于 躍 楊 興 韓志躍 劉 歡 王 芳 鄧 利*

(1.北京化工大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 北京 100029； 2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

引 言

脂肪族聚酯是由二元醇和二元羧酸發(fā)生縮聚反應(yīng)而生成的一類高分子聚合物，具有可水解的酯鍵結(jié)構(gòu)，是一種可生物降解的材料，在纖維、農(nóng)業(yè)、組織支架、包裝材料及藥物遞送系統(tǒng)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。目前，脂肪族聚酯主要通過化學(xué)聚合法合成，使用如錳、鋅、鈣、鈷、鎂等金屬元素的乙酸鹽、氧化銻和氧化鈦等材料作為催化劑[1]，反應(yīng)溫度通常高于180 ℃。高溫不適用于熱不穩(wěn)定或化學(xué)不穩(wěn)定的單體和官能團(tuán)(如碳碳雙鍵)，可能會導(dǎo)致一系列副反應(yīng)的發(fā)生，如凝膠化、分解、變色等反應(yīng)[2-3]。此外，當(dāng)聚酯應(yīng)用于生物醫(yī)用材料時(shí)，金屬催化劑的殘留物會對人體造成不利影響。

生物酶催化聚合是近年發(fā)展起來的一種新的聚合方法，生物酶催化劑為提高生物基聚合物的性能和價(jià)值提供了機(jī)會，很多不同結(jié)構(gòu)的生物基單體已經(jīng)可以通過發(fā)酵或化學(xué)轉(zhuǎn)化進(jìn)行工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，所得的可降解產(chǎn)品(如聚乳酸等)有望減輕化石基聚合物(如塑料)對環(huán)境的不利影響。與化學(xué)法相比，生物酶催化法有以下優(yōu)點(diǎn)[4]：1)酶催化反應(yīng)的條件溫和，對熱不穩(wěn)定的官能團(tuán)(如酚羥基、醛基和碳碳雙鍵等)具有保護(hù)作用；2)具有立體選擇性、區(qū)域選擇性和化學(xué)選擇性[5]；3)酶經(jīng)過固定化處理后，具有可重復(fù)利用性，可降低應(yīng)用成本[6]；4)可在無溶劑體系下反應(yīng)，避免后續(xù)有機(jī)溶劑的分離所帶來的成本和污染[7]；5)酶催化合成的聚酯的分子量分布均勻，多分散性指數(shù)(PDI)較低(接近1)；6)脂肪酶本身無毒，不含重金屬，且合成的聚酯能被人體降解，可滿足生物醫(yī)用材料的要求。因此，酶催化聚合反應(yīng)越來越受到人們的關(guān)注，成為近年來的研究熱點(diǎn)之一。

脂肪酶是應(yīng)用廣泛的一類催化聚合酶，除了可以催化長鏈酯鍵的水解，生成甘油、脂肪酸以及甘油單酯和二酯外，脂肪酶還可以催化酯合成、酯聚合、酯交換及酰胺合成等反應(yīng)，其中聚酯和聚酰胺是脂肪酶可以催化聚合的兩類重要聚合物。在酶催化合成脂肪族聚酯中，主要通過3種類型的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)：開環(huán)聚合、酯交換聚合和直接縮聚，其中直接縮聚的最大優(yōu)點(diǎn)是底物二元羧酸和二元醇容易獲得，無需經(jīng)過特殊處理。本文綜述了脂肪酶催化縮聚反應(yīng)合成脂肪族聚酯的研究進(jìn)展，介紹了脂肪酶的種類、飽和及不飽和脂肪族聚酯的酶催化合成，總結(jié)了酶催化法在聚酯合成中存在的問題并提出了相應(yīng)的對策。

