1、6.1 化学-酶合成法生产半合成抗生素,6.1.1 抗生素的历史,1929,英国细菌学家弗莱明发现了青霉素。,1959年前,1959年后,天然抗生素的研究阶段,半合成抗生素研究阶段,至今,6.1.2 酶法生产-内酰胺类抗生素的母核,6-氨基青霉烷酸(6-APA), 7-氨基头孢烷酸(7-ACA)和7-氨基去乙酰氧基头孢烷酸（7-ADCA），是半合成青霉素和半合成头孢菌素的- 内酰胺母核，是重要的制药工业原料。,6-APA,7-ADCA,7-ACA,青霉素G、青霉素V和头孢菌素可以由发酵法合成，将它们的侧链水解可以制备6-APA, 7-ACA和7-ADCA,酶催化水解制备6-APA、 7-ACA
2、， 7-ADCA,6-APA的酶法合成,青霉素G,青霉素V,6-APA,青霉素G酰化酶,青霉素V酰化酶,7-ADCA的化学-酶法合成,化学扩环,青霉素G,苯乙酰基-7-ADCA,青霉素酰化酶,7-ADCA,化学-酶法制备7-ACA,头孢菌素C,D-氨基酸氧化酶,O2,H2O2,CO2,-酮基己二酸单酰基7-ACA,戊二酸单酰-7-ACA酰化酶,7-ACA,戊二酸单酰-7-ACA,- 内酰胺母核的非天然侧链- D-苯甘氨酸和D-对羟苯甘氨酸的化学-酶法合成,1 ）外消旋海因由苯酚、乙醛酸和尿素为原料 通过Mannich反应合成,2）D-海因酶水解外消旋海因,D-海因酶,L-海因,D-海因,D-N
3、-氨基甲基氨基酸,转化率100%,D- 对羟基苯甘氨酸,3）化学法制备D-对羟基苯甘氨酸,D-苯甘氨酸的合成可以用类似方法,青霉素酰 化酶,6-APA,7-ADCA,氨卞青霉素,头孢氨卞,D- 苯甘氨酸甲酯 D-苯甘氨酸酰胺,HO,HO,阿莫西林,头孢羟氨苄,固定化酶和固定化细胞在抗生素制造中的应用,固定化酶或固定化细胞 底物 产物青霉素酰化酶 天然青霉素 G 6-APA大肠杆菌 天然青霉素 G 6-APA头孢霉素酰化酶 去乙酰氧基头孢 7-ADCA 霉素G假单胞菌 戊二酸单酰-7-ACA 7-ACA青霉素酰化酶 D- 苯甘氨酸甲酯 氨苄西林 +6-APA 头孢霉素酰化酶 D- 苯甘氨酸甲酯
4、头孢氨苄 +7-ADCA,6.2 食品添加剂的合成,食品工业中涉及众多的添加剂，它们具有保健、保鲜或改善风味等功能。这类化合物也会对人体发挥生物学作用。因此，必须考虑到它们的手性问题，FDA要求食品添加剂也应以单一对映体形式上市。,维生素C的化学-酶法合成,合成步骤短，产率高,阿斯巴甜,（阿斯巴甜）又名阿司帕坦，化学名为N-L-天冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯。,阿斯巴甜的特点,甜度高，味美,阿斯巴甜口味纯正清爽，甜味强烈，类似蔗糖， 但甜度约为蔗糖的200倍，没有人造甜味剂常有的 苦味、化学味或金属的后味。另外阿斯巴甜与其他 甜味剂共用时会产生明显的甜味增效作用，对某些食品、饮料风味也有明 显的增
5、效作用，特别是对酸型水果风味。,阿斯巴甜的特点,热量低,阿斯巴甜所含热量为1672 kJg，与相同甜度的蔗糖相比，其发热量仅为蔗糖制造相同食品的1200，因使用量很少，实际提供的热量值就很低，尤其适用于糖尿病、高血压及心脑血管患者使 用。其摄人后的消化、吸收和代谢过程与食品中的蛋白质相似，故不会引起龋齿。,阿斯巴甜的特点,安全性,阿斯巴甜每日允许摄人量为40 mgkg。美国食品和药物管理局 （FDA)于1981年批准阿斯巴甜作为食品添加剂的申请。我国在1986年正式批准其在食品中使用。 从其应用至今一直遭到了国内外众多科学工作者和研究机构对其安全性的质疑，如其是否具有致癌性，以现在的技术手段是
