无溶剂体系中的脂肪酶催化反应研究进展(2)

Wei等人同样使用CAL固定化脂肪酶,催化乙基葡萄糖苷与油酸反应得到了乙基葡萄糖苷单油酸酯,实验证明,对于底物混溶性低的酶催化反应,采用磁搅拌反应器更合适.实验中使用磁搅拌反应器,催化剂可以重复使用5次,活性都没有明显的损失.反应在低压下进行,8h内产率可达97%.Yu

[23]

等人研究了无溶剂条件下脂肪酶催化

脱水山梨糖醇与油酸的反应,通过实验,比较得到Novozym435在无溶剂条件下有最好的催化活性.在反应10次后,脂肪酶催化酯化仍得到90%以上的转化率.

2.2无溶剂体系中的酶催化酯交换反应

[25]

2.2.1醇解反应　　2002年,Dossat等研究了无溶剂体系中,Lipozyme固定化脂肪酶催化富含油酸

600　　　　　　　　　　　　　　分　　子　　催　　化　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第20卷　

(83.5%)的向日葵油与丁醇的反应.得到的产品有丁酯65%,单油酸甘油酯26%,二油酸甘油酯6%,三油酸甘油酯3%,这种混合物有良好的润滑性和表面活性.且在无溶剂条件下反应进行三个月,酶催化活性没有任何的损失,与此相反的是,当使用正己烷为溶剂时反应进行几个小时,酶活性便完全丧失.

[27]

同年还是Dossat等分别在正己烷和无溶剂体系中,研究了上述反应的动力学和热力学特点.从动力学角度,在无溶剂条件下反应比在正己烷中反应,有更高的初速度且生成了6倍于正己烷中的产物;在热力学平衡时,无溶剂条件下只有65%的油酸转化为产物,而正己烷中有95%转化为产物.Kose等在无溶剂条件下,使用Novozym435(Candidaantartica)固定化酶催化棉子油与一级醇和二级醇的醇解反应.Soumanou

[29]

[28][26]

进行无溶剂酶催化酯交换反应.实验证明,在无溶剂体系中,Rhizopusarrbizus和Candidarugosa两种脂肪酶可以直接与硅胶载体混合而催化反应,其催

[33]

化活性远远高于在异丙醚体系中的催化活性,而且反应转化率均可以达到90%以上,并可以重复使用,展示出无溶剂体系酶催化反应在工业化生产中的巨大潜力.

2.2.2酸解反应　　Tennings和Akoh分别在正己烷和无溶剂两种体系中,研究了LipozymeM60(Rhizomucormiehei)I固定化酶催化含有34.7%的二十碳五烯酸(EPA)和34.4%的二十二碳六烯酸(DHA)鲱鱼油与癸酸发生酯交换反应.在正己烷和无溶剂体系中,随着酶固载、底物比率、反应时间的增加,与鲱鱼油反应的癸酸摩尔率会增加,既然在无溶剂体系中反应仍能很好得进行,对于食品工业来说,无溶剂酶催化油脂改性更合适.

表1在正己烷和无溶剂两种条件下,鲱鱼油中相应的

脂肪酸在反应前后组成发生的变化[34]

Table.1Relativefattyacidcomposition(mol%)inmenhaden

fishoilbeforeandaftermodificationwithand

withouthexanea

FattyacidBeforemodification10∶014∶014∶116∶016∶1n-718∶018∶1n-918∶2n-618∶3n-320∶020∶1n-920∶5n-312∶6n-3

0.0±0.01.9±0.61.2±0.12.5±0.92.7±0.13.5±0.39.9±1.71.8±0.61.5±0.40.4±0.15.0±2.234.7±3.034.4±3.1

AftermodificationHexane

Solvent-free28.8±4.79.7±6.1ND15.1±2.09.4±2.21.2±1.36.3±1.4NDNDNDND16.1±5.713.5±3.0

[34]

