非水相中的酶催化技術(shù)課件

1、非水相酶催化技術(shù)楊黎耀2011年10月25日酶作為一種高效生物催化劑, 具有高度的特異立體選擇性及區(qū)域選擇性, 并在常溫、常壓和值中性附近條件下具有十分高效的催化活力。利用酶的高效選擇性催化作用可制造出種類繁多的目標(biāo)產(chǎn)物, 避免了化學(xué)合成中的許多不足。目前, 酶催化技術(shù)在醫(yī)藥方面的應(yīng)用是當(dāng)前最為關(guān)注的領(lǐng)域之一, 這主要是因?yàn)獒t(yī)藥產(chǎn)品一般附加值高, 且大多是光學(xué)活性物質(zhì), 作為十分優(yōu)良的手性催化劑酶, 用于多種高效手性藥物的合成及制備將十分有效, 潛力巨大。Enzyme酶催化技術(shù)研究進(jìn)展酶和細(xì)胞固定化技術(shù)非水相酶催化技術(shù)低共熔酶催化反應(yīng)技術(shù)酶催化反應(yīng)與分離的禍合技術(shù)非水相酶催化技術(shù) 近十年來(lái),

2、大量的研究發(fā)現(xiàn), 與過(guò)去認(rèn)為酶只能在水溶液中進(jìn)行反應(yīng)的傳統(tǒng)觀點(diǎn)相反, 酶在非水相（也稱為非水介質(zhì)）中也具有催化活性。通過(guò)非水相中的酶催化可以完成多種化學(xué)反應(yīng), 如氧化、脫氫、還原、脫氨、羥基化、甲基化、環(huán)氧化、酯化、酞胺化、開環(huán)反應(yīng)、聚合反應(yīng)等等。非水相中的酶催化已被應(yīng)用于許多方面, 如內(nèi)、外消旋體的拆分、區(qū)域選擇性轉(zhuǎn)化、酶催化聚合、肽合成、酶法分析等, 尤其是在不對(duì)稱合成方面顯示了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。利用酶在非水相中的催化活性目前已經(jīng)成為一種重要的酶技術(shù),它大大擴(kuò)展了酶的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。非水相酶催化技術(shù)體系水與有機(jī)溶劑的互溶均相體系水與有機(jī)溶劑形成的兩相或多相體系單相有機(jī)溶劑體系反膠束體系超臨界液體

3、低溫體系非水相酶催化的微環(huán)境水不溶有機(jī)溶劑, 雙液相反應(yīng), 其中包括反相膠團(tuán)和水有機(jī)雙相反應(yīng)體系。水不溶有機(jī)相介質(zhì), 單有機(jī)相反應(yīng), 只含極少量水分。超臨界流體或超臨界氣體。非水相酶催化過(guò)程中的影響因素1.水含量 所謂非水相, 并不是說(shuō)反應(yīng)體系中不含有任何水分, 只不過(guò)體系中含水量較少而已。一般認(rèn)為, 水在酶的催化系統(tǒng)中起著正反兩方面的作用。 在正的方面, 酶在絕對(duì)無(wú)水的條件下是不具有催化活性的, 因?yàn)樗肿又苯踊蜷g接地通過(guò)氫鍵、疏水鍵、范德華力等維持著酶分子催化活性所必需的構(gòu)象。在反的方面, 水與大部分酶的失活作用有關(guān), 尤其是酶的“ 熱失活” 。 從以上兩方面可以看出, 在非水相酶反應(yīng)體系

4、中存在一“ 最佳含水量” 。非水相酶催化過(guò)程中的影響因素3.pH 酶在水溶液中催化某反應(yīng)的最適pH就是它在非水相體系中催化該反應(yīng)的pH。從分子水平來(lái)說(shuō), 酶的可電離基團(tuán)在給定的水溶液中獲得某一電離狀態(tài), 將它直接干燥或冷凍干燥后再加入到有機(jī)介質(zhì)中, 它還會(huì)保持這一電離狀態(tài), 從而影響酶在有機(jī)相中的催化活性。由此也可以得到酶在非水相催化中的最適。非水相中的酶 適于非水介質(zhì)中催化的酶類有脂肪酶、酯酶、蛋白酶、過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶、醛縮酶、多酚氧化酶、醇脫氫酶、ATP酶、細(xì)胞色素氧化酶、膽固醇氧化酶等。二辛酸丙二醇酯的非水相酶催化合成+脂肪酶非水相催化 GRAS24最新公布的香料化合物中丙二醇酯類

