生物催化与生物转化的研究进展
木质纤维素原料生物转化生产纤维素乙醇过程的关键技术研究
在最新的研究中，研究者们通过优化蒸汽爆破参数，如温度、压力和时间等， 实现了更高效的木质纤维素预处理。此外，他们还研究了不同类型木质纤维素原 料的蒸汽爆破效果，为优化预处理条件提供了参考。
木质纤维素生物转化的研究进展
生物转化是一种利用微生物或酶将木质纤维素降解为有用物质的过程。近年 来，木质纤维素的生物转化研究取得了显著进展。研究者们致力于提高转化效率、 优化转化条件以及发掘新型转化方法。
2、纤维素乙醇的制备方法
制备纤维素乙醇的方法主要包括酶解法、酸催化法和生物法等。其中，酶解 法具有反应条件温和、产物纯净等优点，但酶解效率较低，成本较高。酸催化法 虽然反应速度快，但需要使用大量酸碱，对环境造成污染。生物法具有环保性和 可持续性，但发酵时间较长，需要经过多次迭代。各种方法各有利弊，需要根据 实际应用场景选择合适的制备方法。
3、反应器设计
反应器设计是木质纤维素生物转化生产纤维素乙醇过程中的重要环节。合理 的设计可以保证反应的效率、产物质量和产量。反应器设计需遵循的原则包括： 设备选型要满足生产规模和工艺要求；反应环境应有利于微生物的生长和代谢； 还需考虑设备的材质、耐高温高压性能等。同时，反应器设计还需结合实验数据 进行优化，以实现最佳效果。
未来展望
木质纤维素原料生物转化生产纤维素乙醇过程的关键技术研究对于实现能源 可持续发展具有重要意义。未来，随着科学技术的不断进步，以下几个方面可能 成为研究重点：
1、高性能酶的开发：通过基因工程等技术手段，开发具有高活性和稳定性 的酶制剂，以提高木质纤维素的酶解效率。
2、高效转化技术的研发：进一步优化生物转化技术，提高木质纤维素的转 化率和产量，降低成本。
关键词：木质纤维素，蒸汽爆破 预处理，生物转化，研究进展
生物催化富马酸加氨合成天门冬氨酸的研究进展
摘要 ： 天门冬氨酸是构成蛋 白质 的基本氨基酸之一 ， 也是一种重要 的医药工业原 料 。天 门冬氨酸酶催 化富马酸 加氨合成
天门冬氨酸 。本文从 天门冬氨 酸酶的结 构与性质 、 酶菌 的筛选 与培养 条件优 化 、 产 酶促反应 动力 学研究 、 的分子生 物学研 酶
门冬 氨 酸 （ ｓａｔ ｃｄ ， Ａ ｐｒｃａｉ） 又称 氨基 丁 二 酸 。分 ｉ 子 式 ＣＨ Ｎ 分 子量 １３ １ 等 电点 ２ ７ ，Ｋ Ｏ， ８～２ ０ 。 其 左旋 体 Ｌ ． ８ ３ ６ 、 ．０ 溶 ７ ８℃
— — — ： ＝
一
可作 为氨 解毒 剂 、 机 能 促 进剂 、 劳恢 复剂 等 肝 疲
医药 品和添加 剂用 于 各 种 清 凉饮 料 的 生产 ， 可 作 还
为 生化试 剂 ， 养 基 和 有 机 合 成 中 间 体 。 Ｌ一天 培 门冬 氨酸 与 Ｌ一苯丙 氨 酸 （ Ｌ—ｐ ｅｙａａｉｅ 合 成 的 ｈ ｎｌｌ ｎ ） ｎ 二 肽甜 味剂 阿斯 巴甜 （ ｓ ａ ａ ｅ ， 度 大约 是蔗 糖 Ａｐｒ ｍ ） 甜 ｔ 的 ２ ０倍 ， ０ 属于 低 热 量 甜 味剂 中 的一 种 。 和其 他 甜
收稿 Ｅ期 ：０ ８—０ ｌ ２０ ｌ—ｌ ４ 作者简介 ： 郝大伟 ， （ ９ ２一） 在读 硕士研 究生 ， 男 １８ ， 主要从 事酶分 离 纯化等方面的研究。 通 讯 作 者 ．Ｅ—ｍ ｉ： ｉ ｐｎ＠ ｙｈｏ ｃｍ．ｎ ａｌ ｑｕ ｉｇ ａｏ．ｏ ｃ ｊ
富马 酸酶 家族 中最 保 守 的结 构 域 ； Ｃ末 端 小 的结 构 域 （９ ４ ８ 由许 多 短 的 螺旋 组 成 。该 酶 的 Ｃ末 ３４— ６ ） 端序 列 为 Ｊ ：
生物转化在天然产物化学中的研究进展
Ｃｈ ｍ ｉ ｒ ＆ Ｂｉｅ ｇ ｎ ｅ ｉｇ ｅ ｓ ｙ ｔ ｏ ｎ ｉｅ ｒｎ