1 脂肪酶

1.1 脂肪酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

脂肪酶又稱為三?；视王；饷?，廣泛存在于動植物及微生物細(xì)胞中。其分子量大小各異，最小的為20～25 kDa，最大的為60～65 kDa。脂肪酶的活性中心包含親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)兩部分，活性中心中的絲氨酸殘基靠近疏水端，因此表現(xiàn)為“外疏水、內(nèi)親水”的特性[6]。脂肪酶是一種典型的α/β水解酶，在活性口袋的上方有一個(gè)螺旋“蓋子”，這個(gè)蓋子的開啟和關(guān)閉直接影響到底物能否被催化，同時(shí)也使得酶在溶解時(shí)產(chǎn)生多構(gòu)象狀態(tài)(open and closed)。通常，脂肪酶具有表面激活效應(yīng)，即螺旋“蓋子”在水和有機(jī)物的表面被激活而打開，這也是其區(qū)別于酯酶的重要標(biāo)志。另外，脂肪酶都具有催化三聯(lián)體Ser- Asp- His，它們形成質(zhì)子傳遞鏈，加速了Ser與底物基團(tuán)的作用。在酶蛋白的中心有一個(gè)長約25 ?的“L”形疏水口袋，這是底物與酶作用的主要場所，在疏水口袋壁上共有21個(gè)氨基酸參與酶和底物的結(jié)合[8]。

1.2 脂肪酶的催化過程

脂肪酶的催化過程遵循“乒乓機(jī)制”，當(dāng)脂肪酶與底物作用時(shí)，覆蓋活性中心的“蓋子”發(fā)生移動而暴露活性中心，開啟催化反應(yīng)。其活性中心催化三聯(lián)體中的組氨酸吸收絲氨酸上的一個(gè)質(zhì)子，然后絲氨酸親核進(jìn)攻底物羰基上的碳原子，形成酶- 底物復(fù)合物中間體[7]，然后釋放產(chǎn)物，釋放后再結(jié)合底物繼續(xù)催化反應(yīng)，如此循環(huán)往復(fù)[9-10]。脂肪酶催化酯化反應(yīng)的關(guān)鍵中間體是酶催化位點(diǎn)絲氨酸殘基上的羥基參與形成的活性酯，生成的中間體被醇攻擊后得到酯。各種羧酸、甲酯、乙烯基酯和鹵代烷基酯等已被用作脂肪酶催化合成聚酯的單體[11]。

圖1 脂肪酶催化的縮聚反應(yīng)Fig.1 Lipase-catalyzed polycondensation

1.3 脂肪酶的種類

脂肪酶的種類有很多，依據(jù)來源不同可以分為動物性脂肪酶、植物性脂肪酶和微生物性脂肪酶。由于微生物種類多、繁殖快、易發(fā)生遺傳變異，因此，微生物性脂肪酶具有比動植物性脂肪酶更廣的pH作用范圍和反應(yīng)溫度范圍以及更高的底物專一性。微生物來源的脂肪酶一般都是分泌性的胞外酶，主要的發(fā)酵微生物有黑曲霉(Aspergillusniger)、假絲酵母(Candida)等，它們適合工業(yè)化生產(chǎn)，且易于獲得高純度樣品，因此微生物性脂肪酶是工業(yè)用脂肪酶的重要來源。Novozym 435酶是目前最常用的商業(yè)化的高效率固定化脂肪酶[11]，由南極假絲酵母脂肪酶B(Candidaantarcticalipase B，CALB)通過界面活化吸附在甲基丙烯酸樹脂(Lewatit VP OC 1600)上制成[12]。

譚天偉等[13]通過對假絲酵母菌種Candidasp.99- 125進(jìn)行多種方式誘變，得到假絲酵母脂肪酶，經(jīng)純化，脂肪酶的比酶活可達(dá)5 035 U/mg。該脂肪酶對長鏈不飽和甘油酯以及長鏈脂肪酸(C12～C18)甲酯表現(xiàn)出較高的活性，可用于催化合成長鏈脂肪酸酯和中鏈甘油酯、維生素A棕櫚酸酯和生物柴油，轉(zhuǎn)化率均在90%以上。此外，將來源于疏棉狀嗜熱絲孢菌(Thermomyceslanuginosus)的脂肪酶固定化[14]，制備成Lipozyme TL IM、Lipozyme RM IM等固定化酶，也可以用于催化酯化和轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)[15]。

