生物催化5-羥甲基糠醛高值化轉(zhuǎn)化進展

李 寧

(華南理工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510641)

生物催化5-羥甲基糠醛高值化轉(zhuǎn)化進展

李 寧

(華南理工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510641)

5-羥甲基糠醛(HMF)是一個重要的生物基平臺化合物。近年來，化學(xué)催化其高值化轉(zhuǎn)化受到了廣泛關(guān)注，并取得了較大進展。盡管生物催化具有反應(yīng)條件溫和、高選擇性及環(huán)境友好等優(yōu)點，但是生物催化HMF轉(zhuǎn)化仍處于初步發(fā)展階段。本文中，筆者主要就近年來生物催化HMF氧化、還原、還原氨化、縮合及酯化等方面的研究進行綜述，以期為建立高效制備HMF高附加值衍生物的生物催化途徑提供參考。

平臺化合物；生物催化；5-羥甲基糠醛；氧化還原反應(yīng)

隨著化石資源的日益匱乏和環(huán)境問題的加劇，近年來生物基能源和平臺化合物的開發(fā)與利用越來越受到人們的關(guān)注[1]。5-羥甲基糠醛(HMF)是一個重要的生物基平臺化合物，位居美國能源部宣布的“Top 10+4”平臺化合物之列[2]。該生物基平臺化合物可以通過碳水化合物脫水制備得到。HMF分子中有多個活性基團如羥基、醛基等，經(jīng)化學(xué)修飾可轉(zhuǎn)化為各種高附加值中間體(圖1)。這些HMF衍生物都是重要的合成中間體，在醫(yī)藥、能源和高分子等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值[3]。

圖1 HMF及其衍生物Fig.1 HMF and its derivatives

當(dāng)前，化學(xué)催化仍是HMF高值化轉(zhuǎn)化的主流方法[3]。盡管化學(xué)法已取得了長足進展，但化學(xué)法通常以重金屬為催化劑，環(huán)境不友好。此外，部分化學(xué)催化劑選擇性不理想，容易導(dǎo)致活性羥基或醛基的過度氧化，從而產(chǎn)生大量副產(chǎn)物，影響后續(xù)目標產(chǎn)物分離純化；并且在化學(xué)合成過程中通常以毒性較大的吡啶、二甲基亞砜及CH2Cl2等為溶劑。與化學(xué)法相比，生物催化具有諸多優(yōu)勢，如反應(yīng)條件溫和、選擇性高、工藝簡單、無需利用有毒溶劑和催化劑，環(huán)境友好[4]。生物催化替代傳統(tǒng)的化學(xué)工藝已成為未來工業(yè)制造的發(fā)展趨勢。例如，腈水合酶已成功替代Cu2+用于工業(yè)生產(chǎn)高純度丙烯酰胺[5]；青霉素?；敢殉晒τ糜谏a(chǎn)β-內(nèi)酰胺抗生素母核及各種半合成β-內(nèi)酰胺抗生素[6]。

最近，吳樹麗等[7]對生物催化HMF氧化方向的研究進行了較為全面的總結(jié)。本文中，筆者除了介紹HMF氧化方向的最新進展外，還對生物催化HMF還原、還原氨化、酯化等方向的研究進行綜述，以期為相關(guān)研究者提供參考。

1 生物催化HMF氧化

1.1 2,5-二甲?；秽?DFF)合成

最早，Van Deurzen等[8]以過氧化氫(H2O2)為氧化劑，利用氯過氧化物酶催化HMF氧化合成DFF，但選擇性最高僅為74%，反應(yīng)過程中有大量5-羥甲基呋喃-2-羧酸(HMFCA)形成。筆者所在課題組的Qin等[9]發(fā)現(xiàn)半乳糖氧化酶在辣根過氧化酶的激活作用下能選擇性催化HMF氧化為DFF，96 h后產(chǎn)率達91%。McKenna等[10]報道半乳糖氧化酶突變體M3-5是更優(yōu)越的生物催化劑，能更高效地將HMF轉(zhuǎn)化為DFF；50 mmol/L HMF反應(yīng)5 h后，DFF產(chǎn)率即超過90%。

1.2 HMFCA合成

Krystof等[11]在乙酸乙酯-叔丁醇體系中利用脂肪酶催化H2O2氧化乙酸乙酯，原位合成過氧乙酸，進而氧化HMF生成HMFCA，底物轉(zhuǎn)化率為100%，但選擇性僅為80%，因為脂肪酶會進一步催化HMFCA與乙酸乙酯進行酯化反應(yīng)，產(chǎn)生約20%的HMFCA乙酸酯。筆者所在課題組的Qin等[9]發(fā)現(xiàn)黃嘌呤氧化酶能高效、高選擇性催化HMF氧化為HMFCA，反應(yīng)7 h后，目標產(chǎn)物產(chǎn)率達到94%。但黃嘌呤氧化酶的底物譜較窄，幾乎不能以DFF為底物合成相應(yīng)的酸。與上述Krystof等報道的HMFCA合成方法相比，Qin等報道的黃嘌呤氧化酶催化途徑具有以下優(yōu)點：①使用空氣作為氧化劑，而不是有毒的H2O2；②以綠色、易得的水作為溶劑，不需要使用揮發(fā)性有機溶劑；③選擇性高；④無副產(chǎn)物；⑤反應(yīng)時間短。最近，Kumar等[12]發(fā)現(xiàn)Baeyer-Villiger單加氧酶能催化HMF氧化為HMFCA，但選擇性有待進一步提高，因為在反應(yīng)過程中伴隨著一個未知化合物的形成。最近，Zhou等[13]報道了提高溶氧能極大地增強反應(yīng)器中全細胞催化糠醛氧化，高效合成糠酸，反應(yīng)24 h后，目標產(chǎn)物濃度高達341 mmol/L(38.2 g/L)，產(chǎn)率為100%。