■
生 物 转 化 在 天 然 产 物 化 学 中 的 研 究 进 展
王 煜 丹 ， 桂 广 ， 旭 亚 。 亚 明 程 余 王 （ 明理 工 大学化 学工程 学 院 ， 南 昆明 ６ ０ ２） 昆 云 ５ ２ ４
学 的要求 。著 名化 学 家 Ｗｏ ｇＣ ｉ ｅ ｎ ｈＨｕ ｙ教 授 指 出 ， 生 物转 化在 天然产 物 化学 中的 应 用具 有 巨大 的 潜力 ， 设 计 与发展 适于生 物转 化 （ 促 ） 应 的新 的底 物 和利用 酶 反
床上可 用 于改善 大脑 循 环 和新 陈代 谢 ， 过 生 物转 化 经
１ ２ 糖 苷 化 反 应 ．
遗传 工程 改变酶 的催 化性 质等都 将大 大利 于其 在制药 工业 中的应用 。因此 ， 物 转 化 方法 已经 受 到 研究 ］ 生
者 的广泛 重视 ， 正迅 速发 展 。 并
糖苷 化反应 常见 于植 物悬 浮培养 体 系介导 的生物
转化 反应 ， 而在 微 生 物体 系 中应 用 较 少 。糖 苷化 反 应
生物转 化是利 用生 物体 系或其 产 生 的酶 制剂 对外 源性化 合物进 行结 构修 饰 的生物化 学过 程 。就其 本质 而言 ， 物转 化是生 物 体 系 对外 源 性 底 物 的 酶催 化 反 生 应 ＿ 。生 物转 化 反 应 具 有 高 效 、 选 择 性 、 应 清 １ ｑ］ 高 反 洁、 产物单 纯 、 易分 离纯化 、 耗低等 优点 ， 能 符合 绿色 化
难 做到 的 。 香 豆素是 一类 很 重 要 的植 物 次 级代 谢 产 物 ， 大 但
中药有效成分生物转化的研究进展
ｔ ｎ ｌ ｈｎ ｓ ｄｃｎ ， ｎｉｇ ２ ０ ２ ｉ ａ ｉｅ ｅＭｅ ｉｉｅ Ｎａ ｊｎ １ ０ ９，Ｃｈｎ ；２ ｏ Ｃ ｉａ ．Ｃｏｌｇ ｆＰ ａｍａ ｙ，Ｎａ ｊｎ ｉｅｓｔ ｆＴｒｄｔ ｎ ｌＣｈ ｌ ｅｏ ｈ ｒ ｃ ｅ ｎｉｇ Ｕｎｖ ｒｉ ｏ ａ ｉｉ ａ ｉ ｙ ｏ ｎ ｓ ｅ ｉｉｅ ｅｅＭ ｄｃｎ ，Ｎａ ｊｎ ０ ９ ｎｉｇ ２ ０ ２ ，Ｃｈｎ ） １ ｉａ
维普资讯
第 ２ ７卷 第 ２期 ２０ ０ ８年 ３月
食 品 与 生 物 技 术 学 报
Ｊ ｕ ｎａ ｆＦｏ ｄ Ｓ ｉ ｎ ｅ ａ ｄ Ｂｉ ｔｃ ｎ ｌ ｇ ｏ ｒ ｌｏ ｏ ｃｅ ｃ ｎ ｏ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ
Ｖｏ ． ７ ＮＯ ２ Ｉ２ ．
Ｉ Ｕ ｅ ｘ ａ ｇ ， ＣＨ ＥＮ Ｊ ａ — ｉ Ｉ Ｘｕ — ｉｎ ｉ ｎ ｗｅ
（ ． Ｉ ｓｉｕ ｅｏ ｅ ｉｉａ ｎ ｉａ ｄ Ｂｏ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙｏ ａ ｉｉｎ ｌ ｉｅｅＭ ｅ ｉｉｅ １ ｎ ｔｔｔ ｆＭ ｄｃｎ ｌ Ｆｕ ｇ ｎ ｉ— ｃ ｎ ｌｇ ｆＴｒｄｔ ａ Ｃｈｎ ｓ ｄｃｎ ，Ｎａ ｊｎ ｉｅｓｔ ｆ ａ ｉ ｏ ｎｉｇ Ｕｎｖ ｒｉ ｏ ｄ— ｙ Ｔｒ
Ｍ ａｒ ． ２ ８ ００
文 章 编 号 ： ６ ３１ ８ （ ０ ８ Ｏ 一Ｏ ４Ｏ １７ ６ ９ ２０ 】２Ｏ １一５
中 药有 效 成 分 生物 转 化 的研 究进 展
刘 学 湘 ， 陈建 伟ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（ ．南 京 中 医 药 大 学 药 用 菌 与 中药 生 物 技 术 研 究 中心 ，江 苏 南 京 ２ ０ ２ ； ．南 京 中 医 药 大 学 药 １ １０９ ２
学 院，江苏 南京 ２ ０ ２ ） １０ ９ 摘 要 ： 综述 了近 年来 中药有 效成 分的 生物转化 的研 究概 况 。生物转 化是 中药研 究 的重要 方 法之
