酶的非水相催化

酶工程思考题汇总第一章P251．何谓酶工程?试述其主要内容和任务.酶的生产，改性与应用的技术过程称为酶工程。

主要内容：微生物细胞发酵产酶，动植物细胞培养产酶，酶的提取与分离纯化，酶分子修饰，酶、细胞、原生质体固定化，酶非水相催化，酶定向进化，酶反应器和酶的应用等。

主要任务：经过预先设计，通过人工操作获得人们所需的酶，并通过各种方法使酶的催化特性得以改进，充分发挥其催化功能。

2．酶有哪些显著的催化特性？专一性强（绝对专一性——钥匙学说、相对专一性——诱导契合学说）、催化效率高、作用条件温和3．简述影响酶催化作用的主要因素.底物浓度、酶浓度、温度、pH、激活剂浓度、抑制剂浓度等诸多因素第二章P635．酶的生物合成有哪几种模式？生长偶联型（同步合成型、中期合成型）、部分生长偶联型（延续合成型）非生长偶联型（滞后合成型）7．提高酶产量的措施主要有哪些？a.添加诱导物（酶的作用底物、酶的催化反应物、作用底物的类似物）b.控制阻遏物的浓度c.添加表面活性剂d.添加产酶促进剂11．固定化微生物原生质体发酵产酶有何特点？1.提高产酶率2.可以反复使用或连续使用较长时间3.基因工程菌的质粒稳定，不易丢失4.发酵稳定性好5.缩短发酵周期，提高设备利用率6.产品容易分离纯化7.适用于胞外酶等细胞产物的生产第三章P843．植物细胞培养产酶有何特点？1.提高产率2.缩短周期3.易于管理，减轻劳动强度4.提高产品质量5.其他4．简述植物细胞培养产酶的工艺过程。

外植体细胞的获取细胞培养分离纯化产物6．动物细胞培养过程中要注意控制哪些工艺条件？1.培养基的组成成分2.培养基的配制3.温度的控制4.ph的控制5.渗透压的控制6.溶解氧的控制第四章P1351．细胞破碎的方法主要有哪些？各有何特点？机械破碎法：通过机械运动产生的剪切力，使组织、细胞破碎（捣碎法，研磨法，匀浆法）物理破碎法：通过物理因素的作用（温度差破碎法，压力差破碎法，超声波破碎法）化学破碎法：通过化学试剂对细胞膜的作用（添加有机溶剂，添加表面活性剂）酶促破碎法：通过细胞本身的酶系或外加酶制剂的催化作用，使细胞外层结构受到破坏（自溶法，外加酶制剂法）2．试述酶提取的主要方法。

第六章酶的非水相催化◆人们以往普遍认为只有在水溶液中酶才具有催化活性。

◆酶在非水相介质中催化反应的研究:在理论上进行了非水介质（包括有机溶剂介质，超临界流体介质，气相介质，离子液介质等）中酶的结构与功能、非水介质中酶的作用机制，非水介质中酶催化作用动力学等方面的研究，初步建立起非水酶学（non-aqueous enzymology）的理论体系。

◆非水介质中酶催化作用的应用研究，取得显著成果。

1.酶非水相催化的研究概况◆酶在非水介质中进行的催化作用称为酶的非水相催化。

1.1有机介质中的酶催化：◆有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催化反应。

◆适用于底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的酶催化作用。

◆酶在有机介质中由于能够基本保持其完整的结构和活性中心的空间构象，所以能够发挥其催化功能。

◆酶在有机介质中起催化作用时，酶的底物特异性、立体选择性、区域选择性、键选择性和热稳定性等都有所改变。

1.2气相介质中的酶催化：◆气相介质中的酶催化是指酶在气相介质中进行的催化反应。

◆适用于底物是气体或者能够转化为气体的物质的酶催化反应。

◆由于气体介质的密度低，扩散容易，所以酶在气相中的催化作用与在水溶液中的催化作用有明显的不同特点。

1.3超临界流体介质中的酶催化：◆超临界介质中的酶催化是指酶在超临界流体中进行的催化反应。

◆用于酶催化反应的超临界流体应当对酶的结构没有破坏作用，对催化作用没有明显的不良影响；具有良好的化学稳定性，对设备没有腐蚀性；超临界温度不能太高或太低，最好在室温附近或在酶催化的最适温度附近；超临界压力不能太高，可节约压缩动力费用；超临界流体要容易获得，价格要便宜等。

