论文部分内容阅读
5-羟甲基糠醛(5-hydroxymethylfurfural,HMF)是一种具有广阔应用前景的生物基平台化合物,其可由碳水化合物脱水制备得到。HMF分子中含有一个呋喃环、甲酰基及羟甲基,具有优异的反应性能,对其进行化学修饰得到一系列有用的中间体。2,5-呋喃二甲醇(2,5-bis(hydroxymethyl)furan,BHMF)是HMF分子选择性还原的产物,同时也是一种合成聚合物、药物、冠醚及大环化合物聚醚的结构单元。然而,当前BHMF仍然主要是采用化学法合成,存在环境污染严重、选择性低及反应条件苛刻等缺点。而生物催化因具有环境友好、选择性高及反应条件温和等优点,越来越受到人们的青睐。在全细胞催化氧化还原反应中,各酶系被包裹在细胞膜中,不仅有利于保持其催化活性,而且能实现辅酶的原位再生。因此,与游离酶相比,利用全细胞催化HMF选择性还原合成BHMF具有优势。然而迄今为止,相关的文献报道仍然较少。基于上述情况,本论文从工厂附近土壤中筛选出一株新的耐高浓度HMF的季也蒙毕赤酵母Meyerozyma guilliermondii SC1103。随后,系统考察了M.guilliermondii SC1103细胞催化特性及各关键因素对全细胞催化HMF选择性还原合成BHMF的影响,并建立了高效且高选择性合成BHMF的生物催化途径;最后,探讨了多孔的金属有机框架(MOF)作为细胞固定化材料的可行性,对比研究了固定化前后细胞的催化活性及稳定性。结果表明,辅底物不仅对微生物细胞的HMF耐受程度,而且对微生物细胞的催化活性及选择性展现出显著的影响。然而,氮源及矿物盐则对微生物细胞的催化性能影响甚微。此外,M.guilliermondii SC1103细胞还在pH 4.0-10.0之间表现出优异的催化性能。该酵母细胞能够耐受高达110 mM的HMF及200 mM的BHMF。另外,在适宜条件下,该酵母细胞能在12 h内将100 mM HMF选择性还原为BHMF,其产率为86%,选择性>99%。此外,采用底物分批流加方式,在24.5 h内体系中BHMF浓度能够达到191 mM,生产效率约为24 g/L d。另外,该酵母细胞也能高效催化糠醛和5-甲基糠醛的选择性还原,相应的呋喃醇产率分别为83%和89%,选择性分别为96%及>99%。MOF材料(ZIF-8)能迅速在M.guilliermondii SC1103细胞表面自组装成纳米胶囊,且其包封率达到99%。结果表明,ZIF-8包埋酵母细胞的催化活性远高于传统的海藻酸钙包埋的细胞,这主要是由于前者包埋材料壁厚薄,故传质阻力更小。并且,ZIF-8包埋的酵母细胞不仅对溶壁酶具有超强的抗性,且具有较好的贮藏稳定性。贮藏28天后,固定化细胞仍然保留了61%的相对活性,并且细胞成活率仍高达93%,与游离细胞相关值相当,这表明ZIF-8具有优异的细胞相容性。该固定化细胞具有较好的操作稳定性,连续使用5批次后,其催化HMF还原合成BHMF的相对产率仍高达98%。此外,MOF材料Fe-BTC能快速包裹细胞,在M.guilliermondii SC1103细胞表面形成MOF层。结果表明,Fe-BTC包埋的酵母细胞具有良好的催化活性。本研究不仅初步阐明了全细胞催化HMF选择性还原反应特性及规律,丰富了生物催化生物基平台化合物高值化转化的理论基础,而且初步探讨了基于MOF材料细胞固定化的研究。由于MOFs材料结构和化学的多样性,该细胞固定化方法为生物催化剂细胞表面修饰提供了新的机遇。