等人在研究酶

催化向日葵油生成其甲酯的反应中,使用正己烷和

石油醚作为溶剂,可以得到最高80%的转化率.实验也测定了无溶剂条件下,不同酶对醇解反应的影响,AmanoAK(Pseudomonasfluorescens)脂肪酶催化下,油和醇最高摩尔比为1/4.5时,可以得到最高的转化率﹥90%,而且使用LipozymeRMIM(Rhizomucormiehei)固定化酶时,可得到﹥80%的转化率,反应进行120h以上,酶催化活性没有明显的丧失.这也说明了在无溶剂体系中,选择合适的酶来催化反应,可以得到比有机溶剂中更好的结果.

另外,Rosu等使用假单胞菌脂肪酶(Pseud-omonasfluorescens),在低压,无溶剂条件下,催化二十二碳六烯酸(DHA)乙酯与甘油反应.实验证明将脂肪酶优先固定在粉碎的CaCO3颗粒上,从而提高了反应速率,反应8h转化率可达96%,在酶未固定化前,转化率仅为43%.在无溶剂体系反应,通过固定化酶,可以极大地提高了反应速率和转化率.

国内在这方面的研究开始的比较晚,夏咏梅

[31]

[30]

31.1±4.69.5±1.2NDb13.6±1.011.2±0.61.6±1.16.7±3.1NDNDNDND12.6±3.113.7±4.4

等首次报道了以自制铜绿假单胞菌脂肪酶

(Pseudomonasfluorescens)为催化剂,通过无溶剂法棕榈油甘油解反应催化合成了单脂肪酸甘油酯.采

用了程序降温和批次加酶的方式,实验在反应48h后得到65%的单甘酯,脱酶后达77%.马林

[32]

　　aValuesareaverageoftwodeterminationswithstandard

deviations.

等ND,notdetected.

(35)

人用硅胶等作为载体,以癸酸乙酯和己醇的酯交换为模型反应,将脂肪酶,底物直接与硅胶等混合,　　Yang等在无溶剂条件下,LipozymeRMIM催化猪油和大豆脂肪酸反应,反应条件温和,得到

第6期　　　　　　　　　　　　　　　　吴小梅等:无溶剂体系中的脂肪酶催化反应研究进展601

的产物与乳脂成分类似,其熔点(32-25℃)及亚油酸与亚麻酸的比率(10.5)都与乳脂的相同,实验证明,猪油与大豆脂肪酸经酶催化酸解后得到的产物

(36)

可以作为乳脂的代替品.石红旗等人研究了无溶剂体系中Novozym435催化共轭亚油酸与油脂反应的主要影响因素.甘油酯中共轭亚油酸的含量随温度、反应时间、底物配比增加而提高,其中反应时间的影响最为显著.水分含量对酸解反应具有负影响,因此在无溶剂体系中,只有在最适水量时,酶才能表现出最大活力,这一点至关重要.

[37]

2.2.3转酯反应　　Bousquet等人在无溶剂条件下,使用Novozym435(Candidaantartica)固定化酶催化α-丁基葡萄糖苷与乳酸丁酯发生酯交换反应.反应仅30h就有95%以上的0.5mol/L的α-丁基葡萄糖苷转化为产物,得到了高浓度的产物(170g/L).因此无溶剂酶促合成α-丁基葡萄糖苷乳酸酯是一种非常有效的方法,不仅适用于乳酸,而且对其他α-羟基酸也同样适用.

