效率 也远高于其他类型的固态酶。
酶工程-07-酶非水相催化2
（2）具有良好的化学稳定性，对设备没有腐蚀性。
（3）超临界温度不能太高或太低，最好在室温附近或 在酶催化的最适温度附近。 （4）超临界压力不能太高，可节约压缩动力费用。
（5）容易获得，价格要便宜。
4
第七章 酶非水相催化
第一节 酶非水相催化的主要内容和特 点
二 、
根据所用非水介质的不同，分为四种：
酶
非
水 相 催 化 的 主 要 内 容
中（ 的四 酶） 催离 化子
液 介 质
概念：是指酶在离子液介质中进行 的催化作用。
5
第七章 酶非水相催化
第一节 酶非水相催化的主要内容和特 点
三
1、酶的热稳定性提高。
、
2、酶的催化活性有所降低。
酶
非
3、水解酶可以在非水介质中催化水解反应的逆反应。
水
相
4、非极性底物或者产物的溶解度增加。
酶催
催化 化反 反应 应都 的要 体在 系一 主定 要的 有反
非
水 有机介质反应体系
介 质 反
（研究最多，应用 最广泛）
应
体 超临界流体介质反
系 应体系
与水溶性有机溶剂组 成的均一体系
与水溶性有机溶剂组成 的两相或多相体系
（正）胶束体系
：
应 体
离子液介质反应体系
反胶束体系
7
第七章 酶非水相催化
第二节 有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应的影响 （一）微水介质体系
KLD L
D
Km Kcat
立体选择系数 L-型异构体 D-型异构体 米氏常数 酶的转换数
酶在有机介质与在水溶液中催化比较,
影
由于介质的特性发生改变,使酶的对映体选
第七章 非水相酶催化
1、低水体系
1）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。这种反应体系主要适用于在单一水溶液中溶解 度很低、反应速度也很慢的亲脂性底物的生物转化。
2）非极性有机溶剂-水两相体系
由含有溶解酶的水相和一个非极性的有机溶剂相所组成的两相体 系。反应一般发生在水相或者是两相的界面上。
适宜的温度下进行反应。
第一节 非水酶学概述
Enzyme Engineering
有机介质酶反应的应用现状
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
一、酶促反应的有机介质体系
低水体系(A)
高水分含量体系
A
B
(B、C、D)
C
D
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
渗透蒸发法调控水分的原理源自Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
（二）有机溶剂对有机介质中酶催化反应的影响
1.有机溶剂对酶活性的影响
有机溶剂直接与酶分子周围的水相互作用，造成酶分子必需水的 变化和重新分配，从而影响酶的构象和活性。
溶剂的极性越强，对酶活性影响越大。溶剂的疏水性越强，酶在 该介质中的反应活性愈高。
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
100
酶
活 50
力
CLECs（辛烷） 冻干酶（辛烷）
CLECs（乙腈） 冻干酶（乙腈）
0
1
2
3
4
5
6
时间（天）
枯草杆菌蛋白交联酶晶体与冻干酶在己烷和乙腈中的稳定性
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
1）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。这种反应体系主要适用于在单一水溶液中溶解 度很低、反应速度也很慢的亲脂性底物的生物转化。
2）非极性有机溶剂-水两相体系
由含有溶解酶的水相和一个非极性的有机溶剂相所组成的两相体 系。反应一般发生在水相或者是两相的界面上。
适宜的温度下进行反应。
第一节 非水酶学概述
Enzyme Engineering
有机介质酶反应的应用现状
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
一、酶促反应的有机介质体系
低水体系(A)
高水分含量体系
A
B
(B、C、D)
C
D
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
渗透蒸发法调控水分的原理源自Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
（二）有机溶剂对有机介质中酶催化反应的影响
1.有机溶剂对酶活性的影响