2 脂肪酶催化縮聚反應(yīng)

2.1 縮聚原理

縮聚反應(yīng)分為低分子二元酸(或其活性酯)與二元醇的縮聚以及羥基酸(或其活性酯)的自縮聚兩種。底物之間通過脫去低分子量的副產(chǎn)物(水或小分子醇類)，形成新的酯鍵，從而合成高分子聚合物(圖1)。酶催化縮聚反應(yīng)與水解反應(yīng)之間存在競爭，因此限制了聚酯分子量的增長。在不改變聚合反應(yīng)平衡的條件下，反應(yīng)需要較長的時(shí)間和較大的酶量，并且得到的聚合物的分子量也較低。反應(yīng)中可以通過抽真空或添加帶水劑等方式不斷去除小分子，以提高聚酯產(chǎn)物的分子量[16-17]。

2.2 飽和脂肪族聚酯的合成

2.2.1飽和脂肪族聚酯

飽和脂肪族聚酯是分子結(jié)構(gòu)中除了酯鍵外不再含有雙鍵等不飽和鍵的聚酯。通過采用不同的多元酸和多元醇可以合成出不同類型、不同特性的飽和聚酯。

采用直鏈結(jié)構(gòu)的多元醇與多元酸反應(yīng)，可以得到具有線性結(jié)構(gòu)的熱塑性樹脂，其柔韌性非常好，主要用作生活中的各種塑料，如聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是一種典型的線性聚酯，由1,4-丁二酸與1,4-丁二醇縮聚而成。如果采用含有苯環(huán)的多元酸與多元醇反應(yīng)，則得到含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的聚酯，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，苯環(huán)的剛性特征賦予聚酯硬度，而苯環(huán)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)特征賦予聚酯耐化學(xué)性，因此這類聚酯可作為強(qiáng)度很高的纖維產(chǎn)品應(yīng)用于軍工等領(lǐng)域。

關(guān)于飽和聚酯酶催化合成工藝，國內(nèi)外已有很多相關(guān)報(bào)道，表1總結(jié)了脂肪酶在催化合成飽和脂肪族聚酯中的應(yīng)用。可以看出，Novozym 435是最常用的催化聚酯合成的酶，反應(yīng)溫度通常在70～90 ℃之間，反應(yīng)時(shí)間大于20 h，可以在有機(jī)溶劑或無溶劑的條件下進(jìn)行反應(yīng)。

表1 脂肪酶催化飽和脂肪族聚酯的合成

2.2.2脂肪酶催化二元酸和二元醇聚合

Mahapatro等[18]使用CALB催化己二酸和1,8-辛二醇的縮聚反應(yīng)，于70 ℃反應(yīng)48 h，合成了分子量為28 500的聚酯，并且發(fā)現(xiàn)酶催化法合成的產(chǎn)物的PDI比化學(xué)催化法低；將Lewatit上的CALB濃度從0.1%(CALB占Lewatit的質(zhì)量分?jǐn)?shù))增加到1%時(shí)，產(chǎn)物的分子量略有增加；游離的CALB對聚合反應(yīng)也有催化活性，但相對于其固定化形式，鏈增長較慢；在65～90 ℃之間，聚合反應(yīng)對反應(yīng)溫度的依賴性很小。

Mahapatro等[19]發(fā)現(xiàn)脂肪酶Novozym 435可以在二苯醚中保持80%的活性；還發(fā)現(xiàn)較長鏈的二元酸(癸二酸和己二酸)和二元醇(1,8-辛二醇和1,6-己二醇)體系的反應(yīng)活性高于短鏈的二元酸(丁二酸和戊二酸)和二元醇(1,4-丁二醇)體系。

