生物催化反應(yīng)

關(guān)于生物催化反應(yīng)第1頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三6.1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(xì)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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三6.1.2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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三6-APA的酶法合成青霉素G青霉素V6-APA青霉素G?；盖嗝顾豓酰化酶第5頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三7-ADCA的化學(xué)-酶法合成化學(xué)擴(kuò)環(huán)青霉素G苯乙酰基-7-ADCA青霉素?；?-ADCA第6頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三化學(xué)-酶法制備7-ACA頭孢菌素CD-氨基酸氧化酶O2H2O2CO2-酮基己二酸單酰基7-ACA戊二酸單酰-7-ACA?；?-ACA戊二酸單酰-7-ACA第7頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

青霉素酰化酶6-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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三固定化酶和固定化細(xì)胞在抗生素制造中的應(yīng)用固定化酶或固定化細(xì)胞底物產(chǎn)物青霉素酰化酶天然青霉素G6-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?；窪-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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三6.2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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三維生素C的化學(xué)-酶法合成合成步驟短，產(chǎn)率高第13頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三阿斯巴甜的特點(diǎn)甜度高，味美

阿斯巴甜口味純正清爽，甜味強(qiáng)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(shí)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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三阿斯巴甜的特點(diǎn)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(shí)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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三阿斯巴甜的特點(diǎn)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(zhǔn)阿斯巴甜作為食品添加劑的申請。我國在1986年正式批準(zhǔn)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(jī)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(shí)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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

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(jìn)口。由于價(jià)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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三化學(xué)合成法（內(nèi)酐法），成本低（苦味，分離提純困難）第19頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三氨基保護(hù)外消旋只生成-異構(gòu)體除去保護(hù)基團(tuán)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(jìn)一步優(yōu)化阿斯巴甜酶催化法，成本較高第20頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三香蘭素的用途

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(jìn)劑、催熟劑等。第22頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三化學(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(diǎn)：產(chǎn)量高，成本低；缺點(diǎn)：原料有毒，三廢需要治理；產(chǎn)品售價(jià)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(jià)高達(dá)40-50萬元／噸，第23頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三直接提取法◆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(jī)溶劑萃取法進(jìn)行，其成本高、費(fèi)時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足世界市場需求。第24頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三香蘭草第25頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三人工控制的生物合成法生物合成法微生物細(xì)胞發(fā)酵法植物細(xì)胞培養(yǎng)法酶法第26頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三◆微生物細(xì)胞發(fā)酵法

許多細(xì)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(xì)胞壁中含量非常豐富，如甜菜粕、麥麩等阿魏酸含量可達(dá)其重的0.5%~1%，它以共價(jià)鍵與碳水化合物相連接。采用阿魏酸生產(chǎn)天然香蘭素時(shí)可先利用一些微生物分泌的酯酶將阿魏酸從植物細(xì)胞壁中游離出來，而后再將阿魏酸轉(zhuǎn)化成香蘭素。第27頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三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(tuán)選育的微生物菌種通過阿魏酸發(fā)酵生產(chǎn)香蘭素，達(dá)到國際先進(jìn)水平(發(fā)酵液中香蘭素平均濃度達(dá)到了15g／L),該工藝路線已產(chǎn)業(yè)化。第28頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

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

采用植物細(xì)胞培養(yǎng)法生產(chǎn)香蘭素的普遍缺點(diǎn)是產(chǎn)物含量低而且不穩(wěn)定，植物細(xì)胞或組織生長相對較慢，整個(gè)生產(chǎn)過程必須處在無菌狀態(tài)，生產(chǎn)成本高第30頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三◆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(dá)70％，Yoshimoto等已申請了專利。O2酶第31頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三6.3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(jī)成分的混合物，這些混合物主要是一些分子量大的有機(jī)物，幾乎包括所有種類的含氧有機(jī)物，如：醚、酯、醛、酮、酚、有機(jī)酸、醇等。第33頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三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(jī)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(jìn)行酯交換反應(yīng),

生成相應(yīng)的脂肪酸甲酯(生物柴油),同時(shí)有副產(chǎn)物-甘油的生成。第34頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

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(shí)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(shí)排煙少，一氧化碳的排放與柴油相比減少約10%(有催化劑時(shí)為95%)；生物柴油的生物降解性高。生物柴油的優(yōu)點(diǎn)具有優(yōu)良的環(huán)保特性。第35頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三

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

無添加劑冷濾點(diǎn)達(dá)-20℃。具有較好的低溫發(fā)動機(jī)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(diǎn)高，生物柴油不屬于危險(xiǎn)品。因此，在運(yùn)輸、儲存、使用方面的安全性又是顯而易見的。第36頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三具有良好的燃料性能生物柴油的優(yōu)點(diǎn)

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(jī)機(jī)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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三無須改動柴油機(jī)，可直接添加使用生物柴油的優(yōu)點(diǎn)

同時(shí)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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三堿催化制備生物柴油的缺點(diǎn)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(shí)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(shí)間較長等缺點(diǎn)。第39頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三生物酶催化的優(yōu)點(diǎn)

脂肪酶能夠高效催化醇與脂肪酸甘油酯進(jìn)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(jìn)行廢液處理。第40頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三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(dá)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(xì)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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三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(shí)，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，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三開發(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(diǎn)突變，酶的定向進(jìn)化技術(shù)得到耐受高濃度短鏈醇的脂肪酶。第43頁，講稿共48頁，202