基于生物酶催化在工業(yè)合成中的應(yīng)用

＊伊慧敏 劉霞 常華

（國藥集團(tuán)威奇達(dá)藥業(yè)有限公司 山西 037300）

在現(xiàn)代工業(yè)合成的領(lǐng)域中，生物酶催化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用受到了極大的關(guān)注。這種技術(shù)利用生物體自然產(chǎn)生的蛋白質(zhì)—生物酶，以其特有的催化效率和選擇性，為化學(xué)合成提供了新的途徑。生物酶催化不僅在藥物合成、食品加工、生物燃料生產(chǎn)等多個領(lǐng)域展現(xiàn)了其巨大潛力，還在環(huán)境友好、能源節(jié)約方面也展示了顯著優(yōu)勢[1]。盡管如此，生物酶催化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如酶的穩(wěn)定性、反應(yīng)條件的優(yōu)化及工業(yè)化生產(chǎn)的成本效益分析等。本文旨在深入探討生物酶催化技術(shù)在工業(yè)合成中的應(yīng)用，包括其催化原理、工業(yè)應(yīng)用案例及影響催化效率的關(guān)鍵因素。通過對現(xiàn)有研究的分析和總結(jié)，旨在為工業(yè)合成領(lǐng)域提供新的視角和解決方案，推動生物酶催化技術(shù)在更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮作用。

1.生物酶催化的基本原理

（1）生物酶的定義和應(yīng)用分類。生物酶作為高效的生物催化劑，其定義和應(yīng)用分類在工業(yè)合成領(lǐng)域具有重要意義。生物酶是由生物體產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，能特異性地催化化學(xué)反應(yīng)，有效地降低反應(yīng)的活化能，加速反應(yīng)進(jìn)程。在工業(yè)小分子合成領(lǐng)域，生物酶的應(yīng)用已實(shí)現(xiàn)顯著突破，特別是在生物工程和精細(xì)化學(xué)工業(yè)中[2]。通過生物工程和發(fā)酵技術(shù)改良的酶，其適應(yīng)性和穩(wěn)定性得到了顯著提升，這不僅降低能源消耗，還提高反應(yīng)效率和環(huán)境改善。

目前，工業(yè)應(yīng)用中的生物酶可分為六大類：氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、裂合酶、異構(gòu)酶和合成酶。氧化還原酶在氧化還原反應(yīng)中發(fā)揮作用，如在藥物合成和生物燃料生產(chǎn)中的應(yīng)用；轉(zhuǎn)移酶可促進(jìn)一種化學(xué)基團(tuán)從一種分子轉(zhuǎn)移到另一種分子，廣泛應(yīng)用于糖類和氨基酸的合成；水解酶能催化特定鍵的水解，如在洗滌劑和食品加工中的應(yīng)用；裂合酶在合成或斷裂化學(xué)鍵時發(fā)揮作用，用于生產(chǎn)合成材料和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化；異構(gòu)酶能催化同一分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)重排，應(yīng)用于生產(chǎn)不同結(jié)構(gòu)的糖類；合成酶則催化多個小分子合成大分子，如在聚合物合成和修飾中的應(yīng)用。

圖1 生物催化劑技術(shù)及其在工業(yè)合成中的分類

（2）催化機(jī)理。生物酶催化反應(yīng)的機(jī)理關(guān)鍵在于其能夠顯著降低化學(xué)反應(yīng)的活化能。活化能是啟動反應(yīng)所需的最低能量，傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)中通常需要高溫、高壓或強(qiáng)酸、強(qiáng)堿環(huán)境來提供能量。相比之下，生物酶通過其獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)提供了一個特異的活性位點(diǎn)，這個位點(diǎn)能夠精準(zhǔn)地與底物結(jié)合，通過改變底物的電子分布，降低其化學(xué)反應(yīng)的過渡態(tài)能量[3]。這種結(jié)合不僅降低底物達(dá)到過渡態(tài)所需的能量，也增強(qiáng)反應(yīng)的方向性和選擇性。

此外，酶催化過程通常伴隨著底物的微環(huán)境調(diào)整，如pH值和離子強(qiáng)度的優(yōu)化，進(jìn)一步促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。酶的這些特性使其在工業(yè)合成中成為理想的催化劑，特別是在需要精確控制反應(yīng)條件和產(chǎn)物特異性的場合。通過生物酶的應(yīng)用，工業(yè)過程可以在更溫和、更環(huán)保的條件下實(shí)現(xiàn)，從而減少能源消耗和環(huán)境污染，推動可持續(xù)發(fā)展。

2.影響生物酶催化效率的因素

生物酶催化的不對稱合成技術(shù)在工業(yè)化學(xué)合成中占據(jù)重要地位，尤其是在生產(chǎn)手性藥物方面。該技術(shù)利用手性催化劑控制非手性底物的不對稱合成，通過添加少量生物酶作為催化劑，促進(jìn)底物或試劑形成高反應(yīng)活性的中間體。生物酶的手性模板功能精確控制反應(yīng)物的對映選擇性，實(shí)現(xiàn)高度立體選擇性、位點(diǎn)和區(qū)域選擇性的轉(zhuǎn)化[4]。在實(shí)際應(yīng)用中，生物酶的效率受到催化介質(zhì)的調(diào)整、催化活性元素、輔助催化劑和固定化等因素的影響，這些因素共同決定了生物催化反應(yīng)的效率和產(chǎn)物的質(zhì)量。

