有机相脂肪酶催化合成技术的研究

目前在非水介质中获得应用的酶包括氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类及异构酶类, 其中脂肪酶是在有机相中催化反应种类最多、应用最广泛的酶类之一。脂肪酶是工业上常用的酶之一，研究表明，在水溶液中它能催化油脂和其它酯类的水解反应，在有机介质中也能催化水解反应的逆反应—酯合成反应和酯交换反应。脂肪酶的这种性质显示它在有机合成中具有极大的应用潜力。脂肪酶作为生物催化剂可运用发酵技术获得，目前已实现商品化。如丹麦Novo公司生产的Lipozyme脂肪酶，无锡酶制剂厂生产的假丝酵母脂肪酶，南通酶制剂厂生产的青霉脂肪酶等。
1. 1 　非水相酶催化反应体系
非水相酶学的研究在最近20多年里取得了长足的发展,脂肪酶所应用的反应体系也有了较大的改善，主要集中在有机溶剂体系,还有微水条件下的无溶剂体系、微乳液体系、超临界流体介质体系等。
1. 1. 1 　有机溶剂体系　
有机相酶催化反应体系,最先采用的是有机溶剂或有机溶剂与水的混合物。有机溶剂主要是通过酶分子周围的水来影响酶的催化活性，溶解于酶周围水分子层的有机溶剂与酶直接结合会导致酶受抑制或失活；有机溶剂夺去酶分子表面的必需水分，导致酶活下降；因此，溶剂的疏水性越强，对酶活的影响越小。
研究表明,酶的结构在水相和有机相中并没有显著的变化，然而适当的水对酶的催化作用是必需的，且不同酶的必需含水量不同，在有机相酶催化反应体系中存在相应的最适水分含量。A1ekery研究了3种不同的酶在不同的有机溶剂中的酶反应，发现在溶解度限制范围内，酶活都随着有机溶剂中水分含量的增加而提高，且达到最大酶活所需的水分含量，疏水溶剂比亲水溶剂少。
1. 1. 2 　反胶束体系　
在水/有机溶剂两相体系和微水有机溶剂单相体系中，仅有少数的酶能保持催化活性。由于反胶束体系能较好地模拟酶的天然环境，因而在反胶束体系中，大多数酶能够保持活性和稳定性，甚至表现出“超活性”。
表面活性剂溶解于有机溶剂,能够增溶一定量的水,根据水、表面活性剂、有机溶剂三相浓度不同,形成圆球状或圆柱状反胶束微粒,形成所谓“油包水”的结构。酶在反胶束体系中的活力主要由三方面的因素决定:核心水团的大小、表面活性剂的种类及反胶束微粒的浓度。由于反胶束模型和组成对酶活性有影响,调节反胶束的特性可使酶更适合于特定的反应,提高反应速度。如将Tween系列的非离子表面活性剂按m(二(2-乙基己基)磺化琥珀酸钠AOT)：m(吐温Tween) = 16 ：1 加入AOT 反胶束中，可使C. viscosum 脂肪酶活性提高3倍;将乙醇作助表面活性剂加入AOT 反胶束中,可使角质酶稳定性提高45倍。
由于反胶束酶组成灵活，热力学稳定，传质阻力小，产物易于回收,目前反胶束体系酶反应广泛应用于有机相中脂肪酶催化的酯交换反应、肽和氨基酸的合成以及酶法合成酚及芳香胺聚合物的反应。另外，反胶束中的脂肪酶催化立体选择性酯化反应对映体的拆分也有重大意义。
1. 1. 3 　超临界流体　
有机溶剂酶反应产物中,不可避免地残留了部分有机溶剂,对食品和医药造成污染,限制了有机相酶反应的应用。超临界流体是一种超过临界温度和临界压力的特殊物质,物理性质介于液体和气体之间。超临界流体作为酶反应中间介质,具有明显的优点:1) 有似液体的密度、似气体的扩散性和粘度,因此显示出较大的溶解能力和较高传递特性,从而大大降低酶反应的传质阻力,提高酶反应速率;2) 反应底物的溶解性对超临界的操作条件(如温度、压力) 特别敏感,通过简单改变操作条件或附加其它设备,可达到反应物和底物分离的目的;3) 无毒、不可燃、化学惰性、易与反应物及底物分离、价格便宜等,这些优点和特点使其在工业上,尤其是在食品与发酵行业上的应用,具有广阔的发展前景。
水、超临界流体、酶是构成反应体系的3个要素。目前研究的超临界流体中的酶反应主要是酯化、酯交换、醇解、水解、氧化等反应。研究最多的是脂肪酶,超临界CO2 中脂肪酶催化乙酸乙酯和异戊醇的醇解反应,用超临界CO2 代替庚烷作反应介质,反应速度提高3倍。另外,通过消旋混合物的拆分或手性合成来生产纯的旋光异构体,也是超临界流体酶反应的一个诱人的应用前景。
1. 1. 4 　无溶剂系统　
一般来说,酶反应都是在溶有底物的溶剂中进行的均相反应,选择对底物溶解性好又不使酶失活的合适溶剂比较困难。无溶剂系统是指反应体系中没有附加的溶剂,只含有反应物和酶。无溶剂系统具有突出的优点:可避免有机溶剂引起的毒性及易燃问题,这对于食品、化妆品、药物的生产尤为重要. 无溶剂系统增大了底物浓度,减少了反应的体积,提高了产物的浓度;终产物易于分离纯化。
目前,采用无溶剂系统进行酯的合成很普遍,如甘油酯、糖酯、丁酸香叶酯的合成以及橄榄油的内酯化反应等。底物摩尔比、反应温度、机械搅拌速度以及水活度等都会影响无溶剂系统的酶反应。在利用脂肪酶催化蔗糖单酯的合成中,加入固体水合物Ba(OH)2 , 使反应混合物的水活度保持在0.4 ,明显提高了产量和酶的区域专一性。
1. 1. 5 　低共熔多相体系　
无溶剂系统只适合于底物为液体的反应。Gill等首先采用低共熔多相体系进行酶促肽合成。低共熔混合物,是指两种或两种以上的混合物,在一定组分比率下会表现出比纯组分熔点低的低共熔点,并且多相共存。一定组分比率的底物以及适量的水,有时还要加入一定量的辅助剂,就形成酶反应的低共熔多相体系。这一体系的酶反应具有避免使用有机溶剂,适于进行食品、药物、化妆品等生产,并且环境友好,能获得高浓度的产物,酶易于回收再利用等优点。
目前低共熔多相体系主要用于生物活性肽、调味肽的合成。酶和底物的选择、底物比率、辅助剂的选择、酶用量、水含量等,可影响低共熔多相体系的酶反应。一定量的辅助剂可以改善低共熔体系的形成以及固相在液相中的分散,大大提高反应产率。辅助剂一般是亲水的含氧有机溶剂,如醇、酯、醚等,体积分数为8 %～44 %(体积分数) 。