非水相酶催化技术的应用
非水介质中酶催化反应类型及其应用
非水介质中酶催化反应类型及其应用摘要：酶催化反应在医药、食品、以及化工领域有着广泛的应用。
酶催化反应体系，从水溶液转变到水互溶有机溶剂、水-有机介质两相反应体系、微水有机溶剂、反向胶束体系，该文对近几年来非水介质中酶催化反应研究进展进行了总结，详细地综述了非水体系酶催化反应的类型，提出了应用前景，系统的介绍了固定化酶在非水介质中的催化动力学行为。
关键词：非水介质酶催化反应固定化酶1.非水介质中酶的催化反应及其特征传统的理论认为，生物催化剂，包括酶、细胞均是在水溶液环境下催化水溶性底物的转化。
酶作为生物催化剂，在体外只能在水溶液环境才能保持活性，而再有机介质中往往失活或变性。
然而事实并非如此，如向酶溶液中加入能与水互溶的酒精等，或制作乳化的水-有机溶剂两相系统，甚至在无水的有机介质中没扔能具有催化活性，证明了在非水有机介质中酶仍能进行催化反应，并且还具有与水溶液系统不同的一些奇异特性。
1984年，美国麻省理工学院的科学家Klihanov成功地实现了猪胰脂肪酶在99%的有机溶剂中催化三丁酸甘油酯与醇之间的转酯反应，并证实了酶在100℃高温下，不仅能够在有机溶质中保持稳定，而且还能显示出很高的的催化没活力。
这一发现为酶学研究的应用又带来了一次革命性的飞跃，并成为生物化学和有机合成研究中迅速发展的领域。
这个试验为非水相酶学奠定了基础。
2.酶的固定化研究2.1 固定化酶的概论固定化没事20世纪50年代发展起来的一项新技术。
所谓固定化酶，即用固体材料将酶束缚或限制与一定区域内，仍能进行其特有的催化反应，并可回收及重复使用的一类技术。
2.2 固定化酶的优缺点与游离酶相比，固定化酶有以下优点：①容易将固定化酶和底物、产物分开②可以在较长时间内进行反复分批反应和装柱连续反应③在大多数情况下，能够提高酶的稳定性④酶反应过程能够加以严格控制⑤产物溶液中没有酶的残留，简化了产物的提取纯化工艺⑥比游离酶更适于进行多酶反应⑦可以增加产物的收率，提高产物的质量⑧酶的使用效率高，成本低同时，固定化酶也存在一些缺点：①固定化时，酶活力有损失②增加了生产的成本，工厂初期投资较大③只能用于可溶性底物，而且适用于小分子底物，对于大分子底物不适合④与完整菌体相比不适于多酶反应，特别是需要辅助因子的反应⑤胞内酶经过酶的分离过程2.3 酶的固定化方法酶的固定化方法通常按照用于结合的化学反应的类型进行分类，可分为吸附法、包埋法、共价结合法、交联法4种。
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。
酶的非水相催化及其应用
天津科技大学《食品酶学》本科生课程论文酶的非水相催化及其应用non-aqueous enzymatic catalysis technology and its applications学生姓名：学号：专业：任课教师：摘要非水相酶催化反应是酶催化反应中的一个重要方面。
非水相溶剂通常可增加底物溶解度, 减少水相中的副反应, 加快生物催化的速率和效率, 在药物及药物中间体和食品等方面具有较大的应用价值。
以下主要分析了在非水介质中酶促反应的几个重要影响因素; 介绍了非水介质中酶催化反应的应用,以及其前景发展。
关键词：非水相催化，影响因素，实际应用，发展前景Abstract It is well known that non-aqueous enzymatic catalysis has emerged as animportant area of enzyme engineering with the advantages of highersubstrate solubility, increased stereoselectivity, modified substratespecificity and suppression of unwanted water-dependent side reactions.As a result, non-aqueous enzymatic catalysis has been applied in thebiocatalytic synthesis of important pharmaceuticals and nutriceuticals.The following main analyzed several important factors in non-aqueousenzymatic catalysis：introduced in non-aqueous enzymatic catalysis infront of the catalytic reaction，introduced the bright future ofnon-aqueous enzymatic catalysis technologyKey words：non-aqueous enzymatic catalysis；important factors；applications，Development prospect目录1 前言 (5)2酶非水相催化的几种基本类型介绍 (6)3 非水介质中酶促反应的几个重要影响因素3.1 反应溶剂的影响 (7)3.2 反应时间、温度和pH 值的影响 (8)3.3 不同反应试剂的影响 (8)3.4 反应时的物理因素 (9)3.5 超声对非水介质中酶促反应的影响 (9)4 非水介质中酶促反应的应用4.1 非水介质中酶促反应基本应用范畴4.1.1 在有机相中的应用 (10)4.1.2 低共熔多相混合物体系中的酶促反应 (10)4.1.3 固定化酶催化反应 (11)4.2 非水介质中酶促反应的具体应用进展4.2.1 微生物酶法拆分环氧丙醇丁酸醋 (11)4.2.2 非水相酶催化拆分外消旋2-辛醇 (12)4.2.3 固定化脂肪酶合成鲸蜡油工艺和设备 (13)4.2.4 酶法生产类可可醋的开发和中试 (14)4.2.5 非水相酶催化生产类可可脂技术 (15)4.2.6 非水相酶法单甘醋生产专用脂肪酶 (15)5 前景展望 (16)6 参考文献 (17)1、前言酶已经在医药、食品轻工、化工能源、环保等领域广泛应用。