生物质转化的技术和应用
生物质转化的技术和应用随着全球能源需求的不断增长，传统能源的不可持续性成为人们日渐关注的问题。
其中，生物质能源作为一种可再生、低碳、环保的能源，备受研究和发展。
生物质能源是指通过利用植物、动物等生物质转化为能源的过程。
其中，生物质转化技术是将生物质转化为有用产品的关键。
本文将介绍目前主要的生物质转化技术和应用。
一、生物质热化学转化技术生物质热化学转化技术是指利用高温和高压条件下，将生物质转化为液体或气体燃料的技术。
该技术是目前最成熟的生物质能源化利用方式。
1. 液化技术生物质的液化技术主要包括快速热解和流化床热解两种。
其中，快速热解是在高温和高压水蒸气氛围下，使生物质快速裂解成液态产品，包括木质素油、小分子芳香烃和碳酸氢钾等。
而流化床热解则是将生物质在氧化气氛下在流化床内进行高温裂解，获得液态燃料（如生物油）和气态产物（如合成气）。
2. 气化技术生物质的气化技术主要包括直接气化和间接气化两种。
其中，直接气化是将生物质在氧化气氛下在高温和高压下进行气化，产生合成气和焦油等；而间接气化则是在无氧条件下将生物质气化为焦炭和合成气。
二、生物质生物化学转化技术生物质生物化学转化技术是指通过微生物的代谢作用，利用生物质转化成有用的化合物，主要包括酶解和发酵两种。
1. 酶解技术生物质酶解技术是通过微生物的酶解作用将生物质转化为单糖、双糖等简单糖类，再通过后续的发酵过程获得生物质乙醇、生物质生物甲烷等有用产物。
其中，酶解技术主要有酸性酶解和碱性酶解两种。
2. 发酵技术生物质发酵技术是通过微生物的代谢作用将简单糖类或其他有机物质转化为产气、产液或产固体等生物质能源产品。
其中，生物质发酵技术主要包括乙醇发酵、生物质生物甲烷发酵等。
三、生物质催化转化技术生物质催化转化技术是一种比较新颖的生物质转化技术。
该技术是利用催化剂协同生物质分解，以获得高效率的生物质能源转化过程。
目前主要研究生物质催化转化技术的催化剂有贵金属、金属氧化物、酸性材料、纳米材料等。
生物催化原理与应用在手性药物合成领域的进展
生物催化原理与应用在手性药物合成领域的进展1.生物催化的特点生物催化是指利用酶或生物有机体（整个细胞、细胞器、组织等）作为催化剂的化学转化过程，也称为生物转化。
生物催化反应具有很高的化学选择性、区域选择性和立体选择性。
通过生物催化不对称合成技术生产手性药物得到的产物具有较高的光学活性、纯度和较高的收率，其中一些可以达到100%[1]。
微生物是生物催化中常见的有机催化剂。
其实质是利用微生物细胞中的酶催化非天然有机化合物的生物转化过程，通过分离纯化转化液可获得所需的产物[2]。
自然界中微生物种类繁多，酶含量丰富，因此微生物可以用于多种生物转化反应。
微生物生物转化反应具有高选择性，特别是高立体选择性的特点，能成功地完成常规化学方法难以实现的反应；反应条件温和，特别适合于制备不稳定化合物。
微生物生物转化可以使用游离细胞或固定化细胞作为催化剂。
到目前为止，微生物生物转化已经实现了一些有机酸、抗生素、维生素、氨基酸、核苷酸和类固醇的工业化生产[3]。
生物催化技术可以大大增加衍生物的多样性，有效地修饰复杂产物的结构，从简单分子中构建新的化合物库。
在这个过程中，经常可以发现新的生理活性物质。
使用生物催化发现先导化合物的优点是：① 广泛的可能反应；② 能够进行方向区域选择和立体选择；③无需基团保护和脱保护，一步反应即可完成；④ 在温和均匀的条件下，一步反应的自动化和再现性很容易实现；⑤ 温和的反应条件保证了复杂多变的分子结构的稳定性；⑥ 高催化活性可以减少催化剂的用量；⑦ 酶的固定化可以使催化剂重复循环使用；⑧ 生物催化剂可以在环境中完全降解。
生物催化过程通常无污染或污染较小，能耗相对较低。
