基于生物酶催化在工业合成中的应用

＊伊慧敏 刘霞 常华

（国药集团威奇达药业有限公司 山西 037300）

在现代工业合成的领域中，生物酶催化技术的发展和应用受到了极大的关注。这种技术利用生物体自然产生的蛋白质—生物酶，以其特有的催化效率和选择性，为化学合成提供了新的途径。生物酶催化不仅在药物合成、食品加工、生物燃料生产等多个领域展现了其巨大潜力，还在环境友好、能源节约方面也展示了显著优势[1]。尽管如此，生物酶催化技术在实际应用中仍面临一些挑战，例如酶的稳定性、反应条件的优化及工业化生产的成本效益分析等。本文旨在深入探讨生物酶催化技术在工业合成中的应用，包括其催化原理、工业应用案例及影响催化效率的关键因素。通过对现有研究的分析和总结，旨在为工业合成领域提供新的视角和解决方案，推动生物酶催化技术在更广泛的应用领域中发挥作用。

1.生物酶催化的基本原理

（1）生物酶的定义和应用分类。生物酶作为高效的生物催化剂，其定义和应用分类在工业合成领域具有重要意义。生物酶是由生物体产生的蛋白质，能特异性地催化化学反应，有效地降低反应的活化能，加速反应进程。在工业小分子合成领域，生物酶的应用已实现显著突破，特别是在生物工程和精细化学工业中[2]。通过生物工程和发酵技术改良的酶，其适应性和稳定性得到了显著提升，这不仅降低能源消耗，还提高反应效率和环境改善。

目前，工业应用中的生物酶可分为六大类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶和合成酶。氧化还原酶在氧化还原反应中发挥作用，如在药物合成和生物燃料生产中的应用；转移酶可促进一种化学基团从一种分子转移到另一种分子，广泛应用于糖类和氨基酸的合成；水解酶能催化特定键的水解，如在洗涤剂和食品加工中的应用；裂合酶在合成或断裂化学键时发挥作用，用于生产合成材料和生物质转化；异构酶能催化同一分子内部的结构重排，应用于生产不同结构的糖类；合成酶则催化多个小分子合成大分子，如在聚合物合成和修饰中的应用。

图1 生物催化剂技术及其在工业合成中的分类

（2）催化机理。生物酶催化反应的机理关键在于其能够显著降低化学反应的活化能。活化能是启动反应所需的最低能量，传统化学反应中通常需要高温、高压或强酸、强碱环境来提供能量。相比之下，生物酶通过其独特的空间结构提供了一个特异的活性位点，这个位点能够精准地与底物结合，通过改变底物的电子分布，降低其化学反应的过渡态能量[3]。这种结合不仅降低底物达到过渡态所需的能量，也增强反应的方向性和选择性。

此外，酶催化过程通常伴随着底物的微环境调整，如pH值和离子强度的优化，进一步促进反应的进行。酶的这些特性使其在工业合成中成为理想的催化剂，特别是在需要精确控制反应条件和产物特异性的场合。通过生物酶的应用，工业过程可以在更温和、更环保的条件下实现，从而减少能源消耗和环境污染，推动可持续发展。

2.影响生物酶催化效率的因素

生物酶催化的不对称合成技术在工业化学合成中占据重要地位，尤其是在生产手性药物方面。该技术利用手性催化剂控制非手性底物的不对称合成，通过添加少量生物酶作为催化剂，促进底物或试剂形成高反应活性的中间体。生物酶的手性模板功能精确控制反应物的对映选择性，实现高度立体选择性、位点和区域选择性的转化[4]。在实际应用中，生物酶的效率受到催化介质的调整、催化活性元素、辅助催化剂和固定化等因素的影响，这些因素共同决定了生物催化反应的效率和产物的质量。

（1）催化介质的调整。在生物酶催化的工业应用中，催化介质的调整对酶活性及选择性的影响不容忽视。生物酶作为高效催化剂，其结构和功能易受介质类型及其组成的影响。溶剂作为介质的主要成分，根据其性质可分为水性、非水性及两性溶剂，每种溶剂对生物酶的立体选择性、催化效率及活性构型均产生显著影响。在手性催化合成过程中，常用非水性或两性溶剂（如乙醇、甲醇、丙酮/水混合物等）以优化反应条件。这些溶剂通过调节酶的微环境，改变其疏水作用、氢键及传质阻力等非共价作用，进而影响酶的热稳定性、反应平衡及立体选择性。介质中的水分含量对生物酶的活性具有决定性作用。水合作用和疏水作用对酶的立体选择性和催化效率产生直接影响。此外，有机溶剂的比例在维持最佳生物酶活性方面发挥关键作用，有机溶剂可能直接参与反应过程，影响酶催化的效率。

为了优化生物酶的催化活性和选择性，可通过调节介质的组成来实现。在此基础上，利用正交试验方法验证不同比例的有机-水介质对酶催化活性的具体影响。正交试验通过系统地改变溶剂类型和比例，分析其对生物酶活性和选择性的影响，从而找到最佳反应条件。这一过程中，统计学据、实验数据及相关参数值的分析对于理解和优化生物酶在工业合成中的应用至关重要。综合考虑，介质的选择和调整在生物酶催化过程中扮演重要角色，其对生物酶的结构和功能产生显著影响，通过精确控制和优化溶剂类型及比例，可以显著提升生物酶的催化效率和选择性，进而推动工业合成过程的高效进行。