6、 无法证实的，但并不表明阿斯巴甜就一定是安全的， 希望最终能得到乐观的结果。,国际上阿斯巴甜主要由美 Nutra Sweet和日本Ajionomoto两大公司生产。当前国内所需阿斯巴甜主要从美国、日本进口。由于价格昂贵，市场供应量有限，制约了它在我国的应用。 但在我国未来市场前景十分广阔。,阿斯巴甜的生产厂家,化学合成法（内酐法），成本低,（苦味，分离提纯困难）,氨基保护,外消旋,只生成-异构体,除去保护基团,嗜热蛋白芽胞杆菌的蛋白酶,日本 Toyo Soda公司 和荷兰DSM公司联合建有一套500t的酶法生产装置，转化率高，但成本还很高，需要进一步优化,阿斯巴甜,酶催化法，成本较高,香兰素,
7、又名香草醛，化学名称 3-甲氧基-4-羟基苯甲醛。可以用化学方法合成，也可以从香草兰中提取，还可以通过生物催化和转化方法制备。,香兰素的用途,香兰素以游离态和葡萄糖苷的形式存在于植物中，占香荚兰豆干重的2% 3%。 纯净的香兰素具有浓郁的奶香气，无异味。 香兰素用途非常广，除广泛用作食品工业的定香剂、调味剂外，也是医药工业的重要原料和中间体，还可作为电镀上光剂、植物生长促进剂、催熟剂等。,化学合成香兰素,愈创木酚法 （主要方法）邻硝基氯苯法丁香酚法对羟基苯甲醛法对甲酚法其他化学合成法,优点：产量高，成本低；缺点：原料有毒，三废 需要治理；产品售价低,工业级约口7万元吨，食品级约710万元吨，而
8、天然级产品日前售价高达40-50万元吨，,直接提取法,从香兰草（又称香荚兰）中提取 香兰草中主要的香气成分为香兰素，可采用传统 的有机溶剂萃取法进行，其成本高、费时且有溶剂残留。采用超临界萃取法， 收率高，产品质量好。,以咖喱粉为原料，先提取姜黄素，再经酸碱 处理转化为香兰素,香兰草的豆荚中仅含23的香兰素，香兰草不 易种植而且主要分布在少数热带地区，这使得仅从 香兰草提取的天然香兰素远远不能满足世界市场需求。,香兰草,人工控制的生物合成法,微生物细胞发酵法,许多细菌、霉菌都能将丁香酚、异丁香酚、 阿魏酸、葡萄糖等化合物通过发酵转化香兰素。,阿魏酸是肉桂酸的衍生物，在植物细胞壁中含量非常丰富，
9、如甜菜粕、麦麸等阿魏酸含量可达其重的0.5%1%，它以共价键与碳水化合物相连接。采用阿魏酸生产天然香兰素时可先利用一些微生物分泌的酯酶将阿魏酸从植物细胞壁中游离出来，而后再将阿魏酸转化成香兰素。,以阿魏酸为前体微生物发酵生产香兰素,以天然米糠油来源的阿魏酸为原料，生物转化 制备香兰素的方法被广泛研究,最近上海爱普香料集团选育的微生物菌种通过阿魏酸发酵生产香兰素，达到国际先进水平(发酵液中 香兰素平均浓度达到了15 gL), 该工艺路线已产业化。,以阿魏酸为前体微生物发酵生产香兰素的可能代谢途径,人工培养香荚兰细胞，这种细胞会向外分泌香兰素。近年来又找到了灌木状辣椒细胞等将特定添加物转化为香兰素
10、的新方法。,植物细胞培养法：,采用植物细胞培养法生产香兰素的普遍缺点是产物含量低而且不稳定，植物细胞或组织生长相对较慢，整个生产过程必须处在无菌状态，生产成本高,酶法生产香兰素,云杉的树皮中含有较多的 1，2一二苯乙烯类化合 物，它可被假单孢杆菌产生的木质一,-加双氧酶催 化氧化成香兰素,采用该法生产香兰素的产率可达70，Yoshimoto 等已申请了专利。,O2,酶,异丁香酚（来自丁香油）,大豆脂氧合酶,酶法生产香兰素,O2,6.3 脂肪酶催化制备生物柴油,生物柴油的定义,以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油, 通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的
11、再生性柴油燃料。 生物柴油是含氧量极高的复杂有机成分的混合物，这些混合物主要是一些分子量大的有机物，几乎包括所有种类的含氧有机物，如：醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等。,为什么不能直接使用生物质油？,动、 植物油的高黏度特性,是不适合于柴油发动机的关键因素之一, 因此必须改善其流动性。 目前较为理想的方法是酯交换法。即在一定温度下, 将油脂与甲(乙)醇等低级醇类在酸碱催化剂或生物催化剂下进行酯交换反应, 生成相应的脂肪酸甲酯(生物柴油) , 同时有副产物-甘油的生成。,生物柴油中硫含量低，使得二氧化硫和硫化物的排放低，可减少约30%(有催化剂时为70%)； 生物柴油中不含对环境会造成污染的芳香
