第六章生物催化反应

1、第六章第六章 生物催化与转化反应生物催化与转化反应 的应用的应用6.1 化学化学-酶合成法生产半合成抗生素酶合成法生产半合成抗生素6.1.1 抗生素的历史抗生素的历史1929英国细菌学家英国细菌学家弗莱明发现了弗莱明发现了青霉素。青霉素。1959年前年前1959年后年后天然抗生素的天然抗生素的研究阶段研究阶段半合成抗生素半合成抗生素研究阶段研究阶段至今至今6.1.2 酶法生产酶法生产-内酰胺类抗生素的母核内酰胺类抗生素的母核 6-氨基青霉烷酸氨基青霉烷酸(6-APA), 7-氨基头孢烷酸氨基头孢烷酸(7-ACA)和和7-氨基去乙酰氧基头孢烷酸（氨基去乙酰氧基头孢烷酸（7-ADCA），是半合），

2、是半合成青霉素和半合成头孢菌素的成青霉素和半合成头孢菌素的- 内酰胺母核，是重内酰胺母核，是重要的制药工业原料。要的制药工业原料。6-APA7-ADCA7-ACA 青霉素青霉素G、青霉素、青霉素V和头孢菌素可以由发酵和头孢菌素可以由发酵法合成，将它们的侧链水解可以制备法合成，将它们的侧链水解可以制备6-APA, 7-ACA和和7-ADCA酶催化水解制备酶催化水解制备6-APA、 7-ACA， 7-ADCA6-APA的酶法合成的酶法合成青霉素青霉素G青霉素青霉素V6-APA青霉素青霉素G G酰化酶酰化酶青霉素青霉素V酰化酶酰化酶7-ADCA的化学的化学-酶法合成酶法合成化学扩环化学扩环青霉素青霉

3、素G苯乙酰基苯乙酰基-7-ADCA青霉素酰化青霉素酰化酶酶7-ADCA化学化学-酶法制备酶法制备7-ACA头孢菌素头孢菌素CD-氨基酸氨基酸氧化酶氧化酶O2H2O2CO2 -酮基己二酸单酰基酮基己二酸单酰基7-ACA戊二酸单酰戊二酸单酰-7-ACA酰化酶酰化酶7-ACA戊二酸单酰戊二酸单酰-7-ACA- - 内酰胺母核的非天然侧链内酰胺母核的非天然侧链- - D-D-苯甘氨酸和苯甘氨酸和D-D-对羟苯甘氨酸对羟苯甘氨酸的化学的化学- -酶法合成酶法合成1 ）外消旋海因由苯酚、乙醛酸和尿素为原料）外消旋海因由苯酚、乙醛酸和尿素为原料 通过通过Mannich反应合成反应合成2）D-海因酶水解外消旋

4、海因海因酶水解外消旋海因D-海因酶海因酶L-海因海因D-海因海因D-N-氨基甲基氨基酸氨基甲基氨基酸NHHNOONHHNOOHOHONH2HNOCOOHHO转化率转化率100%NH2HNOCOOHNH2COOHHOHOHNO2 D- 对羟基苯甘氨酸对羟基苯甘氨酸3）化学法制备）化学法制备D-对羟基苯甘氨酸对羟基苯甘氨酸D-苯甘氨酸的合成可以用类似方法苯甘氨酸的合成可以用类似方法 青霉素酰青霉素酰 化酶化酶6-APA7-ADCA氨卞青霉素氨卞青霉素头孢氨卞头孢氨卞D- 苯甘氨酸甲酯苯甘氨酸甲酯 D-苯甘氨酸酰胺苯甘氨酸酰胺HOHO阿莫西林阿莫西林头孢羟氨苄头孢羟氨苄固定化酶和固定化细胞在抗生素制