1.3 5-甲?；秽?2-羧酸(FFCA)合成

筆者所在課題組的Qin等[9]報道了漆酶-四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)體系催化HMF選擇性氧化，主要產(chǎn)物為FFCA，產(chǎn)率達82%。而Carro等[14]發(fā)現(xiàn)來源于真菌的芳基醇氧化酶能選擇性催化HMF(3 mmol/L)轉(zhuǎn)化為FFCA，產(chǎn)率達98%；其反應(yīng)歷程為HMF先轉(zhuǎn)化為DFF，然后再被快速氧化為FFCA。

1.4 2,5-呋喃二羧酸(FDCA)合成

Wierckx等[15]發(fā)現(xiàn)CupriavidusbasilensisHMF14能降解木質(zhì)纖維素水解液中的各種抑制劑如HMF等。隨后，Koopman等[16]將該菌中催化HMF轉(zhuǎn)化的基因hmfH引入PseudomonasputidaS12構(gòu)建重組菌，該重組菌能高效催化HMF轉(zhuǎn)化為FDCA；通過分批流加策略，反應(yīng)144 h后目標產(chǎn)物濃度為193 mmol/L(30.1 g/L)，產(chǎn)率達97%。Yang等[17]報道了1株BurkholderiacepaciaH-2，該菌能將海藻酸水解液中的HMF(16 mmol/L)轉(zhuǎn)化為FDCA，但產(chǎn)率最高僅為50%。最近，Hossain等[18]從土壤中分離得到1株能轉(zhuǎn)化HMF的RaoultellaornithinolyticaBF60，隨后作者對該菌進行代謝工程改造，顯著提高了其催化效率，100 mmol/L HMF經(jīng)改造后的工程菌轉(zhuǎn)化170 h后，F(xiàn)DCA產(chǎn)率為89%。

Dijkman等[19]報道了一種來源于Methylovorussp.MP688的HMF氧化酶，該酶能夠催化HMF進行三步級聯(lián)氧化，轉(zhuǎn)化為FDCA，產(chǎn)率達95%(圖2)[20]；隨后，他們解析了HMF氧化酶的晶體結(jié)構(gòu)，并對其進行了突變改造以提高其催化活性[21]。Carro等[14]先利用芳基醇氧化酶將HMF(3 mmol/L)轉(zhuǎn)化為FFCA，然后加入一種非特異性的羥化環(huán)氧化酶(peroxygenase)將FFCA氧化為FDCA，但該級聯(lián)反應(yīng)效率較低，需反應(yīng)較長時間(120 h)才能獲得高FDCA產(chǎn)率(91%)。而McKenna等[10]利用一鍋雙酶(半乳糖氧化酶M3-5及醛氧化酶PaoABC)耦聯(lián)法，以HMF為底物合成了FDCA，產(chǎn)率達74%。Correia等[22]研究發(fā)現(xiàn)，醛氧化酶PaoABC是一種獨特的黃嘌呤氧化酶，能高效催化DFF轉(zhuǎn)化為FDCA。Qin等[9]利用半乳糖氧化酶和脂肪酶構(gòu)建雙酶級聯(lián)反應(yīng)體系，將HMF轉(zhuǎn)化為FDCA，兩步反應(yīng)總產(chǎn)率約為66%。

圖2 HMF氧化酶催化HMF氧化Fig.2 HMF oxidase-catalyzed oxidation of HMF

2 生物催化HMF還原

在木質(zhì)纖維素酸水解液生物脫毒中，已有關(guān)于微生物細胞催化HMF或/及糠醛還原的報道[23]。但這些微生物遠不能滿足生物催化HMF還原合成2,5-二羥甲基呋喃(BHMF)的要求(底物濃度高、轉(zhuǎn)化速度快，且反應(yīng)選擇性好等)，其原因有：生物脫毒效率仍較低，即微生物轉(zhuǎn)化HMF的速度慢[24-25]；微生物可耐受的HMF濃度較低[26-27]；微生物催化HMF轉(zhuǎn)化的選擇性不高[27]。最近，筆者所在課題組的Li等[28]從土壤中分離得到1株酵母菌MeyerozymaguilliermondiiSC1103，該菌不僅對底物HMF(110 mmol/L)和產(chǎn)物BHMF(200 mmol/L)具有高耐受性，而且能高效、高選擇性催化HMF(100 mmol/L)還原合成BHMF，12 h后目標產(chǎn)物產(chǎn)率達86%，選擇性>99%；借助底物分批流加策略，24.5 h內(nèi)產(chǎn)物濃度高達191 mmol/L，生產(chǎn)效率達24 g/(L·d)。He等[29]報道EscherichiacoliCCZU-K14能夠高效催化糠醛還原為糠醇，24 h后產(chǎn)率達100%；并構(gòu)建了一個化學(xué)-酶法工藝，由木糖為原料合成糠醇，總產(chǎn)率約為41%。

