漆酶介導(dǎo)生物體內(nèi)酚類氧化偶聯(lián)的基本原理及其在綠色合成中的應(yīng)用

陳慧玲 張青云 孫凱

（農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點實驗室 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036）

漆 酶（Laccase，p-diphenol dioxygen oxidoreductases，EC 1.10.3.2）是一類由單體糖蛋白組成的單電子含銅多酚氧化還原酶。已有資料證實，漆酶可以利用環(huán)境中氧分子作為電子接受體，催化酚類、芳香類、胺類和脂肪族等化合物的單電子氧化形成相應(yīng)的反應(yīng)活性自由基或醌類中間體，隨后這些活性中間體自發(fā)的偶聯(lián)，生成高分子自我或交叉聚合產(chǎn)物，該過程中僅生成唯一的副產(chǎn)物水［1-3］。漆酶普遍存在于細(xì)菌、真菌、高等植物和昆蟲體內(nèi)，其在擔(dān)子菌門（Basidiomycota）的白腐真菌中分布最為廣泛［4-5］。目前，漆酶介導(dǎo)天然高分子聚合物和低分子酚類化合物的生物分解和合成代謝路徑主要涉及到木質(zhì)素降解、腐殖質(zhì)分解、黑色素形成、木質(zhì)素合成和角質(zhì)層硬化等［6-10］。

漆酶通過催化生物體內(nèi)天然低分子酚類的氧化偶聯(lián)反應(yīng)調(diào)控生物合成代謝過程，為其在生物體外綠色合成化學(xué)中的應(yīng)用提供了巨大潛力和商業(yè)價值。漆酶作為一種具有多功能屬性的綠色環(huán)保型催化劑，在生物技術(shù)研究領(lǐng)域備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注［11-13］。目前，研究者已經(jīng)從生物體內(nèi)分離純化出具有高活性的漆酶并將其應(yīng)用于綠色化學(xué)領(lǐng)域，如生態(tài)修復(fù)、紙漿漂白、染料脫色、材料改性、藥物改良、食品加工、化學(xué)偶聯(lián)和有機合成等［3，14-15］。盡管如此，漆酶介導(dǎo)生物體內(nèi)低分子酚類化合物的合成代謝機理和路徑及其在綠色化學(xué)中的應(yīng)用仍缺乏系統(tǒng)性評述。本文簡要綜述了漆酶的酶學(xué)特性、催化機制及其在化學(xué)合成中的意義，重點分析了漆酶催化生物體內(nèi)低分子酚類化合物形成黑色素、黃酮類、木質(zhì)素和角質(zhì)層等功能酚聚合物的合成代謝機理和路徑，總結(jié)并展望了漆酶催化生物體外天然小分子酚類化合物的偶聯(lián)反應(yīng)在綠色合成化學(xué)中的應(yīng)用前景和商業(yè)價值，旨在為拓展和研發(fā)漆酶在生物技術(shù)領(lǐng)域中的多功能應(yīng)用提供豐富的參考價值和新穎的見解 思路。

1 漆酶的酶學(xué)特性、催化機制及其在化學(xué)合成中的意義

漆酶可以通過還原裂解雙氧鍵催化底物分子的4 個電子轉(zhuǎn)移形成氧化產(chǎn)物（圖1）。該催化循環(huán)過程中，1 個氧分子被還原成2 個水，4 個底物分子被氧化形成4 個相應(yīng)的反應(yīng)活性自由基中間體，而銅作為漆酶催化核心中的金屬原子扮演著重要角 色［13，16］。研究指出，漆酶分子的二級空間結(jié)構(gòu)中包含4 個銅離子，即1 個T1 型銅離子（T1 Cu2+）、1個T2 型銅離子（T2 Cu2+）和2 個T3 型銅離子（T3 Cu2+）。這3 種類型的銅離子呈現(xiàn)出三角形排列方式，有利于雙氧鍵合［17］。其中T1 Cu2+作為漆酶催化底物的初級電子受體，能夠從底物分子中獲得電子并傳遞給氧分子，隨后電子通過高度保守的His-Cys-His 三肽序列轉(zhuǎn)移到由T2 Cu2+和T3 Cu2+共同組成的三核銅簇中心，并利用從T1 Cu2+轉(zhuǎn)移的電子將氧分子還原成水［17-18］。由于T1 Cu2+位點的銅空腔結(jié)構(gòu)較寬，可以容納大量的底物分子，導(dǎo)致T1 Cu2+位點可以作為控制底物電子進(jìn)入漆酶催化活性中心的重要窗口，在調(diào)節(jié)底物催化速率和自身還原速度方面起著關(guān)鍵作用（Cu2+被還原為Cu+）［19］。

