生物催化反應(yīng)

關(guān)于生物催化反應(yīng)6.1化學(xué)-酶合成法生產(chǎn)半合成抗生素6.1.1抗生素的歷史1929英國細菌學(xué)家弗萊明發(fā)現(xiàn)了青霉素。1959年前1959年后天然抗生素的研究階段半合成抗生素研究階段至今第2頁,共48頁，2024年2月25日，星期天6.1.2酶法生產(chǎn)β-內(nèi)酰胺類抗生素的母核

6-氨基青霉烷酸(6-APA),7-氨基頭孢烷酸(7-ACA)和7-氨基去乙酰氧基頭孢烷酸（7-ADCA），是半合成青霉素和半合成頭孢菌素的β-內(nèi)酰胺母核，是重要的制藥工業(yè)原料。6-APA7-ADCA7-ACA第3頁,共48頁，2024年2月25日，星期天

青霉素G、青霉素V和頭孢菌素可以由發(fā)酵法合成，將它們的側(cè)鏈水解可以制備6-APA,7-ACA和7-ADCA酶催化水解制備6-APA、7-ACA，7-ADCA第4頁,共48頁，2024年2月25日，星期天6-APA的酶法合成青霉素G青霉素V6-APA青霉素G?；盖嗝顾豓?；傅?頁,共48頁，2024年2月25日，星期天7-ADCA的化學(xué)-酶法合成化學(xué)擴環(huán)青霉素G苯乙酰基-7-ADCA青霉素?；?-ADCA第6頁,共48頁，2024年2月25日，星期天化學(xué)-酶法制備7-ACA頭孢菌素CD-氨基酸氧化酶O2H2O2CO2-酮基己二酸單?；?-ACA戊二酸單酰-7-ACA?；?-ACA戊二酸單酰-7-ACA第7頁,共48頁，2024年2月25日，星期天β-內(nèi)酰胺母核的非天然側(cè)鏈-

D-苯甘氨酸和D-對羥苯甘氨酸的化學(xué)-酶法合成1）外消旋海因由苯酚、乙醛酸和尿素為原料通過Mannich反應(yīng)合成2）D-海因酶水解外消旋海因D-海因酶L-海因D-海因D-N-氨基甲基氨基酸轉(zhuǎn)化率100%第8頁,共48頁，2024年2月25日，星期天

D-對羥基苯甘氨酸3）化學(xué)法制備D-對羥基苯甘氨酸D-苯甘氨酸的合成可以用類似方法第9頁,共48頁，2024年2月25日，星期天

青霉素?；?-APA7-ADCA氨卞青霉素頭孢氨卞D-苯甘氨酸甲酯D-苯甘氨酸酰胺HOHO阿莫西林頭孢羥氨芐第10頁,共48頁，2024年2月25日，星期天固定化酶和固定化細胞在抗生素制造中的應(yīng)用固定化酶或固定化細胞底物產(chǎn)物青霉素?；柑烊磺嗝顾谿6-APA大腸桿菌天然青霉素G6-APA頭孢霉素?；溉ヒ阴Ｑ趸^孢7-ADCA

霉素G假單胞菌戊二酸單酰-7-ACA7-ACA青霉素酰化酶D-苯甘氨酸甲酯氨芐西林

+6-APA

頭孢霉素酰化酶

D-苯甘氨酸甲酯頭孢氨芐

+7-ADCA第11頁,共48頁，2024年2月25日，星期天6.2食品添加劑的合成

食品工業(yè)中涉及眾多的添加劑，它們具有保健、保鮮或改善風(fēng)味等功能。這類化合物也會對人體發(fā)揮生物學(xué)作用。因此，必須考慮到它們的手性問題，F(xiàn)DA要求食品添加劑也應(yīng)以單一對映體形式上市。第12頁,共48頁，2024年2月25日，星期天維生素C的化學(xué)-酶法合成合成步驟短，產(chǎn)率高第13頁,共48頁，2024年2月25日，星期天

阿斯巴甜

（阿斯巴甜）又名阿司帕坦，化學(xué)名為N--L-天冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯。