1.4离子液介质中的酶催化：◆离子液介质中的酶催化是指酶在离子液中进行的催化作用。

◆离子液（ionic liquids）是由有机阳离子与有机（无机）阴离子构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类，挥发性低、稳定性好。

酶在离子液中的催化作用具有良好的稳定性和区域选择性、立体选择性、键选择性等显著特点。

名词解释非水相催化：（据说酶工程上有）物质在非水介质中的催化作用反应计量学：是对反应物系的组成和转化程度的数量化研究。

得率系数：又称宏观系数，常用Y j i /表示，其中i 表示细胞或产物，j 表示底物。

Y j i /=j i m m ∆∆ 本征反应动力学:是一种仅描述反应生物反应本身的动力学规律的动力学。

酶的固定化：通过物理或化学的方法使溶液酶转变为在一定空间内收到约束的一种不溶于水但仍有酶活性的酶。

细胞固定化：与酶的固定化相似，通过各种手段将细胞与水不溶性载体结合，之辈固定化细胞的过程反胶束体系：是由水、有机相及表面活性剂组成，是表面活性剂分散于连续有机相中自发形成的一种具有微水池结构的油包水微乳液。

细胞生长：细胞的生长，主要是指细胞体积的增大，细胞分化完成后并不是所有的细胞都有生长的过程 （百度）代谢工程：通过某些特定生化反应的修饰来定向改善细胞的特性或运用DNA 重组技术来创造新的化合物的过程。

代谢网络：分解代谢途径、合成代谢途径和膜输送体系的有序组合构成代谢网络。

广义的代谢网络包括物质代谢网络和能量代谢网络。

代谢通量：物质或信息通过代谢途径被加工的速率。

节点：网络分流处的代谢产物细胞破碎：指利用外力（物理、化学、酶或机械的方法）破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包括目的产物成分释放出来的技术。

表面活性剂：是由亲水的极性头和疏水的非极性尾组成的物质。

（书本上的定义）具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列，并能使表面张力显著下降的物质。

（百度） 宏观反应动力学：是一种描述反应生物化学反应和传递因素对动力学综合影响结果的动力学 酶固定时的酶活力表现率：指实际测定的固定化酶活力与被固定化酶在溶液状态下的总获利之比。

)(323E E E + 其中，2E 是固定化造成的失活，3E 指实测的固定化酶活力。

代谢途径：指催化总的代谢物的转化，信息传递和其他新报功能的酶促反应的集合。

载流途径：代谢主流途径中的代谢途径称为主要载流途径，简称载流途径。

摘要非水相中的酶促酯交换反应广泛应用于油脂的改性。

该反应通过酯交换替换甘三酯中的酰基基团来改善油脂性质。

生物柴油作为一般石化燃料的良好替代品，其发展前景被世界发达国家普遍看好。

本论文从降低生产成本和提高生物柴油品质的角度出发，采用无溶剂系统作为反应体系，利用脂肪酶催化菜籽油与甲醇进行酯交换反应制取生物柴油，简单探讨了生物柴油中甘油含量的测定方法和脂肪酶促酯交换制取生物柴油的反应条件。