5、造中的应用固定化酶和固定化细胞在抗生素制造中的应用固定化酶或固定化细胞固定化酶或固定化细胞 底物底物 产物产物青霉素酰化酶青霉素酰化酶 天然青霉素天然青霉素 G 6-APA大肠杆菌大肠杆菌 天然青霉素天然青霉素 G 6-APA头孢霉素酰化酶头孢霉素酰化酶 去乙酰氧基头孢去乙酰氧基头孢 7-ADCA 霉素霉素G假单胞菌假单胞菌 戊二酸单酰戊二酸单酰-7-ACA 7-ACA青霉素酰化酶青霉素酰化酶 D- 苯甘氨酸甲酯苯甘氨酸甲酯 氨苄西林氨苄西林 +6-APA 头孢霉素酰化酶头孢霉素酰化酶 D- 苯甘氨酸甲酯苯甘氨酸甲酯 头孢氨苄头孢氨苄 +7-ADCA 6.2 食品添加剂的合成食品添加剂的合成

6、食品工业中涉及众多的添加剂，它们具有保健、食品工业中涉及众多的添加剂，它们具有保健、保鲜或改善风味等功能。这类化合物也会对人体发保鲜或改善风味等功能。这类化合物也会对人体发挥生物学作用。因此，必须考虑到它们的手性问题，挥生物学作用。因此，必须考虑到它们的手性问题，FDA要求食品添加剂也应以单一对映体形式上市。要求食品添加剂也应以单一对映体形式上市。维生素维生素C的化学的化学-酶法合成酶法合成合成步合成步骤短，骤短，产率高产率高 阿斯巴甜阿斯巴甜 （阿斯巴甜阿斯巴甜）又名）又名阿司帕坦阿司帕坦，化学名为，化学名为N- -L-天冬氨酰天冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯。苯丙氨酸甲酯。 阿斯巴甜的特点阿斯巴

7、甜的特点甜度高，味美甜度高，味美 阿斯巴甜口味纯正清爽，甜味强烈，类似蔗糖，阿斯巴甜口味纯正清爽，甜味强烈，类似蔗糖， 但甜度约为蔗糖的但甜度约为蔗糖的200倍，没有人造甜味剂常有的倍，没有人造甜味剂常有的 苦味、化学味或金属的后味。另外阿斯巴甜与其他苦味、化学味或金属的后味。另外阿斯巴甜与其他 甜味剂共用时会产生明显的甜味增效作用，对某些甜味剂共用时会产生明显的甜味增效作用，对某些食品、饮料风味也有明食品、饮料风味也有明 显的增效作用，特别是对酸显的增效作用，特别是对酸型水果风味。型水果风味。阿斯巴甜的特点阿斯巴甜的特点热量低热量低 阿斯巴甜所含热量为阿斯巴甜所含热量为1672 kJg，与相

8、同甜度，与相同甜度的蔗糖相比，其发热量仅为蔗糖制造相同食品的的蔗糖相比，其发热量仅为蔗糖制造相同食品的1200，因使用量很少，实际提供的热量值就很低，尤其适用于因使用量很少，实际提供的热量值就很低，尤其适用于糖尿病、高血压及心脑血管患者使糖尿病、高血压及心脑血管患者使 用。其摄人后的消化、用。其摄人后的消化、吸收和代谢过程与食品中的蛋白质相似，故不会引起龋齿。吸收和代谢过程与食品中的蛋白质相似，故不会引起龋齿。 阿斯巴甜的特点阿斯巴甜的特点安全性安全性 阿斯巴甜每日允许摄人量为阿斯巴甜每日允许摄人量为40 mgkg。美国食品。美国食品和药物管理局和药物管理局 （FDA)于于1981年批准阿斯巴

9、甜作为食品年批准阿斯巴甜作为食品添加剂的申请。我国在添加剂的申请。我国在1986年正式批准其在食品中使用。年正式批准其在食品中使用。 从其应用至今一直遭到了国内外众多科学工作者和从其应用至今一直遭到了国内外众多科学工作者和研究机构对其安全性的质疑，如其是否具有致癌性，以研究机构对其安全性的质疑，如其是否具有致癌性，以现在的技术手段是现在的技术手段是 无法证实的，但并不表明阿斯巴甜就无法证实的，但并不表明阿斯巴甜就一定是安全的，一定是安全的， 希望最终能得到乐观的结果。希望最终能得到乐观的结果。 国际上阿斯巴甜主要由美国际上阿斯巴甜主要由美 Nutra Sweet和日本和日本Ajionomoto

