综述：微水体系中的生物催化（基于溶剂和无溶剂条件）：历史回顾与最新进展

《Journal of Bioscience and Bioengineering》：Biocatalysis in microaqueous systems (solvent-based and solvent-free conditions): Historical perspectives and recent advances

微水体系生物催化研究综述了其发展历程、分类体系及优势，重点分析了水结合态与游离态水分的数学关系模型，系统总结了酯酶、脂肪酶等酶类在有机溶剂中的活性变化规律，提出有机溶剂的三级水溶性分类标准（水混溶、水不混溶、水不溶），并构建了溶剂筛选决策流程图，最后简要介绍了微水生物反应器的关键技术。

　　

山根恒夫

日本爱知县名古屋市千种区古市町，名古屋大学生物农业科学研究生院，邮编464-8601

微水体系通常被定义为在介质主体中仅含有少量水的体系，但它处于两种极端体系之间：一种是含水的体系，另一种是不含水的（或无水的、干燥的）体系。术语“微水”首次出现于1987年，并自此被广泛接受。本文综述了微水体系中生物催化研究的最新进展，特别关注了该领域的发展历史以及日本的显著贡献。微水生物体系可分为两类：一类使用有机溶剂，另一类则不使用有机溶剂。文章强调了微水生物体系的八个优势，并具体介绍了无溶剂体系的四个优点。文中提出了描述蛋白质结合的水与溶解在有机溶剂中的自由水之间两种关系的数学方程，其中一个适用于可与水混溶的溶剂，另一个适用于与水不混溶的溶剂。随后概述了微水体系中的各种生化反应，讨论了所研究的酶类型、建立微水生物体系的技术、酶在有机溶剂中的特性变化以及选择合适溶剂的标准（包括三种基于生物的绿色溶剂）。最后简要介绍了微水生物反应器。文章还提出了两项新贡献：一是根据水溶性将有机溶剂分为三类（可与水混溶、与水不混溶和难溶于水的（碳氢化合物）；二是修订了选择最适合生物催化反应的系统的决策流程图。

部分摘录

微水体系的优点及无溶剂子系统的优势

在该体系中，酶促反应和微生物反应通常在过量的水中进行。然而，在某些情况下，通过减少水分含量可以显著提高反应性能（如产率和生产力）。

在微水生物体系中进行的反应具有以下八个优势：(i) 增加亲脂性或难溶于水的底物的溶解度；(ii) 使热力学平衡从水解方向转向合成方向；(iii) 减少副产物……

微水生物体系中水分子的状态

需要认识到，发生在有机溶剂或无溶剂体系中的生化反应会受到水分含量的显著影响，从而影响反应速率、产率、选择性和操作稳定性等参数。严格来说，与水体系相对的是无水、非水或干燥的体系，即完全不含水的体系。然而，生物催化反应不能在完全没有水的情况下进行，因为酶……

微水体系中的生化反应

微水体系中的生物催化反应作为酶工程与有机化学之间的交叉学科领域，已被广泛研究，用于脂质、碳水化合物、肽类、手性化合物等的合成或转化。

酶的类型

许多酶被应用于微水生物体系中，包括酯酶（尤其是来自猪肝的酯酶）、脂肪酶（来自多种生物物种，包括猪肝和微生物）、蛋白酶（例如热裂解酶、α-胰凝乳蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶）、过氧化物酶（来自辣根）和醇脱氢酶（尤其来自酵母和马肝）。其中，脂肪酶在微水体系中的研究最为深入。

酶在有机介质中的性质变化

关于有机介质中酶促催化的首篇开创性报告由Zaks和Klibanov于1984年发表（51）。此后，Klibanov的研究团队发表了20多篇杰出论文，其中有三篇（51, 52, 58）直接与本文的主题相关。

即使在有机溶剂中，酶的反应速率也遵循Michaelis-Menten方程，这与水溶液中的情况相同。然而，酶的性质……

根据水溶性对有机溶剂的分类

多种有机溶剂被用于微水体系中的生物催化。根据水溶性，这些溶剂可分为三类：可与水混溶的、与水不混溶的和难溶于水的有机溶剂（表2）。该分类最初是在本综述中提出的，对于……

微水生物反应器

工业微水生物反应器与常规水溶液中亲水底物生物反应器的主要区别在于对最佳条件下水分含量的控制。已知有多种技术可用于去除脂肪酶催化的生物酯化反应中的水分，例如在常温下减压、减压蒸馏、共沸蒸馏、真空共沸蒸馏、通入干燥气体等。

结论性评论

本文通过引用大量历史和近期文献，全面回顾了微水体系中的生物催化研究。

酶在人类福利方面的现代应用始于1895年，当时Jokichi Takamine博士开发了Taka-Diastase这种消化酶。这标志着生物催化的第一个时代的开始，该时代持续到1953年Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构。接下来的五十年一直延续到20世纪末……

致谢

本综述未获得任何公共部门、商业机构或非营利组织的资助。