第14頁,共48頁，2024年2月25日，星期天阿斯巴甜的特點甜度高，味美

阿斯巴甜口味純正清爽，甜味強烈，類似蔗糖，但甜度約為蔗糖的200倍，沒有人造甜味劑常有的苦味、化學(xué)味或金屬的后味。另外阿斯巴甜與其他甜味劑共用時會產(chǎn)生明顯的甜味增效作用，對某些食品、飲料風(fēng)味也有明顯的增效作用，特別是對酸型水果風(fēng)味。第15頁,共48頁，2024年2月25日，星期天阿斯巴甜的特點熱量低

阿斯巴甜所含熱量為16．72kJ／g，與相同甜度的蔗糖相比，其發(fā)熱量僅為蔗糖制造相同食品的1／200，因使用量很少，實際提供的熱量值就很低，尤其適用于糖尿病、高血壓及心腦血管患者使用。其攝人后的消化、吸收和代謝過程與食品中的蛋白質(zhì)相似，故不會引起齲齒。第16頁,共48頁，2024年2月25日，星期天阿斯巴甜的特點安全性

阿斯巴甜每日允許攝人量為40mg／kg。美國食品和藥物管理局（FDA)于1981年批準阿斯巴甜作為食品添加劑的申請。我國在1986年正式批準其在食品中使用。從其應(yīng)用至今一直遭到了國內(nèi)外眾多科學(xué)工作者和研究機構(gòu)對其安全性的質(zhì)疑，如其是否具有致癌性，以現(xiàn)在的技術(shù)手段是無法證實的，但并不表明阿斯巴甜就一定是安全的，希望最終能得到樂觀的結(jié)果。第17頁,共48頁，2024年2月25日，星期天

國際上阿斯巴甜主要由美NutraSweet和日本Ajionomoto兩大公司生產(chǎn)。當(dāng)前國內(nèi)所需阿斯巴甜主要從美國、日本進口。由于價格昂貴，市場供應(yīng)量有限，制約了它在我國的應(yīng)用。但在我國未來市場前景十分廣闊。阿斯巴甜的生產(chǎn)廠家第18頁,共48頁，2024年2月25日，星期天化學(xué)合成法（內(nèi)酐法），成本低（苦味，分離提純困難）第19頁,共48頁，2024年2月25日，星期天氨基保護外消旋只生成

-異構(gòu)體除去保護基團嗜熱蛋白芽胞桿菌的蛋白酶

日本ToyoSoda公司和荷蘭DSM公司聯(lián)合建有一套500t的酶法生產(chǎn)裝置，轉(zhuǎn)化率高，但成本還很高，需要進一步優(yōu)化阿斯巴甜酶催化法，成本較高第20頁,共48頁，2024年2月25日，星期天

香蘭素

又名香草醛，化學(xué)名稱3-甲氧基-4-羥基苯甲醛?？梢杂没瘜W(xué)方法合成，也可以從香草蘭中提取，還可以通過生物催化和轉(zhuǎn)化方法制備。第21頁,共48頁，2024年2月25日，星期天香蘭素的用途

香蘭素以游離態(tài)和葡萄糖苷的形式存在于植物中，占香莢蘭豆干重的2%~3%。純凈的香蘭素具有濃郁的奶香氣，無異味。香蘭素用途非常廣，除廣泛用作食品工業(yè)的定香劑、調(diào)味劑外，也是醫(yī)藥工業(yè)的重要原料和中間體，還可作為電鍍上光劑、植物生長促進劑、催熟劑等。第22頁,共48頁，2024年2月25日，星期天化學(xué)合成香蘭素①愈創(chuàng)木酚法（主要方法）②鄰硝基氯苯法③丁香酚法④對羥基苯甲醛法⑤對甲酚法⑥其他化學(xué)合成法優(yōu)點：產(chǎn)量高，成本低；缺點：原料有毒，三廢需要治理；產(chǎn)品售價低工業(yè)級約口7萬元／噸，食品級約7～10萬元／噸，而天然級產(chǎn)品日前售價高達40-50萬元／噸，第23頁,共48頁，2024年2月25日，星期天直接提取法◆從香蘭草（又稱香莢蘭）中提取