10、两大公司生产。当前国内所需阿斯巴两大公司生产。当前国内所需阿斯巴甜主要从美国、日本进口。由于价格昂贵，市场供甜主要从美国、日本进口。由于价格昂贵，市场供应量有限，制约了它在我国的应用。应量有限，制约了它在我国的应用。 但在我国未来市场前景十分广阔。但在我国未来市场前景十分广阔。 阿斯巴甜的生产厂家阿斯巴甜的生产厂家化学合成法（内酐法），成本低化学合成法（内酐法），成本低（苦味，分离提纯困难）（苦味，分离提纯困难）氨基保护氨基保护外消旋外消旋只生成只生成 -异构体异构体除去保护除去保护基团基团嗜热蛋白芽嗜热蛋白芽胞杆菌的蛋白酶胞杆菌的蛋白酶 日本日本 Toyo Soda公司公司 和荷兰和荷兰DS

11、M公司联合公司联合建有一套建有一套500t的酶法的酶法生产装置，转化率高，生产装置，转化率高，但成本还很高，需要但成本还很高，需要进一步优化进一步优化阿斯巴甜阿斯巴甜酶催化法，成本较高酶催化法，成本较高 香兰素香兰素 又名香草醛，化学名称又名香草醛，化学名称 3-甲氧基甲氧基-4-羟基苯甲醛。可以羟基苯甲醛。可以用化学方法合成，也可以从香草兰中提取，还可以通过用化学方法合成，也可以从香草兰中提取，还可以通过生物催化和转化方法制备。生物催化和转化方法制备。香兰素的用途香兰素的用途 香兰素以游离态和葡萄糖苷的形式存在于植物中，香兰素以游离态和葡萄糖苷的形式存在于植物中，占香荚兰豆干重的占香荚兰豆干

12、重的2% 3%。 纯净的香兰素具有浓郁的奶香气，无异味。纯净的香兰素具有浓郁的奶香气，无异味。 香兰素用途非常广，除广泛用作食品工业的定香剂、香兰素用途非常广，除广泛用作食品工业的定香剂、调味剂外，也是医药工业的重要原料和中间体，还可作调味剂外，也是医药工业的重要原料和中间体，还可作为电镀上光剂、植物生长促进剂、催熟剂等。为电镀上光剂、植物生长促进剂、催熟剂等。化学合成香兰素化学合成香兰素愈创木酚法愈创木酚法 （主要方法）（主要方法）邻硝基氯苯法邻硝基氯苯法丁香酚法丁香酚法对羟基苯甲醛法对羟基苯甲醛法对甲酚法对甲酚法其他化学合成法其他化学合成法优点：产量高，成本低；优点：产量高，成本低；缺点：

13、原料有毒，三废缺点：原料有毒，三废 需要治理；产品售价低需要治理；产品售价低工业级约口7万元吨，食品级约710万元吨，而天然级产品日前售价高达40-50万元吨，直接提取法直接提取法从香兰草（又称香荚兰）中提取从香兰草（又称香荚兰）中提取 香兰草中主要的香气成分为香兰素，可采用传统香兰草中主要的香气成分为香兰素，可采用传统 的有机溶剂萃取法进行，其成本高、费时且有溶剂的有机溶剂萃取法进行，其成本高、费时且有溶剂残留。采用超临界萃取法，残留。采用超临界萃取法， 收率高，产品质量好。收率高，产品质量好。以咖喱粉为原料，先提取姜黄素，再经酸碱以咖喱粉为原料，先提取姜黄素，再经酸碱 处理转化为香兰素处理

