酶催化（生物催化）已成为催化研究的重要领域，其选择性和温和的反应条件使其适用于制药、农化和香料等行业。然而，要实现广泛工业化应用，需解决底物浓度高、产物分离等工业条件带来的酶稳定性和经济性挑战。尽管总催化循环数（TTN）是衡量酶性能的关键指标，但它不足以预测酶在复杂工业环境下的表现，例如多相反应、波动的 pH 和高底物浓度等。通过蛋白质工程、酶固定化和辅因子循环再生等技术，可显著提高酶的稳定性和经济性。同时，基因挖掘也能发现具有极端耐受性的天然酶（如嗜极生物的酶），为工业应用提供了新机遇。然而，天然酶高稳定性不一定伴随高活性，仍需定向突变等进一步优化。未来研究需重点关注极端底物浓度和全新反应条件对酶性能的影响（表1，方案1-2）。
在高浓度反应物的反应中，反应物浓度常常超过其在介质中的溶解度，即使加入共溶剂，仍可能形成第二相，如固体悬浮物或液-液相。此外，氧气等难溶于水的气体几乎总以第二相形式存在。尽管界面对酶的影响尚未深入研究，但已有报告表明固-液和液-液界面会影响酶，而气-液界面可能导致酶变性。最近，通过 NADH 氧化酶（NOX）的实验表明，界面面积、接触时间、气体组成和离子强度等参数对酶稳定性至关重要，基于这些数据正在构建酶稳定性模型。未来应测试更多酶在此类条件下的表现，建立标准化模型，以预测潜在工业条件下的总催化循环数（TTN）。随后可通过蛋白质工程优化酶性能，或调整工艺条件以适应酶的稳定性需求。
工业生产中，为简化下游分离纯化并降低成本，需实现高产物浓度，这通常依赖高底物浓度，但在放大过程中可能导致界面效应和混合不均，造成 pH 梯度或底物浓度不均，影响酶的活性、稳定性和选择性。酶工程已显著提高酶的耐受性，如 α-半乳糖苷酶 A 在宽 pH 范围内稳定性提升 10 倍，IRED 酶熔点提高 30 °C，半衰期增加 5000 倍。通过实验室模拟大型反应器条件（如脉冲进料），可更好理解并优化这些工业挑战。
为了实现可持续的大规模生物催化，必须优化反应过程，提升底物浓度并增强酶的稳定性。然而，大多数酶在摩尔浓度的底物和产物条件下的表现尚不清楚，尤其是除脂肪酶和酒精脱氢酶外的其他酶。放大过程中，应首先评估未修饰和未固定化的酶，以了解其内在动力学和稳定性。酶浓度、底物抑制和扩散限制等因素需要深入研究，以理解其对酶稳定性的影响。通过实验室规模的缩放研究，可以为筛选、工程化和固定化酶、以及优化设备提供基础，使酶能够在工业条件下高效应用。
文章信息：Using Enzymes for Catalysis under Industrial Conditions
文章链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.4c05265