第九章非水相酶的催化作用
水与酶催化作用的底物和反应产物的溶 解度有关。
六、有机溶剂对酶催化反应的影响
酶分子在有机溶剂中不能直接溶解，而是悬浮在溶剂中进行催化反应。 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
生物柴油的生产方法
1、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。
优点：反应时间短，成本低。 缺点：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。
2、生物酶非水相生产
优点：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。
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。但机理不甚明白。
3、超临界介质 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。
4、离子液介质 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。
1984年，Klibanov 提出酶可以在非生物体系的疏水介质
中催化天然或非天然的疏水性底物的转化。非水相获得酯类、
肽类、手性醇等有机化合物。明确酶可以在水与有机溶剂的互
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。
非水相中酶催化技术
非水相：在非水相环境中进行酶催化反应，提高反应速 率和选择性
应用前景：非水相中酶催化技术在生物燃料生产中具有 广阔的应用前景，有助于实现绿色、可持续的能源生产。
非水相中酶催化技术在环境保护中的应用
生物降解：利用酶催 化技术降解有机污染 物，减少环境污染
3
4
酶的生物合成：通过生物合成技术， 将酶的基因引入微生物中，实现酶
的工业化生产。
酶的生物催化反应：利用酶的生物 催化特性，实现化学反应的绿色化
和高效化。
谢谢
酶催化反应具有高度专一性，即一种酶只能催化 一种或一类底物。
酶催化反应具有高效性，即酶催化反应的速度比 非酶催化反应快得多。
非水相中酶催化反应的条件
01
非水相介质：如有机
溶剂、离子液体等
02
酶的稳定性：在非水
相中保持活性和稳定
性
03
底物浓度：底物浓度
对反应速率有影响
04
温度和pH值：反应温
度和pH值对反应速率
和产物选择性有影响
非水相中酶催化反应的影响因素
01
酶的性质：酶的活性、 稳定性和选择性
02
底物浓度：底物浓度 对酶催化反应的影响
03
反应条件：温度、pH 值、离子强度等对酶催 化反应的影响
04
非水相溶剂：溶剂的性 质、极性、粘度等对酶 催化反应的影响
非水相中酶催化 技术的应用
非水相中酶催化技术在生物制药中的应用
机遇：非水相
3 中酶催化技术 在生物医药领 域的应用
机遇：非水相
4 中酶催化技术 在环境保护领 域的应用
非水相中酶催化技术的未来发展方向
第七章 非水相酶催化
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
酶非水相催化
黏合剂、导电聚合物和发光聚合物等）。
15
3.与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系
概念：是指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。
反应体系中酶的存在形式：游离酶以溶解状态存在；
固定化酶以悬浮形式存在。
➢催化反应通常在两相界面进行；
➢适用于底物和产物两者或其中一种属于疏水化合物的催
化反应；
具有与水溶液中可比的催化活性。5用于酶 Nhomakorabea催
化
的
非
水
介
质
包
括
① 含微量水的有机溶剂
② 与水混溶的有机溶剂和水形成的均一体系
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
⑤ 超临界流体
⑥ 气相
⑦ 离子液
它们不同于标准的水溶液体系，在这些体系中水含量
受到不同程度的严格控制，因此又称为非常规介质。
特性：酶的底物特异性、立体选择性、区域选择
性、键选择性、热稳定性等有所改变。
应用：多肽、酯类、甾体转化、功能高分子合成、
手性药物拆分的研究。
9
二、气相介质中的酶催化
指酶在气相介质中进行的催化反应。
适用范围：底物是气体或者能够转化为气体物质的酶
催化反应。
特性：气体介质密度低，扩散容易；与在水相中明显
离子液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，挥发性好，稳定性好。
酶反应具有良好的稳定性和区域选择性、立体选择性、
键选择性等优点。
13
第二节 有机介质中水和有机溶剂
对酶催化反应的影响
一、有机介质反应体系
1、微水介质体系