生物催化剂

生物催化剂

生物催化是利用生物催化剂（酶或微生物）来改变（通常是加速）化学反应的速率。生物催化剂是游离或固定化细胞中催化生物反应的游离或固定化酶的总称。特点：1.极高的效率。2.高度特异性。3.条件温和。4.清洁环保。生物催化剂的应用。目前，生物催化工艺对化学工业产生了重大影响，全球酶市场规模约10亿美元。传统上，微生物和酶工艺用于生物衍生原料，现在开始向石油衍生材料领域扩展。此外，手性酶在有机药物合成和柴油微生物脱硫中得到广泛应用，并在反应中作为歧化剂。 在小分子药物及中间体生产中，生物转化与传统化学方法最显著的区别就是可以非常有效地非对称合成手性化合物。由于生物催化剂是以蛋白质为主体的一类催化剂，其催化活性易受温度和pH的影响。随着温度的升高，反应速度加快，但超过一定温度（一般为45-50℃）蛋白质就会变性失活，其反应速度迅速下降；同样，它只在有限的pH范围内进行反应，因此每种酶都有其最适温度和pH值。有些工业生产过程需要在一定的温度、压力、pH值或有机溶剂条件下进行，因此要求所采用的生物催化剂有较高的耐受性，以满足工业生产的需要。

目前生物催化技术的应用主要局限于是否有合适的生物催化剂，应用现代筛选技术可以获得理想的生物催化剂。生物催化剂的筛选生物催化剂的广泛应用有赖于大量生物分子的有效筛选和检测，不同菌株和酶的催化特异性、活性和稳定性差异很大，因此相关菌株的分离、筛选和选育必不可少。在实际工作中，要扩大生物催化剂的应用，必须解决生物催化中的一些典型难点和操作限制，如温度、pH值、产物抑制、反应速率和处理物料的浓度等。要解决这些问题，必须保持催化剂的高选择性和特异性。在生物催化剂的筛选中，传统的方法已经被打破，目前将生物诱变技术与高通量筛选技术相结合是获得理想生物催化剂的有效方法。 生物催化剂的来源目前，生物催化剂有少数是从动物肝脏或植物中提取的，大部分来自微生物细胞。除真核生物和单细胞酵母菌（如从南极假丝酵母中获得的高效脂肪酶CalB）外，原核微生物是生物催化剂的主要来源。由于原核微生物（细菌和古菌）是地球上最早、数量最多的生命体，经过漫长的进化，许多微生物获得了非常高的耐受力，以适应“恶劣”的环境，从而可以从中获得大量高性能的生物催化剂。

现在，虽然微生物培养也有其局限性，比如很多生物无法用目前的技术进行培养，但是通过微生物培养获取生物催化剂仍然是最常见、最有效的方法。这是因为微生物培养可以加速生物的新陈代谢，增加其数量，为将来的高通量筛选提供了有利条件。生物催化剂的缺点生物催化剂的本质是酶，虽然具有催化效率高、特异性强、污染少等优点，但是生物催化剂在有机溶剂中的稳定性和耐受性很低，容易被有机溶剂破坏，另外其催化活性还受到溶剂pH值和反应温度的影响。 在有机合成中的应用 生物催化剂用于取代反应 许多酶可用于催化丙氨酸、丝氨酸、半胱氨酸衍生物的b碳上的取代反应，以及蛋氨酸等化合物的r碳上的取代反应。例如O-乙酰丝氨酸在酶作用下，在b碳原子上发生取代反应，得到L-半胱氨酸。再如L-半胱氨酸与L-高丝氨酸反应，在酶作用下，r碳上的羟基被取代，生成L-胱硫醚： 在食品工业中的应用 在食品工业中，可用于降低粘度、提高提取效率（或分离效率）、增加风味，实现生物转化等。固定化酶技术在这些应用中也正在得到推广。目前，世界上规模最大的固定化酶技术是利用固定化葡萄糖异构酶，以葡萄糖为原料生产果糖浆。 具体方法是将葡萄糖异构酶固定化在二乙基氨基乙基纤维素上，异构化条件为温度20℃，pH为6～9。这种固定化酶的活性可达90％，如果酶的活性降低，可以加入新的酶使其再生。生物催化剂在加成和消除反应中的应用——碳碳双键的加成H.-E.和P.等人系统地研究了碳碳双键的加成。