食品酶学-杨瑞金-5

第五章
酶的非水相催化
Enzymatic catalysis in Non-aqueous system
第一节 酶催化反应的介质
对于大多数有机化合物来说, 对于大多数有机化合物来说,水并不是一种适宜 的溶剂. 的溶剂. 由于水的存在,往往有利于如水解,消旋化, 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. 合和分解等副反应的发生. 1984年 克利巴诺夫(Klibanov) 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, 中进行了酶催化反应的研究,并成功地在有机介 质中利用酶的催化作用,获得酯类,肽类, 质中利用酶的催化作用,获得酯类,肽类,手性 醇等多种有机化合物,指出酶可以在水与有机溶 醇等多种有机化合物,指出酶可以在水与有机溶 剂的互溶体系中进行催化反应. 剂的互溶体系中进行催化反应.
反应体系中水对酶催化反应的影响
酶在有机介质中进行催化反应时,水是不可缺少的成分 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 空间构象,酶的催化活 空间构象 催化活 稳定性,酶的催化反应速度 催化反应速度等都有密切关系, 稳定性 催化反应速度 性,酶的稳定性 水还与酶催化作用的底物和反应产物的溶解度 底物和反应产物的溶解度有关. 底物和反应产物的溶解度 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 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( water) 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 最适水含量. 最适水含量
ω-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.
O C (CH2)n 内内 O 脂脂脂 有有有有
O C (CH2)n OH 脂脂脂有有有有 O HO (CH2)n C O (CH2)n O C OR m OR 脂脂脂 有有有有
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 根据酶分子的特性和有机溶剂的特性的不 保持其空间结构完整性的情况也有所差别. 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 避免酶在有机介质中因脱水作用而影响其 催化活性. 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 底物 和产物的分配,从而影响酶的催化反应. 和产物的分配
第三节
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 基团选择性 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 "刚性" 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. 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, 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. 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, 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 水参与的副反应 转移等. 在有机介质中进行的酶促反应, 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. 离过程, 提高收率.
第四节 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
第五节 酶非水相催化的应用
酶 脂肪酶 催化反应 酯合成 转酯 聚合 酰基化 蛋白酶 肽合成 酰基化 羟基化酶 氧化 过氧化物酶 聚合 氧化 多酚氧化酶 胆固醇氧化酶 氧化 应用 醇与有机酸合成酯类 各种酯类生产 二酯的选择性聚合 甘醇的酰基化 合成多肽 糖类酰基化 甾体转化 酚类,胺类化合物的聚合 芳香化合物的羟基化 胆固醇测定
不管采用何种有机介质反应体系, 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. 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.
反应体系对酶酯化反应的影响
反应体系含1 三甲基硅- 乙醇10 mM,戊酸10 mM, 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℃, rpm条件下振荡反应 ,脂肪酶50 mg,30℃,120 rpm条件下振荡反应 水饱和正已烷10 ml,2:pH7.2缓冲液 ml+正已烷 缓冲液5 正已烷10 1:水饱和正已烷10 ml,2:pH7.2缓冲液5 ml+正已烷10 ml
2
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 40 菜子油 法国 Compiegne 4 Boussens 4 Peronne 1 Verdun 4 Rousen 12 Nogent,Sur,Seine 12 意大利 Livomo 75.2 0 菜子油 11.7 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 3 0 菜子油 Otterup 3 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 国别 主要生产公司
(3)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. (4)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.
第二节 有机介质反应体系
非极性有机溶剂-酶悬浮体系(微水介质体系) 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- 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/ 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.
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.
乙乙乙乙内 R OH OH S COOCH3 + OAc R R COOCH3
PSL
R 消消消消二 COOCH3 有有有有 R 乙乙乙乙乙内 OH R COOCH3 + R OAc S COOCH3
脂肪酶脂肪酶-内酯合成反应
O C (CH2)n C O (CH2)n
O 二二二
寡二二 R = H 或或或
生物柴油
利用生物油脂生产的有机燃料,是由动物, 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. 生物油脂的来源:菜子油,豆油,椰子油,棕榈油, 生物油脂的来源:菜子油,豆油,椰子油,棕榈油, 蓖麻油,棉籽油, 废食用油等. 蓖麻油,棉籽油,葵花籽 油,废食用油等.
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.
R R HO OH + 脂脂脂 R1COOR 2 有有有有 R1COO R R1COO S or R OH OH + R分
优点: 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.