全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2008年第4期
收稿日期:2008-01-16
基金项目:教育部博士学科点专项基金(20050217019)和哈尔滨工程大学基础研究基金(HEUFT05018)
作者简介:徐晓冬(1974-),女,吉林农安人,副教授,在站博士后,师从张密林教授,主要从事新型离子液体及其应用方面的研究工作,电话:
0451-82569890,E-mail:xuxiaodong@hrbeu.edu.cn
生物催化反应具有反应条件温和、无环境污
染、反应速度快、选择性高等优点,因此成为催化学
科的前沿之一。目前已有 100多种化学工业生产利
用生物催化反应,实验室规模的酶催化更有 13000
种之多[1]。在众多的生物催化反应中,采用非水相
生物催化反应具有后处理方便的优势,但传统的有
机溶剂往往限制了酶的活性和选择性。因此,多年
来,人们一直试图解决酶的固定化和有机溶剂中的
失活问题。绿色溶剂—离子液体的兴起,可能作为
传统有机溶剂的替代品,对生物催化反应的发展起
到推波助澜的作用。
离子液体,又称室温熔盐,是由特定的有机阳
离子和无机或有机阴离子构成的在室温或近室温
下呈液态的熔盐体系。自 1914年发现第一个离子
液体—硝基乙胺以来,特别是 20世纪 80年代中期
至今的这段时间内,离子液体在许多领域的研究都
呈现出非常活跃的态势,这与离子液体自身的特点
是分不开的。与传统的有机溶剂和电解质相比,离
子液体具有以下几大优势:(1)几乎没有蒸气压,不
易挥发,从而在使用过程中不会给环境造成很大污
染;(2)具有高的热稳定性和化学稳定性,在宽广的
温度范围内处于液体状态,许多离子液体的液程超
过 300℃,相比之下水只有 100℃;(3)溶解性强,能
溶解有机物、无机物和聚合物等,是很多物质的良
好溶剂;(4)具有高而稳定的电导率和离子迁移率,
宽广的电化学窗口,大部分离子液体的电化学窗口
为 4V左右;(5)通过阴阳离子的设计可调节其对
无机物、水、有机物及聚合物的溶解性,并且其酸度
可调节至超酸性,因此可通过一定的阴阳离子的组
合设计构筑功能化的离子液体。
近年来,离子液体(ILs)以其独特的优势成为
生物催化反应研究的热点,尤其是作为生物催化反
离子液体在生物催化反应中的应用
徐晓冬 李欣欣 丹媛媛 张密林
(哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院,哈尔滨 150001)
摘 要: 首先概括了离子液体中生物催化反应的特点;阐述了离子液体在生物催化反应中的应用进展,主要包括:
蛋白酶催化的反应、脂肪酶催化的反应、氧化还原酶催化的反应以及其它酶催化的反应。离子液体通常起到了提高酶的
活性或稳定性,并提高产物收率和选择性的作用;并展望了离子液体作为溶剂和共溶剂在生物催化反应中的发展前景。
关键词: 离子液体 生物催化反应 蛋白酶 脂肪酶 氧化还原酶
ApplicationofIonicLiquidsinBiocatalyticReactions
XuXiaodong LiXinxin DanYuanyuan ZhangMilin
(ColegeofMaterialsScienceandChemicalEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001)
Abstract: Inthispaper,thecharacteristicsofbiocatalyticreactionsinionicliquidswereoutlined,andrecent
advancesofbiocatalyticreactionsinionicliquidswerereviewed,includingreactionscatalysedbyprotease,lipaseand
oxidordeuctaseindividualy.Theroleofionicliquidsmightbenotonlyastheenhancementofimmobiliazationand
activationofenzyme,butalsotheimprovementofyieldandselectivity.Moreover,theperspectivesofbiocatalyticreactions
inionicliquidswerediscused.