14、转化为香兰素 香兰草的豆荚中仅含香兰草的豆荚中仅含23的香兰素，香兰草不的香兰素，香兰草不 易种植而且主要分布在少数热带地区，这使得仅从易种植而且主要分布在少数热带地区，这使得仅从 香兰草提取的天然香兰素远远不能满足世界市场需求。香兰草提取的天然香兰素远远不能满足世界市场需求。香兰草香兰草人工控制的生物合成法人工控制的生物合成法生物合成法生物合成法微生物细微生物细胞发酵法胞发酵法植物细胞植物细胞培养法培养法酶法酶法微生物细胞发酵法微生物细胞发酵法 许多细菌、霉菌都能将丁香酚、异丁香酚、许多细菌、霉菌都能将丁香酚、异丁香酚、 阿阿魏酸、葡萄糖等化合物通过发酵转化香兰素。魏酸、葡萄糖等化合物通过发

15、酵转化香兰素。 阿魏酸是肉桂酸的衍生物，在植物细胞壁中含量非阿魏酸是肉桂酸的衍生物，在植物细胞壁中含量非常丰富，如甜菜粕、麦麸等阿魏酸含量可达其重的常丰富，如甜菜粕、麦麸等阿魏酸含量可达其重的0.5%1%，它以共价键与碳水化合物相连接。采用阿魏酸生，它以共价键与碳水化合物相连接。采用阿魏酸生产天然香兰素时可先利用一些微生物分泌的酯酶将阿魏产天然香兰素时可先利用一些微生物分泌的酯酶将阿魏酸从植物细胞壁中游离出来，而后再将阿魏酸转化成香酸从植物细胞壁中游离出来，而后再将阿魏酸转化成香兰素。兰素。以阿魏酸为前体微生物发酵生产香兰素以阿魏酸为前体微生物发酵生产香兰素 以天然米糠油来源的阿魏酸为原料，生

16、物转化以天然米糠油来源的阿魏酸为原料，生物转化 制备香兰素的方法被广泛研究制备香兰素的方法被广泛研究 最近上海爱普香料集团选育的微生物菌种通过阿魏酸发酵最近上海爱普香料集团选育的微生物菌种通过阿魏酸发酵生产香兰素，达到国际先进水平生产香兰素，达到国际先进水平(发酵液中发酵液中 香兰素平均浓度达香兰素平均浓度达到了到了15 gL), 该工艺路线已产业化。该工艺路线已产业化。 以阿魏酸为前体微生物发酵生产香兰素的可能代谢途径以阿魏酸为前体微生物发酵生产香兰素的可能代谢途径 人工培养香荚兰细胞，这种细胞会向外分泌香兰素。人工培养香荚兰细胞，这种细胞会向外分泌香兰素。近年来又找到了灌木状辣椒细胞等将特

17、定添加物转化为近年来又找到了灌木状辣椒细胞等将特定添加物转化为香兰素的新方法。香兰素的新方法。植物细胞培养法：植物细胞培养法： 采用植物细胞培养法生产香兰素的普遍缺点是产物采用植物细胞培养法生产香兰素的普遍缺点是产物含量低而且不稳定，植物细胞或组织生长相对较慢，整含量低而且不稳定，植物细胞或组织生长相对较慢，整个生产过程必须处在无菌状态，生产成本高个生产过程必须处在无菌状态，生产成本高酶法生产香兰素酶法生产香兰素 云杉的树皮中含有较多的云杉的树皮中含有较多的 1，2一二苯乙烯类化合一二苯乙烯类化合 物，它可被假单孢杆菌产生的木质一物，它可被假单孢杆菌产生的木质一 ,-加双氧酶催加双氧酶催 化氧

18、化成香兰素化氧化成香兰素采用该法生产香兰素的产率可达采用该法生产香兰素的产率可达70，Yoshimoto 等已申请了专利。等已申请了专利。 OHCHOOCH3Glu-OHOCH=CHOHOCH3+OHCHOO-GluO2酶酶OHCHCHCH3OCH3OHCHOOCH3 异丁香酚异丁香酚（来自丁香油）（来自丁香油）大豆脂氧大豆脂氧合酶合酶酶法生产香兰素酶法生产香兰素O26.3 脂肪酶催化制备生物柴油脂肪酶催化制备生物柴油生物柴油的定义生物柴油的定义 以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油脂及动物油脂、餐饮垃圾