圖1 漆酶催化酚類的氧化機制及其在生物體內(nèi)的代謝作用

漆酶在多種生物的器官和組織中普遍存在，該類酶在生物有機分解和合成代謝中扮演著重要角色［3，15，20］。根據(jù)漆酶的氧化還原電位高低，可以將漆酶分為具有低氧化還原電位的細(xì)菌、植物和昆蟲漆酶以及具有高氧化還原電位的真菌漆酶［3，21］。真菌漆酶不僅能夠催化高分子木質(zhì)素和腐殖質(zhì)聚合物的氧化降解，還可以介導(dǎo)低分子酚類及其衍生物的自我或交叉聚合反應(yīng)［17，22-23］。真菌產(chǎn)漆酶能力的大小由培養(yǎng)環(huán)境、營養(yǎng)物質(zhì)種類和生長發(fā)育階段等多種因素共同控制［24-25］。此外，金屬離子（如Cu2+和Mn2+）和木質(zhì)素衍生物（如阿魏酸和藜蘆酸）也會影響真菌生成漆酶的產(chǎn)量［26-27］。研究表明，漆酶能夠直接將生物體內(nèi)酚類化合物催化氧化為苯氧活性自由基中間體，隨后這些活性自由基中間體進(jìn)一步發(fā)生自我或交叉偶聯(lián)反應(yīng)，生成多種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的功能酚聚合產(chǎn)物［14-15，28］。漆酶介導(dǎo)酚類偶聯(lián)的合成代謝過程影響了有機體內(nèi)正常的代謝活動和生理生化指標(biāo)［28］。因此，明確生物體內(nèi)涉及漆酶催化偶聯(lián)酚類的合成代謝機制，對漆酶催化生物體外酚類偶聯(lián)在綠色化學(xué)合成中的應(yīng)用具有重要的參考價值和指導(dǎo)意義。

2 漆酶催化生物體內(nèi)低分子酚類形成功能酚聚合物的機理和路徑

2.1 漆酶介導(dǎo)生物體內(nèi)酚類的有機分解和合成 代謝

漆酶不僅能夠催化生物體內(nèi)天然高分子聚合物的分解代謝，還可以介導(dǎo)低分子酚類物質(zhì)的合成代謝，該過程有助于生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)和生物形態(tài)發(fā)生變化［23，28-29］。漆酶參與的分解代謝過程主要包括高分子木質(zhì)素和腐殖質(zhì)聚合物的生物降解，而漆酶介導(dǎo)生物體內(nèi)的合成代謝途徑主要涉及真菌黑色素沉淀、植物木質(zhì)化和昆蟲角質(zhì)層硬化等［3，23］。漆酶催化天然高分子聚合物的分解代謝機制是活性自由基介導(dǎo)的氧化降解反應(yīng)（圖2）。由于漆酶與高分子聚合物存在空間位阻效應(yīng)；因此，該反應(yīng)需要借助天然小分子酚類化合物作為氧化還原介質(zhì)（如香草酸、丁香酸、香草醛和香豆酸等），以提高漆酶的氧化還原電勢和催化速率［30］。研究指出，漆酶-氧化還原介質(zhì)體系催化天然高分子聚合物氧化降解形成低分子化合物的反應(yīng)機制主要包括兩個方 面［15，31］：一是在O2和Fe2+的作用下，漆酶能夠催化 2，5-二甲氧基氫醌形成相應(yīng)的活性氧（Reactive oxygen species，ROS），其可以氧化降解天然高分子聚合物；二是氧化還原介質(zhì)會提高漆酶活性，促進(jìn)漆酶催化天然高分子聚合物形成苯氧活性自由基中間體，從而增強其氧化降解效率。因此，漆酶-氧化還原介質(zhì)體系能夠有效地介導(dǎo)生物體內(nèi)高分子聚合物降解為低分子化合物的分解代謝過程。

