磷脂酶D催化磷脂酰基转移反应生产稀有及非天然磷脂的研究

发布时间：2020-05-08 22:11

【摘要】：为解决稀有及非天然磷脂酶催化合成的技术难题,针对现有磷脂生产工艺,即磷脂酶D(PLD)催化的磷脂酰基转移反应中存在的生产效率低、选择性低、后处理工艺复杂、产品安全隐患大等问题。本文主要研究方向为酶催化反应工程,通过磷脂酶D固定化和水-固反应体系构建对磷脂酰基转移反应过程进行了系统深入的探究,为稀有及非天然磷脂的工业化生产提供理论和技术支持,保障包括“大脑维生素(磷脂酸丝氨酸,PS)”等磷脂产品的市场推广。设计了吸附-沉淀-交联固定化方法固定化PLD,提升该生物催化剂的催化性能。通过沉淀-吸附作用将游离酶蛋白分子附着于无孔纳米二氧化硅载体表面,进而利用分子间和分子内交联作用使酶蛋白分子以层状“酶网”包裹固定化在纳米二氧化硅载体表面,形成核(载体)壳(聚集酶)结构的交联酶聚集体(CS-CLEAs)。该固定化方法简便易行,所得固定化酶易于回收反复使用,且固定化效果良好。PLD固定化率达80%,固定化PLD催化磷脂酰基转移反应制备磷脂酰乙醇胺(PE)比活力达15872U/g_(protein),约为游离PLD比活力(13813U/g_(protein))的1.15倍。动力学研究表明,PLD固定化后表现出更高的磷脂酰基转移活力,且对磷脂底物亲和性增大。同时,采用该方法固定化PLD还可有效改善其pH耐受性、热稳定性、储藏稳定性和运行稳定性。为了进一步提升吸附-沉淀-交联固定化技术的效果,提出了结合生物印迹的核壳交联酶聚集体固定化酶方法(CS-BI-CLEAs)。针对磷脂酰基转移反应生产稀有磷脂磷脂酰甘油(PG)过程,以底物甘油为配体诱导PLD酶蛋白形成有利于催化作用的构象,即在“生物印迹”作用下诱导酶的“超活化”结构,然后以吸附-沉淀-交联方法将“超活化”的酶分子以层状“酶网”包裹固定化在纳米二氧化硅载体表面,固定酶分子的“超活化”构象,洗涤除去配体甘油后,得到生物印迹-固定化PLD。CS-BI-CLEA固定化技术,可以有效僵化具有生物印迹特征的PLD酶蛋白,使其能够在水相中依然保持有利的催化构象,催化活力显著提高。固定化PLD催化磷脂酰基转移反应合成PG的最大比活力达到166953U/g_(protein),是游离PLD合成PG时比活力(11922U/g_(protein))的14倍。同时,固定化PLD的反应选择性也得到提升,PG的最高产率可以达到94.0%,副产物PA产率仅有5.96%。传统的磷脂酰基转移反应采用有机溶媒-水两相体系(Water-Organic Biphasic System),不仅污染环境、影响产品安全性,而且催化酶效率低、磷脂酶D回收利用困难。因此,本文提出以多孔载体表面负载磷脂底物,与水相中的酶及第二底物接触作用,进行水-固体系(Aqueous-solid System)磷脂酰基转移反应的方法。将不溶于水的底物磷脂酰胆碱(PC)预溶解在乙酸乙酯溶液中,加入硅胶载体后,以丙酮为沉淀剂通过吸附-沉淀作用使游离PC附着在载体表面形成载体负载化磷脂,PC负载率高达90.7%。将载体负载化PC分散于PLD、丝氨酸水溶液中进行磷脂酰基转移反应生产磷脂酰丝氨酸(PS)。在此水-固体系中,固相载体表面为磷脂酰基转移反应的“人造界面”,当载体表面被PC分子覆盖后,进行反应的水-固界面亲水性降低,为磷脂酰基转移过程提供了疏水微环境,降低了水解副反应发生的机率,提高了反应选择性和产物收率。通过系统探究载体PC负载量、载体空余表面积和载体孔道结构等对磷脂酰基转移反应的影响,确定优化条件下PS最大产率达99.5%。