何璐紅，趙 揚，賀素姣

(河南應用技術職業(yè)學院，河南，鄭州 450042)

1 前言

生物催化反應具有高度的化學性、區(qū)域性和立體選擇性，特別適合合成藥物、食品和農(nóng)藥等精細化工產(chǎn)品，對單一反射功能化合物的需求逐年增加。生物催化劑因其來源廣泛、成本低、操作簡單、能夠循環(huán)利用必要的輔酶和化學修飾而受到有機化學家的歡迎。近年來，有關生物催化劑的研究報告增長迅速。生物催化劑能促進氧化還原、水解、酯化、加成和消除反應，并具有良好的立體選擇性性質(zhì)(包括區(qū)域異構和立體異構) ，因此可用于合成各種手性合成劑或中間體。酶對有機結合化學物質(zhì)反應的高效、高選擇性催化作用研究早已引起社會人們的注意，但直到近一二十年才被廣泛應用于教學有機合成一個反應。在使用微生物(如酵母、霉菌、細菌)代替純酶作為催化劑方面取得了很大進展。這些生物催化劑各有特點，其中一些會造成副作用，如酵母菌容易還原烷基化合物、真菌引起羥基化、細菌一般具有破壞性等。通過進行調(diào)節(jié)反應時間條件、添加化學劑或在有機溶劑中反應常可使結果可以得到有效改善。生物催化與傳統(tǒng)化學催化相比，具有反應條件溫和、優(yōu)異的化學選擇性、區(qū)域選擇性和立構選擇性，且能耗低、環(huán)境友好等特點，特別是對手性化合物的合成更具優(yōu)勢，因而在精細/大宗化學品、醫(yī)藥、食品、化妝品、生物能源、高分子材料、環(huán)保、紡織和造紙等工業(yè)領域有著廣泛的應用。文章主要綜述了生物催化劑在制藥、環(huán)保、化妝品、有機合成等方面的應用，總結了生物催化劑的應用現(xiàn)狀。

2 應用于有機合成反應

酶作為催化劑的氧化還原反應，在有輔酶參與反應的情況下，常得到具有光學活性的產(chǎn)物。要實現(xiàn)這一反應，也可以采用模擬酶催化劑催化液相氧氣,氧化芳香族化合物以及制備環(huán)氧化物。

2.1 氧化反應

醇氧化、醛氧化以及酮氧化成酯的反應都屬于酶催化的氧化反應。在生物藥品的制備中,很多氧化反應都是在酶的作用下完成的，例如:糠酸的制備是由新型P環(huán)糊精衍生物催化糠醛而來的，環(huán)己酮氧化成環(huán)已內(nèi)酯等。微生物細胞還可以將烯煙轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)氧化物。

2.2 醛和酮的還原反應

所有醛類,除甲醛之外都是潛手性的。只有在酶催化下,醛才能還原得到為手性的伯醇。例如，在酵母粉作用下，a-甲基苯丙醛可還原成伯醇。

2.3 二羰基及多羰基化合物的還原

在酶的作用下，含有兩個羰基以上的化合物進行還原反應，根據(jù)pH值等條件的變化，生成的產(chǎn)物也會有所不同。例如，在酵母作用下，下述的二羰基化合物pH值=5.0時,只有一個羰基被還原，顯示出高度的區(qū)域?qū)Ｒ恍院土Ⅲw專一性。但如果pH值增大,被還原的羥基也會相應地增多,就會生成二醇及部分消旋化合物。

酶串反應可以通過休眠細胞或凍干細胞在體內(nèi)或體外進行反應,根據(jù)催化劑的不同可以分為生物化學串級反應與生物串級反應，這些反應通常使用兩種或更多的酶來催化。Simon等使用非對稱的1,5-二酮為原料,首先在w-轉(zhuǎn)氨酶的催化下得到環(huán)狀亞胺，用來自于Chromobacterium violaceum的天然酶生成得到(2S)-亞胺，用ArRmutll工程酶得到(2S)-亞胺，再分別被LiAIH,和Pd/C還原，得到2,6二哌啶的4個立體異構體,并且反應收率和立體選擇性都很高。生物串級反應主要研究酶的選擇性和活性，應用也比較廣泛。Sehl 等以苯甲醛和丙酮酸為原料，經(jīng)過兩種酶催化，成功得到去甲麻黃堿和去甲偽麻黃堿。反應的第一步，以苯甲醛和丙酮酸為原料，用對映互補E.coli的聚醛酶進行催化，生產(chǎn)苯基乙酰基甲醇的非對映異構體。反應的第二步,用兩種來自C.violaceum和Aspergillu sterreus的w-轉(zhuǎn)氨酶合成4個非對映異構體。

酶串反應在底物和產(chǎn)物方面的應用范圍廣，設計方法隨意。但是,至今所報道的大部分酶串反應仍局限于理論研究,工業(yè)應用還較少。酶串反應的研究為目標化合物提供了新的合成方法，如w-羥基脂肪酸、二元酸等單體。今后酶串反應的研究重點主要是克服酶的抑制性以及與傳統(tǒng)化學更好地結合，加速實現(xiàn)工業(yè)化。

3 應用于環(huán)保工業(yè)