Azim等[20]以CALB為催化劑、二苯醚為溶劑，以丁二酸二乙酯和1,4-丁二醇為原料制備了單相反應(yīng)混合物，合成了數(shù)均分子量為38 000、PDI為1.39的聚酯；發(fā)現(xiàn)添加分子篩或減壓可以在反應(yīng)過程中去除小分子產(chǎn)物和水，提高聚酯的分子量；與短鏈單體相比，長鏈單體具有更高的反應(yīng)活性。

酶催化酯化縮聚反應(yīng)還可以在無溶劑體系中進(jìn)行，使酶催化反應(yīng)更加環(huán)保。Liu等[21]發(fā)現(xiàn)Candidasp.99- 125產(chǎn)生的脂肪酶在無溶劑體系下能夠有效地催化合成聚癸二酸丁二酯的縮聚反應(yīng)，反應(yīng)24 h可使聚合物的分子量達(dá)到15 800。該課題組還采用β-環(huán)糊精修飾聚合物分子以起到支撐作用，保持低聚物正確的鏈構(gòu)象，避免其凝聚，從而進(jìn)一步提高了聚合物產(chǎn)物的分子量[22]。

通過Novozym 435催化縮聚制備多元嵌段聚酯已有文獻(xiàn)報(bào)道[25-27]，所得聚酯具有很好的熱塑性、可生物降解性和生物相容性。研究表明，3種或3種以上單體的聚合可以用來制備多種功能性高分子材料，比由2種單體聚合的材料具有更優(yōu)秀的性能，為改善傳統(tǒng)高分子材料的性能提供了一種很有前途的手段[25-27]。

以上介紹了一些關(guān)于飽和脂肪族聚酯的酶催化合成的研究工作，可以看出，酶催化合成聚酯的過程中反應(yīng)條件十分溫和，非常節(jié)約能源。但突出的一個(gè)問題是產(chǎn)物的分子量較小，難以進(jìn)一步提升。因此如何通過酶催化的方式獲得分子量更大的聚酯以滿足實(shí)際需求，是目前國內(nèi)外學(xué)者的一個(gè)研究重點(diǎn)。

2.2.3脂肪酶催化酸酐、二酯聚合

除了二元酸和二元醇外，酸酐、二酯參與的縮聚反應(yīng)可以減少水的生成，有利于平衡向聚合物生成的方向移動。

丁二酸酐和1,8-辛二醇在脂肪酶Candidaantarctica的催化下聚合，在室溫下就可以合成數(shù)均分子量達(dá)10 000的聚酯[23]。除二元醇外，多元醇也可以作為反應(yīng)原料，通過控制反應(yīng)條件來控制支化度，進(jìn)而調(diào)節(jié)材料的疏水性。

Taresco等[24]以己二酸二乙烯酯和甘油為原料，經(jīng)Novozym 435催化縮聚，制備了聚己二酸甘油酯，并通過控制反應(yīng)溫度來控制支化度，該材料可以作為工程固體分散體或納米顆粒的一種成分，具有潛在的醫(yī)療應(yīng)用價(jià)值。

2.2.4脂肪酶催化其他單體聚合

酶法縮聚為熱穩(wěn)定性差的單體提供了一種有效的聚合手段，如具有硅氧烷官能團(tuán)的單體。含硅聚酯因其獨(dú)特的性能，如低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、低表面能、高透氣性和良好的生物相容性而備受關(guān)注。將1,3-雙(3-羧丙基)四甲基二硅氧烷與二元醇(1,4-丁二醇、1,6-己二醇和1,8-辛二醇)在無溶劑體系中于50～90 ℃減壓，使用Novozym 435催化縮聚反應(yīng)，可得到最大分子量為20 000的含硅聚酯[28]，該縮聚反應(yīng)如圖2所示。該聚合物與聚乙二醇再經(jīng)過Novozym 435酶催化聚合，可以生成雙親性嵌段共聚物[29]。此外，雙(3-羥丙基)聚二甲基硅氧烷與一系列二元羧酸(琥珀酸、己二酸和癸二酸)經(jīng)過Novozym 435酶催化聚合，可得到產(chǎn)率大于90%的聚硅氧烷- 聚酯[30]。