19、油等为原料油, 通过酯交换工艺制通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。 生物柴油是含氧量极高的复杂有机成分的混合物，这生物柴油是含氧量极高的复杂有机成分的混合物，这些混合物主要是一些分子量大的有机物，几乎包括所有种些混合物主要是一些分子量大的有机物，几乎包括所有种类的含氧有机物，如：醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等。类的含氧有机物，如：醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等。为什么不能直接使用生物质油？为什么不能直接使用生物质油？ 动、动、 植物油的植物油的高黏度高黏度特性特性,是不适合于柴油发动机的是不适合于柴油发动机的关键因素之一关键因素之一,

20、因此必须改善其流动性。因此必须改善其流动性。 目前较为理想的方法是目前较为理想的方法是酯交换法酯交换法。即在一定温度下。即在一定温度下, 将油脂与甲将油脂与甲(乙乙)醇等低级醇类在酸碱催化剂或生物催化醇等低级醇类在酸碱催化剂或生物催化剂下进行酯交换反应剂下进行酯交换反应, 生成相应的脂肪酸甲酯生成相应的脂肪酸甲酯(生物柴生物柴油油) , 同时同时有副产物有副产物-甘油的生成。甘油的生成。 生物柴油中硫含量低，生物柴油中硫含量低，使得二氧化硫和硫化物的排放低使得二氧化硫和硫化物的排放低，可减少约可减少约30%(有催化剂时为有催化剂时为70%)； 生物柴油中不含对环境会造成污染的芳香族烷烃，因生物

21、柴油中不含对环境会造成污染的芳香族烷烃，因而废气对人体损害低于柴油。检测表明，而废气对人体损害低于柴油。检测表明，与普通柴油相比与普通柴油相比,使用生物柴油可降低使用生物柴油可降低90%的空气毒性，降低的空气毒性，降低94%的患癌的患癌率；率； 由于生物柴油含氧量高，使其燃烧时排烟少，一氧化由于生物柴油含氧量高，使其燃烧时排烟少，一氧化碳的排放与柴油相比减少约碳的排放与柴油相比减少约10%(有催化剂时为有催化剂时为95%)；生物柴油的生物降解性高生物柴油的生物降解性高。生物柴油的优点生物柴油的优点具有优良的环保特具有优良的环保特性。性。 使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使喷油泵、发动机缸

22、体和连杆的磨损率低，使用寿命长。使用寿命长。生物柴油的优点生物柴油的优点 无添加剂冷滤点达无添加剂冷滤点达-20。具有较好的低温发动机启动性能具有较好的低温发动机启动性能具有较好的润滑性具有较好的润滑性能能具有较好的安全性能具有较好的安全性能 由于闪点高，生物柴油不属于危险品。因此，在运输由于闪点高，生物柴油不属于危险品。因此，在运输 、 储存、使用方面的安全性又是显而易见的。储存、使用方面的安全性又是显而易见的。具有良好的燃料性能具有良好的燃料性能生物柴油的优点生物柴油的优点 十六烷值高，使其燃烧性好于柴油，燃烧残十六烷值高，使其燃烧性好于柴油，燃烧残留物呈微酸性，使催化剂和发动机机油的使用

23、寿命留物呈微酸性，使催化剂和发动机机油的使用寿命加长。加长。具有可再生性能具有可再生性能 作为可再生能源，与石油不同，通过农业和生物作为可再生能源，与石油不同，通过农业和生物科学家的努力，可供应量不会枯竭。科学家的努力，可供应量不会枯竭。无须改动柴油机，可直接添加使用无须改动柴油机，可直接添加使用生物柴油的优点生物柴油的优点 同时无需另添设加油设备、储存同时无需另添设加油设备、储存 设备及人员的设备及人员的特殊技术训练。以一定比例与石化柴油调和使用，特殊技术训练。以一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗、提高动力性，并降低尾气污染。可以降低油耗、提高动力性，并降低尾气污染。碱催化碱催化制备生