（2）催化活性元素。在工业化学合成中，催化剂中的活性元素，如金属离子及其配体，对于提升生物酶的活性和延长转化效率发挥着至关重要的作用。例如，过渡金属离子（铁、锌、锰、钙）和各种配体（咪唑、卟啉、酰胺、含硫配体等）在生物酶的催化过程中，通过形成高配位化合物，促进底物的有效捕获，并适应催化活性中心。这些金属原子在酶分子中通常以高配位状态存在，使得底物能够更容易接近催化位点，从而提高催化效率。金属与酶的结合通常相对较弱，允许其他离子的替代，这种可替换性使得催化系统具有一定的灵活性和适应性，对于调整和优化催化活性至关重要。

此外，金属离子中心的结构在电子传递和原子或官能团转移反应中发挥关键作用。通过电子的有效传递，金属离子可以促进酶分子中关键反应步骤的进行，增强催化反应的效率。在工业化学合成的设计阶段，活性元素的选择和优化是不可忽视的环节。合理设计含有有效金属离子和配体的催化剂，以及适当的辅基结合，不仅可以显著提升生物酶的催化活性，还可以延长其转化效率，对于提高整个工业合成过程的效率和可持续性具有重要意义。因此，在工业化学合成中，催化剂的活性元素的选择和优化是提升生物酶活性和延长转化效率的关键因素。

（3）辅助催化剂。在生物酶催化的工业应用中，辅助催化剂的角色至关重要。这些通常源自水溶性B族维生素的小分子化合物，对电子、质子和酰基传递过程中发挥着核心作用。辅助催化剂的选择与主要酶种类的确定紧密相连，其优化对于催化反应的效率和精确度至关重要。在工业化学合成的设计阶段，辅助催化剂的使用量和比例是优化催化反应效率的一个关键因素。

辅助催化剂直接参与催化反应，具有多种作用机制。不仅负责传递电子或质子，还参与酰基和碳基团的传递。此外，辅助催化剂在某些情况下充当二氧化碳等产物的载体，从而影响催化反应的总体效率和产物分布。生物酶在工业应用中，进行电子传递和质子传递的复杂反应时辅助催化剂的功能非常重要。

（4）酶的固定化技术。生物酶的稳定性直接影响催化反应效率和工业生产成本，而固定化技术则是维持酶稳定性的关键策略之一。这种技术通常涉及使用高分子材料作为载体，通过离子键吸附、交联或包埋方法实现酶的固定化。这些方法通过物理或化学手段将酶固定在载体上，从而提高酶的稳定性和使用寿命。

固定化酶的物理化学性质取决于载体材料和修饰剂的选择。合适的载体材料和修饰剂可以优化固定化酶的机械强度、活性基团的数量及化学稳定性。然而，固定化技术面临的主要问题包括载体材料的形态和机械强度差异、活性基团数量的限制及化学稳定性问题。这些因素会对生物酶的活性中心产生不利影响，进而影响催化反应的效率[5]。

3.生物酶催化的应用价值及案例分析

（1）应用价值分析。生物酶催化在降低能耗和减少环境污染方面展现出巨大潜力。与传统化学催化方法相比，生物酶催化反应通常在更温和的条件下进行，例如常温和常压，从而显著减少能源消耗。此外，生物酶的高选择性和专一性降低副产品的生成，减少废物排放，进而减轻对环境的负担。例如，在BASF公司的丙烯酰胺生产中，使用生物酶催化方法较传统方法更环保，减少了对环境的影响。

从经济角度来看，生物酶催化技术在工业生产中提供了显著的经济效益。生物酶的应用能够提高反应的产率和纯度，减少后处理和净化步骤，从而降低生产成本。此外，生物酶的重复使用和长期稳定性也有助于减少生产过程中的材料成本。例如，DSM公司通过生物酶技术实施的多吨级生物过程，不仅提高了药物合成的效率，而且降低了生产成本，展现生物酶在工业应用中的经济价值。

（2）生物酶在工业合成中的应用案例。BASF公司的南京工厂使用生物酶作为催化剂进行丙烯酰胺的生产，年产量超过50000t。这个过程相比传统的高压铜催化方法，在常温常压下进行，显著降低了能源消耗和环境影响，产生的副产品更少。这种生物催化技术在废水处理、造纸业、矿物加工和增强型石油回收等行业至关重要。

另一方面，DSM公司和Almac集团合作，为制药行业提供生物催化技术，尤其在药物中间体和活性药物成分（API）的合成中[6]。DSM在多吨级生产规模上实施了超过30个商业生物过程，展示了在制药领域的应用潜力。

在实际应用中，手性药物的不对称合成包括使用商业活性干酵母、葡萄糖和4-氯乙酰乙酸乙酯在30℃下进行全细胞催化反应（详细数据如表1所示）。此过程中，多种因素如生物酶、辅酶、活性因子和物料投加顺序等对反应结果有显著影响。

表1 手性药物的不对称合成参数

4.结语

本研究全面探讨了生物酶催化在工业合成中的应用，强调了其在促进环境可持续发展和提高经济效益方面的重要性。生物酶作为高效、专一的催化剂，在常温常压下进行的反应不仅降低能源消耗，还减少环境污染，这对于实现绿色化工产业具有重要意义。此外，生物酶催化技术在提高反应产率和纯度、降低生产成本方面展现出巨大的优势。因此，生物酶催化技术在工业合成领域的应用，不仅是科学研究的重要进展，也为工业生产提供了可行且高效的解决方案。