漆酶催化生物體內(nèi)天然小分子酚類化合物的合成代謝機制是活性自由基中間體介導(dǎo)低分子酚類的氧化偶聯(lián)反應(yīng)（圖2）。漆酶以生物體內(nèi)低分子酚類化合物作為底物，催化4 個底物分子發(fā)生單電子氧化，形成4 個不穩(wěn)定的苯氧活性自由基中間體，該過程無需氧化還原介質(zhì)的參與［32］。這些活性自由基中間體能夠自發(fā)的通過C-C、C-O-C 或C-N-C 偶聯(lián)，生成多種二聚體的同分異構(gòu)體［33-34］。由于二聚體仍然保留著酚羥基官能團，它們可以再次被漆酶氧化形成苯氧活性自由基中間體，這些自由基中間體進(jìn)一步與酚類底物氧化偶聯(lián)形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三聚體、四聚體、低聚體和高聚體等自我聚合產(chǎn)物［15，35］。此 外，兩種或兩種以上不同的活性自由基中間體也會發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)形成交叉聚合產(chǎn)物［23］。漆酶催化酚類的自由基偶聯(lián)反應(yīng)促進(jìn)了生物體內(nèi)天然低分子化合物的合成代謝過程，從而形成多種高分子功能酚聚合產(chǎn)物［14-15，36］。因此，通過人工模擬漆酶介導(dǎo)生物體內(nèi)的合成代謝機理和路徑，有望為合理設(shè)計和定向改造漆酶在綠色合成化學(xué)中的多功能應(yīng)用提供豐富的參考價值和新穎的見解思路。

圖2 漆酶介導(dǎo)生物體內(nèi)有機分解和合成代謝機制

2.2 漆酶催化真菌黑色素生成

真菌漆酶是研究最為廣泛的一類胞外含銅多酚氧化還原酶，分泌漆酶的真菌主要包括Basidiomycota、子囊菌門（Ascomycota）和半知菌類（Deuteromycota）［37］。真菌漆酶能夠介導(dǎo)內(nèi)源或外源低分子酚類化合物的氧化偶聯(lián)形成黑色素［38］。黑色素作為真菌體內(nèi)一種高分子功能酚聚合物，不僅顯著地提高了真菌防御外界環(huán)境的壓力，還增強了真菌的抗逆性［39］。真菌體內(nèi)合成的黑色素主要分為真黑色素、棕黑色素、膿黑色素和1，8-二羥基萘黑色素等4 類，其中以1，8-二羥基萘黑色素的合成研究最為深入［40］。真菌體內(nèi)1，8-二羥基萘黑色素的合成代謝過程主要包括兩步（圖3）：一是聚酮體合成酶催化丙二酰輔酶A 合成1，8-二羥基萘［41］；二是漆酶氧化聚合1，8-二羥基萘形成多聚1，8-二羥基萘黑色素［41-42］。