这是一种环境友好的合成方法[4]。
2.手性化合物的理解和发展手性是自然界物质的基本属性，构成生命有机体的分子都是不对称分子，生命中普遍存在的糖为d型、氨基酸为l型、dna的螺旋构象和蛋白质都是右旋，并且生命体内许多内源性化合物，包括与药物发生药动学和药效学相互作用的天然大分子都具有手性。
生物质气化与催化剂的研究进展
（） １
（） ２
Ｃ Ｈ ２ ｉ２ —｝２ ＋ ｎ ０ （ｎ＋（ ／ ） Ｈ ＋ｎ Ｏ （ 月 ９ ０ ｌ ｍ ２ ） ２ Ｃ ２ Ａ ＿Ｋ＞ ） ２ ８
Ｃ＋Ｃ ２ ２ ０—１２４ Ｍ ／ ｍ ｌ Ｏ— Ｃ ６ ． Ｊｋ ｏ Ｃ＋Ｈ ０ ｝ ０＋Ｈ —１ １３Ｍ ／ ｍ ｌ ２—Ｃ ２ ３ ． Ｊ ｋ ｏ
气等 ４ 种气化方式所产生的气体主 要组分进行了对比， 如表 １ 所示 。 从 表 １可 以看 出 ， 空气 一 水蒸 气 气化 更有 利 于提 高燃 料气 中 Ｈ 的含 量 。 １ １ 空气 气化 ． 空 气气 化 原理 是利 用 空气 中的氧 与生 物质及 其 热 分解 产 物 所发 生 的氧 化 还 原反 应 ， 为生 物 质 气 并 化 提供 热 量 ， 而 实现 生 物质 气化 转化 。用 空气 作 为气 化 介 质进 行 的生 物 质气 化 不 需 要 高 能耗 的加 热 从 装置 ， 具有较强的可操作性 。但这种气化方式所得到的气体产物中由于含有较多的氮气 ， 因此其燃气热 值 较低 ， 只有 ４～ Ｊｍ。氢 气 体 积 分 数 只有 ８％ ～ｌ ￣－１ ６Ｍ ／ ， ４％ １１ 。例 如 ， 等 ３４ ｌ 自热 式 下 吸 式 气 化 Ｈ１ ０ ７ ６ ．２ ０ ＿ Ｃ ２ ．５ ２
（） ６ （） ７ （） ８ （） ９ （Ｏ １）
（ １ １）
Ｃ ０ ＋１４ ２ ＿ ｃ ２ ２ ２ Ｈ Ｈ１ ０ ７ ６ ． Ｈ ０ ＋ ０ ＋ ．５ ２
（２ １）
空气当量 比（ｑ ｉ ｌ ｃ ａｏＥ ， ｅｕ ａ ｎｅ ｔ ，Ｒ） 由下式计算 ： ｖｅ Ｒ ｉ 氢 ） 亟量 ＥＲ 一 塞匾 给堡 生塑 燮缝窒 （
生物催化与转化的应用实例
OH
O
O
维生素药物——D-泛酸和D-泛醇
D-泛酸，Pantothenic acid，又称遍多酸、维生素B5、或B3，是构成辅酶A的成分，它是一种重要的药物、食品添加剂和饲料添加剂。产品一般为其钙盐D-泛酸钙（Calcium Pantothenate）。 D-泛醇（D-panthenol），又称维生素原B5，是以液体形式存在的D-泛酸钙的同效物，D-泛醇进入人体内能转化为泛酸，进而合成辅酶A，促进人体蛋白质、脂肪、糖类的代谢，保护皮肤和粘膜，改善毛发光泽，防止疾病的发生。因此，D-泛醇作为营养补剂，特别适用于医药、食品、化妆品行业。
O
O
OH
OH
OH
COOH
O
O
OH
+
内酯化，消旋化
DL-PL
L-PA
D-PL
用L-立体专一性内酯水解酶水解，将L-泛解酸内酯水解为L-泛解酸，可直接得到未水解的D-泛解酸内酯。L-泛解酸可以回收，经过消旋化反应得到DL-泛解酸内酯重新用于拆分。
+
消旋化
O
O
OH
DL-PL
O
O
OH
L-PL
OH
OH
COOH
D-PA
O
O
OH
D-PL
内酯化
用镰孢霉菌Fusarium等微生物选择性水解DL-泛解酸内酯生成D-泛解酸，分离后的D-泛解酸在酸性条件下加热，转化为D-泛解酸内酯。
D-泛解酸内酯水解酶的串珠镰孢霉菌Fusarium moniliformeSW-902，用于发酵生产的菌丝体作酶源，水解DL-泛解酸内酯中的D-泛解酸内酯，分离得到D-泛解酸，再经过内酯化反应，可得到很高光学纯度的D-泛解酸内酯。该方法不要求水解彻底，反应时间短，得到产品D-泛解酸内酯的光学纯度高，工艺控制简单，反应容易控制，底物的浓度可以很高。此项技术已在浙江鑫富生化公司实施产业化。