12、族烷烃，因而废气对人体损害低于柴油。检测表明，与普通柴油相比,使用生物柴油可降低90%的空气毒性，降低94%的患癌率； 由于生物柴油含氧量高，使其燃烧时排烟少，一氧化碳的排放与柴油相比减少约10%(有催化剂时为95%)；生物柴油的生物降解性高。,生物柴油的优点,具有优良的环保特性。,使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使用寿命长。,生物柴油的优点,无添加剂冷滤点达-20。,具有较好的低温发动机启动性能,具有较好的润滑性能,具有较好的安全性能,由于闪点高，生物柴油不属于危险品。因此，在运输 、 储存、使用方面的安全性又是显而易见的。,具有良好的燃料性能,生物柴油的优点,十六烷值高，使其燃烧性好
13、于柴油，燃烧残留物呈微酸性，使催化剂和发动机机油的使用寿命加长。,具有可再生性能,作为可再生能源，与石油不同，通过农业和生物科学家的努力，可供应量不会枯竭。,无须改动柴油机，可直接添加使用,生物柴油的优点,同时无需另添设加油设备、储存 设备及人员的特殊技术训练。以一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗、提高动力性，并降低尾气污染。,碱催化制备生物柴油的缺点,甘油回收和催化剂脱除困难、反应不完全 , 以及当油中含有游离脂肪酸和/ 或水时会生成皂化产物, 工艺复杂、 能耗高 、 要排放含碱废液，易造成环境污染, 此外还存在工艺流程过长、 非均相反应、 反应速度慢、 反应时间较长等缺点。,生物酶催
14、化的优点,脂肪酶能够高效催化醇与脂肪酸甘油酯进行酯交换反应,工艺简单, 反应条件温和, 选择性高, 醇用量小, 副产物少, 生成的甘油容易回收且无需进行废液处理。,固定脂肪酶作催化剂生产生物柴油,日本利用丹麦诺维信公司生产的固定化假丝酵母催化三酰基甘油与甲醇的脂化反应，在30 反应48 h,生物柴油的转化率可以达到97%。,用于催化合成生物柴油的脂肪酶, 主要是酵母脂肪酶、 假单细胞脂肪酶, 假丝酵母脂肪酶、 根霉脂肪酶、毛霉脂肪酶和猪胰脂肪酶等。,将固定化技术引入生物柴油工业生产中,可大大提高酶的稳定性和重复使用率并降低成本。,脂肪酶作催化剂生产生物柴油面临的问题,甲醇等低碳醇对酶的失活效应
15、,甲醇或乙醇作为酰基受体制备生物柴油时，因其与油脂的混溶性较差，反应所需量的醇无法全部溶解于油脂中，未溶解的在体系中形成微粒，与酶接触将引起酶失活。,通过分批加入甲醇的方式解决该问题,开发耐受高浓度短链醇的脂肪酶,脂肪酶作催化剂生产生物柴油面临的问题,少数酶如洋葱假单胞菌脂肪酶对甲醇等短链醇显示出较高浓度的耐受性， 可在无溶剂体系中有较大的反应速率和甲酯得率， 而多数脂肪酶对甲醇、 乙醇都比较敏感， 易被抑制失活。,通过微生物脂肪酶的大量筛选，蛋白质工程如定点突变，酶的定向进化技术得到耐受高浓度短链醇的脂肪酶。,改进溶剂体系,脂肪酶作催化剂生产生物柴油面临的问题,低碳醇与油脂较低的混溶性可通过向反应体系中添加溶剂而得以改善。 研究较多的为有机溶剂，加入溶剂后体系中反应底物浓度降低，与酶接触表面积增大， 酯化率明显提高。不同有机溶剂对脂肪酶催化反应的影响主要是疏水性的不同引起的。,工业酶制品成本较高、稳定性差，重复使用效率低,脂肪酶作催化剂生产生物柴油面临的问题,将产胞内脂肪酶的微生物细胞固定在载体上（ 如生物支架颗粒，BSPs） 用作全细胞生物催化剂。操作更为简便、 经济， 省掉纯化酶这极耗成本的工序， 而且固定化过程可在批量培养微生物时同步完成。,