圖3 漆酶催化真菌體內(nèi)黑色素的形成機制及其生物學(xué) 功能［41］

黑色素的合成代謝過程會引起真菌體內(nèi)某些生物學(xué)特征的改變［8］。漆酶介導(dǎo)真菌黑色素生成的生物學(xué)功能的改變主要包含3 個方面：（1）提高真菌抵抗宿主免疫攻擊。漆酶催化偶聯(lián)過程中形成大量的活性自由基中間體，導(dǎo)致生成的黑色素中含有未配對電子，它們可以清除宿主細(xì)胞產(chǎn)生的自由基，增強真菌防御宿主免疫效應(yīng)細(xì)胞的殺傷作用［43］；（2）促進(jìn)真菌體內(nèi)色素沉淀。漆酶催化偶聯(lián)過程中經(jīng)過反復(fù)的雙鍵結(jié)合形成的生色團會影響真菌黑色素沉淀，而黑色素在附著細(xì)胞壁內(nèi)層的沉積有利于病原真菌侵入宿主細(xì)胞［44］；（3）增強真菌黏附性能。當(dāng)真菌生成黑色素時，會導(dǎo)致酚類底物苯氧基官能團和芳香環(huán)結(jié)構(gòu)的改變。這些變化可以增強真菌對宿主細(xì)胞的黏附作用，從而影響病原真菌的致病性［23］。此外，真菌黑色素還具有抵抗紫外線、離子輻射、極端溫度、重金屬和酸堿度等外界理化損傷的生物學(xué)功能［39］。由此可見，黑色素是真菌生長發(fā)展過程中應(yīng)對環(huán)境變化的有效方式，其為病原真菌進(jìn)攻宿主免疫系統(tǒng)及生存繁殖提供了重要保障。

2.3 漆酶催化植物木質(zhì)素和黃酮類合成

植物漆酶的主要功能是催化天然小分子酚類化合物的氧化偶聯(lián)，形成高分子木質(zhì)素和黃酮類聚合產(chǎn)物［15，45-46］。木質(zhì)素和黃酮類化合物均是植物體內(nèi)重要的次生代謝產(chǎn)物，在植物生長發(fā)育和抗逆性等方面發(fā)揮著特殊作用［47］。例如，木質(zhì)素作為植物細(xì)胞壁的主要成分，可強化細(xì)胞壁的防水性能，在植物抗蟲、疾病防御和抵抗極端環(huán)境等方面發(fā)揮著重要的生物學(xué)功能，尤其在植物生長發(fā)育過程中起關(guān)鍵作用［48］。黃酮類化合物集中分布在植物根、莖和葉部，在植物生長發(fā)育、抗病蟲害、抗紫外輻射和抗氧化脅迫等方面具有重要的生物學(xué)功能［49-51］。此外，黃酮類化合物也是形成花果和種子顏色的重要成分［51-52］。

漆酶催化酚類化合物的多重偶聯(lián)生成高分子木質(zhì)素和黃酮類聚合物的生物合成代謝過程極其復(fù)雜［45］。例如，漆酶催化木質(zhì)素單體聚合參與細(xì)胞壁構(gòu)建的代謝途徑包括合成苯丙氨酸、木質(zhì)素單體和木質(zhì)素聚合物等3 個階段（圖4）。首先，植物利用光合作用生成合成木質(zhì)素單體的初始底物，這些初始底物通過莽草酸途徑合成苯丙氨酸［53］；其次，苯丙氨酸經(jīng)過一系列的酶促反應(yīng)生成木質(zhì)素單體［53-54］；最后，木質(zhì)素單體通過轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)移到細(xì)胞壁上，并通過漆酶介導(dǎo)的催化聚合反應(yīng)沉積為高分子木質(zhì)素聚合物［54］。由此可見，漆酶可以定位于植物細(xì)胞壁上，催化木質(zhì)素單體的單電子氧化形成苯氧活性自由基中間體，隨后這些活性自由基中間體發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)生成高分子木質(zhì)素聚合物［55-56］。漆酶在催化木質(zhì)素和黃酮類化合物的有機合成代謝過程中也會改變生物體內(nèi)的某些生物學(xué)功能［15，57］。例如，木質(zhì)素不僅能夠加固植物細(xì)胞壁，還可以清除植物體內(nèi)自由基［55，58］。細(xì)胞壁的加固有利于植物抵御外界病原菌、有機和無機污染物等有害物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，進(jìn)而提高植物對外界不良環(huán)境的防御性能［55］。此外，漆酶催化木質(zhì)素單體和黃酮類化合物的合成代謝途徑會導(dǎo)致低分子酚類的雙鍵反復(fù)結(jié)合形成生色團，該過程有利于植物細(xì)胞的色素沉淀［59］。因此，植物體內(nèi)木質(zhì)素和黃酮類聚合物的合成代謝過程是其響應(yīng)外界環(huán)境壓力的一種表現(xiàn)方式。