自然界中的催化反应和生物转化
自然界中的催化反应和生物转化自然界是一个充满了奇迹和神秘的地方，其中有许多奇妙的化学反应和生物转化，这些反应往往需要催化剂的参与，才能够顺利进行。
催化反应是指在化学反应中添加的一种物质，能够影响反应的速率，而不改变反应的化学性质。
在自然界中，催化反应的应用十分广泛，特别是在生物转化中，催化剂更是不可或缺的一部分。
一、自然界中的催化反应1.1 植物中的催化反应在植物中，常常需要催化剂的参与才能完成一些重要的生化反应。
例如，一些植物里的酶可以催化生物合成，帮助植物合成醣类、蛋白质、核酸等物质。
同时，一些植物酶也可以催化其他重要化学反应，如某些酶可以促进光合作用中的碳固定反应，从而促进植物生长。
此外，植物中的催化反应还表现在营养物质的分解上。
一些肠胃道中的酶可以帮助人类分解食物中难以消化的物质，从而保证身体正常代谢。
1.2 动物中的催化反应动物中的酶同样起着重要的催化作用，例如在肝脏中产生的某些酶能够促进毒物降解，保证身体健康。
同时，一些酶也可以促进饮食代谢，如胃蛋白酶能够催化食物中蛋白质的分解。
此外，在人体内还有许多催化反应的存在。
一些酶可以催化体内氧化和还原反应，抵抗有害自由基的影响，保护身体不受伤害。
1.3 环境中的催化反应除了生物体内的催化反应之外，自然界中的环境也存在着许多催化反应。
例如，大气中的氧化和还原反应对生态系统的功能十分重要，能够协助形成一些重要的物质和材料。
此外，水的分解反应、酸碱反应等也是自然环境中不可或缺的催化反应。
二、自然界中的生物转化2.1 细胞呼吸细胞呼吸是指细胞对有机物质进行氧化分解过程，获得能量的过程。
在此过程中，一系列复杂的生物转化和氧化还原反应发生，可以使细胞获得必要的能量。
2.2 光合作用光合作用是植物利用太阳能将二氧化碳和水转化成有机物质（如葡萄糖和淀粉）的过程。
在此过程中，光能跨越叶绿体双膜，在一系列生物转化和化学反应的共同作用下完成。
2.3 化学信号传递化学信号传递是指细胞表面的受体蛋白质通过催化反应与传导蛋白质相互作用，从而形成信号传递途径的过程。
人参皂苷的微生物转化研究进展
和资源保护 的需要 。其中，人 参、三七和西洋参等 中药 材 具 有 非 常 重 要 的 医疗 和 保健 功 能 。现 代 研 究
发 现 ：部 分 高 生 物 活 性 的人 参 皂苷 在 药 材 中含 量 很 低 或 不 存 在 ，如 人 参 皂 苷 Ｒｇ 和 人 参 皂 苷 Ｒ ２ 成 ３ ｈ等 分 ， 传 统 的 炮 制 方 法 可 以提 高 这 些 人 参 皂 苷 的 含 量 ，但 其 含 量 仍 然 非 常低 。 因 此 ， 亟待 开 展 新 型 绿 色 环 保 生 产 工 艺 的 研 究 以提 高 这 些稀 有 人 参 皂 苷 的 转 化 率 和 中药 材 资 源 的 利 用 效 率 ，降低 稀 有 人 参 皂 苷 的 生产成 本 。 ２ 人参 皂苷 的 药理 学研 究 稀 有 人 参 皂 苷 类 成 分 在 临床 使 用 过 程 中 安全 有 效 ，药 理 作 用 明确 ，能 够 为 社 会 大众 所 接 受 ，具 有 极 高 药 用 价 值 和 应 用 前 景 。某 些 稀 有人 参 皂 苷对 于
参 属 多 年 生 草 本 植 物 的 干燥 根 ， 是传 统 名 贵 中药 ，
在 我 国和 东 亚 的 应 用 已有数 千 年 。现 代 药 理 学 和 临
床 医 学 研 究 表 明 ，人 参 可 以通 过 多种 通 路 ，对 人 体
的 中枢 神 经 系 统 、 心 血 管 系 统 、 呼 吸系 统 、血 液 及