采用萃取的方法从生物柴油中提取甘油，用高碘酸钠氧化法对甘油含量进行测定，证明了该方法对甘油含量测定的准确性。

进而又尝试了采用分批加入甲醇的方法来制取生物柴油，发现此法比一次性加入全部甲醇有更高的反应转化率，但是在反应历程的实验中，分批加入甲醇的方法还有待完善。

关键词：无溶剂系统；菜籽油；脂肪酶；酯交换反应；生物柴油ABSTRACTEnzymatic interesterification in non-aqueous phase has been widely used for improving the quality of oil and fats. This reaction provides a useful alternative for replacing the acyl group of glycerides to modify oil and fats. Biodiesel is a good substitute for Petrochemical fuel, and developed country realize that it has good Development foreground. To reduce the product cost and improve the quality of Biodiesel, lipase-catalyzed interesterification of Vegetable oil with Methyl alcohol for Biodiesel production in a solvent free system was explored in this dissertation. The analytical method of Glycerin in Biodiesel and the optimization of reaction conditions were investigated systematically.Glycerin could be extracted from Biodiesel by extraction. And it could be analysised by Sodium Periodata oxidimetry. The accuracy of it has been proved. Trying to join Methyl alcohol by several times in Biodiesel production, we found it was more effective than joining Methyl alcohol by one time. But it need to be improved in the experiment of reaction process.Keywords: Solvent free system; Vegetable oil; Lipase; Interesterification; Biodiesel目录摘要 (Ⅰ)ABSTRACT (Ⅱ)第一章绪论 (1)1.1 生物柴油研究进展 (1)1.1.1 生物柴油的化学组成及物理特性 (1)1.1.2 生物柴油生产研究状况 (1)1.1.3 生物柴油的制备方法 (2)1.1.4 生物柴油生产原料 (4)1.2 生物催化与有机合成 (4)1.3 非水相酶学 (5)1.3.1 非水相酶学的兴起 (5)1.3.2 非水相酶催化的优点 (5)1.3.3 无溶剂系统 (6)1.4 脂肪酶的研究与应用 (6)1.4.1 脂肪酶的研究概况 (6)1.4.2 脂肪酶的催化机制 (7)1.4.3 脂肪酶的底物特异性 (7)1.4.4 脂肪酶在油脂工业中的应用 (8)1.5 菜籽油的研究与应用 (9)1.5.1 菜籽油的性质及组成 (9)1.5.2 菜籽油的工业用途 (9)1.5.3 菜籽油甲酯化 (10)1.6 脂肪酶促酯交换反应 (10)1.6.1 脂肪酶促酯交换反应的催化机制 (10)1.6.2 菜籽油酶促酯交换生产生物柴油 (11)1.6.3 反应体系含水量的影响 (11)第二章材料与方法 (13)2.1 实验材料 (13)2.1.1 脂肪酶 (13)2.1.2 主要试剂及原料 (13)2.2 仪器设备 (13)2.3 实验方法 (14)2.3.1 试剂的配制 (14)2.3.2 酸度计的校准 (14)2.3.3 游离甘油含量测定 (15)2.3.4 总甘油含量测定 (15)第三章甘油含量标准曲线的绘制 (17)3.1 水中游离甘油测定方法研究 (17)3.2 菜籽油中游离甘油含量标准曲线的绘制 (18)小结 (19)第四章脂肪酶酯交换制取生物柴油的研究 (20)4.1 菜籽油中总甘油含量测定 (20)4.2 甲醇的添加对酯交换反应的影响 (21)4.3 生物柴油反应历程实验 (21)小结 (23)结论与展望 (24)参考文献 (25)致谢 (30)第一章绪论1.1 生物柴油研究进展1.1.1 生物柴油的化学组成及物理特性柴油分子是由15个左右的碳链组成的,研究发现植物油分子则一般由14～18个碳链组成,与柴油分子中碳数相近。

第五章非水酶学非水相酶催化的优点：1、增强难溶于水的反应物的溶解度。

2、在有机介质中改变反应平衡。

3、酶制剂易于回收再利用。

For personal use only in study and research; not for commercial use4、在有机溶剂中可增强酶的稳定性。

5、在有机溶剂中可改变酶的选择性。

6、不会或很少发生微生物污染。

第一节酶催化反应的介质水是酶促反应最常用的反应介质。

但对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶剂。

因为许多有机化合物(底物)在水介质中难溶或不溶。

由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反应的发生。

是否存在非水介质能保证酶催化？？1984年，克利巴诺夫等人在有机介质中进行了酶催化反应的研究，他们成功地在利用酶有机介质中的催化作用，获得酯类、肽类、手性醇等多种有机化合物，明确指出酶可以在水与有机溶剂的互溶体系中进行催化反应。

酶非水相催化的几种类型有机介质中的酶催化有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催化反应。

适用于底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的酶催化作用。

气相介质中的酶催化酶在气相介质中进行的催化反应。

适用于底物是气体或者能够转化为气体的物质的酶催化反应。

由于气体介质的密度低，扩散容易，因此酶在气相中的催化作用与在水溶液中的催化作用有明显的不同特点。

超临界介质中的酶催化酶在超临界流体中进行的催化反应。

超临界流体是指温度和压力超过某物质超临界点的流体。

离子液介质中的酶催化酶在离子液中进行的催化作用。

离子液(ionic liquids)是由有机阳离子与有机（无机）阴离子构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类，挥发性低、稳定性好。