圖2 脂肪酶催化二元醇與1,3-雙(3-羧丙基)四甲基 二硅氧烷的縮聚反應(yīng)[28]Fig.2 Lipase-catalyzed polycondensation of diols with 1,3-bis- (3-carboxypropyl)-tetramethyldisiloxane[28]

酯化縮聚反應(yīng)已擴(kuò)展到含糖組分的產(chǎn)物，糖基運(yùn)載工具因具有固有的生物相容性和生物黏附性/靶向性而備受關(guān)注。Khatri等[31]在無溶劑條件下，以Novozym 435為催化劑，合成了新型糖基聚乙二醇雙親性共聚物，可以作為藥物載體。Perin等[32]采用Novozym 435為催化劑，在叔丁醇中以D-果糖和D-葡萄糖為原料，使用甲基丙烯酸三氟乙酯作為甲基丙烯酸供體，生成甲基丙烯酰-D-果糖和甲基丙烯酰-D-葡萄糖基單體，并以乙二醇二甲基丙烯酸酯為交聯(lián)劑，制得聚甲基丙烯酰果糖水凝膠，其具有較高的機(jī)械穩(wěn)定性和水膨脹能力。赤蘚糖醇(C4)、木糖醇(C5)、核糖醇(C5)、甘露醇(C6)、葡萄糖醇(C6)和半乳糖醇(C6)也可以與二元酸聚合。在反應(yīng)過程中，一級羥基的反應(yīng)活性高于二級羥基，因此在酶法縮聚過程中，糖多元醇的立體化學(xué)性并沒有發(fā)生變化[33]。

羥基酸及其酯的自縮聚也可以通過酯化(脫水)和酯交換縮聚來進(jìn)行。在羥基酸的自縮聚反應(yīng)中，脂肪酶對長鏈單體表現(xiàn)出更高的反應(yīng)活性。這是因?yàn)閱误w鏈越長，其疏水性越大，脂肪酶在與疏水性更大的底物結(jié)合時(shí)更容易被激活，這是脂肪酶特有的一種界面活化現(xiàn)象。除了均聚反應(yīng)外，脂肪酶催化的兩種或更多種羥基酸的共聚反應(yīng)是改變聚合物性質(zhì)的有效工具，例如乳酸和乙醇酸共聚可以合成普通藥物載體聚(乳酸- 乙醇酸)[34]。蓖麻油酸是蓖麻油的主要成分，通過脂肪酶催化自聚合可得到分子量為100 600的聚蓖麻油酸[35]，該聚合物可以在過氧化二異丙苯的催化下與不溶于氯仿的聚合物交聯(lián)。此外，蓖麻油酸還可以通過氫化轉(zhuǎn)化為12-羥基硬脂酸甲酯，然后與12-羥基十二烷酸共聚，合成新型綠色可降解的彈性體[36]。

2.3 不飽和脂肪族聚酯的合成

2.3.1不飽和脂肪族聚酯

不飽和聚酯中的雙鍵使得聚酯具有交聯(lián)性，雙鍵在高溫有氧條件下可以打開，交聯(lián)后可以有效提高產(chǎn)品的黏合度。不飽和聚酯黏合劑(如聚氨酯黏合劑)的黏附性能好，透明度高，常溫下即可固化，且耐腐蝕性好，使用方便。不飽和聚酯是增強(qiáng)塑料中使用最普遍的材料，具有室溫可固化、黏度適中、可常壓成型、固化后無小分子副產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn)，其力學(xué)性能優(yōu)于酚醛樹脂，但略低于環(huán)氧樹脂[37]。

