影响生物催化剂活性：温度选择与底物特性的协同作用至关重要

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Influencing the Activity of a Biocatalyst: The Combination of Temperature Selection and Substrate Properties Counts

酶催化聚酯合成中二醇链长、温度及极性的协同影响研究。采用Candida antarctica lipase B固定化酶，通过40-80℃恒温及分阶段温度梯度程序，系统考察了1-3丙二醇至1-10癸二醇不同链长二醇与 adipic acid的酯化反应。结果表明：短链极性二醇（如1-3丙二醇、1-4丁二醇）需40℃低温维持酶活性，转化率仅30%；而长链非极性二醇（如1-8辛二醇、1-10癸二醇）在80℃高温下转化率达95-100%，分子量分别达11,370和16,990 g/mol。通过温度递增（40→60℃）和减压（大气→20 mbar）的分阶段调控，成功将短链二醇体系转化率提升至90%，分子量突破8,000 g/mol。研究揭示了反应体系极性动态变化与酶活性的温度依赖性关系，为优化生物基聚酯工艺提供了理论依据。

　　酶催化聚酯合成是一种有前景的替代传统高温熔融缩聚反应的方法。该方法的核心在于利用酶作为催化剂，替代传统化学方法中可能有毒的金属氧化物或有机金属化合物，从而减少对环境的影响。然而，酶的性能受到多种因素的影响，包括反应温度、底物特性以及酶的固定化技术等。为了深入了解底物特性对酶催化活性的影响，本研究对不同链长的脂肪族二醇与己二酸的反应系统进行了系统评估。研究结果表明，二醇的极性和己二酸在反应体系中的溶解度对酶的催化活性具有显著影响。

在本研究中，使用了*Candida antarctica*脂肪酶B（CaLB）固定在Immobead 150载体上的酶催化剂。通过在40、60或80°C的等温条件下进行批量反应，并采用氮气流进行温和的水分去除，研究了不同底物对反应效果的影响。结果显示，对于极性较低的长链二醇（如辛二醇和癸二醇），在80°C下可以实现较高的转化率和较高的聚合物分子量，而对于极性较高的二醇（如正丁醇、戊二醇、己二醇和丁二醇），则需要较低的反应温度以防止酶失活。这表明底物的极性和反应温度之间存在密切的关联，而这种关联在研究中被系统地揭示出来。

此外，研究还发现，反应体系中的水分去除对酯化反应的平衡具有重要影响。水作为缩聚反应的副产物，其去除可以促进聚酯的形成，但适量的水分对酶催化反应的进行也有积极作用。例如，在ε-己内酯的合成中，适量的水分被认为有助于酶的活性。因此，在本研究中，通过在反应过程中进行温度调整和压力降低，可以更有效地去除水分，从而提高反应效率和产物的分子量。

研究中还采用了不同的实验方法来评估底物的特性，包括使用Hansen溶剂参数软件来估算反应体系的极性。Hansen溶剂参数将极性进一步细分为分散力、极性力和氢键作用，这种方法使得对底物极性的评估更加清晰。研究结果表明，随着反应的进行，反应体系的极性会降低，这是因为更多的自由酸被消耗，同时更多的二醇转化为低极性的聚酯。这种极性的变化使得反应体系在后期能够承受更高的温度，从而进一步促进反应的进行。

在实验过程中，通过不同的温度梯度程序，研究了如何在不同温度条件下优化反应条件。例如，在某些情况下，通过在反应开始时使用较低的温度，然后在一定时间后升高温度并降低压力，可以显著提高反应的转化率和产物的分子量。这种方法不仅提高了反应效率，还避免了由于高温导致的副反应和催化剂失活问题。

研究还发现，不同链长的二醇对反应的影响存在差异。例如，对于短链二醇（如丙二醇和丁二醇），即使在较低的温度下，其反应速率也相对较低，而随着链长的增加，反应速率逐渐提高。这表明二醇的链长和极性对酶的活性具有重要的影响，而这种影响在不同的温度条件下表现不同。

此外，研究还探讨了催化剂浓度对反应的影响。由于使用了较低的催化剂浓度（1% w/w），因此需要对反应条件进行精细的优化，以确保催化剂的活性。实验结果表明，催化剂的浓度与反应温度和底物特性之间存在复杂的相互作用，而这种相互作用对反应的最终效果具有决定性影响。

综上所述，本研究通过系统评估底物的极性、酸的溶解度以及反应温度对酶催化聚酯合成的影响，揭示了酶催化反应的复杂性和多样性。研究结果表明，选择合适的反应参数对于实现满意的催化剂活性至关重要，而这些参数的选择应基于底物的特性进行。本研究不仅为酶催化聚酯合成提供了重要的理论依据，也为未来在工业应用中优化反应条件和选择合适的底物提供了有价值的参考。