有机溶剂直接与酶分子周围的水相互作用，造成酶分子必需水的 变化和重新分配，从而影响酶的构象和活性。
溶剂的极性越强，对酶活性影响越大。溶剂的疏水性越强，酶在 该介质中的反应活性愈高。
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
100
酶
活 50
力
CLECs（辛烷） 冻干酶（辛烷）
CLECs（乙腈） 冻干酶（乙腈）
0
1
2
3
4
5
6
时间（天）
枯草杆菌蛋白交联酶晶体与冻干酶在己烷和乙腈中的稳定性
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
Chapter7_酶的非水相催化
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与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系
这种体系是由水和疏水性较强的有机溶剂组成的 两相或多相反应体系。游离酶、亲水性底物或产 物溶解于水相，疏水性底物或产物溶解于有机溶 剂相。 如果采用固定化酶，则以悬浮形式存在两相的界 面。 催化反应通常在两相的界面进行。一般适用于底 物和产物两者或其中一种是属于疏水化合物的催 化反应。 应用较少。
18
有机介质中水的含量对酶催化反应速度有显著影响。在催化反 应速度达到最大时的水含量称为最适水含量。最适水含量与有 机溶剂种类、固定化载体特性、修饰剂的种类有关，要根据实 际情况，通过实验确定最适水含量。 在有机介质中含有的水，主要有两类，一类是与酶分子紧密结 合的结合水，另一类是溶解在有机溶剂中的游离水。研究表明， 在有机介质体系中，酶的催化活性随着结合水量的增加而提高。 结合水也是影响酶催化活性的关键因素。 研究表明，在一般情况下，最适水含量随着溶剂极性的增加而 增加。最佳水活度与溶剂的极性大小没有关系。所以采用水活 度作为参数来研究有机介质中水对酶催化作用的影响更为确切。
20
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。有 机容剂能改变酶分子必需水层中底物和产物的浓度。 一般选用2≤lg P≤5这样极性适中的有机溶剂作为有机 介质。
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。
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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
主要生产公司
2004年中国成为全球第二大石油消耗大国——3 亿吨。 我国“十五”计划发展纲要提出发展各种石油 替代品，将发展生物液体燃料确定为国家产业 发展方向。2005年2月28日国务院颁布《中华人 民共和国可再生能源法》
中国生物柴油发展与应用国际研讨会 ——2005年11月9日
生物柴油的生产方法
T1/2 = 80 min T1/2 = 15 min
T1/2 = 80 min 活力剩余95％ T1/2 < 10 min T1/2 = 8 min T1/2 = 1 min T1/2 > 24 h T1/2 < 10 min 活力不降低 活力剩余80％ T1/2 =140 min
7.2.6 pH值特性
水-乙酸乙酯组成的系统中，转化率高达100%和90%。 （甾体在水中的溶解度低）
7.3.9 生物能源-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：油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物 油脂，以及动物油脂、废餐饮油料。。 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。 （7） 单独使用，也可与石化柴油调和使用，
CH2OH O OH OH OH OH RCH2COO CH2 + RCH2COOH 吡啶 DMF O OH OH OH OH
7.3.3 酚树脂的合成
例：辣根过氧化物酶在二氧六环与水混溶的均一 介质体系中，可以催化苯酚等酚类物质聚合，生
成酚类聚合物。
在环保粘合剂等的研究开发方面显示出美好的前
是一种具有良好前景的蓝光发射材料。
7.3.6 食品添加剂的生产
利用芳香醛脱氢酶生成香兰素
7.3.7 多肽的合成
例：a-胰蛋白酶可以催化N- 乙酰色氨酸与亮氨酸合成 二肽 水中反应合成率为0.1%以下