Keywords: Ionicliquid BiocatalyticreactionsProtease Lipase Oxidordeuctase
2008年第4期
应的溶剂或共溶剂的研究更备受关注。许多酶能在
ILs及其形成的两相体系或单相体系中保持催化活
性,如目前研究最多的脂肪酶,有多种能在 ILs中
表现出活性稳定、反应选择性提高、产率提高等优
良特性;某些蛋白酶在 ILs中稳定性提高,具有酯
酶的活性;β-半乳糖苷酶在 ILs中的催化产率提
高;全细胞在 ILs中的催化反应效果也较好等[2]。
1 离子液体中生物催化的特点
离子液体中的生物催化反应研究开创了非水
溶剂中生物催化反应研究的另一个新领域,目前的
研究已充分表明了离子液体作为生物催化反应介
质的潜在能力。与传统的有机溶剂相比,生物催化
反应在离子液体中进行具有以下的几个优点[3]:
(1)在离子液体中酶的活性和稳定性增加。传统的
非水介质中酶比较容易失活,而在离子液体中具有
比较好的稳定性且可以重复利用多次。(2)离子液
体具有"可设计"性。通过改变不同的阴阳离子,可
以改变离子液体的亲水性或极性,从而有利于一些
在传统有机溶剂中由于高极性和低溶解度而不能
转化的底物进行有效的生物转化。(3)离子液体的
不挥发性。由于离子液体的蒸气压极低,产物可以
通过减压蒸馏分离,同时可以促进反应完全。(4)离
子液体的新溶剂特性。离子液体具有可以和有机溶
剂、水相溶或不溶,不溶于超临界 CO2的特点,因此
可以用溶剂萃取分离产物,特别是用超临界 CO2萃
取分离产物,可实现零排放的绿色生物合成工艺。
(5)有些酶在离子液体中反应的立体选择性有很大
的改善。
2 离子液体在生物催化中的应用
2.1 蛋白酶催化的反应
嗜热菌蛋白酶是第一个被报道成功进行生物
转化的生物酶[4],它是一种很稳定的酶,在憎水性
离子液体[BMIm]PF6/H2O(95/5,V/V)介质中,可催
化合成 Z-天冬酰胺苯丙氨酸甲酯 (Z-阿斯巴甜),
产物收率高达 95%,悬浮在离子液体中的蛋白酶表
现出很好的稳定性,其活性与在醋酸乙酯-水体系
中相当。该报道开创了在离子液体中生物催化研究
的新领域。
此后,几个课题组相继开展了 α-胰凝乳蛋白
酶催化的 N-乙酰基-L-氨基酸酯的酯交换反应方面
的研究工作[5~7],Laszlo和 Compton在离子液体[OMIm]
PF6和 [BMIM]PF6中研究了水含量对蛋白酶的活性
和 N-乙酰基-L-苯丙氨基乙酯的酯交换反应速率的
影响,结果表明,与有机溶剂乙腈和己烷相比,离子
液体作为反应介质,同样需要少量的水来保持蛋白
酶的活性,若反应在超临界 CO2中进行,则蛋白酶
对水的需要量提高;而且,在两种离子液体和有机
溶剂中酯交换反应的速率没有明显差别[5]。Lozano
等[6]则比较了 α-胰凝乳蛋白酶在不同的离子液体
与 1-丙醇中的稳定性和 N-乙酰基-L-酪氨酸乙酯
的酯交换反应,尽管在离子液体中蛋白酶的活性仅
为在 1-丙醇中的 10%~50%,但由于在离子液体中
酶的稳定性得到了提高,因此最终获得了更高的产
物浓度。此外,Eckstein等[7]发现水的活度同样影响
酶的活性,在低水活度下,离子液体中酶的活性比
其它非水溶剂中高。
枯草杆菌蛋白酶可用于 N-乙酰基-L-氨基酸酯
的不对称催化手性水解制备相应的氨基酸,此反应
一般在乙腈-水体系中进行,该体系的缺点是耗用
大量的有毒有机溶剂,导致环境的污染。目前,已有
报道表明,枯草杆菌蛋白酶在离子液体-水(15/85,
V/V)体系中可催化上述反应的进行,而且可获得
较乙腈-水(15/85,V/V)体系更高的立体选择性[8],