絕大多數(shù)的外源性化合物可被酶生物降解，例如多環(huán)芳烴、多硝基芳香化合物、殺蟲劑、植物漂白污水、合成染料以及防腐劑等。進行酶生物除污的關鍵是在操作時保持酶的活性最佳，還要求酶價格低廉，對底物的親和性高，支持產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化等。在生物除污中研究最多的酶是細菌單加氧酶或雙加氧酶、還原酶、脫鹵酶、細胞色素P450單加氧酶，以及漆酶、木質(zhì)素酶、細菌磷酸三酯酶等。其中漆酶是被廣泛研究的一種酶，它可以通過空氣中的氧氣直接催化氧化分解各種酚類染料、氯酚、硫酚、雙酚A以及芳香胺等。

4 應用于化妝品工業(yè)

化妝品工業(yè)中使用的成分大都是從石油化工原料中生產(chǎn)出來的，傳統(tǒng)上是采用化學催化過程合成，反應溫度較高，產(chǎn)品色澤欠佳，若含有不飽和化合物的副產(chǎn)物時則往往帶有令人不悅的氣味，通常這些產(chǎn)品需要進行漂白、除臭、干燥、過濾等下游處理。而生物催化劑的使用則可避免上述不利情況的發(fā)生，這對化妝品來說是非常重要的。如Uniehem Interna-tional公司利用固定化的脂肪酶來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的酸法生產(chǎn)十四酸異丙酯、棕櫚酸異丙酯和棕櫚酸2-乙基己基酯等，產(chǎn)品質(zhì)量較高。

熊果苷是最常見的美白產(chǎn)品，具有抑制黑色素細胞生成的作用。生物催化合成熊果苷的酶包括有a-淀粉酶、a-葡糖苷酶、轉(zhuǎn)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) 催化劑，以蔗糖和對苯二酚為原料，在抗壞血酸濃度為0.2 mmol/L時，a-熊果苷的得率高于90%。

潤膚醋是一種用途廣泛的多功能油脂類化合物，因其具有保濕特性面被用于化妝品中，如肉豆寇膠十四酯潤膚劑的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法是以草酸酯為催化劑，在高溫下通過酯交換反應講植物油和醇進行酯化而合成。若采用Noerm435脂防酶做催化劑。在75 ℃條件下，在沒有溶劑、反應物量相等的情況下進行了反應，肉豆酸十四前的空時收率為6 731/d/L,顯示出好的競爭力。

5 應用于生物能源工業(yè)

生物催化技術采用可再生的農(nóng)植物原料來生產(chǎn)清潔能源，這些清潔能源的使用將有助于環(huán)境的清潔，符合現(xiàn)代社會發(fā)展的方向，未來的需求將越來越大。人們通常將清潔能源分為生物柴油、生物乙醇以及生物氫和生物燃料電池幾類。

生物柴油是將動植物油脂在酶催化下酯化，所得的長鏈脂肪酸單酯碳鏈中的碳原子數(shù)為15～18，與石油裂化得到的普通柴油相似，其十六烷值、黏度、燃燒熱指標均可達到普通柴油的標準，重要的是其閃點比普通些油高，而濁點則更低，作燃料使用時其具有更高的安全性和抗凍性。生物柴油由可再生的動植物油脂制得，屬于可降解的再生能源，含硫量極低，燃燒時產(chǎn)生的廢物、廢氣少，對環(huán)境污染小，因此生物柴油的大規(guī)模生產(chǎn)受到關注。

生物乙醇則從玉米、甘蔗、甜菜和木薯等為原料制得，可作為石油燃料的替代品或作添加劑使用。當前一般是用酸將生物質(zhì)水解為糖，或用a-淀粉酶、葡糖淀粉酶、蔗糖酶、乳糖酶、纖維素酶、半纖維素酶等將淀粉、蔗糖、乳糖、纖維素、半纖維素發(fā)酵為糖，這些糖進一步被細菌、酵母菌、真菌發(fā)酵產(chǎn)生乙醇。

從生物體中獲得氫氣的研究大多集中于用氫化酶催化生產(chǎn)氫，例如用糖發(fā)酵生產(chǎn)氫，只是普遍產(chǎn)率較低。這促使人們運用基因組數(shù)據(jù)庫、基因組學來尋找新的氫化酶、過氧化物酶和漆酶等。這些酶作為電催化劑時同樣有廣泛的應用，尤其是在生物燃料電池的發(fā)展中得到應用。生物燃料電池的一個關鍵挑戰(zhàn)是酶和電極之間的低效電子傳導，而能觀察到的酶和電極之間能直接進行電子轉(zhuǎn)移只有細胞色素C、漆酶、氫化酶和幾種過氧化物酶。目前，對生物燃料電池的研發(fā)主要集中在生物催化劑酶的固定化、穩(wěn)定性以及納米結構生物催化劑上。

6 結論

越來越多的關注集中在酶催化有機合成反應上，推動了生物催化領域的發(fā)展。但是仍然面臨一些挑戰(zhàn)，首先需要篩選適合新工藝條件的新酶，另一方面要在已定的工藝條件下優(yōu)化現(xiàn)有酶，提高穩(wěn)定性和催化速率。雖然在酶及其變體用于特定合成步驟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。未來，酶串聯(lián)級及一鍋煮實現(xiàn)化學催化的方法有望被開發(fā)，這樣既能實現(xiàn)多種鍵同時被催化又可減少不必要的下游處理步驟?？梢灶A見，未來幾年更多的酶將用于化學反應，如環(huán)化酶、亞胺還原酶等。酶工程的發(fā)展、酶催化機制的完善、蛋白質(zhì)設計以及新酶的探索及開發(fā)在未來幾年將進一步擴大生物催化的使用范圍，并且將在實現(xiàn)新的化學反應、化學催化以及生物催化方面發(fā)揮重要作用。