光/生物催化一锅法合成生物基C4化合物的研究

作     者：黄依敏 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宗敏华;李宁

授予年度：2021年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：生物基呋喃 光/生物催化 富马酸半醛 富马酸 氨基酸 

摘      要：糠醛(Furfural)是一种重要的生物基平台化合物,由木糖脱水制备得到。糠醛分子中含有高活性的呋喃环和甲酰基,经过氧化、还原、烷基化等反应可生成一系列高附加值化学品,这些化学品被广泛用于高分子、化工、医药及食品等领域。目前,糠醛可以通过光催化制得5-羟基-2(5H)呋喃酮(5-hydroxy-2(5H)furanone,HFO),但是在温和的条件下实现HFO的开环和异构化合成富马酸半醛(Fumaric semialdhyde,FSA)仍然具有挑战性。石油基富马酸(Fumaric acid,FA)的传统制备工艺采用强酸、VO等物质作为催化剂,以次氯酸钠等为氧化剂,在合成过程中会产生大量的废水,导致严重的环境问题。富马酸的生物合成主要采用根霉发酵法,该法仍存在产物产率较低、生产周期较长等问题。以糠醛为起始原料合成富马酸、L-天冬氨酸和β-丙氨酸等物质的研究尚未见报道。基于上述情况,本研究探究了光/生物催化一锅氧化糠醛合成HFO、马来酸(Maleic acid,MA)、FSA、富马酸、L-天冬氨酸和β-丙氨酸的可行性。主要研究结果如下:***合成:无论底物是糠醛还是糠酸,在有机溶剂中光催化合成HFO的产率远高于去离子水中的对应值。与糠醛相比,糠酸是光催化合成HFO的更佳底物。因此,我们构建了光/生物级联催化体系将糠醛氧化为HFO:先通过生物催化剂(***-Ct VDH2-NOX细胞,共表达香草醛脱氢酶2及NADH氧化酶的***)将糠醛氧化为糠酸,然后再利用光催化剂(孟加拉玫瑰红,RB;曙红Y,EY;亚甲基蓝,MB)将糠酸氧化为HFO。一锅同步法结果表明,当糠醛浓度为50 m M时,糠醛转化率为85%,HFO产率约为74%;但当糠醛浓度大于50 m M时,糠醛转化率低于40%,这可能是因为光催化产生的活性氧导致细胞失活。因此,本研究选择将生物催化和光催化分步进行,先利用***-Ct VDH2-NOX细胞将糠醛转化为糠酸,再添加30%有机溶剂(丙酮或甲醇)和2 mol%光催化剂(RB或EY),反应后HFO的产率最高达94%。2.其他C4化合物合成:大孔弱碱性苯乙烯系阴离子树脂(DVB)能在温和条件下催化HFO开环和同时异构化为FSA。漆酶-TEMPO(2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物)体系不仅催化HFO氧化为MA,而且能以FSA为底物合成FA。利用重组菌***-Ct VDH2-NOX、光催化剂、漆酶-TEMPO体系实现了光/生物催化一锅三步法合成MA和FA,其中MA的产率最高为83%,FA的产率最高为80%。上述级联催化体系与***-Ec Asp A(L-天冬氨酸酶)/***-Cg Pan D(L-天冬氨酸α-脱羧酶)全细胞组合用于合成L-天冬氨酸和β-丙氨酸,其中L-天冬氨酸产率为63%,而β-丙氨酸产率可达到75%。在L-天冬氨酸的放大合成实验中,其分离产率为30%,纯度为81%。本研究实现了在温和反应条件下HFO开环和异构化,建立了以糠醛为底物选择性合成富马酸、L-天冬氨酸等C4化合物的新途径。