摘 要 ：研究表 明人 参稀有皂苷具有很 强的生物活性，为获得稀有人 参皂苷的各种研究越来越 多，而生物转化法制备稀有 人参皂苷 已成 为一条重要途径 。本文对产稀有 人参皂苷微生物转化 的方法 最新研究进展进行 了简 要的综述，并简要展望 了人参 皂苷生物转化研究的前景 。 关键词： 人参稀有皂 苷； 中图分类号 ：Ｑ８９ １ 微生物转化 ； 二醇型人参皂苷； 三醇型人参皂苷 文章编号 ：１０ －７ １２ １）３０ ０ —５ ０ １８ ５ （０ ２０ —１４０
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生物催化与生物转化的研究进展卢定强 韦 萍 周 华 贾红华 欧阳平凯(南京工业大学制药与生命科学学院,南京210009)
摘 要 生物催化与生物转化是生物学、化学、过程工程科学的交叉领域,其核心目标是大规模采用微生物或酶为催化剂生产化学品、医药、能源、材料等。本文指出生物催化与生物转化研究重新崛起,并已成为发达国家的重要科技与产业发展战略,概述了生物催化与生物转化技术的发展现状与趋势,介绍了我国重大基础研究项目生物催化与生物转化的研究动态,该项目的关键问题及主要研究方向是:(1)生物催化多样性理论及其实现方法;(2)催化剂改造的方法学;(3)生物系统催化的理论和方法;(4)生物催化剂适应性原理和方法问题;(5
)
重要生物催化体系的催化机理。关键词 生物催化,生物转化,生物催化剂中图分类号 O503 文献标识码 A 文章编号 1000-6613(2004)06-0585-05
生物催化与生物转化(biocatalysis&biotransformation)是生物学、化学、过程工程科学的交叉领域,其核心目标是大规模采用微生物或酶为催化剂生产化学品、医药、能源、材料等。生物催化与生物转化是与生命和人类活动关系最为密切的自然规律之一。近年来,随着基因组学、蛋白质组学等生物技术的飞速发展,大大地推动了生物催化与生物转化的基础研究和应用研究。人们普遍认为生物催化与生物转化将是生物技术革命的第三次浪潮。世界经合组织(OECD)指出:“生物催化技术是工业可持续发展最有希望的技术”[1]。本文就生物催化与生物转化研究的最新进展和国家重大基础研究项目生物催化的研究动态作一综述。1 生物催化与生物转化的发展历史人类利用生物催化进行化学加工的实践具有悠久的历史。至20世纪七八十年代,工业生物催化已经取得前所未有的进步,开始进入到若干大宗化学品和精细化学品的生产领域,但应用仍比较狭窄,在制造规模和成本上,仍无法与化学制造的产品竞争。20世纪末,生物催化和生物转化重新崛起,得到了飞速发展。新崛起的要素有两点,即强烈的社会需求和技术上的可能性。在19～20世纪,以不可再生的化石资源为经济基础的物质加工业取得了辉煌的成就,而进入21世纪,面对化石资源不断枯竭、环境污染日益加剧的严重局面,人类面临着前所未有的生存与发展的危机。因此传统的物质加工业必须进行革命性转变,转向以生物可再生资源为原料、环境友好的、过程高效的生物加工业,其核心技术为生物催化与生物转化。因此人类社会的可持续发展迫切需要生物催化与生物转化技术。同时,今天的微生物学、生物技术和工程学的快速发展为生物催化与生物转化的新崛起提供了不竭的动力。主要推动因素有:(1)20世纪90年代以来,微生物多样性的研究、基因组学、蛋白质组学、代谢组学和代谢工程的快速发展,提供了大量的、潜在可用的生物催化剂和生物合成途径[2,3],
为人类利用这些生物催化剂和合成途径来生产化学品创造了前所未有的特殊机会。(2)20世纪90年代以来,蛋白质工程的技术进步大力推动了生物催化与生物转化的发展。特别是酶的分子定向进化技术和不断完善的传统的理性分子设计方法,使得改造天然酶以适应实际工业生产过程变为可能[4～6]。(3)现代过程工程原理和手段,已逐步向生物催化
