振国光鸿组生物催化剂：高效、专一、温和、环保的化学工业新选择

振国光鸿组生物催化剂：高效、专一、温和、环保的化学工业新选择

振国光宏课题组生物催化历史：背景：生物催化是利用生物催化剂（酶或微生物）来改变（通常是加速）化学反应的速率。生物催化剂是游离或固定化细胞中催化生物反应的游离或固定化酶的总称。特点：1.极高的效率。2.高度特异性。3.条件温和。4.清洁、环境友好。生物催化剂的应用目前，生物催化工艺对化学工业产生了重大影响，全球酶市场规模约10亿美元。传统上微生物和酶工艺用于生物来源原料，现在开始向石油来源材料领域拓展。手性酶广泛应用于有机药物合成、柴油微生物脱硫，在反应中起歧化剂的作用。在小分子药物及中间体生产中，生物转化与传统化学方法最显著的区别就是可以非常有效地合成不对称手性化合物。由于生物催化剂是一类以蛋白质为基础的催化剂，其催化活性易受温度和pH的影响。随着温度的升高，反应速度加快，但超过一定温度（一般为45-50℃）蛋白质就会变性失活，其反应速度迅速下降；同样，它只在有限的pH范围内发生反应，因此每种酶都有其最适温度和pH值。有些工业生产过程需要在一定的温度、压力、pH值或有机溶剂条件下进行，因此要求所采用的生物催化剂有较高的耐受性，以满足工业生产的需要。

目前生物催化技术的应用主要局限于是否有合适的生物催化剂，应用现代筛选技术可以获得理想的生物催化剂。生物催化剂的筛选生物催化剂的广泛应用有赖于大量生物分子的有效筛选和检测，不同菌株和酶的催化特异性、活性和稳定性差异很大，因此相关菌株的分离、筛选和选育必不可少。在实际工作中，要扩大生物催化剂的应用，必须解决生物催化中的一些典型难点和操作限制，如温度、pH值、产物抑制、反应速率和处理物料的浓度等。要解决这些问题，必须保持催化剂的高选择性和特异性。在生物催化剂的筛选中，传统的方法已经被打破，目前将生物诱变技术与高通量筛选技术相结合是获得理想生物催化剂的有效方法。生物催化剂的来源目前，生物催化剂有少数是从动物肝脏或植物中提取的，大部分来自微生物细胞。除真核生物和单细胞酵母菌（如从南极假丝酵母中获得的高效脂肪酶CalB）外，原核微生物是生物催化剂的主要来源。由于原核微生物（细菌和古菌）是地球上最早、数量最多的生命体，经过漫长的进化，许多微生物获得了非常高的耐受力，以适应“恶劣”的环境，从中可以获得大量高性能的生物催化剂。虽然微生物培养也有其局限性，如许多生物无法用目前的技术进行培养，但通过微生物培养获取生物催化剂仍是最常见、最有效的方法。

这是因为微生物培养可以加速生物体的新陈代谢，增加其数量，为后续的高通量筛选提供了有利条件。 生物催化剂的缺点 生物催化剂的本质是酶，虽然它具有催化效率高、特异性强、污染少等优点，但是生物催化剂在有机溶剂中的稳定性和耐受性很低，容易被有机溶剂破坏，另外其催化活性还受溶剂的pH值和反应温度的影响。 在有机合成中的应用 生物催化剂用于取代反应 许多酶可用于催化丙氨酸、丝氨酸、半胱氨酸衍生物的b碳上的取代反应，以及蛋氨酸等化合物的r碳上的取代反应。例如O-乙酰丝氨酸在酶作用下发生b碳原子上的取代反应，得到L-半胱氨酸。例如L-半胱氨酸与L-高丝氨酸反应。在酶的作用下，r-碳上的羟基被取代，生成L-胱硫醚：在食品工业中的应用在食品工业中，可用于降低粘度、提高提取效率（或分离效率）、增加风味，实现生物转化等。固定化酶技术在这些应用中也正在推广。目前，世界上规模最大的固定化酶工艺是利用固定化葡萄糖异构酶，以葡萄糖为原料生产果糖浆。具体方法是将葡萄糖异构酶固定在二乙基氨基乙基纤维素上。异构化条件为温度20℃，pH为6-9。这种固定化酶的活性可达90%，如果酶的活性降低，可以加入新的酶使其再生。

生物催化剂在加成与消除反应中的应用-碳碳双键的加成H.-E.和P.等人系统地研究了酵母粉作用下碳碳双键的加成反应。二碳氧双键的加成。醛缩酶可催化醇醛缩合反应。在这一类酶中，果糖-1,6-二磷酸醛缩酶(FDPA)在有机合成中的应用研究得最为深入。例如在二羟基丙酮与2-羟基丙醛的反应中，果糖-1,6-二磷酸醛缩酶作为生物催化剂催化酯的合成与水解-酯的合成。羧酸和醇类常常被用作酯的合成原料。例如Pseu-经PEG修饰后，可溶于苯。它能有效催化萜烯醇类香料（香茅醇、香叶醇、金合欢醇、植醇）与短链羧酸（2-5碳酸）在25℃下的酯化反应，收率可达80-95%。酶还能完成单甘酯的合成，并促进内酯的合成。此外，酯交换反应也是制备酯类的重要方法，当用此方法合成新的酯类时，也可以利用酶作为催化剂。如下例所示，二酯的水解在酸性或碱性条件下，由于酯的水解，可能引起碳骨架的变化而得到副产物。而酶催化水解反应条件温和，不会影响碳骨架结构，因此利用酶催化酯类水解就显得尤为重要。例如，在酸性或碱性条件下水解环丙烷乙酸酯时，会发生开环反应，生成丙醛和醇醛缩合产物，而以猪肝酯酶为催化剂，在pH7.5时水解只生成环丙醇。生物催化剂用于酰胺的合成与水解-酰胺和肽合成酶催化的反应在青霉素和头孢菌素中酰胺键的形成中起着极其重要的作用。

