Cơ cấu và sự ổn định của protein phụ thuộc vào sự hiện diện của nước, và enzyme có liên quan với xúc tác trong nước. Thật vậy, đây là một trong những lợi thế của chúng, vì chúng xúc tác các phản ứng trong khoảng nhiệt độ mà tại đó nước là chất lỏng ở áp suất khí quyển bình thường. Tuy nhiên, có những trường hợp ngoại lệ ví dụ như trong quá trình tiêu hóa ở nhiệt độ cao của tinh bột (6.6). Cũng như không là môi trường dung dịch trong
đó enzyme thường hành động ngăn cản việc sử dụng của chúng như là chất xúc tác trong các dung môi hữu cơ (6.3, 6.4.2, 6.9.2, 6.9.4)
Có lý do chính đáng cho việc sử dụng enzyme ngoài phạm vi bình thường của chúng. Nhiệt độ cao có thể tăng độ hòa tan của các chất nền của ít nhất một trạng thái keo thích hợp trong trường hợp của tinh bột: chúng có thể ngăn chặn một quá trình bị ngoại nhiễm giống như một chất hỗ trợ khử trùng, nếu không có vô trùng, cuối cùng, chúng có thể ảnh hưởng đến sự cân bằng của phản ứng một cách tích cực theo chiều tạo ra các sản phẩm cần thiết. Dung môi hữu cơ có ích vì những lý do tương tự, nhưng chúng có thể có một lợi thế trong phân chia ra khỏi pha lỏng cả cơ chất và các sản phẩm mà có thể ức chế sự xúc tác.
Tuy nhiên protein trở nên kém ổn định hoặc dãn ra khi nhiệt độ tăng hoặc khi chúng được sử dụng trong các dung môi hữu cơ. Các chất hóa học của quá trình này được hiểu đủ để cho phép nó bị ảnh hưởng bởi tái thiết kế có chủ ý của các chuỗi polypeptide của chúng bằng cách thay đổi hóa học của cấu trúc hiện có hoặc bằng cách lựa chọn cẩn thận các điều kiện phản. Ví dụ, sự ổn định của các protein trong các dung môi hữu cơ phụ thuộc vào log giá trị P được xem là ít thích hợp với các chất xúc tác so với cái có giá trị cao hơn. Hơn nữa, một số vi sinh vật ưa nhiệt, mà tự nhiên phát triển ở nhiệt độ cao (~ 60oC) có chứa các enzyme đặc biệt ổn định mà có ích trong xúc tác
Thường thì các enzyme rất hữu ích trong các hỗn hợp, nơi nước và các dung môi có mặt như hai pha riêng biệt. Điều này rất hữu ích nơi cơ chất bị kém tan trong nước. Nếu hàm lượng nước trong các phản ứng liên quan đến enzyme thủy phân bị giảm thì dung môi không chỉ ảnh hưởng đến nồng độ tổng thể của các chất và các sản phẩm ở trạng thái cân bằng mà còn có thể chặn một chất trung gian không ổn định mà nếu không có thể bị thủy phân. Như Pottervin chỉ ra (xem chương I), các ảnh hưởng là để "đảo ngược" hành động loại bỏ nước từ các cơ chất.
Hình 6.3
Đã có vài ví dụ về phản ứng quy mô lớn trong điều kiện như vậy (Bảng 6.6). Mặc dù chỉ là một số dự án ở quy mô thí điểm, các ester của chất béo (xem sơ đồ 6.29) hiện nay là một thực tế thương mại trong sản xuất sản phẩm thay thế bơ ca cao (50) và của methylethyltetradecanoate (isopropylmyristate) (51). Trước đây là một thành phần thực phẩm có giá trị, trong khi sau này bị sử dụng như là một chất độn trong công thức của các mỹ phẩm. Việc kiểm soát các hoạt động của nước bị một vấn đề kỹ thuật quan trọng khi enzyme ở trong dung môi gần cạn. Trường hợp lipase xúc tác tổng hợp ester hơn transesterification lượng cân bằng hóa học của nước được giải phóng. Mặc dù một số nước rất cần thiết cho hoạt động của enzyme nhưng quá nhiều sẽ ảnh hưởng đến sự cân bằng giữa quá trình tổng hợp và thủy phân ester. Hiệu quả tăng qui mô sẽ yêu cầu phương pháp khác tốt hơn về kiểm soát hơn phương pháp hiện sẵn có.
Bảng 6.6:
Chất xúc tác Phản ứng Dung môi
Nocardia corillina Epoxidation 1 – Octene Styrene 1 – Teiradecene n – Hexadecane n – Hexadecane 1 – Tetradecene (substrate) Horseradish peroxidase Phenol polymerization Ethylacetate
Trypsin ( protease) Transpeptidation Butan – 1,4 – diol
Subtilisin Ester hydrolysis Dioxane chloroform etc
Mucor michei lipase Transesterification 60 -80oC petroleum ether
Aspergillus niger Ester synthesis Substrate mixture
Arthrobacter simplex Steroid dehydrogenation Toluene
Hình 6.29 isopropylmyristate