和转化领域渗透。如反应分离耦合技术已成功地解决高浓度底物与产物抑制,实现了高效生物催化与生物转化过程[7～9]。过程工程学科为实现高效的生物催化和生物转化提供了必要的工程基础。以生物催化与生物转化为核心的工业生物技术将是生物技术革命的第三个浪潮,是“21世纪化学工业的基本工具”。20世纪后叶分子生物学的突破性成就,生物技术在20世纪的80年代与90年代分别为生物医药与农业带来了革命性的飞跃。人
收稿日期 2004-04-07。基金项目 国家重大基础研究项目(2003CB71600)和国家自然科学重点基金项目(20336010)。第一作者简介 卢定强(1968—),男,副研究员。E-mail
ludingqiang@njut1edu1cn。联系人欧阳平凯,教授,中国工程院院士。E-mailouyangpk@njut1edu1cn。
・585・ 2004年第23卷第6期 化 工 进 展 CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS 类基因组学及相关研究有力地推动了医药生物技术发展,动植物基因组学及相关研究有力地推动了农业生物技术发展,微生物基因组及相关研究有力地推动了工业生物技术发展,在生物技术领域将会形成医药生物技术、农业生物技术和工业生物技术三足鼎立的格局。工业生物技术作为后起之秀,其工业生物催化剂(酶与微生物),无论是否采用基因突变技术,其大规模应用一般在封闭系统中进行,并在使用后可方便地被消除,具有生物安全性高的特点。2 生物催化与生物转化研究已成为发达国家的重要科技与产业发展战略以生物催化剂为核心内容的工业生物技术,在支撑新世纪社会进步与经济发展的技术体系中的地位已经被提到空前的战略高度。发达国家已不同程度地制定出在今后几十年内用生物过程取代化学过程的战略计划。日本政府从2001年开始实施“基于利用生物机能的循环产业体系的创造”的计划[10],重点开发用于生产各种化学物质的细胞及相关应用体系,将生物催化过程视为能够形成与环境协调的产业体系的现实技术。美国政府的一份21世纪发展规划提出,到2020年,通过生物催化技术,实现化学工业的原料、水资源及能量的消耗降低30%,污染物排放和污染扩散减少30%[11]。这将对包括化学工业、医药工业及农业在内的各产业带来极其深远的影响。在欧洲,传统化工产品市场正逐渐被生物催化和生物转化的产品所取代。生物催化与生物转化应用于大规模化学品生产已初见端倪,如农用化学品、精细化学品、大宗化学品、药物及高分子材料等领域。2002年StraathofAJJ在CurrentOpinioninBiotechnology重点综述了129个已工业化的生物催化和转化过程[12],近年来呈现快速增长的趋势。美国该行业的产值已达200亿美元,超过了生物医药行业[13～16]。全球许多公司正投入大量资金用于生物催化的研发,试图对化学品进行廉价生产及开发一些新的化学品生产路线,并已开发出一些工业生物催化与生物转化过程。在日本,三菱化纤、协和发酵和味之素等公司已开发了许多新筛选的菌种及酶用于工业生物催化与生物转化过程,使得生物催化和化学合成相结合形成了一个独特的研究热点。欧洲的BASF、DSM、Lonza、Degussa及Roche等大型跨国公司已纷纷转向工业生物催化与生物转化领域,并均已有产品投放市场。如Degussa公司2004年投资2000万欧元用于生物催化与生物转化方向,并在中国成立一个研发中心。美国杜邦公司目前正与著名的酶制造商Genencor公司合作开发用于1,3-丙二醇生产的基因工程微生物[17]。美国国家委员会预测,到2020年,将有50%的有机化学品和材料产自生物质原料,而生物催化与生物转化将起着核心作用。
3 生物催化剂的发现与获得被列为生物催化和生物转化研究的重要课题