酶在离子液中的催化作用具有良好的稳定性和区域选择性、立体选择性、键选择性等显著特点。

第二节有机介质酶反应体系一、有机介质反应体系非极性有机溶剂一酶悬浮体系（微水介质体系）用非极性有机溶剂取代所有的大量水，使固体酶悬浮在有机相中。

第六章酶的非水相催化教学目的：使学生了解并掌握酶非水相催化的概念及意义，掌握酶非水相催化技术。

教学重点、难点：酶非水相催化机理。

教学方法：讲授教学手段：多媒体第一节酶非水相催化研究概况一、概念及分类（一）、概念：酶在非水介质中进行的催化作用。

1984 年，美国A.M.Klibanov 在《科学》上发表一篇关于酶在有机介质中催化条件和特点的综述，并成功酶促合成了酯、肽、手性醇等许多有机化合物。

指出，酶可在非生物体系的疏水介质中催化天然或非天然的疏水性底物和产物的转化，对酶只能在水溶液中起作用的传统酶学思想提出了挑战。

（二）、分类1、有机介质中的酶催化指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催化作用适用范围：底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的酶催化作用。

主要研究对象2、气相介质中的酶催化指酶在气相介质中进行的酶催化反应。

适用范围：底物是气体或者能够转化为气体物质的酶催化反应。

研究较少。

3、超临界流体介质中的酶催化指酶在超临界流体中进行的催化反应。

, 绿色化学? ——无毒、无害要求，代替有机溶剂4、离子液介质中酶的催化离子液：有机阳离子与有机（无机）阴离子构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类，挥发性低、稳定性好；酶反应具有良好的稳定性和区域选择性、立体选择性、键选择性等优点。

二、有机相酶反应的优点1.有利于疏水性底物的反应。

（主要提高脂溶性底物的溶解度，有利于高浓度底物连续生物转化。

）2.可提高酶的热稳定性，提高反应温度加速反应。

3.能催化在水中不能进行的反应（有许多难溶于水的非极性底物能够溶于有机溶剂中）4.可改变反应平衡移动方向（使许多热力学平衡从加水分解反应转为其逆反应，如酶合成，酯交换等）主要朝着合成而不是水解的方向进行。

5.可控制底物专一性（不同底物反应所选最适溶剂不一定相同）。

6.可防止由水引起的副反应。

7.可扩大反应pH值的适应性。

8.酶易于实现固定化。

9.酶和产物易于回收。

（酶不溶于有机溶剂，有利于产物分离和酶的回收利用，且从低沸点的溶剂中分离纯化产物比水中容易。

1.1 酶催化概念酶催化是介于均相与非均相催化反应之间的一种催化反应方式,它既可以看成是反应物与酶形成的一种化合物,也可以看成是酶表面产生的吸附物质,然后再进行反应的。

酶在加速或者减慢化学反应方面发挥着重要的意义,在一个活细胞中同时进行着几百种不同的反应,这都是借助于细胞内部相当数量的酶来完成的,它们的反应与其他催化反应一直,催化率与温度、酸碱值以及敏感性方面都有着一定的关系。

1.2 酶催化特点酶催化技术在应用的过程中存在着自己独特的方面,酶催化剂在通常情况下都具备着反应条件温和,具备着很高的区域选择性和立体选择性,并且反应大多数都可以在水中直接进行着。

随着制药工业对手工业化合物需求量的不断增加、人类环保意识的不断增强,酶催化技术越来越受到人们的重视,已成为化学制药领域研究最多的技术之一。

同时,近年来,随着生物技术和基因工程的应用,酶催化技术的性能也得到了很大的提升,酶催化反应以及生成成本也得到了显著的提升。

在这种社会背景下,人们对酶催化剂的认识越来越深入,极大的改变了传统酶催化反应要求提出了许多的新内容。

1.3 酶催化技术发展传统的酶催化反应主要在水相中进行,但自1987年Kilibanov等用脂肪酶粉或固定化酶在几乎无水的有机溶剂中成功地催化合成了肽以及手性的醇、脂和酞胺以来,对酶在非水相介质的催化反应技术的开发及研究报道迅速增加,特别在手性药物的不对称合成及手性药物拆分的生物技术开发中得到了很多应用。

由于脂肪酶本身是一种界面酶,在非水介质中比较稳定,因此，具有良好的工业化应用前景。

非水相酶催化反应是酶催化反应中的一个重要方面。

非水相溶剂通常具有可增加底物溶解度,改变反应的平衡方向, 提高反应的立体选择性,抑制水参与的副反应,易于消除底物和产物的抑制作用，加快生物催化的速率和效率等优点，在药物及药物中间体和食品等方面具有较大的应用价值。

目前非水相中的酶催化技术已衍生出以下几类体系:无溶剂系统无溶剂系统是指以纯底物作为溶剂,没有其他溶剂的稀释和参与。