生物催化剂的应用现状

何璐红，赵 扬，贺素姣

(河南应用技术职业学院，河南，郑州 450042)

1 前言

生物催化反应具有高度的化学性、区域性和立体选择性，特别适合合成药物、食品和农药等精细化工产品，对单一反射功能化合物的需求逐年增加。生物催化剂因其来源广泛、成本低、操作简单、能够循环利用必要的辅酶和化学修饰而受到有机化学家的欢迎。近年来，有关生物催化剂的研究报告增长迅速。生物催化剂能促进氧化还原、水解、酯化、加成和消除反应，并具有良好的立体选择性性质(包括区域异构和立体异构) ，因此可用于合成各种手性合成剂或中间体。酶对有机结合化学物质反应的高效、高选择性催化作用研究早已引起社会人们的注意，但直到近一二十年才被广泛应用于教学有机合成一个反应。在使用微生物(如酵母、霉菌、细菌)代替纯酶作为催化剂方面取得了很大进展。这些生物催化剂各有特点，其中一些会造成副作用，如酵母菌容易还原烷基化合物、真菌引起羟基化、细菌一般具有破坏性等。通过进行调节反应时间条件、添加化学剂或在有机溶剂中反应常可使结果可以得到有效改善。生物催化与传统化学催化相比，具有反应条件温和、优异的化学选择性、区域选择性和立构选择性，且能耗低、环境友好等特点，特别是对手性化合物的合成更具优势，因而在精细/大宗化学品、医药、食品、化妆品、生物能源、高分子材料、环保、纺织和造纸等工业领域有着广泛的应用。文章主要综述了生物催化剂在制药、环保、化妆品、有机合成等方面的应用，总结了生物催化剂的应用现状。

2 应用于有机合成反应

酶作为催化剂的氧化还原反应，在有辅酶参与反应的情况下，常得到具有光学活性的产物。要实现这一反应，也可以采用模拟酶催化剂催化液相氧气,氧化芳香族化合物以及制备环氧化物。

2.1 氧化反应

醇氧化、醛氧化以及酮氧化成酯的反应都属于酶催化的氧化反应。在生物药品的制备中,很多氧化反应都是在酶的作用下完成的，例如:糠酸的制备是由新型P环糊精衍生物催化糠醛而来的，环己酮氧化成环已内酯等。微生物细胞还可以将烯煙转变为环氧化物。

2.2 醛和酮的还原反应

所有醛类,除甲醛之外都是潜手性的。只有在酶催化下,醛才能还原得到为手性的伯醇。例如，在酵母粉作用下，a-甲基苯丙醛可还原成伯醇。

2.3 二羰基及多羰基化合物的还原

在酶的作用下，含有两个羰基以上的化合物进行还原反应，根据pH值等条件的变化，生成的产物也会有所不同。例如，在酵母作用下，下述的二羰基化合物pH值=5.0时,只有一个羰基被还原，显示出高度的区域专一性和立体专一性。但如果pH值增大,被还原的羟基也会相应地增多,就会生成二醇及部分消旋化合物。

酶串反应可以通过休眠细胞或冻干细胞在体内或体外进行反应,根据催化剂的不同可以分为生物化学串级反应与生物串级反应，这些反应通常使用两种或更多的酶来催化。Simon等使用非对称的1,5-二酮为原料,首先在w-转氨酶的催化下得到环状亚胺，用来自于Chromobacterium violaceum的天然酶生成得到(2S)-亚胺，用ArRmutll工程酶得到(2S)-亚胺，再分别被LiAIH,和Pd/C还原，得到2,6二哌啶的4个立体异构体,并且反应收率和立体选择性都很高。生物串级反应主要研究酶的选择性和活性，应用也比较广泛。Sehl 等以苯甲醛和丙酮酸为原料，经过两种酶催化，成功得到去甲麻黄碱和去甲伪麻黄碱。反应的第一步，以苯甲醛和丙酮酸为原料，用对映互补E.coli的聚醛酶进行催化，生产苯基乙酰基甲醇的非对映异构体。反应的第二步,用两种来自C.violaceum和Aspergillu sterreus的w-转氨酶合成4个非对映异构体。

酶串反应在底物和产物方面的应用范围广，设计方法随意。但是,至今所报道的大部分酶串反应仍局限于理论研究,工业应用还较少。酶串反应的研究为目标化合物提供了新的合成方法，如w-羟基脂肪酸、二元酸等单体。今后酶串反应的研究重点主要是克服酶的抑制性以及与传统化学更好地结合，加速实现工业化。

3 应用于环保工业

绝大多数的外源性化合物可被酶生物降解，例如多环芳烃、多硝基芳香化合物、杀虫剂、植物漂白污水、合成染料以及防腐剂等。进行酶生物除污的关键是在操作时保持酶的活性最佳，还要求酶价格低廉，对底物的亲和性高，支持产物的转化等。在生物除污中研究最多的酶是细菌单加氧酶或双加氧酶、还原酶、脱卤酶、细胞色素P450单加氧酶，以及漆酶、木质素酶、细菌磷酸三酯酶等。其中漆酶是被广泛研究的一种酶，它可以通过空气中的氧气直接催化氧化分解各种酚类染料、氯酚、硫酚、双酚A以及芳香胺等。