2.4 漆酶催化昆蟲角質(zhì)層硬化

圖4 漆酶催化植物木質(zhì)素合成途徑

昆蟲角質(zhì)層是體壁主要的堅硬外層，有利于防止水分蒸發(fā)、抵御異物入侵，對維持昆蟲身體結(jié)構(gòu)和生長發(fā)育起到非常重要的保護作用［60］。昆蟲漆酶的主要作用是促進(jìn)昆蟲外骨骼的角質(zhì)層硬化［61］。圖5 展示了漆酶基因Lac2 參與控制赤擬谷盜（Tribolium castaneum）幼蟲和成蟲發(fā)育階段角質(zhì)層硬化的酪氨酸代謝途徑［6，62］。該合成代謝路徑主要是通過催化多巴胺和二羥基苯乙醇的衍生產(chǎn)物鄰二苯酚形成醌中間體，它們能夠與昆蟲前表皮中的蛋白質(zhì)或甲殼素發(fā)生C-C、C-O-C 和C-N-C 交叉偶聯(lián)反應(yīng)形成致密的高分子聚合產(chǎn)物［63-65］。

圖5 漆酶催化昆蟲角質(zhì)層硬化的酪氨酸代謝途徑［6，62］

漆酶在促進(jìn)昆蟲角質(zhì)層硬化的合成代謝過程中也會導(dǎo)致昆蟲的生物學(xué)功能發(fā)生改變。一方面，漆酶催化昆蟲體內(nèi)酚類的氧化偶聯(lián)反應(yīng)增強了雙鍵結(jié)合程度，該過程可增加昆蟲體內(nèi)色素沉淀［64，66］。例如，研究者采用RNAi 技術(shù)沉默漆酶基因Lac2后，顯著地抑制了昆蟲蛻皮后的色素沉淀，導(dǎo)致昆蟲外觀顏色較白［67］。另一方面，漆酶催化昆蟲角質(zhì)層硬化有助于提高昆蟲的免疫功能［66，68］。由于該過程中有角質(zhì)層結(jié)構(gòu)蛋白的參與，致使昆蟲角質(zhì)層的結(jié)構(gòu)更加緊密［65］。此外，角質(zhì)層上形成的高分子聚合產(chǎn)物也具有高度疏水性和堅韌性，能夠有效地提高昆蟲防御外界環(huán)境中病源菌的侵害［23］。由此可見，漆酶介導(dǎo)昆蟲角質(zhì)層硬化是昆蟲對抗外界有害環(huán)境脅迫的保護屏障，研究昆蟲角質(zhì)層硬化的合成代謝機理和路徑有利于降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中病蟲害的發(fā)病率。

3 漆酶催化低分子酚類偶聯(lián)在綠色化學(xué)合成中的應(yīng)用和價值

漆酶介導(dǎo)真菌黑色素生成、植物木質(zhì)素和黃酮類合成以及昆蟲角質(zhì)層硬化等過程是生物體內(nèi)有機合成代謝的典型案例［3］。雖然，漆酶在不同生物體內(nèi)發(fā)揮的功效差異顯著［38，45-46，61］，但是，漆酶催化不同生物體內(nèi)有機合成的偶聯(lián)機制類似。漆酶介導(dǎo)生物體內(nèi)有機合成代謝過程能夠增強生物體的免疫性能、黏附特性、色素沉淀和抗菌效能等生物學(xué)功能［23，69］。明確漆酶催化生物體內(nèi)有機物的合成代謝機理和路徑，有望為合理設(shè)計和定向改造人工模擬的漆酶催化偶聯(lián)途徑在綠色合成化學(xué)中的多功能應(yīng)用提供新穎的思路和見解。