（1）催化介質(zhì)的調(diào)整。在生物酶催化的工業(yè)應(yīng)用中，催化介質(zhì)的調(diào)整對酶活性及選擇性的影響不容忽視。生物酶作為高效催化劑，其結(jié)構(gòu)和功能易受介質(zhì)類型及其組成的影響。溶劑作為介質(zhì)的主要成分，根據(jù)其性質(zhì)可分為水性、非水性及兩性溶劑，每種溶劑對生物酶的立體選擇性、催化效率及活性構(gòu)型均產(chǎn)生顯著影響。在手性催化合成過程中，常用非水性或兩性溶劑（如乙醇、甲醇、丙酮/水混合物等）以優(yōu)化反應(yīng)條件。這些溶劑通過調(diào)節(jié)酶的微環(huán)境，改變其疏水作用、氫鍵及傳質(zhì)阻力等非共價作用，進(jìn)而影響酶的熱穩(wěn)定性、反應(yīng)平衡及立體選擇性。介質(zhì)中的水分含量對生物酶的活性具有決定性作用。水合作用和疏水作用對酶的立體選擇性和催化效率產(chǎn)生直接影響。此外，有機(jī)溶劑的比例在維持最佳生物酶活性方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，有機(jī)溶劑可能直接參與反應(yīng)過程，影響酶催化的效率。

為了優(yōu)化生物酶的催化活性和選擇性，可通過調(diào)節(jié)介質(zhì)的組成來實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，利用正交試驗方法驗證不同比例的有機(jī)-水介質(zhì)對酶催化活性的具體影響。正交試驗通過系統(tǒng)地改變?nèi)軇╊愋秃捅壤治銎鋵ι锩富钚院瓦x擇性的影響，從而找到最佳反應(yīng)條件。這一過程中，統(tǒng)計學(xué)據(jù)、實(shí)驗數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)值的分析對于理解和優(yōu)化生物酶在工業(yè)合成中的應(yīng)用至關(guān)重要。綜合考慮，介質(zhì)的選擇和調(diào)整在生物酶催化過程中扮演重要角色，其對生物酶的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生顯著影響，通過精確控制和優(yōu)化溶劑類型及比例，可以顯著提升生物酶的催化效率和選擇性，進(jìn)而推動工業(yè)合成過程的高效進(jìn)行。

（2）催化活性元素。在工業(yè)化學(xué)合成中，催化劑中的活性元素，如金屬離子及其配體，對于提升生物酶的活性和延長轉(zhuǎn)化效率發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。例如，過渡金屬離子（鐵、鋅、錳、鈣）和各種配體（咪唑、卟啉、酰胺、含硫配體等）在生物酶的催化過程中，通過形成高配位化合物，促進(jìn)底物的有效捕獲，并適應(yīng)催化活性中心。這些金屬原子在酶分子中通常以高配位狀態(tài)存在，使得底物能夠更容易接近催化位點(diǎn)，從而提高催化效率。金屬與酶的結(jié)合通常相對較弱，允許其他離子的替代，這種可替換性使得催化系統(tǒng)具有一定的靈活性和適應(yīng)性，對于調(diào)整和優(yōu)化催化活性至關(guān)重要。

此外，金屬離子中心的結(jié)構(gòu)在電子傳遞和原子或官能團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過電子的有效傳遞，金屬離子可以促進(jìn)酶分子中關(guān)鍵反應(yīng)步驟的進(jìn)行，增強(qiáng)催化反應(yīng)的效率。在工業(yè)化學(xué)合成的設(shè)計階段，活性元素的選擇和優(yōu)化是不可忽視的環(huán)節(jié)。合理設(shè)計含有有效金屬離子和配體的催化劑，以及適當(dāng)?shù)妮o基結(jié)合，不僅可以顯著提升生物酶的催化活性，還可以延長其轉(zhuǎn)化效率，對于提高整個工業(yè)合成過程的效率和可持續(xù)性具有重要意義。因此，在工業(yè)化學(xué)合成中，催化劑的活性元素的選擇和優(yōu)化是提升生物酶活性和延長轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵因素。

（3）輔助催化劑。在生物酶催化的工業(yè)應(yīng)用中，輔助催化劑的角色至關(guān)重要。這些通常源自水溶性B族維生素的小分子化合物，對電子、質(zhì)子和?；鶄鬟f過程中發(fā)揮著核心作用。輔助催化劑的選擇與主要酶種類的確定緊密相連，其優(yōu)化對于催化反應(yīng)的效率和精確度至關(guān)重要。在工業(yè)化學(xué)合成的設(shè)計階段，輔助催化劑的使用量和比例是優(yōu)化催化反應(yīng)效率的一個關(guān)鍵因素。

