酶法与微生物法制备香草醛的研究

发布时间：2020-05-22 07:26

【摘要】：香草醛(3-甲氧基-4-羟基苯甲醛)是全球最重要香料物质之一,广泛应用于食品、医药、烟草、日化、电镀等多个行业。香草醛全球年需求量在15,000 t左右,制备方法主要有3种:化学合成法、植物提取法、生物技术法。目前市场上的香草醛大部分来自于化学合成,化学合成法原料来源广泛、工艺成熟,但是产物不专一且对环境污染严重。植物提取法获得的香草醛安全健康、香味纯正,但是产量受限。生物技术法主要包括酶法和微生物转化法,具有反应条件温和、周期短、成本低等优点。而且,国外(例如欧洲)的立法机构规定,使用生物活细胞或者其中的组成部分(例如酶)等生物资源产生得到的物质均属于天然产物。可见,生物技术法合成香草醛具有极大的发展潜力和市场前景。本文拟用酶法和微生物法实现异丁香酚转化成香草醛的反应。微生物法以纺锤芽孢杆菌CGMCC1347作为催化剂,探究天然低共熔溶剂(Natural Deep Eutectic Solvents,简称NADES)对全细胞催化合成香草醛的影响。酶法则以粗提的大豆脂肪氧合酶作为催化剂,探究各种反应条件(如酶量、底物浓度、反应时间温度、pH)和各种添加剂(如有机溶剂、表面活性剂、低共熔溶剂、天然低共熔溶剂、变性剂、螯合剂)对酶法合成香草醛的影响。主要研究内容如下:1、NADES对微生物法合成香草醛的影响选取13种NADES为添加剂加入到微生物法合成香草醛体系中,研究其对香草醛产率是否有促进作用,同时研究了NADES对非酶催化制备香草醛的影响。大部分NADES对微生物法合成香草醛及非酶催化合成香草醛均有促进作用,在非酶催化体系中,NADES促进程度相对较大,但香草醛浓度水平相对较低。采用了三种实验手段研究加入NADES对细菌细胞的通透性和细胞存活率的影响:(1)分光光度法,(2)激光共聚焦扫描显微术,(3)流式细胞术。实验结果显示,NADES对实验菌株确实存在一定的毒性作用,具体表现为造成细菌内核酸和蛋白的外溢、细菌细胞膜完整性受损,这在一定程度上解释了NADES对微生物法合成香草醛的促进作用。2、酶法合成香草醛反应体系的研究以大豆脂肪氧合酶为催化剂,异丁香酚为底物,硼酸缓冲液(pH 9.0、0.2 M)为反应介质,测试了反应温度、pH、底物浓度、酶量和反应时间等反应条件对生成香草醛的产率的影响。最优条件确定为:5 ml硼酸缓冲液(pH 9.0、0.2 M)、底物浓度30 g/L、酶量0.8 g、反应温度28℃,反应时间84 h。在最佳反应条件下,香草醛产率最高达2.68 g/L。在反应条件确定了的基础上,进一步研究了在反应体系中加入各种添加剂对香草醛产率的影响。这些添加剂包括:5种表面活性剂、10种有机溶剂、8种低共熔溶剂(DES)、13种天然低共熔溶剂(NADES)、7种羧酸类金属螯合剂、3种变性剂。实验表明,这些添加剂大部分对反应没有促进作用,但,其中,螯合剂的促进作用非常明显,特别是氨基羧酸类和羟氨基羧酸类的金属离子螯合剂,使得香草醛的产率得到显著提升,最高达对照组的405%。本文首次将螯合剂引入到酶法合成香草醛体系中,并发现其对香草醛产率有显著提升,很有可能跟酶的活性中心结构和催化机理有关。这为酶法合成香草醛提供了一种新思路。综上所述,酶法催化和全细胞催化都可以用于异丁香酚向香草醛的转化,加入适当的螯合剂对酶法合成反应有很大的促进作用。
【图文】：

香草醛,结构式,4-羟基苯甲醛,烟色

4-羟基苯甲醛，图 1），又名香兰素一，被广泛应用于食品、医药、烟色或者浅黄色针状结晶，具有浓郁中容易被氧化成香草酸。分子式为3 ℃，沸点为 285 ℃，密度为 1.06于乙醇、冰乙酸、氯仿、吡啶、乙

香草醛,木质素,丁香酚

丁香酚法香酚法主要采用直接氧化，将丁香酚与强碱共热处理使丁香酚盐，然后用臭氧或硝基苯等氧化剂将异丁香酚盐氧化成香草醛理得到香草醛。香酚法合成的香草醛香气纯正，但生产成本高、合成路线长，的香草醛产量较少。木质素法质素广泛存在于废旧木材和纸浆废液中，主要以木质素磺酸盐性条件下，，这些木质素磺酸盐先溶解，然后在高温高压条件下草醛，反应过程如图 2 所示。质素法原料来源广、价格低，但这种方法的产率低、合成的香严重，在有些国家该方法逐渐被淘汰。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ655

【参考文献】