4 应用于化妆品工业

化妆品工业中使用的成分大都是从石油化工原料中生产出来的，传统上是采用化学催化过程合成，反应温度较高，产品色泽欠佳，若含有不饱和化合物的副产物时则往往带有令人不悦的气味，通常这些产品需要进行漂白、除臭、干燥、过滤等下游处理。而生物催化剂的使用则可避免上述不利情况的发生，这对化妆品来说是非常重要的。如Uniehem Interna-tional公司利用固定化的脂肪酶来代替传统的酸法生产十四酸异丙酯、棕榈酸异丙酯和棕榈酸2-乙基己基酯等，产品质量较高。

熊果苷是最常见的美白产品，具有抑制黑色素细胞生成的作用。生物催化合成熊果苷的酶包括有a-淀粉酶、a-葡糖苷酶、转葡糖苷酶、蔗糖磷酸化酶和葡聚糖蔗糖酶，如使用糖苷水解酶中的淀粉蔗糖酶(EC2.4.1.4) 催化剂，以蔗糖和对苯二酚为原料，在抗坏血酸浓度为0.2 mmol/L时，a-熊果苷的得率高于90%。

润肤醋是一种用途广泛的多功能油脂类化合物，因其具有保湿特性面被用于化妆品中，如肉豆寇胶十四酯润肤剂的传统生产方法是以草酸酯为催化剂，在高温下通过酯交换反应讲植物油和醇进行酯化而合成。若采用Noerm435脂防酶做催化剂。在75 ℃条件下，在没有溶剂、反应物量相等的情况下进行了反应，肉豆酸十四前的空时收率为6 731/d/L,显示出好的竞争力。

5 应用于生物能源工业

生物催化技术采用可再生的农植物原料来生产清洁能源，这些清洁能源的使用将有助于环境的清洁，符合现代社会发展的方向，未来的需求将越来越大。人们通常将清洁能源分为生物柴油、生物乙醇以及生物氢和生物燃料电池几类。

生物柴油是将动植物油脂在酶催化下酯化，所得的长链脂肪酸单酯碳链中的碳原子数为15～18，与石油裂化得到的普通柴油相似，其十六烷值、黏度、燃烧热指标均可达到普通柴油的标准，重要的是其闪点比普通些油高，而浊点则更低，作燃料使用时其具有更高的安全性和抗冻性。生物柴油由可再生的动植物油脂制得，属于可降解的再生能源，含硫量极低，燃烧时产生的废物、废气少，对环境污染小，因此生物柴油的大规模生产受到关注。

生物乙醇则从玉米、甘蔗、甜菜和木薯等为原料制得，可作为石油燃料的替代品或作添加剂使用。当前一般是用酸将生物质水解为糖，或用a-淀粉酶、葡糖淀粉酶、蔗糖酶、乳糖酶、纤维素酶、半纤维素酶等将淀粉、蔗糖、乳糖、纤维素、半纤维素发酵为糖，这些糖进一步被细菌、酵母菌、真菌发酵产生乙醇。

从生物体中获得氢气的研究大多集中于用氢化酶催化生产氢，例如用糖发酵生产氢，只是普遍产率较低。这促使人们运用基因组数据库、基因组学来寻找新的氢化酶、过氧化物酶和漆酶等。这些酶作为电催化剂时同样有广泛的应用，尤其是在生物燃料电池的发展中得到应用。生物燃料电池的一个关键挑战是酶和电极之间的低效电子传导，而能观察到的酶和电极之间能直接进行电子转移只有细胞色素C、漆酶、氢化酶和几种过氧化物酶。目前，对生物燃料电池的研发主要集中在生物催化剂酶的固定化、稳定性以及纳米结构生物催化剂上。

6 结论

越来越多的关注集中在酶催化有机合成反应上，推动了生物催化领域的发展。但是仍然面临一些挑战，首先需要筛选适合新工艺条件的新酶，另一方面要在已定的工艺条件下优化现有酶，提高稳定性和催化速率。虽然在酶及其变体用于特定合成步骤的研究方面取得了一些成果，但是在逆合成分析方面仍需要探索。未来，酶串联级及一锅煮实现化学催化的方法有望被开发，这样既能实现多种键同时被催化又可减少不必要的下游处理步骤。可以预见，未来几年更多的酶将用于化学反应，如环化酶、亚胺还原酶等。酶工程的发展、酶催化机制的完善、蛋白质设计以及新酶的探索及开发在未来几年将进一步扩大生物催化的使用范围，并且将在实现新的化学反应、化学催化以及生物催化方面发挥重要作用。