例如在酶作用下，7-氨基脱乙酰氧基头孢菌素酸（7-ADAc）和D-苯基甘氨酸可转化为头孢菌素类。当底物分子中含有多个反应活性不同的功能团时，如果想得到单一的目标产物，最好使用酶作为催化剂。例如天冬酰胺的合成。生物催化剂用于氧化还原反应。酶催化的氧化反应有醇氧化、醛氧化、酮氧化成酯等。例如，一级醇和二级醇的氧化一般采用醇脱氢酶，马肝脱氢酶（HLAD）就是其中一种；新型环糊精衍生物催化糠醛生成糠酸；环己酮氧化成环己内酯；酶还可以催化脱氢反应、CH-CH键的脱氢反应、利用微生物细胞将烯烃转化为环氧化物、氨基酸的氧化反应、氮、硫、硒等原子的氧化反应等。在二醛和酮的还原反应中，除甲醛外，醛都是手性的。因此，在酶催化下，醛还原生成手性为a-碳的伯醇。例如，在酵母粉作用下，α-甲基苯甲醛生物催化还原为伯醇酮也是一个重要的反应，还原产物通常具有光学活性。例如：在食品工业中的应用在食品工业中，可用于降低粘度、提高提取效率（或分离效率）、增加风味，实现生物转化。固定化酶技术在这些应用中也得到了推广。目前世界上规模最大的固定化酶工艺是采用固定化葡萄糖异构酶，以葡萄糖为原料生产果糖浆。

具体做法是把葡萄糖异构酶固定在二乙胺乙基纤维素上，异构化条件为20℃、pH6-9。这种固定的酶活性可达90%，如果酶活性下降，可以加入新的酶使其再生。在医学上的应用生物催化剂在医学上的应用，产生了人肾细胞、人工器官等新概念。例如利用微胶囊化技术，把酶等生物大分子固定在0.2-3um的半透膜中，制成人工细胞。由于膜的隔离，胶囊内的酶分子不与胶囊外的免疫球蛋白接触，也不被水解酶破坏。这样制成的含有酶的人工细胞，是第一代人工细胞。利用这种尿素酶微胶囊，即尿素酶的人工细胞，可将动物血液中的尿液转化为氨，再通过固定化的吸附剂将氨除去。这就是最简单的人工肾。上述微囊化方法制成的含有多酶体系的微囊，是第二代人工细胞。将尿素酶、谷氨酸脱氢酶、醇转氨酶等一起固定在微囊内，使尿素和氨的代谢在微囊作用下可重复进行。这又使人工肾脏向前迈进了一步。另外，有报道利用微囊化的胰岛细胞植入糖尿病大鼠体内，可控制血糖水平，治疗糖尿病，并可避免机体的排斥反应。市场现状目前，用于生产精细化学品的生物催化剂市场不超过2000～2500万美元，只占整个生物催化剂市场的5%(见表1)。生物催化剂市场很大一部分被垄断或半垄断。

这些催化剂往往只提供给单一用户，例如意大利专门为该国企业生产一种可以裂解D/L-羟基苯甘氨酸的乙内酰脲酶体系。与酶工业的其他部分相比，生物催化剂产品的销售极其分散，几乎没有一种生物催化剂产品的市场超过100万美元。只有β-内酰胺酶(如青霉素或头孢菌素酰胺酶)是一个突出的例外，其市场规模约为8亿至1000万美元，占生物催化剂市场的50%。前景近年来，生物催化剂在精细化学品市场表现出强劲的增长率，预计2008年精细化学品和制药工业中用到的生物催化剂规模将在1亿至1.3亿美元之间，年增长率为8-9%。工业化的酶合成包括类固醇及固醇合成、生物碱合成、有机酸合成、糖转化、药用肽及蛋白质合成、氨基酸合成、核苷酸合成等。OECD认为“生物催化是最有前景的可持续工业发展技术”，其快速发展将带来技术革新，推动生产力的快速发展。近十年来，由于目前广泛应用的必要分子生物技术工具和高通量筛选技术的发展，生物催化剂受到极大关注。由于上述特点，生物催化剂将进一步受到行业厂商的青睐。

到2010年，全球精细化工行业生物技术所占份额将从目前的15%跃升至60%，增长速度十分惊人，实现的可能性也很大。生物技术在有机精细化工合成领域的份额将迅速增长，并将彻底取代该领域采用传统的合成生产工艺。生物催化酶技术的应用不仅限于手性分子的合成，还可用于生产手性聚合物，特别是在化妆品行业和食品行业，应用前景更加光明。结论与展望由于生物催化剂具有催化效率高、特异性强、污染少等特点，生物催化与化学方法一样，在药物研发中得到了广泛的应用。但生物催化剂的热稳定性差、对pH敏感、对有机溶剂的耐受性差等缺点，限制了生物催化剂在大规模工业生产中的应用。但随着定向进化等新型生物技术的出现，利用生物技术改造和优化生物催化剂已成为现实。相信在不久的将来，生物催化将在制药工业中发挥更大的作用，为人类健康作出新的贡献。正如20世纪中叶石油化工的飞速发展改变了人们的生产生活方式一样，粉尘催化的广泛应用将为人们提供性能更优越的材料和能源。以可再生生物原料为基础的生物生产过程将逐步取代化石原料生产过程，成为21世纪化学生产的主体，从而实现绿色化学、绿色生产的目标。**