2.3.2不飽和脂肪族聚酯的合成

目前不飽和聚酯大多由化學(xué)法合成，而酶催化法合成不飽和聚酯正逐漸受到人們的關(guān)注，表2總結(jié)了關(guān)于脂肪酶催化合成不飽和聚酯的研究工作。

表2 脂肪酶催化不飽和脂肪族聚酯的合成

衣康酸是一種通過土曲霉(Aspergillusterreus)發(fā)酵獲得的二元酸[3]，由于乙烯基部分和1,4位置羧基的功能性，衣康酸經(jīng)常作為聚合單體，為聚合物合成提供引入復(fù)雜官能團(tuán)的機(jī)會。在化學(xué)催化法中，強(qiáng)酸是常用的催化劑，在聚合過程中需加入對苯二酚或甲氧基苯酚等阻聚劑對衣康酸的碳碳雙鍵進(jìn)行保護(hù)，以防止雙鍵在高溫下發(fā)生自聚。而酶催化法的反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)溫度往往為70 ℃，在此溫度下，衣康酸的雙鍵很少發(fā)生自由基聚合，因此酶催化法是保護(hù)雙鍵的最好途徑。

Jiang等[38]以衣康酸二甲酯、1,4-丁二醇和各種二羧酸乙酯為單體，CALB為催化劑，二苯醚為溶劑，通過兩步聚合制備了一系列飽和及不飽和的脂肪族聚酯，分子量可達(dá)94 000；研究發(fā)現(xiàn)，二羧酸乙酯的鏈越長，CALB的活性越高，催化合成的產(chǎn)物分子量也越大，其中CALB對己二酸二乙酯的活性最高。Nguyen等[39]使用Novozym 435為催化劑，以甘油、季戊四醇、壬二酸、妥爾油脂肪酸(主要成分為油酸、亞油酸)為底物合成高支化聚酯材料，可以作為黏合劑和薄膜的成分。

由于生物酶的催化選擇性，可以合成化學(xué)法無法催化合成的功能性聚酯。Br?nnstr?m等[40]以衣康酸二甲酯、丁二酸二甲酯和1,4-丁二醇為原料合成聚酯，研究了不同催化劑的催化效果，發(fā)現(xiàn)CALB是最有效的催化劑；在60 ℃下進(jìn)行反應(yīng)，CALB對衣康酸二甲酯和丁二酸二甲酯的共軛側(cè)基具有選擇性，使得衣康酸基主要位于產(chǎn)物聚酯鏈的末端(圖3)；生物酶法合成的聚酯經(jīng)過交聯(lián)，表現(xiàn)出與化學(xué)法催化合成的聚酯一樣的性質(zhì)，且酶催化生成的產(chǎn)物具有不變色的優(yōu)點(diǎn)。Pellis等[41]使用酶催化法在無溶劑條件下合成了衣康酸、富馬酸和馬來酸基聚酯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在縮聚反應(yīng)后，原有的功能性乙烯基團(tuán)被很好地保護(hù)了起來，且在反應(yīng)過程中沒有凝膠現(xiàn)象，證實(shí)了所產(chǎn)生的聚合物具有線性結(jié)構(gòu)。Guarneri等[42]在無溶劑的溫和條件下，利用脂肪酶催化合成聚(1,4-環(huán)己烷二甲醇衣康酸酯)，溫和的反應(yīng)條件保留了衣康酸的不穩(wěn)定乙烯基，并避免了1,4-環(huán)己烷二甲醇的分解。經(jīng)過上述反應(yīng)得到的聚酯中仍含有被保護(hù)的乙烯基，可繼續(xù)與己二胺和2-苯乙胺等進(jìn)行邁克爾加成反應(yīng)，得到交聯(lián)度更高的聚合物，這些材料均無法通過常規(guī)的化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)合成。

圖3 衣康酸基在不飽和聚酯的末端[40]Fig.3 Itaconic acid group at the end of an unsaturated polyester chain[40]