此外,水-固体系可以方便实现游离PLD水溶液的回收再利用,重复使用6次之后PS产率仍达到73.6%。之后,本文以无孔纳米二氧化硅为载体进行水-固体系磷脂酰基转移反应生产非天然磷脂磷脂酰γ-羟基丁酸(PB)。有效降低了PC吸附及酶催化反应过程的传质阻力,提高底物PC负载率和产物PB收率。实验结果表明,最大PC负载率达98.3%,显著降低了原料PC的浪费。探究了PC负载率、载体PC负载量、载体空余表面积等对磷脂酰基转移反应的影响,优选条件下PB最大产率为97.3%。采用高效液相色谱(HPLC)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和飞行时间质谱(TOF-MS)三种手段表征所合成的PB样品。由于水-固体系PC反应转化率接近完全,因此,无需复杂纯化过程即可获得很高纯度PB,可直接用于动物实验,为药理药效研究提供所需原料药样品。通过硅胶表面共价结合非离子型表面活性剂,制备具有吸附作用的功能化硅胶,可实现磷脂底物在水介质中均匀吸附于硅胶表面,从而发展了直接吸附法水-固体系(Direct adsorption aqueous-solid system)磷脂酰基转移反应。采用共价结合法将辛基酚聚氧乙烯醚(曲拉通X-100)表面活性剂分子固定在四种不同规格的硅胶载体表面。通过曲拉通X-100分子长碳链与磷脂的疏水亲和作用,实现将水介质中磷脂底物PC分子转移吸附于硅胶表面。将吸附了PC的硅胶分散在水介质中进行磷脂酰基转移反应合成PS。在间歇式批次反应过程中,尺寸较小的曲拉通X-100改性载体具有更好的PC吸附性能及反应效果,最大PC负载量和PS产率分别达到98.9%和99.0%。研究表明,相对于团聚状磷脂的溶解过程,PC分子吸附过程是限速步骤。采用一步吸附模型和两步吸附模型对PC的吸附过程进行了理论研究,求解了相关吸附动力学参数。两个模型求取的PC分子在改性硅胶表面形成半胶束时的吉布斯自由能分别为-29.8 kJ/mol和-23.0kJ/mol,远小于其在水溶液中形成胶束的时的吉布斯自由能(19.5kJ/mol),同时临界半胶束浓度(2.76×10~(-6)mol/L)也远小于临界胶束浓度(4.36×10~(-4)mol/L)。功能化硅胶通过分子亲和作用加快了水溶液中PC分子在硅胶表面的吸附速率,促使PC分子不断溶解,从而实现了在水介质中直接吸附PC。利用直接吸附法建立的水-固反应体系,以改性硅胶载体为填料,依次以PC水溶液、酶溶液和洗脱液为流动液,建立了PS的连续化生产固定床反应工艺。小尺寸的曲拉通X-100改性载体虽然具有更高的PC吸附率和PS转化率,但是尺寸较大的载体的时空产率更大。因此,综合PC负载率、PS产率和时空产率三者的作用,尺寸为20-40目的曲拉通X-100改性硅胶(5.34×10~(-10) mol_(Triton)/g_(silica))是水-固体系连续化生产PS中固定床反应器最优填料。连续化生产实验证明曲拉通X-100共价改性的硅胶载体理化性质十分稳定,重复使用30次后也未显示性能衰减。针对水-固反应体系特点,选用椰子油为溶剂洗脱产物磷脂,得到的含有磷脂酰丝氨酸(PS)的椰油溶液。以此为芯材,壳聚糖为壁材,通过水相分离法制备了含PS的微胶囊产品,实现了PS从原料生产到成品加工的完整工艺过程。
【图文】：

磷脂类产品的消费情况

磷脂酶D催化磷脂酰基转移反应生产稀有及非天然磷脂的研究

天然磷脂的组成
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ645.96

【参考文献】