生物催化反应

关于生物催化反应6.1化学-酶合成法生产半合成抗生素6.1.1抗生素的历史1929英国细菌学家弗莱明发现了青霉素。1959年前1959年后天然抗生素的研究阶段半合成抗生素研究阶段至今第2页,共48页，2024年2月25日，星期天6.1.2酶法生产β-内酰胺类抗生素的母核

6-氨基青霉烷酸(6-APA),7-氨基头孢烷酸(7-ACA)和7-氨基去乙酰氧基头孢烷酸（7-ADCA），是半合成青霉素和半合成头孢菌素的β-内酰胺母核，是重要的制药工业原料。6-APA7-ADCA7-ACA第3页,共48页，2024年2月25日，星期天

青霉素G、青霉素V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6-APA,7-ACA和7-ADCA酶催化水解制备6-APA、7-ACA，7-ADCA第4页,共48页，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酰化酶青霉素V酰化酶第5页,共48页，2024年2月25日，星期天7-ADCA的化学-酶法合成化学扩环青霉素G苯乙酰基-7-ADCA青霉素酰化酶7-ADCA第6页,共48页，2024年2月25日，星期天化学-酶法制备7-ACA头孢菌素CD-氨基酸氧化酶O2H2O2CO2-酮基己二酸单酰基7-ACA戊二酸单酰-7-ACA酰化酶7-ACA戊二酸单酰-7-ACA第7页,共48页，2024年2月25日，星期天β-内酰胺母核的非天然侧链-

D-苯甘氨酸和D-对羟苯甘氨酸的化学-酶法合成1）外消旋海因由苯酚、乙醛酸和尿素为原料通过Mannich反应合成2）D-海因酶水解外消旋海因D-海因酶L-海因D-海因D-N-氨基甲基氨基酸转化率100%第8页,共48页，2024年2月25日，星期天

D-对羟基苯甘氨酸3）化学法制备D-对羟基苯甘氨酸D-苯甘氨酸的合成可以用类似方法第9页,共48页，2024年2月25日，星期天

青霉素酰化酶6-APA7-ADCA氨卞青霉素头孢氨卞D-苯甘氨酸甲酯D-苯甘氨酸酰胺HOHO阿莫西林头孢羟氨苄第10页,共48页，2024年2月25日，星期天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底物产物青霉素酰化酶天然青霉素G6-APA大肠杆菌天然青霉素G6-APA头孢霉素酰化酶去乙酰氧基头孢7-ADCA

霉素G假单胞菌戊二酸单酰-7-ACA7-ACA青霉素酰化酶D-苯甘氨酸甲酯氨苄西林

+6-APA

头孢霉素酰化酶

D-苯甘氨酸甲酯头孢氨苄

+7-ADCA第11页,共48页，2024年2月25日，星期天6.2食品添加剂的合成

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。第12页,共48页，2024年2月25日，星期天维生素C的化学-酶法合成合成步骤短，产率高第13页,共48页，2024年2月25日，星期天

阿斯巴甜

（阿斯巴甜）又名阿司帕坦，化学名为N--L-天冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯。

第14页,共48页，2024年2月25日，星期天阿斯巴甜的特点甜度高，味美

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200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、饮料风味也有明显的增效作用，特别是对酸型水果风味。第15页,共48页，2024年2月25日，星期天阿斯巴甜的特点热量低

阿斯巴甜所含热量为16．72kJ／g，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1／200，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。第16页,共48页，2024年2月25日，星期天阿斯巴甜的特点安全性

阿斯巴甜每日允许摄人量为40mg／kg。美国食品和药物管理局（FDA)于1981年批准阿斯巴甜作为食品添加剂的申请。我国在1986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无法证实的，但并不表明阿斯巴甜就一定是安全的，希望最终能得到乐观的结果。第17页,共48页，2024年2月25日，星期天

国际上阿斯巴甜主要由美NutraSweet和日本Ajionomoto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。阿斯巴甜的生产厂家第18页,共48页，2024年2月25日，星期天化学合成法（内酐法），成本低（苦味，分离提纯困难）第19页,共48页，2024年2月25日，星期天氨基保护外消旋只生成

-异构体除去保护基团嗜热蛋白芽胞杆菌的蛋白酶

日本ToyoSoda公司和荷兰DSM公司联合建有一套500t的酶法生产装置，转化率高，但成本还很高，需要进一步优化阿斯巴甜酶催化法，成本较高第20页,共48页，2024年2月25日，星期天

香兰素

又名香草醛，化学名称3-甲氧基-4-羟基苯甲醛。可以用化学方法合成，也可以从香草兰中提取，还可以通过生物催化和转化方法制备。第21页,共48页，2024年2月25日，星期天香兰素的用途

