C_α-OH生物氧化增强木质素的甲酸催化解聚研究

发布时间：2020-06-11 13:01

【摘要】：木质素是由芳香化合物组成的天然生物高分子,其解聚产物在能源和化工领域具有广泛的应用潜力,但复杂的抗性结构限制了木质素的高效解聚。最近研究发现,木质素C_α-OH化学氧化可以增强其解聚效率。而木质素酶在木质素碳循环中发挥关键作用,如果能利用木质素酶选择性氧化C_α-OH,将有望提供绿色温和的木质素解聚新策略。本论文以来源于Physisporinus vitreus和Echinodontium taxodii的三种木质素酶-漆酶(Pv-Lac)、多功能过氧化物酶(Pv-VP)和锰过氧化物酶(Et-MnP)为研究对象,系统比较了其酶学性质,以及对酚型β-O-4二聚体模型化合物的C_α-OH氧化规律;在此基础上,利用Pv-Lac氧化木质素C_α-OH,以增强木质素的甲酸催化解聚。分别从P.vitreus和E.taxodii胞外液中分离纯化获得Pv-Lac、Pv-VP和Et-MnP,研究其在不同pH条件下的酶学性质和反应动力学。结果显示:Pv-Lac、Pv-VP、Et-MnP的最适pH分别为2.0、4.5、4.0。与过氧化物酶不同,Pv-Lac反应最适pH和酶稳定性最适pH有很大差异,酸性条件下Pv-Lac的催化活性强但稳定性低,当pH为7.0时,Pv-Lac表现出较高的稳定性和底物亲和力,但催化活性降低。H_2O_2浓度是影响Pv-VP催化的关键,Pv-VP可以氧化Et-MnP不能氧化的高氧化还原电位底物,而对于低氧化还原电位底物的催化效率低于Et-MnP。成功地合成木质素二聚体模型化合物,并以酚型β-O-4二聚体研究侧链C_α-OH的酶氧化规律。结果表明,当pH为7.0时,Pv-Lac对酚型β-O-4二聚体的催化效率最高,二聚体侧链的C_α-OH被选择性氧化为C_α=O;而pH为3.0或4.5时,Pv-Lac对酚型β-O-4二聚体的催化效率减低,除发生轻微的C_α-OH氧化外,还聚合生成C-C键连接的四聚体。高浓度的H_2O_2增强过氧化物酶Pv-VP的催化速率,但导致其快速失活;过氧化物酶Et-MnP和Pv-VP催化酚型β-O-4二聚体发生轻微的C_α-OH氧化,同时聚合生成C-C键连接的四聚体。进一步研究了Pv-Lac氧化C_α-OH对甲酸催化解聚木质素的影响。结果显示,Pv-Lac氧化的酚型β-O-4二聚体经甲酸催化解聚后,二聚体的解聚率从6.80 wt%显著上升到36.33 wt%,主要的解聚产物为愈创木酚、香草醛、香草酸和愈创木基丙烷二酮;两种木质素高分子磨木木素(MWL)和碱木素经Pv-Lac氧化后,氧化木质素在甲酸作用下的解聚率分别为84.80 wt%和19.60 wt%,较未经漆酶处理的对照分别增加24 wt%和9 wt%。综上所述,本论文首次利用漆酶氧化木质素C_α-OH,增强甲酸催化木质素解聚的效率,为构建生物改性偶联化学氧化的木质素解聚新策略奠定基础。
【图文】：

图 1.3 漆酶活性位点结构Fig. 1.3 Structure of fungal laccase active site究表明，Lac 的氧化修饰依赖于反应条件（温度、pH）[23, 24]，在不同 pH 条件下体现出不同的催化特性[25]，如图 1.4 所示。经历 5 个状态：静止态（I）、还原态（R），过氧化态中间体（和氧化态（A）。当存在底物时，Lac 将底物氧化夺得电子形成慢，是 Lac 氧化中的限速步骤；接下来还原态还原 O2形成过H 条件下，过氧化态中间体将通过两个步骤进行衰减：相对快体，形成 X 态和氧化态；然后 X 态较慢的消耗，再形成过存在氧化态向静止态（<1%, pH=7.0）的转化，氧化态可以直应速率很快，因此具有很高的氧化效率。在低 pH 条件下，过化态，通过两步衰减：一部分依赖于 pH 转化为静止态（6.5），另一部分直接进行底物的催化。因此 pH 越低，氧化态转

图 1.4 漆酶的催化机理图Fig. 1.4 Catalytic mechanism of fungal laccase的氧化还原电位为 0.5-0.8 V，主要取决于生物体的来源，到目前为Lac 的氧化还原电位最高（0.8 V）[13]。由于 Lac 的氧化电位比较低，木质素中的酚类亚基。非酚类亚基具有更高的氧化还原电位，不能被非酚类结构占木质素的 80%以上[26]。漆酶作用于非酚类亚基的限制来克服。介体是一种作为漆酶和被氧化底物之间的电子载体的分子的氧化能力，，使 Lac-介体系统成为比 Lac 更强的氧化剂。同时介体被c 的氧化范围，因为其分子量很小，可以扩散到木质素内部。介体一化合物和合成化合物。天然来源的介体为木质素降解产物，如 4-羟和芥子酸等，因此天然介体的存在使漆酶的单一作用和与介质结合。合成类介体包括 HBT（1-羟基苯并三唑）、ABTS（2,2'-联氮-双-3-6-磺酸钠）、TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物）和紫尿酸等[13]。因
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q505

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本文编号：2707946