避免了挥发性有毒有机溶剂的使用。
2.2 脂肪酶催化的反应
脂肪酶对有机溶剂有较强的耐受性,能够在其
中保持活性,这一点已经被 Klibanov[9]证实了,因此
脂肪酶成为在离子液体中进行生物催化反应的直
接候选生物酶,也是目前离子液体体系中生物催化
方面研究最多的生物酶。Lau等[10]首次利用脂肪酶
CaLB证明了离子液体用于生物催化的潜力,这也
是继 Erbeldinger之后第二篇有关离子液体在生物
催化领域潜在应用的报道,研究发现脂肪酶可在干
燥的离子液体中催化酯交换反应、氨解反应和环氧
化反应,如在无水的[BMIm]BF4或[BMIm]PF6中催
化丁酸乙酯和丁醇的酯交换反应,反应 4h后,产率
可达到 81%,同传统有机溶剂相比,具有相似的反
应结果。
Nara等[11]比较了 2-羟甲基-1,4-苯并二氧六环
同醋酸乙烯酯在[BMIm]BF4、[BMIm]PF6和有机溶剂
徐晓冬等:离子液体在生物催化反应中的应用 35
生物技术通报Biotechnology Buletin 2008年第4期
CH2Cl2中的酯交换反应的催化性能,证实离子液体
有使酶催化活性提高的作用,而且离子液体和酶可
以循环使用多次,对催化活性没有显著的影响。如
果将离子液体中的酶催化酯交换反应与 CO2超临界
萃取技术联用,则易于实现连续的催化转化过程[12],
为工业化连续生产奠定了基础。
脂肪酶可通过催化水解反应、酯化反应或酯交
换反应实现外消旋化合物的动力学拆分。Schofer
等[13]在 10种离子液体及甲基叔丁基醚中,用 8种
不同的脂肪酶和 2种酯酶对 1-苯基乙醇进行了动
力学拆分,结果发现 2种酯酶均失活,脂肪酶的结果
则存在较大差异,脂肪酶 Pseudomonas和 Alcaligenes
在离子液体[BMIm][(CF3SO2)2N]中的对映选择性均
显著高于甲基叔丁基醚中的对映选择性;脂肪酶
CalB在 [BMIm][CF3SO3]、[BMIm][(CF3SO2)2N]和
[OMIm]PF6中的效果最好;而脂肪酶在[BMIm]BF4
和[BMIm]PF6中几乎没有活性,这一点与其他研究
者的结果不同,他们在相同的体系中报道了脂肪酶
具有良好的活性,这是由于不同实验室所制备的离
子液体纯度不同造成的。而且,离子液体制备过程
中水洗次数同样会影响到酶的活性[14]。但有关离子
液体中脂肪酶的研究都表明反应的对映选择性增
强,这为目的旋光物的合成提供了新的有效途径。
脂肪酶还可催化离子液体中的聚酯合成反应,
Nara等[15]报道了假单胞菌脂肪酶在离子液体[BMIm]
PF6中催化辛烷-1,8-二羧酸乙酯与 1,4-丁二醇的
聚合反应,在室温下可得到相对分子质量为 2270
的聚合物,而 60℃下可获得相对分子质量为 5400
的聚合物,脂肪酶在离子液体中表现出优异的催化
活性和稳定性。在同样的离子液体中,脂肪酶CalB
也可催化戊二酸二乙烯酯和丁二醇反应生成聚酯[16],
表明离子液体可以用于酶促聚合物的合成。
2.3 氧化还原酶催化的反应
氧化还原酶催化的不对称合成是生物催化合
成手性化合物的另一重要方法,也是最有前景的方
法之一。由于氧化还原酶的催化常需要辅酶,故一
般利用完整细胞进行反应,这样可避免价格昂贵的
辅酶的使用。Howarth等[17]把生物试剂的优点和离
子液体可循环利用的优点结合起来,在[BMIm]PF6-
水(10/1,V/V)中,研究了固载的发面酵母用作酮的
还原反应制备醇,产物的对映选择性与传统的有机
溶剂-水体系相当,固载的发面酵母只需过滤即可
分离。值得注意的是,该反应必须要有水存在,产物