2.3.3底物對脂肪酶催化的影響

不飽和底物對脂肪酶催化的產(chǎn)物的分子量有影響。Barrett等[43]使用衣康酸、乙二醇和戊二醇為底物，通過酶促反應(yīng)分別合成了3種聚酯：線性聚(1,4-環(huán)己烷二甲醇衣康酸酯)、聚(聚乙二醇衣康酸酯)和聚(3-甲基-1,5-戊二醇衣康酸酯-co-3-甲基-1,5-戊二醇己二酸酯)，其中最高的分子量達(dá)12 000，這些聚酯可用于藥物遞送系統(tǒng)、組織工程支架和其他醫(yī)用材料；研究還發(fā)現(xiàn)衣康酸二甲酯是酶促聚合的理想單體，其原因是增加了單體的柔性、延長了碳鏈，使得反應(yīng)更易于進(jìn)行，從而提高了產(chǎn)物聚酯的分子量。

Jiang等[44]指出在酶促縮聚條件下，丁二酸在1,4-丁二醇中的溶解度較小，導(dǎo)致聚合效率較低，為避免聚合過程中兩相傳質(zhì)的發(fā)生，選擇衣康酸二甲酯為反應(yīng)單體；同時(shí)還研究了脂肪酶對底物衣康酸二酯的親和性，發(fā)現(xiàn)酶對底物的親和性由高到低為：衣康酸二甲酯>衣康酸二乙酯>衣康酸二丁酯>衣康酸，可以看出，衣康酸不受Novozym 435的青睞，因?yàn)橐驴邓嵩诖既芤褐胁蝗?，這使得酶顆粒無法與之接觸，也就無法進(jìn)行酶催化。衣康酸二甲酯是Novozym 435最易聚合的二酯，因?yàn)榕c乙醇(沸點(diǎn)78.4 ℃)和正丁醇(沸點(diǎn)117.7 ℃)相比，縮聚反應(yīng)生成的小分子產(chǎn)物甲醇(沸點(diǎn)64.7 ℃)在真空下更容易被除去。此外，烷基酯的化學(xué)反應(yīng)性是另一個(gè)原因，眾所周知，甲酯在化學(xué)上比乙酯和丁酯更具活性。

Yang等[45]以油酸、芥酸和環(huán)氧硬脂酸為原料，采用全細(xì)胞生物轉(zhuǎn)化法，以高轉(zhuǎn)化率合成了生物基ω-羧基脂肪酸單體；然后在Novozym 435的催化下單體與二元醇進(jìn)行縮聚，得到分子量為25 000～57 000的不飽和聚酯和具有環(huán)氧基團(tuán)的聚酯，并且發(fā)現(xiàn)底物二元醇的鏈越長，產(chǎn)物聚酯的熔點(diǎn)和分子量就越高。

3 酶法合成脂肪族聚酯的不足及對策

目前，使用酶作為催化劑合成脂肪族聚酯在生產(chǎn)過程和實(shí)際應(yīng)用中仍然存在以下不足。

(1)與傳統(tǒng)的化學(xué)法相比，酶催化生成的聚合物的分子量仍較低。這一問題可以通過兩種方法來改善：一種方法是在酶催化縮聚之后，再通過化學(xué)催化進(jìn)行第二步反應(yīng)，例如衣康酸聚酯制備成功后，利用其未反應(yīng)的乙烯基再進(jìn)行加成反應(yīng)，以提高產(chǎn)物的分子量。另一種方法是采用分步聚合法，即先進(jìn)行初始聚合以獲得功能化末端的低聚物，然后在較高溫度或較低壓力下進(jìn)行第二步聚合或交聯(lián)反應(yīng)。低聚物的合成避免了高聚物因沉淀而脫離反應(yīng)體系的情況，低聚物的功能性末端可以在第二步反應(yīng)中用于聚合或交聯(lián)，而無需脂肪酶就可獲得高分子量的材料。兩步法的合成方式避免了許多問題，并且與酶催化直接縮聚合成聚酯相比，提供了更快的反應(yīng)速率和更高的產(chǎn)物分子量[46]。