在乙酸乙酯和微量水组成的系统中，合成率可达100%
7.5.8 甾体转化
可的松转化为氢化可的松的酶促反应，在水-乙酸丁酯或
在水溶液中，缓冲液的pH值决定了酶活性中心 基团和底物分子的解离状态 在有机介质反应时，酶的pH与酶在冻干或吸附 到载体上之前所使用的缓冲液pH值相同，这种 现象称pH记忆。
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。
可以作为添加剂提高燃烧效率
生物柴油生产装备
美国生物柴油发展趋势
国别
特性 冷滤点（CFPP） 夏季产品 (℃) 冬季产品 (℃) 20℃的密度 (g/mL) 40℃动力粘度 (mm2 /s) 闪点 (℃) 可燃性（十六烷值） 热值 (ml/l) 燃 烧 功 效 （ 柴 油 =100%），(%) 硫含量（w, % 氧含量（v, %） 燃烧 1 kg 燃 料 按化 学计 算 法 的 最 小 空 气 耗量 (kg) 水危害等级 三星期后的生物分解率 （% ）
7.2.3 键选择性 酶在有机介质中的另一个特点是具有化学键 选择性
键选择性与酶的来源和介质的种类有关。 例如：脂肪酶催化6-氨基-1-己醇的酰化反应，底 物分子中的氨基和羟基都可能被酰化。 ●黑曲霉脂肪酶催化时，羟基酰化占绝对优势 ●毛霉脂肪酶催化时，优先使氨基酰化。
7.2.5 热稳定性
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 超临界介质中的酶催化
本章 目录
7.2 酶在有机介质中的催化特性
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
生物柴油 常规柴油 -10 -20 0.88 4～6 ＞100 ≥56 32 104 ＜0.001 10 0 -20 0.83 2～4 60 ≥49 35 100 ＜0.2 0
12.5 1 98
14.5 2 70
生产能 总生产 税率 原料 力(104 能力 ｔ/ａ) (104 ｔ/ ａ) 日本 东京长野四家公司 40 废食用油 法国 Compiegne 4 40 菜子油 Boussens 4 Peronne 1 Verdun 4 Rousen 12 Nogent,Sur,Seine 12 意大利 Livomo 11.7 75.2 0 菜子油 Citta Di 6 Castello Milano 1.9 Solbiate 22.8 Napoli 11.8 Bari 0.1 Ancona 4 Brescia 7 奥地利 Aschach 1 5.5 菜子油 Bruck 1.5 Pischelsdorf 3 另有2条中试生产 线 比利时 Feluy 20 24 菜子油 Seneffe 4 中试生产线 0.1 丹麦 Otterup 3 3 0 菜子油 2条中试生产线 0.1 匈牙利 Gyor 1.8 1.8 菜子油 另一小厂 0.088 爱尔兰 0.5 5 0 菜子油 西班牙 5 菜子油 巴西 塞阿拉联邦大学实 1.6~2. 蓖麻油 验工厂 4 中国 正和生物能源公司 2 2 油脚与废 食用油 美国 Interchem 45.6 0 豆油 Environment Ag Environmental
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。
有机介质中酶催化的应用
手性药物的拆分 手性高分子聚合物的制备
酚树脂的合成
导电有机聚合物的合成 发光有机聚合物的合成 食品添加剂的生产 多肽的合成 甾体转化 生物能源
7.3.1 手性药物的拆分
(1)手性药物两种对映体的药效差异
药物名称 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） 有效对映体的作用 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 另一种对映体的作用 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
景。
7.3.4 导电有机聚合物的合成
例：辣根过氧化物酶可以在与水混溶的有机介
质（如丙酮、乙醇、二氧六环等）中，催化苯 胺聚合生成聚苯胺。
聚苯胺-导电装置
7.3.5 发光有机聚合物的合成
例：辣根过氧化物酶可以在有机介质中催化对苯 基苯酚合成聚对苯基苯酚，将这种聚）生物拆分法
青霉素酰化酶催化叔亮氨酸拆分
COOH NH2
DL-Tle PhacCl 10% NaOH
COOH HN Phac
N-Phac-(DL)-Tle
PGA
COOH NH2
L-Tle
+
