酶应用进展概述

        生物催化是利用酶或微生物细胞等作为生物催化剂进行催化反应的技术。与化学催化剂相比，酶作为生物催化剂具有以下优点：反应一般在常温、常压和近于中性的条件下进行，投资小、能耗少，且操作安全性高；具有极高的催化效率，比化学催化效率高107-1012倍；具有高度专一性，酶对底物（反应物）和反应类型具有高度的选择性，副产物极少，产物易于分离，能使许多用化学催化剂难以进行的反应得以实现，如可用于手性化技术中；酶催化剂本身是可生物降解的蛋白质，是理想的绿色催化剂。   
一    研究进展  
　　酶工程是利用酶的生物催化作用，在反应器内进行物质转化的技术。其应用范围已涉及医药、化工、轻工、农业、环保等方面。国际上酶工程研究进展迅速，其产业化已取得很大进展。  
　　1.改善酶的性能  
　　运用基因工程技术改善酶的性能，可提高酶的产率，增加其稳定性，提高微生物的产酶能力，有效促进了酶工程的发展。现在丹麦诺和诺德公司用于生产酶制剂的菌种中约有80％是基因工程菌。  
　　此外，采用溶剂工程和蛋白质工程改善有机相酶催化特性，在分子水平上改良酶的结构和功能。酶催化气相反应技术的开发，伴有辅酶再生的多酶反应技术的开发，以及反胶团酶反应技术的开发将具有广阔的应用前景。  
　　2.实现酶定向固定化  
　　为了使生物催化剂能多次使用，工业上常用固定化技术，但由于酶蛋白通过几种氨基酸残基在固定化载体上附着，造成酶固定化后活性降低。可用多种的位点专一性固定化方法，使每一个酶蛋白分子通过1个特定的位点， 以可重复的方式进行固定化，酶蛋白能以有序方式附着在载体的表面，实现酶的定向固定化，使活性的损失降到最低点。  
　　3.选择不同反应介质  
　　酶反应通常在以水为介质的系统或在非水系统内进行。亲水性强的酶促反应中，酶分子所处的微环境必须存在薄层的水，约几个水分子厚，以维持酶的活性和具有活性的空间结构。非水介质中酶促反应则具有下列优点：一些在水中不能进行的反应，有可能在非水介质中进行，有些酶在非水介质中较水中有高得多的活性，非水介质中酶的稳定性较高，酶易回收再用，回收反应产物比在水中容易。  
　　二、工业应用  
　　生物催化剂在精细化学品市场中呈现出很高的增长率。据报道，1998年工业酶制剂的世界市场约16亿美元，2000年已达20亿美元，预计到2008年将达30亿美元，年增长率6.5％。而用于精细化学工业和制药工业的生物催化剂目前已达1亿－1.3 亿美元，预计年增长率将达8％－9％。生物催化剂的增长主要是由于单一异构体化合物生产的强劲需求。目前，单一对映体药物的世界市场年增长率达20％以上。手性药物已成为国际新药研究与开发的新方向之一，世界上正在开发的1200种新药中有2／3是手性药物，其中单一异构体占51％。预计2005年全世界新上市的化学药品中将有60％为单一异构体。  
        目前使用的工业催化剂有青霉素酰化酶、天冬酶、磷脂酶、氨转移酶、醇脱氢酶、富马酸酶以及固定化大肠杆菌等。用工业生物催化剂生产的产品已有L －苯丙氨酸、L－天冬氨酸、综合氨基酸、L－亮氨酸、丙烯酸胺、L－苹果酸、L－丙氨酸、 6－氨基青霉烷酸、氨苄青霉素、头孢氢苄等。部分产品在我国已有工业生产。   
　　生物催化剂用于手性合成、对映体拆分中，不仅可以催化多种化学反应，还可以合成结构复杂、具有生物活性的大分子和高分子化合物。同时可以避开化学法进行手性合成与拆分所需的手性源，以及产生的无效对映体和环保问题。为此，用生物催化方法进行化学合成又称为“绿色合成”。目前，工业上利用生物催化剂进行生物合成与拆分生产的手性化合物已有14种，如L－多巴、S－1、2－戊二醇、L －薄荷醇、S－萘普森、D-β－羟基丁酸、R－苯乙酸基甲醇等。手性化合物在精细化工产品中占有重要地位，已用作医药、农药、香料及功能性化学品的前体、中间体或最终产品，利用生物催化剂进行手性化合物的制备具有巨大的发展潜力。