香蘭草中主要的香氣成分為香蘭素，可采用傳統(tǒng)的有機溶劑萃取法進行，其成本高、費時且有溶劑殘留。采用超臨界萃取法，收率高，產(chǎn)品質(zhì)量好?！粢钥о蹫樵希忍崛〗S素，再經(jīng)酸堿處理轉(zhuǎn)化為香蘭素◆香蘭草的豆莢中僅含2％～3％的香蘭素，香蘭草不易種植而且主要分布在少數(shù)熱帶地區(qū)，這使得僅從香蘭草提取的天然香蘭素遠遠不能滿足世界市場需求。第24頁,共48頁，2024年2月25日，星期天香蘭草第25頁,共48頁，2024年2月25日，星期天人工控制的生物合成法生物合成法微生物細胞發(fā)酵法植物細胞培養(yǎng)法酶法第26頁,共48頁，2024年2月25日，星期天◆微生物細胞發(fā)酵法

許多細菌、霉菌都能將丁香酚、異丁香酚、阿魏酸、葡萄糖等化合物通過發(fā)酵轉(zhuǎn)化香蘭素。

阿魏酸是肉桂酸的衍生物，在植物細胞壁中含量非常豐富，如甜菜粕、麥麩等阿魏酸含量可達其重的0.5%~1%，它以共價鍵與碳水化合物相連接。采用阿魏酸生產(chǎn)天然香蘭素時可先利用一些微生物分泌的酯酶將阿魏酸從植物細胞壁中游離出來，而后再將阿魏酸轉(zhuǎn)化成香蘭素。第27頁,共48頁，2024年2月25日，星期天以阿魏酸為前體微生物發(fā)酵生產(chǎn)香蘭素

以天然米糠油來源的阿魏酸為原料，生物轉(zhuǎn)化制備香蘭素的方法被廣泛研究

最近上海愛普香料集團選育的微生物菌種通過阿魏酸發(fā)酵生產(chǎn)香蘭素，達到國際先進水平(發(fā)酵液中香蘭素平均濃度達到了15g／L),該工藝路線已產(chǎn)業(yè)化。第28頁,共48頁，2024年2月25日，星期天以阿魏酸為前體微生物發(fā)酵生產(chǎn)香蘭素的可能代謝途徑第29頁,共48頁，2024年2月25日，星期天

人工培養(yǎng)香莢蘭細胞，這種細胞會向外分泌香蘭素。近年來又找到了灌木狀辣椒細胞等將特定添加物轉(zhuǎn)化為香蘭素的新方法?！糁参锛毎囵B(yǎng)法：

采用植物細胞培養(yǎng)法生產(chǎn)香蘭素的普遍缺點是產(chǎn)物含量低而且不穩(wěn)定，植物細胞或組織生長相對較慢，整個生產(chǎn)過程必須處在無菌狀態(tài)，生產(chǎn)成本高第30頁,共48頁，2024年2月25日，星期天◆酶法生產(chǎn)香蘭素

云杉的樹皮中含有較多的1，2一二苯乙烯類化合物，它可被假單孢桿菌產(chǎn)生的木質(zhì)一

,β-加雙氧酶催化氧化成香蘭素采用該法生產(chǎn)香蘭素的產(chǎn)率可達70％，Yoshimoto等已申請了專利。O2酶第31頁,共48頁，2024年2月25日，星期天

異丁香酚（來自丁香油）大豆脂氧合酶◆酶法生產(chǎn)香蘭素O2第32頁,共48頁，2024年2月25日，星期天6.3脂肪酶催化制備生物柴油生物柴油的定義

以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂及動物油脂、餐飲垃圾油等為原料油,通過酯交換工藝制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。

生物柴油是含氧量極高的復(fù)雜有機成分的混合物，這些混合物主要是一些分子量大的有機物，幾乎包括所有種類的含氧有機物，如：醚、酯、醛、酮、酚、有機酸、醇等。第33頁,共48頁，2024年2月25日，星期天為什么不能直接使用生物質(zhì)油？

動、植物油的高黏度特性,是不適合于柴油發(fā)動機的關(guān)鍵因素之一,

因此必須改善其流動性。目前較為理想的方法是酯交換法。即在一定溫度下,將油脂與甲(乙)醇等低級醇類在酸堿催化劑或生物催化劑下進行酯交換反應(yīng),

生成相應(yīng)的脂肪酸甲酯(生物柴油),同時有副產(chǎn)物-甘油的生成。第34頁,共48頁，2024年2月25日，星期天

生物柴油中硫含量低，使得二氧化硫和硫化物的排放低，可減少約30%(有催化劑時為70%)；生物柴油中不含對環(huán)境會造成污染的芳香族烷烴，因而廢氣對人體損害低于柴油。檢測表明，與普通柴油相比,使用生物柴油可降低90%的空氣毒性，降低94%的患癌率；由于生物柴油含氧量高，使其燃燒時排煙少，一氧化碳的排放與柴油相比減少約10%(有催化劑時為95%)；生物柴油的生物降解性高。生物柴油的優(yōu)點具有優(yōu)良的環(huán)保特性。第35頁,共48頁，2024年2月25日，星期天