3.1 人工定向調(diào)控偶聯(lián)產(chǎn)物的合成路徑、結(jié)構(gòu)和功能

依據(jù)漆酶催化生物體內(nèi)的有機合成代謝途徑，漆酶介導(dǎo)生物體外的綠色合成原料包括漆酶和酚類化合物［13］。一方面，微生物、植物和昆蟲體內(nèi)的漆酶產(chǎn)量、催化結(jié)構(gòu)和酶學(xué)特性差異較大；與之相比，白腐真菌分泌的胞外漆酶更容易分離提純，其已經(jīng)成為獲得高純度漆酶的主要研究對象［5，37］。采用新型固定化技術(shù)，可以有效地避免漆酶在環(huán)境中易失活、穩(wěn)定性差和難以回收利用的缺陷［14，70］。另一方面，天然低分子酚類化合物普遍存在于水果、蔬菜、谷物和樹木等植物體內(nèi)，它們具有抗腫瘤、抗氧化、抑菌和抗病毒等生理學(xué)功能，可以通過簡單的生物制取方式進(jìn)行提取純化［71-72］。目前，研究者主要采用酶法、溶劑加熱浸提法、微波輔助提取法、超聲波輔助提取法和超臨界流體萃取法等手段從植物體內(nèi)提取低分子酚類化合物［73-74］。隨后，通過柱層析和薄層層析等方法對提取物進(jìn)行分離純化［75］。漆酶和低分子酚類化合物的分離純化制備方法具有操作簡單和經(jīng)濟安全等優(yōu)點，可大量獲取并應(yīng)用于生物體外的合成化學(xué)領(lǐng)域中［37，75］。

通過人工模擬漆酶和低分子酚類化合物在生物體內(nèi)合成代謝過程中發(fā)揮的作用，可以推測其應(yīng)用于綠色化學(xué)中的反應(yīng)機理和合成路線。漆酶催化生物體外的氧化偶聯(lián)機制與生物體內(nèi)類似，兩者均可導(dǎo)致多羥基酚官能團和芳香環(huán)結(jié)構(gòu)失去電子，形成不穩(wěn)定的苯氧活性自由基中間體［1］。該過程中還原態(tài)漆酶被氧化，氧分子被還原成水［14］。隨后，這些活性自由基中間體可以自發(fā)的形成低聚物，或通過長時間的反復(fù)偶聯(lián)形成高分子自我或交叉聚合產(chǎn)物［3］。因此，通過合理設(shè)計和定向改造漆酶催化底物的類型和結(jié)構(gòu)變化，可以調(diào)控合成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和功能特性［76］。一方面，由于漆酶具有底物廣譜性，不同的酚類底物在化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的差異會導(dǎo)致漆酶催化偶聯(lián)反應(yīng)中形成的聚合產(chǎn)物表現(xiàn)出特殊的生物學(xué)功能和結(jié)構(gòu)特征［13］。另一方面，漆酶介導(dǎo)酚類的電子轉(zhuǎn)移作用可以改變苯氧活性自由基中間體的化學(xué)結(jié)構(gòu)，生成多種不同的自由基中間體產(chǎn)物，進(jìn)而增加聚合產(chǎn)物的種類［19，77］。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，漆酶介導(dǎo)的氧化偶聯(lián)反應(yīng)主要應(yīng)用于大分子聚合材料表面功能化和有機化學(xué)合成［78-79］。聚合材料表面功能化是利用漆酶將低分子酚類化合物偶聯(lián)在高分子聚合物表面形成具有特殊作用的化學(xué)功能團，從而使合成材料具有特殊的理化性能［80-81］。例如，可以利用漆酶將具有多功能的酚類化合物偶聯(lián)到目標(biāo)聚合物表面，制備多功能木質(zhì)素纖維板［82］。有機化學(xué)合成是通過人為添加氧化還原介質(zhì)形成漆酶-介質(zhì)體系，促進(jìn)漆酶的催化氧化效能，有望獲得更高分子量的合成產(chǎn)物。此外，改變底物濃度、反應(yīng)時間和緩沖液組分也能夠控制合成產(chǎn)物的分子量和化學(xué)結(jié)構(gòu)［23，82］。因此，通過調(diào)控漆酶和低分子酚類化合物合成具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的聚合產(chǎn)物，有望拓展漆酶在新型綠色合成領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍和商業(yè) 前景。

