酶非水相催化理论及应用特性
2015酶工程第5章 酶的非水相催化
5.1.2 气相介质体系：
a. 某些酶在液相中受到一定限制，如酶和辅酶操作不稳定、 底物和产物溶解性差、产物抑制，在气相中得以克服； b. 适用于易于挥发底物或能转化为气体的物质的酶催化反应；
c. 气体密度低，易扩散，气相中酶催化作用与液相明显不同。
例：Hwang 等人研究醇氧化酶在气相中催化的反应
• 底物特异性
• 立体选择性 • 区域选择性 • 键选择性 • 热稳定性 有机相中酶能够催化新的反应， 生成新产物
• pH特性
–酶在有机介质中的催化特性 —— 底物特异性
• 有机介质中的酶活性中心结合部位与底物的结合状态 改变，致使酶的底物特异性改变。
N-乙酰-L-苯丙氨酸乙酯
N-乙酰-L-丝氨酸乙酯
有机溶剂介质体系类型： (1) 微水-有机溶剂单相体系 (2) 水-有机溶剂单相体系
(3) 水-有机溶剂双相体系
(4) 正胶束体系
(5) 反胶束体系
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。它们都对催化反应有显著的影响。
(1) 微水-有机溶剂单相体系
又称微水介质体系、非极性有机溶剂-酶悬浮体系 有机溶剂(98%)： 烃、醚、芳香族、卤代烃 水(<2%)： 酶分子的结合水，维持酶催化活性 酶： 悬浮状态；不溶的固相酶，结晶/冻干 /沉淀状态；或吸附在固体载体表面 特征： 酶稳定性好，分散性差，催化效率低 适用于： 水解类酶，减少含水量利于合成反应
5.1.3 超临界流体介质体系：
a. 超临界流体（supercritical fluid, SCF）是指温度和压力 超过某物质临界点所形成的可压缩性高密度流体，介于气 液之间，如CO2, SO2, C2H4，CO2最常用，廉价无毒。 b. 具有高扩散系数、低黏度和低表面张力,使底物向酶的传 质速度加快，提高反应速度; c. 可以改变酶的特性，如底物专一性、区域选择性和对映体 选择性，增强酶的稳定性。 例：超临界 CO2 中南极假丝酵母脂肪酶催化葡萄糖酰化反应
酶的非水相催化 (2)
Contents of chapter 10
10.1 非水介质酶学基础
10.1.1 非水介质体系与非水相生物酶学特点 10.1.2 非水介质中酶的结构与性质 10.1.3 水在酶催化反应中的作用 10.1.4 有机溶剂对酶催化反应的影响 10.1.5 有机有机溶剂单向体系是指用水不互溶的有机溶剂取代 几乎所有的水，即有机溶剂含量》98% ，有机溶剂 中含有微量水《2%，固相酶分散在单项的有机溶剂 中形成颗粒。虽然宏观地看在此体系中酶是干的状 态，但是其表面必须有能保证酶的催化活性的残余 的结合水。
（2）水互溶有机溶剂单相体系
水互溶有机溶剂单相体系是指由水和与水互溶的
种固体化合物混合而得到的具有一个最低共熔点的
状态，在低共熔固 - 固体系中进行的酶促反应的特 点是靠反应底物形成低共熔点，由于反应体系的液
- 固体积比远小于水溶液或有机溶剂，从而反应底
物浓度高、反应速度快、产物浓度和收率高。反应
体积小，还可以大大降低产物分离提纯的成本。
非水相生物酶促反应的特点
1. 可以将加水分解反应转为其逆反应 2. 热稳定性比水中要高 3. 改变酶对底物的转移性 4. 从低沸点的溶剂中可以容易地分离纯化产物 5. 能抑制依赖于水的某些不利反应 6. 没有微生物的污染
氟利昂湖泊无机化合物等都可以作为酶催化亲脂性
底物的溶剂，酶在这些溶剂中就像在亲脂性有机溶 剂中一样稳定。超临界气体对多数酶都能适用，酶 催化的酯化、转脂、醇解、水解、羟化等反应都可 在此体系中进行。
（6）低共熔混合体系
低共熔酶促反应是继有机相没促反应基础上发展起
来的新的酶促反应技术。低共熔状态是由两种或多
人们对有机介质中酶的催化作用进行了许多研究表明 酯酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶等水解酶， 过氧化氢酶、过氧化物酶、醇脱氢酶、胆固醇氧化酶、 多酚氧化酶、细胞色素氧化酶等氧化还原酶以及醛缩 酶等转移酶中的十几种酶都可以在适当的有机溶剂中 起催化作用。而且酶在有机介质中的热稳定比在水溶 液中显著提高。
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。
第七章有机介质中的酶反应
相同条件下纯水的蒸气压之比。该参数直接反应酶分子上 水分的多少，与体系中水含量及所用溶剂无关。
含义：水在体系中的固相（酶，载体），液相（含底物
的溶剂）和气相（液面上部的空间）之间进行分配，达到 平衡时各相水活度相等。