HN
COOH
Phac
N-Phac-(D)-Tle
7.3.2 手性高分子聚合物的制备
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：
键选择性
热稳定性 pH值特性
7.2.1 底物专一性
酶在水溶液中催化时具有高度的底物专一性 在有机介质中，底物特异性发生改变。 例如：
水溶液中，酶催化苯丙氨酸酯(疏水性强）水解速度比丝氨酸酯水 解高104倍， 辛烷介质中，酶催化丝氨酸酯(疏水性弱）水解比苯丙氨酸酯水解 速度快20倍
胰凝乳蛋白酶
枯草杆菌蛋白酶 核糖核酸酶 酸性磷酸酶 腺苷三磷酸酶 ( F1-ATPase) 限制性核酸内切酶 （Hind Ⅲ） β -葡萄糖苷酶 溶菌酶
正辛烷，100℃ 水，pH 8.0, 55℃
正辛烷，110℃ 壬烷，110℃，6 h 水，pH 8.0, 90℃ 正十六烷，80℃ 水，70℃ 甲苯，70℃ 水， 60℃ 正庚烷，55℃，30d 2-丙醇，50℃，30 h 环己烷，110℃
小、无污染排放。缺点：对甲醇及乙醇的转化率低，一般仅为40%～
Chapter7
Enzymatic catalysis in Nonaqueous system
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
主要生产公司
2004年中国成为全球第二大石油消耗大国——3 亿吨。 我国“十五”计划发展纲要提出发展各种石油 替代品，将发展生物液体燃料确定为国家产业 发展方向。2005年2月28日国务院颁布《中华人 民共和国可再生能源法》
中国生物柴油发展与应用国际研讨会 ——2005年11月9日
生物柴油的生产方法
T1/2 = 80 min T1/2 = 15 min
T1/2 = 80 min 活力剩余95％ T1/2 < 10 min T1/2 = 8 min T1/2 = 1 min T1/2 > 24 h T1/2 < 10 min 活力不降低 活力剩余80％ T1/2 =140 min
7.2.6 pH值特性
水-乙酸乙酯组成的系统中，转化率高达100%和90%。 （甾体在水中的溶解度低）
7.3.9 生物能源-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：油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物 油脂，以及动物油脂、废餐饮油料。。 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。 （7） 单独使用，也可与石化柴油调和使用，
CH2OH O OH OH OH OH RCH2COO CH2 + RCH2COOH 吡啶 DMF O OH OH OH OH
7.3.3 酚树脂的合成
例：辣根过氧化物酶在二氧六环与水混溶的均一 介质体系中，可以催化苯酚等酚类物质聚合，生
成酚类聚合物。
在环保粘合剂等的研究开发方面显示出美好的前
是一种具有良好前景的蓝光发射材料。
7.3.6 食品添加剂的生产
利用芳香醛脱氢酶生成香兰素
7.3.7 多肽的合成
例：a-胰蛋白酶可以催化N- 乙酰色氨酸与亮氨酸合成 二肽 水中反应合成率为0.1%以下
在乙酸乙酯和微量水组成的系统中，合成率可达100%
7.5.8 甾体转化
可的松转化为氢化可的松的酶促反应，在水-乙酸丁酯或
在水溶液中，缓冲液的pH值决定了酶活性中心 基团和底物分子的解离状态 在有机介质反应时，酶的pH与酶在冻干或吸附 到载体上之前所使用的缓冲液pH值相同，这种 现象称pH记忆。
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。
可以作为添加剂提高燃烧效率
生物柴油生产装备
美国生物柴油发展趋势
国别
特性 冷滤点（CFPP） 夏季产品 (℃) 冬季产品 (℃) 20℃的密度 (g/mL) 40℃动力粘度 (mm2 /s) 闪点 (℃) 可燃性（十六烷值） 热值 (ml/l) 燃 烧 功 效 （ 柴 油 =100%），(%) 硫含量（w, % 氧含量（v, %） 燃烧 1 kg 燃 料 按化 学计 算 法 的 最 小 空 气 耗量 (kg) 水危害等级 三星期后的生物分解率 （% ）
7.2.3 键选择性 酶在有机介质中的另一个特点是具有化学键 选择性
键选择性与酶的来源和介质的种类有关。 例如：脂肪酶催化6-氨基-1-己醇的酰化反应，底 物分子中的氨基和羟基都可能被酰化。 ●黑曲霉脂肪酶催化时，羟基酰化占绝对优势 ●毛霉脂肪酶催化时，优先使氨基酰化。
