第二节　传统非水酶学中的反应介质

通常所说的非水反应介质是指那些以有机物质（溶剂、底物、产物等）为主的介质（有机介质），以区别于那些以水为主的常规介质，它们不同于标准的水溶液体系，在这类反应体系中水含量受到不同程度的控制，因此又称为非常规介质（nonconventional media）。

一、水-有机溶剂单相系统

增加亲脂性底物溶解度的一个最简单的办法是向反应混合物中加入与水互溶的有机溶剂，通常被称为有机助溶剂或共溶剂（organic co-solvent）。常用的助溶剂有二甲基亚砜（DMSO）、二甲基甲酰胺（DMF）、四氢呋喃（THF）、二氧六环（dioxane）、丙酮和低级醇等。由于形成的是均相系统，因此通常不会发生传质阻碍。一般来讲，该系统中与水互溶的有机溶剂的量可达总体积的10％～20％（体积分数），在一些特殊的条件下，甚至可高达90％以上。有些酶（如酯酶和蛋白酶）在水-有机溶剂均相系统中的反应选择性会增强。如果该系统中有机溶剂的比例过高，有机溶剂将夺取酶分子表面的结构水使酶失活。也有少数稳定性很高的酶，如南极假丝酵母脂肪酶（CALB），只要在水互溶有机溶剂中有极少量的水，就能保持它们的催化活性。此外，当酶催化反应在0℃以下进行时，与水互溶的有机溶剂还能降低反应系统的冰点温度，这是低温酶学的重要研究内容之一。

二、水-有机溶剂两相系统

水-有机溶剂两相系统是指由水相和非极性有机溶剂相组成的非均相反应系统，酶溶解于水相中，底物和产物则主要溶解于有机相中。两相的体积比可以在很宽的范围内变动，而经常使用的水不溶性溶剂有烃类、醚、酯等，这样可使酶与有机溶剂在空间上相分离，以保证酶处于有利的水环境中，而不直接与有机溶剂相接触。水相中仅存在有限的有机溶剂，从而减少了它对酶的抑制作用。在反应过程中若能及时将产物从酶表面移去的话，将会推动反应朝着有利的产物生成方向进行。由于两相系统中酶催化反应仅在水相中进行，因而必然存在着反应物和产物在两相之间的质量传递，很显然振荡和搅拌将会加快两相反应系统中生物催化反应的速率。水-有机溶剂两相系统已成功地用于强疏水性底物（如甾体、脂质、烯烃类和环氧化合物）的生物转化。

三、含有表面活性剂的乳液或微乳液系统

反相胶束系统是含有表面活性剂与少量水的有机溶剂系统。反相胶束体系能够较好地模拟酶的天然环境，在反相胶束系统中，大多数酶能够保持催化活性和稳定性，甚至表现出“超活性”。自1974年Wells发现磷脂酶A2在卵磷脂-乙醚-水反相胶束系统中具有催化卵磷脂水解活性以来，胶束酶学的研究和应用已在国内外引起广泛的关注。

表面活性剂分子由疏水性尾部和亲水性头部两部分组成，在含水有机溶剂中，它们的疏水性基团与有机溶剂接触，而亲水性头部形成极性内核，从而组成许多个反相胶束，水分子聚集在反相胶束内核中形成“微水池”，里面容纳了酶分子，这样酶被限制在含水的微环境中，而底物和产物可以自由进出胶束。表面活性剂可以是阳离子型、阴离子型或非离子型，常用AOT［丁二酸二（2-乙基）己酯磺酸钠］、CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）、卵磷脂和吐温等。在反相胶束体系中，水与表面活性剂的摩尔比（Wo）是个重要的参数，对“微水池”中水分子的结构和酶的催化性能具有深刻的影响。水含量少（Wo<15）的聚集体通常被称为反相胶束，水含量多（Wo>15）的聚集体则被称为微乳状液。

反相胶束系统作为反应介质具有以下优点：①组成的灵活性，大量不同类型的表面活性剂、有机溶剂甚至是不同极性的物质，都可用于构建适宜于酶反应的反相胶束系统；②热力学稳定性和光学透明性，反相胶束是自发形成的，因而不需要机械混合，有利于规模放大，反相胶束的光学透明性便于使用UV、NMR、量热法等方法跟踪反应过程，有利于研究酶的动力学和反应机制；③反相胶束有非常高的比界面积，远高于有机溶剂-水两相系统，对底物和产物在相间的转移极为有利；④反相胶束的相特性随温度而变化，这一特性可以简化产物和酶的分离纯化。例如马肝醇脱氢酶在AOT或C12E5反相胶束系统中催化4-甲基环己酮还原生成4-甲基环己醇，反应后通过温度改变可将产物回收到有机相中，而酶、辅酶在水相中，并可多次循环反复使用，每一次循环酶活性损失很小。