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溶解在溶剂中的水
结合在酶分 子上的水
例：
当枯草杆菌蛋白酶从含有竞争性抑制剂（N-Ac-Tyr-NH2） 的水溶液中冻干出来后，再将抑制剂除去，该酶在辛烷中催 化酯化反应的速度比不含抑制剂的水溶液中冻干出来的酶高 100倍，但这样处理的酶在水溶液中其活性与未处理的酶相 同。
22
第二节 有机介质中酶促反应的条件
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－必需水 （essential water）。
太多的水会使酶积聚成团，导致疏水性底物较难进入 酶的活性部位，引起传质阻力。
37
二. 酶的选择
1. 酶种类的选择
应具有对抗有机介质变性的潜在能力，在有机 介质中能保持其催化活性构象。
2．酶形式的选择
（1）酶粉：
例如：有人研究a-胰凝乳蛋白酶在酒精中转酯反应， 发现催化活性随反应体系中酶量的减少而显著增加。
2.可提高酶的稳定性
8. 酶易于实现固定化。
3.能催化在水中不能进行的反 9.酶和产物易于回收。
应
10.可避免微生物污染。
4.可改变反应平衡移动方向
5.可控制底物专一性
6.可防止由水引起的副反应
10
三． 有机相酶反应具备条件
1． 保证必需水含量。 2． 选择合适的酶及酶形式。 3． 选择合适的溶剂及反应体系。 4． 选择最佳pH值。
酶工程 复习资料
第一章绪论1.何谓酶工程，试述其主要内容和任务。
酶的生产、改性与应用的技术过程称为酶工程。
酶工程的主要内容包括：微生物细胞发酵产酶，动植物细胞培养产酶，酶的提取与分离纯化，酶分子修饰，酶、细胞、原生质体固定化，酶非水相催化，酶定向进化，酶反应器和酶的应用等。
酶工程的主要任务是经过预先设计，通过人工操作获得人们所需的酶，并通过各种方法使酶的催化特性得以改进，充分发挥其催化功能。
2.酶有哪些显著的催化特性？酶是生物催化剂，与非酶催化剂相比，具有专一性强、催化效率高和作用条件温和等显著特点。
3.简述影响酶催化作用的主要因素。
酶的催化作用受到底物浓度、酶浓度、温度、pH、激活剂浓度、抑制剂浓度等诸多因素的影响。
5.简述酶活力单位的概念和酶活力的测定方法。
酶活力单位：在特定条件下（温度可采用25℃，pH等条件均采用最适条件），每1min催化1μmol的底物转化为产物的酶量定义为1个酶活力单位，这个单位称为国际单位（IU）。
在特定条件下，每秒催化1mol底物转化为产物的酶量定义为1卡特（kat）酶活力的测定方法：振荡测定法，酶柱测定法，连续测定法，固定化酶的比活力测定，酶结合效率与酶活力回收率的测定，相对酶活力的测定。
或者测定方法：化学测定法、光学测定法、气体测定法其它.酶的发展历史：4000多年前的夏禹时代——酿酒技术。
3000多年前的周朝——制造饴糖、食酱等食品。
1833年——佩恩和帕索兹从麦芽的水抽提物中得到淀粉酶。
19世纪中叶——巴斯德对酵母的乙醇发酵进行研究。
1913年——米彻利斯和曼吞根据中间产物学说，推导出米氏方程。
1926年——萨姆纳得到脲酶结晶，并证明它具有蛋白质的性质。
1960年——雅各和莫诺德提出操纵子学说。
1982年——切克发现核酸类酶。
1983年——阿尔特曼发现核糖核酸酶P的RNA 部分M1RNA具有核糖核酸酶P的催化活性。
酶的专一性分为绝对专一性和相对专一性。
相对专一性又可分为键专一性和基团专一性米氏方程：酶的可逆性抑制作用可以分为竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制。
非水相中固定化脂肪酶催化性能的研究
。ｅ ．
０． ４
固 定完成 后 ，移 取一 定 量 的上清液 ，测 定 酶 的吸 附率 。抽滤 ，用 ５ 的去离子 水洗涤 ，得 到 固定化 ℃
酶。
０２ ．
０
０
２０ ５
５０ ０
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１０ ００
２ ０
０
０
５
１ ０
１ ５
２ ０
２ ５
率最大。
２２ 固定 化酶 性 能的研 究 ． ２２１ 搅 拌速 度对 固定化 酶催化 反应 的影 响 ．．
试 验 了月桂 酸 和 十二 醇 的酯化 反应 中，分 别
吸 附时间／ ｈ
在 １０ ５ 、２０ｒ ｎ搅 拌速度 下的反应 进程 ， ０ 、１０ ０ ｍｉ ／ 如 图 ２所示 。结果表 明，在这三个 搅拌速 度下 反
一