7.2.5 热稳定性
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 超临界介质中的酶催化
本章 目录
7.2 酶在有机介质中的催化特性
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
生物柴油 常规柴油 -10 -20 0.88 4～6 ＞100 ≥56 32 104 ＜0.001 10 0 -20 0.83 2～4 60 ≥49 35 100 ＜0.2 0
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生产能 总生产 税率 原料 力(104 能力 ｔ/ａ) (104 ｔ/ ａ) 日本 东京长野四家公司 40 废食用油 法国 Compiegne 4 40 菜子油 Boussens 4 Peronne 1 Verdun 4 Rousen 12 Nogent,Sur,Seine 12 意大利 Livomo 11.7 75.2 0 菜子油 Citta Di 6 Castello Milano 1.9 Solbiate 22.8 Napoli 11.8 Bari 0.1 Ancona 4 Brescia 7 奥地利 Aschach 1 5.5 菜子油 Bruck 1.5 Pischelsdorf 3 另有2条中试生产 线 比利时 Feluy 20 24 菜子油 Seneffe 4 中试生产线 0.1 丹麦 Otterup 3 3 0 菜子油 2条中试生产线 0.1 匈牙利 Gyor 1.8 1.8 菜子油 另一小厂 0.088 爱尔兰 0.5 5 0 菜子油 西班牙 5 菜子油 巴西 塞阿拉联邦大学实 1.6~2. 蓖麻油 验工厂 4 中国 正和生物能源公司 2 2 油脚与废 食用油 美国 Interchem 45.6 0 豆油 Environment Ag Environmental
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。
有机介质中酶催化的应用
手性药物的拆分 手性高分子聚合物的制备
酚树脂的合成
导电有机聚合物的合成 发光有机聚合物的合成 食品添加剂的生产 多肽的合成 甾体转化 生物能源
7.3.1 手性药物的拆分
(1)手性药物两种对映体的药效差异
药物名称 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） 有效对映体的作用 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 另一种对映体的作用 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
景。
7.3.4 导电有机聚合物的合成
例：辣根过氧化物酶可以在与水混溶的有机介
质（如丙酮、乙醇、二氧六环等）中，催化苯 胺聚合生成聚苯胺。
聚苯胺-导电装置
7.3.5 发光有机聚合物的合成
例：辣根过氧化物酶可以在有机介质中催化对苯 基苯酚合成聚对苯基苯酚，将这种聚）生物拆分法
青霉素酰化酶催化叔亮氨酸拆分
COOH NH2
DL-Tle PhacCl 10% NaOH
COOH HN Phac
N-Phac-(DL)-Tle
PGA
COOH NH2
L-Tle
+
HN
COOH
Phac
N-Phac-(D)-Tle
7.3.2 手性高分子聚合物的制备
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：
键选择性
热稳定性 pH值特性
7.2.1 底物专一性
酶在水溶液中催化时具有高度的底物专一性 在有机介质中，底物特异性发生改变。 例如：
水溶液中，酶催化苯丙氨酸酯(疏水性强）水解速度比丝氨酸酯水 解高104倍， 辛烷介质中，酶催化丝氨酸酯(疏水性弱）水解比苯丙氨酸酯水解 速度快20倍
胰凝乳蛋白酶
枯草杆菌蛋白酶 核糖核酸酶 酸性磷酸酶 腺苷三磷酸酶 ( F1-ATPase) 限制性核酸内切酶 （Hind Ⅲ） β -葡萄糖苷酶 溶菌酶
正辛烷，100℃ 水，pH 8.0, 55℃
正辛烷，110℃ 壬烷，110℃，6 h 水，pH 8.0, 90℃ 正十六烷，80℃ 水，70℃ 甲苯，70℃ 水， 60℃ 正庚烷，55℃，30d 2-丙醇，50℃，30 h 环己烷，110℃
小、无污染排放。缺点：对甲醇及乙醇的转化率低，一般仅为40%～
Chapter7
Enzymatic catalysis in Nonaqueous system