Xu等

[38]

435催化大豆油合成其甲酯,大豆油甲酯可以作为生物柴油使用.反应可得到最高92%的甲酯产率,此无溶剂反应体系可方便地循环使用酶,且副产品

[39]

甘油三酯对产物没有副作用.刘伟雄等人研究了固定化酶催化乌桕酯与硬脂酸甲酯的酯交换反应.提出用水合盐对进行体系水分控制,水合盐对能够吸收或释放水分以使水含量在反应过程中保持

[40]

不变,无论两种形式的盐的相对含量大小如何.这就解决了无溶剂体系中水含量的控制问题,使体系保持在最佳含水量.2.3无溶剂体系中的酶催化拆分反应

2002年,Kondaveti

[41]

等人首先报道了无溶剂

体系中Novozym435(Candidaantartica)固定化酶催化4位或6位被取代的外消旋己内酯的动力学拆分,得到(S)型己内酯丁醇解产物,而(R)型己内酯不发生丁醇解,且(R)型的光学选择性达到了97%以上.尽管4位或6位的立构中心与羰基之间隔了较大的距离(3到5个键),反应仍有很高的对映选择性

使用乙酸甲酯为酰基受体,Novozym

图4固定化酶催化4位或6位被取代的外消旋己内酯的动力学拆分(41)

Fig.4Kineticresolutionsofthelactones1,2,and3with1.5molarequivalentsofn-butanolusingNovozym-435

　　关于无溶剂体系中,酶催化动力学拆分布洛芬的研究已经有所报道

[42,43,44]

酶促反应有很高的底物浓度,可以在4.1M时实现对ketoprofen酯的动力学拆分,这是ketoprofen酯拆分可达到的最大浓度.实验证明,2-(3-苯甲酰苯

基)丙酸丙酯在无溶剂两相体系中得到的产量是在有机溶剂中醇与酸反应得到的10100倍,同时无溶剂体系与有机溶剂下的对映选择性很接近.Keto-profen丁酯在无溶剂两相体系中得到了最好的结果,现在可以扩大到大规模的生产,而且这种新颖

,而且有很好的产率.

由于无溶剂体系中ketoprofen(即2-(3-苯甲酰苯基)丙酸酯)的浓度很高,容易发生不需要酶催化的酯化反应,因此关于对ketoprofen的拆分一直很少有成功的.Jin

[45]

等人设计了无溶剂两相体系(见下

图),即纯液体底物相(有机相)和水相,脂肪酶催化外消旋的ketoprofen酯的拆分.在无溶剂体系中,

602　　　　　　　　　　　　　　分　　子　　催　　化　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第20卷　

的无溶剂两相反应体系也可以用来生产其他的手性药物.由于无溶剂体系不使用有机溶剂,这个过程是环境友好的

图6脂肪酶催化1.3-亚丙基碳酸酯开环反应[49]Fig.6Lipase-catalyzedring-openingpolymerizationoftrimethylenecarbonatetolinearpoly(trimethylenecarbonate)

结论与展望

综上所述,无溶剂体系中的酶催化反应以其独特的优越性引起了广大生物学家和化学家的兴趣.

图5无溶剂两相体系脂肪酶催化外消旋的ketoprofen

酯的拆分的示意图[45]

ig.5Schematicdiagramofthesolvent-freetwo-phasesystem

forthehydrolysisofketoprofenesters.

许多研究工作者正致力于这一领域的探索.许多常用的酶催化剂,在有机溶剂和水中可以保持活性的,研究发现它们在无溶剂条件下的活性和稳定性仍然保持很好;而且由于无溶剂体系不使用有机溶剂,反应后体系中混合物成分少,简化了产物的分离提纯;且减小了毒性和可燃性,从而降低了生产成本,减少了对环境的污染.

目前大多数研究主要集中在实验室实现反应的基础研究上,在保持酶活和酶的立体选择性的前提下,尽可能提高反应底物的浓度,促进平衡向生成产物的方向移动,并大大提高反应速率和产物收率.为此必须深入研究此类酶促反应的热力学和动力学模型,逐渐摸索酶促反应中各因素的调控,使之更好的用于大规模生产.随着生物化学和其他相关学科的发展,酶催化反应机制将会被人们认识和掌握,酶法和化学法相结合将会使有机合成化学更好的应用于各个领域.参考文献:

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