工业生物催化面临产品低耗、高价值化和产品形式多样化的挑战。要实现这一目标,必须首先获得合适的生物催化剂。生物催化剂的来源主要有两种:(1)从已有的菌种或酶种资源库中直接获得;
(2)从大自然中筛选获得。
目前至少有58个国家建立了484个菌种保藏中心,保藏菌种80多万株。目前已经开发的商品酶有200种左右。可是这些现有的资源库远远不能满足工业生物催化的需求。从自然界中筛选所需要的菌种是目前工业生物催化剂技术的主要特点,大部分成功的高产工业化菌株是从自然界筛选得到的野生型菌株。但是目前人类筛选生物催化剂的范围十分有限,仅占微生物总数的011%～1%,需要拓展筛选的范围。美国、日本、欧洲等国对新来源的菌种(包括极端微生物与未培养微生物)的研究非常重视,特别是耐热、耐酸碱、耐盐和耐有机溶剂等的极端微生物在工业生物催化应用上引起了人们巨大的兴趣。如能提高生物催化反应温度,将会大大提高反应效率,缩短反应时间,降低成本。目前酶催化的最适宜温度为室温,如能提高到120℃以上,将会使目前的生物催化工艺反应效率提高20～50倍,
大大降低成本。美国政府的一份研究规划中指出,
到2020年可实现酶在130℃下催化反应[11]。欧盟1997年启动了一项研究“极端细胞工厂”计划。中国也将极端微生物列入2004年度“973”计划指南。见表1。 如表1所示,极端微生物(酶)目前已经在工业上得到一些应用,但是应用面仍比较狭窄。未来极端微生物的主要研究方向为极端微生物的功能基因组学、蛋白质组学和转录组学,揭示微生物或酶在极端环境下保持稳定性的分子基础,为开发新的生物催化工艺打下基础。
・685・ 化 工 进 展 2004年第23卷 表1 极端微生物(酶)的应用[18]类型生长特点酶应用嗜热温度>80℃(嗜高热)和蛋白酶洗涤剂、食品、饲料、酿造等温度60～80℃(嗜热)糖基水解酶淀粉、纤维素、几丁、果胶的加工几丁酶几丁的修饰,用于食品木聚糖酶造纸漂白脂酶、酯酶洗涤剂、拆分DNA聚合酶PCR脱氢酶氧化反应嗜寒温度<15℃蛋白酶洗涤剂、食品淀粉酶洗涤剂纤维素酶洗涤剂、饲料、纺织脱氢酶生物传感器脂酶洗涤剂、食品、化妆品嗜盐高盐(2～5mol/LNaCl)蛋白酶多肽合成脱氢酶有机相生物催化嗜碱pH>9蛋白酶、纤维素酶洗涤剂、食品、饲料嗜酸pH<2～3淀粉酶、糖化酶淀粉加工蛋白酶、纤维素酶饲料氧化酶煤炭脱硫
微生物基因组学的发展也非常迅速,至少86种微生物的基因组测序已完成,另外还有大约200种微生物基因组测序即将完成。测序工作的努力已经揭示了数万个新基因[19]。4 生物催化剂改造新技术方面取得的新突破近年来发展起来的体外定向进化技术,大大加速了人类改造酶原有功能和开发新功能的步伐。欧美、日本等许多化学和生物酶制剂公司,如DowChemical、NovoNordisk和Genencor公司均已建立了定向进化实验室。分子定向进化技术已被用于上百个酶的进化[20]。如枯草杆菌蛋白酶E在有机溶液中(60%DMF)的活性提高了170倍;β-内酰胺酶的耐抗菌素cefotaxime浓度提高了32000倍;胸苷激酶对新底物(gancyclovir)的利用提高了43倍;卡那霉素核苷酸转移酶,在60～65℃的热稳定性提高了200倍;细胞色素P450酶对完全新底物(过氧化氢)的利用提高了5～20倍;辣根过氧化酶在酵母中表达产量提高了88倍。目前定向进化主要研究方向是提高热稳定性,提高有机溶剂中酶的活性和稳定性,扩大底物的选择性,改变光学异构体的选择性等。定向计划的核心技术为易错PCR技术、DNAshuffling技术及高通量筛选技术[21,22]。随着人们对蛋白质认识的加深,加上基因组学和蛋白质组学提供的大量结构与功能的信息,传统的理性分子设计方法在实践中的潜力也开始展露。这些技术在增加酶的反应多样性,改变酶的各种性能等方面已有应用。