3 其他反應(yīng)

哈斯等[30]報道了一個多酶級聯(lián)反應(yīng)體系，利用半乳糖氧化酶將HMF氧化為DFF，然后利用ω-轉(zhuǎn)氨酶催化該中間體還原氨化合成了2,5-二氨甲基呋喃，產(chǎn)率>80%。最近，Dunbabin等[31]報道了ω-轉(zhuǎn)氨酶催化HMF及其結(jié)構(gòu)類似物還原氨化，合成了一系列糠胺衍生物，產(chǎn)率最高達到92%。

多個研究小組報道了不同來源的醇腈酶催化糠醛與氫氰酸(HCN)進行加成反應(yīng)，合成了有用的手性中間體(R)-及(S)-氰醇[32-34]。隨后，Purkarthofer等[35]成功將上述反應(yīng)放大至千克規(guī)模，合成了(R)-2-(2-呋喃)-2-羥基乙腈，產(chǎn)率高達95%，對映體過剩值(e.e.)>99%。Donnelly等[36]發(fā)現(xiàn)苯甲醛裂合酶能催化糠醛或HMF進行自縮合反應(yīng)，或催化糠醛與HMF進行異縮合反應(yīng)合成C10～C12化合物。

HMF酯衍生物在燃油添加劑、高分子、表面活性劑及殺真菌劑等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。Krystof等[37]報道了無溶劑體系中脂肪酶催化HMF酯化或轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，合成了一系列HMF脂肪酸酯及碳酸酯，產(chǎn)率為85%～91%。最近，筆者所在課題組的Qin等[38]在生物基溶劑中借助酶催化將兩種重要的生物基平臺化合物(乙酰丙酸及HMF)轉(zhuǎn)化為HMF乙酰丙酸酯，并且當(dāng)HMF濃度高達500 mmol/L時，底物轉(zhuǎn)化率仍可達到72%。

4 結(jié)論與展望

盡管生物催化HMF高值化轉(zhuǎn)化處于初步研究階段，但與化學(xué)法相比，生物催化更具吸引力，因為生物催化過程具有綠色環(huán)保、反應(yīng)條件溫和及高選擇性等優(yōu)點。然而，HMF對生物催化劑具有較高毒性和抑制作用，故生物催化HMF高值化轉(zhuǎn)化仍頗具挑戰(zhàn)。目前，能高效催化HMF選擇性轉(zhuǎn)化的生物催化劑仍不多，并且存在底物耐受性差、轉(zhuǎn)化效率低等問題。同時，生物催化反應(yīng)類型仍非常有限，有待于進一步拓展。因此，挖掘新型、高效、高選擇性且對HMF具有高耐受性的生物催化劑是今后該領(lǐng)域研究的一個重要方向。進而，解析酶分子晶體結(jié)構(gòu)并闡明其催化機制，為酶分子的理性設(shè)計和改造提供理論指導(dǎo)，避免盲目低效的突變。介質(zhì)工程及固定化技術(shù)等生物催化工程技術(shù)能有效地解決反應(yīng)過程中的各種問題，如底物溶解及抑制、產(chǎn)物抑制及分離、催化劑重復(fù)利用等[39]。因此，這些工程技術(shù)在生物催化HMF高值化轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用也是另一個重要研究方向，這將極大地提高生物催化劑的催化性能、降低成本，從而推動HMF高值化轉(zhuǎn)化新技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。

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(責(zé)任編輯 荀志金)

Advancesinbiocatalyticupgradingof5-hydroxymethylfurfural

LI Ning

(School of Food Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China)

5-Hydroxymethylfurfural (HMF) is an important bio-based platform chemical.In recent years,catalytic upgrading of HMF has attracted considerable interest,and significant progress has been achieved.However,biocatalytic valorization of HMF into its valuable derivatives

less attention,in spite of many advantages such as mild reaction conditions,excellent selectivity and environmental friendliness.In this review,we introduced recent advances in biocatalytic HMF oxidation,reduction,reductive amination,condensation,and esterification,to provide useful information for constructing efficient biocatalytic approaches toward value-added chemicals.

platform chemicals;biocatalysis;5-hydroxymethylfurfural;redox reactions

10.3969/j.issn.1672-3678.2017.06.005

2017-06-21

國家自然科學(xué)基金(21676103)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(2017ZD065)

李 寧(1979—)，男，江西撫州人，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：生物催化，E-mail：lining@scut.edu.cn

Q81

A

1672-3678(2017)06-0034-04