反相胶束中的酶催化反应可用于油脂水解、辅酶再生、外消旋体拆分、肽和氨基酸合成以及高分子材料合成。色氨酸合成可采用色氨酸酶催化吲哚和丝氨酸缩合而成，由于吲哚在水中的溶解度很低且对酶有抑制作用，Eggers运用Brij-Aliguat336-环己醇作为反相胶束系统，建立了膜反应器中反相胶束酶法合成色氨酸的生产工艺。

除了反相胶束（微乳状液）体系之外，在一些疏水性底物的生物转化反应中，还经常使用表面活性剂稳定的乳状液系统。例如，在脂肪酶催化拆分酮洛芬酯的水解反应中，发现添加适量的非离子表面活性剂Tween-80不但有助于难溶底物（酯）的分散，使酶反应的速率提高13倍，而且酶反应的对映选择性也大幅度提高（最多可提高两个数量级）。类似地，在环氧水解酶催化的反应中，也发现添加乳化剂Tween-80比添加助溶剂DMSO的效果要好，不仅改善了酶的活性和选择性，而且提高了酶的稳定性。

四、微水有机溶剂单相系统

实验证明，与水互溶的亲水性溶剂，如甲醇、丙酮，并不是酶促反应的合适介质，相反，甲苯、环己烷等水不溶的疏水性溶剂是更适的反应介质。据推测，其原因是由于水在酶表面与在有机溶剂主体相中的分配不同引起的，酶分子表面上的少量水是酶保持活性所必需的，而亲水性强的溶剂如甲醇、丙酮等能夺取酶分子表面的水，容易导致酶失活。

有机溶剂作为生物催化反应的介质，其优点表现在以下几个方面。

①主要优点是增强不溶或微溶于水的反应物的溶解度，而在水中，即使对一些有一定水溶性的反应物，也会因溶解度低而限制其反应速率。

②在接近无水的介质中，水解反应平衡会向缩合反应方向移动。

③多数情况下，酶只悬浮于疏水有机溶剂中而不溶解，在反应结束后酶的分离回收容易。

④酶在无水有机溶剂中比在水中稳定得多。据报道，在水中溶菌酶在100℃、pH8.0、30s后或者pH4.0、100min后，酶活就损失50％；而在环己烷中，干粉状的酶经过140h甚至200h后才损失50％的酶活。

⑤由于反应介质对酶的影响，酶的底物专一性和选择性不同于在水中，在操作参数的控制下，可对酶的底物专一性和选择性进行调控。

⑥有机溶剂比水容易回收，这是由于水具有较高的蒸发焓。

五、无溶剂或微溶剂反应系统

在许多情况下，反应系统的最佳选择可能是根本不用溶剂（solvent-free system，无溶剂系统），或者只用很少量的溶剂（little solvent system，微溶剂系统）。在至少有一种反应物为液体的情况下，反应物之间的质量传递可以通过流体相进行。例如，在用脂肪酶催化各种手性醇的对映选择性转酯化反应中，经常使用过量的乙酸乙烯酯或乙酸异丙烯酯作为酰基供体，同时兼作反应介质（无需外加溶剂），一般效果非常好，已在工业规模广泛应用。如果能将反应温度稍微提高一点的话，那么传质问题就更容易解决。由于在较低的水活度条件下，酶的热稳定性要比在普通水溶液中高出许多，因此，在无溶剂系统中适当提高反应的温度，可以促进反应物分子的扩散和混合，从而提高酶促反应的速率。当反应物均为固体颗粒时，也不一定非要用溶剂使其溶解不可。反应完全可以在含酶的液相中进行，尽管该液相有可能完全隐藏在反应物固体颗粒之间的缝隙中而看不见。为了形成这一隐形液相，一般只需加入很少量（例如反应物质量的10％）的某种“溶剂”，而最好的溶剂可能就是水，因为水通常会使酶产生最高的催化活力。这种主要由固体构成的生物催化系统同样具有有机溶剂介质系统的某些优点，例如，有利于水解酶催化的反应平衡偏向产物的合成，避免不必要的水解，提高目标产品的得率。

六、气相反应介质

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。目前这方面的研究局限性很大，因此研究相对较少，这里不予详细介绍。

近年来随着科技的发展，已经开发出几种新型的反应介质，将在本章后面予以单独介绍。