耐有机溶剂微生物及酶类在生物催化中的应用.pdf
收到稿件：2008 年 11 月，收到修改稿：2009 年 1 月
3 国家重点基础研究发展计划（973）项目（编号）、国家高技术发展计划（863）项目（编号）及江苏省
国家自然科学基金资助（编号：
：
耐有机溶剂的微生物与酶在生物催化中的应用
唐晓宇 孙洪林 何兵芳
33
(南京工业大学生物与制药工程学院材料化学工程国家重点实验室，南京)
摘要 生物催化剂应用于有机相催化具有诸多优势。然而，酶是一种不稳定的催化剂，容易
耐有机溶剂微生物是一类能在高浓度有机溶剂中生存的新型极端微生物。
这些微生物产生的一些酶通常对有机溶剂具有抵抗力。
在这些极端微生物中寻找高效的生物催化剂逐渐成为新的研究热点，并越来越多地应用于有机相生物催化领域。
综述了新型耐有机溶剂催化剂的开发、应用及进展，并讨论了该领域研究带来的机遇与挑战。
关键词：耐有机溶剂微生物，耐有机溶剂酶，生物催化，工业微生物
中图分类号：Q814；O621.3 文献标识码：A 文章编号：(2009)
33
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工业生物技术的发展很大程度上取决于高性能
第 21 卷，第 12 期
2009 年 12 月
化学进展
第21卷第12期
2009年12月
微生物和酶的发展已经改变了生物催化剂（通常是生物
利用有机相中的细胞和酶来催化化学反应有很多优点。
这给生物催化领域带来了新的突破，因此有机
相生物催化已成为生物催化领域的研究热点。
观点
[1,2]
有机溶剂通常非常
如何获得高效稳定的新型生物质
催化剂成为推动有机相生物催化发展的关键。
微生物是高效生物催化剂的重要来源，包括嗜热细菌、
耐盐菌和耐辐射微生物已展现出重要的应用价值。
价值
[3]
耐有机溶剂微生物是一类新型的极端微生物。
它们可以在高浓度的有机溶剂中生长和代谢。
从这些微生物中分离出来的一些酶通常对有机
溶剂的性质，这些新奇的性质越来越受到化学家的关注
注意
[1、2、4—6]
随着工业生物催化技术的发展和推广
用途广泛、耐有机溶剂的微生物和酶正逐渐展现出其巨大的潜力
应用潜力。
1 耐有机溶剂的微生物和酶概述
1.1 耐有机溶剂微生物的发现
有机溶剂通常被认为对微生物具有极强的毒性。
然而，1989 年井上和
假单胞菌
自从细菌（ ）发现以后，人们对微生物的认识发生了改变。
生存意识
[7]
耐有机溶剂的微生物因其多样性而闻名
适应性调节机制在高浓度有机溶剂中依然存在。
我国科研人员已筛选分离出多株耐有机溶剂的微生物。
并发现了各种微生物对有机溶剂的抗性机制，例如
溶剂泵送系统、细胞膜快速修复机制、细胞膜低溶剂
通透性、增加细胞表面亲水性等。
[8、9]
。
目前报道的耐有机溶剂的微生物大多为革兰氏阴性
其中很大一部分属于
[10 —15]
，关闭
近年来，已有许多耐有机溶剂的革兰氏阳性菌的报道，例如
[16]
，
[15]
，
[17]
和
[18]
这些发现不仅扩大了
溶剂微生物的多样性也提供了有机相生物催化剂
这个选择提供了更广泛的来源。
1.2 耐有机溶剂酶的发现
随着耐有机溶剂的微生物的发现，人们开始推测
这些极端微生物产生的酶（特别是一些细胞外酶，
如脂肪酶、酯酶和蛋白酶）也有一定的有机溶剂
这一猜测在后续的实验中得到了证实。
1994 年，Ogino 等人。
[19]
首次报道耐有机溶剂的微生物
产生的脂肪酶具有较高的催化活性，
稳定性，然后研究人员报告说他们可以生产
有机溶剂抗性微生物的研究促进了
耐有机溶剂的酶（包括脂肪酶）的发现和开发，
酯酶、蛋白酶、糖苷转移酶等，目前部分酶对有机溶剂有抵抗作用。
微生物和酶已被用于催化有机相中的化学反应（表
1). 耐有机溶剂催化剂的不断发展，推动了这一
催化剂的应用越来越广泛。
表1 部分已报道的耐有机溶剂的微生物和酶及其应用
表 1 一些
(vΠv) ref
6β，
，
Π = 3∶7
10%
24
酸和乙醚，20% 25
，10% 26
1，7，
1,227，
, 20 % 27
S12,40%28
sp. MB1 乙基, 50% 50
（R，S）（R），85％51
F3酸酯（）52
（2 投球，3 射门） 232()
酸酯[(±)2MPGM]
（2R,3S）232（）甘氨酸
柠檬酸酯[(-)2MPGM]
, 50 % 53
酸，50%或DMSO，5%28
氨基酸 DMF，50% 54
，
（）
, 10%-90% 37
果聚糖，40% 44
・ 7 2 7 2 ・ 第12期 唐晓宇等 耐有机溶剂的微生物与酶在生物催化中的应用
2 耐非水有机溶剂的微生物全细胞生物
催化
微生物全细胞催化具有不需要添加昂贵的辅助剂
酶、同时进行的多步偶联催化和简单的制备方法的优点是
特别用于有机相生物催化和有机溶剂
在污染物降解过程中，利用耐有机溶剂的微生物
全细胞催化具有显著的优势。
2.1 耐有机溶剂微生物在化学合成中的应用
在有机合成领域，大多数有机化合物微溶或难溶
在水相中很难实现高效转化。此外，过多的水的存在
往往会引发一些副反应，有机相催化是解决这一问题的一种方案。
然而，大多数微生物不能耐受有机溶剂。
因此将耐有机溶剂的微生物引入有机相生物催化
这个问题可以很好解决。
2.1.1 水-有机溶剂单相体系中的全细胞生物催化
在水-有机单相体系中，通常使用亲水性有机溶剂。
包括二甲基亚砜（DMSO）、二甲基甲酰胺（DMF）、乙醇
以及甲醇等。反应过程中，底物可以溶解在反应物中
该系统与催化剂（微生物细胞）充分接触，不存在
传质屏障可以大大提高反应效率。
用于氢化可的松的脱氢。
[20]
相反
通过向溶剂中添加 5% (v/v) 三乙二醇，增加了底物的溶解度。
高出5倍。
[21]
然后加入 5% (v/v) 甲醇以促进
基质的溶解。Wang 等人
[22]
微生物中112的脱氧
氢化皮质甾醇 2212 醋酸酯 (TE) 的制备
在添加1215%（vΠv）1,22的过程中
丙二醇用于增加底物的溶解度。
然而，在这个系统中，
微生物细胞与有机溶剂充分接触，将增加
必须限制有机溶剂的浓度以防止药剂对细胞的毒性。
在较低浓度下，细胞大多被固定
本研究筛选出一种可在
在含有20%（v/v）DMF的培养体系中生长的耐有机溶剂菌株