才有立体选择性,如果没有水存在,反应虽能发生,
但 ee值几乎为 0。
2002年,Hinckley等[18]首次报道了几种氧化酶
如漆酶、辣根过氧化物酶和大豆过氧化物酶在离子
液体 4-甲基 N-丁基吡啶四氟硼酸盐[4-MBP]BF4和
[BMIm]PF6存在下有一定的活性。同年,Laszlo等[19]
则报道了细胞色素-c过氧化物酶、微过氧化物酶和
氯化血红素在离子液体[BMIm][(CF3SO2)2N]、[BMIm]
PF6和 [OMIm]PF6中有比在甲醇或 DMSO中更好的
活性,说明离子液体可以作为过氧化物酶生物催化
的介质。
Okrasa等[20]使用离子液体[BMIm]PF6作溶剂,
考察了茴香硫醚和 2-萘硫甲醚在葡萄糖氧化酶和
过氧化物酶催化下的氧化反应,2种底物都能选择
性地氧化为亚砜(没有砜生成)。离子液体中的葡萄
糖氧化酶和过氧化物酶可以循环使用。由于有机溶
剂/离子液体没有类似有机溶剂/水的乳化现象,所
以反应完成以后产物很容易分离,产物的对映选择
性可以和在水中进行的反应相媲美。
Eckstein等[21]报道了在离子液体[BMIm][(CF3
SO2)2N]-缓冲溶液双相体系中,用脱氢还原酶催化
立体选择性还原2-辛酮为 2-辛醇。选用异丙醇为还
原剂,转化率接近 100%,ee>99%,不仅反应速度明
显高于甲基叔丁基醚-缓冲溶液体系,而且脱氢还
原酶在离子液体中有更好的稳定性。
2.4 其它酶催化的反应
糖苷酶有时可以在有机溶剂-水体系中使用,
在离子液体-水体系中也具有一定的耐受性,这为
在离子液体中应用糖苷酶催化的反应提供了基础。
Kaftzik等[22]用从轮状杆菌中分离的 β-半乳糖苷酶
在离子液体[MMIm][MeSO4]中催化 N-乙酰乳糖胺的
合成,选用乳糖和 N-乙酰葡萄糖胺作为底物,该反
应若在水中进行,β-半乳糖苷酶会催化产物的二级
水解,使产率低于 30%,而在离子液体-水(25/75,
V/V)体系,产物的二次水解得到有效的抑制,可获
得 60%的产率。而且,酶在该体系中的活性稳定,可
以循环使用。
36
2008年第4期
Chiappe等[23]第一次报道了利用可溶性的水芹
和老鼠环氧化物水解酶在咪唑基离子液体中立体
选择性地水解反式 β-甲基苯乙烯环氧化物的情
况,获得与在水相体系中相当甚至更高的催化活
性,反应的立体选择性比水相体系高。这说明离子
液体可以应用于环氧化物的水解,特别是对于水不
溶性或在水相中不稳定的环氧化物的水解更适用,
这就拓展了酶促环氧化物水解的底物范围。
3 结语
离子液体中的生物催化反应还是一个新兴的
研究领域,许多研究工作尚处于早期阶段,表现在
对于离子液体的极性的判断与生物催化剂的关系
尚不清楚,离子液体的性质和纯度对于生物催化剂
的影响有待进一步研究,离子液体中生物催化反应
的相关理论和催化机理的研究尚待深入等。但目前
的研究结果已充分表明,离子液体作为一种新型的
绿色溶剂,不但可以代替传统的有机溶剂作为生物
催化反应的介质,而且能够提高酶的活性和稳定
性、反应的选择性和产物产率。更重要的是利用离
子液体的“可设计”性,通过改变离子液体的阴阳离
子设计,可以对目标反应进行准确的控制;利用离
子液体独特的溶液性质,发展产物分离和离子液体
循环使用的有效方法,把介质工程的前沿技术(离
子液体)和酶工程的前沿技术(非水酶学)有机结合
在一起,符合当今绿色化学发展的趋势。总之,离子
液体在生物催化反应中的应用无疑为绿色化学开
辟了一块新的天地,为绿色生物反应开辟了新的空
间。
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