失问题，又因物理吸附成本低且简单 、容易保持酶 的特异性等特点而受到重视 。 本实验以离子交换树脂 为载体， 用离子交换吸附法固定脂肪酶。 研究了酶的固定化条件， 考察 了不同有机溶剂中的催化反应及酶的最适温度 ，并对该酶的动力学特性进行了分析。
ｌ 材料 与方 法
１１ 材 料 ． 脂 肪 酶 Ｌｐ ｌｓ ０ Ｌ ｉｏａｅ１０ ，诺 维信 公司 惠赠 。 Ｄ３ １ 子交 换树脂 ，江 苏苏青 水 处理 工程集 团有 限公 司惠赠 。 １离
１ ． 固定化酶 的 酯合 成催 化反应 ．３ ２ 在 １０ｍＬ的三颈烧 瓶 中， 入含有 月桂酸 ０２ ０ 加 ．
＼ 莲 踌
∞ ： ∞ ； ； ： ∞ ８
ｍｌ ｏＬ和十二醇 ０ ｏ Ｌ的有机溶剂 ５ Ｌ ／ ．ｍ ｌ ２ ／ ０ｍ ，加
酶催化反应研究进展
1 绪论酶作为生物催化剂，具有专一性、高效性、反应条件温和等优点，是一种具有特殊三维空间构象的蛋白质，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。
同时, 它们也催化许多体内存在的物质发生变化, 使人体正常的新陈代谢得以运行。
因此受到人们的普遍关注。
近年来, 特别是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, 特别是催化不对称合成反应。
光学活性化合物或天然产物的合成, 已应用于医药、农药、食品添加剂、香料、日用化学品等精细有机合成领域。
酶催化不会污染环境, 经济可行, 符合绿色化学的方向, 具有广阔的前景。
2 酶催化与有机合成反应对于酶催化反应在有机合成中的应用, 有机合成工作者做了大量工作。
随着科技进步的日新月异, 酶催化反应越来越多地被有机化学家作为一种手段用于有机合成特别是不对称合成反应, 进行光学活性化合物或天然产物的合成时, 能为天然或非天然产物的合成提供丰富的手性源, 其应用前景将是难以估量的。
2.1 不同反应体系中的酶促反应2.1.1 有机介质中的酶促反应酶在有机介质中不但能保持其活性，还表现出一些特殊性质，并具有如下优越性：有利于疏水性底物的反应；产物和酶易于回收；可改变反应平衡移动的方向；可控制底物专一性；可防止由水引起的副反应；可扩大反应pH值的适应性；可提高酶稳定性；可避免微生物污染等。
在保证必需含水量；选择合适的酶及酶形式；选择合适的溶剂；选择最佳pH值；选择合适的反应体系的条件下，则在有机介质中酶可显示很高的催化活性。
目前在有机介质中已成功用酶进行了氧化、、脱氢、脱氨、还原、羟基化、甲基化、环氧化、酯化、酰胺化、磷酸化、开环反应、异构化、侧链切除、缩合及卤化等反应。
过去人们认为酶在有机介质不稳定，但研究发现大多数酶在低水有机介质中比在水介质中更稳定。
一是表现在热稳定性提高。
在有机介质中，在不同温度下保温脉酶，发现热处理导致酶活性增加，而且酶在温度远超过其在水溶液中最适温度的情况下也不失活。
酶工程原理及其在食品工业中的应用
6．连接酶（合成酶）(Ligase or Synthetase)
❖ 合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、CO、C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应 必须与ATP分解反应相互偶联。
酶 ❖ 酶催化的反应: ❖ 谷氨酸 + 丙酮酸 -酮戊二酸 + 丙
氨酸
工业酶制剂的命名和分类
分类： 碳水化合物酶、蛋白质酶、酯酶和其他酶 如 α－淀粉酶 高转化率糖化酶（葡萄糖淀粉酶）
一些习惯归类： 1、动物酶、植物酶、微生物酶 2、胞内酶和胞外酶 3、溶液酶和固定化酶
二、酶制剂的生产
1.包括菌种的来源、产酶菌种的分离、筛 选、育种和酶的发酵生产等。
4.超滤
借助于超滤膜将不同相对分子质量的物 质分离的技术，是在一定的正压力或负压 力驱动下，将料液强制通过一定孔径的超 滤膜，部分小分子的溶质和溶剂透过膜而 成为超滤液，而大分子的酶和蛋白质等物 质被截留，从而达到分离纯化的目的，也 可用于酶液的浓缩和脱色。超滤膜截留的 颗粒直径范围为2～200nm，相当于相对 分子质量1000～500000。
1、固体培养发酵
培养基以麸皮、米糠等为主要原料加入其它营养成 分，经灭菌、接产酶菌株，在一定条件下发酵，目 的获得淀粉酶和蛋白酶，如酒曲生产。
2、液体深层发酵
液体培养基，在发酵容器中，经灭菌、冷却接入产 酶细胞，在一定条件下发酵，是目前酶生产的主要 方法。
3、固定化细胞发酵
三、微生物细胞的破碎
胞外酶：能分泌透过细胞壁到细胞外部的 酶。
❖ A + B + ATP + H-O-H ===A B + ADP +Pi