[发明专利]非均相酶催化剂、制备方法和用途

说明书

本发明涉及非均相酶催化剂、制备此类酶催化剂的方法及其通过在非均相中的酶催化进行化学反应的用途。

酶催化剂属于“绿色”化学和可持续发展的范畴。它使得能够进行各种化学反应同时将溶剂的使用最小化并且支持使用生物前体。

考虑到酶的高价格(特别是归因于它们的制备和纯化成本)，能够在它们催化的反应完成时将它们从所述反应介质中容易地回收是重要的。

已提出的解决这一问题的方法之一在于将所述酶固定在固体载体上。于是这被称作非均相酶催化。

非均相催化(或接触催化)的目的是通过使用固体催化剂来转化液体反应物或气体反应物。由于所述反应物吸附在所述固体的表面，所以化学过程发生在固-液界面。

目前提出的各种酶催化系统主要由固体的、通常多孔的载体(聚合物基质、胶体二氧化硅、硅酸钙、沸石、锆、高岭石、多孔玻璃、氧化铝等)组成，纯化的酶被固定于所述载体上。这些系统使得能够在所述反应结束时容易地回收酶。然而，它们具有一个主要的缺点，因为酶在被固定于固体载体上之前必须首先经过纯化，这不可避免地增加了这些催化系统的成本价格。

一些作者还提出掺入未纯化的酶的非均相酶催化剂。美国专利6,004,786具体记载了这样一种非均相酶催化剂，其由例如多孔玻璃、膨润土、硅胶、胶体二氧化硅、二氧化硅-氧化铝羟基磷灰石、磷酸钙凝胶等的固体载体组成，用具有羧酸酯官能的硅烷型偶联剂将未纯化的脂肪酶固定化于其上/其中。但是，该美国专利6,004,786的实施例证明，在所使用载体上固定未纯化的脂肪酶只有在使用具有羧酸酯官能的偶联剂时表现出在催化活性方面令人满意的结果。在这一方面，用不具有羧酸官能的偶联剂即γ-环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷(γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane)(还已知商品名为GLYMO)进行的比较性脂肪酶固定试验没有得到催化活性方面的好结果。

因此，不可能使用任何偶联剂将未纯化的酶固定于固体载体上/内。

还提出了(特别是在美国专利6,025,171中)将未纯化的两亲酶例如脂肪酶固定于糖(淀粉、右旋糖、纤维素衍生物等)上。然而，尽管此类载体具有提高的热稳定性，但是它们的重复使用涉及每一次催化反应后的系统性再生步骤，这从工业角度而言是不实际的并且妨碍它们在连续酶催化过程中的使用。另外，这些载体在极性介质(水和其它极性溶剂)中的部分或完全溶解性妨碍它们在任何循环式或连续流式催化过程中的使用。最后，也不能设想它们在制备生物柴油中的用途，因为新形成的化合物均能够溶解上述载体。

因此需要这样的非均相酶催化剂，其：

-使得能够以非常高的催化效率使用未纯化的酶，

-能够重复使用很多次而不显著丧失催化活性，

-能够用于极性介质和/或连续催化过程中(不需要中间的再生步骤)，以及

-能够按照易于实施的方法特别是使用常规的偶联剂制备。

通过作为本发明的主题并且将在下文中进行描述的非均相酶催化剂实现这一目的。

本发明的一个主题是非均相酶催化剂，其特征在于它的形式为由二氧化硅基质或有机改性的二氧化硅基质组成的多孔整体，所述整体包括平均大小d_A为1μm-100μm的大孔、平均大小d_E为2-50nm的中孔和平均大小d_I为0.7-1.5nm的微孔，所述孔相互连接，并且其中所述大孔的内表面被选自硅烷的偶联剂官能化，未纯化的酶通过共价键或静电键与所述偶联剂连接。

在本发明的背景中，“未纯化的酶”这一表述应理解为表示包含至少一种未经过纯化步骤的未分离的酶的蛋白质物质。

术语“整体”应理解为平均大小至少为1mm的固体物体。

如举例说明本申请的实施例所证明的，此类整体的使用使得可以使用未纯化的酶，这从经济学角度而言是非常有利的。确实，用选自硅烷的偶联剂将未纯化的酶固定于此类整体的大孔内得到了这样的非均相酶催化剂，其具有非常高的催化活性和非常高的可循环性，所述催化活性通常达到所述酶以纯化状态或非固定状态使用时的理论催化活性的100％。本发明人还证明了当将未纯化的酶固定化于此类整体内时，其反应动力学提高。

在该整体中，所述大孔的壁的厚度通常为0.5-40μm，并且优选为2-25μm。

根据本发明，所述微孔存在于所述大孔的壁的厚度内，因此使得它们是微孔性的。

所述整体的比表面积通常为约200-1000m²/g，优选约300-700m²/g。