24、物柴油的缺点制备生物柴油的缺点 甘油回收和催化剂脱除困难、反应不完全甘油回收和催化剂脱除困难、反应不完全 , 以及以及当油中含有游离脂肪酸和当油中含有游离脂肪酸和/ 或水时会生成皂化产物或水时会生成皂化产物, 工工艺复杂、艺复杂、 能耗高能耗高 、 要排放含碱废液要排放含碱废液，易造成环境污染易造成环境污染, 此外还存在工此外还存在工艺流程过长、艺流程过长、 非均相反应、非均相反应、 反应速度慢、反应速度慢、 反应时间较长等缺点。反应时间较长等缺点。生物酶催化的优点生物酶催化的优点 脂肪酶能够高效催化醇与脂肪酸甘油酯进行酯交换反应脂肪酶能够高效催化醇与脂肪酸甘油酯进行酯交换反应,工艺简单工艺简

25、单, 反应条件温和反应条件温和, 选择性高选择性高, 醇用量小醇用量小, 副产物少副产物少, 生成的甘油容易回收且无需进行废液处理生成的甘油容易回收且无需进行废液处理。固定脂肪酶作催化剂生产生物柴油固定脂肪酶作催化剂生产生物柴油 日本利用丹麦诺维信公司生产的固定化假丝酵母日本利用丹麦诺维信公司生产的固定化假丝酵母催化三酰基甘油与甲醇的脂化反应，在催化三酰基甘油与甲醇的脂化反应，在30 反应反应48 h,生物柴油的转化率可以达到生物柴油的转化率可以达到97%。 用于催化合成生物柴油的脂肪酶用于催化合成生物柴油的脂肪酶, 主要是酵母脂肪酶、主要是酵母脂肪酶、 假单细胞脂肪酶假单细胞脂肪酶, 假丝酵

26、母脂肪酶、假丝酵母脂肪酶、 根霉脂肪酶、毛霉脂肪根霉脂肪酶、毛霉脂肪酶和猪胰脂肪酶等。酶和猪胰脂肪酶等。 将固定化技术引入生物柴油工业生产中将固定化技术引入生物柴油工业生产中,可大大提高酶可大大提高酶的稳定性和重复使用率并降低成本。的稳定性和重复使用率并降低成本。脂肪酶作催化剂生产生物柴油面临的问题脂肪酶作催化剂生产生物柴油面临的问题 甲醇等低碳醇对酶的失活效应甲醇等低碳醇对酶的失活效应 甲醇或乙醇作为酰基受体制备生物柴油时，因其与油脂甲醇或乙醇作为酰基受体制备生物柴油时，因其与油脂的混溶性较差，反应所需量的醇无法全部溶解于油脂中，未溶的混溶性较差，反应所需量的醇无法全部溶解于油脂中，未溶解的

27、在体系中形成微粒，与酶接触将引起酶失活。解的在体系中形成微粒，与酶接触将引起酶失活。通过分批加入甲醇的方式解决该问题通过分批加入甲醇的方式解决该问题开发耐受高浓度短链醇的脂肪酶开发耐受高浓度短链醇的脂肪酶脂肪酶作催化剂生产生物柴油面临的问题脂肪酶作催化剂生产生物柴油面临的问题 少数酶如洋葱假单胞菌脂肪酶对甲醇等短链醇少数酶如洋葱假单胞菌脂肪酶对甲醇等短链醇显示出较高浓度的耐受性，显示出较高浓度的耐受性， 可在无溶剂体系中有较可在无溶剂体系中有较大的反应速率和甲酯得率，大的反应速率和甲酯得率， 而多数脂肪酶对甲醇、而多数脂肪酶对甲醇、 乙醇都比较敏感，乙醇都比较敏感， 易被抑制失活。易被抑制失活。 通过微生物脂肪酶的大量筛选，蛋白质工程如定点突变，通过微生物脂肪酶的大量筛选，蛋白质工程如定点突变，酶的定向进化技术得到耐受高浓度短链醇的脂肪酶。酶的定向进化技术得到耐受高浓度短链醇的脂肪酶。改进溶剂体系改进溶剂体系脂肪酶作催化剂生产生物柴油面临的问题脂肪酶作催化