3.2 漆酶催化酚類偶聯(lián)在綠色有機化學(xué)合成中的應(yīng)用

漆酶催化低分子酚類的自我或交叉偶聯(lián)反應(yīng)形成的復(fù)雜天然有機聚合產(chǎn)品在醫(yī)藥、食品和紡織等生物技術(shù)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值［3，14-15］。研究表明，這些高分子聚合產(chǎn)物的生物學(xué)功能與酚類底物類型密切相關(guān)。與單體酚類化合物相比，合成材料和酚類衍生物具有更強的功能特性［83］。通常來說，低分子酚類化合物具有抗氧化、抗藥、抗菌和抗病等生理功能，而經(jīng)過合成的高分子聚合產(chǎn)物還會被賦予黏附性、免疫功能和抗紫外輻射等新屬 性［69，84］。鑒于合成原材料具有的多功能特性，通過漆酶氧化偶聯(lián)作用形成的高分子聚合產(chǎn)物也具有特殊的理化功能，可廣泛的應(yīng)用于某些生物技術(shù)領(lǐng)域。表1 總結(jié)了漆酶催化天然酚類偶聯(lián)形成的聚合產(chǎn)物在有機合成領(lǐng)域中的應(yīng)用。

目前，利用漆酶催化偶聯(lián)合成的抗氧化聚合材料、抗生素聚合產(chǎn)品和生色團聚合物已經(jīng)被應(yīng)用于化妝品、醫(yī)藥制造和紡織等行業(yè)［14-15，96］。（1）抗氧化聚合材料。漆酶催化體外低分子酚類氧化偶聯(lián)形成的生色團化合物和抗氧化聚合材料，可用于生產(chǎn)綠色安全的染發(fā)劑和化妝產(chǎn)品。（2）聚合材料改性。由于漆酶介導(dǎo)木質(zhì)素單體和1，8-二羥基萘合成的植物木質(zhì)素和真菌黑色素均具有抗氧化性能，且能有效吸收紫外線，提高植物和真菌對外界環(huán)境的防御作用［39，97］。因此，將具有抗氧化性的酚類化合物偶聯(lián)到目標(biāo)聚合物表面，可以合成具有抗氧化能力的聚合材料［88］。例如，采用漆酶介導(dǎo)的交叉偶聯(lián)反應(yīng)將香草醛偶聯(lián)到殼聚糖表面，能夠顯著地增強殼聚糖的抗氧化性能和抗菌性能［98］。（3）藥物改良。在制藥工業(yè)中，漆酶介導(dǎo)低分子酚類的氧化偶聯(lián)反應(yīng)可用于制備具有抗生素或抗菌性能的新型藥劑［91］。例如，漆酶可以催化長春質(zhì)堿和文朵靈的交叉偶聯(lián)反應(yīng)形成治療急性白血病的長春新堿［99］。另有研究采用漆酶催化氧化反應(yīng)，促使氨基β-內(nèi)酰胺類抗生素和鄰苯二酚發(fā)生交叉偶聯(lián)形成新型抗生素，進(jìn)而提高藥物的抗菌性能［100］。（4）紡織染色。在紡織物染色行業(yè)中，利用漆酶催化低分子酚類的氧化偶聯(lián)反應(yīng)可在目標(biāo)紡織物表面合成新型有色聚合染料［101］。例如，漆酶可以催化沒食子酸的氧化偶聯(lián)反應(yīng)，實現(xiàn)對羊毛織物的原位染色［102］。經(jīng)過染色處理后的羊毛織物具有較好的耐水洗牢度和抗菌性能，且采用不同類型的酚類化合物染色，羊毛織物的顏色呈現(xiàn)多樣性［102-103］。（5）漆酶介導(dǎo)底物氧化偶聯(lián)形成的功能聚合材料還可以應(yīng)用于食品、攝影和生態(tài)修復(fù)等生物技術(shù)領(lǐng)域［3，13-15］。例如，在食品改良方面，漆酶可以誘導(dǎo)甜菜果膠與大豆蛋白的氧化偶聯(lián)形成雙網(wǎng)絡(luò)凝膠，改善大豆蛋白的凝膠性［104］。在攝影行業(yè)，漆酶能夠催化4-氟-2-甲氧基苯酚的自我偶聯(lián)生成具有低熔點、高熱阻和發(fā)光功能的聚合材料，并應(yīng)用于影視制作工藝中［93］。在污染修復(fù)領(lǐng)域，漆酶不僅可以催化水體中17β-雌二醇和三氯生等污染物的氧化偶聯(lián)形成有機聚合沉淀物，還能夠氧化降解廢水中的合成染料，進(jìn)而顯著地降低母體化合物的生物可利用性和生態(tài)毒 性［25，32，105-107］。因此，在生物體外合理設(shè)計和定向改造漆酶介導(dǎo)酚類化合物的自由基偶聯(lián)途徑，有望為開發(fā)和擴展漆酶的多功能應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

