用于酶促合成生物柴油的离子液体体系理性设计及构效关系

By integrating the rational design of ionic liquid solvent and lipase, this project proposes to establish a green reaction system for high-efficiency enzymatic biodiesel synthesis. Based on the concept of ionic liquid design, a quantitative structure-property/activity relationship model is established to guide the design of ionic liquid as reaction medium that displays high substrate solubility and no inactivation of enzyme. Besides, a case study is carried out on the lipase catalyzed biodiesel synthesis to investigate the interrelationship between the enzymatic activity and the structure of ionic liquid (i.e., structure-activity relationship), with a view to presenting the variation of the driving force, affinity and enzymatic structure during the ionic liquid-enzyme interactions, analyzing the impact and restriction of the structural composition of ionic liquid on the substrate solubility and the catalytic activity and stability of lipase, and clarifying the law governing the impact of ionic liquid on the speed and yield of lipase catalyzed biodiesel reaction, which, in turn, provides both theoretical and experimental rationale for the rational design of ionic liquid. This study will contribute to green synthesis of biodiesel and rational design of green ionic liquid as well as understanding of functional mechanism of biocatalysis both theoretically and practically.

本项目拟把离子液体溶剂理性设计和脂肪酶结合起来，设计一高效、绿色的酶法合成生物柴油反应体系。一方面，依据离子液体可设计理念，构建离子液体定量结构-性质关系模型，进而理论指导设计合成底物良溶解性与不致酶失活兼具的离子液体反应介质，减少常规“尝试法”筛选合成离子液体所消耗的大量精力；另一方面，以脂肪酶催化生物柴油合成为实例，研究酶活性和离子液体结构之间的关系（构效关系）,从分子水平上阐述离子液体–酶相互作用过程中的驱动力、亲核性及酶结构的变化, 分析离子液体的结构组成对底物溶解度以及脂肪酶催化活性、稳定性的影响及制约作用，阐明不同条件下离子液体对脂肪酶催化生物柴油反应的速度、产率的影响规律，为离子液体的理性设计提供映证和实验依据。此项研究对生物柴油的绿色合成以及绿色离子液体的理性设计及其对脂肪酶催化的作用机制，无论在理论上还是在应用上都具有重要意义。

离子液体作为绿色溶剂在化学、化工各个领域得到广泛的应用。其作为新型绿色溶剂在生物催化等领域具有潜在优势，然而底物在离子液体中的溶解度与酶活力的保持难以调和。本项目过制备系列离子液体，研究酶活性和离子液体结构之间的关系（构效关系）；从分子水平上阐述离子液体–酶相互作用过程中的驱动力、亲和性及酶结构的变化；以脂肪酶催化生物柴油合成为实例，研究分析离子液对反应物溶解度以及酶的催化活性、稳定性的影响及制约作用，为离子液体的理性设计提供理论和实验依据。本研究主要结果、关键数据有：离子液体对酶活性有抑制作用，其抑制能力随烷基链的增长而增强。荧光分析显示，疏水作用是这离子液体与脂肪酶之间的主要驱动力之一；通过热力学分析，得出 ΔH<0 ， ΔS<0，这说明氢键是二者相互作用主要作用力。在低浓度时，离子液体增加底物亲水性，从而增加酶活性；而在较高浓度时，离子液体通过破酶的氢键网状结构进而降低酶活性。此项研究对生物柴油的绿色合成以及绿色离子液体的理性设计及其对脂肪酶催化的作用机制，无论在理论上还是在应用上都具有重要意义。