5、占有較大的比例。目前，合成該類化合物主要采用化學(xué)合成法。而化學(xué)合成工藝往往需要使用腐蝕性強(qiáng)的強(qiáng)酸作為催化劑，以毒性高的有機(jī)原料為溶劑，易造成環(huán)境污染。隨著人們對(duì)健康的關(guān)注和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，開辟一條對(duì)環(huán)境友好、安全的合成工藝路線極為重要。與化學(xué)合成法相比，生物催化是一種“綠色的”環(huán)境友好的合成工藝，它具有反應(yīng)條件溫和、催化效率高、催化專一性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)外用生物催化劑替代化學(xué)催化劑生產(chǎn)化學(xué)品已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。合成最優(yōu)條件 選用BT01脂肪酶為催化劑，辛酸與丙二醇摩爾比為2:1,酶加量為丙二醇質(zhì)量的1%,50下減壓攪拌反應(yīng)，反應(yīng)7d結(jié)束，酯化率高達(dá)92.9%，反應(yīng)物中含二辛酸丙二醇酯為85

6、.6%。反應(yīng)制得的純品經(jīng)質(zhì)譜和紅外光譜分析證實(shí)為二辛酸丙二醇酯。二辛酸丙二醇酯的工藝條件研究底物摩爾比對(duì)酯化率的影響 辛酸與丙二醇的摩爾比對(duì)辛酸轉(zhuǎn)化為二辛酸丙二醇酯的酯化率影響較大，考察底物摩爾比對(duì)酯化率的影響。固定丙二醇的量不變，按辛酸與丙二醇摩爾比為1:1、2:1、3:1、4:1加入辛酸，加酶量均為丙二醇質(zhì)量的1.5%進(jìn)行反應(yīng)。測(cè)定不同底物摩爾比下酯化率（以二辛酸丙二醇酯計(jì)）隨反應(yīng)時(shí)間的變化，結(jié)果如下圖所示。 由圖可知，隨著辛酸與丙二醇摩爾比從1:1增加至2:1時(shí)，丙二醇轉(zhuǎn)化為二辛酸丙二醇酯的酯化率有很大幅度的提高，繼續(xù)增加至3:1、4:1酯化率增加幅度不大。同時(shí)，考慮到辛酸過(guò)高不利于二辛

7、酸丙二醇酯的純化，故選擇辛酸與丙二醇最佳摩爾比為2:1.二辛酸丙二醇酯的工藝條件研究加酶量對(duì)酯化率的影響 在辛酸與丙二醇摩爾比2:1體系中，加酶量分別為丙二醇質(zhì)量的0.1%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，50 下進(jìn)行反應(yīng)，考察加酶量對(duì)酯化率（以二辛酸丙二醇酯計(jì)）的影響，結(jié)果如下圖。由下圖可見(jiàn)，隨著加酶量的增加，酯化速度加快，酯化率提高，占丙二醇質(zhì)量1%的加酶量與占1.5%、2.0%的最高酯化率相當(dāng)，效果最佳，反應(yīng)7d酯化率達(dá)92.9%。故選擇最適加酶量為丙二醇質(zhì)量的1%。二辛酸丙二醇酯的工藝條件研究反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物組成的影響 辛酸與丙二醇在脂肪酶的作用下，生成單辛酸丙二醇酯與二辛酸丙二醇酯，兩者的相對(duì)含量隨反應(yīng)時(shí)間而變化?？疾旆磻?yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物組成的影響，辛酸與丙二醇摩爾比為2:1，加酶量為丙二醇質(zhì)量的1%,50下進(jìn)行反應(yīng)!每隔1d取樣進(jìn)行GC分析，測(cè)定反應(yīng)物中單辛酸丙二醇酯與二辛酸丙二醇酯的相對(duì)含量，結(jié)果如下圖所示。 由圖可知，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)物中單辛酸丙二醇酯的含量先增加后逐漸降低，反應(yīng)1d時(shí)單辛酸丙二醇酯的含量達(dá)最高為42.5%，隨后逐漸降低。而二辛酸丙二醇酯的含量隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，反應(yīng)7d達(dá)85.6%繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)變化不大。參考文獻(xiàn)：沈樹