使噴油泵、發(fā)動機缸體和連桿的磨損率低，使用壽命長。生物柴油的優(yōu)點

無添加劑冷濾點達-20℃。具有較好的低溫發(fā)動機啟動性能具有較好的潤滑性能具有較好的安全性能

由于閃點高，生物柴油不屬于危險品。因此，在運輸、儲存、使用方面的安全性又是顯而易見的。第36頁,共48頁，2024年2月25日，星期天具有良好的燃料性能生物柴油的優(yōu)點

十六烷值高，使其燃燒性好于柴油，燃燒殘留物呈微酸性，使催化劑和發(fā)動機機油的使用壽命加長。具有可再生性能

作為可再生能源，與石油不同，通過農(nóng)業(yè)和生物科學(xué)家的努力，可供應(yīng)量不會枯竭。第37頁,共48頁，2024年2月25日，星期天無須改動柴油機，可直接添加使用生物柴油的優(yōu)點

同時無需另添設(shè)加油設(shè)備、儲存設(shè)備及人員的特殊技術(shù)訓(xùn)練。以一定比例與石化柴油調(diào)和使用，可以降低油耗、提高動力性，并降低尾氣污染。第38頁,共48頁，2024年2月25日，星期天堿催化制備生物柴油的缺點甘油回收和催化劑脫除困難、反應(yīng)不完全,以及當(dāng)油中含有游離脂肪酸和/或水時會生成皂化產(chǎn)物,工藝復(fù)雜、能耗高、

要排放含堿廢液，易造成環(huán)境污染,

此外還存在工藝流程過長、非均相反應(yīng)、反應(yīng)速度慢、反應(yīng)時間較長等缺點。第39頁,共48頁，2024年2月25日，星期天生物酶催化的優(yōu)點

脂肪酶能夠高效催化醇與脂肪酸甘油酯進行酯交換反應(yīng),工藝簡單,反應(yīng)條件溫和,選擇性高,

醇用量小,副產(chǎn)物少,生成的甘油容易回收且無需進行廢液處理。第40頁,共48頁，2024年2月25日，星期天固定脂肪酶作催化劑生產(chǎn)生物柴油

日本利用丹麥諾維信公司生產(chǎn)的固定化假絲酵母催化三酰基甘油與甲醇的脂化反應(yīng)，在30℃反應(yīng)48h,生物柴油的轉(zhuǎn)化率可以達到97%。

用于催化合成生物柴油的脂肪酶,主要是酵母脂肪酶、假單細胞脂肪酶,假絲酵母脂肪酶、根霉脂肪酶、毛霉脂肪酶和豬胰脂肪酶等。

將固定化技術(shù)引入生物柴油工業(yè)生產(chǎn)中,可大大提高酶的穩(wěn)定性和重復(fù)使用率并降低成本。第41頁,共48頁，2024年2月25日，星期天脂肪酶作催化劑生產(chǎn)生物柴油面臨的問題甲醇等低碳醇對酶的失活效應(yīng)

甲醇或乙醇作為酰基受體制備生物柴油時，因其與油脂的混溶性較差，反應(yīng)所需量的醇無法全部溶解于油脂中，未溶解的在體系中形成微粒，與酶接觸將引起酶失活。通過分批加入甲醇的方式解決該問題第42頁,共48頁，2024年2月25日，星期天開發(fā)耐受高濃度短鏈醇的脂肪酶脂肪酶作催化劑生產(chǎn)生物柴油面臨的問題

少數(shù)酶如洋蔥假單胞菌脂肪酶對甲醇等短鏈醇顯示出較高濃度的耐受性，可在無溶劑體系中有較大的反應(yīng)速率和甲酯得率，而多數(shù)脂肪酶對甲醇、乙醇都比較敏感，易被抑制失活。

通過微生物脂肪酶的大量篩選，蛋白質(zhì)工程如定點突變，酶的定向進化技術(shù)得到耐受高濃度短鏈醇的脂肪酶。第43頁,共48頁，2024年2月25日，