香兰素以游离态和葡萄糖苷的形式存在于植物中，占香荚兰豆干重的2%~3%。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、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。第22页,共48页，2024年2月25日，星期天化学合成香兰素①愈创木酚法（主要方法）②邻硝基氯苯法③丁香酚法④对羟基苯甲醛法⑤对甲酚法⑥其他化学合成法优点：产量高，成本低；缺点：原料有毒，三废需要治理；产品售价低工业级约口7万元／吨，食品级约7～10万元／吨，而天然级产品日前售价高达40-50万元／吨，第23页,共48页，2024年2月25日，星期天直接提取法◆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，收率高，产品质量好。◆以咖喱粉为原料，先提取姜黄素，再经酸碱处理转化为香兰素◆香兰草的豆荚中仅含2％～3％的香兰素，香兰草不易种植而且主要分布在少数热带地区，这使得仅从香兰草提取的天然香兰素远远不能满足世界市场需求。第24页,共48页，2024年2月25日，星期天香兰草第25页,共48页，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细胞发酵法植物细胞培养法酶法第26页,共48页，2024年2月25日，星期天◆微生物细胞发酵法

许多细菌、霉菌都能将丁香酚、异丁香酚、阿魏酸、葡萄糖等化合物通过发酵转化香兰素。

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兰素。第27页,共48页，2024年2月25日，星期天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，生物转化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生产香兰素，达到国际先进水平(发酵液中香兰素平均浓度达到了15g／L),该工艺路线已产业化。第28页,共48页，2024年2月25日，星期天以阿魏酸为前体微生物发酵生产香兰素的可能代谢途径第29页,共48页，2024年2月25日，星期天

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定添加物转化为香兰素的新方法。◆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，生产成本高第30页,共48页，2024年2月25日，星期天◆酶法生产香兰素

云杉的树皮中含有较多的1，2一二苯乙烯类化合物，它可被假单孢杆菌产生的木质一

,β-加双氧酶催化氧化成香兰素采用该法生产香兰素的产率可达70％，Yoshimoto等已申请了专利。O2酶第31页,共48页，2024年2月25日，星期天

异丁香酚（来自丁香油）大豆脂氧合酶◆酶法生产香兰素O2第32页,共48页，2024年2月25日，星期天6.3脂肪酶催化制备生物柴油生物柴油的定义

以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油,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。

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，几乎包括所有种类的含氧有机物，如：醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等。第33页,共48页，2024年2月25日，星期天为什么不能直接使用生物质油？

动、植物油的高黏度特性,是不适合于柴油发动机的关键因素之一,

因此必须改善其流动性。目前较为理想的方法是酯交换法。即在一定温度下,将油脂与甲(乙)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,

生成相应的脂肪酸甲酯(生物柴油),同时有副产物-甘油的生成。第34页,共48页，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，可减少约30%(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，因而废气对人体损害低于柴油。检测表明，与普通柴油相比,使用生物柴油可降低90%的空气毒性，降低94%的患癌率；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10%(有催化剂时为95%)；生物柴油的生物降解性高。生物柴油的优点具有优良的环保特性。第35页,共48页，2024年2月25日，星期天

使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使用寿命长。生物柴油的优点

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润滑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、储存、使用方面的安全性又是显而易见的。第36页,共48页，2024年2月25日，星期天具有良好的燃料性能生物柴油的优点

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寿命加长。具有可再生性能

作为可再生能源，与石油不同，通过农业和生物科学家的努力，可供应量不会枯竭。第37页,共48页，2024年2月25日，星期天无须改动柴油机，可直接添加使用生物柴油的优点

同时无需另添设加油设备、储存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，可以降低油耗、提高动力性，并降低尾气污染。第38页,共48页，2024年2月25日，星期天碱催化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,以及当油中含有游离脂肪酸和/或水时会生成皂化产物,工艺复杂、能耗高、

要排放含碱废液，易造成环境污染,

此外还存在工艺流程过长、非均相反应、反应速度慢、反应时间较长等缺点。第39页,共48页，2024年2月25日，星期天生物酶催化的优点

脂肪酶能够高效催化醇与脂肪酸甘油酯进行酯交换反应,工艺简单,反应条件温和,选择性高,

醇用量小,副产物少,生成的甘油容易回收且无需进行废液处理。第40页,共48页，2024年2月25日，星期天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催化三酰基甘油与甲醇的脂化反应，在30℃反应48h,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,主要是酵母脂肪酶、假单细胞脂肪酶,假丝酵母脂肪酶、根霉脂肪酶、毛霉脂肪酶和猪胰脂肪酶等。

将固定化技术引入生物柴油工业生产中,可大大提高酶的稳定性和重复使用率并降低成本。第41页,共48页，2024年2月25日，星期天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第42页,共48页，2024年2月25日，星期天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

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，可在无溶剂体系中有较大的反应速率和甲酯得率，而多数脂肪酶对甲醇、乙醇都比较敏感，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，酶的定向进化技术得到耐受高浓度短链醇的脂肪酶。第43页,共48页，2024年2月25日，