輔助催化劑直接參與催化反應(yīng)，具有多種作用機(jī)制。不僅負(fù)責(zé)傳遞電子或質(zhì)子，還參與?；吞蓟鶊F(tuán)的傳遞。此外，輔助催化劑在某些情況下充當(dāng)二氧化碳等產(chǎn)物的載體，從而影響催化反應(yīng)的總體效率和產(chǎn)物分布。生物酶在工業(yè)應(yīng)用中，進(jìn)行電子傳遞和質(zhì)子傳遞的復(fù)雜反應(yīng)時輔助催化劑的功能非常重要。

（4）酶的固定化技術(shù)。生物酶的穩(wěn)定性直接影響催化反應(yīng)效率和工業(yè)生產(chǎn)成本，而固定化技術(shù)則是維持酶穩(wěn)定性的關(guān)鍵策略之一。這種技術(shù)通常涉及使用高分子材料作為載體，通過離子鍵吸附、交聯(lián)或包埋方法實(shí)現(xiàn)酶的固定化。這些方法通過物理或化學(xué)手段將酶固定在載體上，從而提高酶的穩(wěn)定性和使用壽命。

固定化酶的物理化學(xué)性質(zhì)取決于載體材料和修飾劑的選擇。合適的載體材料和修飾劑可以優(yōu)化固定化酶的機(jī)械強(qiáng)度、活性基團(tuán)的數(shù)量及化學(xué)穩(wěn)定性。然而，固定化技術(shù)面臨的主要問題包括載體材料的形態(tài)和機(jī)械強(qiáng)度差異、活性基團(tuán)數(shù)量的限制及化學(xué)穩(wěn)定性問題。這些因素會對生物酶的活性中心產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而影響催化反應(yīng)的效率[5]。

3.生物酶催化的應(yīng)用價值及案例分析

（1）應(yīng)用價值分析。生物酶催化在降低能耗和減少環(huán)境污染方面展現(xiàn)出巨大潛力。與傳統(tǒng)化學(xué)催化方法相比，生物酶催化反應(yīng)通常在更溫和的條件下進(jìn)行，例如常溫和常壓，從而顯著減少能源消耗。此外，生物酶的高選擇性和專一性降低副產(chǎn)品的生成，減少廢物排放，進(jìn)而減輕對環(huán)境的負(fù)擔(dān)。例如，在BASF公司的丙烯酰胺生產(chǎn)中，使用生物酶催化方法較傳統(tǒng)方法更環(huán)保，減少了對環(huán)境的影響。

從經(jīng)濟(jì)角度來看，生物酶催化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中提供了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。生物酶的應(yīng)用能夠提高反應(yīng)的產(chǎn)率和純度，減少后處理和凈化步驟，從而降低生產(chǎn)成本。此外，生物酶的重復(fù)使用和長期穩(wěn)定性也有助于減少生產(chǎn)過程中的材料成本。例如，DSM公司通過生物酶技術(shù)實(shí)施的多噸級生物過程，不僅提高了藥物合成的效率，而且降低了生產(chǎn)成本，展現(xiàn)生物酶在工業(yè)應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)價值。

（2）生物酶在工業(yè)合成中的應(yīng)用案例。BASF公司的南京工廠使用生物酶作為催化劑進(jìn)行丙烯酰胺的生產(chǎn)，年產(chǎn)量超過50000t。這個過程相比傳統(tǒng)的高壓銅催化方法，在常溫常壓下進(jìn)行，顯著降低了能源消耗和環(huán)境影響，產(chǎn)生的副產(chǎn)品更少。這種生物催化技術(shù)在廢水處理、造紙業(yè)、礦物加工和增強(qiáng)型石油回收等行業(yè)至關(guān)重要。

另一方面，DSM公司和Almac集團(tuán)合作，為制藥行業(yè)提供生物催化技術(shù)，尤其在藥物中間體和活性藥物成分（API）的合成中[6]。DSM在多噸級生產(chǎn)規(guī)模上實(shí)施了超過30個商業(yè)生物過程，展示了在制藥領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

在實(shí)際應(yīng)用中，手性藥物的不對稱合成包括使用商業(yè)活性干酵母、葡萄糖和4-氯乙酰乙酸乙酯在30℃下進(jìn)行全細(xì)胞催化反應(yīng)（詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示）。此過程中，多種因素如生物酶、輔酶、活性因子和物料投加順序等對反應(yīng)結(jié)果有顯著影響。

表1 手性藥物的不對稱合成參數(shù)

4.結(jié)語

本研究全面探討了生物酶催化在工業(yè)合成中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了其在促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展和提高經(jīng)濟(jì)效益方面的重要性。生物酶作為高效、專一的催化劑，在常溫常壓下進(jìn)行的反應(yīng)不僅降低能源消耗，還減少環(huán)境污染，這對于實(shí)現(xiàn)綠色化工產(chǎn)業(yè)具有重要意義。此外，生物酶催化技術(shù)在提高反應(yīng)產(chǎn)率和純度、降低生產(chǎn)成本方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。因此，生物酶催化技術(shù)在工業(yè)合成領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅是科學(xué)研究的重要進(jìn)展，也為工業(yè)生產(chǎn)提供了可行且高效的解決方案。