表1 漆酶催化天然酚類氧化偶聯(lián)在有機合成中的應(yīng)用

4 總結(jié)與展望

漆酶作為一種綠色環(huán)保、經(jīng)濟安全的環(huán)境友好型催化劑，其優(yōu)點在于生產(chǎn)成本低、反應(yīng)條件溫和、催化效率高、操作可控、底物廣譜和無二次污染等。漆酶介導(dǎo)酚類化合物的自由基偶聯(lián)反應(yīng)，在生物技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用價值和商業(yè)前景。例如，在生物體內(nèi)，漆酶能夠以天然低分子酚類化合物作為底物，催化真菌黑色素生成、植物木質(zhì)素和黃酮類合成以及昆蟲角質(zhì)層硬化等合成代謝過程。在生物體外，漆酶介導(dǎo)低分子酚類的自我或交叉偶聯(lián)反應(yīng)也有望應(yīng)用于化妝品行業(yè)、醫(yī)藥制造行業(yè)、紡織工業(yè)、食品加工和有機污染物轉(zhuǎn)化等生物技術(shù)領(lǐng)域。隨著研究的不斷深入，漆酶催化酚類偶聯(lián)已經(jīng)從理論探索走向?qū)嶋H應(yīng)用。研究者通過控制和優(yōu)化漆酶催化氧化合成材料的反應(yīng)條件和路徑，可以強化漆酶催化酚類偶聯(lián)的反應(yīng)過程，合成具有特殊理化功能的新型聚合材料。

盡管如此，國內(nèi)外關(guān)于漆酶催化酚類偶聯(lián)在綠色合成中的應(yīng)用研究仍存在諸多問題。如何突破現(xiàn)有的技術(shù)手段和瓶頸，開發(fā)和擴展漆酶在綠色合成化學(xué)中的潛在應(yīng)用價值，已經(jīng)成為研究者亟待解決的難點問題之一。鑒于此，我國研究者今后仍需從以下幾個方面進(jìn)行深入研究：（1）分離篩選出具有高產(chǎn)漆酶特性的功能真菌，揭示真菌所產(chǎn)漆酶的酶學(xué)性質(zhì)，促進(jìn)產(chǎn)漆酶真菌的大規(guī)?；l(fā)酵生產(chǎn)，滿足工業(yè)、環(huán)境、生物和醫(yī)藥等領(lǐng)域?qū)ζ崦傅男枨?；?）通過現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)，解析真菌漆酶基因的結(jié)構(gòu)和功能，掌握真菌調(diào)控體內(nèi)漆酶基因表達(dá)的作用機制，從分子水平對產(chǎn)漆酶真菌進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)優(yōu)化；（3）明確漆酶催化生物體內(nèi)天然小分子酚類化合物的氧化偶聯(lián)機制，探討其在生物體外合成新型功能聚合材料的方法和途徑；（4）采用基因工程合理設(shè)計和定向改造漆酶的編碼基因，擴大漆酶的異源表達(dá)、增強漆酶的穩(wěn)定性、提高漆酶對底物的催化性能，進(jìn)一步挖掘漆酶在綠色化學(xué)合成領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。