(2)在有機(jī)溶劑、表面活性劑等物質(zhì)的存在下，酶會在高溫下從載體中釋放[47]。據(jù)報(bào)道，Novozym 435也存在這種現(xiàn)象[48]。因?yàn)槊傅尼尫?，?dāng)需要停止實(shí)驗(yàn)時(shí)將固定化酶與反應(yīng)體系分離，但游離在溶劑中的酶無法使反應(yīng)停止，失去了反應(yīng)的可控制性[49]。酶的滲漏是固定化脂肪酶的一個(gè)普遍問題，最好的解決方案是交叉連接酶以防止酶的解吸[50]?？刹扇∑暇厶侨┗蚱暇厶橇蛩猁}等以物理方式與酶蛋白交聯(lián)[51]，例如戊二醛或醛- 葡聚糖[52]，或者添加一些離子或化學(xué)反應(yīng)基團(tuán)[53]，使固定化酶的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

(3)在催化反應(yīng)中，機(jī)械攪拌使酶的載體顆粒變得脆弱，甚至?xí)姑割w粒破碎[54]，尤其是在工業(yè)層面上，破碎的酶可能會堵住過濾器[55]。為了避免載體被破壞，可以采用較溫和的攪拌方式[56]，或者在固定化酶上涂覆一些剛性的覆蓋層，以避免載體斷裂[57]。例如，在Novozym 435表面涂上硅酮等有機(jī)硅，在劇烈攪拌下可避免載體支架被破壞，并且可以抑制酶的釋放，使得固定化酶的活性能保持在90%以上[57]。

(4)脂肪酶的許多應(yīng)用環(huán)境是無水介質(zhì)(例如疏水性溶劑)，在反應(yīng)過程中底物可能釋放一些親水性化合物，導(dǎo)致這些化合物在酶中積聚。例如，在酯化反應(yīng)中，水是反應(yīng)的副產(chǎn)物，酸也可以積聚在這種環(huán)境中，從而使得酶暴露在非常低的pH值下而失活。此外，水的積累也會使反應(yīng)體系中的酶不利于接近底物，從而降低酶的活性[58]。一種解決方法是使用超聲波處理和分子篩吸附，可以部分減少水在酶上的積聚[59-60]；另一種方法是改變固定化載體，使用一些疏水性更強(qiáng)的固定化材料，這些材料更能抵抗溶劑的溶解，并且由于更加疏水而防止酶的積水[61-62]。

(5)使用酶法合成脂肪族聚酯的反應(yīng)速率較慢，且酶的價(jià)格較高，致使酶法合成聚酯的生產(chǎn)成本過高，迄今為止只有少數(shù)生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。這主要是由于在底物接受和工藝穩(wěn)定性方面缺乏適當(dāng)?shù)拿钢苿?，大大降低了成本效益。針對酶蛋白本身的?yōu)化，目前有兩個(gè)方向：一是通過蛋白質(zhì)工程和基因工程將已有的脂肪酶進(jìn)行改造，增加其穩(wěn)定性、催化活性和選擇性；二是將酶蛋白進(jìn)行化學(xué)修飾和固定載體優(yōu)化，以提高其穩(wěn)定性，增加固定化酶的重復(fù)使用率，降低產(chǎn)物分離成本[63]。

4 結(jié)束語

綜上所述，由于脂肪酶催化合成聚酯具有諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其是它可以得到許多化學(xué)法催化較難實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，包括硅氧烷、環(huán)氧樹脂和乙烯基部分，因此酶催化法合成脂肪族聚酯具有良好的應(yīng)用前景。 但是到目前為止，該策略仍在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)應(yīng)用，主要原因是酶的成本和催化活性的限制。相信隨著相關(guān)研究的不斷深入，酶催化聚合會取得突破性進(jìn)展，這些問題也會逐步得到解決，最終實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)。